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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
DISEO DE UNA PLANTA GEOTRMICA DE
GENERACIN ELCTRICA DE 50MWTESIS
PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE:INGENIERO MECNICO ELECTRICISTA
LUIS FELIPE CRDOVA ZAPATA
PROMOCION 2005-I
LIMA-PERU
2007
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DEDICATORIA
El presente trabajo lo dedico a mi querida madre por haberme apoyado a lo largo
de todos mis estudios universitarios, y quien ha estado a mi lado en los buenos y
malos momentos.
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NDICE
N Pgina
Prlogo.. (1)
CAPTULO 1: INTRODUCCIN.... (3)
1.1. Antecedentes.. (4)
1.2. Justificacin... (6)
1.2.1. Justificacin Social... (6)
1.2.2. Justificacin Econmica... (7)
1.2.3. Justificacin Tcnica.... (7)
1.2.4. Justificacin Ambiental.... (8)
1.3. Objetivos.... (9)
CAPTULO 2: DESCRIPCIN DE UNA PLANTA GEOTRMICA.... (10)
2.1. Energa Geotrmica.. (10)
2.2. Clasificacin de los Recursos Geotrmicos.. (17)
2.3. Fluidos Hidrotrmicos ... (18)
2.4. Aplicaciones de la Energa Geotrmica y sus Antecedentes. (20)
2.4.1. Aplicaciones Directas de los Recursos Geotrmicos (22)
2.4.2. Aplicaciones Indirectas de los Recursos Geotrmicos.. (30)
2.5. Generacin de Energa Elctrica (32)
2.5.1. Generalidades (32)
2.5.2. Sistemas de Generacin Elctrica.. (38)
2.6. Desarrollo Mundial de la Generacin Geotrmica de Electricidad (44)
2.7. Potencial Geotrmico Nacional.. (53)
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II
CAPTULO 3: FUNDAMENTO TERICO (61)
3.1. Descripcin tcnica de una Planta Geotrmica... (61)
3.1.1. Tipos de Plantas. (61)
3.1.2. Desempeo de las Plantas de Generacin.. (68)
3.2. Marco Legal Nacional (72)
CAPTULO 4: DISEO DE LA PLANTA... (74)
4.1. Consideraciones Preliminares. (75)
4.1.1. Consideraciones mecnicas.... (75)
4.1.2. Consideraciones fluido-termodinmicas (76)
4.1.3. Consideraciones ambientales. (76)
4.2. Clculos... (79)
4.3. Resultados... (88)
4.3.1. Ciclo termodinmico.. (88)
4.3.2. Seleccin de componentes (100)
CAPTULO 5: ESTUDIO ECONMICO-FINANCIERO (111)
5.1. Criterios para la Evaluacin Econmica (112)
5.2. Descripcin de Inversiones, Costos e Ingresos.. (113)
5.3. Evaluacin Econmica... (121)
5.4. Comentarios... (123)
5.5. Criterios para el Financiamiento (125)
5.6. Entes con capacidad de Inversin.. (128)
CONCLUSIONES (129)
BIBLIOGRAFA.. (131)
ANEXOS.. (135)
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III
NOMENCLATURA GENERAL
A continuacin se describe la nomenclatura usada en los clculos:
m = Flujo de masa, kg/s.
h = Entalpa, kJ/kg.
P = Presin, kPa.
s = Entropa, kJ/kgC.
= Volumen especfico, m3/kg.
T = Temperatura, C.
u = Enega interna, kJ/kg.
x = Calidad del fluido o fraccin del vapor en el fluido, sin unidades.
Rexv= Relacin de expansin en la vlvula de expansin, sin unidades.
at = Eficiencia adiabtica de la turbina, sin unidades.
Rexb= Relacin de expansin en la bomba de condensado, sin unidades.
ab = Eficiencia adiabtica de la bomba de condensado, sin unidades.
pP = Prdida de presin en el precalentador, kPa.
hpq
= Calor transferido del fluido geotrmico al precalentador, kW.
cpq = Calor transferido del precalentador al isopentano, kW.
vP = Prdida de presin en el vaporizador, kPa.
hvq = Calor transferido del fluido geotrmico al vaporizador, kW.
cvq = Calor transferido del vaporizador al isopentano, kW.
CP = Prdida de presin en el condensador, kPa.
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IV
bW = Potencia de la bomba, kW.
b = Eficiencia de la bomba de condensado, sin unidades.
tW = Potencia de la turbina, kW.
t = Eficiencia de la turbina, sin unidades.
m = Eficiencia mecnica, sin unidades.
g = Eficiencia del generador, sin unidades.
eW = Potencia elctrica, kW.
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PRLOGO
El presente trabajo tiene como objetivo principal disear una planta geotrmica
elctrica de ciclo combinado, con una turbina de dos etapas y a potencia instalada de
50 MW.
El alcance del diseo es el estudio del ciclo termodinmico y la seleccin de los
componentes de la planta geotrmica de generacin elctrica. El enfoque del trabajo
es mixto, predominantemente se desarrolla una investigacin de la energa
geotrmica y se realizan los clculos respectivos para la seleccin de equipos.
El punto de partida del presente proyecto es el estudio preliminar de los recursos
geotrmicos en nuestro pas que realiz el Ministerio de Energa y Minas a travs de
la Direccin General de Electricidad y, en coordinacin con la Comisin Econmica
para Amrica Latina y El Caribe (CEPAL).
En el primer captulo se realiza una introduccin, la cual se basa en los
antecedentes, la justificacin y se explica el objetivo del presente proyecto.
En el segundo captulo se instruye al lector con conceptos bsicos sobre energa
geotrmica, clasificacin de los recursos geotrmicos, fluidos hidrotrmicos, las
aplicaciones de la energa geotrmica y sus antecedentes, la generacin de energa
elctrica, el desarrollo mundial y el potencial geotrmico nacional.
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En el tercer captulo se explica el fundamento terico del diseo de la planta, el
cual contiene la descripcin tcnica de una planta geotrmica y el marco legal
nacional.
En el cuarto captulo se describe el diseo de la planta, teniendo en cuenta unas
consideraciones preliminares, para luego realizar los clculos y presentar los
resultados.
Y en el quinto captulo, se realiza un estudio econmico-financiero, para lo cual se
explican los criterios para la evaluacin econmica, se describen las inversiones, los
costos e ingresos para luego realizar la evaluacin econmica, tambin se mencionan
los criterios para el financiamiento y los entes con capacidad de inversin para
concluir demostrando la viabilidad de la generacin de energa elctrica utilizando
recursos geotrmicos de nuestro pas.
El presente documento es de valiosa utilidad en varios aspectos. Desde el punto de
vista acadmico, es una obra de consulta para estudiantes y profesionales de
ingeniera que deseen iniciarse en el interesante mundo de la generacin elctrica con
el uso de recursos geotrmicos. A nivel industrial, los recursos geotrmicos se
pueden emplear en diferentes actividades industriales, las cuales se detallan en el
presente proyecto.
Un especial agradecimiento al Centro Cultural Pablo Boner (CCPB) y al Centro de
Investigacin y Desarrollo de Ingeniera Mecnica Elctrica (CEDIME), por el
apoyo brindado durante la realizacin del presente proyecto y por su colaboracin a
mis compaeros Maikol Alexandr Aira Falcn y Diego Marco Antonio Trinidad
Yupa.
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CAPTULO 1
INTRODUCCIN
Mediante el presente trabajo denominado Diseo de una Planta Geotrmica de
Generacin Elctrica de 50 MW se espera demostrar la viabilidad de la generacin
de energa elctrica utilizando recursos geotrmicos de nuestro pas en el campo
geotrmico de Borateras (provincia de Tarata, departamento de Tacna).
Tiene la siguiente presentacin capitular:
CAPTULO 1: INTRODUCCIN, es la presentacin del proyecto, donde se
indica el propsito de la tesis, lo que se espera demostrar.
CAPTULO 2: DESCRIPCIN DE UNA PLANTA GEOTRMICA, describe
algunos conceptos sobre la energa geotrmica que el lector debe conocer
previamente, para la comprensin del contenido de la obra.
CAPTULO 3: FUNDAMENTO TERICO, contiene la estructura terica en
que se basa el diseo de la planta geotrmica de generacin elctrica.
CAPTULO 4: DISEO DE LA PLANTA, describe en forma detallada los
criterios de seleccin de cada uno de los componentes de la planta geotrmica.
CAPTULO 5: ESTUDIO ECONMICO-FINANCIERO, se realiza una
evaluacin econmico-financiera para demostrar que es viable el proyecto.
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1.1. Antecedentes
La produccin elctrica en el pas ha dado un crecimiento a partir de la dcada de
1970, hasta antes de la cual nuestra potencia de generacin instalada era de tan solo
863 MW. Desde ese entonces la produccin elctrica ha ido en aumento hasta llegar
a nuestro parque energtico actual, el cual alcanza los 6200 MW de potencia
instalada. En la Figura 1.1 se muestra la evolucin de la potencia instalada en el pas
desde la dcada de 1970.
Evolucin de la potencia instalada
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Ao
MW
Figura 1.1EVOLUCIN DE LA POTENCIA INSTALADA EN EL PAS
Elaboracin propia a partir del Anuario estadstico electricidad 2005 [1]
Actualmente nuestra potencia instalada bordea los 6200 MW esta potencia es
asumida de distinta manera por las diversas centrales existentes en el pas y la
produccin de energa elctrica de 25414 GW.h
En la Figura 1.2 se muestra la distribucin de la potencia instalada y de la
produccin de energa elctrica en funcin al tipo de central elctrica.
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Figura 1.2POTENCIA INSTALADA Y PRODUCCIN DE ENERGA
ELCTRICA EN FUNCIN DEL TIPO DE CENTRAL ELCTRICA
Situacin de la Geotermia en el Per [26]
La energa trmica almacenada en el interior del planeta tiene un potencial
energtico enorme, clculos cientficos indican que apenas el 1% del calor contenido
en 10 Km2 de la tierra equivale a 500 veces la energa contenida por el petrleo
existente en el mundo1, a su vez es un recurso benigno y considerado bajo ciertas
condiciones como renovable, que va de acuerdo con el control del medio ambiente y
que asegura una buena conservacin del mismo por las bajas emisiones de CO2.
El aprovechamiento de los recursos geotrmicos de nuestro pas permitir tener una
fuente ms de energa que favorecer al desarrollo de diversas regiones de extrema
pobreza, brindando muchas oportunidades desde diferentes aspectos, como tambin
mejorar las condiciones de vida.
1Fuente: Fundamento del proyecto de la Ley N 28546 16/06/05 Ley de Promocin y Utilizacin deRecursos Renovables No Convencionales en zonas rurales, aisladas y de frontera del pas.
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En el sur de nuestro pas existe un potencial geotrmico aprovechable, pero que
an no ha sido cuantificado con exactitud. La explotacin de los recursos
geotrmicos debe ser orientado principalmente a la generacin de energa elctrica,
debido a la lejana de las zonas potenciales que hace difcil aprovechar directamente
el calor para aplicacin directa, como calefaccin. El proyecto brinda un estudio y un
anlisis del aprovechamiento de estos recursos en la generacin de electricidad.
1.2. Justificacin
1.2.1. Justificacin Social
La justificacin social del presente proyecto se basa en los beneficios que
producira la construccin de una central geotrmica. Los beneficios sociales seran
los siguientes:
La energa geotrmica constituye una alternativa de diversificacin de la
matriz energtica en el pas, evitando la dependencia a sistemas basados en
energticos del tipo fsil.
En los ltimos aos el Per y los dems pases de Latinoamrica, estn
difundiendo el uso de energas renovables, los motivos son variados,
humanitarios, polticos, comerciales, etc., por iniciativa propia de los
gobiernos y por la cooperacin internacional. En fin todo esto nos permite
tomar conciencia del uso de las energas renovables, lo que est haciendo
fcil la introduccin de tecnologas que las aprovechen . Todo este panorama
est preparando el terreno para que la energa geotrmica se difunda a nivel
nacional.
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1.2.2. Justificacin Econmica
La justificacin econmica de una central geotrmica se debe a la evaluacin
de su costo marginal, ya que las centrales en nuestro pas despachan energa
de menor a mayor costo marginal. El costo marginal de una central elctrica
es prcticamente el costo del combustible empleado para producir energa
elctrica; como en una central geotrmica el combustible utilizado proviene
de la naturaleza, entonces su costo marginal es muy bajo, por lo que
desplazara a otras tecnologas empleadas para la generacin elctrica.
El estado peruano a travs del Ministerio de Energa y Minas promueve y
fomenta el desarrollo de recursos renovables y/o no convencionales pudiendo
dar inclusive la oportunidad de despachar en base para recibir mayores pagos
por energa.
A nivel mundial y tambin en nuestro pas existe la iniciativa de resolver la
dependencia de los combustibles fsiles ya que estos en los ltimos aos se
han vuelto cada vez ms escasos incrementando su precio por lo que bajo
proyecciones puede llegar a concluir en un dficit energtico. Es por lo
anteriormente mencionado que se busca utilizar tecnologas no
convencionales para la generacin de energa incrementando as la matriz
energtica.
1.2.3. Justificacin Tcnica
La estructura y composicin de una planta geotrmica es muy similar a la de
una planta termoelctrica de vapor, teniendo como diferencias la fuente de
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calor y separadores de fase principalmente, por lo que se puede asegurar su
repotenciacin dependiendo tan solo de la disponibilidad de recursos.
Los flujos residuales de la planta geotrmica pueden ser empleados en
diversas aplicaciones en donde se aproveche la composicin qumica de los
fluidos as como el calor remanente.
Las centrales geotrmicas no presentan aspectos crticos en su operacin al
contrastarlas con centrales trmicas convencionales y de ciclo combinado.
1.2.4. Justificacin Ambiental
El uso de tecnologa geotrmica es un medio eficiente para minimizar la
contaminacin en la produccin de energa. Una planta de este tipo produce
1/6 de las emisiones de CO2 de una central trmica a gas natural por kWh
producido, por lo que generalmente cumple con los lmites de emisin
establecidos. Este tipo de yacimientos utiliza vapor cuya composicin incluye
gases no condensables, tales como CO2, H2S, NH3, CH4, N2y H2en valores
entre 2.5 y 47 g/kg (gramos de contaminante por kg de vapor). Adems, este
tipo de centrales no contamina (NOx) ni (SOx). En este contexto, el problema
de contaminacin del aire no aparece como crtico en los proyectos
geotrmicos, anticipndose que debieran cumplir con los lmites de emisiones
existentes en la normativa.
Para un proyecto de esta envergadura se debe realizar un estudio de impacto
ambiental, para mostrar que los factores de contaminacin son casi nulos,
como lo son las emisiones de CO2, las emisiones de H2S, emisiones de NOx.
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El Estudio de Impacto Ambiental es una evaluacin que analiza la interaccin
presente o futura de la central geotrmica con el medio ambiente.
Se tendr en cuenta un plan de gestin ambiental el cual se har cargo del
manejo ambiental del proyecto el cual contiene diversos componentes,
incluyendo medidas de mitigacin de impactos ambientales durante la
construccin y operacin del proyecto, control de calidad, salud y seguridad
ocupacional, planes de contingencia, programas sociales y desactivacin de la
planta.
1.3. Objetivos
Los objetivos de este trabajo son:
Disear una planta geotrmica elctrica de ciclo combinado, con una turbina
de dos etapas y a potencia instalada de 50 MW.
Demostrar la viabilidad de la generacin de energa elctrica utilizando
recursos geotrmicos de nuestro pas en el campo geotrmico de Borateras
(provincia de Tarata, departamento de Tacna).
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CAPTULO 2
DESCRIPCIN DE UNA PLANTA GEOTMICA
2.1. Energa Geotrmica
El calor es una forma de energa y la energa geotrmica es el calor contenido en el
interior de la Tierra que genera fenmenos geolgicos a escala planetaria; el trmino
energa geotrmica es a menudo utilizado para indicar aquella porcin del calor de la
Tierra que puede o podra ser recuperado y explotado por el hombre; en este sentido
utilizaremos dicho trmino.
La tierra se define como un sistema de fluidos en mutua interaccin. La Tierra
tiene distintas formas de energa intrnseca. Entre ellas, las de mayor inters son la
cintica, elstica y trmica, entre las cuales adems existe un intercambio
permanente. La geotermia corresponde a la energa trmica interna de la Tierra. La
tecnologa actual permite diversas formas de aprovechamiento de esta energa con el
fin de convertirla en energa til (calor, electricidad).
La evidencia visual del calor interno de la Tierra la proporcionan fenmenos
naturales como los volcanes, giseres, fumarolas, manantiales de agua caliente y las
pozas de lodo hirviente (Figura 2.1)
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(a) (b)
(c) (d)
(e)
Figura 2.1EVIDENCIA VISUAL DEL CALOR INTERNO DE LA TIERRA
(a) VOLCN, (b) GISER, (c) FUMAROLA, (d) MANANTIAL DE AGUA
CALIENTE, (e) POZA DE LODO HIRVIENTEIntroduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
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Este calor proviene del ncleo de la Tierra, ubicado aproximadamente a 6000
kilmetros de profundidad que posee una temperatura aproximada de 5000 C
(Figura 2.2) y que est constituido por un ncleo externo de materia fluida y otro
ncleo interno de hierro slido.
Figura 2.2 DISTRIBUCIN APROXIMADA DE TEMPERATURAS EN EL
INTERIOR DE LA TIERRA (C / KILOMETRO).Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
Figura 2.3 CAPAS DE LAS QUE ESTA COMPUESTA LA SUPERFICIE Y EL
INTERIOR DE LA TIERRAWhat is Geothermal Energy? [35]
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Se puede afirmar que el origen del calor terrestre est relacionado con la formacin
de la Tierra. La corteza terrestre acta como una especie de aislante de las capas
interiores, primero el manto y luego el ncleo (Figura 2.3).
Segn estudios cientficos el calor interno de la Tierra se debe principalmente a los
elementos radiactivos, como potasio, uranio y torio; como tambin al calor residual
de la formacin de la Tierra y a los impactos de meteoritos.
A partir del calor que produce nuestro planeta, la teora llamada tectnica de placas
explica los fenmenos geofsicos que se presentan en la superficie, tales como sismos
y volcanes, mediante este mecanismo se lleva el calor del interior a la superficie. La
corteza de nuestro planeta est constituida de grandes placas de roca que se deslizan
unas sobre otras (Figura 2.4).
Figura 2.4 ESTRUCTURA INTERNA DE LA TIERRA Y LOS FENMENOS
QUE SE PRODUCEN POR EL MOVIMIENTO DE LAS PLACAS TECTNICAS.
What is Geothermal Energy? [35]
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La corteza terrestre tiene un grosor de unos 5 km bajo los ocanos y de entre 30 a
40 km bajo los continentes. El manto se encuentra debajo de la corteza y tiene un
grosor de 2900 km. Entre la corteza y el manto existe una discontinuidad ssmica
notable, debido probablemente al cambio de composicin. En los ltimos estudios de
la geologa se ha desarrollado un nuevo concepto para el volumen desde la parte ms
externa de la Tierra hasta una profundidad del orden de centenas de km (Modelo del
planeta formado por tectnica de placas). (Figura 2.5)
Figura 2.5 MODELO DE UN SISTEMA GEOTRMICO.
What is Geothermal Energy? [35]
Es a lo largo de los lmites de separacin y convergencia de las placas donde ocurre
el flujo de calor terrestre anormal. La transferencia de grandes cantidades de calor
mediante magmas generados en el manto lleva energa a niveles superiores de la
corteza. A partir de estas fuentes de calor se desarrollan los sistemas geotrmicos.
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Generalmente una placa ocenica se mete abajo de una continental, provocando
fracturas en las rocas por donde pueden escapar gases y vapores de magma, slice
(Si02) y minerales con hierro y magnesio, formndose burbujas magmticas que
llegan a las proximidades de la superficie. Mayormente los restos del magma, pero a
veces toda, asciende a la superficie terrestre, denominndosele lava.
El agua que se ha filtrado por las fisuras de la corteza, a lo largo de aos, y que se
encuentra cerca de una cmara magmtica se calienta progresivamente, y que
muchas veces viajar a la superficie de la Tierra formando giseres o resortes
calientes. Este recaudo natural de las rocas de agua caliente se denomina depsitos
geotrmicos (Figura 2.6), o tambin acuferos de agua caliente. Estos depsitos
pueden usarse para producir energa geotrmica.
Figura 2.6 ESQUEMA GRFICO APROXIMADO DE UN DEPSITO
GEOTRMICOLa Geotermia: Tetera Natural [17]
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Por tanto la energa geotrmica es el calor de la Tierra que es liberado por
conduccin a un flujo promedio mundial de 82 mW/m2, el cual corresponde a un
flujo de 99 mW/m2en los fondos ocenicos y a 57 mW/m2en los continentes. Este
calor natural se manifiesta normalmente en el aumento de la temperatura con la
profundidad, siendo el gradiente promedio a nivel mundial del orden de 30 C/km,
Sin embargo, las variaciones de la temperatura no son las mismas en todos los
lugares de la Tierra. De esta forma, a profundidades que oscilan entre 0 y 10 km se
puede encontrar un acufero, en el cual potencialmente puede haber agua caliente,
vapor de agua o ambos (Figura 2.7).
Figura 2.7 APROXIMACIN MATEMTICA DEL INCREMENTO DE
TEMPERATURA (C) CON EL INCREMENTO DE PROFUNDIDAD (km)
La Energa Interna de la tierra [16]
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2.2. Clasificacin de los Recursos Geotrmicos
De acuerdo a los estudios hasta hoy realizados hay cuatro clases de recursos
geotrmicos que estn disponibles para ser usados como fuentes de energa, y son:
a) Los fluidos hidrotrmicos.
b) La roca seca caliente (HDR).
c) Los fluidos geopresurizados.
d) El magma.
a) Los fluidos hidrotrmicos
Estos recursos se forman cuando agua caliente y/o vapor se alberga en la roca
fracturada o porosa bajo las profundidades de la corteza terrestre, de 100 m a 4.5 km,
como el resultado de la intrusin en la corteza terrestre del magma y la circulacin de
agua a esas profundidades o cercanas a las mismas en una falla o fractura, con
temperaturas desde 18C hasta los 400C. Los recursos de alto grado se usan
comnmente para la generacin de electricidad, y los recursos de bajo grado se usan
en aplicaciones de calefaccin directa.
b) La roca seca caliente (HDR)
La roca seca caliente es una formacin geolgica caliente formada del mismo
modo como los fluidos hidrotrmicos, pero sin ningn contenido de agua. Este
recurso es tericamente ilimitado y es ms accesible que los recursos hidrotrmicos.
El concepto para utilizar la energa geotrmica en rocas secas calientes est en
crear un depsito geotrmico artificial perforando pozos mellizos profundos en la
roca. El agua de la superficie se hace circular a inyeccin en el depsito creado (el
que calienta el agua). Hay mucha potencialidad en esta tecnologa, pero an no s ha
desarrollado adecuadamente para su uso comercial.
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c) Fluidos presurizados (Geopressured)
Estos recursos geotrmicos estn compuestos de salmuera caliente con metano,
encontrados entre grandes capas conductoras de aguas freticas profundas. El agua y
el metano se atrapan en formaciones sedimentarias a una profundidad de 3km a 6km.
La temperatura del agua est entre 90C y 200C. Tres formas de energa pueden
obtenerse de los fluidos geopresurizados:
La energa trmica (alta temperatura).
La energa hidrulica (alta presin).
La energa qumica (combustin del metano)
d) El magma
Es el recurso geotrmico de mayor potencial. Es la roca fundida encontrada a
profundidades de 3 km a 10 km, y mayores profundidades, por lo que no es
accesible. Tiene una temperatura que oscila desde 700 a 1200 C. A la fecha no se ha
desarrollado la tecnologa necesaria para explotar estos recursos, siendo estas
limitaciones las mayores causales que no permiten su aprovechamiento.
2.3. Fluidos Hidrotrmicos
Los antecedentes aportados por las investigaciones geolgicas, geofsicas y
geoqumicas de una gran cantidad de sistemas geotrmicos permiten construir un
modelo bsico de la estructura de estos sistemas (Figura 2.8). An cuando cada
sistema difiera en cierta medida de los otros, su ocurrencia est condicionada por los
siguientes factores bsicos:
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a) Fuente de Calor:Corresponde generalmente a materia magmtica a unos 600-
900 C ubicado a menos de 10 Km de profundidad, desde el cual se trasmite el
calor a las rocas circundantes.
b) Recarga de agua: El agua meterica o superficial debe tener la posibilidad de
infiltrarse en el subsuelo, a travs de fracturas o rocas permeables, hasta
alcanzar la profundidad necesaria para ser calentada.
c) Reservorio: Es el volumen de rocas permeables a una profundidad accesible
mediante perforaciones, donde se almacena el agua caliente o el vapor, a travs
de los cuales se aprovecha el calor.
d) Cubierta impermeable: Impiden el escape de los fluidos hacia el exterior del
sistema, usualmente corresponde a rocas arcillosas o a la precipitacin de sales
de las mismas fuentes termales.
Figura 2.8 FACTORES NECESARIOS PARA LA FORMACIN DE CAMPOS O
SISTEMAS GEOTERMALESLa Energa Geotrmica: Posibilidades de Desarrollo en Chile [15]
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Los fluidos hidrotrmicos que conforman los campos geotrmicos se clasifican en:
a) Reservorios geotrmicos de alta temperatura (150-400 C): Son tambin
conocidos como campos hipertrmicos, utilizados ampliamente en la
generacin de energa elctrica. Estos se pueden clasificar tambin en campos
hmedos o de lquido dominante y los campos secos o de vapor dominante.
b) Reservorios geotrmicos de media temperatura (70-150 C): Son tambin
conocidos como campos semitrmicos, son tambin utilizados en la generacin
elctrica utilizando un fluido de trabajo ms voltil que el agua.
c) Reservorios geotrmicos de baja temperatura (20-70 C): Son tambin
conocidos como acuferos de bajo grado, y son utilizados generalmente en usos
directos.
De acuerdo a cada una de estas clases de fluidos hidrotermales se emplea el
respectivo tipo de tecnologa para su uso directo e indirecto.
2.4. Aplicaciones de la Energa Geotrmica y sus Antecedentes
La generacin de electricidad es la forma de utilizacin ms importante de los
recursos geotrmicos de alta temperatura (> 150C). Los recursos de temperatura
media a baja (< 150C), son apropiados para muchos tipos diferentes de utilizacin.
El diagrama clsico de (Lindal, 1973; Figura 2.9), que muestra los posibles usos de
los fluidos geotermales de diferentes temperaturas, an se mantiene vlido, pero la
generacin de electricidad mediante plantas de ciclo binario puede actualmente
permitir la utilizacin de fluidos sobre 85C.
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Figura 2.9 APLICACIONES DE LA ENERGA GEOTRMICA, DIAGRAMA DE
LINDAL, 1973
What is Geothermal Energy? [35]
El lmite inferior de 20C esta solamente sobrepasado en condiciones muy
particulares, especialmente mediante el uso de bombas de calor. El diagrama de
Lindal enfatiza dos aspectos importantes de la utilizacin de los recursos geotrmicos
(Gudmundsson, 1988): (a) con usos combinados y en lnea es posible mejorar la
factibilidad de un proyecto geotrmico y (b) la temperatura del recurso puede limitar
los posibles usos. Los diseos existentes para procesos termales pueden sin embargo,
modificarse para la utilizacin de los fluidos geotermales en ciertos casos, ampliando
as su campo de aplicaciones.
Podemos clasificar didcticamente las aplicaciones de los recursos geotrmicos en
aplicaciones directas e indirectas.
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2.4.1. Aplicaciones Directas de los Recursos Geotrmicos
Son aplicaciones directas aquellas en donde en principio se utiliza el calor de los
recursos geotrmicos, como tambin la utilizacin de las sustancias que liberan estas
fuentes. Por lo que tenemos a las siguientes:
a) Balneologa
Si bien los antiguos que habitaban en las regiones termales del mundo tenan temor
a las manifestaciones ms violentas del calor terrestre, como los volcanes y, por lo
tanto tendan a evitarlas, no tardaron mucho para explotar los fenmenos termales
ms benignos, en su beneficio, como los manantiales de agua caliente, que los han
utilizado los etruscos durante siglos para el aseo, as como romanos, griegos, turcos,
mexicanos, japoneses, maores y sin duda otros pueblos. As naci la industria de la
balneologa, la aplicacin ms antigua del calor de la Tierra. (Figura 2.10).
Figura 2.10 BALNEOLOGA
Geothermal Energy [10]
b) Servicio domstico
Los maores adaptaron los fenmenos geotrmicos a sus necesidades domsticasdesde que se establecieron en Nueva Zelanda en el siglo XIV.
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Y su forma de vida rural tradicional en las reas termales puede atestiguarse en la
actualidad, las simples tareas domsticas se efecta con fluidos naturales a las
temperaturas apropiadas.
c)Cultivos agrcolas y acuicultura
Otra aplicacin floreciente del calor terrestre fue practicada por primera vez en
Islandia, utilizando aguas calientes naturales para calentar invernaderos en los que se
cultivaban vegetales, fruta, hongos y flores en un pas en el que tales productos no
podan cultivarse debido al clima inhspito prevaleciente (Figura 2.11).
(a) (b)
(c)
Figura 2.11 (a) EXTERIOR DE LOS INVERNADEROS, (b) INTERIOR DE LOS
CULTIVOS EN UN INVERNADERO, (c) PESCADOS CRIADOS EN
ESTANQUES ACONDICIONADOS CON FUENTES GEOTERMALES.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
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Los EE. UU., Italia, Japn y Nueva Zelanda han desarrollado esta clase de cultivos
hasta cierto grado en aos ms recientes, y la aplicacin del calor de la tierra a la
agricultura se ha extendido a la cra de animales, el calentamiento del suelo, la cra
de peces, la produccin de leche, la incubacin de huevos, la cra de gallinas y la
biodegradacin de los desechos del campo.
d) Extraccin de minerales
Otra aplicacin muy temprana de la actividad trmica natural fue para la obtencin
de minerales. Los etruscos extraan cido brico de los manantiales hirvientes,
conocidos ms adelante como lagoni, se recupera azufre elemental de fumarolas en
Japn y Taiwan, se extraen cido sulfrico y sales de amonio de fluidos termales en
Japn e Italia; se han producido sal comn y cloruro de calcio de salmueras calientes
recuperadas de abajo de la arena del Mar Salton en el sur de California presentes en
los fluidos geotermales.
e) Industria
La palabra 'industria' abarca por supuesto una gama muy amplia de actividades,
muchas industrias son grandes consumidoras de calor, requiriendo algunas calor de
alto grado, pero muchas ms slo de bajo grado, se ha producido una expansin
continua. La primera aplicacin industrial de gran escala del calor geotrmico fue
iniciada en los aos cincuenta en Kawerau, Isla del Norte, Nueva Zelanda, en donde
los Molinos Tasman de Pulpa y Papel han venido produciendo papel durante muchos
aos, particularmente papel para peridico.
f) Calefaccin urbana o domiciliaria y circuitos de agua caliente
Ms o menos simultneamente al desarrollo importante del campo Larderello en
Italia para generacin de potencia, Islandia inici una explotacin en gran escala de
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su calor terrestre para calefaccin distrital y suministro domstico de agua caliente,
no en la escala pequea que ya se haba practicado por siglos en diversas partes del
mundo, sino como un sistema de suministro pblico en gran escala similar a las redes
de distribucin de electricidad y gas de las grandes ciudades (Figura 2.12).
Figura 2.12 SISTEMA DE CALEFACCIN DISTRITAL CON FUENTES
GEOTERMALES.
Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
La calefaccin ambiental y distrital ha tenido un gran desarrollo en Islandia, donde
la capacidad total de los sistemas de calefaccin distrital ha aumentado a unos 1200
MWt a fines de 1999 (Figura 2.13), Esta forma de calefaccin est ampliamente
distribuida en los pases de Europa Oriental, como tambin en Estados Unidos,
China, Japn, Francia, etc.
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Figura 2.13 SISTEMA GEOTERMAL DE CALEFACCIN DISTRITAL DE
REYKYAVIK.
What is Geothermal Energy? [35]
En los comienzos del siglo XX, se estableci un esquema distrital piloto de
calefaccin hacia 1930 en la ciudad capital de Reikiavik para alimentar alrededor de
70 casas, dos albercas pblicas, una escuela y un hospital. En 1943 no menos de
2300 casas reciban tal suministro. Luego se perforaron nuevas reas, algunas dentro
de los linderos de la ciudad, y gradualmente creci el sistema hasta que hacia 1975,
el 99% de los edificios de Reikiavik estaban alimentados con calor para el servicio
domstico, comodidad de la que ahora disfrutan alrededor de 100000 personas.
En los Estados Unidos tambin ha habido pequeos sistemas de calefaccin
pblica que utilizan el calor de la Tierra. En Bois, Idaho, el rea residencial de
Warm Springs tena calefaccin domstica (Figura 2.14) gracias a medios
geotrmicos en 1890, mientras que en las Cataratas Klamath, en Oregn, se tiene
calefaccin domstica de origen geotrmico desde el inicio del siglo y est ahora enproceso de expansin rpida.
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Figura 2.14 SISTEMA SENCILLO DE CALEFACCIN DOMICILIARIA.
Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
g) Refrigeracin y aire acondicionado
La refrigeracin es una opcin factible de utilizar geotermia mediante la adaptacin
de equipos de absorcin. La tecnologa de estos equipos es bien conocida y se
encuentra a disposicin en el mercado. El ciclo de absorcin es un proceso que
utiliza calor como fuente de energa en vez de electricidad. El efecto de refrigeracin
se logra mediante la utilizacin de 2 fluidos: un refrigerante, que circula, se evapora
y condensa, y un segundo fluido o absorbente. Para aplicaciones sobre 0C
(principalmente en refrigeracin y procesos de aire acondicionado), el ciclo utiliza
bromuro de litio como absorbente y agua como refrigerante. Para aplicaciones bajo
0C se emplea un ciclo de amonaco/agua, con amoniaco como refrigerante y agua
como absorbente, los fluidos geotermales proporcionan la energa geotrmica que
alimenta estos equipos, a pesar que su eficiencia disminuye con temperaturas
menores que 105C.
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El aire acondicionado geotermal (calefaccin y enfriamiento) ha tenido una
considerable expansin desde los aos 1980, conjuntamente con la introduccin y
generalizacin del uso de bombas de calor . Los diferentes sistemas de bombas de
calor disponibles permiten extraer y utilizar econmicamente el calor contenido en
cuerpos de baja temperatura, tales como suelos, acuferos someros, lagunas etc.
(Figura 2.15).
Figura 2.15 APLICACIN TPICA DE SISTEMA DE BOMBA DE CALOR.
What is Geothermal Energy? [35]
Las bombas de calor son mquinas que mueven el calor en una direccin opuesta a
la direccin que tendera naturalmente, esto es, desde un espacio o cuerpo fro a uno
ms temperado. Una bomba de calor efectivamente no es ms que una unidad de
refrigeracin. Cualquier artefacto de refrigeracin transmite el calor desde un espacio
(para mantenerlo fro) y descarga este calor a espacios de mayores temperaturas. La
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nica diferencia entre una bomba de calor y una unidad de refrigeracin es el efecto
deseado, enfriamiento para la unidad de refrigeracin y calefaccin para la bomba de
calor. Un segundo factor distintivo de muchas bombas de calor es que son reversibles
y pueden proporcionar ya sea calor o fro al espacio. Las bombas de calor, por
supuesto, necesitan energa para operar pero en condiciones climticas apropiadas y
con un buen diseo, el balance energtico sera positivo (Figura 2.16).
Figura 2.16 ESQUEMA DE UNA BOMBA DE CALOR EN CALEFACCIN.
What is Geothermal Energy? [35]
Los sistemas de bombas de calor del tipo acoplado al suelo y acoplado al agua han
sido instalados en gran nmero, en 27 pases y totalizan una capacidad termal de
6875 MWt (ao 2000). La mayora de estas instalaciones estn en USA (4800 MWt),
Suiza (500 MWt), Suecia (377 MWt), Canad (360 MWt), Alemania (344 MWt) y
Austria (228 MWt). En estos sistemas se utilizan acuferos y suelos con temperaturas
en un rango de 5 a 30C.
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2.4.2. Aplicaciones Indirectas de los Recursos Geotrmicos
Son aplicaciones indirectas en donde los recursos geotrmicos, con sus
propiedades, son transformados en otro tipo de energa, es decir generacin de
energa elctrica. Tuvo su primera manifestacin con el invento del Prncipe Piero
Ginori Conti en Larderello (Italia) en 1904. Primero se hicieron intentos de utilizar
mquinas de vapor reciprocantes alimentadas con vapor de agua natural, pero
tuvieron corta vida debido al intenso ataque qumico. Despus, se utilizaron como
paso inicial intercambiadores de calor y ms adelante se mejor la calidad de los
materiales usados en la manufactura de las unidades impulsoras primarias de manera
que pudiera usarse el vapor de agua natural directamente sin incurrir en las prdidas
inherentes al uso de los intercambiadores de calor y as fueron superndose
gradualmente los problemas qumicos de la planta geotrmica de generacin elctrica
(Figura 2.17).
Figura 2.17 VISTA DE UNA PLANTA GEOTRMICA DE GENERACIN
ELCTRICA.
Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
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En 1913 se puso en servicio una estacin de fuerza de 250 kW, y de all en adelante
tuvo lugar una expansin continua en cuanto al tamao y nmero de unidades
generadoras hasta que en los primeros aos de la dcada de 1940 unos 130 MW en
plantas de potencia geotrmica en Toscana alimentaban el sistema italiano de
ferrocarriles elctricos. En la actualidad hay un complejo de varias plantas
geotrmicas con una capacidad instalada total que sobrepasa los 400 MW, que
alimenta energa a la red integrada de la organizacin del estado italiano Ente
Nazionale per l'Energia Elettrica, conocida comnmente como 'ENEL'.
El gobierno de Nueva Zelanda inici una exploracin seria en el rea de Wairakei
en la Isla del Norte alrededor de 1950 y, en 1955, decidi en conjunto con el
gobierno del Reino Unido emprender un proyecto de doble propsito qumico y de
generacin de energa, que habra de producir agua pesada y 47 MW de energa
elctrica. Las operaciones de perforacin comprobaron con xito mucho ms vapor
de agua, por lo que el proyecto se construy por etapas hasta una capacidad instalada
total de 192 MW.
California era la siguiente regin que habra de producir energa geotrmica.
Despus de un inicio muy modesto, 12 MW en 1960 y un incremento de 14 MW en
1963, el desarrollo se aceler rpidamente al comprobarse la existencia de ms y ms
vapor. Para 1980 la capacidad total instalada de planta para generacin de energa
geotrmica en el campo Giser ya haba alcanzado la cifra de 943 MW (bruta).
El gran xito econmico que haba demostrado claramente la energa geotrmica
en Italia, Nueva Zelanda y California siguieron una multitud de desarrollos similares
desde la mitad de la dcada de 1960. Hacia fines de 1980 se haban instalado un total
de 2586 MWe (brutos) de plantas de energa geotrmica en 13 pases.
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2.5. Generacin de Energa Elctrica
2.5.1. Generalidades
Tanto para esta aplicacin como para las anteriores es muy importante saber que
para llegar a explotar el potencial de un recurso geotrmico es necesaria una
exploracin para reconocer las zonas potenciales con este recurso y sus distintas
condiciones, su composicin y caractersticas (Figura 2.18).
(a) (b)
Figura 2.18 (a) REGIONES DE GRAN POTENCIAL GEOTERMAL, (b) ZONAS
VOLCNICAS DEL MUNDO (MANIFESTACIONES VISUALES DEL
POTENCIAL GEOTRMICO).
Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
La exploracin de yacimientos geotrmicos permite localizar aquellos lugares en
los que es posible encontrar agua o vapor a temperaturas elevadas y a profundidades
cercanas a la superficie. Como la perforacin de un pozo geotrmico potencial es
muy costosa, se utilizan mtodos indirectos que permiten aproximarse poco a poco al
posible lugar en cuestin (Figura 2.19).
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(a) (b)
(c) (d)
(e)
Figura 2.19 (a) IMGENES SATELITALES Y FOTOGRAFAS AREAS, (b)
MAPA GEOLGICO, (c) PERFORACIN PARA PRUEBAS Y MEDICIN DEL
GRADIENTE DE TEMPERATURA, (d) DESARROLLO DE UN MODELO
GEOLGICO DEL YACIMIENTO, (e) MEDICIN DE DATOS ELCTRICOS,
MAGNTICOS, QUMICOS Y SSMICOS.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
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Entre los mtodos indirectos podemos mencionar:
a) La obtencin de imgenes infrarrojas del lugar desde satlites y despus
desde aviones, es decir, utilizando la tcnica denominada percepcin remota.
b) El anlisis geoqumico de muestras de roca, se examinan las piedras y se hace
un mapa geolgico con el tipo de piedra y sus edades con colores diferentes.
c) La medicin directa de la temperatura con termmetros enterrados en el
suelo.
d) La creacin de un modelo geolgico tridimensional del yacimiento.
e) Las mediciones de la resistividad elctrica del suelo y la densidad relativa de
las rocas, gravimetra, y la reflexin y refraccin de las ondas ssmicas, a
partir de mediciones naturales o artificiales, con explosivos.
Una vez que se han agotado los mtodos indirectos se procede a la perforacin del
pozo, que es similar a la de un pozo petrolero (Figura 2.20).
Figura 2.20 SISTEMA GENERAL GENERACIN DE ENERGA ELCTRICA
CON RECURSOS GEOTRMICOS.Geothermal Energy [11]
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Los pozos geotrmicos pueden ser de tres tipos:
De vapor.
De lquido (agua caliente)
De una mezcla de vapor y lquido.
Los yacimientos geotrmicos que contienen lquido y vapor son los ms difciles de
explotar, dado que el agua contiene sales disueltas y forma una mezcla llamada
salmuera. sta ocasiona grandes problemas de corrosin en las instalaciones
geotrmicas, que deben resolver los ingenieros especializados en geotermia, si
quieren que una planta tenga un mayor tiempo de vida til.
Por ejemplo el funcionamiento de una central geotrmica, bajo un sistema Flash
Steam, es generalmente como sigue:
Se explotan varios pozos geotrmicos, de los que se obtiene agua caliente y
vapor, que llegan a un separador.
Posteriormente, mediante un proceso de centrifugacin se separa el vapor y el
agua.
El vapor de alta presin obtenido se enva a una turbina especialmente
diseada para trabajar con vapor geotrmico (si se quiere generar la misma
cantidad de electricidad las turbinas deben admitir un volumen mayor del que
se requiere en una central convencional).
La energa del vapor se transforma en energa cintica de rotacin en la
turbina, que gira a miles de revoluciones por segundo.
La turbina se une a travs de un eje, llamado rotor, a un generador capaz de
producir energa elctrica (Figura 2.21).
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(a) (b)Figura 2.21 (a) ESQUEMA DE FUNCIONAMIENTO DE UN
TURBOGENERADOR GEOTRMICO A VAPOR, (b) TURBOGENERADOR
EN LA PLANTA GEOTRMICA VALLE IMPERIAL EN CALIFORNIA.
Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
Sin embargo, una vez que se ha utilizado el vapor, ste pasa a un
condensador, lo cual permite que la planta proporcione ms potencia, en
lugar de descargarlo a la atmsfera.
Del condensador se extraen los gases que no se pueden condensar y se
eliminan a la atmsfera (CO2 y SO2); el agua obtenida del condensador se
bombea para su utilizacin posterior.
A continuacin, el agua separada se conduce a otros separadores y
evaporadores de baja presin, lo cual posibilita producir energa elctrica
adicional.
El agua de los condensadores pasa a una torre de enfriamiento y el calor
obtenido en sta se aprovecha para que trabajen los evaporadores
(Figura 2.22).
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Figura 2.22 DIAGRAMA DE UNA CENTRAL GEOTRMICA.
La Geotermia Tetera Natural [17]
Por otro lado, el agua de desecho se enva a una laguna, llamada de
evaporacin, aunque tambin se puede tratar para obtener sustancias como
cido brico, gas carbnico, agua pesada, cloruro de calcio, bicarbonato,
sulfato de amonio y cloruro de potasio. Tambin se puede usar en la pesca,
dado que un depsito de agua caliente es adecuado para la crianza de peces.
Sin embargo, en algunas centrales geotrmicas el agua se reinyecta para
evitar la contaminacin de algunos subproductos geotrmicos.
La produccin mundial de electricidad a travs de centrales geotrmicas fue de
4 760 MW. USA ocupa el primer lugar, seguido de las Filipinas y Mxico ocupa el
tercer lugar en la produccin de electricidad a partir de energa geotrmica. Italia fue
el primer pas que instal una central geotrmica, la de Larderello construida por
Piero Ginori Conti, en 1904; luego Nueva Zelanda y despus en tercer lugar Mxico.
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2.5.2. Sistemas de Generacin Elctrica
Al sacar vapor o agua caliente desde depsitos geotrmicos se produce una fuerza
que hace girar el generador de la turbina y producir electricidad. El agua geotrmica
no usada se devuelve al depsito, mediante inyeccin, para ser recalentada y para
mantener la presin necesaria. Hay tres tipos bsicos de plantas geotrmicas: Dry
Steam, Flash Steam y Binary Cycle.
a) Sistema Dry Steam
La Planta usa un depsito de vapor con muy poca agua. El vapor se enva a travs
de tubos directamente a las turbinas, que manejan un generador elctrico. Un
ejemplo de este tipo de planta es The Geysers en California del Norte.
En este sistema el vapor geotrmico no es mezclado con el agua. Los pozos de
produccin se perforan abajo de la capa conductora del agua fretica, presurizado el
vapor (180 C - 350 C) es trado a la superficie a alta velocidad, y pasado mediante
una turbina de vapor para generar electricidad; usualmente, el vapor se pasa mediante
un condensador para convertirla en agua (Figura 2.23).
(a) (b)
Figura 2.23 (a) ESQUEMA BSICO DE UN SISTEMA DRY STEAM, (b)
ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UN SISTEMA DRY STEAM.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
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El calor que se pierde se ventila mediante torres de enfriamiento, las eficiencias de
conversin de energa son ms bajas, alrededor 30%. La eficiencia y la economa de
las plantas secas de vapor son afectadas por la presencia de gases no condensables tal
como hidrgeno, dixido de carbn y cido sulfrico. La presin de estos gases
reduce la eficiencia de las turbinas, y adems, la remocin de los gases sobre terrenos
ambientales agrega al costo de operacin.
El prncipe Piero Ginori Conti invent la primera planta de potencia geotrmica en
el campo de vapor seco de Larderello en Italia. Las primeras plantas de potencia
geotrmica en los EE.UU. fueron construidas en 1962 en el campo de vapor seco The
Geysers, en California del Norte; ste es el ms grande campo de produccin
geotrmica del mundo (Figura 2.24).
(a) (b)
Figura 2.24 (a) PRIMERA PLANTA DE POTENCIA GEOTRMICA, 1904,
LARDERELLO, ITALIA, (b) CAMPO DE VAPOR SECO THE GEYSERS, EN
CALIFORNIA DEL NORTE.
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b)Sistema Flash Steam
Usa un depsito geotrmico constituido de agua a una temperatura entre 300 y
700 F. En este tipo de sistema, el fluido se roca en un tanque a presin baja,
ocasionando que el fluido rpidamente se evapore. El vapor se usa entonces para
mover la turbina. Hay comnmente algn lquido que permanece en el tanque
despus de que el fluido se roca para evaporarse. Si el lquido es lo suficientemente
caliente, puede rociarse nuevamente en un segundo tanque para extraer aun ms
energa.
Este sistema se usa donde el recurso hidrotrmico est en una forma lquida. El
fluido se roca en un tanque de destello, que tiene una presin inferior que la del
fluido, ocasionando (o destello) rpidamente la evaporacin (Figura 2.25).
(a) (b)
Figura 2.25 (a) ESQUEMA BSICO DE UN SISTEMA FLASH STEAM, (b)
ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UN SISTEMA FLASH STEAM.
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La tecnologa Flash Steam se invent en Nueva Zelanda. Las plantas Flash Steam
son las ms comunes, ya que la mayora de los recursos geotermales son de agua
dominante. La mayora del fluido geotrmico no destella, y este fluido se reinyecta
en el depsito. Alternativamente, si el fluido que permanece en el tanque tiene una
temperatura suficientemente alta, puede pasarse en un segundo tanque, donde una
reduccin de presin induce un destellado adicional para evaporar. Este vapor, junto
con la descarga desde la turbina principal, se usa para manejar una segunda turbina o
la segunda etapa de la turbina principal para generar electricidad adicional; con lo
cual se logra aumentar el rendimiento en un 2025%, con un 5% de aumento en los
costos de planta. Un ejemplo de este tipo de plantas es la del Valle Imperial en
California. Grandes volmenes de minerales se encuentran en los depsitos
geotrmicos de California del sur que proporcionan subproductos vendibles como
slice y zinc (Figura 2.26).
(a) (b)
Figura 2.26(a) PLANTA FLASH STEAM UBICADA EN LA COLINA
ORIENTAL, CALIFORNIA, (b) PLANTA DE POTENCIA GEOTRMICA
FLASH STEAM DEL VALLE IMPERIAL, CALIFORNIA.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
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c) Sistema Binary Cycle.
Se utiliza un depsito de agua con temperaturas entre 250 y 360F. En este tipo de
sistema, el agua geotrmica se pasa mediante un intercambiador de calor, donde su
calor se transfiere en un segundo lquido, que tiene un punto de ebullicin inferior al
del agua (isobutano o isopentano) (Figura 2.27).
(a) (b)
(c)
Figura 2.27(a) ESQUEMA BSICO DE UN SISTEMA BINAY CYCLE,
(b) ESQUEMA DE PRINCIPIO DE UN SISTEMA BINARY CYCLE,
(c) INTERCAMBIADOR DE CALOR DE UN SISTEMA BINARY CYCLE.
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Las plantas binarias tienen varias ventajas:
1) El fluido de trabajo (comnmente isobutano o isopentano) hierve y se convierte
en vapor a una temperatura inferior que la del agua.
2) El sistema binario usa el agua del pozo ms eficientemente, debido a que el agua
caliente viaja mediante un sistema ms corto.
3) Las plantas con sistema Binary Cycle prcticamente no tienen emisiones.
Este tipo de planta geotrmica se encuentra en Soda Lake, Nevada. En Hawai
existe una planta geotrmica, la cual es un hbrido del Ciclo Binario y del Flash
Steam. Un ejemplo con potencia pequea est en Colmillo, Tailandia (Figura 2.28).
(a) (b)
(c)
Figura 2.28(a) PLANTA DE SISTEMA BINARY CYCLE EN SODA LAKE,
NEVADA, (b) PLANTA DE POTENCIA GEOTRMICA EN LA GRAN ISLA DE
HAWAI, (c) PLANTA GEOTRMICA EN COLMILLO, TAILANDIA.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
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2.6. Desarrollo Mundial de la Generacin Geotrmica de Electricidad
Despus de la Segunda Guerra Mundial muchos pases fueron atrados por la
energa geotrmica, considerndola econmicamente competitiva respecto de otras
fuentes energticas. Esta no requiere ser importada y, en algunos casos, es la nica
fuente de energa localmente.
(a) (b)
Tabla 2.1 (a) POTENCIAL GEOTRMICO-ELCTRICO: 1995, 2000 Y EST.
2005, (b) DESPACHOS DE ENERGA GENERADA EN EL 2000
Geothermal Energy [11]
Los pases que utilizan la energa geotrmica para generar electricidad aparecen en
la Tabla 2.1, la cual incluye la capacidad elctrica instalada en 1995 (6833 MWe), en
el 2000 (7974 MWe). La misma Tabla tambin reporta la capacidad total instalada
estimada para el 2005 (11398 MWe). La capacidad instalada en pases en va de
desarrollo en 1995 y 2000 representa un 38 y un 47% del total mundial
respectivamente.
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La utilizacin de la energa geotrmica en pases en va de desarrollo muestra una
interesante tendencia a travs de los aos (Figura 2.29). En los 5 aos comprendidos
entre 1975 y 1979 la capacidad geotermoelctrica instalada en tales pases aument
de 75 a 462 MWe; a fines del siguiente perodo de 5 aos (1984) se haban alcanzado
los 1495 MWe , mostrando una tasa de incremento durante estos 2 perodos de 500%
y 223% respectivamente. En los siguientes diez y seis aos, de 1984 al 2000, hubo
un incremento de casi 150%. La geotermoelectricidad juega un rol bastante
significativo en el balance energtico de algunas reas; por ejemplo, en 2001 la
energa elctrica producida mediante recursos geotrmicos represent el 27% de la
electricidad total generada en Filipinas, el 12,4% en Kenya, el 11,4% en Costa Rica y
el 4,3% en el Salvador.
0
1000
2000
3000
40005000
6000
7000
8000
9000
MW
1990 1995 2000 2005 Ao
EVOLUCIN DE LA GENERACIN GEOTRMICAELCTRICA EN EL MUNDO
Figura 2.29EVOLUCIN DE LA ENERGA GEOTRMICA ELCTRICA EN
EL MUNDO.Elaboracin propia a partir de What is Geotermal Energy [35]
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Tabla 2.2 USOS NO ELCTRICOS DE LA ENERGA GEOTRMICA EN EL
MUNDO: AO 2000What is Geotermal Energy [35]
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En cuanto a los usos no elctricos de la energa geotrmica, la Tabla 2.2 muestra la
capacidad instalada (15145 MWt) y la energa utilizada (190699 TJ/ao) en el
mundo durante el ao 2000. Ese mismo ao, 58 pases informaron acerca de usos
directos, en comparacin con los 24 pases que informaron en 1985, y los 28 pases
en 1995. El uso no elctrico mas comn en el mundo corresponden a bombas de
calor (34,80%), seguido de baos (26,20%), calefaccin (21,62%), invernaderos
(8,22%), acuicultura (3,93%) y procesos industriales (3,13%).
a) Desarrollo en USA
En Estados Unidos de Norteamrica (USA) se ubican 18 puntos de extraccin. La
mayor planta de generacin geotrmica est ubicada en la parte norte de California,
USA. Esta planta alcanz su mximo de potencia instalada en 1989 con 1967 MWe.
En USA, los estados con mayor cantidad de instalaciones de plantas geotrmicas
son California (7.3% de la demanda), Nevada y UTA (Figura 2.30); con gran
potencial en los estados de Idaho, New Mxico, Arizona, Oregon y Wyoming. Se
espera que se desarrollen proyectos por 15000 MWe en USA.
Figura 2.30POTENCIAL GEOTRMICO EN USA.Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
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b)Desarrollo en Italia
La explotacin elctrica de la geotrmica comenz a finales del siglo XIX en Italia.
En la actualidad hay un complejo de varias plantas geotrmicas con una capacidad
instalada total que sobrepasa los 400 MW (Figura 2.31), que alimenta energa a la
red integrada de la organizacin del estado italiano Ente Nazionale per l'Energia
Elettrica, conocida comnmente como 'ENEL'.
Figura 2.31 PLANTA GEOTRMICA LARDERELLO (487 MW) ITALIA
Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
c) Desarrollo en IslandiaPases como Islandia han presentado tasas de crecimiento de 16.7% pasando de
283 GWh a 1323 GWh en igual periodo.
Cabe sealar que en otros mbitos, el uso de la geotermia se ha masificado en este
pas. A modo de ejemplo, el 86% de los hogares en Islandia es calefactado a travs
de 200 redes de distribucin de calor de fuentes geotrmicas. Este pas presenta las
mayores tasas de crecimiento en el desarrollo de la geotermia.
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d) Desarrollo en Filipinas
Filipinas se ha convertido en el segundo pas productor de energa elctrica
generada geotermalmente. En el ao 2000, Filipinas tena una capacidad instalada de
1909 MWe. En el futuro inmediato, los geotrmicos filipinos planean desarrollar o
expandir los campos de explotacin y construir nuevas plantas en colaboracin con
la industria privada, mejorar el manejo de las reservas existentes e instalar ciclos que
aprovechen el calor desperdiciado durante el proceso (Figura 2.32).
Figura 2.32PLANTA GEOTRMICA MAHANAGDONG (180 MW). FILIPINAS
Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
e) Desarrollo en Nueva Zelanda
Desde 1990 no ha habido un alto crecimiento en la capacidad de generacin de
energa geotrmica, en el ao 2000 tena una potencia instalada de 437 MWe. El
campo ms grande sigue siendo Wairakei (Figura 2.33), con 156 MWe de
produccin y se planea producir 24 MWe ms. La planta de Ohaaki es la segunda
con 108 MWe producidos.
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Figura 2.33 PLANTA GEOTRMICA WAIRAKEI(156 MW) NUEVA ZELANDA
Introduction to Geothermal Energy Slide Show [14]
f) Desarrollo en Amrica Central
El potencial para algunos campos geotrmicos en la Amrica Central se estima en
cerca de 3000-5000 MW. Existe informacin relativa a diversos esfuerzos de
prospeccin de recursos a nivel de geologa as como de prospeccin de campo en
diversos pases. Mxico produce un 11.7% (5681 GWh) de la energa geotrmica
elctrica del mundo en el 2000 (Figura 2.34).
(a) (b)Figura 2.34 (a) FUENTES ENERGTICAS EN MXICO, (b) POTENCIA
INSTALADA DE LAS PLANTAS GEOTRMICAS EN MXICO
Estrategias de Comisin Federal de Electricidad para reducir emisiones de gases de
efecto invernadero [6]
Nuclear3.80%
Elica0.01%
Hidroelctrica26.17%
Geotrmica2.38% Dual
5.85%Diesel
0.32%
Gas Natural15.07%
Carbn7.24%
Combustleo39.19%
Nuclear3.80%
Elica0.01%
Hidroelctrica26.17%
Geotrmica2.38% Dual
5.85%Diesel
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Gas Natural15.07%
Carbn7.24%
Combustleo39.19%
Nuclear3.80%
Elica0.01%
Hidroelctrica26.17%
Geotrmica2.38% Dual
5.85%Diesel
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Gas Natural15.07%
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Combustleo39.19%
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La experiencia de Nicaragua es de inters. Los primeros estudios para aprovechar
la energa geotrmica se iniciaron en Nicaragua a finales de los aos 60, para tomar
un gran impulso a partir del ao 1973, cuando la crisis del petrleo impact
negativamente en la balanza comercial del pas. La explotacin comercial de este
recurso comenz en el ao 1983, con la puesta en operacin de la planta geotrmica
de Momotombo, la cual tiene actualmente una capacidad de 70 MW. Los recursos
geotrmicos en este pas se calculan en 3000 MWe.
g) Desarrollo en Chile
Las exploraciones geotrmicas en Chile se iniciaron en 1968, se cre el Comit
para el Aprovechamiento de la Energa Geotrmica. Como una primera etapa de los
estudios, las exploraciones se restringieron a las Regiones de Tarapac y Antofagasta
por ser stas las ms deficitarias en recursos energticos e hdricos del pas.
A partir de diciembre de 1999 se ha iniciado un proyecto de tres aos, denominado
Caracterizacin y Evaluacin de los Recursos Geotrmicos de la Zona Central-Sur
de Chile: Posibilidades de Uso en Generacin Elctrica y Aplicaciones Directas.
Este proyecto es llevado a cabo por el Departamento de Geologa de la Universidad
de Chile en colaboracin con la Empresa Nacional del Petrleo y con el apoyo del
Instituto Internacional de Investigaciones Geotrmicas de Italia, del Instituto de
Geologa General y Aplicada de la Universidad de Munich (Alemania) y del Instituto
Geotermal de la Universidad de Auckland (Nueva Zelanda).
Segn estudios de la Universidad de Chile, el potencial geotrmico en Chile es de
16000 MWe (Figura 2.35). A modo de comparacin, el potencial geotrmico en USA
est calculado en 40000 MWe.
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Figura 2.35POTENCIAL GEOTRMICO EN CHILELa Energa Geotrmica: Posibilidades de Desarrollo en Chile [15]
El desarrollo en Argentina es muy bajo, limitndose a plantas experimentales. En
Ecuador, existe 1 proyecto geotrmico de algunos MWe para los prximos 10 aos.
Actualmente, la generacin geotrmica representa alrededor del 0.26% de la
capacidad de generacin elctrica instalada a nivel mundial.
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2.7. Potencial Geotrmico Nacional
La energa geotrmica es un recurso benigno y renovable, que va de acuerdo con el
control del medio ambiente y que asegura una buena conservacin del mismo. El
aprovechamiento de este recurso permitir tener una fuente ms de generacin de
energa que favorecer al desarrollo de diversas regiones de extrema pobreza.
La energa geotrmica se puede aplicar en la industria, comercio y el sector
domiciliario, para la generacin de electricidad o el calentamiento de agua y
calefaccin de ambientes.
Se han realizado los siguientes avances hasta la fecha:
En 1975, la empresa estatal MINERO PERU efectu estudios de exploracin
preliminar de las manifestaciones geotermales de Calacoa y Salinas en
Moquegua.
En 1976, Geothermal Energy Research del Japn, efectu trabajos de
exploraciones preliminares en la cuenca del Vilcanota en Cusco
En 1977, el INIE efectu el primer censo de manifestaciones geotermales
En 1978, el INGEMMET elabor un inventario y agrupacin geogrfica de
afloramientos geotermales, se identificaron las siguientes regiones
geotrmicas (Figura 2.36):
I) Cajamarca
II) Huaraz
III) Churn
IV) Central
V) Cadena de conos volcnicos
VI) Puno Cusco
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Figura 2.36 REGIONES CON POTENCIAL GEOTRMICO A NIVEL
NACIONAL.
Potencial disponible de Energa Geotrmica [18]
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Con la iniciativa del Ministerio de Energa y Minas y el apoyo de la
Cooperacin Tcnica Italiana (CTI) en la dcada de los ochenta se contrat a
la empresa consultora CENERGIA para estudios preliminares de los recursos
geotrmicos en nuestro pas (Tabla 2.3).
Tabla 2.3 LOTES GEOTRMICOS IDENTIFICADOS PARA LA
EXPLOTACIN DE LA ENERGA GEOTRMICA.
Generacin Elctrica a partir de Fuentes Nuevas: Energa Geotrmica [8]
En 1979-1980, INGEMMET y AQUATER de Italia efectuaron estudios de
reconocimiento geotrmico de la Regin V, identificando las reas de inters
Tutupaca, Calacoa, Challapalca, Salinas, Chachani y Chivay.
En 1980, Geothermal Energy System Ltd. hizo estudios de reconocimiento
geotrmico de las zonas de Calacoa, Tutupaca y las Salinas en Moquegua.
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En el ao 1986, ELECTROPER con asistencia tcnica de la Organizacin
Internacional de Energa Atmica (OIEA) y las Naciones Unidas realizaron
investigaciones geoqumicas en la Regin V, entre Tacna y Moquegua.
En 1997, CENERGA con el apoyo del IIE de Mxico efectu la evaluacin
de la informacin, estudios disponibles, realizados por INGEMMET,
ELECTROPERU, CENERGA, Proyecto Especial Tacna, IPEN y la
Cooperacin Internacional.
El Per tiene 186 zonas geotrmicas identificadas (39% en Sudamrica)2. El
territorio peruano forma parte del denominado Crculo de Fuego del Pacfico,
caracterizado por la ocurrencia de movimientos ssmicos, fenmenos tectnicos y
elevada concentracin de flujo tectnico. En el pas se han reconocido ms de
doscientas vertientes de agua caliente, as como fumarolas y algunos geysers.
Segn los estudio realizados, de acuerdo a la temperatura, las mejores perspectivas
de aprovechamiento geotrmico para generacin elctrica se ubican por el momento
en la Regin V (Conos Volcnicos) y la Regin II (Callejn de Huaylas).
Caractersticas
a) Regin V
- Calacoa (Moquegua)
Manantiales de agua termales 54C - 87C y presencia de geyser y fumarolas.
Tipo de aguas : Cloruradas sdicas.
Geotermometra: SiO2: 110C-160C, Na/K : 180C-190C
Presencia de domos, volcn Ticsani (apagado) 190000 aos.
2Fuente: Megadiversidad del Per, Per ecolgico. Pgina web:http://www.peruecologico.com.pe/megadiversidad.htm
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- Tutupaca (Tacna-Moquegua)
Manantiales de agua termales 40C - 87C y presencia de geysers.
Tipo de aguas: Sulfato sdicas y clcicas.
Geotermometra: SiO2: 180C, Na/K : 240C.
Presencia de domos dacticos y fumarolas lo relacionan con una actividad freato-
magmtica. Ubicado entre volcanes Tutupaca y Yuramane (apagado).
- Challapalca (Tacna-Puno)
Manantiales de agua termales 50C - 87C
Tipo de aguas: Clorurada sdicas y bricas.
Geotermometra: SiO2: 192C, Na/K : 182C-232C, Na/K/Ca: 184C-212C,
Na/K/Ca/Mg: 44C-179C, Na/Li: 204C-240C, K/Mg: 87C-183C.
Presencia de domos (domos Purupurini), ponen en evidencia una fuente geotermal
poco profunda. Se estima que la actividad volcnica ces hace100000 aos.
- Laguna Salinas-Chivay
Manantiales de agua termales 45C a 50C en Calera y de 60Ca 70 C en Chivay,
adems presencia de geysers.
Tipo de aguas: Sulfato, clorurada alcalina.
Geotermometra: En Chivay SiO2: 170C, en Salinas Na/K : 190C.
Presencia de domos apagados indican presencia de cmaras magmticas poco
profundas. La actividad volcnica lvica se estima ces hace 100 000 aos.
b) Regin II
- La Gramma
Tipode aguas: Clorurada sdicasy bicarbonato clcico.
Geotermometra: SiO2: 210C, Na/K : 200C, Na/K/Ca: 180C.
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- Callejn de Huaylas
Tipode aguas: Clorurada sdicasy bicarbona clcico.
Geotermometra: SiO2: 190C, Na/K : 200C, Na/K/Ca; 180C
En la Macro regin sur (Tacna, Moquegua, Arequipa), se han identificado varios
campos geotermales (Figura 2.37 y 2.38), siendo los principales los siguientes:
- Campo Geotermal Andahua (Arequipa)
- Campo Geotermal Salinas (Arequipa)
- Campo Geotermal Calacoa (Moquegua)
- Campo Geotermal Aguas Calientes Candarave (Tacna)
- Campo Geotermal Borateras-Casiri, Chungara (Tacna)
Figura 2.37 IDENTIFICACIN DE LOS CAMPOS GEOTERMALES EN LA
ZONA SUR DEL PER.Energa Geotrmica en la Regin Tacna [5]
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Figura 2.38 PRINCIPALES CAMPOS GEOTRMICOS EN LA ZONA SUR DEL
PER.
Energa Geotrmica en la Regin Tacna [5]
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En la Regin Tacna, se tienen varios campos geotrmicos siendo uno de los ms
importantes el de Borateras, donde se han realizado estudios preliminares con la
cooperacin del Organismo Internacional de Energa Atmica OIEA (Tabla 2.4)
Tabla 2.4 RED DE CONTROL GEOTERMAL EN LA REGIN TACNA
Energa Geotrmica en la Regin Tacna [5]
En la fase de ejecucin del estudio se realizaron los siguientes trabajos:
a) Geomorfologa
b) Estratigrafa
c) Hidrologa
d) Hidrogeoqumica
e) Geofsicaf) Vulcanologa
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CAPTULO 3
FUNDAMENTO TERICO
3.1. Descripcin tcnica de una Planta Geotrmica
3.1.1. Tipos de Plantas
a) Plantas tipo Vapor Directo (Direct Steam)
Las plantas de este tipo usan reservas de vapor seco, el cual puede ser saturado o
sobrecalentado, el cual lleva cierta cantidad de gases no condensables de
composicin y concentracin variable.
El vapor es llevado de varios pozos a travs de una tubera a la casa de mquinas
donde es usado directamente en turbinas tipo impulso/reaccin. Entre la boca del
yacimiento y la planta existen separadores centrfugos situados cerca del yacimiento
para remover partculas tales como polvo y slidos tales como pedazos de piedras; alo largo de la tubera se instalan puntos de drenaje para remover la condensacin de
vapor que se forma durante la transmisin, y as remover la humedad a la entrada de
la casa de mquinas (Figura 3.1).
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Figura 3.1 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE UNA PLANTA TIPO VAPOR
DIRECTO.
Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de Energas
Alternativas y Difusin [7]
La Figura 3.1 muestra un diagrama simplificado de las plantas tipo Direct-Steam.
En el vapor geotrmico se encuentran gases no condensables (NCG), usualmente
entre 2 al 10%, lo cual hace que sea necesario un sistema de extraccin de gas,
(componente crtico de la planta). Usualmente, se utilizan eyectores de dos etapas,
con condensadores tanto dentro como al final de los mismos., sin embargo en
algunos casos es necesario colocar bombas de vaco o turbo compresores.
Como se observa en la Figura 3.1 el sistema incluye un condensador de
refrigeracin. El vapor condensado no recircula a la caldera, tal como en una planta
de generacin convencional, este se utiliza para alimentar la torre de enfriamiento, el
exceso de condensado tpicamente de 10-20% de peso del vapor, es usualmente
reinyectado al yacimiento. Las torres de enfriamiento de tiro mecnico, ya sea de
flujo continuo o cruzado son las ms usadas para sistemas de enfriamiento tipo
hmedo, sin embargo, en algunas plantas se utilizan las torres de tiro natural.
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En la actualidad las plantas tienen unos rangos de 20 a 60 MW por unidad, dichas
unidades tienen un diseo modular para rpida instalacin, el diseo flexible permite
adaptarse a un amplio rango de condiciones de vapor.
b) Plantas tipo Flash- Steam
Los yacimientos de vapor seco, son poco frecuentes. Los ms conocidos son
aquellos donde predomina la fase lquida. En pozos artesianos, el fluido producido es
una mezcla de las dos fases, lquido y vapor. La calidad de la mezcla es funcin de
las condiciones del fluido en el yacimiento, las dimensiones del pozo, y la presin en
la cabeza del pozo , la cual se controla mediante una vlvula o por medio de una
placa de orificio.
A pesar de que algunas mquinas experimentales han generado energa impulsadas
por un fluido que cuenta con las dos fases (lquido y vapor), convencionalmente se
separan las fases y solo se usa el vapor para impulsar la turbina, debido a que la
presin en la cabeza del pozo es baja, tpicamente entre 0.5-1 MPa, permiten una
separacin efectiva por la accin centrfuga. Los separadores centrfugos producen
vapor con calidades superiores al 99.99%.
El lquido proveniente del separador puede ser reinyectado, usado para producir
energa trmica por medio de intercambiadores de calor para gran variedad de
aplicaciones directas. Las plantas en las que se utiliza vapor a alta presin para
generar energa son las llamadas Single Flash y las que usan tanto el vapor a alta y a
baja presin son denominadas Double Flash.
b.1) Plantas Tipo Single Flash
Un diagrama simplificado de una planta de este tipo se muestra en la Figura 3.2
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Figura 3.2 DIAGRAMA DE PLANTA TIPO SINGLE FLASH.
Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de Energas
Alternativas y Difusin [7]
El fluido con las dos fases proveniente del pozo es dirigido horizontal y
tangencialmente en el separador ciclnico. El lquido tiende a fluir en forma circular
por las paredes, mientras que el vapor sube y es removido por un tubo vertical. El
diseo es muy simple ya que no tiene partes mviles y es conocido como separador
de salida en el fondo. En ocasiones se utilizan bafles para mejorar la segregacin de
las dos fases, una vlvula de bola provee seguridad ante la presencia de impurezas
del lquido que pueda entrar en la lnea de vapor. Las lneas de transmisin de vapor
son esencialmente las mismas que las usadas en las plantas tipo Dry Steam .
El balance de la planta es prcticamente idntico a las plantas tipo Direct Steam, la
principal diferencia es la cantidad de lquido que debe ser manejado. Comparando
plantas de 55MW, una planta tpica Single Flash produce cerca de 630 kg/s de
lquido sobrante, mientras que una planta Direct Steam produce 20 kg/s, una relacin
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de 30 a 1, si todo este lquido es reinyectado la planta Single Flash podr retornar al
yacimiento cerca del 85% de la masa producida, en comparacin del 15 % de la
planta tipo Direct- Steam.
b.2) Plantas Tipo Double Flash
Mediante esta tecnologa se puede obtener entre un 20 a un 25% de potencia
adicional a partir del mismo fluido geotrmico. El vapor de baja presin producido al
estrangular el lquido a baja presin es enviado a una turbina de baja presin o a una
etapa adecuada de la turbina principal (en el caso de una turbina de admisin dual).
Los principios de operacin de este tipo de planta es similar a la planta tipo Single
Flash, sin embargo es mucho ms costosa debido a que requiere mayor
equipamiento.
La Figura 3.3 muestra un diagrama simplificado de este tipo de plantas.
Figura 3.3 DIAGRAMA DE PLANTA TIPO DOUBLE FLASH.
Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de EnergasAlternativas y Difusin [7]
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c) Plantas Tipo Binario (Binary Plants)
En una planta tipo Binario la energa trmica del geofluido se transfiere por medio
de un intercambiador de calor a un fluido de trabajo secundario para uso en un ciclo
convencional. El geofluido no est en contacto con las partes mviles de la planta,
as mismo minimiza y en muchos casos elimina los efectos de la erosin, las plantas
binarias tienen ventajas puesto que pueden manejar geofluidos de baja temperatura
(menos de 150 C), de alto contenido de gases disueltos y corrosivos (Figura 3.4).
Figura 3.4 DIAGRAMA SIMPLIFICADO DE PLANTA TIPO BINARIO
Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de EnergasAlternativas y Difusin [7]
Un diagrama de este tipo de planta se presenta en la Figura 3.4, el ciclo consiste en
un precalentador, un evaporador, vlvulas de control, el conjunto turbina generador,
un condensador y una bomba de alimentacin. Hidrocarburos tales como el
isobutano, isopentano y propano son buenos candidatos para ser usados como fluidosde trabajo al igual que ciertos refrigerantes.
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La Tabla 3.1 muestra los equipos ms importantes que conforman los tipos de
plantas geotrmicas.
Tabla 3.1 EQUIPOS PRINCIPALES EN PLANTAS GEOTRMICAS.
Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de EnergasAlternativas y Difusin [7]
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d) Plantas Combinadas o Hbridas
Como se ha mencionado los fluidos geotrmicos tienen un amplio rango de
propiedades fsicas tales como temperatura, presin, presencia de gases no
condensables, slidos disueltos, pH, potencial de corrosin, por tal razn una gran
variedad de sistemas de conversin de energa han sido desarrollados para adaptarse
a estas condiciones particulares. Los sistemas descritos anteriormente pueden ser
combinados para lograr sistemas mucho ms efectivos, en consecuencia se pueden
disear los siguientes tipos de plantas hbridas:
Plantas direct-steam/ Binary
Plantas single flash/ Binary
Planta integrada Single y Doble Flash
Sistema hbrido geotermia y fsil
3.1.2. Desempeo de las Plantas de Generacin
Para medir el funcionamiento de los sistemas de energa se utiliza la segunda ley de
la termodinmica como la base para dicha estimacin. El concepto de trabajo o
energa disponible es usado generalmente para este propsito, ya que las plantas
geotrmicas no operan en un solo ciclo sino en una serie de procesos, la eficiencia
del ciclo trmico (th) para plantas convencionales no se aplica.
La eficiencia del ciclo trmico (th) puede ser aplicada de forma significativa, a las
plantas geotrmicas, en el caso de las plantas binarias. Sin embargo, la eficiencia
trmica aun en este caso debe ser calculada solamente para evaluar el ciclo cerrado
incluyendo el fluido de trabajo y no la operacin global en la cual se tenga en cuentael geofluido, desde los pozos productores hasta la salida de la planta
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La eficiencia de utilizacin (u), la cual mide la conversin de trabajo disponible,
del recurso en trabajo til. Para plantas geotrmicas se tiene que:
E.m
Wu
=
u = Eficiencia de utilizacin de la planta geotrmica, sin unidades.
W = Potencia elctrica entregada a la red, W.
m = Caudal msico total del fluido geotrmico, kg/s.
E = Energa especfica del geofluido bajo condiciones en el yacimiento, J/kg.
)ss(ThhE )T,P()T,P(0)T,P()T,P( 00110011 =
)T,P( 11h = Entalpa especfica en el llamado estado estacionario, J/kg.
)T,P( 00h = Entalpa especfica en las condiciones del lugar de la planta, J/kg.
T0 = Temperatura de diseo en grados absolutos, K
)T,P( 11s = Entropa especfica en el llamado estado estacionario, J/kg-K.
)T,P( 00s = Entropa especfica en las condiciones del lugar de la planta, J/kg-K.
Las especificaciones principales y desempeos de plantas de generacin del tipo
Direct-Steam, Single y Double Flash estn dados en la Tabla 3.2 y se presentan datos
similares para pequeas plantas binarias en la Tabla 3.3. El consumo especfico de
geofluido (SGC), es una medida del desempeo. Se observa un dramtico incremento
en este parmetro, cuando compara plantas binarias con las tipo steam,
particularmente las de tipo directo (direct steam). Se puede observar que las plantas
tipo directo operan a unas altas eficiencias, tpicamente entre 50-70%.
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Tabla 3.2 ESPECIFICACIONES DE PLANTAS GEOTRMICAS
Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de EnergasAlternativas y Difusin [7]
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Tabla 2.7 ESPECIFIFICACIONES DE PLANTAS GEOTRMICAS BINARIAS
Formulacin de un Programa Bsico de Normalizacin para Aplicacin de Energas
Alternativas y Difusin [7]
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3.2. Marco Legal Nacional
El mercado elctrico peruano se rige con las siguientes leyes:
D.L. N 28544 Ley de Concesiones Elctricas
D.S. N 009-93 Reglamento de la Ley de Concesiones Elctricas
Ley N 26734 Ley de Creacin del Osinerg
Ley N 26876 Ley Antimonopolio y Antioligopolio.
D.S. N 020-97-EM Norma Tcnica de Calidad de los Servicios Elctricos.
Las leyes que contemplan el reconocimiento, exploracin y explotacin de los
recursos geotrmicos son:
a) La Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos.
b) Reglamento de la Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos.
a) Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos
La Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos, Ley N 26848, fue promulgada el 29
de febrero de 1997 y norma lo relativo al aprovechamiento de los recursos
geotrmicos del suelo y del subsuelo del territorio nacional. El marco legal favorece
a la inversin privada, teniendo en cuenta que nuestro pas posee alrededor de 300
manifestaciones de aguas termales entre 49C y 89C, situadas a lo largo de la
Cordillera Occidental y en menos proporcin en los valles interandinos y la zona
oriental.
A travs de esta ley el Estado promueve el racional desarrollo de los recursos
geotrmicos con la finalidad de asegurar el abastecimiento de energa necesaria para
el crecimiento econmico, el bienestar de la poblacin y la eficiente diversificacin
de las fuentes de energa del pas y cautela el desarrollo de las referidas actividades,
su acceso y libre competencia, de acuerdo a ley.
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El Ministerio de Energa y Minas, en representacin del Estado, es el encargado de
elaborar, proponer y aplicar la poltica del sub-sector, as como dictar las dems
normas pertinentes.
El Organismo Supervisor de Inversin en Energa (OSINERG) es el encargado de
velar por el cumplimiento de la presente Ley.
El aprovechamiento de los recursos se otorga a travs de derechos geotrmicos,
bajo las modalidades de autorizacin y concesin, cuyo otorgamiento obliga a su
trabajo, que consiste primordialmente es el cumplimiento de programas de trabajo y
de compromisos de inversin. La concesin de recursos geotrmicos es un bien
inmueble y otorga a su titular un derecho real sujeto a la presente ley.
En esta ley se contemplan como actividades geotrmicas las de reconocimiento,
exploracin y explotacin de recursos geotrmicos.
b) Reglamento de la Ley Orgnica de Recursos Geotrmicos
El Ministerio de Energa y Minas reglamenta la ley arriba mencionada a travs del
Decreto Supremo N 072-2006-EM, que entr en vigencia a partir del 24 de
diciembre del 2006, en el cual se regula el rgimen tributario a aplicar dentro del
marco de garantas de promocin a la inversin.
El reglamento consta de 8 ttulos, los cuales tratan sobre las actividades
geotrmicas, derechos geotrmicos, derechos y obligaciones de los titulares,
extincin de los derechos geotrmicos, jurisdiccin administrativa, procedimientos,
proteccin ambiental y las garantas de la promocin a la inversin.
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CAPTULO 4
DISEO DE LA PLANTA
El diseo consiste en el clculo del ciclo termodinmico para luego realizar la
seleccin de los componentes de la planta geotrmica de generacin elctrica con
ciclo combinado. Este tipo de planta se eligi para lograr un uso ms efectivo de los
recursos geotrmicos debido a que los fluidos tienen un amplio rango de propiedades
fsicas tales como temperatura, presin, presencia de gases no condensables, slidos
disueltos, pH, potencial de corrosin. Este sistema de conversin de energa se puede
adaptar a estas condiciones particulares.
La planta con ciclo combinado (Single Flash / Binary) utiliza el vapor del fluido
geotrmico obtenido del separador para usarlo en la primera etapa de la turbina,
luego se aprovecha el lquido geotrmico sobrante calentndolo en intercambiadores
de calor para emplear el vapor generado en la segunda etapa de la turbina y obtener
energa elctrica en el generador. La tabla 4.1 muestra una descripcin de la planta.
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SISTEMA SUBSISTEMAS COMPONENTES
Condensador, bomba decondensado, torre de enfriamentotipo hmedo, bomba de agua de
refrigeracin, tuberas y unionesBomba de inyeccin, compresor degases no condensables, eyectoresde vapor, vlvula de inyeccin,tuberas y uniones
Vlvula de cabeza de pozo,
silenciador, tuberas y unionesSeparador ciclnico, vlvula decheque tipo bola, tubera de vapor,removedor de humedadPrecalentador, evaporador, tuberade aguaTurbina de dos etapas, generadorelctrico, vlvula de control yparada
Condensacin y torre deenfriamiento
Reinyeccin del FluidoGeotrmico
PLANTA GEOTRMICA DECICLO COMBINADO
Produccin del Fluido
Geotrmico
Extraccin de vapor
Calentamiento del lquidosaturado
Generacin Elctrica
Tabla 4.1DESCRIPCIN DE LA PLANTA GEOTRMICA
4.1. Consideraciones Preliminares
Para el diseo de la planta geotrmica se debe tener en cuenta los siguientes
aspectos:
4.1.1. Consideraciones Mecnicas
- Tuberas aisladas trmicamente de alta resistencia de material anticorrosivo con
un revestimiento de cromo.
- Vlvulas reguladoras, de expansin, de derivacin, de seguridad y otras.
- Silenciadores para la purga de fluidos residuales y evitar los ruidos estridentes.
- Presencia de gases no condensables y slidos disueltos.
- Potencial de corrosin.
- Esfuerzos mecnicos.
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4.1.2. Consideraciones Fluido-termodinmicas
- El fluido geotrmico producido es una mezcla de las dos fases, lquido y va