Utilización de la Energía Geotérmica Documento Descriptivo

UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA
FORMULACION DE UN PROGRAMA BASICO DE
NORMALIZACIÓN PARA APLICACIONES DE
ENERGIAS ALTERNATIVAS Y DIFUSION
Documento ANC-0603-21-00
UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
DOCUMENTO DESCRIPTIVO
Versión 00
Unión Temporal ICONTEC - AENE
Bogotá, D.C., Marzo de 2003
UNIDAD DE PLANEACIÓN MINERO ENERGÉTICA - UPME
Documento No. ANC-603-21
UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA – DOCUMENTO DESCRIPTIVO
Rev. 00
Fecha: 21/03/03
TABLA DE CONTENIDO
UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA – DOCUMENTO DESCRIPTIVO ....7
1.
OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN.................................................................7
2.
REFERENCIAS NORMATIVAS............................................................................7
3.
DEFINICIONES.......................................................................................................7
4.
ASPECTOS TÉCNICOS..........................................................................................7
4.1.
GENERALIDADES ............................................................................................... 7
4.2.
CLASIFICACIÓN DE RECURSOS GEOTÉRMICOS............................................ 8
4.3.
EXPLORACION ................................................................................................. 10
4.3.1.
Estimación de las Temperaturas del Subsuelo........................................................11
4.3.2.
Pruebas de presión ..................................................................................................11
4.3.3.
Modelos conceptuales: la física del yacimiento .....................................................11
4.4.
POTENCIA INSTALADA CON PLANTAS DE GEOTERMIA EN EL MUNDO ..... 13
4.5.
POTENCIAL EN COLOMBIA ............................................................................. 14
4.5.1.
Mapa de Fuentes Termales ....................................................................................17
4.5.2.
Mapa de gradientes geotérmicos en Colombia ......................................................18
4.6.
EXPLOTACIÓN DE LOS RECURSOS GEOTÉRMICOS................................... 20
4.7.
USOS DIRECTOS DE LA GEOTÉRMIA ............................................................ 21
4.7.1.
Equipo estándar ......................................................................................................22
4.7.2.
Componentes del Equipo Estándar.........................................................................23
4.8.
GENERACIÓN ELÉCTRICA .............................................................................. 31
4.8.1.
Ciclo con Unidades de Contrapresión ....................................................................31
4.8.2.
Ciclo con Unidades de Condensación ....................................................................32
4.8.3.
Ciclo binario ...........................................................................................................32
4.8.4.
Tipos de Plantas......................................................................................................32
4.8.5.
Desempeño de las Plantas de Generación .............................................................40
4.8.6.
Factores económicos de las plantas geotérmicas....................................................44
4.8.7.
Indicadores de Eficiencia de las Plantas de Generación a Base de Geotermia ...46
5.
REFERENCiAS BIBLIOGRAFICAS ...................................................................48
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LISTA DE FIGURAS
Figura 4-1 Esquema de la operación geotérmica ............................................................... 8
Figura 4-2 Perfiles de presión y temperatura (en función de la presión)........................... 12
Figura 4-3 Perfiles de presión y temperatura (en función de la entalpía).......................... 13
Figura 4-4 Áreas Geotérmicas ......................................................................................... 17
Figura 4-5 Temperatura a 3 Km de profundidad en pozos petroleros............................... 19
Figura 4-6 Sistema de utilización directa de la geotermia con intercambiador de calor ... 23
Figura 4-7 a) Detalles bomba centrífuga, b) Detalles bomba electrosumergible............. 24
Figura 4-8 Ejemplos de instalaciones de tuberías en superficie y enterradas. ................. 25
Figura 4-9 Pérdidas de calor en las tubería...................................................................... 26
Figura 4-10 Intercambiador de calor tipo placa tubular.................................................... 27
Figura 4-11 Intercambiador de calor de fondo de pozo ................................................... 28
Figura 4-12 Tipos de convectoresa) Aire forzado b) Flujo de aire natural utilizando agua
caliente o radiadores tubulares de aletas), c) Convección natural (radiador) d) Panel
de superficie............................................................................................................. 29
Figura 4-13 Ciclo de absorción-refrigeración ................................................................. 30
Figura 4-14 Diagrama Simplificado Planta Tipo Vapor Directo ......................................... 33
Figura 4-15 Diagrama de planta tipo single flash ............................................................ 35
Figura 4-16 Diagrama de planta tipo double flash ........................................................... 36
Figura 4-17 Diagrama Simplificado de planta tipo Binario (Binary Plants) ........................ 37
Figura 4-18 Diagrama simplificado para la planta tipo binary Kalina............................... 39
LISTA DE TABLAS
Tabla 4-1 Clasificación de los recursos geotérmicos en base a la temperatura............. 10
Tabla 4-2 Clasificación de los recursos geotérmicos de acuerdo a su estado físico........ 10
Tabla 4-3 Utilización del recurso geotérmico de acuerdo a su entalpía ............................ 10
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Tabla 4-4 Potencia Instalada a base de Energía geotérmica........................................... 13
Tabla 4-5 Utilización de Energía Geotérmica para Calentamiento Directo ....................... 15
Tabla 4-6 Inventario de Yacimiento de Aguas Termales Reportados en Colombia ....... 18
Tabla 4-7 Explotación de los recursos geotérmicos ........................................................ 20
Tabla 4-8 Usos directos de la Geotermia. ........................................................................ 21
Tabla 4-9 Equipo principal en Plantas Geotérmicas ........................................................ 38
Tabla 4-10 Condiciones de Diseño para Seleccionar Plantas Geotérmicas de Vapor ...... 41
Tabla 4-11 Condiciones de Diseño para Algunas Plantas Geotérmicas Binarias ............. 42
Tabla 4-12 Costo de Inversión para de Plantas Geotérmicas........................................... 45
Tabla 4-13 Costos de Inversión y de O&M para Pequeñas Plantas Geotérmicas Binarias
.................................................................................................................................. 45
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1. OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN
El objetivo principal de esta guía es proveer información técnica que permita dar una inducción
al publico en general sobre el uso de la energía geotérmica.
2. REFERENCIAS NORMATIVAS
ASTM ; E 957 – 95; Standard Terminology Relating to Geothermal Energy
ASTM ; E 974 – 83; Specifying Thermal Performance of Geothermal Power Systems
3. DEFINICIONES
Para propósitos de este documento se utilizan las definiciones de la norma internacional ASTM
; E 957 – 95 Standard Terminology Relating to Geothermal Energy
4. ASPECTOS TÉCNICOS
4.1. GENERALIDADES
El desarrollo de los proyectos con energía geotérmica se pueden dividir en cuatro fases:
a) Exploración
b) Exploración profunda (perforaciones)
c) Implementación de la planta
d) Monitoreo tanto de las reservas como de la operación de la planta
En la fase inicial (exploración) se hace una evaluación del desempeño incluyendo el punto de
vista geológico (vulcanológico), una prospección geofísica (eléctrica, gravimetrica, magnética
y algunas veces sísmica), a la vez que se analiza el pozo para determinar la geoquímica de
aguas y gases. Los datos de dicha valoración son comparados y usados para localizar una
reserva que tenga potencial, la cual puede ser identificada plenamente por medio de la fase de
perforación.
La principal actividad en la exploración profunda es la perforación de pozos, sin embargo en
esta fase, también se desarrolla actividad geocientífica. De tal forma que se define la
estratigrafía de los pozos, para ligar el perfil geológico hallado, (por medio de un registro) a
los datos hallados en la etapa inicial.
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La composición de la formación dentro del pozo se utiliza también para determinar las
características termodinámicas y la medida de la productividad del pozo en términos del flujo
de masa y de la entalpía. La actividad final de esta fase es el aseguramiento del tamaño del
recurso, de la especificación de las reservas y la capacidad de sostener la producción a lo largo
del tiempo de vida del proyecto.
Los resultados de esta exploración profunda y las características del fluido geotérmico
determinan el tipo de planta a escoger:
a) Para generación eléctrica cuando se produce fluido de alta entalpía
b) Para calentamiento cuando se produce fluido con alta y baja entalpía.
El tamaño del recurso presente determinará el plan de perforación a ejecutar, a la vez que el
diseño de la planta, las tuberías y el sistema de reinyección de agua.
Las reservas geotérmicas son más dinámicas que las de hidrocarburos; por consiguiente se
desarrolla un continuo monitoreo y evaluación del comportamiento del recurso tanto en la
exploración como en la implementación con el fin de asegurar que el recurso es adecuado
para entregar la energía que se le demandará.
Un bosquejo de las tres secciones principales de la operación se representa en la Figura 4-1 :.
a) Pozos geotérmicos y equipo de producción de fluido (extracción y reinyección)
b) Planta geotérmica, donde el fluido se adecua para su utilización.
c) Red de distribución hacia el usuario final.
Figura 4-1 Esquema de la operación geotérmica
4.2. CLASIFICACIÓN DE RECURSOS GEOTÉRMICOS
Un campo geotérmico, y más ampliamente un recurso geotérmico esta situado en un lugar con
unas características tectónicas especiales, en el cual ciertas condiciones típicas geológicas,
hidrológicas, estructurales y físicas, coexisten.
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o
Fuente de calor: Usualmente un yacimiento poco profundo que genera una anomalía
térmica, donde el gradiente térmico normal alrededor del yacimiento es superior que
3ºC/100m.
o
Reservorio: Una roca almacenadora con baja permeabilidad y una gran porosidad que
puede ser primaria o secundaria,- lo cual permite la circulación de fluidos geotérmicos;
además tiene ciertas propiedades de retención que permiten al fluido calentarse en el
reservorio Cuando la convección ocurre, los coeficientes de viscosidad y dilatación del
fluido, también se afectan y se tiene la máxima eficiencia en el sistema.
o
Sello: Roca sello de la formación, sobre el reservorio que tiene baja permeabilidad,
primaria o secundaria que aísla el sistema geotérmico de aguas que poseen baja
temperatura.
o
Reinyección:
progreso.
Para la restauración del reservorio cuando la extracción esta en
Cuando se tienen las condiciones anteriores, el agua de la recarga fluye en el depósito y
alcanza equilibrio térmico con la roca expuesta a la fuente de calor.
La transferencia de fluido tiene la máxima eficiencia cuando en las reservas el sistema de
circulación convectiva no esta en funcionamiento. Esta condición permite tener un criterio para
obtener fluidos calientes poco profundos, haciendo más fácil la explotación de depósitos
geotérmicos y económicamente más favorable.
Los recursos de roca caliente seca y geopresión aún están sujetos a investigación y desarrollo.
Las principales dificultades técnicas necesitan todavía ser resueltas antes de que puedan ser
aplicados comercialmente.
Los recursos provenientes de la geopresión suelen ubicarse en regiones donde la energía
térmica contenida en el fluido proveniente de las rocas, aumenta, debido a las altas presiones
resultantes de la gran profundidad a la que están situadas y a que se encuentran confinadas
bajo un sello impermeable.
Un parámetro común para clasificar los recursos geotérmicos es la entalpía de los mismos;
esta es usada para medir el estado de calor contenido por el fluido (energía térmica).
Los recursos geotérmicos se pueden dividir en:
a) Recursos con baja entalpía
b) Recursos con mediana entalpía
c) Recursos con alta entalpía
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Uno de los criterios básicos para determinar la clasificación anterior es la temperatura del
fluido, varios expertos han planteado diferentes conceptos en diferentes épocas sobre el
particular, como se muestra en la Tabla 4-1.
Tabla 4-1 Clasificación de los recursos geotérmicos en base a la temperatura
Muffler & Cataldi,
Hochstein,
Benderitter &
Cormy,
1978
1990
1990
Haenel, Rybach &
Stegena,1988
Baja entalpía
< 90C°
< 125C°
< 100C°
< 150C°
media entalpia
90-150°C
125-225°C
100-200°C
Ύ
Alta entalpía
> 150°C
> 225°C
> 200°C
> 150°C
Otro criterio para caracterizar el fluido de acuerdo a su entalpía es su estado físico, como se
muestra en la Tabla 4-2
Tabla 4-2 Clasificación de los recursos geotérmicos de acuerdo a su estado físico
Alta entalpía
El sistema geotérmico es dominado por vapor seco
El sistema geotérmico es dominado por agua T>210 a 220 °C
media-baja entalpía
El sistema geotérmico es dominado por liquido
Ahora bien dependiendo de la entalpía del recurso, se obtienen diferentes tipos de aplicación,
como se muestra en la Tabla 4-3
Tabla 4-3 Utilización del recurso geotérmico de acuerdo a su entalpía
Alta entalpía
apropiado para generacion de energía
Media-baja entalpía
apropiado para usos directos
4.3. EXPLORACION
Aspectos Básicos a Investigar en un Yacimiento Geotérmico
Entre los aspectos a investigar en un yacimiento geotérmico están: la estimación de
temperaturas y de la presión, entre otras variables, de tal forma que se pueda desarrollar un
modelo que explique razonablemente el yacimiento.
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4.3.1. Estimación de las Temperaturas del Subsuelo
La distribución de la temperatura en el yacimiento es uno de los factores importantes que
determinan el valor económico de un recurso geotérmico. Durante las etapas de exploración,
antes de comenzar costosas operaciones de perforación, se busca una evidencia razonable de
la existencia de alta temperatura en el yacimiento. En los casos en los que el fluido geotérmico
sube y descarga en la superficie, la aplicación de ciertas herramientas denominadas
geotermómetros químicos ha resultado de gran utilidad.
Un geotermómetro permite relacionar la temperatura del yacimiento con la composición
química de los fluidos que afloran de manera natural o por medio de pozos a la superficie.
Existen diversos geotermómetros entre los mas destacados esta el Geotermómetro de
Composición Catiónica (GCC) desarrollado por el Instituto de Investigaciones Eléctricas1 (IIE) y
el de Na- K-Ca.
4.3.2. Pruebas de presión
Para la evaluación del potencial de un campo se requiere del conocimiento realista tanto de las
propiedades de las formaciones del yacimiento (facilidad del flujo de fluidos, capacidad de
almacenamiento, etcétera), como la detección y localización de accidentes hidrológicos que
pueden actuar como barreras o como regiones de recarga de fluidos. Esta valiosa información
puede obtenerse del análisis de pruebas de presión en pozos. Una prueba de presión consiste
fundamentalmente en registrar las variaciones y pérdidas de presión en el fondo de uno o
varios pozos por un determinado tiempo. La inyección o extracción de fluido de los pozos
activos (estimuladores del sistema) provoca la propagación de una variación de presión en el
yacimiento. El desarrollo de dicha variación se registra en uno o varios pozos llamados de
observación. Estos registros son los que contienen la información acerca de los parámetros de
la formación anteriormente citados.
4.3.3. Modelos conceptuales: la física del yacimiento
Después de que se han perforado algunos pozos en un sitio, el problema principal consiste en
desarrollar un modelo que explique razonablemente el comportamiento del sistema. Este
modelo es particularmente importante, ya que representa la base sobre la cual se efectuará la
evaluación de las reservas de calor y fluidos del yacimiento correspondiente. Figura 4-3
muestran ejemplos de perfiles de presión y temperatura los cuales son una herramienta
fundamental para desarrollar el modelo del yacimiento. Otro elemento importante para el
modelo es el permeámetro.
1
Organismo de investigación mexicano
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Pozos del norte del campo
Pozos del centro del campo
Pozos del sur del campo
3200
Elevación de las zonas productoras (m.s.n.m.)
Rev. 00
Fecha: 21/03/03
2800
Rango de elevación de los cabezales
2400
41
17
38
2000
18
33
34
36
31
7
1600
26
35
5
28
23
22
19
1200
25
21
800
1
400
0
4
8
3
40
80
120
9
160
200
Presión (bar)
Figura 4-2 Perfiles de presión y temperatura (en función de la presión)
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Pozos del norte del campo
Pozos del centro de lcampo
Pozos del sur del campo
3200
2800
Elevación de las zonas productoras (m.s.n.m.)
Rango de elevación de los cabezales
2400
41
33
36
2000
38
30
31
7
35
5
1200
28
19
400
21 4
1
8
Vapor
Liquido
800
34
Liquido + Vapor
1600
17
9
3
600
1000
1400
1800 2200 2600
3000
Entalpia (Kj/Kg)
Figura 4-3 Perfiles de presión y temperatura (en función de la entalpía)
El cual permite efectuar mediciones de permeabilidad utilizando gases o líquidos como fluidos
de medición. De igual manera aporta la información para estudios detallados, acerca del
efecto del esfuerzo de sobrecarga sobre la permeabilidad, así como estudiar los fenómenos de
deslizamiento y de turbulencia que se presentan en el caso de flujo de gases a través de
medios porosos.
4.4. POTENCIA INSTALADA CON PLANTAS DE GEOTERMIA EN EL MUNDO
Un resumen de la energía instalada en diferentes países del mundo esta dada por la Tabla 4-4
Tabla 4-4 Potencia Instalada a base de Energía geotérmica
País
MW
Estados Unidos 2850
Nº Unidades MW/Unidad Tipo de planta
País
MW
Nº Unidades MW/Unidad Tipo de planta
203
14
DS, 1F,2F,B,H
Kenia
45
3
15
1F
Filipinas
1848
64
28.9
1F, 2F,H
China
28.78
13
2.2
1F,2F,B
México
743
26
28.6
1F, 2F,H
Turquía
21
1
21
1F
Italia
742
Na
-
DS, 2F,H
Portugal
(Azores)
16
5
3.2
1F, H
Indonesia
589.5
15
39.3
DS, 1F
Rusia
11
1
11
1F
13
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País
MW
Nº Unidades MW/Unidad Tipo de planta
Japón
530
18
29.4
Nueva Zelanda
364
na
Costa Rica
120
El salvador
Rev. 00
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País
MW
Nº Unidades MW/Unidad Tipo de planta
DS, 1F,2F
Etiopía
8.5
2
4.2
H
-
1F,2F,H
Francia
(Guadalupe)
4
1
4
2F
4
30
1F
Argentina
0.7
1
0.7
B
105
5
21
1F, 2F
Australia
0.4
1
0.4
B
Nicaragua
70
2
35
1F
Tailandia
0.3
1
0.3
B
Islandia
50.6
13
3.9
1F,2F,H
4.5. POTENCIAL EN COLOMBIA
Colombia un país con una gran variedad de fuentes de energía y que no ha explotado de una
manera sistemática la geotermia, sin embargo se han hecho algunos esfuerzos por
desarrollarla desde hace aproximadamente 30 años. No fue sino hasta la crisis energética de
la década de los 90’s, cuando se vio la necesidad de explorar fuentes de energía alternativas.
En 1997 fue perforado el primer pozo geotérmico en las Nereidas; en ese mismo año,
Ingeominas,
(Instituto de Investigación e Información Geocientífica)
emprendió una
exploración geotérmica del volcán, comenzando con geología, vulcanología y geoquímica.
Esos estudios preliminares indicaron la posibilidad de un yacimiento que opera a unas
temperaturas entre 200-250º en un estrato maduro del volcán.
A partir de la información recolectada y procesada por Ingeominas, de las características de los
yacimientos termales y datos de temperatura en pozos petroleros, se construyó el mapa
geotérmico de Colombia, Este mapa se constituye en una herramienta de ayuda para
determinar el potencial de utilización tanto directa como indirectamente de los recursos
geotérmicos, tanto para los entes gubernamentales como para los privados.
Por ahora se le han dado usos directos a los recursos geotérmicos (principalmente para
actividades como nadar o bañarse), y se ha hecho una estimación de la capacidad de la
energía usada la cual se presenta en la Tabla 4-5
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Tabla 4-5 Utilización de Energía Geotérmica para Calentamiento Directo
Localidad
Utilización Máxima
tipo
Caudal
capacidad
Temperatura ºC
Utilización anual
Flujo promedio
energía
Capacidad
Entrada
Salida
MWt
Kg/s
TJ/año
Factór
Agua de Dios
B
5.23
36.0
20.0
0.35
3.32
7.00
0.63
Anapoima
B
10.5
28.0
20.0
0.35
6.63
7.00
0.63
Bochalema
B
3.8
57.0
35.0
0.35
2.41
7.00
0.63
Chinacota
B
7.60
46.0
35.0
0.35
4.82
7.00
0.63
Choachí
B
4.92
52.0
35.0
0.35
3.12
7.00
0.63
Coconuco
B
3.64
58.0
35.0
0.35
2.31
7.00
0.63
Coconuco
B
2.32
71.0
35.0
0.35
1.47
7.00
0.63
Colón
B
6.97
47.0
35.0
0.35
4.42
7.00
0.63
Cumbal
B
6.97
32.0
20.0
0.35
4.42
7.00
0.63
Cumbal
B
6.97
32.0
20.0
0.35
4.42
7.00
0.63
Cumbal
B
6.97
32.0
20.0
0.35
4.42
7.00
0.63
Gachetá
B
5.98
49.0
35.0
0.35
3.79
7.00
0.63
Gachetá
B
8.37
45.0
35.0
0.35
5.31
7.00
0.63
Girardot
B
6.43
33.0
20.0
0.35
4.08
7.00
0.63
Guicán
B
8.37
38.0
28.0
0.35
5.31
7.00
0.63
Ibagué
B
6.43
48.0
35.0
0.35
4.08
7.00
0.63
Iza
B
6.97
47.0
35.0
0.35
4.42
7.00
0.63
Iza
B
4.18
55.0
35.0
0.35
2.65
7.00
0.63
Macheta
B
3.22
61.0
35.0
0.35
2.04
7.00
0.63
Macheta
B
11.95
42.0
35.0
0.35
7.58
7.00
0.63
Macheta
B
5.58
50.0
35.0
0.35
3.54
7.00
0.63
Manizales
B
5.58
50.0
35.0
0.35
3.54
7.00
0.63
Nemocón
B
5.98
34.0
20.0
0.35
3.79
7.00
0.63
Paipa
B
4.92
52.0
35.0
0.35
3.12
7.00
0.63
15
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Utilización Máxima
Rev. 00
Fecha: 21/03/03
capacidad
Utilización anual
Paipa
B
2.26
72.0
35.0
0.35
1.43
7.00
0.63
Pandi
B
7.60
26.0
15.0
0.35
4.82
7.00
0.63
Puracé
B
6.97
32.0
20.0
0.35
4.42
7.00
0.63
Ricaurte
B
6.97
32.0
20.0
0.35
4.42
7.00
0.63
Rivera
B
4.40
54.0
35.0
0.35
2.79
7.00
0.63
Santa Marta
B
12.0
42.0
35.0
0.35
7.58
7.00
0.63
Santa Rosa
B
1.86
80.0
35.0
0.35
1.18
7.00
0.63
Santa Rosa
B
3.64
58.0
35.0
0.35
2.31
7.00
0.63
Santa Rosa
B
3.64
58.0
35.0
0.35
2.31
7.00
0.63
Tabio
B
4.18
55.0
35.0
0.35
2.65
7.00
0.63
Tajumbina
B
3.10
62.0
35.0
0.35
1.97
7.00
0.63
Tocaima
B
6.43
33.0
20.0
0.35
4.08
7.00
0.63
Tocaima
B
6.43
33.0
20.0
0.35
4.08
7.00
0.63
Villamaría
B
2.99
63.0
35.0
0.35
1.90
7.00
0.63
13,3
141
266
Total
222
Tipo: B Usos para baño y nado incluyendo balneología
Capacidad (MWt)=maximo caudal (Kg/s)(temperatura de entrada ºC- temperatura de salida ºC)x0.004184
MW=10 6
Uso de energía (TJ/año)= caudal pomedio (Kg/s)x(temperatura de entrada ºC -temperatura de salida ºC)x0.1319
TJ=10 12
Factor de capacidad= (Uso de energía anual (TJ/año) x 0.03171)/ capacidad (MWt)
Nota: el factor de capacidad debe ser menor o igual a uno desde que los proyectos no trabajen al 100% de su capacidad en el año
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4.5.1. Mapa de Fuentes Termales
Colombia tiene cerca de 300 yacimientos2 de fuentes termales, los cuales se muestran en la
Figura 4-4 la mayoría (cerca de 100) están localizados en el volcán Cerro-Bravo, la
caracterización química esta disponible para aproximadamente 180 yacimientos y sus
aspectos destacables se presentan en la Figura 4-4
No
Volcan
1
CERRO BRAVO
2
RUIZ
3
HUILA
4
PURACE
5
DOÑA JUANA
6
GALERAS
7
AZUFRAL
8
CHILES
9
COCONUCOS
10
MACHIN
CONVENCIONES
•
AREAS
TERMALES
LODOS
VOLCÁNICOS
∆
VOLCANES
Figura 4-4 Áreas Geotérmicas
2
Forero, 1958, CHEC y ENEL, 1968, OLADE et al., 1982, CHEC, 1983, OLADE 1987, Arcila, 1985 and Garzón, 1997)
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Tabla 4-6 Inventario de Yacimiento de Aguas Termales Reportados en Colombia
PARAMETROS
Nº
Temperaturas
Geoquímicas mas
altas
PARÁMETROS
Nº
Temperaturas
Geoquímicas mas
altas
Localizado en:
áreas termales
298
caracterización química
178
Clasificación (anion Dominante 50>%)
Cundinamarca- Boyacá
Nevado del Ruiz
240-260
Hulla
160
aguas cloradas neutras
17
PURACE
220
Bicarbonato
102
DOÑA JUANA
200
sulfato
37
AZUFRAL
230-250
mezclado en
proporciones similares
22
Aguas sulfatadas
24
<30ºC
112
presunción de
contribución magmática
6
30-50ºC
115
Presunción de
contribución de fluidos
profundos
29
50-70ºC
43
70-95ºC
15
Temperatura superficial
4.5.2. Mapa de gradientes geotérmicos en Colombia
La primera versión del mapa fue producida basada en temperaturas de 1711 pozos, aparte de
los 4400 registros de pozos petroleros perforados en 13 cuencas sedimentarias y otra área,
mas un pozo geotérmico en el nevado del Ruiz. El mapa se muestra en la Figura 4-5 donde es
representada por líneas isotermas.
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Figura 4-5 Temperatura a 3 Km de profundidad en pozos petroleros
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4.6. EXPLOTACIÓN DE LOS RECURSOS GEOTÉRMICOS
Los recursos geotérmicos satisfacen diferentes usos.
posibilidades de usos.
En la Tabla 4-7 se presentan las
Tabla 4-7 Explotación de los recursos geotérmicos
Usos
temperatura
Entalpía
Usos directos
Generación Eléctrica
300°C
Generación eléctrica
directa
Recursos Alta entalpía
200°C
Despulpadora
Secador inorgánico
Evaporación
150°C
―
Fermentación
―
Ciclo Binary
Calentamiento de
espacios
Generación eléctrica
directa
100°C
Secado-Enfriado
85°C
Agricultura
Balnearios
Recursos baja entalpía
Aquacultura
20°C
0°C
Como se observa de la tabla anterior existen dos grandes tipos de aplicación: usos directos y
generación de energía eléctrica, la cual es posible por encima de 85ºC.
La temperatura del recurso puede limitar las aplicaciones posibles; cuando esta es igual o
menor a 20°C los recursos son explotados solamente en condiciones muy especiales o usando
bombas de calor.
20
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4.7. USOS DIRECTOS DE LA GEOTÉRMIA
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 cuales se pueden mencionar los siguientes:
calefacción, procesamiento de alimentos, lavado y secado de lana, fermentación, industria
papelera, producción de ácido sulfúrico, manufactura de cemento, etcétera , como se presenta
en la Tabla 4-8
Tabla 4-8 Usos directos de la Geotermia.
TEMPERATURA
°C
USOS
200
180
Evaporación de soluciones altamente concentradas.
Refrigeración por absorción de amoníaco,digestión de pasta
papelera (Kraft).
Agua pesada mediante un proceso con sulfuro de hidrógeno.
160
Secada de alimento para pescado,secado de madera.
Alumina mediante el proceso Bayer.
140
Secado de productos agrícolas a altas velocidades, enlatados de
alimentos.
120
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
100
Secado de materiales orgánicos, algas,hierba, hortalizas,
etcétera.
Lavado y secado de lana
Secado de pescado, operaciones intensas de descongelamiento.
80
Calefacción ambiental.
Refrigeración (limite de temperatura inferior).
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TEMPERATURA
°C
60
Rev. 00
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USOS
Zootecnia.
Invernaderos mediante una 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.
20
Criaderos de pesces.Piscicultura.
4.7.1. Equipo estándar
En la mayoría de proyectos de uso directo se utiliza un equipo estándar; los equipos necesarios
dependen de la naturaleza del agua geotérmica y del vapor. Otro factor importante a tener en
cuenta es la temperatura del agua. La corrosión e incrustación causadas por la química de los
fluidos geotérmicos, puede conducir a problemas en la operación de los componentes del
equipo expuestos al flujo de agua y al vapor. En muchos casos, los problemas con fluidos
pueden solucionarse tomando medidas externas al sistema. Un buen ejemplo consiste en el
oxigeno disuelto, el cual está ausente en la mayoría de aguas termales, (excepto quizás en las
aguas con más baja temperatura), el cual es perjudicial para el sistema de calentamiento; este
problema se puede corregir, con un diseño apropiado de tanques de almacenamiento. El
aislamiento de aguas termales instalando un intercambiador de calor también puede resolver
este problema y otros similares derivados de la calidad del agua. En este caso, un fluido de
limpieza secundario se hace circular a través del sistema de usuario como se muestra en la
Figura 4-6
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130 °F
INTERCAMBIADOR DE
CALOR
SISTEMA DE USO
DE ENERGÍA
170 °F
GEOTERMICA
140 °F
EQUIPO DE
PRODUCCIÓN
EN BOCA DE
POZO
EQUIPO DE
INYECCIÓN EN
BOCA DE POZO
Figura 4-6 Sistema de utilización directa de la geotermia con intercambiador de calor
Los componentes primarios de muchos sistemas de uso directo de baja temperatura son
bombas de circulación, líneas de transmisión y distribución, plantas de contrapresión o carga
pico, y otros equipos de extracción de calor Figura 4-6). La disposición del fluido se hace en la
superficie o se reinyecta. A continuación se hace una descripción de las principales unidades.
4.7.2. Componentes del Equipo Estándar
4.7.2.1. Bombas de Fondo de Pozo
A menos que el pozo sea artesiano, se requieren bombas del tipo fondo de pozo,
especialmente en sistemas de utilización directa a gran escala. Estas bombas deben instalarse
no solamente para elevar el fluido a la superficie, sino también para prevenir la liberación del
gas y la formación de incrustaciones. Los dos tipos más comunes son: sistemas de bombas
centrífugas y bombas electrosumergibles.
El sistema de bomba centrífuga (Figura 4-7a) consiste en una bomba centrifuga multietapas
para fondo de pozo, un motor montado en la superficie y un conjunto de ejes del motor.
Muchos son protegidos, junto al eje de rotación con una columna de lubricación la cual es
centrada en el tubo de producción. Este conjunto permite lubricar los cojinetes con aceite, ya
que el agua caliente no da una adecuada lubricación. Un mecanismo de cambio de velocidad
colocado debajo del motor en superficie, puede ser usado para regular el flujo.
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Motor
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Cabecera
Pozo
Caja Velocidades
Cabecera
Pozo
Controles
Controles
del Motor
Rodamientos
Válvula de
Chequeo
Columna de
Lubricación
Conductor
Eléctrico
Rotor
Revestimiento
Columna de Bomba
Bomba
Multietapas
Cabeza de Descarga
Conexión
Bomba
Bomba
Multietapa
Revestimiento
Entrada
Bomba
Motor
Eléctrico
a)
b)
Figura 4-7 a) Detalles bomba centrífuga, b) Detalles bomba electrosumergible
El sistema de bomba electrosumergible (Figura 4-7) b) consiste de una bomba centrifuga
multietapas para fondo de pozo, un motor para fondo de pozo, una sección sellada (también
llamada protector) entre la bomba y el motor, y un cable eléctrico extendido desde el motor
hasta el suministro de energía en superficie.
Ambos tipos de bombas para fondo de pozo han sido utilizadas durante muchos años para
bombeo de agua fría y más recientemente en pozos geotérmicos. Si se utiliza una bomba
centrífuga se deben hacer consideraciones especiales para la expansión térmica de varios
componentes y para la lubricación de los cojinetes. Se prefiere utilizar bombas centrífugas en
lugar de bombas electrosumergibles en aplicaciones geotérmicas convencionales
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principalmente por su menor costo. Sin embargo, para profundidades que excedan los 250m,
se requiere de bombas electrosumergibles.
4.7.2.2. Tubería
El estado del fluido en las líneas de transmisión de proyectos de uso directo puede ser agua
líquida, vapor de agua o una mezcla de las dos fases. Estas tuberías llevan los fluidos desde la
cabeza de pozo hasta el sitio de aplicación, o a un separador de vapor – agua. La expansión
térmica de las tuberías calentadas rápidamente desde la temperatura ambiente hasta la
temperatura del fluido geotérmico (la cual puede variar de 50 a 200 ºC) causa problemas de
esfuerzos que deben ser tratados con un diseño de ingeniería cuidadoso.
El costo de las líneas de transmisión y de los canales de distribución en proyectos de uso
directo es significativo. Esto es especialmente cierto cuando los recursos geotérmicos se
localizan a gran distancia del principal centro de consumo. Ver la Figura 4-8
Aislamiento de Poliuretano
o Roca
Covertura Protectora de
Aluminio o Acero
Lámina de Madera
Aislamiento de
Polietileno
Tuberia
De Acero
Concreto
Cojinete y
Rodamientos
Tuberia de
Acero
Grava
Aislamiento
de Poliuretano
o Roca
Grava
Tuberia de
Desague
Tierra
Concreto
Grava
Compactada
a)
Covertura de
Polietileno
b)
Arena
Covertura de
Cesped
Nivel de Arena
Alrededor de
La Tuberia
Polietileno
Tuberia de Acero
Arena Volcania
Tierra
Nivel de Grava
Tuberia de Cemento o
Plástico
Drenaje
d)
c)
Figura 4-8 Ejemplos de instalaciones de tuberías en superficie y enterradas.
a) tuberia en la superficie con un recubrimieto metálico, b)tubería en acero en un tibo de concreto, c)
tubería en acero aislada y reecubierta en poliuretano d) tuberia de asbesto cemento, con cubrimiento de
tierra y engramado
El acero es actualmente el material más ampliamente utilizado para líneas de transmisión
geotérmica y canales de distribución, especialmente si la temperatura del fluido está por
encima de 100ºC. Otros tipos comunes de materiales para tubería son la fibra de vidrio
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reforzada con plástico (FRP) y los cementos de asbesto (AC). Este último, no puede ser
utilizado en muchos sitios. La tubería de cloruro de polivinilo (PVC) se utiliza frecuentemente
para los canales de distribución, y para líneas de disposición de residuos no aisladas donde las
temperaturas de pozo están por debajo de 100ºC. Las tuberías convencionales de acero
requieren provisiones de expansión, ya sea bajo arreglos o por cadenas. Una instalación típica
de tubería podría tener puntos fijos y puntos de expansión en cada 100 m. Además, la tubería
tendría que ser colocada en rodillos o en placas deslizadoras entre cada punto. Cuando las
tuberías de agua caliente se entierran, pueden estar sujetas a la corrosión externa del agua
subterránea y electrólisis
En condiciones de flujo estandar, las pérdidas de temperatura se presentan en la Figura 4-9.
En tuberías aisladas están en el rango de 0.1 a 1ºC/km, y en líneas no aisladas, las pérdidas
están dentro de 2 a 5ºC/km en un rango aproximado 5 a 15 l/s para una tubería de 15 cm.
Temperatura del Fluido °F
Temperatura del Fluido °C
Distancia de Transmisión (Millas)
(1.5 m/s)
(0.5 m/s)
Temperatura del Suelo
Distancia de Transmisión (km)
Figura 4-9 Pérdidas de calor en las tubería
4.7.2.3. Intercambiadores de Calor
Los principales intercambiadores de calor utilizados en sistemas geotérmicos son del tipo de
placa, tubular y de fondo de pozo. El intercambiador de placas consiste en una serie de placas
conjuntas aseguradas a una estructura con varillas de agarre (Figura 4-10). El caudal y alta
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turbulencia alcanzada en intercambiadores de calor de placa dan el intercambio térmico
eficiente en un volumen pequeño. Además, tienen la ventaja cuando son comparados con los
intercambiadores tubulares, de ocupar menos espacio, pueden ser expandidos fácilmente
cuando una carga adicional se adiciona, y el costo es casi 40% menos. Las placas están
usualmente construidas de acero inoxidable; sin embargo, se utiliza titanio cuando los fluidos
son especialmente corrosivos. Los intercambiadores de calor de placa los mas utilizados en el
mundo.
Figura 4-10 Intercambiador de calor tipo placa tubular
Los intercambiadores tubulares pueden utilizarse para aplicaciones geotérmicas, pero son
menos populares debido a problemas con incrustaciones.
Los intercambiadores de calor de fondo de pozo eliminan el problema de disposición de los
fluidos geotérmicos, puesto que solo toma el calor del pozo. Sin embargo, su uso está limitado
a pequeñas cargas de calor como las de calefacción de casas individuales, apartamentos o
edificios. El intercambiador consiste de un sistema de tuberías o tubos suspendidos en el pozo
a través de los cuales el agua secundaria es bombeada o circula por convección natural (
Figura 4-11). Con el fin de obtener la máxima salida, el pozo debe ser diseñado para tener un
espacio abierto (anillo) entre la pared del pozo y la tubería de revestimiento, y las perforaciones
encima y debajo de la superficie del intercambiador de calor. La convección natural hace
circular el agua en el revestimiento, hacia las perforaciones más bajas, sobre el anillo y atrás de
la pared del revestimiento, hacia las perforaciones más altas. (Culver and Reistad, 1978). La
utilización de una tubería separada o promotora ha sido probada exitosamente en pozos ya
perforados para incrementar la circulación vertical (Dunstall y Freeston, 1990).
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Tanque de Sobrepresión
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Válvula
Controlada
Manualmente
Radiadores
Válvula
Controlada
Manualmente
Termostato
Válvula
Controlada
Manualmente
Válvula Selenoide
Válvula Reductora de Presión
Válvula de Alivio de Presión
Agua Caliente
Domestica
Agua de la Ciudad
Lechada de Cemento
Cubierta
Nivel de Agua
Perforaciones
2"φ Tuberia
Espacio Abierto
3/4" φ ppc
Perforaciones
Aquifera Geotermica
Figura 4-11 Intercambiador de calor de fondo de pozo
4.7.2.4. Convectores
El calentamiento de edificios y casas se alcanza pasando agua geotermal (o un fluido de
calentamiento secundario) a través de convectores de calentamiento (o emisores) localizados
en cada habitación. El método es similar al utilizado en sistemas convencionales de
calentamiento de espacios. Los tres principales tipos de convectores se utilizan para
calentamiento de espacios: 1) aire forzado 2)flujo de aire natural utilizando agua caliente o
radiadores tubulares de aletas y 3) paneles radiantes (Figura 4-12). Todos los tres pueden
adaptarse directamente a la energía geotérmica o convertirse modificando los dispositivos
existentes.
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Agua Caliente
Aire
Aire Tibio
Agua Tibia
a)
Agua Caliente
Aire Tibio
Agua Tibia
Aire
b)
Aire Tibio
Agua Caliente
Agua Tibia
Aire
C)
Agua Caliente
Agua Tibia
d)
Figura 4-12 Tipos de convectoresa) Aire forzado b) Flujo de aire natural utilizando agua
caliente o radiadores tubulares de aletas), c) Convección natural (radiador) d) Panel de
superficie.
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4.7.2.5. Refrigeración
La refrigeración puede obtenerse de energía geotérmica utilizando sistemas de refrigeración
por absorción con bromuro de litio y amonio (Rafferty, 1983). El sistema con bromuro de litio
es el más común ya que utiliza agua como refrigerante. Sin embargo, está limitado a refrigerar
sobre el punto de congelamiento del agua. La principal aplicación de las unidades de bromuro
de litio es como suministro de agua fría para espacios y procesos de refrigeración. Estas
pueden ser unidades de una o dos etapas. Las unidades de dos etapas requieren
temperaturas más altas (aproximadamente 160ºC); pero tienen alta eficiencia. Las unidades
de una etapa pueden manejarse con agua caliente a temperaturas tan bajas como 77ºC. Entre
más baja la temperatura del agua geotermal, se requiere un caudal más alto y se tiene menor
eficiencia. Generalmente, se requiere una torre de refrigeración, la cual se adicionará a los
requerimientos de espacio y costos.
Para la refrigeración que esté por debajo del punto de congelamiento del agua, se debe
considerar el sistema de absorción con amonio. Sin embargo, estos sistemas se aplican para
mayores capacidades y su uso se ha visto limitado. Para la temperatura de refrigeración más
baja, la temperatura de trabajo debe estar por encima de 120ºC para obtener un rendimiento
razonable. La Figura 4-13 ilustra como funciona el proceso de absorción geotérmica.
Agua Geotermica
Generador
Agua Refrigerante
Condensador
Amoniaco Liquido
Solución de Agua y Amoniaco
Válvula de Expansión
Serpentin Evaporador
Vapor de Amoniaco
Bomba
Absorción
Agua Refrigerante
Espacio Refrigerado
Figura 4-13 Ciclo de absorción-refrigeración .
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4.8. GENERACIÓN ELÉCTRICA
De acuerdo con las características de producción del campo geotérmico, por ejemplo flujo
másico y entalpía, se puede seleccionar tanto el tamaño como el ciclo térmico de la planta de
generación.
La capacidad instalada de generación de la planta puede determinarse con base en el
mercado de energía y la productividad actual del yacimiento (este se realiza por medio de la
simulación del modelo matemático de la reserva). El ciclo térmico se selecciona, de acuerdo
con características del fluido, pero también tomando en consideración l las condiciones
económicas del proyecto.
En general se tienen tres ciclos, para la producción de energía eléctrica:
•
Ciclo con unidades de contrapresión
•
Ciclo con unidades de condensación
•
Ciclo binario
A continuación se hará una breve explicación de cada uno de ellos:
4.8.1. Ciclo con Unidades de Contrapresión
Los fluidos de alta entalpía pueden contener vapor seco o una mezcla de vapor y agua, en
dicho caso, el agua y el vapor son divididos por un separador ciclónico. El vapor vá a la turbina
y el agua a reinyección..
Ese tipo de turbinas tienen un bajo costo pero tambien baja eficiencia. Su tamaño es pequeño,
generalmente entre 1 a 5 MW y es instalada cerca de las bocas de los pozos. El consumo de
vapor es del orden de 15Kg/KWh, que es cerca del doble de la cantidad utilizada por las
turbinas que condensan eficientemente.
Este ciclo, el vapor es descargado a la atmósfera después de la expansión en la turbina, es
usado en campos con un alto contenido de gas, (superior al 10% ), debido a que la extracción
de gas para plantas de condensación, puede llegar a ser relativamente costosa para una
concentración de gas en este rango, la implementación de plantas binarias también puede ser
una solución adecuada.
Las unidades de contra-presión, pueden ser instaladas e implementadas, en pocos meses y
ser trasladadas de un sitio a otro; por consiguiente, son adecuadas para instalar
provisionalmente en cualquiera de las fases en el desarrollo del campo. Esta fase es
recomendada debido a que esto anticipa la recolección de recursos de explotación del campo,
permitiendo un eficiente monitoreo del comportamiento del campo, ant-es de la instalación de
las plantas de generación
31
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4.8.2. Ciclo con Unidades de Condensación
En este ciclo el vapor es condensado a la salida de la turbina, la presión en la cámara de
escape baja a alrededor de 0.10-0.12 bar, que incrementa la entalpía diferencial y por
consiguiente la eficiencia del ciclo. El consumo de vapor es del orden de 7-8 Kg/KWh siempre
y cuando el contenido de gas sea menor del 1% y unas condiciones climáticas adecuadas.
La producción en campos donde los fluidos están dominados por agua, requiere el uso de
separadores vapor/agua, con cualquiera, single o doble flash. En los sistemas tipo single
flash se puede seleccionar la presión de separación, así en la conexión de entrada de la
turbina la presión puede ser optimizada (generalmente entre 5 y 7 bares). En esas
condiciones, el separador de agua mantiene una temperatura del orden de 150-170ºC, esta
agua, por consiguiente, estará de nuevo a baja presión (2-2.5 bares), y la alimentación de la
turbina se encontrara en unas condiciones adecuadas.
Un ciclo doble no es siempre recomendado por dos razones; la primera es que la temperatura
final del agua separada (alrededor de 120ºC) generalmente incrementa las incrustaciones en
los pozos de reinyección. Segundo; el costo del equipo no necesariamente da como
resultado un incremento en la producción de energía, que compense la inversión adicional,
especialmente cuando el contenido del agua en un fluido geotérmico decrece con el tiempo,
como ocurre a menudo en reservas de alta entalpía
4.8.3. Ciclo binario
En este ciclo el fluido geotérmico viaja a través del intercambiador de calor, alli se evapora
un fluido secundario de bajo punto de ebullición ( cloro fluoro carbonado, amoniaco, isobutano),
que impulsa una turbina y es condensado y reciclado dentro de un sistema cerrado. Ese tipo
de unidades son usadas en la mayoría de los casos para la producción de energía eléctrica, utilizando recursos con baja y media temperatura. Un parámetro para seleccionar el fluido
secundario es la temperatura de funcionamiento (aproximadamente 90ºC)
Ese tipo de unidades tiene alto costo por unidad de capacidad instalada en comparación con
las de condensación convencional pero en muchos casos son la alternativa mas adecuada
para el desarrollo geotérmico. Se puede obtener una alta eficiencia especialmente cuando el
contenido de gas del fluido es alto, en tal caso las plantas binarias pueden llegar a ser mas
económicas que las unidades de condensación convencional (que tengan incorporado equipo
para extracción de gas), para un fluido de entalpía media las plantas binarias generalmente
son la alternativa mas económica sin preocuparse por el contenido de gas. Las unidades con
ciclo binario proveen un alto grado de flexibilidad y permiten optimizar el recurso geotérmico
por medio de la combinación de sistemas en cascada.
4.8.4. Tipos de Plantas
4.8.4.1. Plantas tipo Vapor Directo (Direct Steam)
Las plantas de este tipo también se denominan (Vapor seco) usan reservas de vapor seco, el
cual puede ser saturado o sobrecalentado, el cual lleva cierta cantidad de gases no
condensables de composición y concentración variable.
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El vapor es llevado de varios pozos a través de una tubería a la casa de máquinas donde es
usado directamente en turbinas tipo impulso/reacción. Entre la boca del yacimiento y la planta
existen separadores centrífugos situados cerca del yacimiento para remover partículas tales
como polvo y sólidos tales como pedazos de la piedra; a lo largo de la tubería se instalan
puntos de drenaje para remover la condensación de vapor que se forma durante la transmisión,
y así remover la humedad a la entrada de la casa de máquinas.
La Figura 4-14 muestra un diagrama simplificado de las plantas tipo Direct-Steam. En el vapor
geotérmico se encuentran gases no condensables( NCG), usualmente entre 2 al 10%, lo cual
hace que sea necesario un sistema de extracción de gas, (componente crítico de la planta).
Usualmente, se utilizan eyectores de dos etapas, con condensadores tanto dentro como al
final de los mismos., sin embargo en algunos casos es necesario colocar bombas de vacío o
turbo compresores.
CONVENCIONES
CP
Bomba de
condensado
C
Condensador
SE/C
Eyector /
PW
condensador vapor
Pozos de
producción
CSV
Válvulas de
control y parada
CT
Torre de
enfriamiento
SP
Tubería de Vapor
PR
Reductor de
presión
IW
Pozos de
Inyección
CWP
Bomba para
agua de
refrigeración
T/G
Turbina /
generador
WV
Válvulas de
Cabeza de pozo
MR
Removedor de
humedad
Figura 4-14 Diagrama Simplificado Planta Tipo Vapor Directo
Un condensador tipo superficie se presenta. En la Figura 4-14 , pero se usan a menudo los
condensadores de contacto directo; el anterior se prefiere siempre que el vapor de NCG deba
tratarse o debe procesarse antes de descargarlo a la atmósfera por ejemplo siempre exista la
posibilidad que los limites para el ácido sulfidrico sean excedidos, en tales casos una
planta de química puede ser instalada para remover dicho compuesto, sin embargo para una
planta pequeña no es económicamente viable.
Como se observa en la Figura 4-14 el sistema incluye un condensador de refrigeración. El
vapor condensado no recircula a la caldera, tal como en una planta de generación
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convencional, este se utiliza para alimentar la torre de enfriamiento, el exceso de condensado
típicamente de 10-20% de peso del vapor, es usualmente reinyectado al yacimiento. A largo
plazo la producción puede agotar las reservas y se están explorando técnicas para aumentar
la cantidad de fluido reinyectado. El uso los condensadores de aire permitirían el 100%
retorno pero hasta ahora han sido antieconómicos. Las torres de enfriamiento de tiro
mecánico, ya sea de flujo continuo o cruzado son las mas usadas para sistemas de
enfriamiento tipo húmedo, sin embargo, en algunas plantas se utilizan las torres de tiro natural.
En la actualidad las plantas tienen unos rangos de 20 60 MW por unidad, dichas unidades
tienen un diseño modular para rápida instalación, el diseño flexible permite adaptarse a un
amplio rango de condiciones de vapor.
4.8.4.2. Plantas Tipo “Flash- Steam3”
Los yacimientos de vapor seco, son poco frecuentes. Los mas conocidos son aquellos donde
predomina la fase líquida. En pozos artesianos, el fluido producido es una mezcla de las dos
fases, líquido y vapor. La calidad de la mezcla (por ejemplo porcentaje de vapor) es función de
las condiciones del fluido en el yacimiento, las dimensiones del pozo, y la presión en la
cabeza del pozo , la cual se controla mediante una válvula o por medio de una placa de
orificio.
A pesar de que algunas máquinas experimentales han generado energía impulsadas por un
fluido que cuenta con las dos fases (líquido y vapor), convencionalmente se separan las fases
y solo se usa el vapor para impulsar la turbina debido a su presión en la cabeza del pozo es
baja, típicamente entre 0.5-1Mpa la fase líquida y la gaseosa difieren significativamente en la
densidad (rf/rg=175-350) permitiendo una separación efectiva por la acción centrífuga. Los
separadores centrífugos producen vapor con calidades superiores al 99.99%.4
El líquido proveniente del separador puede ser reinyectado, usado para producir energía
térmica por medio de intercambiadores de calor para gran variedad de aplicaciones directas,
o aplicaciones de baja presión inmediatas mediante la válvula de control o la placa de orificio.
Las plantas en las que se utiliza vapor a alta presión para generar energía son las llamadas
single flash y las que usan tanto el vapor a alta y a baja presión son denominadas Double –
Flash
4
Lazalde-Crabtree, H., 1984. Desing Approach of Steam- Water Separators and Steam Dryers for
Geotermal Aplications,” Geothermal resources Council Bulletin, 13; Nº. 8, pp 11-20
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4.8.4.3. Plantas Tipo “Single Flash”
Un diagrama simplificado de una planta de este tipo se muestra en la Figura 4-15
CONVENCIONES
BCV
Válvula de cheque
Tipo bola
WP
Tubería de Agua
MR
Removedor de
humedad
CWP
Bomba para agua
de refrigeración
CP
Bomba de
condensado
C
Condensador
SE/C
Eyector / condensador
vapor
PW
Fluido de producción
del pozo
Separador Ciclónico
SP
Tubería de Vapor
S
Silenciador
Torre de enfriamiento
T/G
Turbina / generador
WV
Válvulas de Cabeza
de pozo
CSV
IW
Válvulas de control y
parada
CS
Pozos de Inyección
CT
Figura 4-15 Diagrama de planta tipo single flash
El fluido con las dos fases proveniente del pozo es dirigido horizontal y tangencialmente en el
separador ciclónico. El líquido tiende a fluir en forma circular por las paredes, mientras que el
vapor sube y es removido por un tubo vertical. El diseño es muy simple ya que no tiene
partes móviles y es conocido como separador de salida en el fondo. En ocasiones se utilizan
bafles para mejorar la segregación de las dos fases, una válvula de bola provee seguridad
ante la presencia de impurezas del líquido que pueda entrar en la línea de vapor. Las líneas
de transmisión de vapor son esencialmente las mismas que las usadas en las plantas tipo DrySteam .
El balance de la planta es también es prácticamente idéntico a las plantas tipo direct-steam,
la principal diferencia es la cantidad de líquido que debe ser manejado. Comparando plantas
de 55MW, una planta típica Single- Flash produce cerca de 630 Kg/s de liquido sobrante,
mientras que una planta Direct-Steam produce 20Kg/s, una relación de 30 a 1, si todo este
liquido es reinyecto la planta Single –Flash podrá retornar al yacimiento cerca del 85% de la
masa producida, en comparación del 15 % de la planta tipo Direct- Steam.
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4.8.4.4. Plantas Tipo “Double Flash Plants”
Mediante esta tecnología se puede obtener entre un 20 a un 25% de potencia adicional a partir
del mismo fluido geotérmico. El vapor de baja presión producido al estrangular el liquido a
baja presión es enviado a una turbina de baja presión o a una etapa adecuada de la turbina
principal (en el caso de una turbina de admisión dual). Los principios de operación de este tipo
de planta es similar a la planta tipo Single Flash, sin embargo es mucho mas costosa debido a
que requiere mayor equipamiento. La
Figura 4-16 muestra un diagrama simplificado de este tipo de plantas.
CONVENCIONES
BCV
CP
Válvula de
cheque Tipo WP
bola
Bomba de
condensado
Tubería de
Agua
IW
C Condensador MR
CSV
Válvulas de
CS
control y
parada
SE/C
Eyector /
condensador
vapor
Separador
Ciclónico
T/G
Pozos de
Inyección
F
"Flasher"
Removedor
Fluido de
PW producción
de
humedad
del pozo
SP
E
Tubería de
SH Sobrecalentador
Vapor
Evaporador
S
Silenciador
Turbina /
Válvula
Agua de
Válvulas de
TV
CW
WV
Cabeza de pozo
generador
Reguladora
refrigeración
Figura 4-16 Diagrama de planta tipo double flash
4.8.4.5. Plantas Tipo Binario (Binary Plants)
En una planta tipo Binario la energía térmica del geofluido se transfiere por medio de un
Intercambiador de calor a un fluido de trabajo secundario para uso en un ciclo convencional. El
geofluido no esta en contacto con las partes móviles de la planta, así mismo minimiza y en
muchos casos elimina los efectos de la erosión, las plantas binarias tienen ventajas puesto
que pueden manejar geofluidos de baja temperatura (menos de 150 ºC), de alto contenido de
gases disueltos y corrosivos.
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Un diagrama de este tipo de planta se presenta en la Figura 4-17, el ciclo consiste en un
precalentador,
un evaporador, válvulas de control, el conjunto turbina generador, un
condensador y una bomba de alimentación. El agua o el aire puede ser usado para
enfriamiento, dependiendo las condiciones del sitio. Si se usa enfriamiento húmedo, se debe
disponer de agua de reposición. Debido a las impurezas químicas de la salmuera residual en
general no es adecuada para utilizar en la torre de enfriamiento. Hay un amplio rango de fluidos
de trabajo para el ciclo de potencia, para su selección se debe tratar de lograr el mejor
aprovechamiento termodinámico a partir de las características del geofluido, en especial su
temperatura. Hidrocarburos tales como el Isobutano, isopentano y propano son buenos
candidatos para ser usados como fluidos de trabajo al igual que ciertos refrigerantes. El fluido
de trabajo óptimo será el que proporcione mas alta eficacia y una condición de operación
segura y económica.
CONVENCIONES
CP
Bomba de
condensado
C
Condensador
IW
Pozos de
Inyección
IP
Bomba
Inyección
M
Agua de
repocisión
CSV
Válvulas de
control y
parada
CWP
Bomba para
agua de
refrigeración
PH
Precalentador
SR
Removedor
de arena
FF
Filtro Final
E
Evaporador
PW
Turbina /
generador
PH
Bomba de
pozo
CT
Torre de
enfriamiento
Fluido de
producción del T/G
pozo
Figura 4-17 Diagrama Simplificado de planta tipo Binario (Binary Plants)
Las plantas tipo binarias son particularmente adecuadas para conformar paquetes modulares
de 1-MW por unidad, estas unidades, son probadas en la fábrica ensambladas y embarcadas
al sitio para rápida instalación en el campo. El diseño de este tipo de plantas permite que que
se puedan interconectar varias en el sitio del yacimiento para ajustarse al potencial del
recurso. La Tabla 4-9 muestra el equipo, mas importante que conforma una planta tipo
binario.
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Tabla 4-9 Equipo principal en Plantas Geotérmicas
Equipo
tipo de sistema
Dry steam
Single flash
Double Flash
Basic Binary
Bombas
no
No (Pos)
No (Pos)
si
válvulas cabeza de pozo
si
Si
si
si
Silenciadores
si
Si
si
no
Desarenadoras
si
No
No
si
Tubería de vapor
si
Si
si
no
separadores ciclón de
vapor
no
Si
si
no
tanques de
almacenamiento
no
No
si
no
Tubería salmuera
no
Si
si
si
bomba auxiliar
no
Pos.
Pos.
Pos.
separador final humedad
si
Si
si
no
Evaporadores
no
No
No
si
Condensadores
si (no)
si (no)
si
si
Turbina de vapor
si
Si
si
no
Turbina de vapor orgánica
no
No
no
si
Turbina de admisión dual
no
No
si
no
Sistema de control
si
Si
si
si
Condensador
si (No)
si (No)
si
si
Agua refrigeración
si (No)
si (No)
si
si
inyección salmuera
No
No (Pos)
si (no)
si
suministro vapor o
salmuera
Intercambiador de Calor
Turbina-Generador y
controles
Bombas
Sistema remoción gas no condensable
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Equipo
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tipo de sistema
Eyectores de vapor
si
Si
si
no
Compresores
Pos.
Pos.
Pos.
no
bombas de vacio
Pos.
Pos.
Pos.
no
tipo humedo
si (No)
si (No)
si
Pos.
tipo seco
No
No
No
Pos.
Torres de enfriamiento
Pos. Posibilidad de usar bajo ciertas circunstancias
Si para el fluido de trabajo se usa una mezcla tal como isobutano, e isopentano o agua y
amoniaco, el proceso de evaporación y condensación puede ocurrir a una temperatura
variable, esta característica permite aumentar la compatibilidad entre la salmuera y el fluido de
trabajo (evaporación) y el agua de refrigeración y el fluido de trabajo (condensación),
generando alta eficiencia en el intercambiador de calor y un pequeño aumento de la misma en
todo el sistema. Además, si la cámara de escape lleva una cantidad importante de vapor
sobrecalentado, el calor recuperado puede ser utilizado para precalentar el fluido de trabajo.
Con base en estas características se desarrollo la versión Kalina de la planta tipo Binario,
como se presenta en la Figura 4-18
CONVENCIONES
CP
CSV
E
Bomba de
condensado
Fluido de
PW producción
del pozo
Condensador FF
Filtro Final
IP
Bomba
T/G
Inyección
Válvulas de
control y
CT
parada
Torre de
IW
enfriamiento
Pozos de
Inyección
M
Agua de
Removedor
SH Sobrecalentador SR
repocisión
de arena
Evaporador CWP
Bomba para
Bomba de
agua de PH Precalentador P
R
pozo
refrigeración
C
Turbina /
generador
Recuperador
TV
Válvula
Reguladora
Figura 4-18 Diagrama simplificado para la planta tipo binary Kalina
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4.8.4.6. Plantas Combinadas o Híbridas
Como se ha mencionado los fluidos geotérmicos tienen un amplio rango de propiedades
físicas tales como temperatura, presión, presencia de gases no condensables, sólidos
disueltos , pH, potencial de corrosión, por tal razón una gran variedad de sistemas de
conversión de energía han sido desarrollados para adaptarse a estas condiciones particulares.
Los sistemas descritos anteriormente pueden ser combinados para lograr sistemas mucho
mas efectivos, en consecuencia se pueden diseñar los siguientes tipos de plantas híbridas
♦ Plantas direct-steam/ Binary
♦ Plantas single flash/ Binary
♦ Planta integrada Single y Doble Flash
♦ Sistema híbrido geotermia y fosil
4.8.5. Desempeño de las Plantas de Generación
Un método para medir el funcionamiento de los sistemas de energía es utilizar la segunda ley
de la termodinámica, como la base para dicha estimación. El concepto de trabajo o energía
disponible es usado generalmente para este propósito. Ya que las plantas geotérmicas no
operan en un solo ciclo sino en una serie de procesos, la eficiencia del ciclo térmico hth para
plantas convencionales no aplica.
La eficiencia del ciclo térmico hth, , puede ser aplicada de forma significativa, a las plantas
geotérmicas, en el caso de las plantas binarias. Sin embargo, la eficiencia térmica aun en
este caso debe ser calculada solamente para evaluar el ciclo cerrado incluyendo el fluido de
trabajo y no la operación global en la cual se tenga en cuenta el geofluido, desde los pozos
productores hasta la salida de la planta
La eficiencia de utilización hu, la cual mide la conversión de trabajo disponible, del recurso en
trabajo útil. Para plantas geotérmicas se tiene que:
ηu=W/(m e)
Donde W es la potencia eléctrica entregada a la red, m es el caudal masico total del fluido
geotérmico y e es la energía específica del geofluido bajo condiciones en el yacimiento. Donde
e esta dada por:
E=h(P1-T1)-h(P0-T0)-T0(s(P1-T1)-s(P0-T0))
La Entalpía específica h, y la entropía s, son evaluadas bajo condiciones del yacimiento, P1 y
T1 en el llamado “estado estacionario” P0-T0 corresponde a las condiciones del sitio en que
esta ubicada la planta. En la práctica la temperatura de diseño de bulbo húmedo puede ser
usada como T0 (en grados absolutos) cuando se utiliza un sistema de enfriamiento húmedo,
la temperatura de- diseño de un bulbo seco puede ser utilizada cuando se emplea
enfriamiento por aire.
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Las especificaciones principales y desempeños de plantas de generación del tipo DirectSteam, Single y Double Flash estan dados en la Tabla 4-10 y en la Tabla 4-11 se presentan
datos similares para pequeñas plantas binarias. El consumo específico de geofluido (SGC),
es una medida del desempeño. Se observa un dramático incremento en este parámetro,
cuando compara plantas binarias con las tipo steam, particularmente las de tipo directo (direct
steam). Se puede observar que las plantas tipo directo operan a unas altas eficiencias,
típicamente entre 50-70%.
Tabla 4-10 Condiciones de Diseño para Seleccionar Plantas Geotérmicas de Vapor
Planta
Valle Secolo,Unidad2
Miravalles, Unidad 1
Beowawe
Localización
Larderello,Italia
Guanacaste, Costa Rica
Beowawe,Nevada
Año de inicio
1992
1994
1985
Tipo
Direct steam
Single flash
Double flash
Potencia,MW
57
55
16,7
Salida de potencia,MW-net
52,2
52
16
Caudal geotérmico,kg/s
111,1
759,5
157,5
Temperatura de la fuente°C
204
230
215
550,3
600
421,4
Turbina:
Presió de entrada,kPa:primario
Secundario
Temperatura de entrada,°C:primario
93,1
200-210
159
Secundario
masa caudal/turbina,kg/s:primario
146
99
111,1
114
Secundario
22,3
12,2
Presión en el exhosto,mmHg
59,94
93,73
33,02
Alto de las aspas de la turbina,mm
Na
584
635
Velocidad,rpm
3.000
3.600
3.600
Tipo
DC
DC
DC
Calor requerido,MWt
245
243
71,8
CW flujo,Kg/s
2.785
4.234
1.474
Condensador:
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Planta
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Valle Secolo,Unidad2
Miravalles, Unidad 1
Beowawe
No
Si
si
Etapas
2
1
Flujo de vapor,Kg/s
4,06
na
no
Sistema NCG:
Eyector de vapor
Compresor
Si
Si
Etapas
2
4
Potencia,MW
1,4
0,4
Bomba de vacio
No
No
si
SGC-net,kg/MWh
7.666
52.572
35.437
N,%,total
62,9
31,2
48,7
Net
57,6
29,5
46,7
Desempeño de la planta
La influencia de la temperatura del recurso geotérmico y la capacidad de la planta sobre los
costos en plantas binarias de pequeño tamaño se presentan de manera resumida en la
Tabla 4-13. El costo del capital por Kilovatio varia inversamente con la temperatura y la
potencia, los costos de operación y mantenimiento anuales aumentan con la potencia pero
son independientes de la temperatura del fluido (en el rango estudiado). Esos costos son
favorables cuando se compara con otra energía renovable y es totalmente ventajosa en sitios
donde se genera electricidad por medio de plantas diesel.
Tabla 4-11 Condiciones de Diseño para Algunas Plantas Geotérmicas Binarias
Second Imperial
Geothermal Co.
Mammoth-Pacific.
Unidad1
Amedee
Localización
Heber,CA
Mammoth,CA
Wendel,CA
Año de inicio
1993
1985
1988
Tipo
presion dual
basico
Basico
N° de unidades
12
2
2
Potencia,MW
40
10
2
Potencia de salida,MW-net
32
7
1,6
Potencia neta/unidad,MW
2,7
3,5
0,8
Caudal geotermico,kg/s
999
220,5
205,1
42
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Second Imperial
Geothermal Co.
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Mammoth-Pacific.
Unidad1
Amedee
Temperatura de la
fuente,°C
168
169
103
Bombas bajas
Si
si
Si
Fluido de trabajo
isopentano C5H12
isobutano C4H10
R-114,C2Cl2F4
N° por unidad
2
6
1
Tipo
tubular liso
tubular liso
tubular liso
Calor requerido,MWt
413.2(e)
86,75
28,72
Entrada
168
169
104
Salida
71(e)
66-88
71
Tipo
flujo axial
flujo radial
flujo axial
Temperatura de salida,°C
na
138
83
Presión,kPa: entrada
na
3.379
993
Salida
na
variable
276
Masa caudal/turbina,kg/s
na
92
100,8
Velocidad,rpm
1.800
11.050
3.600
N° por unidad
2
11
1
Tipo
tubular liso
tubular canales
Evaporador
Calor requerido,MWt
269,2
79,72
Na
Refrigerante
agua
aire
Agua
Evaporador(s)
Temperatura del fluido°C:
Turbina:
Condensador(s):
Temperatura refrigerante,°C:
Entrada
20
variable
21,1
Salida
28,1
variable
Na
SGC-net,kg/MWh
85.049
113.399
462.669
Un,%,Total
44,5
32,4
17,4
Desempeño de la planta:
43
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Mammoth-Pacific.
Unidad1
Amedee
Neto
35,6
22,7
13,9
N,%:total
14
11,5
7
Neto
13,2
8,1
5,6
4.8.6. Factores económicos de las plantas geotérmicas
Los costos asociados con la construcción y operación de una planta geotérmica depende de
los siguientes factores:
•
Tipo de recurso (vapor o agua caliente)
•
Temperatura del recurso
•
Productividad del yacimiento
•
Tamaño de la planta (caudal)
•
Tipo de planta (Single flash, binaria…)
•
Reglamentación ambiental.
•
Costo del Inversión
•
Costo de la mano de obra
Los tres primeros factores son un indicativo del numero de pozos que son necesarios perforar
para soportar la capacidad de la planta. Utilizando costos típicos y potencial de generación,
de los
yacimientos,
un pozo puede llegar a costar entre 100-400 USD/kW. Los tres
siguientes factores determinan el costo del capital del sistema de conversión de energía
mientras que los dos últimos afectan el costo del funcionamiento de la planta (O&M)
La Tabla 4-12 presenta el costo de inversión para algunas de plantas en Estados Unidos, es
importante
aclarar que dichos precios están en dólares reflejados al año señalado,
adicionalmente los valores para plantas tipo Direct Steam (todas en Geyers) no incluye el
costo de desarrollo del campo, solamente el de la planta. Los otros valores (todos estimados)
incluye ambos, costo del campo y de la planta
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Tabla 4-12 Costo de Inversión para de Plantas Geotérmicas5
Tipo/Nombre de la
Planta
AÑO
POTENCIA,MWn
Costo,$/kW
Direct Steam
Geysers:
Unidad 1
1960
11
174
Unidad 8
1972
53
109
Unidad 13
1980
133
414
NCPA-1
1983
110
780
Single Flash
Blundell
1984
20
3000(e)
Steamboat Hills
1988
12
2500(e)
Double Flash
Deseart Peak
1985
9
2000(e)
Beowawe
1985
16
1900(e)
Heber
1985
47
2340(e)
Dixie Valley
1988
66
2100(e)
Brady Hot Springs
1992
24
2700(e)
Empire
1987
3
4000(e)
Stillwater
1989
12
3085(e)
SIGC
1993
33
3030(e)
Binary
En la Tabla 4-13
se presentan los costos de inversión y los costos de operación y
mantenimiento para plantas del tipo Binario de pequeña capacidad de generación.
Tabla 4-13 Costos de Inversión y de O&M para Pequeñas Plantas Geotérmicas Binarias
Potencia Neta,kW
Temperatura del recurso ºC
100
120
140
Costo del capital US$/KW
5
Valores para Estados Unidos
45
Costo Total de O&M
US$/año
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100
2535
2210
2015
19.100
200
2340
2040
1860
24.650
500
2145
1870
1705
30.405
1.000
1950
1700
1550
44.000
4.8.7. Indicadores de Eficiencia de las Plantas de Generación a Base de Geotermia
4.8.7.1. Indicadores de rendimiento para plantas geotérmicas
Existen tres indicadores para describir el rendimiento de una planta geotérmica, todos
adimensionales y pueden ser expresados en porcentaje. Los cuales son:
•
Factor de Capacidad
•
Factor de Carga
•
Factor de Disponibilidad
Las definiciones de los indicadores técnicos son:
Factor de Capacidad (%)
Total de MWh generados en el periodo Χ 100
Capacidad Instalada (MWe) Χ periodo (horas)
Factor de Carga (%)
Total de MWh generados en el periodo Χ 100
Carga Máxima (MWe) Χ periodo (horas)
Factor de disponibilidad (%)
Total de horas de la planta en operación durante el periodo Χ 100
Duración total del periodo (horas)
El factor de disponibilidad(%) se divide en dos categorías,
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Parada Programada: en este caso a la planta se le ha programado un mantenimiento con al
menos dos semanas de anticipación
Parada Forzada: En este tipo de parada la planta queda fuera de servicio inmediatamente o
antes de la siguiente parada programada.
Ambos, la capacidad y el factor de carga son necesarios para describir el rendimiento técnico
de la planta, los indicadores adicionales describen parcialmente el rendimiento y las
condiciones de operación.
4.8.7.2. Ejemplos de aplicación
En la siguiente tabla se muestran datos típicos de plantas de generación de 60MW y 20 MW
de uso estándar en Italia y de 50 MW para Japón, los datos efectivos se presentan en las
siguientes tablas.
Planta# 1
Planta # 2
Planta # 3
Año
1999
1999
1/4/97-31/3/98
Capacidad Instalada
60 MW
20 MW
50 MW
Carga Máxima
55 MW
17 MW
48.3 MW
Electricidad
Producida
Anualmente
462,845 MWh
142,248 MWh
361,651 MWh
Horas de Operación
de la Planta
8748 hrs
8483 hrs
8112 hrs
Factor de Capacidad
88.1%
81.2%
82.6%
Factor de Carga
96.1%
95.5%
85.5%
Factor de
Disponibilidad
99.9%
96.8%
92.6%
Los valores promedio para los mismos periodos de tiempo para alrededor de 40 plantas en
Italia y Japón se presentan en la siguiente tabla.
Factor
Japon
Italia
Factor de Capacidad
75.6%
75.1%
Factor de Carga
84.2%
89.3%
Factor de Disponibilidad
92.1%
92.1%
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