ENERGÍA GEOTÉRMICA Origen (1)

Transcripción

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2 Origen (1) A la energía interna de la Tierra se le denomina energía geotérmica y se la incluye dentro del grupo de energías renovables, ya que la disipación del calor almacenado requeriría el transcurso de millones de años La energía interna de la Tierra procede del calor acumulado en su núcleo durante el proceso de formación del planeta (hace aproximadamente millones de años) y, fundamentalmente, de las radiaciones emitidas por la desintegración atómica de elementos químicos radiactivos (uranio 238, torio 232, potasio 40, etc.) presentes en el interior de la misma. El calor almacenado en el interior de la Tierra es más elevado en el núcleo (alrededor de 7.000ºC) y de menor intensidad en la corteza Sin embargo, en sectores de la corteza terrestre pueden existir masas de material a gran temperatura En estas zonas se dice que existen yacimientos geotérmicos, los cuales, a veces, se manifiestan en la superficie de distintas formas

3 Origen (2) Para representar la estructura interna de la Tierra existen dos modelos: el modelo geoquímico y el modelo dinámico Estos clasifican a la estructura de la Tierra desde la superficie hasta su centro, el cual se encuentra a una profundidad de 6.371km, en función de su composición química y de la rigidez y plasticidad, respectivamente.

4 Origen (3) A nivel global del planeta, a medida que se profundiza en la corteza terrestre, la temperatura suele aumentar aproximadamente 3ºC cada 100m.

5 Origen (4) Emanaciones gaseosas

6 Origen (5) Aguas termales

7 Origen (6) Erupciones volcánicas

8 Origen (7) 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 través de grietas y fracturas, puede alcanzar profundidades de varios cientos o hasta miles de metros. El agua, al encontrar en profundidad lechos de rocas suficientemente porosas, circula a través de los poros de dichas rocas. Esos estratos por los cuales circula agua se conocen como acuíferos. Si el acuífero se encuentra en una zona donde el gradiente hace que el agua alcance una temperatura suficientemente alta se producirá una manifestación hidrotermal que, de acuerdo con las características que presente, se denomina fumarola, solfataras, y géiseres.

9 Origen (8)

10 Potencial (1) Se estima que este recurso energético supone unos 30 millones de Teravatios. Sin embargo, solo es aprovechable una pequeña parte. Muchas áreas del mundo disponen de recursos geotérmicos accesibles, especialmente regiones del denominado Anillo de Fuego, áreas que bordean el Océano Pacífico, zonas de la falla continental y otros puntos calientes

11 Potencial (2)

12 Potencial (3) Para que exista un yacimiento geotérmico, según las investigaciones geológicas, geofísicas y geoquímicas realizadas en una gran cantidad de sistemas geotérmicos, se requiere que se den una serie de circunstancias: Presencia de una fuente de calor. Esta fuente, generalmente, está 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 través de fracturas o rocas permeables, hasta alcanzar la profundidad necesaria para ser calentada por la fuente de calor. También es posible que el agua sea inyectada por el hombre artificialmente desde la superficie. Presencia de un depósito. El volumen de este depósito 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.

13 Potencial (4) Teniendo en cuenta cuestiones relacionadas con la presencia o no de agua, del estado de la misma (líquido, vapor), de las condiciones en que esta se encuentre (alta o baja presión), y de la estructura geológica del yacimiento, éstos pueden clasificarse en: Sistemas hidrotérmicos Sistema geopresurizados Sistemas de roca caliente seca.

14 Potencial (5) Los sistemas hidrotérmicos disponen de agua en su interior, normalmente procedente de deshielos o de la lluvia. Suelen encontrase a profundidades comprendidas entre 1km y 10km. Estos son los únicos sistemas que han superado las etapas de investigación y desarrollo experimental, encontrándose, actualmente, en la etapa de explotación comercial En función de la fase en que se encuentre el agua se clasifican en: Sistemas con predominio de vapor de agua. Sistemas con predominio de agua líquida.

15 Potencial (6) Sistemas hidrotérmicos. Predominio vapor La entalpía (calor termodinámico total del sistema) de los sistemas con predominio de vapor es del orden de 600Kcal/kg. Las temperaturas suelen ser uniformes y estar comprendidas entre 150ºC y 400ºC. Las presiones no suelen superar los 5MPa. Estas características del vapor sobrecalentado seco son apropiadas para que, una vez extraído mediante la perforación de pozos, pueda ser utilizado para la generación de energía eléctrica con un rendimiento aceptable.

16 Potencial (7) Sistemas hidrotérmicos. Predominio agua La entalpía pueden ser: Altas (200Kcal/kg a 400Kcal/kg). Las temperaturas se encontran entre 180ºC y 300ºC. Las presiones no suelen ser superiores a 1MPa. Generalmente, cuando el fluido alcanza la superficie, bien de forma natural (existencia de grietas), o artificial (perforación realizada por el hombre), súbitamente se transforma en vapor, debido a la disminución de la presión durante el ascenso. Las características del vapor de los sistemas de alta entalpía hacen que éstos sean apropiados para generar energía eléctrica. Bajas Con temperaturas menores de 100ºC, el agua que se extraiga en la superficie, por su propia presión o mediante bombeo, tendrá una temperatura inferior a su punto de ebullición, por lo que su aplicación más idónea es el calentamiento de algún fluido (calefacción industrial, urbana y agrícola). Los yacimientos de baja entalpía son muy abundantes y su distribución superficial suele ser regular.

17 Potencial (8) El fluido en los sistemas geopresurizados, generalmente agua líquida, se encuentra sometido a presiones que pueden alcanzar hasta 100MPa. Sin embargo, las temperaturas no suelen ser excesivamente altas (150ºC-250ºC). El agua suele coexistir con gases naturales (metano), lo que dificulta su explotación en la actualidad. En el futuro, cuando se desarrolle una tecnología apropiada para su explotación comercial rentable, será posible utilizar tres fuentes de energía: la hidráulica del fluido (presión) la térmica del fluido (calor) la energía primaria de los gases naturales.

18 Potencial (9) Los sistemas de roca caliente seca se caracterizan por estar constituidos por rocas impermeables, con temperaturas entre 150ºC y 300ºC, y por carecer de acuífero. La impermeabilidad del sistema, su baja conductividad térmica y la carencia de un fluido que lo recorra constituyen el escollo principal para su explotación. De hecho, a pesar de representar estos sistemas un porcentaje muy elevado de los recursos geotérmicos mundiales, aún se encuentran en la etapa de investigación. Cuando se desarrollen técnicas y tecnologías 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, podrá transformase la energía térmica en energía eléctrica con rendimientos que se prevén comprendidos entre el 8% y el 20%.

19 Potencial (10) Para determinar el potencial geotérmico se utilizan una serie de métodos. El procedimiento de partida suele ser, generalmente, el análisis de imágenes obtenidas por satélite y de fotografías aéreas.

20 Potencial (11) También los estudios de vulcanología facilitan la búsqueda de zonas geotérmicas aprovechables, ya que los mismos son buenos indicadores de la existencia de calor interno. Asimismo, la utilización de mapas geológicos y estructurales, las perforaciones para medir el gradiente térmico y extraer rocas para su análisis, los estudios geoquímicos y los estudios geofísicos son técnicas normalmente empleadas.

21 Tecnología (1) Existen diversos tipos de sistemas para el aprovechamiento de fuentes geotérmicas de alta entalpía. Entre éstos se pueden destacar los cuatro siguientes: Sistemas de conversión directa. Sistemas de expansión súbita de una etapa Sistemas de expansión súbita de dos etapas Sistemas de ciclo binario

22 Tecnología (2) Los sistemas de conversión directa se utilizan en aquellos yacimientos hidrotérmicos donde predomina el vapor seco. En este caso, el vapor supercalentado (a 180ºC-185ºC y 0,8MPa-0,9MPa) que llega a la superficie se emplea directamente, después que las partículas sólidas y los gases no condensables hayan sido separados, para accionar una turbina que, gracias a un generador mecánicamente conectado a ella, produce corriente eléctrica. El vapor, una vez pasa por la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. Al agua obtenida en el condensador se la hace pasar por una torre de enfriamiento; una fracción importante del agua que se ha enfriado en la torre se envía al condensador para que sirva de fluido refrigerante y, el resto, se inyecta de nuevo en el acuífero.

23 Tecnología (3) Los sistemas de conversión directa (2)

24 Tecnología (4) Los sistemas de conversión directa (3) El rendimiento termodinámico de este tipo de instalaciones es pequeño, si se los compara con los obtenidos por una central térmica convencional. En general, los sistemas de conversión directa son los más simples, los más comunes y los más atractivos, desde el punto de vista comercial. Como ejemplos de instalaciones de este tipo que actualmente están operativas en el mundo se pueden destacar: La central de Larderello (Italia), de 500 MW de potencia instalada. La central de Matsukawa (Japón), con 20MW instalados. La central de los Géiseres (EE.UU), con 700MW instalados

25 Tecnología (5) Los sistemas de conversión directa (4) La central de los Géiseres (EE.UU), con 700MW instalados.

26 Tecnología (6) Los sistemas de expansión súbita de una etapa se emplean en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el agua líquida. En estos sistemas, el agua puede expansionarse súbitamente durante el ascenso a la superficie o mediante el empleo de un recipiente de expansión, originando que parte del líquido se evapore instantáneamente. El vapor obtenido se expande por una turbina que, acoplada mecánicamente a un generador eléctrico, produce corriente eléctrica. El vapor, una vez que pasa por la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada Parte de esta agua constituye a su vez el fluido de refrigeración, una vez ha sido enfriada en una torre de refrigeración. El resto del agua condensada se inyecta de nuevo en el acuífero.

27 Tecnología (7) Los sistemas de expansión (2)

28 Tecnología (8) Los sistemas de expansión súbita de dos etapas se emplean en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el agua líquida con bajos contenidos de impurezas. Tienen como objetivo mejorar el rendimiento de los sistemas de expansión 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 expansión del agua que llega a la superficie desde el acuífero y en que la turbina dispone de dos cuerpos; un cuerpo que trabaja al alta presión y un cuerpo que trabaja a baja presión. Hay que señalar que los sistemas de dos etapas incrementan el rendimiento de los sistemas de una etapa en casi un 40%, sin embargo, el incremento del rendimiento sería mucho menor si se añadiese una tercera etapa de expansión. Sin embargo, requieren mucho más fluido, para generar una misma potencia, que una planta de conversión directa.

29 Tecnología (9) Los sistemas de expansión súbita de dos etapas (2)

30 Tecnología (10) Los sistemas de expansión súbita de dos etapas (3) Por ejemplo, la central de East Mesa (California), que comenzó a funcionar en 1988, y que utiliza este sistema para generar 37MW de potencia, emplea 10 veces más fluido que una central similar de conversión directa.

31 Tecnología (11) Los sistemas de ciclo binario pueden ser utilizados en los yacimientos hidrotérmicos de entalpía media (100ºC-200ºC), donde predomina el agua líquida. Este tipo de plantas emplean un segundo fluido de trabajo, con un punto de ebullición (a presión atmosférica) inferior al del agua, tales como isopentano, freón, isobutano, etc., los cuales se evaporizan y se usan para accionar la turbina. El líquido extraído del acuífero, una vez ha cedido su calor al fluido de trabajo en el intercambiador de calor, retorna de nuevo al yacimiento. El fluido de trabajo, transformado en vapor recalentado a su paso por el evaporador, se dirige a la turbina con el objeto de accionarla. 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 refrigeración.

32 Tecnología (12) Los sistemas de ciclo binario (2)

33 Tecnología (13) Los sistemas de ciclo binario (3) Varias plantas geotérmicas en el mundo utilizan sistemas de ciclo binario: Wendell-Amadee (California) Fang (Tailandia) Soda Lake (Nevada) Los Soda Lake (Nevada)

34 Tecnología (14) Independientemente del tipo de sistema utilizado en las centrales geotérmicas, los componentes fundamentales de todas ellas son los siguientes: Evaporadores y condensadores. Turbinas y generadores. Tuberías y bombas. Torres de enfriamiento.

35 Tecnología (15) Evaporadores y condensadores (1) Con excepción de los sistemas de ciclo binario, la mayoría de los condensadores que se emplean en los sistemas geotérmicos son de los denominados de contacto directo. En este tipo de intercambiadores la condensación es muy efectiva. El vapor se mezcla con el agua de refrigeración, por lo que a la salida existe un único fluido, agua líquida saturada. Los condensadores empleados en los sistemas de ciclo binario suelen ser del tipo placa. El fluido de trabajo pasa por muchas superficies de placas de metal, transfiriendo el calor al agua de refrigeración que circula a través de las otras caras de cada placa.

36 Tecnología (16) Evaporadores y condensadores (2)

37 Tecnología (17) Las turbinas son las máquinas encargadas de convertir la energía almacenada en el vapor en energía mecánica de rotación. Pueden emplearse turbinas de vapor simples y de costes relativamente bajos o turbinas de vapor de múltiples etapas.

38 Tecnología (18) Para refrigerar los condensadores se emplean torres de enfriamiento. En dichas torres el flujo caliente (el agua) se enfría mezclándolo directamente con el fluido frío (el aire). El proceso de transferencia de calor tiene lugar por convección y vaporización al pulverizar el agua o dejarla caer en una corriente (tiro) inducida de aire. Mediante el empleo de torres de enfriamiento el calor procedente del proceso se desecha en la atmósfera en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano.

39 Tecnología (19) Torres de enfriamiento (2)

40 Tecnología (20) Cuando los yacimientos geotérmicos son de baja entalpía el calor se suele explotar directamente, es decir, sin convertirlo en otro tipo de energía. Entre las distintas aplicaciones directas del calor extraído de las fuentes geotérmicas pueden señalarse: Los balnearios Los invernaderos La calefacción doméstica centralizada, usos industriales, etc.

41 Tecnología (21) Los balnearios Los invernaderos La calefacción doméstica centralizada,

42 Tecnología (22) La tecnología de este tipo de explotaciones precisa de la existencia de dos perforaciones y dos estaciones de bombeo; una para la extracción del agua caliente y otra para la inyección del agua, una vez ha transmitido su calor. Asimismo, se requiere de un intercambiador de calor a la salida de la tubería de extracción, que permita ceder el calor del fluido geotérmico al agua que, a través de una red de tuberías, se transporte hasta el consumidor. Debido a las pérdidas de calor que se originan durante el transporte del agua, los centros de consumo del agua caliente no deben estar ubicados en zonas alejadas del yacimiento geotérmico que se esté explotando

43 Costes La viabilidad comercial de las plantas geotérmicas de generación eléctrica depende de los costos del terreno, de los costes de las perforaciones, de los costes de las instalaciones, de los costos de operación y mantenimiento, de la cantidad de energía generada y del valor de mercado de la energía. Sin embargo, debido a que las plantas geotérmicas requieren de grandes inversiones de capital al comienzo del proyecto, normalmente están en desventaja frente a las plantas térmicas convencionales Las plantas térmicas alimentadas de combustibles fósiles tienen menores costes de capital, pero, a diferencia de las plantas geotérmicas, los costes del combustible se mantienen durante toda la vida de la planta.

44 Impacto ambiental Este tipo de energía presenta un cierto impacto medioambiental en el entorno, causado por las emisiones gaseosas y líquidas y por el impacto visual. Durante la fase de exploración, perforación y construcción se pueden producir impactos. La construcción de caminos de acceso pueden ocasionar la destrucción de bosques o áreas naturales, mientras que la perforación de pozos y la construcción de la planta pueden producir perturbaciones en el ecosistema: ruidos, polvos, humos y posible erosión del suelo. Durante la fase de operación se suelen generar vertidos gaseosos a la atmósfera. Estos suelen tener baja incidencia en el entorno y están formados por gases no condensables que son arrastrados por el vapor. La contaminación de las aguas superficiales y subterráneas puede producirse por el vertido o acumulación de fluidos geotérmicos contaminantes.

45 Situación actual Actualmente, muchos países cuentan con centrales geotérmicas que, de una forma u otra, aprovechan este tipo de energía. Dicha energía es considerada como una fuente renovable, limpia, fiable, casi ilimitada, invulnerable a las sequías y con bajo nivel de contaminación, por lo que se ha convertido, en algunos lugares, en una alternativa a la energía térmica convencional o a la nuclear. De los casi 8.500MW de potencia geotérmica instalada, destacan países como Estados Unidos (2.700MW), Filipinas (2.000MW), Japón (1.000MW), Italia (430MW), Francia (330MW), a los que hay que sumar Nueva Zelanda, México, Indonesia, Austria, Alemania, Grecia, Portugal, Suecia, etc. Se estima que en el 2005, se alcancen los MW en todo el mundo.