Energa Geotrmica

Integrantes:

Alfredo RojasCI: 19.143.857

Manuel CaraballoCI: 21.513.639

Irene HernndezCI: 20.739.538

Ricardo MartnezC.I 20.739.901

Seccin M-01

Profesor:

Ing. Christian Carico

El Tigre, Abril de 2015.

IntroduccinEn su sentido ms amplio y literal, la energa geotrmica es el calor interno de la Tierra. Es un hecho conocido que en el subsuelo, bajo la tierra que pisamos, la temperatura aumenta con la profundidad, es decir, existe un gradiente trmico y, por lo tanto un flujo de calor desde el interior de la Tierra hacia el exterior. Ello es consecuencia de su estructura interna. La Tierra est constituida bsicamente por tres capas concntricas: el ncleo que es la ms interna tiene una composicin de hierro fundido a una temperatura superior de los 4.000 C el manto que es la capa intermedia formada por silicatos de hierro y magnesio tiene un espesor de 2.900 km y su temperatura vara desde los 4.000 C en su contacto con el ncleo hasta los 800 - 1000 C de su superficie exterior que contacta con la corteza que es la capa ms superficial y visible por el hombre. En determinados puntos de la Tierra el flujo de calor es, sin embargo, anormalmente elevado, llegando a alcanzar valores de hasta diez y veinte veces el flujo medio citado. Estas reas con flujo elevado coinciden siempre con zonas de existencia de fenmenos geolgicos singulares, como son una actividad ssmica elevada, la formacin de cordilleras en pocas geolgicas recientes y una actividad volcnica actual o muy reciente. Estos fenmenos geolgicos representan distintas formas de liberacin de la energa interna de la Tierra, cuya explicacin puede darse a la luz de la tectnica de placas que rige la estructura de la corteza de la Tierra y su relacin con el manto.El conocimiento sistemtico de los procesos terrestres, permite pronosticar la ubicacin de zonas favorables para la exploracin geotrmica. Es as que usualmente se centra la atencin en los terrenos con un alto flujo de calor, cerca de volcanes jvenes, de fuentes termales y prximos a fallas geolgicas. En general, estas condiciones se producen cerca de las zonas de contacto entre las placas corticales.Los recursos geotrmicos pueden ser: vapor, agua caliente, rocas secas calientes, rocas geopresionadas, es decir rocas porosas que contienen una mezcla de agua y gases a elevada presin y temperatura y rocas fundidas (magma).En el presente trabajo se explicara el origen de la energa geotrmica, el potencial energtico de la misma, as como tambin, los tipos de yacimientos y equipos utilizados para su captacin. De igual forma se presenta un ejemplo prctico en el que se detallan los clculos aplicados a un posible sistema termodinmico impulsado por energa geotrmica.

2

ndice

...

Pg.

Introduccin2

Fundamentacin terica.

Energa geotrmica ......

5

Estructura interna de la tierra...........

8

Camara magmtica.........

11

Yacimiento geotrmico.......

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Central geotrmica 13

Desarrollo........

Tipos de yacimientos geotrmicos........

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Dispositivos de captacin de energa geotrmica........

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Potencial de la energa geotrmica........

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Mtodos de estimacin del potencial geotrmico..................................

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Ejemplo resuelto.....

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Conclusin.......

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Bibliografa y referencias electrnicas34

Fundamentacin Terica Energa Geotrmica.

La Tierra, adems de disponer de energa procedente del exterior, fundamentalmente del Sol, que da origen, directa o indirectamente, a diversas tipos de energas renovables (solar, elica, oleaje, maremotrmica, biomasa, etc.), tambin dispone de energas endgenas. Un tipo de energa endgena es la energa trmica, la cual proviene de la importante cantidad de calor que la Tierra almacena en su interior. Por su procedencia, a esta energa trmica interna de la Tierra se les denomina energa geotrmica y se la incluye dentro del grupo de energas renovables, ya que la disipacin del calor almacenado requerira el transcurso de millones de aos.La energa geotrmica es la que produce el calor interno de la tierra y que se ha concentrado en el subsuelo en lugares conocidos como reservorios geotermales, que s son bien manejados, pueden producir energa limpia de forma indefinida.La energa interna de la Tierra procede del calor acumulado en su ncleo durante el proceso de formacin del planeta (hace aproximadamente 4.600 millones de aos) y, fundamentalmente, de las radiaciones emitidas por la desintegracin atmica de elementos qumicos radiactivos (uranio 238, torio 232, potasio 40, etc.) presentes en el interior de la misma.El calor almacenado en el interior de la Tierra no se encuentra uniformemente distribuido, sino que es ms elevado en el ncleo (alrededor de 7.000 C) y de menor intensidad en la corteza. El gradiente trmico creado, es decir, la diferencia de temperaturas existente, origina un flujo de calor desde las zonas ms calientes hacia las ms fras de la corteza. El flujo de calor cerca de la superficie, que tiene lugar fundamentalmente por conduccin, depende del gradiente trmico y de la conductividad trmica del material.A nivel global del planeta, a medida que se profundiza en la corteza terrestre, la temperatura suele aumentar aproximadamente 3 C cada 100 m. Sin embargo, existen zonas de la superficie terrestre que presentan anomalas geotrmicas, originadas por la ascensin, en determinadas condiciones, de parte de material fundido de las profundidades y que queda atrapado en espacios prximos a la superficie. Por tanto, en sectores de la corteza terrestre pueden existir masas de material a gran temperatura (800 C-1.000 C) que pueden dar lugar a un gradiente de temperatura entre 100 C y 200 C por kilmetro (Figura 1). En estas zonas se dice que existen yacimientos geotrmicos, los cuales, a veces, se manifiestan en la superficie en forma de giseres (Figura 2), de erupciones volcnicas (Figura 3), de aguas termales (Figura 4), etc.

Figura 1. Gradiente de temperatura.

Figura 2. Giser.

Figura 3. Erupcin volcnica.

Figura 4. Aguas termales.

Estructura interna de la tierra.Para representar la estructura interna de la Tierra existen dos modelos: el modelo geoqumico y el modelo dinmico.Estos clasifican a la estructura de la Tierra desde la superficie hasta su centro, el cual se encuentra a una profundidad de 6.371 km, en funcin de su composicin qumica y de la rigidez y plasticidad, respectivamente (Figura 5).En el modelo geoqumico existen tres capas concntricas: corteza, manto y ncleo.

Figura 5. Modelos de la estructura interna de la Tierra.

La capa externa de la superficie, denominada corteza, est constituida por rocas en estado slido. Su espesor rara vez supera los 70 km, la densidad media es de aproximadamente 3 g/cm3 y la temperatura media en su lmite inferior es de unos 400 C. La segunda capa, denominada manto, se halla inmediatamente debajo de la anterior. Se compone de manto superior (700 km de profundidad, 1.500 C de temperatura y 3,3 g/cm3 de densidad) y de manto inferior (2.900 km de profundidad, 3.000 C de temperatura y 5,7 g/cm3 de densidad). Los materiales que constituyen el manto tienen una composicin mineralgica distinta de las de las rocas de la parte superficial.A partir de los 2.900 km se inicia la tercera capa denominada ncleo. Se compone de ncleo externo (5.100 km de profundidad, 4.000 C de temperatura y 9 g/cm3 de densidad) y de ncleo interno (hasta 6.371 km de profundidad, 6.000 C de temperatura y 12 g/cm3 de densidad).En el modelo dinmico la estructura se compone de cuatro capas: litosfera (abarca los 100 km iniciales del manto superior), constituye una parte slida y rgida; astenosfera (250 km de profundidad en el manto superior), fundamentalmente es una capa slida, aunque tambin contiene parte plstica; mesosfera (abarca parte del manto superior y todo el manto inferior), constituye una capa solida; y endosfera (abarca todo el ncleo), tiene parte fluida, correspondiente al ncleo externo, y parte slida, correspondiente al ncleo interno.La ecuacin de conduccin de calor viene dada por:

En esta expresin q (W/m2) es el flujo de calor por metro cuadrado que fluye verticalmente a travs de la Tierra. T es la diferencia de temperatura a la distancia vertical z, y T/z es el gradiente trmico. La constante KT es la conductividad trmica del terreno (en W/mC) y es igual al flujo de calor por segundo que atraviesa un rea de 1 metro cuadrado cuando el gradiente trmico es de 1 C por metro en la direccin del flujo.Si, por ejemplo, la temperatura a 2 km de profundidad es de 60 C y la temperatura en la superficie es de 10 C, el gradiente de temperatura ser: (60 - 10)/2.000 = 0,025 C/ m, y si la conductividad trmica de las rocas que componen la corteza terrestre es de 2,5 W/mC, el flujo de calor ser de 2,5 x 0,025 = 0,0625 W/m2.Si existen capas delgadas con conductividades pequeas se requieren grandes diferencias de temperatura para que el flujo de calor sea alto.Parte del agua que fluye por la superficie de la tierra (producto de lluvia, de deshielo, de cursos de agua, etc.), se infiltra en el terreno y, a travs de grietas y fracturas, puede alcanzar profundidades de varios cientos o hasta miles de metros (Figura 6).El agua, al encontrar en profundidad lechos de rocas suficientemente porosas, circula a travs de los poros de dichas rocas. Esos estratos por los cuales circula agua se conocen como acuferos. Si el acufero se encuentra en una zona caliente, el agua que llena los poros de ese estrato tender a equilibrar la temperatura con la de la roca que la contiene.Si la masa de agua acuosa que circula por un acufero se encuentra con una zona de grietas y fisuras, el agua puede alcanzar la superficie del terreno producindose entonces un manantial o vertiente. Si el acufero se encuentra en una zona donde el gradiente hace que el agua alcance una temperatura suficientemente alta se producir una manifestacin hidrotermal que, de acuerdo con las caractersticas que presente, se denomina fumarola, solfataras y giseres.

Figura 6. Acuferos en zonas calientes.

Fumarolas es el nombre que se le da a la emisin de gases de origen volcnico y vapores a temperaturas que, en ocasiones, pueden alcanzar los 500 C. Las solfataras se diferencian de las fumarolas por su mayor contenido en vapor de agua, por una menor temperatura, y por eyectar chorros intermitentes de vapor de agua y otros gases.Estas dos formas de manifestaciones pueden ser surgentes o fluir suavemente, dependiendo de la presin existente dentro del acufero de donde provienen.Los giseres son surtidores intermitentes de una mezcla de agua y vapor (a temperaturas entre 70 y 100 C), con una gran cantidad de sales disueltas y en suspensin.

Cmara magmtica.

Una cmara magmtica es el espacio ocupado por el magma que en su ascenso hasta la superficie se detiene temporalmente en diferentes niveles de la litosfera, se sitan a pocos kilmetros de profundidad bajo los volcanes, y en ellas los magmas experimentan procesos de diferenciacin. Como consecuencia de este proceso (diferenciacin magmtica, cristalizacin fraccionada) en una cmara magmtica coexisten la fraccin lquida del magma con gases disueltos y la fraccin slida constituida por minerales que han cristalizado al estar sometidos a ambientes (presin y temperatura) diferentes de los de generacin del magma. El aporte de magma fresco a cmaras en las que se estn produciendo procesos de enfriamiento y cristalizacin, genera la desestabilizacin de las mismas y propician el desarrollo de erupciones que puntualmente pueden ser muy violentas.Los magmas se generan en bordes continentales activos donde convergen dos placas litosfricas (zonas de subduccin), en las dorsales ocenicas (zona de rotura y divergencia de placas) y asociados a puntos calientes (volcanismo intraplaca). Los magmas ascienden hacia la superficie por flotabilidad. El ascenso puede ser rpido y sin paradas, producindose la salida en superficie mediante una erupcin volcnica caracterizada por su baja explosividad.En otras ocasiones el magma no llega a alcanzar la superficie y se detiene durante un periodo de tiempo, ms o menos dilatado, dando lugar a la formacin de cmaras magmticas.

Yacimiento geotrmico.

Un yacimiento geotrmico es un volumen de roca con temperatura anormalmente elevada par la profundidad a que se encuentra, susceptible de ser recorrida por una corriente de agua que pueda absorber calor y transportarlo a la superficie.Para que exista un yacimiento geotrmico, se necesitan varios parmetros: una capa compuesta de una cobertura de rocas impermeables; un depsito, o acufero, de permeabilidad elevada, entre 300 y 2000 m de profundidad; una falla, es decir, rocas fracturadas que permitan una circulacin de fluidos mediante conveccin; y una fuente de calor magmtica (a profundidades entre 3 y 10 km con temperaturas que oscilan entre 500 a 600C), necesaria para la transferencia de calor desde la fuente a la superficie.

Central geotrmica.

Una central geotrmica es una instalacin donde se obtiene energa elctrica a partir del calor interno de la Tierra. Estas centrales son muy similares a las trmicas, la nica diferencia es que no queman nada para calentar el agua.Desde la superficie se inyecta agua fra a travs de uno de los extremos del tubo, la cual se calienta al llegar al fondo formando vapor de agua y regresando a chorro a la superficie a travs del otro tubo. En el extremo de ste est acoplada una turbina-generador que suministra la energa elctrica para su distribucin. El agua enfriada es devuelta de nuevo al interior por el primer tubo para repetir el ciclo.A pesar de su sencillez, el sistema est pensado fundamentalmente para aplicaciones que no requieran un suministro de energa a gran escala, debido a las caractersticas geotrmicas de las rocas. Al contrario de lo que sucede con los metales, las rocas o la arena no tienen capacidad conductora del calor, es decir, la conservan, por eso si se utilizase una central geotrmica con intencin de producir energa a gran escala llegara un momento en que el proceso se detendra. El motivo, es que la sima del interior de la corteza terrestre donde est el calor aprovechable se va enfriando progresivamente conforme se le inyecta agua fra, y si el rgimen de inyeccin es alto llegar un momento en que la sima ha cedido ms calor del que puede recuperar, precisamente por su baja capacidad de conducir la temperatura. Este inconveniente impide el funcionamiento continuo de la central, detenindose a determinados intervalos hasta que la roca recupera una temperatura suficiente para reanudar el funcionamiento normal.En algunas regiones de la tierra este inconveniente no se produce, porque las altas temperaturas estn casi a flor de tierra, lo que permite extender tuberas en horizontal, en vez de en vertical, garantizndose que la recuperacin de la temperatura de la roca o de la arena se realice casi a la par que su enfriamiento.Para aprovechar la energa geotrmica se recurre a sistemas similares a los empleados en energa solar con turbina, es decir, calentamiento de un lquido que puede tener distintas aplicaciones, pero que habitualmente se destina a producir vapor con el que se da impulso a la turbina, que a su vez mueve un generador elctrico.Los sistemas geotrmicos producen un rendimiento mayor con respecto a otros sistemas, y adems tienen un costo de mantenimiento menor. De hecho, la nica pieza mvil de una central geotrmica es el sistema de turbina-generador, y por tanto todo el conjunto tiene una vida til ms larga. Adems, la energa utilizada est siempre presente, lo cual apenas implica variaciones, como sucedera en otros sistemas que dependen, por ejemplo, del caudal de un ro o del nivel de radiacin solar.El funcionamiento de una central geotrmica es bastante simple: consta de una perforacin practicada a gran profundidad sobre la corteza terrestre (unos 5 km), con objeto de obtener una temperatura mnima de 150 C, y en la cual se han introducido dos tubos en circuito cerrado en contacto directo con la fuente de calor.

Figura 7. Esquema de funcionamiento de una central geotrmica.

Desarrollo de tema.

Tipos de yacimientos geotrmicos.

Energa geotrmica de alta temperatura: La energa geotrmica de alta temperatura existe en las zonas activas de la corteza. Esta temperatura est comprendida entre 150 y 400 C, se produce vapor en la superficie y mediante una turbina, genera electricidad. Se requieren varias condiciones para que se d la posibilidad de existencia de un campo geotrmico: una capa superior compuesta por una cobertura de rocas impermeables; un acufero, o depsito, de permeabilidad elevada, entre 0,3 y 2 km de profundidad; suelo fracturado que permite una circulacin de fluidos por conveccin, y por lo tanto la trasferencia de calor de la fuente a la superficie, y una fuente de calor magmtico, entre 3 y 15 km de profundidad, a 500-600 C. La explotacin de un campo de estas caractersticas se hace por medio de perforaciones segn tcnicas casi idnticas a las de la extraccin del petrleo.

Energa geotrmica de temperaturas medias: La energa geotrmica de temperaturas medias es aquella en que los fluidos de los acuferos estn a temperaturas menos elevadas, normalmente entre 70 y 150 C. Por consiguiente, la conversin vapor-electricidad se realiza con un rendimiento menor, y debe explotarse por medio de un fluido voltil. Estas fuentes permiten explotar pequeas centrales elctricas, pero el mejor aprovechamiento puede hacerse mediante sistemas urbanos reparto de calor para su uso en calefaccin y en refrigeracin (mediante mquinas de absorcin)

Energa geotrmica de baja temperatura: La energa geotrmica de temperaturas bajas es aprovechable en zonas ms amplias que las anteriores; por ejemplo, en todas las cuencas sedimentarias. Es debida al gradiente geotrmico. Los fluidos estn a temperaturas de 50 a 70 C. Energa geotrmica de muy baja temperatura: La energa geotrmica de muy baja temperatura se considera cuando los fluidos se calientan a temperaturas comprendidas entre 20 y 50 C. Esta energa se utiliza para necesidades domsticas, urbanas o agrcolas.

Teniendo en cuenta cuestiones relacionadas con la presencia o no de agua, del estado de la misma (lquido, vapor), de las condiciones en que sta se encuentre (alta o baja presin), y de la estructura geolgica del yacimiento stos tambin pueden clasificarse en: sistemas hidrotrmicos, sistemas geopresurizados y sistemas de roca caliente seca.

Sistemas hidrotrmicos.Los sistemas hidrotrmicos disponen de agua en su interior, normalmente procedente de deshielos o de la lluvia. Suelen encontrase a profundidades comprendidas entre 1 km y 10 km. En funcin de la fase en que se encuentre el agua se clasifican en: sistemas con predominio de vapor de agua y sistemas con predominio de agua lquida. Estos son los nicos sistemas que han superado las etapas de investigacin y desarrollo experimental, encontrndose, actualmente, en la etapa de explotacin comercial.La entalpa (calor termodinmico total del sistema) de los sistemas con predominio de vapor es del orden de 600 kcal/kg. Las temperaturas suelen ser uniformes y estar comprendidas entre 150 C y 400 C. Las presiones no suelen superar los 5 MPa. Estas caractersticas del vapor sobrecalentado seco son apropiadas para que, una vez extrado mediante la perforacin de pozos, pueda ser utilizado para la generacin de energa elctrica con un rendimiento aceptable.En los sistemas con predominio de agua en estado lquido las entalpas pueden ser altas (200 kcal/kg a 400 kcal/kg) o bajas. En los sistemas de alta entalpa las temperaturas reinantes pueden encontrarse en el rango de 180 C a 300 C. Las presiones no suelen ser superiores a 1 MPa. Generalmente, cuando el fluido alcanza la superficie, bien de forma natural (existencia de grietas), o artificial (perforacin realizada por el hombre), sbitamente se transforma en vapor, debido a la disminucin de la presin durante el ascenso. Las caractersticas del vapor de los sistemas de alta entalpa hacen que stos sean apropiados para generar energa elctrica.En los sistemas de baja entalpa, con temperaturas menores de 100 C, el agua que se extraiga en la superficie, por su propia presin o mediante bombeo, tendr una temperatura inferior a su punto de ebullicin, por lo que su aplicacin ms idnea es el calentamiento de algn fluido (calefaccin industrial, urbana y agrcola). Los yacimientos de baja entalpa son muy abundantes y su distribucin superficial suele ser regular.

Sistemas geopresurizados.El fluido en los sistemas geopresurizados, generalmente agua lquida, se encuentra sometido a presiones que pueden alcanzar hasta 100 MPa. Sin embargo, las temperaturas no suelen ser excesivamente altas (150 C - 250 C). El agua suele coexistir con gases naturales (metano), lo que dificulta su explotacin en la actualidad. Sin embargo, hay que sealar que, en el futuro, cuando se desarrolle una tecnologa apropiada para su explotacin comercial rentable, ser posible utilizar tres fuentes de energa: la hidrulica del fluido (presin), la trmica del fluido (calor) y la energa primaria de los gases naturales.

Sistemas de roca caliente seca.Los sistemas de roca caliente seca se caracterizan por estar constituidos por rocas impermeables, con temperaturas entre 150 C y 300 C, y por carecer de acufero. La impermeabilidad del sistema, su baja conductividad trmica y la carencia de un fluido que lo recorra constituyen el escollo principal para su explotacin. De hecho, a pesar de representar estos sistemas un porcentaje muy elevado de los recursos geotrmicos mundiales, an se encuentran en la etapa de investigacin.Cuando se desarrollen tcnicas y tecnologas que permitan penetrar en el roca y transformarla, en un intercambiador que comunique el calor del foco caliente a un fluido que se inyecte desde la superficie, podr transformase la energa trmica en energa elctrica con rendimientos que se prevn comprendidos entre el 8% y el 20%. Dispositivos de captacin de energa geotrmicaEl aprovechamiento de los yacimientos geotrmicos depende de la entalpa del mismo. Si la entalpa es alta, el aprovechamiento se lleva a cabo en plantas trmicas de diseo especfico.En estas plantas se transforma la energa trmica en energa elctrica utilizando un ciclo termodinmico denominado ciclo de Rankine, en honor del ingeniero y fsico britnico William John Macquorn Rankine (1820-1872). En este ciclo, al igual que las plantas trmicas convencionales (Figura 8), se emplea calor para evaporar un lquido, que posteriormente se utiliza en el accionamiento de una turbina, la cual se acopla a un generador elctrico para producir energa elctrica. Si la entalpa es baja, el calor suele emplearse para el calentamiento de un fluido, aunque tambin podran utilizarse para la generacin de electricidad con muy bajos rendimientos.

Figura 8. Esquema conceptual de una planta trmica convencional.

Existen diversos tipos de sistemas para el aprovechamiento de fuentes geotrmicas de alta entalpa. Entre stos se pueden destacar los cuatro siguientes: Sistemas de conversin directa. Sistemas de expansin sbita de una etapa. Sistemas de expansin sbita de dos etapas. Sistemas de ciclo binario.

Sistemas de conversin directaLos sistemas de conversin directa (Figura 9) se utilizan en aquellos yacimientos hidrotrmicos donde predomina el vapor seco. En este caso, el vapor supercalentado (a 180 C - 185 C y 0,8 MPa - 0,9 MPa) que llega a la superficie se emplea directamente, despus que las partculas slidas y los gases no condensables hayan sido separados, para accionar una turbina que, gracias a un generador mecnicamente conectado a ella, produce corriente elctrica. El vapor, una vez pasa por la turbina de expansin, se dirige a un condensador donde se convierte en agua lquida saturada. Al agua obtenida en el condensador se la hace pasar por una torre de enfriamiento; una fraccin importante del agua que se ha enfriado en la torre se enva al condensador para que sirva de fluido refrigerante y, el resto, se inyecta de nuevo en el acufero.El rendimiento termodinmico de este tipo de instalaciones es pequeo, si se los compara con los obtenidos por una central trmica convencional. La causa fundamental es la diferencia de presiones a la entrada de la turbina.En una central geotrmica la presin mxima suele ser del orden de 0,9 MPa mientras que en una central convencional dicha presin puede elevarse hasta 17,5 MPa.En general, los sistemas de conversin directa son los ms simples, los ms comunes y los ms atractivos, desde el punto de vista comercial.

Figura 9. Esquema conceptual de una planta de conversin directa.

Como ejemplos de instalaciones de este tipo que actualmente estn operativas en el mundo se pueden destacar la central de Larderello (Italia), de 500 MW de potencia instalada, la central de los Giseres (EE.UU), con 700 MW instalados (Figura 10) y la central de Matsukawa (Japn), con 20 MW instalados.

Figura 10. Central de los Giseres-USA (fuente: Stanford report, 23 febrero-2005).

Sistemas de expansin sbita de una etapa.Los sistemas de expansin sbita de una etapa (Figura 11) se emplean en los yacimientos hidrotrmicos donde predomina el agua lquida.

Figura 11. Esquema conceptual de un sistema de expansin sbita de una etapa.

En estos sistemas, el agua puede expansionarse sbitamente durante el ascenso a la superficie o mediante el empleo de un recipiente de expansin, originando que parte del lquido se evapore instantneamente. Por tanto, es necesario utilizar un separador de fases que permita dirigir el vapor (155 C - 165 C y 0,5 MPa - 0,6 MPa) hacia la turbina y el agua no evaporada hacia el acufero. El vapor obtenido se expande por una turbina que, acoplada mecnicamente a un generador elctrico, produce corriente elctrica. Al igual que ocurra en los sistemas de conversin directa, el vapor, una vez que pasa por la turbina de expansin, se dirige a un condensador donde se convierte en agua lquida saturada. Parte de esta agua constituye a su vez el fluido de refrigeracin, una vez ha sido enfriada en una torre de refrigeracin. El resto del agua condensada se inyecta de nuevo en el acufero.El rendimiento de estos sistemas es inferior a los de conversin directa, ya que no toda el agua que llega a la superficie se transforma en vapor de trabajo, como ocurra con los sistemas de conversin directa.

Sistemas de expansin sbita de dos etapas.Los sistemas de expansin sbita de dos etapas (Figura 12) se emplean en los yacimientos hidrotrmicos donde predomina el agua lquida con bajos contenidos de impurezas. Tienen como objetivo mejorar el rendimiento de los sistemas de expansin de una etapa. Las diferencias de los sistemas de una etapa frente a los de dos etapas se encuentran en la existencia de dos etapas de expansin del agua que llega a la superficie desde el acufero y en que la turbina dispone de dos cuerpos; un cuerpo que trabaja al alta presin y un cuerpo que trabaja a baja presin.

Figura 12. Esquema conceptual de un sistema de expansin sbita de dos etapas.

En los sistemas de evaporacin sbita de dos etapas, el vapor obtenido en la primera expansin se dirige al cuerpo de alta presin de la turbina, mientras que el lquido obtenido en el primer separador de fases es de nuevo expansionado (a menor presin que en la primera etapa). El vapor resultante de la segunda expansin es conducido al cuerpo de baja presin de la turbina, mientras que el agua residual se inyecta de nuevo en el acufero. Como puede observarse en la Figura 12, el cuerpo de baja presin de la turbina se alimenta, adems del vapor procedente de la segunda etapa de expansin, del vapor saliente del cuerpo de alta de la turbina.El vapor, una vez que pasa por el cuerpo de baja de la turbina de expansin, se dirige a un condensador donde se convierte en agua lquida saturada. El resto del proceso es similar al de los sistemas anteriormente descritos.Hay que sealar que los sistemas de dos etapas incrementan el rendimiento de los sistemas de una etapa en casi un 40%, aunque, el incremento del rendimiento sera mucho menor si se aadiese una tercera etapa de expansin. Sin embargo, requieren mucho ms fluido, para generar una misma potencia, que una planta de conversin directa. Por ejemplo, la central de East Mesa (California), que comenz a funcionar en 1988, y que utiliza este sistema para generar 37 MW de potencia, emplea 10 veces ms fluido que una central similar de conversin directa.

Sistemas de ciclo binarioLos sistemas de ciclo binario pueden ser utilizados en los yacimientos hidrotrmicos de entalpa media (100 C - 200 C), donde predomina el agua lquida (Figura 13). Este tipo de plantas emplean un segundo fluido de trabajo, con un punto de ebullicin (a presin atmosfrica) inferior al del agua, tales como isopentano, fren, isobutano, etc., los cuales se evaporizan y se usan para accionar la turbina.Estos sistemas, adems de presentar la ventaja de permitir utilizar yacimientos geotrmicos de temperaturas medias, admiten la explotacin de yacimientos con acuferos con un mayor porcentaje de impurezas, especialmente si estos estn bajo una presin tal que no tenga lugar la evaporacin sbita. El lquido extrado del acufero, una vez ha cedido su calor al fluido de trabajo en el intercambiador de calor, retorna de nuevo al yacimiento. El fluido secundario trabaja de acuerdo con el ciclo convencional Rankine. El fluido de trabajo, transformado en vapor recalentado a su paso por el evaporador, se dirige a la turbina con el objeto de accionarla. El generador, mecnicamente acoplado a la turbina, es el encargado de generar electricidad. Los gases del fluido de trabajo, una vez se expanden en la turbina, se condensan en un intercambiador de calor. El intercambiador es refrigerado con agua mediante un circuito que dispone de refrigeracin.

Figura 13. Esquema conceptual de un sistema de ciclo binario.

Las plantas de ciclo binario se construyen generalmente en unidades modulares de pequeo tamao, las cuales pueden ser interconectadas para constituir plantas elctricas de decenas de megavatios. En los aos 1990 se desarroll un nuevo ciclo de trabajo, denominado ciclo Kalina, el cual es ms eficiente que los ciclos convencionales de Rankin, pero de un diseo ms complejo. Este ciclo utiliza como fluido secundario una mezcla de agua y amoniaco, el cual se expande (en condiciones de sobrecalentamiento) a travs de las turbinas de alta presin y despus es recalentado antes de accionar las turbinas de baja presin.Varias plantas geotrmicas en el mundo utilizan sistemas de ciclo binario: Soda Lake (Nevada) (Figura 14), Wendell-Amadee (California), Fang (Tailandia).

Figura 14. Central geotrmica de Soda Lake-Nevada (fuente: Constellation Energy).

Potencial de la energa geotrmicaSe estima que este recurso energtico supone unos 30 millones de Teravatios. Sin embargo, solo es aprovechable una pequea parte.Muchas reas del mundo disponen de recursos geotrmicos accesibles (Figura 10.9), especialmente regiones del denominado Anillo de Fuego, reas que bordean el Ocano Pacfico, zonas de la falla continental y otros puntos calientes. Por tanto, los Andes de Sudamrica, Amrica Central, Mjico, cordilleras de Estados Unidos y Canad, la cordillera Aleutiana de Alaska, la pennsula de Kamchatka en Rusia, Italia, Nueva Zelanda, sureste de frica, Extremo Oriente, etc., son zonas susceptibles de aprovechamiento de la energa geotrmica.

Figura 15. Zonas de mayor potencial geotrmico.

Para que exista un yacimiento geotrmico, segn las investigaciones geolgicas, geofsicas y geoqumicas realizadas en una gran cantidad de sistemas geotrmicos, se requiere que se den una serie de circunstancias: Presencia de una fuente de calor. Esta fuente, generalmente, est constituida por un cuerpo de magma situado a una profundidad razonable, desde el cual se trasmite el calor a las rocas circundantes.

Presencia de agua. El yacimiento debe ser susceptible de ser recorrido por una corriente de agua. Esta agua puede haberse infiltrado en el subsuelo, a travs de fracturas o rocas permeables, hasta alcanzar la profundidad necesaria para ser calentada por la fuente de calor. Tambin es posible que el agua sea inyectada por el hombre artificialmente desde la superficie. Desde hace bastante tiempo la reinyeccin de agua ha sido empleada en diversas partes del mundo como una manera de reducir el impacto ambiental del funcionamiento de las plantas geotrmicas. Asimismo, la recarga artificial ayuda a mantener campos geotrmicos que tienden al agotamiento por falta de fluidos. Presencia de un depsito. El volumen de este depsito lo proporciona rocas permeables situadas a una profundidad, accesible mediante perforaciones, donde se almacena el agua caliente o el vapor, que son los medios para transportar el calor.

Existencia de una cubierta impermeable. Su presencia es necesaria para impedir que los fluidos se escapen hacia el exterior del yacimiento.

Mtodos de estimacin del potencial geotrmicoPara determinar el potencial geotrmico se utilizan una serie de tcnicas. Cada una de las cuales persigue un objetivo. Entre dichos objetivos se encuentran la identificacin del fenmeno geotermal, la determinacin del tipo de recurso, la estimacin de la capacidad del recurso, anlisis de la capacidad trmica, etc.El procedimiento de partida, en el caso de reas remotas e inexploradas, suele ser, generalmente, el anlisis de imgenes obtenidas por satlite y de fotografas areas.Tambin los estudios de vulcanologa facilitan la bsqueda de zonas geotrmicas aprovechables, ya que los mismos son buenos indicadores de la existencia de calor interno.Los mtodos de exploracin suelen utilizar estudios geolgicos e hidrogeolgicos, estudios geoqumicos y estudios geofsicos.Los estudios geolgicos e hidrogeolgicos son fundamentales a la hora de cuantificar la extensin de las reas potencialmente vlidas y para evaluar el potencial del recurso.Los estudios geoqumicos proporcionan informacin vlida para planificar la exploracin. Consisten en el anlisis qumico (y/o isotpico) del agua y del gas de las manifestaciones termales.Las prospecciones geofsicas tienen como objetivo obtener informacin de determinados parmetros fsicos, tales como temperatura, densidad, velocidad de propagacin de ondas elsticas, susceptibilidad magntica, etc.La etapa final de un programa de exploracin geotrmica la constituye la perforacin de pozos exploratorios (Figura 16). Dichos pozos permiten confirmar si los depsitos son adecuados (capacidad, caractersticas del fluido, etc.) para su utilizacin.

Figura 16. Equipo para perforacin (fuente: cortesa de Geodynamics Limited).

Ejemplo resuelto.

En la figura se muestra el esquema de una central elctrica geotrmica de una sola evaporacin instantnea con el nmero de estados. El recurso geotrmico existe como liquido saturado a 230C. El lquido geotrmico se saca del pozo de produccin a una tasa de 230 kg/s y se evapora a una presin de 5 bares mediante un proceso de evaporacin instantnea esencialmente isoentlpica del que el vapor resultante se separa del lquido por un separador y se dirige hacia la turbina. El vapor deja la turbina a 0,1 bares con un contenido de humedad de 10 por ciento y entra al condensador donde se condensa y se enva a un pozo de reinyeccin junto con el lquido que viene del separador. Se pide determinar:

a) el flujo msico del vapor a travs de la turbina. b) la eficiencia isentrpica de la turbina. c) la salida de potencia de la turbina.d) la eficiencia trmica de la central (la relacin entre la salida de trabajo de la turbina y la energa del fluido geotrmico respecto a las condiciones del ambiente estndar).

Solucin: Para determinar el flujo msico a la turbina es necesario aplicar el principio de conservacin de la masa y el de la energa al separador (que se supone adiabtico) despreciando cambios en la energa cintica y potencial. La eficiencia isentrpica de la turbina se determina realizando un anlisis de segunda ley en la misma. La potencia de la turbina surge a partir de un anlisis de primera ley en ella despreciando los cambios de energa cintica y potencial. La energa del fluido geotrmico es la diferencia de la entalpa del estado de este y la entalpa del fluido a condiciones ambientales estndar.

Por lo tanto:

a) El flujo msico del vapor a travs de la turbina.Volumen de control: separador.Estado a la entrada: P2 conocida.Estado a la salida: P3 conocida, vapor saturado, estado fijo.Estado a la salida: P6 conocida, lquido saturado, estado 6 fijo.Anlisis:Primera ley:

Propiedades de los puntos:(Tablas Cengel) h2=h1=990kJ/kgh3=2748,6kJ/kgh6=640,3kJ/kgPor lo tanto:

Al analizar plantas de vapor en las que existen volmenes de control que dividen el flujo de masa es ms conveniente trabajar con cantidades expresadas por unidad de masa del fluido que se produce en la planta. Por cada 1 kg de fluido geotrmico que proviene del pozo geotrmico, y kg se separan de manera parcial en el separador y se extraen en el estado 3 en direccin a la turbina. El resto (1-y) kg se separan como lquido saturado hacia el pozo de reinyeccin. Siendo y la fraccin de masa separada hacia la turbina y m2 el flujo total a separar, ahora se puede calcular el flujo msico que circula por la turbina m3.

b) La eficiencia isentrpica de la turbina.Volumen de control: turbina.Estado a la entrada: P3, h3 conocidas, estado fijo.Estado a la salida: P4 conocida.Anlisis:Segunda ley:

Propiedades de los puntos:s4s=s3 =6,822kJ/kgK 6,822=0,649+x4s7,5x4s=0,823 h4s=191,7+(0,823)2392h4s= 2160,3kJ/kgh4=191,7+0,90(2392)h4=2344,5kJ/kgPor lo tanto:

c) La salida de potencia de la turbina.Volumen de control: turbina.Anlisis:Primera ley:

d) La eficiencia trmica de la central.Anlisis:

Propiedades de los puntos:Temperatura ambiente estndar, T0=25C, presin ambiental estndar, P0=1 atm, (agua) liquido saturado, h0=104,8Kj/kgK

Si Qfuente es la cantidad de energa contenida en la fuente (fluido o recurso geotrmico) y h0 es la entalpa del recurso geotrmico a las condiciones ambientales, entonces se puede calcular la eficiencia trmica de la central.

ConclusinEn este trabajo se han expuesto nociones bsicas sobre el origen y potencial de la energa geotrmicaAsimismo, se han descrito los diferentes tipos de sistemas que se utilizan para aprovechar la energa geotrmica en funcin de las caractersticas del campo geotrmico.Las principales ventajas del aprovechamiento de la energa geotrmica son econmicas y ambientales; ahorro en el uso de los combustibles tradicionales para la generacin de energa, mnima generacin de residuos en relacin a los producidos por otras energas convencionales y utilizacin de un recurso renovable.Sin embargo, este tipo de energa presenta un cierto impacto medioambiental en el entorno, causado por las emisiones gaseosas y lquidas y por el impacto visual.Actualmente se est trabajando en el mejoramiento de los dispositivos utilizados en el filtrado del vapor extrado, con la finalidad de reducir las emisiones toxicas que los mismos producen.

Bibliografa

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Antonio M. Vicente, (2009). Estudio de las aplicaciones de la energa geotrmica en Espaa. Caso prctico para climatizacin de una vivienda unifamiliar. Editorial:AMV Ediciones, Madrid.

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