UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE RECURSOS GEOTÉRMICOS NACIONALES ESPECÍFICOS MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO RODRIGO IGNACIO MARIPANGUI GONZÁLEZ PROFESOR GUÍA: ÁLVARO VALENCIA MUSALEM MIEMBROS DE LA COMISIÓN: DIEGO MORATA CESPEDES WILLIAMS CALDERÓN MUÑOZ SANTIAGO DE CHILE 2015
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CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE RECURSOS ...
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UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE
RECURSOS GEOTÉRMICOS NACIONALES ESPECÍFICOS
MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO
RODRIGO IGNACIO MARIPANGUI GONZÁLEZ
PROFESOR GUÍA:
ÁLVARO VALENCIA MUSALEM
MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
DIEGO MORATA CESPEDES
WILLIAMS CALDERÓN MUÑOZ
SANTIAGO DE CHILE
2015
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RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR
AL TÍTULO DE: Ingeniero Civil Mecánico
POR: Rodrigo Maripangui González
FECHA: 28/01/2015
PROFESOR GUÍA: Álvaro Valencia
CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE RECURSOS
GEOTÉRMICOS NACIONALES ESPECÍFICOS
Actualmente gas, carbón y petróleo abastecen tres cuartos de la demanda energética mundial, lo
cual muestra la gran dependencia de los combustibles fósiles que tiene la humanidad; esto
sumado a la sobreexplotación de los recursos naturales provoca distintos tipos de contaminación,
tanto local (material particulado, compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono) como
global (efecto invernadero, lluvia ácida, contaminación de suelo y agua).
Lo anterior, junto al agotamiento del petróleo, motiva la búsqueda de nuevas formas de energía
como lo son las renovables no convencionales.
El presente estudio trata sobre un tipo de energía renovable en particular: la energía geotérmica.
El objetivo es desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de 16 recursos
geotérmicos nacionales de alta entalpía (datos brindados por el Centro de Excelencia en
Geotermia de Los Andes) junto a la potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de
evaluar cada yacimiento en 6 o 7 ciclos termodinámicos distintos dependiendo de cada caso.
Para comenzar, se exponen conceptos básicos sobre geotermia y se contextualiza sobre la
situación actual a nivel país. Luego se entrega una breve descripción de los 16 yacimientos
geotérmicos considerados en este estudio continuando con la interiorización sobre distintos
métodos para el aprovechamiento de la energía geotérmica, los que pueden ser por conversión
directa, por expansión súbita de una etapa, expansión súbita de dos etapas, sistemas binarios o
por medio de ciclos combinados. La utilización de cada uno de ellos depende netamente del tipo
de recurso (alta o media entalpía).
A continuación se describen los ciclos termodinámicos seleccionados que se utilizan para la
evaluación de los distintos recursos. Estos son programados en EES, software especializado en
ciclos termodinámicos que permite, a través de variables independientes, maximizar una variable
dependiente. En este caso se maximiza la potencia neta y/o el trabajo específico neto
dependiendo de los datos de cada yacimiento.
Después se muestra la validación de los ciclos termodinámicos y de la torre de enfriamiento
seguido por la metodología donde se explican los criterios utilizados en la evaluación
termodinámica y en la económica.
La siguiente sección da cuenta de los resultados obtenidos donde se detalla el comportamiento de
los distintos ciclos programados para cada yacimiento y se muestra la evaluación económica para
cada recurso. De esta última se desprende que hay cuatro proyectos atractivos económicamente
para entregar energía a los sistemas interconectados: Sierra Nevada, Apacheta, Puchuldiza y
Tolhuaca. Por otro lado Surire e Irruputuncu pueden ser atractivos para la industria minera. Por
último se encuentra el mapa geográfico que indica la ubicación de cada yacimiento junto a la
potencia y/o trabajo específico máximo obtenible.
ii
“Caminante, no hay camino,
se hace camino al andar”
iii
Agradecimientos
Llegando al final del recorrido de este largo camino, miro hacia atrás y agradezco a todas las
personas que fueron parte de él. En primer lugar agradezco a mis padres que, gracias al esfuerzo
que han realizado toda su vida, pudieron darme la oportunidad de estudiar. Mi padre, un hombre
de trabajo que ha dedicado su vida a la familia y mi madre, la mujer más fuerte que he conocido y
que ha sabido llevar la vida con mucha sabiduría.
Agradezco a mis hermanos y hermanas, José, Loreto, Natalia, Cristian y César, que siempre han
estado apoyándome incluso en los momentos más difíciles durante este proceso.
Le doy gracias a todos mis amigos y amigas que, de una u otra forma, han contribuido en mi
evolución al mostrarme distintas maneras de ver la vida.
Agradezco a la música, mi vía rápida de escape frente a penas y amarguras y también responsable
de momentos muy felices. Obviamente dar gracias a Tesito Frío: grupo de personas responsables
de momentos muy gratos los últimos dos años.
Doy gracias a los miembros de la comisión por darme la oportunidad de desarrollar este estudio.
En particular al profesor Álvaro Valencia que me entregó las herramientas necesarias para
comprender la termodinámica y me dio su apoyo, paciencia y sabiduría; al profesor Diego
Morata, por haber brindado todo lo que estaba al alcance de sus manos para que desarrollara esta
memoria y, por último, al profesor Williams Calderón, que fue parte importante en mi formación
académica.
Agradezco a José Matamala, quien realizó el estudio que antecede el presente y me dio su apoyo
durante todo este proceso.
Por último agradezco al Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA), que brindó
conocimiento, datos y apoyo durante para la realización de este trabajo, particularmente al
profesor Diego Morata, a Mauricio Muñoz y a Diego Aravena. Sin ellos este estudio no se podría
haber realizado.
Este trabajo se realizó gracias al apoyo del proyecto Fondap Conicyt #15090013 “Centro de
Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA)”.
iv
Tabla de contenido 1.-Introducción. ............................................................................................................................... 1
Anexo A: Ciclo Simple Flash programado en EES .......................................................................... i
Anexo B: Ciclo Doble Flash programado en EES ......................................................................... iii
Anexo C: Ciclo Rankine orgánico programado en EES................................................................. vi
Anexo D: Ciclo Rankine orgánico regenerativo programado en EES ......................................... viii
Anexo E: Ciclo Kalina programado en EES ................................................................................... x
Anexo F: Ciclo expansión súbita combinado programado en EES ............................................... xii
Anexo G: Ciclo doble expansión súbita combinado programado en EES .................................... xv
Anexo H: Torre de enfriamiento programada en EES ................................................................. xix
vi
Índice de tablas
Tabla 1. Resumen recurso Apacheta. ............................................................................................ 15 Tabla 2. Resumen recurso El Tatio. .............................................................................................. 16
Tabla 3. Parámetros ciclo Kalina. .................................................................................................. 50 Tabla 4. Potencia. .......................................................................................................................... 50 Tabla 5. Parámetros ciclo Rankine orgánico. ................................................................................ 51 Tabla 6. Supuestos realizados. ....................................................................................................... 51 Tabla 7. Resultados obtenidos y datos referenciales. .................................................................... 51
Tabla 8. Error Validación. ............................................................................................................. 51 Tabla 9. Parámetros ciclo Rankine orgánico regenerativo. ........................................................... 52 Tabla 10. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 52 Tabla 11. Potencias obtenidas y referenciales. .............................................................................. 52
Tabla 12.Parámetros ciclo de expansión súbita de una etapa. ....................................................... 53 Tabla 13. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 53
Tabla 14. Potencias resultantes y referenciales. ............................................................................ 53 Tabla 15. Error validación. ............................................................................................................ 53 Tabla 16. Parámetros ciclo de doble expansión súbita. ................................................................. 54
Tabla 17. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 54 Tabla 18. Potencia neta obtenida y referencial. ............................................................................. 54
Tabla 19. Parámetros ciclo de expansión súbita combinado. ........................................................ 55 Tabla 20. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 55 Tabla 21. Datos ingresados primer caso. ....................................................................................... 56
Tabla 22. Potencia obtenida y referencial. .................................................................................... 56 Tabla 23. Datos ingresados segundo caso. .................................................................................... 56
Tabla 24. Potencia obtenida y referencial. .................................................................................... 56 Tabla 25. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 60
Tabla 26. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 62 Tabla 27. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 63
Tabla 28. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 65 Tabla 29. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 66 Tabla 30. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 67
Tabla 31. Potencias netas según cada configuración termodinámica. ........................................... 69 Tabla 32. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 70 Tabla 33. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 72 Tabla 34. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 73 Tabla 35. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 74 Tabla 36. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 75
Tabla 37. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 76 Tabla 38. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 77 Tabla 39. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 78
Tabla 40. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 79 Tabla 41. Indicadores financieros por yacimiento......................................................................... 80 Tabla 42. Indicadores económicos en yacimiento Apacheta. ........................................................ 82 Tabla 43. Trabajos específicos obtenibles con distintos títulos de vapor. ..................................... 82 Tabla 44. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0. ...... 83 Tabla 45. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0,18. . 84 Tabla 46. Trabajos específicos obtenibles con distintos títulos de vapor. ..................................... 85
vii
Tabla 47. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0. ...... 85 Tabla 48. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0,18. . 86
viii
Índice de figuras
Figura 1. Mapa mundial con las placas tectónicas [3]. .................................................................... 4 Figura 2. Sistema geotérmico estándar [4]. ..................................................................................... 5
Figura 3. Concesiones geotérmicas por área, Noviembre 2013 (Ministerio de energía) [6]. .......... 9 Figura 4. Ubicación yacimiento geotérmico Tacora. ...................................................................... 9 Figura 5. Ubicación yacimiento geotérmico Colpitas. .................................................................. 10 Figura 6. Ubicación yacimiento geotérmico Surire. ...................................................................... 11 Figura 7. Ubicación yacimiento geotérmico Puchuldiza. .............................................................. 12
Figura 8. Ubicación yacimiento geotérmico Pampa Lirima. ......................................................... 13 Figura 9. Ubicación yacimiento geotérmico Irruputuncu. ............................................................. 14 Figura 10. Ubicación yacimiento geotérmico Apacheta. .............................................................. 15 Figura 11. Ubicación yacimiento geotérmico El Tatio.................................................................. 16
Figura 12. Ubicación yacimiento geotérmico La Torta. ................................................................ 17 Figura 13. Ubicación yacimiento geotérmico Juncalito. ............................................................... 18
Figura 14. Ubicación yacimiento geotérmico Tinguiririca. .......................................................... 19 Figura 15. Ubicación yacimiento geotérmico Laguna del Maule. ................................................ 20 Figura 16. Ubicación yacimiento geotérmico Nevados de Chillán. .............................................. 21
Figura 17. Ubicación yacimiento geotérmico Tolhuaca. ............................................................... 22 Figura 18. Ubicación yacimiento geotérmico Sierra Nevada. ....................................................... 23
Figura 19. Ubicación yacimiento geotérmico Cordón Caulle. ...................................................... 24
Figura 20.Sistema de conversión directa [8]. ................................................................................ 25 Figura 21. Sistemas de conversión por evaporación súbita [8]. .................................................... 26
Figura 22. Sistema de expansión súbita de dos etapas [8]. ........................................................... 27 Figura 23. Sistema Rankine orgánico [8]. ..................................................................................... 28
Figura 24. Sistema Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia]..................................... 29 Figura 25. Ciclo Kalina [Elaboración propia]. .............................................................................. 30
Figura 26. Ciclo combinado [9]. .................................................................................................... 31 Figura 27. Diagrama T-s, Central de Expansión Súbita [8]. ......................................................... 32
Figura 28. Diagrama T-s, central de doble expansión súbita [8]. .................................................. 34 Figura 29. Diagrama T-s, Ciclo Rankine orgánico [Elaboración propia]. .................................... 37 Figura 30. Diagrama T-S, Ciclo Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia]. ............... 38
Figura 31. DiagramaT-s, Ciclo Kalina [Elaboración propia]. ....................................................... 40 Figura 32. Diagrama T-s , Ciclo de expansión súbita combinado [Elaboración propia]. ............. 43
Figura 33. Diagrama T-s , Ciclo de doble expansión súbita combinado [Elaboración propia]. ... 45 Figura 34. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 61 Figura 35. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 62 Figura 36. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 64
Figura 37. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 65 Figura 38. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 66 Figura 39. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 68
Figura 40. Potencias netas según cada configuración termodinámica. ......................................... 69 Figura 41. Potencia neta según cada configuración termodinámica. ............................................ 71 Figura 42. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 72 Figura 43. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 73 Figura 44. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 74 Figura 45. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 75 Figura 46. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 76
ix
Figura 47. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 77 Figura 48. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 78
Figura 49. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 79 Figura 50. TIR v/s Potencia. .......................................................................................................... 81 Figura 51. Gráfico Costo de la energía por yacimiento. ................................................................ 81
Figura 52. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0. .................................................. 83 Figura 53. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0,18. ............................................. 84 Figura 54. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0. .................................................. 85 Figura 55. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0,18. ............................................. 86
x
Simbología
FG: Fluido geotérmico
T:Temperatura
P: Presión
IC: Intercambiador de calor
T_pp: Mínima diferencia de temperatura
t: turbina
g: generador
b: bomba de agua
sim: Simulación
ref: Referencia
1
1.-Introducción.
1.1.-Introducción.
El desarrollo industrial y el consumo energético de la población han generado un aumento
significativo de la demanda energía haciendo necesario el aumento de oferta energética y,
particularmente, eléctrica.
Actualmente gran parte de la energía generada tiene como materia prima combustibles fósiles,
generando gases de efecto invernadero y, por lo tanto, aumentando la temperatura del planeta [1].
Es por esto que se hace necesario buscar abastecimiento energético en un recurso que sea seguro,
que tenga el menor impacto ambiental posible y que sea competitivo en el mercado.
La geotermia es un tipo de energía considerada limpia ya que la emisión de gases contaminantes
es considerablemente menor a las plantas de gas, carbón y diesel y tiene un alto factor de planta
(95%) [2], comparable con una central nuclear.
Dentro del contexto nacional, Chile pertenece al Cinturón de Fuego del Pacífico por lo que las
condiciones geológicas favorecen a este tipo de energía, llegando a un potencial eléctrico entre
3.500 MW [ENAP] y 16.000 MW [Lahsen, 1988].
Es por esto que en conjunto con el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA) se
realiza un estudio termodinámico para 16 yacimientos geotérmicos nacionales con el fin de
determinar los ciclos térmicos adecuados que maximicen la potencia y/o trabajo específico
obtenible y, de esta manera, obtener un mayor aprovechamiento de la energía geotérmica en el
país.
1.2.-Objetivos.
1.2.1.-Objetivo general:
Desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de los 16 recursos geotérmicos
nacionales brindados por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes junto a la
potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de evaluar cada yacimiento en
distintos ciclos termodinámicos.
1.2.2.-Objetivos específicos:
Investigar el estado del arte de la geotermia y de las tecnologías disponibles para recursos
de media y alta entalpía tanto a nivel país como resto del mundo.
Obtener datos actuales de recursos geotérmicos nacionales de media y alta entalpía.
Utilizar ciclos termodinámicos programados en el software EES en estudios previos
realizados en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile
2
Programar ciclos termodinámicos adicionales en el software EES e implementar torre de
enfriamiento.
Evaluar cada recurso geotérmico en los distintos ciclos térmicos programados en EES que
se adecuen a la naturaleza del reservorio.
Determinar la configuración termodinámica que maximice la potencia y/o trabajo
específico de cada ciclo termodinámico.
Realizar una evaluación económica preliminar para definir viabilidad de la explotación de
los yacimientos.
1.3.-Alcances.
El estudio se realiza con datos de yacimientos geotérmicos entregados por el Centro de
Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA).
Tanto la potencia como el trabajo específico se calculan en función de las condiciones
nominales de operación.
Las eficiencias y propiedades de equipos e insumos necesarios para cada ciclo
termodinámico están consideradas según indicaciones de proveedores y/o bibliografía.
3
2.-Antecedentes.
2.1.-¿Qué es geotermia?
Geotermia viene del griego geo (Tierra) y thermos (calor); literalmente “calor de la Tierra”, por
lo que la energía geotérmica es la que está contenida dentro de la tierra, en el subsuelo, generando
fenómenos geológicos. Su uso se remonta a la antigüedad, donde diversos pueblos utilizaban esas
fuentes como fuentes de calor para tiempos fríos, baños medicinales, cocer sus alimentos, etc.
Este tipo de energía es considerada una energía limpia ya que la emisión de gases contaminantes
es considerablemente menor a plantas de gas, carbón y diésel.
Es posible observar manifestaciones de la energía de la tierra como el aumento de temperatura a
medida que aumenta la profundidad de la corteza terrestre hasta manifestaciones a gran escala
como son los volcanes y fuentes termales, implicando un gradiente de temperatura considerable
en la profundidad de la corteza terrestre. En general el gradiente geotérmico promedio de la tierra
es cercano a los 30°C/Km, pero en algunos lugares el gradiente es considerablemente mayor,
llegando a obtener en algunos casos más de 10 veces el gradiente geotérmico promedio mundial,
facilitando el acceso y disminuyendo la profundidad de las perforaciones.
El flujo de energía terrestre hacia la corteza se genera por la diferencia de calor entre las zonas
calientes (En la profundidad) y las zonas frías (Superficie). Este tiene un valor promedio de 65
mW/m2 en los continentes y 101 mW/m2 en los océanos. Considerando esto se obtiene que el
flujo calórico promedio mundial es 87 mW/m2, el cual puede aumentar considerablemente en
algunas regiones particulares.
La energía interna de la tierra se debe principalmente a su calor inherente e interno y a la
presencia de isotopos radiactivos de Uranio, Torio y Potasio en la corteza. La energía se transmite
desde el núcleo al manto. El núcleo llega a alcanzar los 7000 °C mientas que la base del manto se
encuentra a una temperatura del orden de 4000 °C. Según la teoría de la Tectónica Global de
Placas es que, debido a esta alta temperatura, en la astenósfera se generan celdas de convección
que permiten el ascenso de rocas calientes y livianas que se encuentran a un nivel más profundo
mientras que las rocas más densas y frías que se encuentran más cercanas a la superficie tienden a
descender, manteniendo el flujo convectivo y causando el movimiento de las placas, lo que
traería consigo la actividad sísmica, volcánica y las fuentes termales. Estas celdas de convección
originan las seis placas litosféricas principales; a las dorsales oceánicas (la actividad volcánica
genera corteza), fallas transcurrentes y a las zonas de subducción (donde es consumido el
material litosférico) (Figura 1).
4
Figura 1. Mapa mundial con las placas tectónicas [3].
2.2.-Sistemas de recursos geotérmicos.
Como se mencionó anteriormente el gradiente de temperatura da cuenta de la temperatura a
encontrar en una región dependiendo de la profundidad de la perforación. Tanto para un sistema
de baja como para uno de alta entalpía la convección de fluidos tiene un rol fundamental ya que
es la encargada de dar movimiento al sistema. Es decir, en la base del sistema el fluido se calienta
y expande, disminuyendo su densidad y ascendiendo, dando espacio a fluidos que provienen de
los márgenes del sistema y se encuentran a menor temperatura y, por lo tanto, mayor densidad,
los que descienden hacia la base del sistema. Para que esto ocurra, normalmente un sistema
geotérmico (figura 2) debe estar conformado básicamente por:
Presencia de fuente de calor: Usualmente consiste en un cuerpo de magma a alta temperatura
(600°C a 900°C) que entrega energía a las rocas adyacentes. Debe tener una profundidad
razonable; menor a 10 km
Agua: Es necesario que el agua, sea superficial o meteórica, pueda infiltrarse hasta llegar a una
profundidad que permita aumentar su temperatura y entalpía para luego comenzar con el régimen
convectivo.
Reservorio: Corresponde al volumen del yacimiento, es decir, al volumen de rocas permeables
que almacenan el fluido en estado líquido o gaseoso. Se debe encontrar a una profundidad
accesible mediante perforaciones.
5
Cubierta impermeable: Se encarga mantener los fluidos en el sistema ya que impiden el escape
de estos gracias a su baja permeabilidad. En general está conformada por rocas arcillosas o
precipitación de sales de las fuentes termales.
Figura 2. Sistema geotérmico estándar [4].
2.3.-Tipos de sistemas geotérmicos.
Estos dependen principalmente de los 4 puntos mencionados en la sección anterior, es decir, de la
fuente de calor, la entalpía del fluido, de la recarga de agua y de la geología local del sistema. Se
clasifican en:
Sistemas de agua caliente: Son reservas de baja entalpía donde el agua tiene una temperatura
entre 30°C y 100°C.
Sistemas de agua-vapor o agua dominante: Son sistemas con media y alta entalpía. Contienen
agua a temperaturas superiores a los 100 °C llegando hasta los 350 °C (Cerro Prieto, México). Se
encuentran bajo presión, permitiendo que el agua se encuentre en estado líquido incluso cuando
su temperatura supera los 100 °C. Actualmente es el tipo de sistema geotérmico más explotado.
Sistemas de vapor seco o de vapor dominante: En este tipo de sistema la separación de la fase
gaseosa de produce dentro del reservorio, entregando vapor saturado o sobrecalentado. Debido a
la naturaleza del fenómeno, son sistemas poco comunes.
Sistemas de rocas secas calientes: Consisten en regiones con un alto flujo energético que,
debido a la impermeabilidad no tienen circulación de agua dificultando la transferencia de calor
6
hacia la superficie. Actualmente se trabaja en permeabilizar artificialmente el reservorio para
poder aprovechar esta fuente de calor.
2.4.-Exploración de recursos geotérmicos.
La exploración es necesaria para determinar la presencia de un posible sistema geotérmico
utilizable, sus características (potencial, temperaturas, entalpía, presión, etc.), ubicar las áreas de
producción y determinar los parámetros económicos y ambientales de una futura explotación.
Para esto se utilizan distintos métodos de exploración:
Estudios Geológicos e Hidrogeológicos.
Todos los programas de exploración comienzan con estos estudios, ya que identifican la
ubicación y área a estudiar con mayor detalle y recomienda métodos de exploración adecuados
para la zona seleccionada. La información obtenida en este estudio es útil para la interpretación
de datos obtenidos con otros métodos de exploración, elaborar un modelo del sistema geotermal y
evaluar el potencial del recurso.
Prospecciones geoquímicas.
Están enfocadas en el estudio de los fluidos geotermales (líquido, vapor, y gas) y juegan un rol
importante en todas las etapas del desarrollo geotérmico.
Permite inferir las características de los fluidos del reservorio, determinar la temperatura mínima
esperada en profundidad y la fuente de recarga del agua.
También entrega información acerca de posibles problemas durante la etapa de re-inyección;
como asimismo acerca de posibles cambios en la composición del fluido, corrosión e incrustación
en los ductos y en los equipos de la planta, impacto ambiental y la forma de cómo evitarlos o
aminorarlos. Los estudios geoquímicos proporcionan datos útiles para planificar la exploración y
sus costos son relativamente bajos en comparación con otros métodos exploratorios más
sofisticados.
Prospecciones geofísicas.
Su objetivo es obtener distintos parámetros físicos como: Temperatura, conductividad eléctrica,
velocidad de propagación de ondas elásticas, densidad y susceptibilidad magnética a través de
prospecciones térmicas, métodos eléctricos y electromagnéticos, prospecciones sísmicas,
prospecciones gravimétricas y prospecciones magnéticas respectivamente. Particularmente, las
técnicas termales pueden proporcionar una buena aproximación acerca de la temperatura en el
techo del reservorio.
Perforación de pozos exploratorios.
Es la etapa final del programa de exploración geotérmica y permite determinar las características
reales de un reservorio para luego determinar el potencial. De esta manera se pueden verificar
7
todas las hipótesis y los modelos elaborados a partir de los resultados de las exploraciones de
superficie iniciales y, por último, determinar si el reservorio es productivo.
2.5.-Recurso.
El tipo de recurso depende de la temperatura. Se clasifica en los siguientes sub grupos [5]:
Alta entalpía: Para temperaturas mayores que 150 °C. Una temperatura superior a 150 °C
permite transformar directamente el vapor de agua en energía eléctrica.
Media entalpía: La temperatura se encuentra entre 90°C y 150 °C. Permite producir
energía eléctrica utilizando un fluido de intercambio, que es el que alimenta a las
centrales.
Baja entalpía: La temperatura del recurso es menor a 90 °C. Su contenido en calor es
insuficiente para producir energía eléctrica, pero es adecuado para calefacción y
determinados procesos industriales y agrícolas.
2.6.-Aplicaciones.
Las aplicaciones de este tipo de energía pueden ser térmicas o eléctricas, pero dependen del
recurso disponible.
Las aplicaciones térmicas son comunes en fuentes de baja y media entalpía. En general apuntan a
sectores industriales, servicios y residencia.
Sectores industriales: En procesos donde es necesario el aporte de calor, vapor, etc.
Residencia: La energía es usada para calentar agua potable sanitaria.
Climatización: El subsuelo contiene temperaturas constantes en el año debido a la inercia
térmica de la tierra. La temperatura aumenta con la profundidad, pero a 10 metros bajo el
suelo es posible encontrar temperaturas del orden de 17ºC. Se puede obtener energía
utilizando bombas de calor para calefacción durante el invierno o refrigeración durante el
verano.
Las aplicaciones eléctricas son algunas de las posibles opciones que tienen las fuentes de alta y
media entalpía que, por medio de ciclos térmicos, permiten la generación de potencia. Para esto
se han desarrollado distintas configuraciones de ciclos termodinámicos que van desde unos
cientos de kW hasta proyectos de mayor capacidad. Sin embargo los costos de perforación hacen
viables sólo grandes proyectos.
La generación de potencia por medio de recursos geotérmicos tiene un alto factor de planta.
Normalmente está en un rango desde 80% hasta 95% (ETSAP, 2010). En términos generales las
tecnologías empleadas son de alta eficiencia en el caso de generación de energía geotérmica, con
un rango entre 40% y 65% para generación térmica y entre 10% y 18% para generación de
electricidad. [CEC, 2009]. Los costos de inversión dependen del tamaño de la instalación y de la
temperatura que se pueda obtener del recurso geotérmico.
Las principales barreras son la escasa identificación y catastro de las fuentes disponibles, el alto
costo de inversión, sus altos riesgos de exploración y desarrollo y la escasa cultura local en
geotermia.
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2.7.-Geotermia en chile.
Chile es un país de gran actividad volcánica ya que pertenece al cinturón de fuego del Pacífico.
Es por esto que el potencial geotérmico utilizable en ciclos de potencia es enorme, llegando a los
16.000 MW por al menos 50 años en recursos de alta entalpía a profundidades inferiores a 3.000
m (Lahsen, 1986). Por otro lado, estudios de mercado indican un potencial entre 810 y 3150 MW
para el año 2021 (Comisión asesora para el desarrollo eléctrico (CADE), 2011), el que seguirá
aumentando con el tiempo, ya que el año 2013 el Comité Técnico de la Plataforma de Escenarios
Energéticos Chile 2013 estimó que la capacidad de instalación de energía geotérmica para el año
2030 estaba entre 1750 y 5200 MW.
La primera exploración en el país tomo lugar en el norte de Chile el año 1907 en un campo de
géiseres. En 1920 se realizó el primer programa de exploración en Antofagasta y , después de 48
años (1968), comenzaron las exploraciones geotérmicas de una manera más sistemática a través
de un convenio entre el Gobierno de Chile y el PNUD, donde se creó el Comité para el
Aprovechamiento de la Energía Geotérmica, cuya función fue “programar, dirigir y realizar
investigaciones y trabajos en las zonas que existan recursos geotérmicos, encaminados a
establecer las posibilidades más adecuadas de explotación de los mismos”.
La primera ley que regulaba la energía geotérmica fue promulgada el año 2000 pero demoró 4
años para que las normas de procedimiento para la aplicación de la ley se publicaran. Ésta
promovía la exploración y explotación de los recursos geotérmicos para el sector privado,
otorgando concesiones de exploración y explotación. El año 2013 se realizaron mejoras en las
reglas de procedimiento que agilizaron el proceso de concesión y otorgaron a las empresas un
mayor plazo sobre los derechos de desarrollo.
En el norte y centro-sur de Chile existe una cantidad considerable de recursos geotérmicos con
temperatura adecuada para el desarrollo geotérmico (200°-250°C) que podrían ser utilizados para
la generación de electricidad. La llegada del gas natural retrasó el desarrollo de diferentes
proyectos debido a su bajo costo. Sin embargo, las condiciones actuales de racionamiento de gas
por parte de Argentina han vuelto a encender las alarmas con respecto a la diversificación y el
avance de proyectos geotérmicos en el norte del país.
Las exploraciones toman lugar mayoritariamente en las zonas volcánicas del norte de chile,
donde hay cerca de 90 áreas térmicas y sobre 47 concesiones de exploración. En las zonas
volcánicas del centro-sur hay sobre 200 áreas geotermales (Lahsen et al., 2010) y sobre 32
concesiones de exploración. La figura 3 muestra las concesiones geotermales en el país en
noviembre del año 2013 (Ministerio de energía), las que se han mantenido intactas hasta junio del
2014 ya que no se han publicado concesiones de exploración ni explotación hasta esa fecha
(fuente: SERNAGEOMIN).
9
Figura 3. Concesiones geotérmicas por área, Noviembre 2013 (Ministerio de energía) [6].
2.8.-Yacimientos geotérmicos considerados.
A continuación se entrega una breve descripción1 de los yacimientos geotérmicos considerados
en este estudio en base a la información otorgada por el Centro de Excelencia en Geotermia de
Los Andes (CEGA). Los recursos geotermales estudiados corresponden a 16 yacimientos
ubicados a lo largo del territorio chileno.
Tacora.
Figura 4. Ubicación yacimiento geotérmico Tacora.
1 Fuente de datos y descripciones: Geothermal Potential Evaluation for Chile; www.odea.cl para datos
meterorológicos; http://agromet.inia.cl/estaciones, consultando por cada estación meteorológica respectiva a cada
10
Tacora es un volcán 5.980 m de altura ubicado en el borde norte entre Chile y Perú, longitud -
69.77 y latitud -17.72. Se caracteriza por la intensa actividad de emisión de gas volcánica, con
áreas hidrotermales blancas extendidas al noroeste de la estructura volcánica.
La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 270 y 310 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Visviri son: Temperatura del
Actualmente este ciclo no es utilizado por lo que no es posible compararlo con alguna referencia
pero, debido a que es la combinación de dos ciclos validados previamente, se considera válido.
4.8.-Validación Torre enfriamiento
Para validar la torre de enfriamiento se comparan los resultados obtenidos en la torre de
enfriamiento referenciada en la sección bibliográfica [16] en función de algunos parámetros de
entrada. En el estudio se muestran los resultados de 6 casos distintos. Para validar el programa
realizado solo se considerarán los dos primero casos. Los datos utilizados en el primer caso son
resumidos en la siguiente tabla.
56
Tabla 21. Datos ingresados primer caso.
Carga térmica [kW] 3400
Presión ambiente [Pa] 101325 Temperatura agua entrada [C] 50 Temperatura agua salida [C] 20 Área [m2] 8,86 Altura relleno [m] 2,29 Temperatura aire entrada [C] 22 Temperatura bulbo húmedo aire entrada [C] 12 Temperatura aire salida [C] 37
Los resultados obtenidos en dicho estudio se comparan con los obtenidos en el software EES y se
llega a un 4,3 % de error para la carga térmica.
Tabla 22. Potencia obtenida y referencial.
Parámetro Referencia Simulación
Potencia eléctrica [kW] 18,37 17,59
Para un segundo caso se utilizan las condiciones de la tabla x.x., obteniendo resultados con un
error similar al primer caso, cercano al 5 %, por lo que se valida el modelo con un defecto del 5
%.
Tabla 23. Datos ingresados segundo caso.
Carga térmica [kW] 3400
Presión ambiente [Pa] 101325 Temperatura agua entrada [C] 50 Temperatura agua salida [C] 20 Área [m2] 8,89 Altura relleno [m] 2,23 Temperatura aire entrada [C] 17 Temperatura bulbo húmedo aire entrada [C] 12 Temperatura aire salida [C] 36,9
Tabla 24. Potencia obtenida y referencial.
Parámetro Referencia Simulación
Potencia eléctrica [kW] 18,26 17,3
57
5.-Metodología.
5.1.-Evaluación termodinámica.
Para realizar el análisis termodinámico es necesario realizar distintos supuestos ya que en la
mayoría de los yacimientos geotérmicos solo se cuenta con un rango de temperaturas posibles. Se
tienen datos de pozo de solo dos lugares.
Debido a la incertidumbre que tiene la determinación de las propiedades termodinámicas de un
yacimiento geotermal es que se realizará un supuesto conservador. Se considera la mínima
temperatura del rango de cada reservorio con un título de vapor igual a cero en la boca de pozo.
De esta manera se puede determinar la presión, entalpía y entropía en función de la temperatura y
el título de vapor. La eficiencia de los intercambiadores de calor, las eficiencias de las bombas y
las turbinas (isoentrópica, mecánica y eléctrica) junto a las diferencias mínimas de temperaturas
se consideran en base a la validación de los ciclos termodinámicos.
Como criterio adicional se considera que el recurso está conformado solo por agua y/o vapor de
agua. No se considera la presencia de gases no condensables.
La temperatura de reinyección del fluido geotermal es igual para todos los ciclos modelados e
igual a 60 °C [9].
Debido a que los yacimientos tienen distintas condiciones climáticas se realiza el análisis
considerando las particularidades locales, es decir, temperatura del aire, presión atmosférica y
humedad relativa. Estos datos son relevantes para la operación de la torre de enfriamiento.
En cuanto a los ciclos binarios, los ciclos Rankine orgánico simple y regenerativo se modelaron
usando dos fluidos distintos (isobutano y butano) con el fin de estudiar la influencia que tiene el
fluido de trabajo seleccionado en el aprovechamiento de la energía geotérmica. El ciclo kalina
solo se evaluó para recursos con temperatura menor o igual a 200 °C, ya que es un ciclo de media
entalpía.
Para cada ciclo programado se utilizan variables independientes que, por medio de iteraciones,
encuentran la configuración termodinámica que maximiza el trabajo específico neto y/o la
potencia neta. El ciclo de expansión utiliza como variable independiente la presión de expansión.
El de expansión súbita de dos etapas tiene como variables las presiones de expansión súbita de la
primera y segunda etapa. Tanto el ciclo Rankine orgánico simple como el regenerativo iteran en
función de la presión y temperaturas máximas obtenibles. El ciclo Kalina utiliza más variables;
temperatura y presión máxima, fracción de amoniaco en la solución y la temperatura de salida del
recuperador de calor de alta entalpía. El ciclo de expansión súbita tiene como variables las
mismas que sus ciclos por separado, es decir, la presión de expansión y la presión y temperatura
máxima obtenible por el fluido orgánico. Por último el ciclo de doble expansión súbita maximiza
a partir de las presiones de expansión súbita de la primera y segunda etapa más la presión y
temperatura máxima obtenible por el fluido orgánico
58
5.2.-Evaluación económica.
Se realiza una evaluación económica para la potencial instalación de plantas geotérmicas en 16
lugares de Chile. Actualmente solo se cuenta con datos de pozo de dos lugares por lo que, con el
fin de evaluar económicamente los yacimientos restantes se consideró un flujo másico de 100
[kg/s] para los reservorios que no cuentan con este dato.
La metodología es determinar la TIR en función de los ingresos y de los costos para una
evaluación de 20 años plazo. Así mismo, se calcula el costo de MWh producido por cada planta.
5.2.1.-Ingresos.
Los ingresos, de acuerdo a la literatura [17] son de tres fuentes: venta de electricidad; pago fijo
por potencia instalada; venta de bonos de carbón.
Para la venta de electricidad se asume que se vende toda la generación de la planta, esto
considera un factor de planta del 90% [9]. Por otro lado, en el sistema interconectado central
(SIC) el costo marginal por MWh con un horizonte de un año es de 87 USD (fuente CDEC-
SIC).En el norte proyecciones a largo plazo (hasta el año 2027) indican que en el sistema
interconectado del norte grande (SING) el costo marginal por MWh será de 82 USD. Debido a la
similitud en los costos marginales mencionados y a que la proyección en el SIC no respresenta el
comportamiento del mercado eléctrico a largo plazo al tener un horizonte de solo un año, se
utilizará un valor de 82 USD/MWh.
El pago por potencia instalada es de 8 USD/kW/mes [17]
5.2.2.-Costos.
Los costos considerados de acuerdo a la literatura son de inversión en la planta, transmisión,
operación y administrativos [17]. Cabe mencionar que en la literatura los costos son indicados en
rangos. Para esta evaluación se consideraron los valores más conservadores de cada caso, con el
fin de tener una idea clara de la conveniencia de la instalación de una planta en cada lugar.
Los costos de inversión son:
- Exploración, rango de 88.5 a 142 Usd/kW. [18]
- Confirmación, 150 Usd/kW. [18]
- Sistema de Piping, rango de 100 a 250 Usd/kW. [18]
- Equipamiento y construcción, rango de 773 a 1416 [19]
El costo de perforación está en función de la profundidad perforada en pies [17] y se calcula
como muestra la fórmula 107. El costo obtenido se encuentra en dólares.
(107)
59
El costo de transmisión es una inversión en función de la distancia al sistema interconectado
[18], o más bien, la subestación más cercana. Su fórmula es:
El costo de operación (Co) se calcula como una función de la potencia instalada en la planta [18].
Finalmente, el costo administrativo se estima como un 2% de las ventas.
(108)
(109)
60
6.-Análisis de resultados.
6.1.- Análisis de potencias y trabajos específicos obtenidos.
A continuación se muestran los resultados obtenidos luego de maximizar la potencia de cada
recurso según el tipo de configuración termodinámica propuesta. Para esto se utilizó el software
Equation Engineering Solver (EES) que, a través de distintos métodos iterativos, maximiza una
variable en función de distintos parámetros independientes. Debido a la necesidad de obtener la
mayor potencia y/o trabajo específico posible en las reservas para aumentar su poder competitivo
en el mercado es que, en este caso, se maximiza el trabajo específico neto y/o la potencia neta.
Tacora.
Este yacimiento es el que tiene mayor temperatura (270 °C), lo que se traduce en que entrega un
mayor trabajo específico llegando a un máximo de 165,8 [kJ/kg]. En particular los ciclos de
expansiones súbitas deben disminuir considerablemente su temperatura para obtener un título de
vapor que permita el ingreso de caudal de vapor a la turbina, obteniendo un bajo trabajo
específico en relación a los otros ciclos. Los ciclos binarios, al utilizar solo un intercambiador de
calor, pueden llegar a temperaturas más altas, lo que se traduce en un mejor aprovechamiento de
la energía que en un ciclo de expansión súbita (cuando el título de vapor de entrada del fluido
geotérmico es cero).
Por otro lado es importante notar que el butano tiene un mejor comportamiento que el isobutano
para ciclos termodinámicos con temperaturas de este orden. También el ciclo Rankine orgánico
regenerativo, por medio de un recuperador de calor adicional, aumenta un 9 % el trabajo
específico neto en relación a un ciclo simple.
Los ciclos de expansión súbita aumentan considerablemente el trabajo específico neto. Esto se
debe a que la temperatura con que sale la salmuera al intercambio térmico con los ciclos binarios
es alta llegando a los 200 °C. Los ciclos binarios pueden aprovechar de mejor manera este aporte
energético ya que a mayor temperatura tienen mayor eficiencia.
Tabla 25. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica.
Ciclo termodinámico W esp [kJ/kg]
Binario (isobutano) 105,5
Binario (Butano) 118,2
Binario regenerativo (isobutano) 115,4
Binario regenerativo (Butano) 128,8
Expansión súbita 104,6
Doble expansión súbita 133,4
Expansión súbita combinado 153,6
Doble expansión súbita combinado 165,8
61
Figura 34. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica.
Colpitas.
Este yacimiento es uno de los que tiene menor temperatura (180 °C), disminuyendo el trabajo
específico obtenible. Debido a consideraciones iniciales la energía obtenida por medio de
procesos de expansión súbita es notoriamente menor al obtenido por medio de otros ciclos.
Al operar a temperaturas bajo los 200 °C se estudió también el ciclo kalina, entregando una
menor energía que el resto de los ciclos binarios lo que concuerda con la teoría ya que el ciclo
kalina se utiliza para temperaturas menores a 150 °C.
Cabe notar que para estas temperaturas de operación el butano continúa teniendo un mejor
comportamiento en el ciclo termodinámico pero la diferencia se estrecha a medida que desciende
la temperatura del reservorio. Ahora la diferencia entre ambos ciclos es de un 4 %.
Por otro lado, nuevamente el ciclo Rankine orgánico regenerativo aumenta el trabajo específico
neto en relación a un ciclo simple.
Los ciclos combinados aumentan de manera notoria la energía aprovechable. En este caso los
ciclos combinados tienen mejor comportamiento que un ciclo Rankine simple pero peor que el
ciclo Rankine orgánico regenerativo que utiliza butano como fluido de trabajo.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Trab
ajo
esp
ecí
fico
[kJ
/kg]
62
Tabla 26. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica.