Boletín IIE La energía geotérmica: una opción tecnológica y

Boletín IIE
Tendencias tecnológicas
La energía geotérmica: una opción tecnológica
y económicamente madura
Víctor M. Arellano Gómez, Eduardo Iglesias Rodríguez y Alfonso García Gutiérrez
Introducción
H
asta hace apenas 200 años, los únicos recursos
energéticos disponibles para el hombre, además
de sus músculos, eran los animales domésticos,
el fuego, el viento, el sol y las corrientes de agua. En el
siglo XVIII, con la invención de la máquina de vapor fue
posible mover las ruedas de una locomotora, las paletas
de un barco o las máquinas de una fábrica. Asimismo,
con la ayuda del vapor se lograron extraer minerales
de la tierra, cultivar grandes extensiones y producir
energía eléctrica, la cual cambió al mundo, ya que
podía ser transportada a grandes distancias, permitía la
iluminación de calles, centros de trabajo, viviendas, etc.
Todo ello suscitó una enorme demanda de electricidad
y, correlativamente, de combustibles para, por ejemplo,
quemar y convertir agua en vapor, el cual serviría para
mover turbinas y generadores en las plantas eléctricas,
iniciándose así la “era de los combustibles fósiles”.
El Instituto de Investigaciones Eléctricas y la Comisión Federal de Electricidad han realizado trabajo
de Investigación y Desarrollo sobre bombas de
calor operando con energía geotérmica y efluentes
industriales. Los sistemas probados a la fecha
incluyen sistemas de compresión mecánica y
sistemas por absorción, así como transformadores
térmicos.
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A principios del siglo XX, el carbón ya había sustituido a la madera como
el combustible más común, y rápidamente se le unieron el petróleo y el
gas. Hoy en día, la humanidad usa la electricidad casi sin darse cuenta de
su existencia, ilumina y calienta casas, preserva alimentos, da energía a
fábricas, escuelas, negocios, hospitales, etc., dependiendo fuertemente de
los combustibles fósiles para generar energía abundante y barata, ya que
sin ella, la economía se desplomaría y nuestra forma de vida cambiaría de
manera dramática.
El uso de la energía continúa creciendo en todo el mundo y se espera que
su consumo se duplique en los próximos 50 años. No obstante, las reservas
de combustibles fósiles son finitas: cuanto más se utilicen, más rápido se
agotarán. Además, el consumo de estos combustibles tiene costos ocultos,
como el impacto ambiental. En tiempos de paz, la producción y el consumo
de energía causan más daño al medio ambiente que cualquier otra actividad realizada por el hombre. Por ejemplo, un subproducto ubicuo de la
generación de energía es el dióxido de carbono (CO2); este gas existe en
forma natural en el aire, pero su concentración se ha incrementado significativamente a partir de la “Revolución Industrial”. Las moléculas de CO2
generan el efecto invernadero, atrapando calor en la atmósfera y causando
el recalentamiento de la Tierra. Existen pocas dudas de que los humanos
somos responsables del incremento de CO2 en la atmósfera, principalmente
por el uso intensivo de los combustibles fósiles. Sofisticados modelos
numéricos indican que este incremento podría causar condiciones atmosféricas extremas, trastornos en la agricultura y el comercio, inundaciones
en los terrenos más bajos y las áreas costeras, así como la propagación de
enfermedades tropicales.
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El uso de combustibles fósiles también genera la lluvia
ácida. Este fenómeno ha causado ingentes daños, tanto
al ecosistema como a tesoros culturales. Ejemplos bien
conocidos de esto son la deforestación sufrida en la
Selva Negra al norte de Europa, y la erosión de edificios
de incalculable valor histórico y cultural, como la Acrópolis en Grecia.
Por otra parte, los combustibles fósiles no se encuentran uniformemente distribuidos en el mundo. Es
bien sabido que actualmente son ocho los países que
cuentan con el 81% de las reservas de petróleo, seis
los que acaparan el 70% de las reservas de gas natural
y ocho los que tienen el 89% de todas las reservas de
carbón (Sayigh, 1999). En contraparte, más de la mitad
de los países de Asia, África y América Latina importan
cuando menos la mitad de la energía que consumen.
Muchos de estos países exportan materias primas y
productos poco elaborados, que en general se venden
a precios bajos, pero importan energía a precios altos. El
problema se agrava aún más, si se toma en cuenta que
estos países requieren incrementar constantemente su
capacidad de generación eléctrica.
Definitivamente es conveniente reducir la dependencia que se tiene de los combustibles fósiles y esto
es posible si se aprovechan más otros recursos energéticos, como la geotermia, el viento y la energía
solar. Dichos recursos, además de ser endógenos,
tienen la ventaja de producir mucho menos contaminación que los combustibles fósiles, y de estas tres
energías, la geotérmica es la de mayor madurez, tanto
tecnológica como económicamente. Baste recordar
que desde 1913 se ha estado generando electricidad
comercialmente, en escala industrial, a partir de ésta
(Fridleiffson et al, 2008). Esto es mucho más de lo que
puede decirse del viento y de la energía solar.
En este artículo se examinan las contribuciones de la
energía geotérmica para reducir la dependencia de
los combustibles fósiles. También se examina lo que es
la geotermia y se discuten los aspectos relacionados
con el origen de los sistemas geotérmicos, los tipos de
sistemas, los usos de esta energía y su aplicación en
México.
¿Qué se entiende por geotermia?
En general, la palabra geotermia se refiere al calor
natural existente en el interior de la Tierra. Este calor
tiene dos fuentes: el colapso gravitatorio que formó la
Tierra y el decaimiento radioactivo de varios isótopos
en la corteza terrestre. La baja conductividad térmica
de la corteza rocosa determina un tiempo de enfriamiento de miles de millones de años.
En la práctica se denomina geotermia al estudio y utilización de la energía térmica que, transportada a través
de la roca y/o fluidos, se desplaza desde el interior de
la corteza terrestre hacia los niveles superficiales de
la misma, dando origen a los sistemas geotérmicos
(OLADE/BID, 1994).
Aun y cuando la geotermia ha existido siempre, no fue
sino hasta principios del siglo XX que empezó a utilizarse de forma comercial, haciéndose notoria su existencia hace apenas tres décadas, y con el incremento
en el costo de los combustibles fósiles en la década de
los setenta se le dio una importancia relevante, contribuyendo en parte a solucionar los requerimientos de
energía de algunos países. Actualmente, la energía
geotérmica no se considera como una esperanza para
el futuro, más bien se le considera un recurso explotable
económica y técnicamente, limpio, flexible, confiable
y abundante, con una gran variedad de aplicaciones,
entre las que se encuentran: generar electricidad,
enfriar o calentar espacios habitables, producir diversas
materias primas, balneología y turismo, invernaderos
(agricultura, floricultura e hidroponía), criaderos de
peces y mariscos, y procesos industriales y de manufactura (e.g. secado, concentración de soluciones).
La geotermia que se explota actualmente para generar
electricidad, proviene del calor transportado por agua
subterránea de alta temperatura. Ésta ha sido calentada
por intrusiones magmáticas, relacionadas con zonas
de contacto entre placas tectónicas. En estos lugares
privilegiados, el gradiente geotérmico llega a ser varias
veces mayor que el normal, cuyo promedio es de 33°C/
km. Por ello, en estas zonas es posible encontrar agua a
temperaturas de entre 200°C y 400°C, a profundidades
de hasta 3 km, lo que permite la perforación económica de pozos productores de fluido de alta entalpía, el
cual es apropiado para la generación de electricidad a
través de turbinas.
Origen de los sistemas geotérmicos
La Fig. 1 ilustra un corte esquemático de la Tierra, dividida en cinco esferas concéntricas, éstas son, desde afuera
hacia adentro: la atmósfera (que a su vez se subdivide en varias capas), la corteza (que incluye los continentes y
los océanos), el manto, el núcleo líquido y finalmente el núcleo sólido. Tanto la temperatura como la densidad
se incrementan rápidamente con la profundidad. De este modo, tenemos un planeta muy caliente internamente,
pero eficientemente aislado por una fina capa de baja conductividad térmica.
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Figura 1. Esquema de las capas de la Tierra (Armstead, 1978).
La corteza es una suerte de cáscara rocosa, de espesor
variable, que flota sobre el manto (ver las densidades
en la Fig. 1); en los océanos su espesor es de aproximadamente 5 km de agua y 5 km de roca, pero en los
continentes su espesor puede sobrepasar los 35 km
en zonas montañosas. La frontera entre la corteza y el
manto se denomina la discontinuidad de Mohorovicic o
Moho. En dicha frontera se presenta un cambio súbito
de la velocidad de las ondas sísmicas, que indica un
cambio de composición material y de estado físico. Se
cree que la temperatura del Moho es de aproximadamente 600°C, ya que en el centro de la Tierra la temperatura es de aproximadamente 5,000°C (GEO, 2005).
El manto actúa como un sólido en lo que se refiere a la
transmisión de ondas sísmicas, pero se comporta como
un líquido extremadamente viscoso bajo la influencia
de altas temperatura y tensiones mecánicas a las que ha
estado sometido por mucho tiempo. Las altas temperaturas en la base del manto provocan extremadamente
lentas corrientes convectivas en el mismo.
Figura 2. Esquema de las placas tectónicas.
Por lo mencionado en el párrafo anterior, el modelo estático representado
en la Fig. 1 es sólo una simplificación conveniente. Las corrientes convectivas en el manto generan enormes tensiones en la corteza, las cuales la
dividen en lo que se denomina placas tectónicas (seis grandes y unas pocas
más pequeñas, Fig. 2). Como consecuencia de la convección del manto,
las placas tectónicas se mueven unas con respecto a las otras, con velocidades de hasta algunos centímetros por año. En algunos lugares, como en
la cordillera submarina llamada Dorsal del Océano Atlántico, las placas se
están separando y se está creando nueva corteza. En otros lugares como
la costa de Chile, las placas colisionan, lo que fuerza a una de ellas a deslizarse por debajo de la otra con un cierto ángulo. La enorme fricción creada
por el deslizamiento relativo de las placas genera intenso calor, que eventualmente funde la porción más profunda de la placa subyacente. De esta
forma, parte de la corteza vuelve al manto de donde provino originariamente. En la Fig. 3 se representan en forma aproximada dichos procesos.
Una característica común entre ambos es la presencia de magma a profundidades relativamente someras, así como la formación de volcanes, lo que
genera gradientes térmicos anormalmente elevados. Por esta razón, los
yacimientos geotérmicos de alta temperatura se encuentran típicamente
en estas regiones, como se indica en la Fig. 2.
El calor requerido para la formación de un sistema geotérmico de alta
temperatura es suministrado por una masa de magma, emplazada a relativamente baja profundidad (7 km a 10 km), ya sea como una intrusión
en proceso de enfriamiento o bien como una cámara magmática que ha
alimentado un volcán o una caldera. El magma calienta por conducción las
formaciones rocosas vecinas más someras. Con frecuencia dichas formaciones alojan acuíferos subterráneos, dando origen a un tipo de yacimiento
geotérmico de alta temperatura; algunas veces éstos se manifiestan en la
superficie en forma de volcanes de lodo, fumarolas, géiseres, manantiales
hidrotermales y suelos calientes.
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Tipos de sistemas geotérmicos
A la fecha se han identificado cinco tipos de sistemas
geotérmicos: a) hidrotermales, b) roca seca caliente,
c) geopresurizados, d) marinos y e) magmáticos. A
continuación se describen algunas de sus principales
características.
a) Sistemas hidrotermales
Estos sistemas están constituidos por una fuente de
calor, agua (líquido y/o vapor) y la roca en donde se
almacena el fluido (Fig. 4). El agua de los sistemas hidrotermales se origina en la superficie de la tierra en forma
de lluvia, hielo o nieve. Luego se infiltra lentamente en
la corteza terrestre a través de poros y fracturas, penetrando a varios kilómetros de profundidad en donde
es calentada por la roca y alcanzando en algunas
ocasiones, temperaturas de hasta 400°C.
Estos sistemas pueden clasificarse en tres tipos principales: vapor dominante, líquido dominante (alta
entalpía) y líquido dominante (baja entalpía). En
la actualidad, estos sistemas son los únicos que se
explotan comercialmente para la generación eléctrica.
Figura 3. Esquema del movimiento de placas oceánicas y continentales.
VOLCÁN
SUBMARINO
ISLA
VOLCÁNICA
ZONA
VOLCÁNICA
SUPERFICIE
OCEÁNICA
PLACA
CONTINENTAL
INTRUSIÓN
MAGMÁTICA
MAGMA
MANTO
CORRIENTES
CONVECTIVAS
Vapor dominante. Son sistemas de alta entalpía, generalmente de vapor
seco. Existen unos cuantos en el mundo, los más conocidos son The Geysers
(Estados Unidos) y Larderello (Italia).
Líquido dominante (alta entalpía). Sistemas de salmuera súper caliente,
con temperaturas entre 200oC y más de 300oC. Son más abundantes que los
anteriores, por ejemplo: Cerro Prieto (México), Wairakei (Nueva Zelanda),
Tiwi (Filipinas).
Líquido dominante (baja entalpía). Sistemas con salmueras calientes,
con temperaturas entre los 100oC y 200oC aproximadamente. Son más
abundantes que los anteriores en una proporción de 50 a 1, se encuentran
en casi todos los países del mundo, por ejemplo: Heber (Estados Unidos),
Yangbajin (China).
Figura 4. Esquema de un sistema geotérmico hidrotermal.
FUMAROLA 100°C
10°C EN SUPERFICIE
INICIO DE LA
EBULLICIÓN
ROCA IMPERMEABLE
ROCA PERMEABLE
MAGMA EN PROCESO
DE ENFRIAMIENTO
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b) Sistemas Geotérmicos Mejorados
(Enhanced Geothermal Systems)
Los Sistemas Geotérmicos Mejorados (EGS, por sus siglas en inglés), también
conocidos como Sistemas de Roca Seca Caliente (Hot Dry Rock- HDR) o
Sistemas de Roca Fracturada (Hot Fractured Rock – HFR), son sistemas rocosos
con alto contenido energético, pero con poca o nada de agua. Su avance
a la fecha es variable y algunos proyectos están todavía en la etapa de I&D
y evaluación del potencial, mientras que otros ya entraron en la etapa de
demostración de tecnología, con centrales de generación del orden de 3
MWe o menos, y de diseño de plantas de tamaño comercial, 20 MWe a 50
MWe. Los principales proyectos incluyen: Fenton Hill y Coso (Estados Unidos),
Rosmanowes (Reino Unido), Soultz-sous-Forêts y LeMayet (Francia), Basel
(Suiza), Landau y Gross Schonebeck (Alemania), Ogachi y Hijiori (Japón), Fjallbacka (Suecia) y Cooper Basin (Australia) (e.g. Baria et al, 2000; Kaieda et al,
2000; Tester, 2006; Fridleifsson et al, 2008).
Este recurso geotérmico se encuentra en el subsuelo, entre 2 km y 4 km de
profundidad, con la temperatura necesaria para la generación de electricidad
(150°C - 200°C), además se considera como uno de los más abundantes del
mundo y es prácticamente inagotable. El U.S. Geological Survey ha estimado
que la energía almacenada en los yacimientos de roca seca caliente que se
encuentran dentro de los 10 kilómetros superiores de la corteza terrestre,
equivale a más de 500 veces la energía acumulada en todos los yacimientos
de gas y petróleo del mundo, lo que significa un recurso enorme. Las reservas
recuperables de esta energía en Estados Unidos se han estimado en más de
200 mil EJ, equivalentes a más de 2 mil veces la demanda anual de energía
primaria. También se considera que para el año 2050, se podrían instalar más
de 100 mil MWe, con una inversión de 1 billón de dólares americanos (Tester
et al, 2007).
Con el objetivo de explotar estos yacimientos, se está desarrollando la
tecnología necesaria para implementar el siguiente concepto: se perfora
un pozo hasta la profundidad en que se encuentra la formación de roca
seca caliente de interés, como esta roca es esencialmente impermeable, se
crea un yacimiento artificial mediante fracturamiento hidráulico, técnica
muy utilizada por las industrias del gas y del petróleo; posteriormente se
perfora otro pozo, típicamente a algunos cientos de metros del primero,
que intercepte la red de fracturas creadas artificialmente, enseguida se
inyecta agua a presión en uno de los pozos, la cual al desplazarse por la red
de fracturas se calienta por contacto con la roca de alta temperatura y por
último, el agua caliente se extrae por el pozo restante.
c) Sistemas Geopresurizados
Son sistemas que contienen agua y metano disuelto a alta presión (del
orden de 700 bar) y mediana temperatura (aproximadamente 150°C). No
se explotan comercialmente en la actualidad, por ejemplo: los yacimientos
en Texas y Louisiana (Estados Unidos), y en Tamaulipas (México). Estos
recursos ofrecen tres tipos de energía: térmica (agua caliente), química
(metano) y mecánica (fluidos a muy alta presión). Algunos investigadores
han estimado el potencial energético en unos 40 mil MWt solamente en
las costas de Texas (Alonso, 1993), mientras que en México se desconoce el
potencial de este recurso.
d) Sistemas Marinos
Son sistemas de alta entalpía existentes en el fondo del mar, que en la
actualidad no se explotan comercialmente y hasta ahora han sido poco
estudiados, por ejemplo: el Golfo de California (México).
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Hace algunos años se efectuaron estudios preliminares
en el Golfo de California (Mercado, 1990, 1993). Como
parte de los estudios se incluyeron algunas inmersiones en un submarino, esto permitió observar a 2,600
metros de profundidad, impresionantes chimeneas
naturales descargando chorros de agua a 350°C. El flujo
de calor medido en algunos puntos del Golfo de California es muy alto, de 0.34 W/m2 (Suárez, 2000), mientras que en promedio, el flujo natural de calor alcanza
valores de entre 0.05 y 0.10 W/m2.
En el año de 1986, N. Grijalva efectuó una serie de estudios en una zona del Golfo de California, denominada
depresión de Wagner (latitudes de 31° 00´ a 31° 15´ y
longitudes de 113° 50´), que cubre un área de 10 km
de ancho por 20 km de largo. La investigación abarcó
estudios geológicos, geofísicos y geoquímicos. Suárez
(2000) reporta parte de los resultados del estudio e
interpreta que la cuenca en estudio pudiera ser un
campo geotérmico de gran magnitud, con un potencial
energético de 100 a 500 veces mayor que el del campo
geotérmico de Cerro Prieto.
e) Sistemas Magmáticos
Son sistemas de roca fundida existentes en aparatos
volcánicos activos o a gran profundidad, en zonas
de debilidad cortical. En la actualidad no se explotan
comercialmente, algunos ejemplos son: el volcán de
Colima (México) y el volcán Mauna Kea (Hawaii).
Posiblemente el atractivo más importante de este tipo
de recurso sean las altísimas temperaturas disponibles
(≥800°C), ya que la eficiencia de las máquinas térmicas
es proporcional a la temperatura máxima de su ciclo
termodinámico.
En el mediano o largo plazo cuando se cuente con la
tecnología y los materiales adecuados para resistir la
corrosión y las altas temperaturas, se podrá explotar
la enorme cantidad de energía almacenada en las
cámaras magmáticas de los volcanes activos.
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Usos de la energía geotérmica
Actualmente, los recursos geotérmicos no solamente son susceptibles de ser aprovechados en
la generación de electricidad, sino también en una gran variedad de actividades agrupadas
bajo el nombre genérico de usos directos. Entre los mismos se pueden mencionar: la calefacción (Islandia, Estados Unidos, Nueva Zelanda), el procesado de alimentos (Estados Unidos
y Filipinas), el lavado y secado de lana (China y Nueva Zelanda), la fermentación (Japón), la
industria papelera (Australia, China y Nueva Zelanda), la producción de ácido sulfúrico (Nueva
Zelanda), la manufactura de cemento (Islandia y China) y el teñido de telas (Japón), entre
otros.
Generación de electricidad
La generación de electricidad por medio de la energía
geotérmica está íntimamente ligada con las condiciones
naturales del yacimiento geotérmico utilizado para ese
fin. La presión de entrada a las turbinas de vapor está
determinada por la presión y la temperatura del yacimiento. Adicionalmente, la presión del yacimiento, y por
lo tanto la presión de entrada a las turbinas, disminuirá
con el tiempo a una velocidad que dependerá de la relación entre la extracción de fluidos y su recarga.
La unidad geotermoeléctrica más grande del mundo
es de 135 MWe (instalada en el campo de los Geysers,
en Estados Unidos), pero es muy común encontrar
unidades de 55 MWe, 30 MWe, 15 MWe, 5 MWe e incluso
más pequeñas. La confiabilidad de las plantas geotermoeléctricas es muy buena y cuentan con factores de
planta entre el 80% y 90%, este factor es muy superior
al de otro tipo de plantas.
Además, las plantas geotermoeléctricas requieren de
pequeñas cantidades de agua de enfriamiento, por ello,
no compiten por este recurso con otras aplicaciones
como la agricultura.
Existen varios tipos de procesos de conversión de
energía para generar electricidad por medio de
recursos hidrotermales. Actualmente, tres de estos
procesos se encuentran en operación comercial: vapor
seco, sistemas de separación de vapor y ciclo binario.
Figura 5. Diagrama de una planta de vapor seco.
Plantas de vapor seco
SISTEMA DE
CONVERSIÓN
SISTEMA DE
ENFRIAMIENTO
CONDENSADOR
FLUIDO
GEOTÉRMICO
FLUIDO
REINYECTADO
Las plantas de vapor seco se utilizan para producir energía de yacimientos
de vapor dominante. En este caso, el vapor saturado o ligeramente sobrecalentado que se obtiene en la superficie se envía directamente a las
turbinas (Fig. 5). El vapor húmedo se condensa a la salida, para regresarse
al yacimiento a través de pozos de inyección. Es una tecnología bien desarrollada y comercialmente disponible, con tamaños de turbina típicos en el
rango de 35 MWe a 120 MWe.
Los sistemas de vapor dominante han sido explotados únicamente en
Indonesia, Italia, Japón y Estados Unidos. La mitad de la capacidad de
generación instalada se encuentra en estos campos. Los campos de líquido
dominante son mucho más comunes.
Plantas de separación de vapor
Figura 6. Diagrama de una planta de separación de vapor.
En yacimientos geotérmicos dominados por líquido, los pozos generalmente producen una mezcla de agua y vapor en la superficie, esto se debe
a que el fluido del yacimiento sufre un proceso de ebullición en el interior
del pozo, causado por la caída de presión a lo largo de la tubería. Cuando la
mezcla llega a la superficie, el vapor y el líquido se separan por medio de
instalaciones adecuadas. El primero es utilizado para alimentar la turbina,
mientras que el líquido se inyecta nuevamente al yacimiento (Fig. 6).
Las plantas de separación de vapor se utilizan para producir electricidad de
los sistemas de líquido dominante, que están lo suficientemente calientes
como para permitir la ebullición de una porción importante de líquido en
la superficie. Se cuenta con tamaños de turbina típicos en el rango de 10
MWe a 55 MWe.
SISTEMA DE
CONVERSIÓN
SISTEMA DE
ENFRIAMIENTO
CONDENSADOR
SEPARADOR
FLUIDO
GEOTÉRMICO
FLUIDO
REINYECTADO
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Plantas de ciclo binario
Figura 7. Diagrama de una planta de ciclo binario.
Las plantas de ciclo binario son apropiadas para la explotación de los
sistemas geotérmicos de líquido dominante, que no están los suficientemente calientes como para producir una importante ebullición del fluido
geotérmico, y para utilizar el calor contenido en los fluidos de desecho de
las plantas de separación de vapor.
En estas plantas el calor que se obtiene del fluido geotérmico se transmite
por medio de un intercambiador de calor, a un fluido de trabajo secundario
con un menor punto de ebullición (por lo general es un refrigerante). El
fluido de trabajo se expande en una turbina, se condensa y se recalienta en
otro ciclo (Fig. 7). Existen unidades de 1 MWe a 25 MWe y actualmente hay
en el mundo una capacidad instalada de aproximadamente 300 MWe, en
este tipo de plantas.
SISTEMA DE
CONVERSIÓN
SISTEMA DE
ENFRIAMIENTO
INTERCAMBIADOR
DE CALOR
CONDENSADOR
FLUIDO
REINYECTADO
FLUIDO
GEOTÉRMICO
Capacidad instalada mundialmente
En 1971 se habían instalado en el mundo 903 MWe con energía geotérmica.
El 99% de esta capacidad estaba concentrada en cuatro naciones: Italia,
Nueva Zelanda, Estados Unidos y Japón. Para 1982 se encontraban distribuidas 115 plantas geotermoeléctricas en 14 países, con una capacidad de
2,732.5 MWe. En la tabla 1 se aprecia que en 2007, la capacidad instalada
a nivel mundial alcanzó los 9,732 MWe en 24 países (Bertani, 2007; Fridleifsson et al, 2008), y se pronostica que para el año 2010, la capacidad instalada se ubicará cerca de los 11 mil MWe (Bertani, 2007).
Sin embargo, en otro estudio se pronostica que para el año 2010, la capacidad instalada aumentará a 20 mil MWe (Bloomquist, 2007), lo que implica
que la capacidad instalada actualmente se duplicaría en sólo 3 años. Otros
estimados y pronósticos indican que la capacidad geotermoeléctrica
podría crecer hasta alcanzar los 148,800 MWe en los próximos 20 años
(Richter, 2007), lo cual es equivalente a un crecimiento de unas 15 veces de
la capacidad actual.
Usos directos
Los sistemas geotérmicos de baja entalpía (temperaturas menores de 180oC), son los que generalmente se destinan a usos directos. De los 90 países en los que se han identificado recursos
geotérmicos con posibilidades de explotación comercial, 72 los emplean en usos directos, de
los cuales 33 los utilizan de manera significativa con una capacidad instalada individual de
100 o más MWt. En mayo de 2005, el uso total de recursos geotérmicos de baja entalpía en
el mundo (72 países) fue de 28,268 MWt (Lund et al, 2005), comparados con los 16,209 MWt
en 1999 (Lund y Freeston, 2000). El 32 % de estos recursos se empleó en bombas de calor
geotérmicas, 30% para baños y natación (incluyendo balneología), 20% para calentamiento
Tabla 1. Evolución de la capacidad eléctrica instalada; a Mercado et al, 1982b, b IGA Webpage, 2008; c Bertani, 2007.
1982a
(Mwe)
1990b
(Mwe)
1995b
(Mwe)
2000b
(Mwe)
2005b
(Mwe)
2007c
(Mwe)
2010c
Pronóstico
(Mwe)
EUA
932.0
2774.6
2816.7
2228.0
2544.0
2687.0
2817.0
Filipinas
501.0
891.0
1227.0
1909.0
1931.0
1969.7
1991.0
32.0
144.8
309.8
589.5
797.0
992.0
1192.0
205.0
700.0
753.0
755.0
953.0
953.0
1178.0
Otros
1062.5
1321.5
1760.3
2492.6
2838.9
3129.8
3814.5
TOTAL
2732.5
5831.9
6866.8
7974.1
9063.9
9731.5
10992.5
PAÍS
Indonesia
México
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de espacios (del cual 83% fue para calefacción distrital),
7.5% para invernaderos y calentamiento de suelos a
cielo abierto, 4% para calor de procesos industriales,
4% para acuacultura y calefacción de estanques, <1%
para secado agrícola, <1% para derretir nieve y 0.5%
para otras aplicaciones. El uso anualizado de energía en
2005 fue de 273,372 TJ/año (75,943 GWh/año), lo que
representó un incremento de 43% sobre el uso en el
año 2000 (Lund et al, 2005).
En la tabla 2 se listan algunos de los 33 países que más
utilizan los recursos geotérmicos para usos directos
(100 o más MWt/país). En la Fig. 8 se muestran las
temperaturas mínimas que generalmente se requieren
para distintos tipos de usos directos (Lindal, 1973).
La temperatura entre uno y otro uso no es rigurosa,
simplemente es una guía. Los usos directos normalmente utilizan tecnología conocida. En algunos casos
pueden existir complicaciones por la presencia de
sólidos disueltos o gases no condensables en los fluidos
geotérmicos; sin embargo, estos problemas son superables con la tecnología actual.
Tabla 2. Algunos países que utilizan energía geotérmica para usos directos (Lund et al, 2005).
País
Alemania
Canadá
EUA
India
Japón
México
Nueva Zelanda
Rusia
Otros países
TOTAL
Capacidad Instalada
(MWt)
504.6
461.0
7817.4
203.0
822.4
164.7
308.1
308.2
17678.6
28268.0
Uso de la Energía
(TJ/año)
(GWh/año)
2909.8
808.3
2546.0
707.3
31239.0
8678.2
1606.3
446.2
10301.1
2861.6
1931.0
536.7
7086.0
1968.5
6143.5
1706.7
209609.4
58229.3
273372.1
75942.8
Factor de capacidad
0.2
0.2
0.1
0.3
0.4
0.4
0.7
0.6
----0.31
Figura 8. Temperaturas aproximadas de los fluidos geotérmicos para usos directos.
200
180
160
140
120
EVAPORACIÓN DE SOLUCIONES ALTAMENTE CONCENTRADAS.
REFRIGERACIÓN POR ABSORCIÓN DE AMONÍACO, DIGESTIÓN DE PASTA PAPELERA (KRAFT).
AGUA PESADA MEDIANTE UN PROCESO CON SULFURO DE HIDRÓGENO.
SECADO DE ALIMENTO PARA PESCADO, SECADO DE MADERA.
ALÚMINA MEDIANTE EL PROCESO DEBAYER.
SECADO DE PRODUCTOS AGRÍCOLAS A ALTAS VELOCIDADES, ENLATADO DE ALIMENTOS.
EXTRACCIÓN DE SALES POR EVAPORACIÓN, EVAPORACIÓN EN LA REFINACIÓN DE AZÚCAR.
AGUA DULCE POR DESTILACIÓN.
CONCENTRACIÓN DE SOLUCIÓN SALINA MEDIANTE EVAPORACIÓN DE EFECTO MÚLTIPLE.
SECADO Y CURADO DE PLANCHAS DE HORMIGÓN LIGERO.
C
o
100
SECADO DE MATERIALES ORGÁNICOS, ALGAS, HIERBA, HORTALIZAS, ETC.
LAVADO Y SECADO DE LANA.
SECADO DE PESCADO, OPERACIONES INTENSAS DE DESCONGELAMIENTO.
80
CALEFACCIÓN AMBIENTAL.
REFRIGERACIÓN (LÍMITE DE TEMPERATURA INFERIOR).
60
ZOOTECNIA.
INVERNADEROS MEDIANTE COMBINACIÓN DE CALEFACCIÓN AMBIENTAL Y DE FOCO.
CULTIVO DE SETAS.
40
CALENTAMIENTO DEL SUELO, BALNEOLOGÍA.
PISCINAS, BIODEGRADACIÓN, FERMENTACIONES.
AGUA CALIENTE PARA LA INDUSTRIA MINERA DURANTE TODO EL AÑO EN CLIMAS FRÍOS.
DESCONGELAMIENTO.
CRIADERO DE PECES. PISCICULTURA.
109
Boletín IIE
Tendencias tecnológicas
Bombas de calor
Las bombas de calor geotérmicas (BCG) representan
la tecnología geotérmica de mayor crecimiento a nivel
internacional y su futuro se visualiza en forma exponencial. Esta tecnología sirve para proporcionar enfriamiento y calentamiento a nivel industrial y residencial
(acondicionamiento de espacios), ha tenido un gran
auge en años recientes y está bien establecida. En el
año 2005, las BCG se usaron en 33 países y su capacidad
instalada creció 730% en los últimos 10 años, y su uso
para calefacción creció en más de 500%. Los principales
desarrollos se tienen en diversos países europeos y en
Estados Unidos, con más de 1.5 millones de unidades
instaladas. Por otro lado, las BCG reducen las emisiones
de CO2 en más del 50%, comparadas con calentadores
operados con combustibles fósiles, mientras que la
energía eléctrica que requieren para su operación puede
ser obtenida de fuentes limpias como la hidráulica o la
solar, por lo que resultan sumamente atractivas desde el
punto de vista de uso eficiente de energía y de la mitigación del impacto ambiental (Lund et al, 2005; Rybach,
2006; Fridleifsson et al, 2008).
Figura 9. Localización de los campos geotérmicos y de manifestaciones
termales en México.
Cerro Prieto
Tres
Vírgenes
La Primavera
Los Azufres
Energía geotérmica en México
A finales de la década de los cuarenta, el ingeniero Luis de Anda, de la Comisión Federal de Electricidad (CFE), se enteró de los logros
obtenidos en el campo geotérmico de Larderello (Italia). Esto lo motivó a realizar estudios en ese lugar, en donde se familiarizó con las
técnicas de exploración y explotación que allí se utilizaban. Más tarde, en el mes de mayo de 1955 se formó la Comisión de Energía
Geotérmica, cuyo director fue el mismo ingeniero de Anda.
Pathé
Cerro Prieto
La explotación de la energía geotérmica en México se inició en Pathé, una
localidad del estado de Hidalgo, la cual se encuentra aproximadamente
a 130 km de la Ciudad de México (Fig. 9). Debido al éxito de las primeras
perforaciones, se decidió instalar una planta piloto de 3.5 MWe, la cual
inició operaciones en el mes de noviembre de 1959.
El campo de Cerro Prieto se encuentra localizado a 30
km al sur de la ciudad de Mexicali. Es el campo geotérmico de líquido dominante más grande del mundo y su
explotación ha sido también una de las más exitosas.
En Pathé se perforaron 17 pozos, sin embargo, nunca fue posible obtener
suficiente vapor para generar más de 600 kW, por lo que la planta se
mantuvo generando hasta 1973.
A pesar de todo la planta representó un importante logro, ya que permitió
que nuestro país fuera el tercero en el mundo en utilizar la geotermia, puso
de manifiesto la capacidad de los ingenieros mexicanos y sirvió para capacitar a los cuadros técnicos que habrían de conducir en el futuro el desarrollo de la geotermia en México.
Después de Pathé, la CFE desarrolló los campos de Cerro Prieto, en Baja
California, Los Azufres, en Michoacán y Los Humeros, en Puebla (Fig. 9).
110
En este campo se han perforado más de 300 pozos con
profundidades entre 700 y 4,300 metros. Actualmente
se tienen instaladas cuatro centrales con una capacidad
instalada total de 720 MWe (Gutiérrez-Negrin y Quijano
León, 2005). La central CP-1 cuenta con cinco unidades
(las primeras dos de 37.5 MWe cada una) y entraron en
operación en 1973. Para 1979 se adicionaron otras dos
unidades de 37.5 MW y en 1981 entró en operación
una unidad de baja presión de 30 MWe. Las centrales
CP-II y CP-III, cuentan cada una con dos unidades de 110
MWe, mismas que entraron en operación entre 1985 y
1987 (Hiriart y Gutiérrez, 1992). La central Cerro Prieto
IV entró en operación en el año 2000 y consta de cuatro
unidades de 25 MWe cada una.
julio-septiembre-08
Tendencias tecnológicas
Los Azufres
El campo geotérmico de Los Azufres se encuentra localizado a 200 km al
oeste de la Ciudad de México (Fig. 9). Los primeros estudios en este campo
se efectuaron en los años cincuenta, pero fue en 1977 cuando se perforaron los primeros pozos productores, con los que se confirmó la existencia
de un potencial energético de magnitud considerable.
En Los Azufres se han perforado más de 80 pozos con profundidades de
entre 600 y 3,544 metros, con una temperatura máxima de fondo de 358oC.
En esta zona, el flujo de calor promedio es de 0.22 W/m2, lo cual corresponde a un gradiente local de 117°C/km (Suárez, 2000), que es casi cuatro
veces mayor que el normal.
Actualmente, la CFE tiene instalados en este campo 188 MWe, distribuidos
en una unidad de condensación de 50 MWe, cuatro unidades de flasheo
simple 25 MWe cada una, siete unidades a contrapresión de 5 MWe cada
una y dos unidades de ciclo binario de 1.5 MWe cada una. Las unidades de
25 MWe entraron en operación en 2003 (Gutiérrez-Negrin y Quijano León,
2005).
Pathé
Los Humeros
Los Humeros
El campo geotérmico de Los Humeros se encuentra localizado en el
extremo oriental del Cinturón Volcánico Mexicano, aproximadamente a
200 km de la Ciudad de México (Fig. 9). En 1968, la Comisión Federal de
Electricidad (CFE) efectuó los primeros estudios geológicos, geoquímicos y
geofísicos en este campo. En 1982 se perforó el primer pozo profundo, con
el objeto de confirmar los resultados de los estudios. Pero fue hasta 1990
que se inició la explotación comercial del yacimiento, con la instalación de
la primera unidad de 5 MWe. A la fecha se han perforado más de 40 pozos y
se cuenta con una capacidad instalada de 35 MWe, en 7 unidades de 5MWe
cada una (Gutiérrez-Negrin y Quijano León, 2005; Gutierrez-Negrín, 2007).
Las Tres Vírgenes
Otros recursos
Este campo se localiza en la parte media de la Península de Baja California, en la parte norte del estado de
Baja California (Fig. 9). Los estudios de exploración se
iniciaron en 1982 y en 1986 se perforó el primer pozo
exploratorio. Actualmente se tienen dos plantas instaladas de 5 MWe del tipo de condensación, las cuales
iniciaron sus operaciones en julio de 2001. Estas plantas
generaron 32.8 GWh en 2003, los cuales se distribuyeron a ciudades como Santa Rosalía y otras poblaciones que están aisladas del sistema eléctrico nacional
(Gutiérrez-Negrin y Quijano León, 2005; Gutierrez-Negrín, 2007).
La Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos de la CFE
ha establecido la existencia de más de dos mil manifestaciones termales en la República Mexicana (Fig. 9),
habiéndose llevado a cabo estudios de factibilidad en
cuando menos 30 sitios. En algunos lugares ya se han
perforado pozos exploratorios, entre los más recientes
podemos mencionar a Los Negritos, Michoacán, y
Acoculco, Puebla.
Capacidad instalada y generación
La potencia geotérmica instalada en México es de 953
MWe, que representa el 2% de la capacidad instalada
en el país. La geotermia produjo 6,685 GWh de electricidad en 2006, que contribuyeron con el 3% de la
generación eléctrica total, debido a los altos factores
de planta que se tienen (Gutierrez-Negrin, 2007).
Actualmente, México ocupa el cuarto lugar mundial en potencia geotermoeléctrica instalada (Bertani, 2007; Fridleifsson, 2008). En 1992 se obtuvo
el segundo lugar en energía generada, gracias al esfuerzo de los técnicos
de la Comisión Federal de Electricidad por incrementar la disponibilidad de
vapor en las turbinas del campo Cerro Prieto. En la actualidad se tiene el
nivel más alto de eficiencia en el mundo, por lo que la CFE ha recibido reconocimientos en diversos foros internacionales.
111
Boletín IIE
Tendencias tecnológicas
La generación de electricidad por medio de plantas
geotermoeléctricas es una realidad en México, y se
estima que para el año 2010 se contará con una capacidad instalada de 1,178 MWe, debido a la aprobación de los proyectos Cerro Prieto V (100 MWe) y Los
Humeros II (46 MWe). El proyecto Cerritos Colorados
(75 MWe), antes La Primavera, aún no tiene fecha
programada.
Usos directos
En la actualidad, los usos directos de la energía geotérmica en México se limitan a la balneología. Se estima
que la capacidad instalada es de aproximadamente 164
MWt, distribuidos en más de 160 sitios en 19 estados del
país (Quijano-León y Gutiérrez-Negrín, 2000). Esta capacidad instalada es modesta, en relación con el tamaño
de los recursos existentes y en cuanto a la variedad de
aplicaciones posibles.
También existen algunos proyectos piloto desarrollados
por la CFE, que ilustran algunas posibles aplicaciones
directas del calor geotérmico en México, aplicaciones
que fueron implementadas en los campos geotérmicos de Cerro Prieto, Los Azufres y Los Humeros. Estos
proyectos incluyen: calefacción de oficinas, invernaderos
para apoyar las labores de reforestación (Ortega-Varela,
1997), secado de frutas y verduras (Casimiro-Espinosa,
1997), germinado de bulbos, producción acelerada de
flores, criadero de hongos comestibles (Salazar Loa,
1997) y secado de madera (Pastrana-Melchor, 1997).
Asimismo, el Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE)
y la CFE han realizado trabajo de investigación y desarrollo sobre Bombas de Calor operando con energía
geotérmica y efluentes industriales. Los sistemas
probados a la fecha incluyen sistemas de compresión
mecánica y sistemas por absorción, así como transformadores térmicos (García-Gutiérrez et al, 2007).
Exportación de tecnología geotérmica
México no tiene dependencia tecnológica en la exploración, desarrollo y explotación de recursos
geotérmicos, más bien se ha exportado y se exporta tecnología geotérmica al extranjero. Los
técnicos mexicanos han participado en estudios y proyectos en países como Argentina, Bolivia,
Colombia, Costa Rica, Ecuador, El Salvador, Estados Unidos, Guatemala, Haití, Jamaica, Nicaragua, Panamá, Perú y República Dominicana (Arellano et al, 1997; Barragán et al, 1999; Iglesias
E. R., 1991; Mercado et al, 1981; Mercado et al, 1982a; Nieva y Barragán, 1982; Nieva et al, 1986;
etc.).
Resumen y conclusiones
La energía geotérmica es una opción técnica y económicamente madura. Desde 1913 se ha estado generando electricidad comercialmente, en escala industrial, a partir de la energía geotérmica. En la actualidad,
24 países cuentan con plantas geotermoeléctricas, con
una capacidad instalada total de 9,732 MWe. Se estima
que para 2010 podría haber 10,993 MWe instalados. Por
otro lado, al menos 72 países explotan comercialmente
el calor geotérmico en forma directa, con instalaciones
que totalizan 28,268 MWt.
La utilización directa del calor geotérmico en México
se limita a usos balneológicos. Se estima una modesta
capacidad instalada de aproximadamente 165 MWt,
distribuidos en más de 160 sitios en 19 estados del
país. También existen algunos proyectos de demostración, desarrollados por la CFE, que incluyen calefacción
de oficinas, invernaderos, deshidratación de frutas y
verduras, germinado de bulbos, producción acelerada
de flores, criadero de hongos comestibles y secado de
madera.
México es uno de los países con mayor desarrollo
geotérmico en lo que se refiere a generación eléctrica,
ocupa el cuarto lugar mundial en capacidad instalada
(953 MWe), después de Estados Unidos, Filipinas e
Indonesia, cuenta con más de 40 años de experiencia
generando energía geotérmica y en la actualidad la
genera en cuatro campos geotérmicos: Cerro Prieto,
Los Azufres, Los Humeros y Las Tres Vírgenes.
Las aplicaciones actuales en México y en el mundo
utilizan exclusivamente recursos geotérmicos hidrotermales. En el corto o mediano plazo también será
posible utilizar recursos de roca seca caliente (HDR), por
lo que actualmente se está desarrollando tecnología
apropiada.
112
En un plazo más largo también será posible utilizar los
recursos geopresurizados, los geotérmicos marinos y la
energía térmica de reservorios de magma; su posible
aprovechamiento depende tanto del desarrollo de
tecnologías y materiales apropiados, como de las variables económicas que determinan la competitividad de
los diversos recursos energéticos.
julio-septiembre-08
Tendencias tecnológicas
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VÍCTOR MANUEL ARELLANO GÓMEZ [vag@iie.org.mx]
Ingeniero en Energía por la Universidad Autónoma
Metropolitana (UAM) en 1978. Realizó estudios sobre
Ingeniería de Yacimientos Geotérmicos en la Universidad de Stanford, en 1980, y de Simulación Numérica
de Yacimientos y Pozos Geotérmicos en Intercomp,
Houston, Texas, Estados Unidos en 1982. Se incorporó
al Área de Geotermia del Instituto de Investigaciones
Eléctricas (IIE) en 1979 y desde 1992 es jefe de la
misma. Ha participado en la publicación de más de 140
artículos técnicos y ha impartido cursos de Geotermia,
tanto en México como en el extranjero. Dentro de
las distinciones que ha recibido se encuentran las
siguientes: Premio al Desempeño Extraordinario en 1990,
otorgado por el IIE; Premio al Mejor Profesor de la Facultad
de Ciencias Químicas e Industriales en 1990, otorgado por
la Universidad Autónoma del Estado de Morelos; Premio
al Mejor Profesor de Posgrado en 1991, otorgado por la
Universidad Autónoma del Estado de Morelos; Miembro
del Consejo Editorial de la revista Geothermics, de 1995 a
1997; Presidente de la Asociación Geotérmica Mexicana,
de 1994 a 1995; Árbitro para el premio de “Investigación
Universidad Autónoma de Nuevo León”, de los años 1998
a 2001; Miembro del Sistema Nacional de Investigadores
Nivel II.
M. Salazar Loa, Uso de la energía geotérmica para el cultivo de
hongos, experiencia en Los Humeros, Pue., México, Geotermia,
Rev. Mex. de Geoenergía, vol 13, No. 1, pp. 65-67, 1977.
A. Sayigh, Renewable energy – the way forward, Applied Energy,
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the 21th Century, Massachusetts Institute of Technology,
Cambridge, MA, USA, 358 pp., 2006, http://www1.eere.energy.
gov/geothermal/future_geothermal.html
ALFONSO GARCÍA GUTIÉRREZ [agracia@iie.org.mx]
Ingeniero Químico por la Universidad Autónoma de Coahuila, México en
1976, Maestría en Ingeniería Química por la Universidad de Salford, UK,
Inglaterra en 1978 y Doctorado en Ingeniería Mecánica, con especialidad
en Termofluidos, por la Universidad de Minnesota, Estados Unidos en 1985.
Investigador del Área de Geotermia del Instituto de Investigaciones Eléctricas
(IIE) desde 1980. Ha desarrollado numerosos proyectos de investigación y
desarrollo tecnológico, así como de consultoría. Ha publicado más de 70
artículos en revistas arbitradas a nivel internacional y tiene más de 120 contribuciones en congresos, seminarios y talleres nacionales e internacionales. Ha
sido árbitro invitado de diversas revistas y de diversos eventos científicos de
la American Society of Mechanical Engineers (ASME), entre otros. También ha
realizado una importante labor en la formación de recursos humanos de alto
nivel con la dirección de 7 tesis doctorales, 21 tesis de maestría y 16 tesis de
licenciatura, así como asesor del programa AIT y del Verano de la Investigación Científica. Es miembro activo de diversas asociaciones científicas como
la International Geothermal Association, la Asociación Geotérmica Mexicana
(de la cual fue Vicepresidente y Presidente) y la Society of Petroleum Engineers, entre otras. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel
II y fue Presidente de Academia Nacional de Investigación en Ingeniería
Mecánica del Sistema Tecnológicos de la SEP.
EDUARDO IGLESIAS RODRÍGUEZ [iglesias@iie.org.mx]
Licenciado en Ciencias Físicas, egresado de la Universidad de Buenos Aires,
Argentina, en 1973. Realizó estudios de posgrado en el Departamento
de Astronomía de la Universidad de California, Berkeley en 1976. Obtuvo
el grado de Doctor en Física en la Universidad de Buenos Aires, en 1978.
Ingresó a la Gerencia de Geotermia del IIE en 1981, su especialidad es la
ingeniería de yacimientos (geotérmicos y de hidrocarburos). Entre sus
mayores contribuciones están el desarrollo de dos sistemas del estado
del arte para efectuar registros simultáneos de varias variables en pozos
geotérmicos y petroleros de alta temperatura; la estimación de reservas
de los recursos geotérmicos no explotados de México; el desarrollo de
sistemas de información para caracterizar yacimientos geotérmicos, y el
desarrollo y aplicación de estudios con trazadores de fases líquido y vapor
en yacimientos geotérmicos.
En 1979 laboró en la División Ciencias de la Tierra del Lawrence Berkeley
Laboratory en Estados Unidos, donde comenzó a trabajar en ingeniería de
yacimientos geotérmicos; en 1976 en el Instituto de Astronomía y Física del
Espacio; en 1975 en el Departamento de Astronomía de la Universidad de
California. Fue asistente de investigación en el Servicio de Hidrografía Naval
de la Armada República Argentina, en 1967. Ha publicado más de 100
trabajos técnicos en revistas, capítulos de libros y memorias de congresos.
114