Energía geotermica

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Energía geotermica

  1. 1. 21 ENERGÍA GEOTÉRMICA21.1. Origen ............................................................................................ 48921.2. Potencial ......................................................................................... 49421.3. Tecnología ....................................................................................... 49721.4. Costes ............................................................................................ 50621.5. Impacto ambiental ........................................................................... 50921.6. Situación actual ............................................................................... 511 487
  2. 2. 488
  3. 3. 21. ENERGÍA GEOTÉRMICA El nombre “geotérmica” deriva de dos las palabras griegas: “geo” que significa “Tierra” y “Termo” que significa “calor”.21.1. OrigenLa Tierra, además de disponer de energía procedente del exterior,fundamentalmente del Sol, que da origen, directa o indirectamente, adiversas tipos de energías renovables (solar, eólica, oleaje, maremotérmica,etc.), también dispone de energías endógenas. Un tipo de energía endógenaes la energía térmica, la cual proviene de la importante cantidad de calor quela Tierra almacena en su interior. Por su procedencia, a esta energía térmicainterna de la Tierra se le denomina energía geotérmica y se la incluye dentrodel grupo de energías renovables, ya que la disipación del calor almacenadorequeriría el transcurso de millones de años. Para representar la estructura interna de la Tierra existen dos modelos: el modelo geoquími- co y el modelo dinámico. Estos clasifican a la estructura de la Tierra desde la superficie hasta su centro, el cual se encuentra a una profundidad de 6.371km, en función de su composición química y de la rigidez y plas- ticidad, respectivamente (figura 21.1) En el modelo geoquímico exis- ten tres capas concéntricas: Corteza, manto y núcleo. La capa externa de la superficie, denominada corteza, está cons- tituida por rocas en estado sóli- do. Su espesor rara vez supera los 70km, la densidad media es de aproximadamente 3g/cm3 y Figura 21.1. Modelos de la estructura interna de la Tierra la temperatura media en su lí- mite inferior es de unos 400ºC. La segunda capa, denominada manto, se halla inmediatamente debajo de la anterior. Se compone de manto superior (700km de profundidad, 1500ºC de temperatura y 3,3g/cm3 de densidad) y de manto inferior (2.900km de profundidad, 3.000ºC de temperatura y 5,7g/cm3 de densidad). Los ma- teriales que constituyen el manto tienen una composición mineralógica distinta de las de las rocas de la parte superficial. A partir de los 2.900km se inicia la tercera capa denominada núcleo. Se compone de núcleo externo (5.100km de profundidad, 4.000ºC de temperatura y 9g/cm3 de densidad) y de núcleo interno (hasta 6.371km de profundidad, 6000ºC de temperatura y 12g/cm3 de densidad) En el modelo dinámico la estructura se compone de cuatro capas: Litosfera (abarca los 100km iniciales del manto superior), constituye una parte sólida y rígida; Astenosfera (250km de profundidad en el manto superior), fundamentalmente es una capa sólida, aunque también contiene parte plástica; Mesosfera (abarca parte del manto superior y todo el manto inferior), constituye una capa solida; y Endosfera (abarca todo el núcleo), tiene parte fluida, correspondiente al núcleo externo, y parte sólida, correspondiente al núcleo interno. 489
  4. 4. La ecuación de conducción de calor viene dada por: q = KT (∆T/z)En esta expresión q (W/m2) es el flujo de calor por metro cuadrado que fluye verticalmente a travésde la Tierra. ∆T es la diferencia de temperatura a la distancia vertical z, y ∆T/z es el gradientetérmico. La constante KT es la conductividad térmica del terreno (en W/mºC) y es igual al flujo decalor por segundo que atraviesa un área de 1 metro cuadrado cuando el gradiente térmico es de1ºC por metro en la dirección del flujo.Si, por ejemplo, la temperatura a 2km (2.000m) de profundidad es de 60ºC y la temperatura enla superficie es de 10ºC, el gradiente de temperatura será: (60-10)/2.000=0,025ºC/m, y si laconductividad térmica de las rocas que componen la corteza terrestre es de 2,5W/mºC, el flujo decalor será de 2,5x0,025=0,0625W/m2.Si existen capas delgadas con conductividades pequeñas se requieren grandes diferencias detemperatura para que el flujo de calor sea alto. La energía interna de la Tierra procede del calor acumulado en su núcleo durante el proceso de formación del planeta (hace aproximadamente 4.600 millones de años) y, fundamentalmente, de las radiaciones emitidas por la desintegración atómica de elementos químicos radiactivos (uranio 238, torio 232, potasio 40, etc.) presentes en el interior de la misma. El calor almacenado en el interior de la Tierra no se encuentra uniformemente distribuido, sino que es más elevado en el núcleo (alrededor de 7.000ºC) y de menor intensidad en la corteza. El gradiente térmico creado, es decir, la diferencia de temperaturas existente, origina un flujo de calor desde las zonas más calientes hacia las más frías de la corteza. El flujo de calor cerca de la superficie, que tiene lugar fundamentalmente por conducción, depende del gradiente térmico y de la conductividad térmica del material. A nivel global del planeta, a medida que se profundiza en la corteza terrestre, la temperatura suele aumentar aproxi- madamente 3ºC cada 100m. Sin embargo, existen zonas de la superficie terrestre que presentan anomalías geotér- Figura 21.2. Gradiente de micas, originadas por la ascensión, en determinadas con- temperatura diciones, de parte de material fundido de las profundidades y que queda atrapado en es- pacios próximos a la superfi- cie. Por tanto, en sectores de la corteza terrestre pueden existir masas de material a gran temperatura (800Cº- 1.000ºC) que pueden dar lugar a un gradiente de temperatura entre 100ºC y 200ºC por kilómetro (figura 21.2). En estas zonas se dice que existen yacimientos geo- térmicos, los cuales, a veces, se manifiestan en la superfi- cie en forma de emanaciones gaseosas (figura 21.3), de aguas termales (figura 21.4), de erupciones volcánicas (fi- gura 21.5), etc. Figura 21.3. Emanaciones gaseosas 490
  5. 5. Figura 21.4. Aguas termales Figura 21.5. Erupciones volcánicasCuando el calor almacenado en los yacimientos geotérmicos se encuentra aprofundidades razonables para poder extraerlo, con la tecnología existente,es posible aprovecharlo energéticamente.Para poder extraer esta energía es necesaria la presencia de agua cerca deestas zonas calientes. La explotación de esta fuente de energía se realizaperforando el suelo y extrayendo el agua, su vapor, o una mezcla de ambos,que sirven de vehículo de transporte. 491
  6. 6. Parte del agua que fluye por la superficie de la tierra (producto de lluvia, de deshielo, de cursos deagua, etc.), se infiltra en el terreno y, a través de grietas y fracturas, puede alcanzar profundidadesde varios cientos o hasta miles de metros (figura 21.6) Figura 21.6. Acuíferos en zonas calientesEl agua, al encontrar en profundidad lechos de rocas suficientemente porosas, circula a través delos poros de dichas rocas. Esos estratos por los cuales circula agua se conocen como acuíferos. Siel acuífero se encuentra en una zona caliente, el agua que llena los poros de ese estrato tenderáa equilibrar la temperatura con la de la roca que la contiene.Si la masa de agua acuosa que circula por un acuífero se encuentra con una zona de grietas yfisuras, el agua puede alcanzar la superficie del terreno produciéndose entonces un manantial overtiente. Si el acuífero se encuentra en una zona donde el gradiente hace que el agua alcance unatemperatura suficientemente alta se producirá una manifestación hidrotermal que, de acuerdo conlas características que presente, se denomina fumarola, solfataras, y géiseres.Fumarolas es el nombre que se le da a la emisión de gases de origen volcánico y vapores atemperaturas que, en ocasiones, pueden alcanzar los 500°C. Las solfataras se diferencian de lasfumarolas por su mayor contenido en vapor de agua, por una menor temperatura, y por eyectarchorros intermitentes de vapor de agua y otros gases.Estas dos formas de manifestaciones pueden ser surgentes o fluir suavemente, dependiendo de lapresión existente dentro del acuífero de donde provienen.Los géiseres son surtidores intermitentes de una mezcla de agua y vapor (a temperaturas entre 70y 100°C), con una gran cantidad de sales disueltas y en suspensión. 492
  7. 7. Figura 21.7. Esquema conceptual de una planta térmica convencionalNormalmente, como ocurre con las fuentes de energía térmica convencionales(figura 21.7), su aprovechamiento pasa por la utilización del vapor a suficientepresión para accionar una turbina que, acoplada a un generador eléctrico,produzca corriente eléctrica (figura 21.8) Figura 21.8. Esquema conceptual de una planta geotérmica para producción de electricidad 493
  8. 8. Sin embargo, cuando se trata de yacimientos que disponen de fluidos a bajas temperaturas, los cuales son los más abundantes, el calor suele explotarse directamente, sin conversión en otro tipo de energía. En estos casos, el calor puede utilizarse directamente en balneoterapia, agricultura, acuicultura, industria y residencias. 21.2. Potencial Se estima que este recurso energético supone unos 30 millones de Teravatios. Sin embargo, solo es aprovechable una pequeña parte. Muchas áreas del mundo disponen de recursos geotérmicos accesibles (fi- gura 21.9), especialmente regiones del denominado Anillo de Fuego, áreas que bordean el Océano Pacífico, zonas de la falla continental y otros pun- tos calientes. Por tanto, Los Andes de Sudamérica, América Central, Méjico, cordilleras de Estados Unidos y Canadá, la cordillera Aleutiana de Alaska, la península de Kamchatka en Rusia, Italia, Nueva Zelanda, Sureste de África, Extremo Oriente, etc., son zonas susceptibles de aprovechamiento de la energía geotérmica. Figura 21.9. Zonas de mayor potencial geotérmico Para que exista un yacimiento geotérmico, según las investigaciones geoló- gicas, geofísicas y geoquímicas realizadas en una gran cantidad de sistemas geotérmicos, se requiere que se den una serie de circunstancias: − Presencia de una fuente de calor. Esta fuente, generalmente, está constituida por un cuerpo de magma situado a una profundidad razona- ble, desde el cual se trasmite el calor a las rocas circundantes.494
  9. 9. − Presencia de agua. El yacimiento debe ser susceptible de ser recorrido por una corriente de agua. Esta agua puede haberse infiltrado en el subsuelo, a través de fracturas o rocas permeables, hasta alcanzar la profundidad necesaria para ser calentada por la fuente de calor. También es posible que el agua sea inyectada por el hombre artificialmente desde la superficie.− Presencia de un depósito. El volumen de este depósito lo proporciona rocas permeables situadas a una profundidad, accesible mediante perforaciones, donde se almacena el agua caliente o el vapor, que son los medios para transportar el calor.− Existencia de una cubierta impermeable. Su presencia es necesaria para impedir que los fluidos se escapen hacia el exterior del yacimiento.Teniendo en cuenta cuestiones relacionadas con la presencia o no deagua, del estado de la misma (líquido, vapor), de las condiciones en queesta se encuentre (alta o baja presión), y de la estructura geológica delyacimiento, éstos pueden clasificarse en: sistemas hidrotérmicos, sistemageopresurizados y sistemas de roca caliente seca.Los sistemas hidrotérmicos disponen de agua en su interior, normalmenteprocedente de deshielos o de la lluvia. Suelen encontrase a profundidadescomprendidas entre 1km y 10km. En función de la fase en que se encuentreel agua se clasifican en: sistemas con predominio de vapor de agua ysistemas con predominio de agua líquida. Estos son los únicos sistemasque han superado las etapas de investigación y desarrollo experimental,encontrándose, actualmente, en la etapa de explotación comercial.La entalpía (calor termodinámico total del sistema) de los sistemas conpredominio de vapor es del orden de 600Kcal/kg. Las temperaturas suelenser uniformes y estar comprendidas entre 150ºC y 400ºC. Las presionesno suelen superar los 5MPa. Estas características del vapor sobrecalentadoseco son apropiadas para que, una vez extraído mediante la perforación depozos, pueda ser utilizado para la generación de energía eléctrica con unrendimiento aceptable.En los sistemas con predominio de agua en estado líquido las entalpíaspueden ser altas (200Kcal/kg a 400Kcal/kg) o bajas.En los sistemas de alta entalpía las temperaturas reinantes pueden encontraseen el rango de 180ºC a 300ºC. Las presiones no suelen ser superiores a 1MPa.Generalmente, cuando el fluido alcanza la superficie, bien de forma natural(existencia de grietas), o artificial (perforación realizada por el hombre),súbitamente se transforma en vapor, debido a la disminución de la presióndurante el ascenso. Las características del vapor de los sistemas de altaentalpía hacen que éstos sean apropiados para generar energía eléctrica.En los sistemas de baja entalpía, con temperaturas menores de 100ºC, elagua que se extraiga en la superficie, por su propia presión o mediantebombeo, tendrá una temperatura inferior a su punto de ebullición, por lo quesu aplicación más idónea es el calentamiento de algún fluido (calefacciónindustrial, urbana y agrícola). Los yacimientos de baja entalpía son muyabundantes y su distribución superficial suele ser regular.El fluido en los sistemas geopresurizados, generalmente agua líquida,se encuentra sometido a presiones que pueden alcanzar hasta 100MPa.Sin embargo, las temperaturas no suelen ser excesivamente altas (150ºC-250ºC). El agua suele coexistir con gases naturales (metano), lo que dificultasu explotación en la actualidad. Sin embargo, hay que señalar que, en elfuturo, cuando se desarrolle una tecnología apropiada para su explotacióncomercial rentable, será posible utilizar tres fuentes de energía: la hidráulica 495
  10. 10. del fluido (presión), la térmica del fluido (calor) y la energía primaria de los gases naturales. Los sistemas de roca caliente seca se ca- racterizan por estar constituidos por rocas impermeables, con tem- peraturas entre 150ºC y 300ºC, y por carecer de acuífero. La imper- meabilidad del sistema, su baja conductividad térmica y la carencia de un fluido que lo recorra constituyen el escollo principal para su explo- tación. De hecho, a pe- sar de representar estos sistemas un porcenta- je muy elevado de los recursos geotérmicos mundiales, aún se en- Figura 21.10. Análisis de imágenes obtenidas por satélites cuentran en la etapa de investigación. Cuando se desarrollen técnicas y tecnologías que permitan penetrar en el roca y transfor- marla, en un intercam- biador que comunique el calor del foco caliente a un fluido que se inyec- te desde la superficie, podrá transformase la energía térmica en ener- gía eléctrica con rendi- mientos que se prevén comprendidos entre el 8% y el 20%. Para determinar el po- tencial geotérmico se utilizan una serie de mé- todos. El procedimien- to de partida suele ser, generalmente, el análi- sis de imágenes obteni- Figura 21.11. Perforaciones para medir el gradiente térmico das por satélite (figura 21.10) y de fotografías aéreas. También los es- tudios de vulcanología facilitan la búsqueda de zonas geotérmicas aprove- chables, ya que los mismos son buenos indicadores de la existencia de calor interno. Asimismo, la utilización de mapas geológicos y estructurales, las perforaciones para medir el gradiente térmico y extraer rocas para su aná- lisis (figura 21.11), los estudios geoquímicos y los estudios geofísicos son técnicas normalmente empleadas.496
  11. 11. 21.3. TecnologíaEl aprovechamiento de los yacimientos geotérmicos depende de la entalpíadel mismo. Si la entalpía es alta, el aprovechamiento se lleva a cabo enplantas térmicas de diseño específico. En estas plantas se transforma laenergía térmica en energía eléctrica utilizando un ciclo termodinámicodenominado “ciclo de Rankine”, en honor del ingeniero y físico británicoWilliam John Macquorn Rankine (1820-1872). En este ciclo, al igual que lasplantas térmicas convencionales (Figura 21.7), se emplea calor para evaporarun líquido, que posteriormente se utiliza en el accionamiento de una turbina,la cual se acopla a un generador eléctrico para producir energía eléctrica.Si la entalpía es baja, el calor suele emplearse para el calentamiento de unfluido, aunque también podrían utilizarse para la generación de electricidadcon muy bajos rendimientos.Existen diversos tipos de sistemas para el aprovechamiento de fuentesgeotérmicas de alta entalpía. Entre éstos se pueden destacar los cuatrosiguientes:  Sistemas de conversión directa.  Sistemas de expansión súbita de una etapa.  Sistemas de expansión súbita de dos etapas.  Sistemas de ciclo binario.Los sistemas de conversión directa (figura 21.12) se utilizan en aquellosyacimientos hidrotérmicos donde predomina el vapor seco. En este caso,el vapor supercalentado (a 180ºC-185ºC y 0,8MPa-0,9MPa) que llega a la Figura 21.12. Esquema conceptual de una planta de conversión directa 497
  12. 12. superficie se emplea directamente, después que las partículas sólidas y los gases no condensables hayan sido separados, para accionar una turbina que, gracias a un generador mecánicamente conectado a ella, produce co- rriente eléctrica. El vapor, una vez pasa por la turbina de expansión, se diri- ge a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. Al agua obtenida en el condensador se la hace pasar por una torre de enfriamiento; una fracción importante del agua que se ha enfriado en la torre se envía al condensador para que sirva de fluido refrigerante, y el resto, se inyecta de nuevo en el acuífero. El rendimiento termodinámico de este tipo de instalaciones es pequeño, si se los compara con los obtenidos por una central térmica convencional. La causa fundamental es la diferencia de presiones a la entrada de la turbina. En una central geotérmica la presión máxima suele ser del orden de 0,9MPa mientras que en una central convencional dicha presión puede elevarse has- ta 17,5MPa. En general, los sistemas de conversión directa son los más simples, los más comunes y los más atractivos, desde el punto de vista comercial. Como ejemplos de instalaciones de este tipo que actualmente están operativas en el mundo se pueden destacar la central de Larderello (Italia), de 500 MW de potencia instalada, la central de los Géiseres (EE.UU), con 700MW instalados (figura 21.13) y la central de Matsukawa (Japón), con 20MW instalados. Figura 21.13. Central de los Géiseres (EE.UU.)498
  13. 13. Los sistemas deexpansión súbitade una etapa (figu-ra 21.14) se empleanen los yacimientoshidrotérmicos dondepredomina el agualíquida. En estossistemas, el aguapuede expansionar-se súbitamente du-rante el ascenso ala superficie o me-diante el empleo deun recipiente de ex-pansión, originandoque parte del líqui-do se evapore ins-tantáneamente. Portanto, es necesario Figura 21.14. Esquema conceptual de un sistema de expansiónutilizar un separador súbita de una etapade fases que permi-ta dirigir el vapor (155ºC-165ºC y 0,5MPa-0,6MPa) hacia la turbina y elagua no evaporada hacia el acuífero. El vapor obtenido se expande poruna turbina que, acoplada mecánicamente a un generador eléctrico, pro-duce corriente eléctrica. Al igual que ocurría en los sistemas de conversióndirecta, el vapor, una vez que pasa por la turbina de expansión, se dirige aun condensador donde se convierte en agua líquida saturada. Parte de estaagua constituye a su vez el fluido de refrigeración, una vez ha sido enfriadaen una torre de refrigeración. El resto del agua condensada se inyecta denuevo en el acuífero.El rendimiento de estos sistemas es inferior a los de conversión directa,ya que no toda el agua que llega a la superficie se transforma en vapor detrabajo, como ocurría con los sistemas de conversión directa.Los sistemas deexpansión súbitade dos etapas (fi-gura 21.15) se em-plean en los yaci-mientos hidrotérmi-cos donde predominael agua líquida conbajos contenidos deimpurezas. Tienencomo objetivo me-jorar el rendimientode los sistemas deexpansión de unaetapa. Las diferen-cias de los sistemasde una etapa frentea los de dos etapasse encuentran en laexistencia de dosetapas de expansióndel agua que llega a Figura 21.15. Esquema conceptual de un sistema de expansión súbita de dos etapas 499
  14. 14. la superficie desde el acuífero y en que la turbina dispone de dos cuerpos; un cuerpo que trabaja al alta presión y un cuerpo que trabaja a baja presión. En los sistemas de evaporación súbita de dos etapas, el vapor obtenido en la primera expansión se dirige al cuerpo de alta presión de la turbina, mientras que el líquido obtenido en el primer separador de fases es de nuevo expansionado (a menor presión que en la primera etapa). El vapor resultante de la segunda expansión es conducido al cuerpo de baja presión de la turbina, mientras que el agua residual se inyecta de nuevo en el acuífero. Como puede observarse en al figura 21.15, el cuerpo de baja presión de la turbina se alimenta, además del vapor procedente de la segunda etapa de expansión, del vapor saliente del cuerpo de alta de la turbina. El vapor, una vez que pasa por el cuerpo de baja de la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. El resto del proceso es similar al de los sistemas anteriormente descritos. Hay que señalar que los sistemas de dos etapas incrementan el rendimiento de los sistemas de una etapa en casi un 40%, sin embargo, el incremento del rendimiento sería mucho menor si se añadiese una tercera etapa de expansión. Sin embargo, requieren mucho más fluido, para generar una misma potencia, que una planta de conversión directa. Por ejemplo, la central de East Mesa (California) (figura 21.16), que comenzó a funcionar en 1988, y que utiliza este sistema para generar 37MW de potencia, emplea 10 veces más fluido que una central similar de Figura 21.16. Central geotérmica de East Mesa (California) conversión directa.Las explotaciones de las fuentes geotérmicas datan desde la época de los romanos, que utilizabanel agua caliente en aplicaciones medicinales, domésticas y de ocio. Los primeros colonos polinesiosen Nueva Zelanda, que vivieron hasta el siglo XVIII sin la influencia europea, dependían de losvapores geotérmicos para cocinar y calentarse, y del agua caliente para bañarse, lavar y curarse,aprovechando las propiedades curativas de las aguas geotérmicas.En el siglo XIX, los progresos en técnicas de ingeniería hacen posible observar las propiedadestérmicas de las rocas y fluidos subterráneos, y explotarlos con rudimentarias perforaciones. Aprincipios de este siglo se instaló en Italia una industria química (en la zona actualmente conocidacomo Larderello), para extraer el ácido bórico de las aguas calientes boratadas que emergían deforma natural o bien, de pozos perforados con ese objeto. El ácido bórico se obtenía medianteevaporación de las aguas boratadas, usando como combustible la madera de los bosques de losalrededores. En 1827 Francisco Larderel, fundador de esta industria, desarrolló un sistema parautilizar el calor de los fluidos en el proceso de evaporación, en vez de quemar la madera de losbosques en rápido agotamiento.En 1892 entró en funcionamiento el primer sistema centralizado de calefacción geotérmica, enBoise, Idaho (USA). En 1928 Islandia, otro país pionero en la utilización de la energía geotérmica,también inicio la explotación de sus fluidos geotérmicos (principalmente agua caliente) paracalefacción doméstica. 500
  15. 15. En 1904, en Larderello (Italia), se llevó a cabo el primer intento de generar electricidad a partir de vapor de origen geotérmico, utilizando un equipo inventado por el Príncipe Piero Ginori Conti. En 1942, la potencia eléctrica instalada alcanzaba los 127.650kW (figura 21.17) Años después diversos países se sumaron a la iniciativa italiana. En 1919 se perforaron los primeros pozos geotérmicos en Beppu (Japón). Asimismo, se realizaron perforaciones en el año 1921 en Los Geyseres (California), y en el Tatio (Chile). Figura 21.17. Central geotérmica en Larderello (Italia) En 1958, entra en operación una pequeña planta de generación eléctrica en Nueva Zelanda, en 1959, otra en México, en 1960 en EEUU, seguidos por otros países en los años siguientes.Los sistemas de ciclo binario pueden ser utilizados en los yacimientoshidrotérmicos de entalpía media (100ºC-200ºC), donde predomina el agualíquida (figura 21.18). Este tipo de plantas emplean un segundo fluido detrabajo, con un pun-to de ebullición (apresión atmosféri-ca) inferior al delagua, tales comoisopentano, freón,isobutano, etc., loscuales se evapori-zan y se usan paraaccionar la turbina.Estos sistemas, ade-más de presentar laventaja de permitirutilizar yacimientosgeotérmicos de tem-peraturas medias,admiten la explota-ción de yacimientoscon acuíferos con unmayor porcentaje deimpurezas, especial-mente si estos estánbajo una presión talque no tenga lugar Figura 21.18. Esquema conceptual de un sistema de ciclo binario 501
  16. 16. la evaporación súbita. El líquido extraído del acuífero, una vez ha cedido su calor al fluido de trabajo en el intercambiador de calor, retorna de nuevo al yacimiento. El fluido de trabajo, transformado en vapor recalentado a su paso por el evaporador, se dirige a la turbina con el objeto de accionarla. El generador, mecánicamente acoplado a la turbina, es el encargado de ge- nerar electricidad. Los gases del fluido de trabajo, una vez se expanden en la turbina, se condensan en un intercambiador de calor. El intercambiador es refrigerado con agua mediante un circuito que dispone de refrigeración. Varias plantas geotérmicas en el mundo utilizan sistemas de ciclo binario: Soda Lake (Nevada) (figura 21.19), Wendell-Amadee (California), Fang (Tai- landia) Figura 21.19. Central geotérmica de Soda Lake (Nevada) Independientemente del tipo de sistema utilizado en las centrales geotérmicas, los componentes fundamentales de todas ellas son los siguientes:  Evaporadores y condensadores.  Turbinas y generadores.  Tuberías y bombas.  Torres de enfriamiento. Con excepción de los sistemas de ciclo binario, la mayoría de los condensadores que se emplean en los sistemas geotérmicos son de los denominados de contacto directo. En este tipo de intercambiadores la condensación es muy efectiva. El vapor se mezcla con el agua de refrigeración, por lo que a la salida existe un único fluido, agua líquida saturada.502
  17. 17. Los condensadores empleados en los sistemas de ciclo binario suelen serdel tipo placa. El fluido de trabajo pasa por muchas superficies de placas demetal, transfiriendo el calor al agua de refrigeración que circula a través delas otras caras de cada placa (figura 21.20) Figura 21.20. Condensador de placasLas turbinas son las máquinas encargadas de convertir la energía almacenadaen el vapor en energía mecánica de rotación. (Figura 21.21). Puedenemplearse turbinas de vapor simples y de costes relativamente bajos oturbinas de vapor de múltiples etapas. Figura 21.21. Turbina de vapor de una instalación geotérmicaCuando el fluido geotérmico pasa a través de la turbina se presentanproblemas de precipitación de sales, incrustaciones, corrosión y desgastes.Estos problemas se reducen enormemente cuando se emplean sistemas deciclo binario.Para refrigerar los condensadores se emplean torres de enfriamiento. Endichas torres el flujo caliente (el agua) se enfría mezclándolo directamentecon el fluido frío (el aire). El proceso de transferencia de calor tiene lugar por 503
  18. 18. Los tipos más comunes de torres de enfriamiento son las torres de tiro natural y las torres deconvección forzada.En la torre de enfriamiento por convección natural, el agua se pulveriza directamente en la corrientede aire, que se mueve a través de la torre de enfriamiento por convección térmica. Al caer, lasgotas de agua se enfrían por convección ordinaria como por evaporación.Una plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la velocidad media decaída de las gotas y, por lo tanto, aumenta el tiempo de exposición de gotas a la corriente de aireen la torre.Las torres de tiro natural comenzaron a utilizarse en Europa en 1916. Estas son esencialmenteapropiadas para cantidades muy grandes de enfriamiento, y las estructuras de hormigón armadoque se acostumbra utilizar llegan a tener diámetros del orden de 81 m y alturas superiores a103m.En una torre de enfriamiento por convección forzada se pulveriza el agua en una corriente de aireproducida por un ventilador. El ventilador puede estar situado en la parte superior de la torre,aspirando así el aire hacia arriba, o puede estar montado en la base y descargar el aire, a bajavelocidad, por la parte superior. convección y vaporización al pulverizar el agua o dejarla caer en una corriente (tiro) inducida de aire. Mediante el empleo de torres de enfriamiento el calor procedente del proceso se desecha en la atmósfera en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano. Cuando los yacimientos geotérmicos son de baja entalpía el calor se suele explotar directamente, es decir, sin convertirlo en otro tipo de energía. Entre las distintas aplicaciones directas del calor extraído de las fuentes geotérmicas pueden señalarse los balnearios (figura 21.22), los invernaderos Figura 21.22. Balnearios 504
  19. 19. Figura 21.23. Invernadero(figura 21.23), calefacción doméstica centralizada, usos industriales (figura21.24), etc. Figura 21.24. Uso industrial del calor extraído de un yacimiento geotérmico 505
  20. 20. La tecnología de este tipo de explotaciones precisa de la existencia de dos perforaciones y dos estaciones de bombeo (figura 21.25); una para la extracción del agua caliente y otra para la inyección del agua una vez ha transmitido su calor. Asimismo, se requiere de un intercambiador de calor a la salida de la tubería de extracción, que permita ceder el calor del fluido geotérmico al agua que, a través de una red de tuberías, se transporte hasta el consumidor. Debido a las pérdidas de calor que se originan durante el transporte del agua, los centros de consumo del agua caliente no deben estar ubicados en zonas alejadas del yacimiento geotérmico que se esté explotando. AREA AREA RESIDENCIAL INDUSTRIAL INTERRUPTOR CALDERA RESERVA HIDRÁULICO Y DE PICOS DE CARGA ca. 50 ºC INTERCAMBIADOR DE CALOR ca. 97 ºC 260 m BOMBA 2217 m ACUÍFERO 100 ºC ÁREA ALMACÉN 2274 m Figura 21.25. Esquema conceptual del aprovechamiento del calor generado por un yacimiento geotérmico 21.4. Costes La viabilidad comercial de las plantas geotérmicas de generación eléctrica depende de los costos del terreno, de los costes de las perforaciones, de los costes de las instalaciones, de los costos de operación y mantenimiento, de la cantidad de energía generada y del valor de mercado de la energía. Sin embargo, debido a que las plantas geotérmicas requieren de grandes inversiones de capital al comienzo del proyecto, normalmente están en desventaja frente a las plantas térmicas convencionales. Las plantas térmicas506
  21. 21. alimentadas de combustibles fósiles tienen menores costes de capital, pero,a diferencia de las plantas geotérmicas, los costes del combustible semantienen durante toda la vida de la planta.Los costos de capital son costos fijos originados por la construcción de laplanta. Los costos de capital de las plantas geotérmicas incluyen los costes delterreno, los costes de las perforaciones para llevar a cabo las exploracionesen el terreno, los costes de la propia planta, incluyendo los edificios y lasturbinas y generadores de potencia. Las plantas geotérmicas requierende relativamente grandes inversiones de capital, sin embargo, los costosvariables son bajos y nulos los costes del combustible. Los costos de capitalde una planta geotérmica de generación eléctrica se encuentra en el rangode 1.150€ a 3.000€ por kW instalado, dependiendo de las temperaturasy composición del yacimiento y de la tecnología empleada. Estos costespueden decrecer con el tiempo según la tecnología se va desarrollando.La vida de las plantas geotérmicas se encuentra, normalmente, entre 30 y45 años. La financiación del proyecto se estructura a menudo de tal formaque el Pay Back (tiempo de recuperación de la inversión) sea de 15 años.Entonces, los costos se reducen hasta un 50–70%, ya que solo se precisancubrir los costes de operación y mantenimiento de los 15 a 30 años restantesde operación del sistema. En la tabla 21.1 se muestran algunos costos decapital de plantas geotérmicas y la tabla 21.2 muestra una comparacióncon otras fuentes energéticas. Tabla 21.1. Costos de capital de planta geotérmica Tamaño de la Recursos de Recursos de Costo planta alta calidad calidad media Exploración 400€–800€ 400€–1.000€ Plantas Vapor 100€–200€ 300€–600€ pequeñas Planta de (<5MW) 1.100€–1.300€ 1.100€–1.400€ potencia Total 1.600€–2.300€ 1.800€–3.000€ Exploración 250€–400€ 250€–600€ vapor 200€–500€ 400€–700€ Plantas medias (5-30MW) Planta de 850€–1.200€ 950€–1.200€ potencia Total 1.300€–2.100€ 1.600€–2.500€ Exploración 100€–400€ 100€–400€ Vapor 300€–450€ 400€–700€ Plantas grandes (>30MW) Planta de 750€–1.100€ 850€–1.100€ potencia Total 1.150€–1.750€ 1.350€–2.200€Los costos de operación y mantenimiento de una planta geotérmica degeneración eléctrica se encuentra en el rango de 0,0155€ a 0,045€ por KWh,dependiendo de cómo opere la planta. Las plantas geotérmicas normalmenteoperan un 90% del tiempo. Sin embargo, podrían funcionar hasta un 97% aun 98% del tiempo, pero se incrementarían los costos de mantenimiento. Los 507
  22. 22. Tabla 21.2. Comparación con otras fuentes de energía Recurso Costo de capital Geotérmica 1.150€–3.000€ Hidráulica 735€–4.778€ Carbón 1.070€–1.410€ Nuclear 1.500€–4.000€ altos porcentajes de operación solo se consideran cuando la energía generada se paga a un alto precio. Los altos precios de venta de la energía producida justifican que la planta opere con factores de capacidad más altos, ya que se pueden recuperar los mayores costes de mantenimiento que se producen. En la tabla 21.3 se indican los costos de operación y mantenimiento en función del tamaño de la planta. La economía de escala es la que origina que las plantas grandes tiendan a generar más bajos costos de operación y mantenimiento que las plantas pequeñas. Tabla 21.3. Costos de operación y mantenimiento Plantas Plantas Costos de los Plantas Medianas pequeñas grandes componentes (5–30MW) (<5MW) (>30MW) Vapor 0,35€–0,7€ 0,25€–0.35€ 0,15€–0,25€ Plantas de potencia 0,45–0,7 0,35–0,45 0,25–0,45 Total 0,8–1,4 0,6–0,8 0,4–0,7 Como se muestra en la tabla 21.4, los costos de operación, de 0,4–1,4 céntimos de €/kWh, están dentro del rango de los costos de operación y mantenimiento de las plantas convencionales. Tabla 21.4. Costos de operación Costos de operación y mantenimiento Recurso (céntimos de €/kWh) Geotérmica 0,4–1,4 Hidráulica 0,7 Carbón 0,46 Nuclear 1,9 Los costos de generación por kWh de energía han disminuido desde 10 céntimos de euros, en 1980, hasta los costos medios actuales de 4 a 8 céntimos de €/kWh. Estos costes dependen del tipo de planta. Por ejemplo, las plantas de conversión directa generan costes alrededor de 4 a 6 céntimos de €/kWh, mientras las plantas de ciclo binario producen la energía a costes más altos, del orden de 5 a 8 céntimos de €/kWh. Estos costes pueden competir con las plantas térmicas de carbón que son contaminantes.508
  23. 23. 21.5. Impacto ambientalLas principales ventajas del aprovechamiento de la energía geotérmica soneconómicas y ambientales; ahorro en el uso de los combustibles tradicionalespara la generación de energía, mínima generación de residuos en relación alos producidos por otras energías convencionales y utilización de un recursorenovable.Sin embargo, este tipo de energía presenta un cierto impacto medioambientalen el entorno, causado por las emisiones gaseosas y líquidas y por el impactovisual.Durante la fase de exploración, perforación y construcción se puedenproducir impactos. La construcción de caminos de acceso pueden ocasionarla destrucción de bosques o áreas naturales, mientras que la perforación depozos y la construcción de la planta pueden producir perturbaciones en elecosistema: ruidos, polvos, humos y posible erosión del suelo.El ruido puede ser ocasionado durante la fase de exploración, construccióny producción. Muchas veces los niveles sonoros pueden traspasar el umbraldel dolor (120dBa). En el mismo emplazamiento, los trabajadores debenestar protegidos con elementos personales de protección auditiva. Tambiénse pueden instalar silenciadores adecuados en las maquinarias. Los ruidosen los alrededores del emplazamiento pueden ser reducidos restringiendolas operaciones ruidosas a las horas diurnas, también se pueden construirbarreras absorbentes de sonido, como son las barreras de árboles.Por lo general, las áreas geotérmicas se encuentran alejadas de los centrosurbanos, pero se puede contemplar esta medida si los sonidos perjudican ala fauna local.Durante la fase de operación se suelen generar vertidos gaseosos a laatmósfera. Estos suelen tener de baja incidencia en el entorno y estánformados por gases no condensables arrastrados por el vapor. Estáncompuestos, principalmente, por dióxido de carbono y sulfuros de hidrógeno,con trazas de amoníaco, hidrógeno, nitrógeno, metano, radón y algunasespecies volátiles como boro, arsénico y mercurio, las cuales deberán sertratadas antes de su vertido.La contaminación de las aguas superficiales puede producirse por el vertidoo acumulación de fluidos geotérmicos, que contienen elementos como sodio,potasio, calcio, flúor, magnesio, silicatos, antimonio, estroncio, bicarbonato,boro, litio, arsénico, sulfuro de hidrógeno, mercurio, rubidio, amoníaco, etc.,contaminantes que aparecen en distinto grado en os ecosistemas acuáticos.En algunos casos, se aplican tratamientos físico-químicos de depuración,aunque lo habitual es la reinyección en el subsuelo.Asimismo, existe el riego de contaminar las aguas subterráneas debidoa diversas causas: utilización de determinados líquidos en la etapa deperforación; infiltraciones a través de orificios de las paredes del pozo en laetapa de reinyección, que hacen que el líquido contaminado escurra hacialas primeras capas de agua subterránea; fallos en la impermeabilidad de laspiletas de evaporación, y sus consecuentes infiltraciones.Para mitigar estos daños, es posible el tratamiento de los fluidos antesde su descarga, evitando la introducción de metales nocivos en el medionatural. Todas estas situaciones problemáticas pueden ser evitadas, condiseños de planta apropiados y con monitorizaciones periódicas de las aguassubterráneas. Es importante trabajar con controles de calidad, principalmenteen la etapa de perforación y construcción. 509
  24. 24. El impacto visual suele ser considerable si las plantas geotérmicas se ubican en campos geotérmicos que suelen coincidir con espacios de gran valor na- tural y paisajístico (géiseres, termas, etc.) También, aunque en mucho menor grado, existe la posibilidad de disminuir los niveles de agua subterránea, con las consiguientes pérdidas de presión, hundimientos del terreno, compactación de formaciones rocosas, etc. Para evitarlo es preciso controlar y mantener la presión de las reservas de agua. Para minimizar el impacto ambiental producido por el traslado del fluido a través de los conductos (figura 21.26), éstos deben utilizarse dentro del campo geotérmico. Figura 21.26. Impacto visual de los conductos de transporte del fluido Por último, hay que señalar que las plantas de aprovechamiento de la ener- gía geotérmica pueden estar sometidas a potenciales sucesos catastróficos. En zonas con alta actividad tectónica, la reinyección de fluidos en el terreno durante la explotación de las reservas puede aumentar la frecuencia de pequeños terremotos en la zona. Estos efectos pueden ser minimizados reduciendo las presiones de reinyección al mínimo y asegurando que los posibles edificios afectados por los movimientos sísmicos estén preparados para soportar la intensidad de estos terremotos. La actividad sísmica de mayor intensidad podría causar filtraciones de fluidos a algunas partes indeseadas del sistema.510
  25. 25. Las erupciones hidrotermales suelen ser atípicas y ocurren cuando la presiónde vapor en los acuíferos se intensifica y eyecta hacia arriba la tierra que locubre, creando un cráter. Mantener la presión en las reservas puede ayudara reducir la frecuencia de la ocurrencia de erupciones, también se debenevitar las excavaciones en terrenos con actividad termal.Muchos de los proyectos de aprovechamiento de la energía geotérmica seencuentran en terrenos accidentados y es por eso que son más susceptiblesque un terreno llano a deslizamientos del suelo. Esto puede ocasionar gravesaccidentes si las rocas que caen dañan los pozos o las tuberías, lo que podríaresultar en el escape de vapores y líquidos a alta temperatura. La probabilidadde que esto ocurra puede ser minimizada conteniendo todas las pendientessusceptibles de sufrir deslizamientos de tierra, aunque esto podría aumentarel impacto visual del proyecto.21.6. Situación actualA diferencia de otras fuentes renovables tales como la solar y la eólica, unaplanta de potencia geotérmica pueden operar sin ininterrupciones todos losdías del año, lo que la hace una fuente atractiva de generación de energía.Actualmente, tal y como se muestra en la tabla 21.5, muchos países cuentancon centrales geotérmicas que, de una forma u otra, aprovechan este tipode energía. Dicha energía es considerada como una fuente renovable,limpia, fiable, casi ilimitada, invulnerable a las sequías y con bajo nivel decontaminación, por lo que se ha convertido, en algunos lugares, en unaalternativa a la energía térmica convencional o a la nuclear. Tabla 21.5. Energía geotérmica. Potencia instalada (2002) Continente Potencia (MW) Europa 1.180 África 128 América 3.387 Asia 3.220 Oceanía 441 TOTAL 8.356De los casi 8.500MW de potencia geotérmica instalada, destacan paísescomo Estados Unidos (2.700MW), Filipinas (2.000MW), Japón (1.000MW),Italia (430MW), Francia (330MW), a los que hay que sumar Nueva Zelanda,México, Indonesia, Austria, Alemania, Grecia, Portugal, Suecia, etc. Se estimaque en el 2005, se alcancen los 11.000MW en todo el mundo.Otro tipo de aprovechamiento energético es el térmico, empleando la energíageotérmica como fuente calorífica para usos en calefacción industrial,urbana, agrícola, etc. En este sentido destacan países como Islandia, quecuenta con la mayor red del mundo en Rekjvik, Estados Unidos, China Rusia,Japón, Francia, etc. El sistema se basa en redes centralizadas enterradasabastecidas por agua a 60-90ºC que distribuyen el calor hasta los hogaresmediante tuberías aisladas e intercambiadores de calor estratégicamenteubicados. 511
  26. 26. Los porcentajes de utilización directa del calor geotérmico se representan en la tabla 21.6. Tabla 21.6. Utilización directa del calor geotérmico Uso Porcentaje Calefacción Ambiental 33% Baños Termales 15% Acuicultura 13% Invernaderos 12% Aire Acondicionado 12% Industria 11% Secado productos agrícolas 1% Otros 3% Los depósitos de vapor y agua caliente constituyen una pequeña parte de los recursos geotérmicos. El magma de la Tierra y las rocas secas calientes proporcionarán energía barata, limpia, y casi ilimitada. Sin embargo, todavía es imposible su pleno aprovechamiento, principalmente por factores técnicos. Cuando se desarrolle la tecnología apropiada para su explotación podrá extraerse una gran cantidad de energía. Mientras tanto, los yacimientos de temperatura moderada, que son muy abundantes y pueden operar mediante sistemas de ciclo binario, serán los productores de electricidad más usuales.512

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