Energía
GEOTÉRMICA
Energía Eléctrica
Energía Térmica
Energía Mecánica
Energía
GEOTÉRMICA
Este tipo de sistemas generan energía, eléctrica y/o térmica, a partir del calor contenido en el interior de la tierra. Esta fuente de energía es un recurso renovable existente principalmente, en zonas de alta actividad volcánica y fallas geológicas. La disponibilidad de este recurso no presenta variación estacional, tampoco está afecto a impactos climáticos, es compatible con otros sistemas de generación, y puede aprovecharse para aplicaciones como calefacción de espacios, calentamiento de agua, procesos industriales, generación de electricidad, entre otros.
EEUU, Filipinas, Indonesia y México son los países con mayor capacidad de generación de energía eléctrica a partir de estas tecnologías (Islandia cubre a casi el 90% de la población con calefacción geotérmica) [NREL, 2008]. Por su parte, en Latinoamérica, México y El Salvador son líderes en el uso de la geotermia.
Chile, al estar ubicado sobre el llamado “Cinturón de Fuego del Pacífico”, zona de alta actividad geológica, presenta un potencial importante de generación [Chile Renovables, 2009]. Lahsen (2005) señala que hay más de 300 fuentes de aguas termales entre los 15°C y 100°C ubicadas en Se han desarrollado diversas tecnologías para el aprovechamiento de la los Andes chilenos. Al año 2025 se calcula un potencial bruto de 16.000 energía geotérmica, obteniendo tanto energía térmica como electrici- MW en Chile [FCFM U. de Chile, 2011 (revista nº50)], sin embargo, exisdad. La energía térmica se obtiene mediante sistemas de captación de ten barreras para la implementación de estas tecnologías, como son la calor, tanto horizontales como verticales, consistentes en tuberías dis- escasa identificación y catastro de las fuentes disponibles, el alto costo puestas bajo tierra para calentar fluidos, ya sea para uso directo o me- de inversión y los riesgos involucrados en su desarrollo. diante bombas de calor. La electricidad, a su vez, se obtiene por medio de sistemas de vapor o de aire caliente, sistemas flash, rocas calientes secas, entre otros. Estos sistemas consisten básicamente en la obtención de agua, vapor o aire caliente a través de afloramientos de agua a altas presiones y temperaturas, como los géiseres, o la inyección de agua fría en cámaras perforadas sobre focos caloríficos subterráneos. En general, la energía geotérmica posee una alta eficiencia en la conversión. 2.
Geotermia de Baja Entalpía Energía T rm ca Las tecnologías de baja entalpía basan su funcionamiento en la transferencia de calor desde el subsuelo, a baja profundidad, hacia tubos colectores cuyos fluidos internos son encargados de transportar la energía térmica hacia bombas de calor para la climatizacion de espacios, o mediante el uso directo del fluido geotérmico de baja temperatura en aplicaciones industriales. Existe la posibilidad de utilizar sondas cerradas, dentro de las cuales circula un fluido termodinámico apropiado, o bien sondas abiertas, las cuales son aplicables cuando se cuenta con un flujo de agua subterránea o superficial en la proximidad que permite su uso directo [Leibar, 2003]. Los tubos captadores son instalados, de forma horizontal o vertical, bajo la superficie con distintas configuraciones. La variación de temperatura de la tierra en el tiempo es muy baja pasados los 10 ó 20 metros de profundidad [Mands – Sanner, UBeG], por lo que la geotermia se considera una fuente inagotable y constante de energía. Para implementar estas 3.
tecnologías se requiere poseer conocimiento de las características geológicas e hidrogeológicas del suelo y disponer del área necesaria para la instalación del del sistema geotérmico. En general, estos sistemas generan energía térmica para su aplicación directa luego de la extracción y son utilizables para diferentes niveles de demanda, desde soluciones de menor escala, como calentar agua para uso sanitario a nivel doméstico o calefacción central de una vivienda, hasta soluciones de mayor envergadura como empresas o edificios. Con este tipo de captadores, usualmente, se trabaja con potencias que van desde 10 a 2.500 kW térmicos. Su factor de planta promedio es 32% y su eficiencia de conversión oscila entre 50 y 75% [EREC, 2010].
viles en perforación para el caso de captadores verticales, el costo de inversión se situará en el borde superior del rango de costos, mientras que, para el caso de captadores horizontales, el costo se situará en el borde inferior del rango [IEA,2009]. Uno de los beneficios de los sistemas que usan estas tecnologías es que no se ven afectados por impactos climáticos. Es una forma de obtención de energía limpia, que no produce impactos sobre la tierra, al no modificar las características del suelo.
Las principales barreras son los altos costos de inversión, los riesgos de exploración y desarrollo, las dificultades para acceder a las fuentes de calor, la información limitada sobre la tecnología y las consecuencias asociadas a la Por su parte, los costos de inversión asociados condición sísmica del lugar. son altamente variables según el sistema se- Su aplicación en el mundo se concentra maleccionado y el lugar de aplicación, por ejem- yormente en Austria, Alemania, Canadá, Sueplo, entre 1.200 y 4.100 USD/kW para el caso de cia, Suiza y Estados Unidos, y ha experimenEuropa, mientras que sus costos de operación y tado un aumento de capacidad instalada de mantenimiento se sitúan entre 0,04 y 1 USD/ un 10% en 30 países, en los últimos 10 años kWh. Dada la necesidad de mayores obras ci- [Clauser C., 2006].
Captadores Verticales Esta tecnología basa su funcionamiento en la transferencia de calor desde el subsuelo, a baja y mediana profundidad, hacia tubos colectores cuyos fluidos i nternos t ransportan la energía térmica. Dichos fluidos, una vez calentados en el intercambiador de calor enterrado, son dirigidos hacia una bomba de calor, que permite aprovechar la capacidad de calentar o enfriar un espacio.
por lo que puede implementarse en edificaciones existentes. Sin embargo requiere d e perforaciones verticales a m ayor profundidad y, por lo tanto, de Captadores Verticales equipos especiales, aumentando de forma importante el costo de inversión e implementación. Las principales barreras son los altos costos de inversión por las perforaciones, la información limitada sobre la tecnología y el largo tiempo requerido para recuperar la inversión.
En este caso, el intercambiador de calor se encuentra formado por series de tubos captadores instalados de forma vertical, a profundida- Su aplicación en el mundo se concentra mades de hasta 150 metros bajo la superficie, en yormente en España, Alemania, Canadá y Estaforma de U o cañerías coaxiales. A e stas pro- dos Unidos, donde s e han desarrollado sistefundidades pueden captar temperaturas entre mas de hasta 2 MW térmicos para calefacción 60 y 90 ºC. y hasta 2,5 MW t érmicos para e nfriamiento (CIEMAT, 2009). El u so d e captadores verticales resulta típicamente menos complejo que los captadores horizontales y requieren d e menor superficie para su instalación,
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Captadores Horizontales
Uso Directo
Esta tecnología basa su funcionamiento en la transferencia de calor entre el subsuelo a baja profundidad y un fluido intercambiador de calor, que transporta la energía térmica. Dichos fluidos, una vez calentados o enfriados e n el intercambiador de calor enterrado, son dirigidos hacia una bomba de calor que permite aprovechar la capacidad de calentar o enfriar.
Además de los sistemas captadores para bombas de calor, que permiten climatizar espacios, existe l a posibilidad d e usar directamente el calor contenido e n un fluido geotérmico de baja temperatura.
En este caso, el intercambiador de calor aprovecha el calor del subsuelo, estable durante el día y noche, y durante el año entre 10 y 15ºC. El sistema se encuentra formado por tubos captadores instalados e n configuraciones c omo espirales, en serie o, paralelo. Resulta ser la opción menos c ostosa s i se cuenta con suelos adecuados.
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Este fluido puede provenir directamente de un acuífero subterráneo o inyectando agua desde la superficie, la cual es extraída para ser utilizada directamente en procesos que requieren temperaturas menores al punto d e ebullición del agua, que por lo tanto no son aprovechables e n generación eléctrica. L os p rincipales usos estan en la industria alimentaria y manufacturera, entre otras
Geotermia de Mediana Entalpía Energía T rmica y/o Eléctrica Se refiere a los procesos de extracción de calor desde el interior de la tierra para generación de energía, d e forma similar a l o descrito en baja entalpía, pero a través de un sistema de turbinas donde se consideran energías de mediana intensidad, pudiendo proveer, además de energía térmica, electricidad. Es factible implementar estas tecnologías para distintos niveles de demanda y sus p rincipales requerimientos de implementación tienen que ver con la disponibilidad del recurso, ya sean aguas termales o fuentes de calor, además del equipamiento c onsistente principalmente en las turbinas, bombas de calor y el fluido de trabajo que usualmente es agua.
Geotermia d e Mediana Entalpía E nergía Térmica y/o Eléctrica En términos generales, son tecnologías de alta eficiencia en el caso de generación de energía térmica. Se espera que los sistemas geomagmáticos, a l ser sistemas de ciclo cerrado, permitan contar con costos operativos más bajos en el futuro. Sus principales barreras a puntan a l a escasa i dentificación y catastro de las fuentes disponibles.
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Centrales Binarias Basa su funcionamiento en el aprovechamiento directo de fuentes geotermales, en forma de calor o para generación de electricidad, utilizando el vapor extraído para poner en operación sistemas de turbinas. En particular, esta tecnología convierte calor geotérmico de fuentes de baja y media entalpía (85 °C –150 °C), dominadas por agua, a una temperatura menor a la factible de utilizar por sistemas de vapor Flash. Esta tecnología convierte vapor de entalpía media en electricidad de manera más eficiente que otras tecnologías. Estos generadores pasan la salmuera caliente generada en un primer ciclo a través de un intercambiador de calor por donde circula un fluido de trabajo, de bajo punto de ebullición, (Freon™, Frigen™, propano (C3H8), isobutano (C4H10), pentano (C5H12), amoníaco (NH3), generando así vapor. Luego, este vapor es utilizado para impulsar la turbina del generador. El ciclo es conocido como el Ciclo de Rankine orgánico 7.
debido a que, inicialmente, el fluido utilizado era de origen orgánico. El vapor de descarga es condensado y reutilizado en el intercambiador de calor. La salmuera puede ser descargada o reinyectada al reservorio sin necesidad de “Flashing”, minimizando los problemas de escalamiento. La eficiencia de este tipo de tecnología se ve incrementada (10% adicional) gracias a la tecnología de Ciclo Kalina, la cual utiliza una mezcla de agua y amoníaco, que es capaz de evaporarse en un rango finito de temperaturas. Es factible implementar estas tecnologías para distintos niveles de demanda, entre 0,1 y 100 MW y sus principales requerimientos tienen que ver con la disponibilidad del recurso, en este caso, fuentes termales, además del equipamiento consistente principalmente en las turbinas, bombas de calor y el fluido de trabajo. Su factor de planta comúnmente se encuentra
entre 80 y 95% [ETSAP, 2010], mientras que la eficiencia de conversión es entre 16 y 54% para generación térmica y entre 8 y 15% para generación eléctrica [ETSAP, 2010]. Respecto de sus costos, la inversión necesaria es entre 800 y 6100 USD/kW y los costos de operación y mantenimiento del orden de 08 a 0,14 USD/kWh/ año [CEC, 2009]. Es la tecnología considerada como la más costo eficiente y confiable para convertir grandes cantidades de recursos geotérmicos de baja temperatura en electricidad. Sistemas como éste (sin considerar Ciclo Kalina) son comunes en países como Estados Unidos, Filipinas, Austria, entre otros. No existen aplicaciones de esta tecnología en Chile.
Centrales de Ciclo Cerrado Basan su funcionamiento en la extracción de calor desde la tierra, para su aprovechamiento directo como calor para generación de electricidad. Ello, utilizando un fluido termodinámico de bajo punto de ebullición en un circuito cerrado, el cual al transformarse en vapor a alta presión en contacto con la fuente de calor, puede impulsar un sistema integrado de turbinas-generador. Una vez condensado el fluido de trabajo, vuelve a la parte inferior del circuito donde retomará calor desde la fuente g eotérmica. En p articular esta t ecnología, llamada comercialmente geomagmática, busca aprovechar recursos geotérmicos de menor temperatura (100 °C a 175 °C) sin la utilización de agua y sin emisiones de ningún tipo. Los prototipos en desarrollo por Power Tube Inc. corresponden a unidades de 1 MW y 10 MW, pudiendo desarrollar campos con varios de estos dispositivos en serie. El equipamiento consiste, principalmente, de un elevador térmico, un sistema intercambiador de calor, un sistema inte-
grado de turbina/generador eléctrico (monocoque generator), un sistema de condensación del que forma parte un condensador acústico y el fluido de trabajo (hidrocarburo de bajo punto de ebullición que funciona en ciclo cerrado). En t érminos generales, el equipo desarrollado por Power Tube Inc. genera en Corriente Continua, con una eficiencia térmica de alrededor de un 30%, utilizando una superficie de sólo 100 m2 para una instalación de 10 MW. Corresponde a una tecnología en investigación por lo que no se cuenta con instalaciones a nivel comercial. No obstante, las pruebas d e estos equipos se están e fectuando en i nstalaciones militares en los Estados Unidos y estarán disponibles para ser comercializados en los próximos años (Power Tube Inc. 2011).
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Geotermia de Alta Entalpía Ene g a El ctrica
Su principio de funcionamiento se basa, al igual que lo descrito anteriormente para baja y mediana entalpía, en la transferencia de energía térmica desde las capas interiores de la tierra.
generación de e lectricidad. [CEC, 2009]. Los costos d e inversión dependen del tamaño de la instalación y de la temperatura que pueda obtenerse del recurso geotérmico.
Es f actible i mplementar estas tecnologías desde aplicaciones pequeñas, de unos cientos de k W, hasta p royectos d e mayor capacidad. Sin embargo los costos d e perforación hacen viables sólo g randes p royectos. L os p rincipales requerimientos d e esta tecnología tienen que ver con la disponibilidad del recurso y las exploraciones necesarias p ara encontrar territorios donde la temperatura de la tierra sea mayor a 150°C.
Las principales barreras son la escasa identificación y catastro de las fuentes disponibles, el alto costo de inversión, sus altos riesgos de exploración y desarrollo y la escasa cultura local en geotermia, sumada a la mayor sensibilidad de la población en temas ambientales.
El f actor de p lanta, normalmente, está e n el rango entre 80% y 95% [ ETSAP, 2010]. En términos generales son tecnologías d e alta eficiencia en el caso de generación de energía geotérmica, con un rango entre 40 y 65% para generación térmica y entre 10 y 18% para 9.
EEUU, Filipinas, Indonesia y Mexico son países líderes en utilización de geotermia para obtención de electricidad con este tipo de t ecnología [Barbier, 2002].
s e . a r i p s n i . w w w / / : p t t h : n e g a
m I
Dry Steam En p articular, l a tecnología de vapor caliente consiste en la extracción de vapor seco saturado o súper calentado a presión sobre la atmósfera desde u n pozo profundo dominado por vapor, el cual se envía a través de tuberías directamente a l sistema d e generación, p ara luego s er descargado de m anera directa a la atmósfera o b ien, c ondensado y, e n algunos casos reinyectado al pozo.
los costos de operación y mantenimiento son 0,04 a 0,1 USD/kWh/año [CEC, 2009]. Los primeros sistemas de generación de electricidad por f uentes geotermales fueron la central de L arderello en Italia o The G eysers en C alifornia. Este tipo de tecnología se e ncuentra bien desarrollada y comercialmente disponible.
Es posible generar 2,5 a 5 MW en caso de descarga a la atmósfera y entre 50 y 110 MW en caso de utilizar equipos condensadores [ETSAP, 2010]. Los costos de inversión asociados se encuentran entre 1.600 y 3.200 USD/kW, mientras que
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Flash/Wet Steam Esta t ecnología explota reservorios de v apor húmedo dominados por agua, l os que son más c omunes q ue los dominados por vapor. De acuerdo a EERE, “los f luidos h idrotermales de temperatura superior a 360 ° F (182 ° C) se pueden utilizar en plantas de flash para generar electricidad. El fluido se rocía en un tanque que está a una presión mucho más baja que el líquido inyectado, lo que hace que parte del líquido se evapore rápidamente (flash). El vapor se envía a una turbina, que impulsa un generador. Si queda líquido en el tanque puede ser utilizado de n uevo en un s egundo tanque p ara extraer aun más energía (dual flash)”. Unidades turbo generadoras se encuentran comercialmente disponibles en distintas capacidades de generación, entre 2 y 45 MW, además de existir unidades generadoras modulares estándar de cerca de 20 MWe [ETSAP, 2010].
Los costos de inversión asociados se encuentran entre 2.200 y 4.200 USD/kW, mientras que los costos de operación y mantenimiento son 0,04 a 0,14 USD/kWh/año [CEC, 2009]. EEUU, México y Nueva Zelanda, entre otros países, son ejemplos de su utilización para obtención de electricidad.
Hot Dry Rock (HDR) La t ecnología HDR (o d e roca seca caliente) aprovecha el c alor c ontenido en u na f ormación geológica de alta temperatura s in ningún contenido de agua, mediante la creación de un depósito geotérmico artificial al perforar pozos profundos en la roca. El agua es inyectada desde la superficie hacia el pozo, donde aumenta su temperatura y luego es extraído como vapor a presión p ara generar electricidad mediante turbinas. Dentro de sus principales barreras, además de aquellas comunes para la geotermia de alta entalpía, se destaca el requerimiento de agua para inyección. Es factible implementar estas tecnologías desde a plicaciones pequeñas d e 1 MW hasta 10 MW [ETSAP, 2010].
Es u na t ecnología que se encuentra en etapa de investigación y desarrollo, sin embargo, una serie de estos proyectos se encuentran siendo implementados en países con escasez de reservorios naturales de vapor como Alemania, Francia, Australia, Japón y Reino Unido.
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Power Tube Power Tube
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