Geotermia

Termodinámica. Energia geotérmica. Fuentes energéticas renovables. Aplicaciones. Generación de electricidad. Centrales geotérmicas

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CENTRAL DE GEOTERMIA DE 5MW

FELIPE OTALORA MUÑOZ

CARLOS A. RODRIGUEZ RODRIGUEZ

LUIS A. PENA YOJAR

RAUL ROBAYO BARRAGAN

UNIVERSIDAD DE AMERICA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C.

2002

CENTRAL DE GEOTERMIA DE 5MW

UNIVERSIDAD DE AMERICA

FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA

BOGOTA D.C.

2002

INTRODUCCION

la geotermia es una forma de aprovechamiento de los recursos naturales renovables, pero es una tecnología nueva, pues esta forma de aprovechamiento ya tiene su tiempo, aunque en Colombia todavía no es utilizada.

El decir que es un tecnología utilizada por el hombre hace mucho tiempo no quiere decir no se pueda mejorar o buscar nuevas y mas eficientes tecnologías y en el caso de la Geotermia es mucho lo que falta por hacer.

La Geotermia no solo se utiliza para generación de electricidad, campo en el cual no todas las fuentes cumplen con los requisitos mínimos de aprovechamiento, también se utiliza en la calefacción de edificaciones, procesos de secado, en la recreación y esparcimiento; en estos últimos es donde la Geotermia encuentra su mayor campo de acción con un mínimo de requerimientos para su aprovechamiento comercial.

Los equipos atizados en la generación de electricidad no difieren mucho de los equipos utilizados en la generación de electricidad a partir del vapor, diesel o agua.

OBJETIVOS

  • Conocer los principales parámetros para diseñar una central de Geotermia

  • Determinar los sistemas utilizados para generación de electricidad a partir de la Geotermia.

  • Determinar la cantidad de recurso aprovechable y su ubicación.

  • Calcular los equipos a utilizar de acuerdo al sistema de obtención de vapor.

  • Estimar los costos que se generar al construir una central de Geotermia

  • Determinar la viabilidad de un proyecto de estos en Colombia

  • Identificar las ventajas y desventajas que presenta la Geotermia.

  • Identificar los principales fabricantes de equipos utilizados en una central de Geotermia.

  • Determinar las condiciones de operación de los equipos utilizados y sus costos.

TABLA DE CONTENIDOS

INTRODUCCION

OBJETIVOS

ANTECEDENTES

MARCO TEORICO

Que es Geotermia

Tipos de recursos Geotérmicos

Sistemas básicos de generación de electricidad

DISEÑO, CALCULO, Y SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS

ESTUDIO FINANCIERO

PLANOS Y ESQUEMAS

TABLA DE RESULTADOS

CONCLUSIONES

BIBLIOGRAFIA

ANEXOS

MARCO TEORICO

Qué es la Energía Geotérmica

La energía geotérmica se produce desde el calor geotérmico en el interior de la tierra que se formó desde la consolidación de polvo y el gas. En el núcleo de la tierra, ubicado a 4,000 millas de profundidad, las temperaturas pueden alcanzar 9,000°F.

El calor del núcleo calienta al manto que lo rodea. Si la temperatura del manto llega a ser lo suficientemente alto, derretirá el manto, y vuelve en magma. Porque magma es menos denso que la roca que lo rodea, y esta tiende lentamente a moverse hacia la superficie de la tierra.

La mayoría del magma, restos, pero a veces toda va a la superficie, donde es conocido como lava. Sin embargo, el magma que permanece calentará el agua y roca. La lava, calienta el agua geotérmica, y esta viajará a la superficie de la tierra, formando géiseres o resortes calientes. Sin embargo, la mayoría de estas estará más adelante en la superficie, atrapado en rupturas y roca porosa. Este recaudo natural de las rocas y agua caliente se llaman los depósitos geotérmicos. Estos depósitos pueden usarse para producir energía geotérmica.

La energía geotérmica, en el sentido ancho, es el calor en la tierra y liberado por la conducción a un flujo promedio de calor de 60 mW/m2.

TIPOS DE RECURSOS GEOTERMICOS

Hay cuatro de formas de recursos geotérmicos que son disponibles para usar como las fuentes de energía. Estos incluyen:

  • Los Fluidos Hidrotérmicos

  • La Roca Seca Caliente

  • Geopressured

  • Magma

La única de estos que se tienen desarrollado para la generación comercial es fluidos hidrotérmicos.

Los Fluidos Hidrotérmico

El agua caliente, los recursos provienen, cuando agua caliente y/o el vapor se forma en la roca fracturada o porosa bajo las profundidades (100m a 4.5km) como resultado del entremetimiento en la costra de magma en el interior de la tierra, o la circulación profunda de agua en una falla o fractura. Con temperaturas desde 180°C a hasta 350°C, son calentados comúnmente por la roca fundida caliente. Los recursos de temperatura mientras

Los recursos alto grado se usan comúnmente para la generación de electricidad, los recursos de grado bajo se usan en aplicaciones de calentadores directos.

Los recursos hidrotérmicos requieren tres que componentes básicos una fuente de calor (magma), una capa conductora del agua freática que contiene agua, y un casquete impermeable para sellar la capa conductora del agua freática.

La energía geotérmica se explota comúnmente perforando en la capa conductora del agua freática, y extrayendo el vapor o la agua caliente.

Geopressured

Los recursos geotérmicos consisten de salmuera caliente con metano, encontrado en grandes capas conductoras de aguas freáticas profundas. El agua y el metano se atrapan en formaciones sedimentarias a una profundidad de 3km-6km. La temperatura del agua está entre 90°C y 200°C. Tres formas de energía pueden obtenerse desde geopressured recursos: la energía térmica, energía hidráulica desde la presión alta y energía química desde quemar el metano.

La Roca Seca Caliente

La roca seca caliente (HDR) es una formación geológica caliente formada del mismo modo del recurso hidrotérmico, pero sin ningún conteniendo de agua. Este recurso es virtualmente ilimitado y es más accesible que los recursos hidrotérmicos.

El concepto para utilizar la energía geotérmica en rocas secas calientes está en crear un depósito geotérmico artificial perforando pozos mellizos profundos en la roca. El agua de la superficie se hace circular a inyección en el depósito creado (el que calienta el agua). Hay mucha potencialidad en esta tecnología, pero aún no sé ha demostrado comercialmente.

Magma

El recurso geotérmico más grande, es la roca fundida encontrada a profundidades de 3km-10km y más profundas, y por lo tanto no fácilmente accesibles. Tiene una temperatura que oscila desde 700 - 1,200 ° C. El recurso no ha se explotado bien hasta la fecha.

producción de Electricidad a partir DE la Energía Geotérmica

Al sacar vapor, calentar o agua caliente desde depósitos geotérmicos, y esta fuerza hace girar el generador de turbina, y producir electricidad. El agua geotérmica usada se devuelve al depósito, mediante inyección, para ser recalentada y para mantener la presión necesaria del depósito.

Hay tres tipos básicos de plantas geotérmicas. El tipo de planta depende de las presiones y temperaturas del depósito.

  • El Vapor Seco

  • Flash steam

  • Ciclo Binario

Vapor Seco.

La Planta usa un depósito de vapor con muy poca agua. El vapor se envía a través de tubos directamente a las turbinas, que manejan un generador eléctrico. Un ejemplo de este tipo de la planta es los Géiseres del Campo en Norteño California.

Geotermia

En este sistema el vapor geotérmico no es mezclado con el agua. Los pozos de producción se perforan abajo de la capa conductora del agua freática, presurizado el vapor (180 ° - 350 ° C) es traído 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. Esto mejora la eficiencia de la turbina y evita los problemas ambientales asociada con el alivio directo de vapor en la atmósfera. El agua no utilizada sé reinyecta en el campo por medio de pozos de reinyección.

El calor que se pierde se ventila mediante torres de enfriamiento, las eficiencias de conversión de energía son más bajas, alrededor 30%. La eficiencia y la economía de las plantas secas de vapor son afectadas por la presencia de gases no condensables tal como hidrógeno, dióxido de carbón y ácido sulfúrico. La presión de estos gases reduce la eficiencia de las turbinas, y además, la remoción de los gases sobre terrenos ambientales agrega al costo de operación.

Flash steam.

Usa un depósito geotérmico constituido de agua a una temperatura entre 300 a 700°F. En este tipo de sistema, el fluido se rocía en un tanque a presión baja, ocasionando que el

fluido rápidamente se evapore. El vapor se usa entonces para mover la turbina. Hay comúnmente algún líquido que permanece en el tanque después de que el fluido se rocía para evaporarse. Si el líquido es lo suficientemente caliente, puede rociarse nuevamente en un segundo tanque para extraer aun más energía. Un ejemplo de este tipo de sistema es el CulEnergy de Marina planta al Coso el Campo Geotérmico.

Este sistema se usa donde el recurso hidrotérmico está en una forma líquida. El fluido se rocía en un tanque de destello, que tiene una presión inferior que la del fluido, ocasionando (o destello) rápidamente la evaporación.

La mayoría del fluido geotérmico no destella, y este fluido sé reinyecta en el depósito. Alternativamente, si el fluido que permanece en el tanque tiene una temperatura suficientemente alta, puede pasarse en un segundo tanque, donde una reducción de presión induce un destellando 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. Típicamente, un 20 - 25% se logra aumentar en el rendimiento, con un 5% aumento en los costos de planta.

Típicamente, varían en el tamaño desde 5 MW a sobre 100 MW. Depende de las características del vapor, el contenido de gas, y presión; entre 6000kg y 9000kg de vapor cada hora se requiere que produzca cada MW de poder eléctrico. Una pequeña planta (menos de 10 MW) requieren que el vapor se ubique adyacente al deposito a fin de reducidos los costos de tubería. El frecuentemente tales unidades no tienen un condensador, y se llaman backpressure unidades. Estos son muy baratos y simples para instalar, pero son ineficientes (típicamente 10-20 tonelada por la hora de vapor para cada MW de electricidad) y tienen impactos ambientales más altos.

Ciclo Binario.

Se utiliza un depósito de agua con temperaturas entre 250 y 360°F. En este tipo de sistema, el agua geotérmica se pasa mediante un intercambiador de calor, donde su calor se transfiere en un segundo líquido, que tiene un punto de ebullición inferior al del agua (isobutano o pentano).

Cuando este líquido binario se calienta, destella al vapor, que hace mover la turbina. El vapor es entonces condensado a líquido y sé rehusa repetidamente. En este sistema no hay emisiones al aire, y es comúnmente el tipo más eficaz en función de los costos de sistema. Un ejemplo de una Planta de Ciclo Binaria es el Gigante Pacífico - LP MP2 y PLES planta al Casa Diablo el campo geotérmico

Se usan donde el recurso geotérmico es insuficiente, o no es muy caliente y es eficientemente producir vapor, o donde el recurso contiene demasiadas impurezas químicas para permitir destellando. Además, el fluido que permanece en el tanque de destello se evapora fácilmente.

Aunque las plantas binarias de que poder sean generalmente más cara para construir que la de vapor, estas tienen varias ventajas: 1) El fluido de trabajo (comúnmente isobutano o isopentano) hierve y los destellos al vapor a una temperatura inferior que la del agua 2) El sistema binario usa el agua de depósito más eficientemente. Desde el agua caliente viaja mediante un sistema enteramente cercano resulta en menos pérdida de calor y casi ninguna pérdida de agua. 3) las plantas Binarias de poder no tienen virtualmente emisiones.

El ciclo binario es entre 7 y 12 % eficiente, dependiendo de la temperatura del fluido primario (geotérmico). La planta Binaria de Ciclo típicamente varía en el tamaño desde 500 kW a 10 MW.

tipos de Sistemas Geotérmicos

Además de usar energía geotérmica para producir electricidad, puede también ser usado para calentar edificaciones. Hay dos categorías básicas

  • sistemas de bucle cerrado

  • sistemas de bucle abierto

Los sistemas de bucle cerrado.

Este sistema extrae el vapor caliente de la tierra y lo hace circular a través del edificio por medio de una tubería y luego es retorna a la tierra, cuando circula el vapor por toda la periferia del edifico le transfiere su calor. Hay tres tipos básicos de sistemas bucle cerrado:

  • El Sistema Vertical de Bucle: Los tubos se entierran verticalmente y traen el fluido que impulsa la bomba geotérmica.

  • El Sistema Horizontal de Bucle: Los tubos se entierran horizontales a una profundidad de 4 a 6 pies y traen el fluido impulsado por la bomba

  • Sistema de bucle con agua: Es igual que los dos anteriores pero además utiliza el agua de algún deposito a manera de intercambiador de calor cuando los vapores son muy calientes.

Los sistemas de bucle abierto tienen una característica muy similar a la del tercer sistema de bucle cerrado, es usa un cuerpo o alberca existente de agua como un intercambiador de calor generando una temperatura constante durante todo el año.

CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS UTILIZADOS

En un Sistema Geotérmico, es necesario usar una Bomba Geotérmica de Calor (GHP). En un GHP circula agua mediante tubos enterrado en un bucle continuo. Estas bombas de calor pueden usarse para calefacción y enfriamiento. Cuando calienta, el calor de la tierra se transferir mediante tubos enterrados en el líquido circulante y entonces transferido en el edificio. Cuando la bomba de calor se usa para enfriar, el fluido continuamente circulante en los tubos absorbe el calor forma el edificio y transfiere lo en la tierra.Las Bombas Geotérmicas de Calor usan muy poca electricidad y tiene un efecto trivial sobre el ambiente.

LAS VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS PLANTAS DE GEOTERMIA

VENTAJAS

  • Las más nuevas plantas geotérmicas emiten únicas 0.3 libras de CO2 por el megavatio hora (MW-HR). El nitrógeno las emisiones de dióxido de sulfuro y óxido son también más bajas en plantas geotérmicas.

  • No requieren grandes extensiones de terreno.

  • Las plantas geotérmicas se diseñan para correr 24 horas al día, y todo el año. También resistentes a las interrupciones de generación de poder

  • La flexibilidad: Las plantas geotérmicas pueden fácilmente expandirse para aumentar la demanda de electricidad.

  • Uno de los puntos mas fuerte de las plantas pequeñas de generación con geotermia es el poder acceder a regiones apartadas donde económicamente no es viable transportar la energía.

DESVENTAJAS

  • El problema primario con la energía geotérmica es el gran gasto que involucra construir las plantas. Comúnmente para desarrollarlas se deben perforar hoyos profundos en roca dura para conseguir la fuente geotérmica. El costo de inversión de la planta esta sobre US$3,000 por kilovatio. En el contraste, una planta de turbina de gas puede costar alrededor US$824 por kilovatio.

  • La ubicación: Hay no muchos lugares donde la energía geotérmica puede usarse como una fuente de poder. Debe haber una cantidad segura de magma y un área de desalojamiento para calentar el agua.

  • Olor: Un problema común con plantas geotérmicas es olor a “huevo podrido” ocasionado por el hidrógeno y el sulfuro del subsuelo. A fin de la cura este problema, se instala un equipo de control, que aumenta los costos de la planta.

  • La Cañería de Equipo: El edificio de una planta geotérmica de poder es un proyecto, con una abundancia de válvulas enormes y especializado ajustes.

  • El uso de Químicos: A veces se deben utilizar químicos para quitarle al fluido geotérmico sustancias que pueden ocasionar corrosión en los equipos. Estos forman un fango tóxico.

PEQUEÑAS PLANTAS DE GENERACION

Una planta pequeña de geotermia se encuentra entre 1-5MW, las cuales pueden trabajar las 24 horas y durante 365 días. Las plantas pequeñas se construyen comúnmente usando un enfoque modular que reduce los costos de construcción de sitio y pueden ponerse adyacente a los pozos para que el proyecto total tenga un impacto ambiental mínimo. La llave al éxito de una planta en pequeña escala de poder geotérmico no es compara la capacidad con la construcción es decir, no utilizarla únicamente para generación electrifica ya que esta puede ser utilizada además para calentar agua y utilizarla como centro de recreación o hoteles y también para contribuir a la comunidad local.

ESTUDIO FINANCIERO

La economía de la extracción geotérmica de energía es altamente variables y amplias.

La Energía Geotérmica Costó para Aplicaciones Directas de uso.

El costo económico de vapor geotérmico y agua caliente para el proceso o el uso directo es dependiente del vapor geotérmico/ la temperatura caliente de agua requerida para la aplicación particular, y la distancia desde los pozos de uso. El costo es también frecuentemente dependiente sobre si el desarrollo geotérmico de uso directo es una facilidad autosuficiente simplemente proveyendo proceso/ calor directo de uso.

Los Costos Indirectos

Los costos indirectos varían significativamente dependiendo de la ubicación del sitio, su accesibilidad, el nivel de infraestructura y otros requerimientos. Los costos indirectos Aproximados se han dado basados sobre tres categorías diferentes de ubicaciones de proyecto.

  • La Ubicación A: es el sitio típico del proyecto en un país desarrollado. La infraestructura está en el lugar, la mano de obra es disponible y el puerto de instalaciones y cerca de una ciudad relativamente importante. Los costos indirectos están sobre 5 - 10% de costos directos.

  • La Ubicación B: Es un sitio típico de un proyecto en área más remota de un país desarrollado, o en un área de una nación en desarrollo donde la infraestructura es buena, hay mano de obra disponible y la nación disfruta de estabilidad política y social. Los costos indirectos están sobre 10-30% de costos directos.

  • La Ubicación C: Es un sitio típico de un proyecto en área más remota de una nación en desarrollo, donde la infraestructura es pobre, la accesibilidad es difícil, mano de obra es escasa y hay el riesgo de inestabilidad política. Los costos indirectos están sobre 30 - 60% de costos directos.

TABLA DE RESULTADOS

Equipo y/o sistema

Condiciones de operación

Parámetros de selección

Fabricante

Costos

Bomba de Geotermia(GHP)

Horas anuales de 365 al año se trabaja 90% 7884 horas

-Caudal

-Cabeza

-NPSH

- Westinghouse

- MItsubishi

- Fiat Avip

-Deumont

-GE

Us$2400

Us$7000

Us$14000

Condensador

365 a 90%

-Temperatura Entrada

-Temperatura Salida

-Area de Transferencia de Caudal

-General Electric

Us$2000

Compresor Centrifugo

365 a 90%

-Presión de Salida

-Caudal

-General Electric

--Faste Wheeler

Us$3000

GHP

365 a 90%

Sistema bucle abierto o cerrado, caudal (ton/min)

US$2,500

US$7,500

Generador

365 a 90%

- Capacidad

- Voltaje

- Velocidad

- PF

- Amperaje

-General Electric

Us$2700

Turbina

365 a 90%

Presión

Temperatura

Siemens

Westinhouse

Elliot

Terry

Us$14000

CONCLUSIONES

  • La bomba geotérmica utilizada, a pesar de tener diseño de alta calidad, es muy costosa y absorbe una cantidad substancial de la energía generada.

  • Se presenta una alta inversión inicial pero un periodo atractivo de amortización, debido a que no presenta costos de combustibles sólidos

  • No se generan emisiones gaseosas tóxicas a la atmósfera

  • Es una forma de generación flexible ya que se puede expandir de acuerdo a los requerimientos de la población.

  • Produce malos olores

  • Existe la incertidumbre de no conseguir la cantidad de recursos proyectados inicialmente, de ahí que el recurso de perforación sea un factor preponderante en el aumento de los costos iniciales

  • Presenta mayor tiempo disponible de trabajo(horas útiles)

  • No necesita combustible de respaldo

  • Los fabricantes tienen generalmente poca experiencia, y hay probabilidades de que se reflejen los altos costos de explotación en altos costos de la planta.

ANTECEDENTES

El adelanto mas espectacular que se logro de la explotación terrestre tubo su primera manifestación cuando príncipe Pireo Ginory promovió por primera vez la generación de energía eléctrica en Lardello en 1904 primero se hicieron intentos de utilizar maquinas de vapor reciprocantes alimentadas con vapor de agua natural pero tuvieron corta vida, debido al intenso ataque químico. Después, se utilizaron como paso inicial intercambiadores de calor para convertir en vapor “limpio” el vapor de agua natural “sucio”, y mas adelante se mejoro la calidad de los materiales usados en la manufactura en las unidades impulsora primarias de manera que pudiera usarse el vapor de agua natural directamente sin incurrir en las perdidas inherentes al uso de los intercambiadores de calor, así fueron superándose gradualmente los problemas químicos.

En 1913 se puso en servicio una estación de fuerza de 200 Kw y de allí en adelante tuvo una expansión continua en cuanto al tamaño y numero de unidades generadoras hasta que en los primeros años de la década de 1940 unos 130 MW en plantas de potencia geotérmica en Toscaza alimentaba el sistema italiano el sistema de ferrocarriles eléctricos. Esta planta, que era en su entonces la única instalación de su clase en el mundo, fue destruida totalmente por la acción enemiga durante la ultima parte de la segunda guerra mundial, pero poco después del retorno de la paz a Italia se inicio su reconstrucción no solo Larderello sino también en varios lugares vecinos en la actualidad hay un complejo de varias plantas geotérmicas con una capacidad instalada total que sobrepasa los 400 MW, y que no esta confinado a Toscana solamente, que alimenta energía a la red integrada de la organización del estado italiano.

Habría de transcurrir alrededor de medio siglo para que otro país siguiera el trabajo del príncipe Contio en la generación de energía geotérmica.

El gobierno de Nueva Zelanda inicio una exploración seria en el área de Wairakei en la isla del norte alrededor de 1950 y, en 1955, decidió en conjunto con el gobierno de Reino Unido emprender un proyecto de doble propósito, químico y de generación eléctrica, que habría de producir agua pesada y 47Mw de energía eléctrica. Mientras la planta estaba en construcción cayo el precio de mercado del agua pesada hasta un nivel al cual no resultaba ya económica su producción, por lo que la instalación se modifico para convertirla en un proyecto de potencia solamente. Mientras tanto, las operaciones de perforación habían comprobado con éxito mucho mas vapor de agua, por lo que el proyecto se construyo por etapas hasta una capacidad instalada total de 192Mw.

California era la siguiente región que había de producir energía geotérmica. Después de un inicio muy modesto, 12Mw en 1960 y un incremento de 14Mw en 1963, el desarrollo se desarrollo rápidamente al comprobarse la existencia de mas vapor. Para 1980 la capacidad total instalada en el campo Géitzer era de 943Mw. Después del gran éxito económico que había demostrado claramente la energía geotérmica en Italia, Nueva Zelanda y
California, siguieron una multitud de desarrollos similares hacia la década de 1960. en 1980 la capacidad total instalada era de 2586Mw en mas de 13 países, y mas o menos 2/3 de esta capacidad se había planteado tentativamente en un total de 24 países. Fue solo hasta 1969 cuando se instalo por primera vez en Namafjall una pequeña unidad geotérmica de 3Mw del tipo sin condensación, Islandia esperaba convertirse en un miembro completamente calificado de la comunidad de naciones generadoras de energía geotérmica, cuando contrato la construcción de la planta de 60Mw eléctricos en Krafla.

BIBLOGRAFIA

AMSTERDAM, Chistopher. Energía Geotérmica. Noriega Editores.

STREETER, L. Victor. Mecánica de fluidos. McGrawHill.

Proyecto Central Geotérmica del Macizo Volcánico del Ruiz. Editorial Central Hidroeléctrica de Caldas.

ECHEVERRY GOMEZ, Ariel. Energía Geotérmica y sus posibilidades en Colombia.

CENGEL, Yunues. Termodinámica. McGrawHill.

www.GE.com

www.geothermal.org