Sistemas geotérmicos

Índex
Presentació:
• Presentació personal
• Presentació científica
Cos del treball:
• Classificació de l'energia geotérmica
• Explicació dels processos per l'obtenció d'energia.
2.1) Característiques favorables a l'explotació
2.2) Prospecció i exploració de la geonergia
2.3) Model bàsic d'un camp geotérmic
2.4) Forma d'extracció
2.5) Procès de conversió de l'energia geotérmica
2.6) Tipus de centrals geotérmiques
3) Marc d'aplicació i tipus d'aplicacions
4) Impacte ambiental
5) Producció
6) Cost total de producció
Conclusió
PRESENTACIÓ
Presentació personal
Tot i que el treball hagi estat assignat a l'atzar hem pensat que era convenient començar el treball en una petita
introducció personal, un pròleg.
Bé, no ha estat un treball fàcil, en la nostra recerca ho vam trobar tot a Internet i no ens va fer falta consultar
llibres, a Internet vam trobar sobretot informacions de centrals geotérmiques concretes i fruit d'això hem
pogut elaborar el treball. Mostrem el nostre agraïment als usuaris de la xarxa que ens van deixar la informació.
Presentació científica
Dels sistemes geotérmics:
1
Els sistemes geotérmics aprofiten les forces existents en l'interior de la Terra per produir energia útil pel
consum, basant−se en la teoria de que un punt com més pròxim al Nucli terrestre estarà a més temperatura.
L'interior de l'escorça terrestre allotja multitud d'energies en constat moviment: géisers, volcans, sismes... que
alliberen energia. Aquest sistema aprofita l'escalfor que hi ha en el SIAL (capa de silicats d'alumini) o SIMA
(capa de silicats de magnesi) posant en contacte un líquid amb el magma d'aquestes capes (50 Km., sabent que
l'augment de temperatura és constant 1 grau Celsius cada 30−37 metres aproximadament.) que s'evapora i el
vapor fa girar unes turbines instal·lades en la superfície per produir corrent elèctric, un sistema similar a
l'energia solar. L'energia que s'estima que té l'interior terrestre es de 18 x 1012 kWh que són 180000 TWh.
De les centrals geotérmiques:
Els sistemes geotérmics és consideren molt pràctics tant en rendiment com en manteniment. Aquestes centrals
compten amb un sistema molt simple: una única peça mòbil, la turbina, que en millora la vida útil de les
centrals. Una altra ventatja que ofereixen es que l'explotació es constant i de cost reduït.
COS DEL TREBALL
Apartat 1: Classificació de l'energia geotérmica
Podem classificar aquesta energia com a no−contaminat, tret de cert impacte ambiental, suposadament
renovable encara que a vegades s'ha esgotat l'aigua i el magma s'ha refredat però això és un fenomen
recuperable. També és una energia en fase experimental avançada i una energia de futur.
Apartat 2: Procés
Característiques favorables a l'explotació:
En primer lloc hem de fer una classificació de camps geotérmics naturals i les àrees econòmicament
explotables, llavors coneguem les següents categories:
• Àrees no−termals: amb gradiants geotérmics entre 10−49ºC/Km.
• Àrees semitermals: la seva gradació es comprèn en l'interval de 40−70ºC/Km.
• Àrees hipertermals: la seva gradació està per sobre dels 70ºC/Km.
Les àrees semi o hipertermals estan situades en regions en les quals, per processos físico−geologics, es donen
pèrdues importants d'energia geotérmica (regions amb activitat volcànica recent o actual i cinturons de gran
sismicitat). L'existència d'aquestes dos tipus d'àrees implica, necessàriament, una hidro−estructura geotermal
amb presencia de formacions permeables protegides per roques impermeables, el que permet un contingut de
fluids en moviment, sense els quals la geoenergia no podia ser explotada. Els fluids mòbils (aigua, aigua amb
vapors, o vapors associats amb gasos) són un mitjà favorable de transmissió de calor i es troben a nivells
relativament profunds de l'escorça terrestre.
2
Les hidro−estructures es classifiquen en 4 tipus:
• Humides: amb jaciments d'aigües termals que produeixen aigua bullint sota pressió i temperatures que
superen els 100ºC. El fluid arriba a la superfície per decreixement de la pressió del jaciment, i una
proporció relativament petita es transforma en vapors i la resta queda en forma d'aigua bullint.
• Seques: amb jaciments de vapor saturat o sobrecalentat, a pressió més alta que l'atmosfera.
• Semitermals: són hidro−estructures que són capaces de produir aigües termals de fins 100ºC.
• Hipertermals: les que van acompanyades de manifestacions particulars en la superfície com: géisers,
volcans de fang, aigües en ebullició i d'altres.
El que és més important per a la recuperació de la geoenergia es la existència d'un alt gradiant de temperatura
del subsòl que permeti l'obtenció de la mescla aigua−vapor a una temperatura mínima de 180ºC.
Prospecció i exploració de la geoenergia:
La investigació dels territoris per desxifrar el seu potencial geotérmic comença amb manifestacions tèrmiques
a la superfície com a fonts d'aigua termal, emanacions de fumaroles, etc. Aquestes són les primeres
indicacions del potencial de les fonts profundes. Els coneixements s'amplien des d'aquesta fase amb estudis
químics de les fonts de calor de les aigües, fumaroles,etc. Les manifestacions d'activitat tèrmica que cobreixen
una superfície de varis Km2, significa pel general una gran font de calor, mentre que les manifestacions
tèrmiques insignificants no sempre impliquen que en el subsòl no hi hagin grans fonts de calor.
Prospecció
Mètodes:
Les fotografies aèries en infrarojos poden contornejar anormalitats geotérmiques, però la teledirecció en
infraroig és menys sensible que els mesuraments de temperatura des de terra, però es molt útil en zones de
difícil accés.
El mapejat geològic s'utilitza per determinar les formacions i les zones permeables o impermeables.
Les anàlisis petrogràfiques i químiques de la roca permeable poden donar indicacions sobre la composició
de les aigües del reservori.
L'estudi de falles, fractures i fissures són importants pels estudis hidro−geológics i ajuden amb la localització
de la font de calor. La investigació hidro−geológica es refereix al coneixement del cabal de l'aigua en
ebullició de les sortides naturals o perforacions artificials.
Les investigacions mineralògiques estan orientades a determinar els termòmetres geològics que indiquen els
límits de les temperatures en que aquests minerals es van formar; es determina també l'edat d'alguns minerals i
fins i tot es pot establir la temperatura actual. Les temperatures són mesurades per mitjà de perforacions molt
curtes 2m−5m de profunditat i amb elles es determina la gradació geotérmica; també es realitzen perforacions
en profunditats intermitges (50m−100m) per localitzar amb major precisió les fonts de calor i els reservoris
dels jaciments hidrotermals.
Els mètodes geofísics més eficients per a contornejar els recursos hidrotermals són la termometria i la
electrometría, encara que també són molt emprades la magnetometria, la gravimetria, la radiometria i la
sísmica.
La integració de les dades obtingudes per aquests mètodes, pels que s'explica les manifestacions de calor i
eventualment la formació d'hidro−estructuresportadores de jaciments hidrotermals, ens porta a elaborar
3
models d'estructures i d'hidro−estructures geotermals que són una etapa essencial en el procés d'exploració.
Sense aquestos models, seria difícil ejecutar perforacions amb probabilitats raonables de descobrir fluids en
ebullició geotermals.
Subetapes de la prospecció:
• Estudi de reconeixement: té com a objectiu la avaluació preliminar del recurs, selecció i priorització de les
àrees geotérmiques, definició del model geotérmic preliminar i l'elaboració del pla de treball de la fase
següent. Els estudis realitzats tenen un caràcter poc detallat, incloent−hi la avaluació de mapes geològics
regionals, dades de vulcanisme, imatges de satèl·lit i fotografies aèries, informació hidrogeoquímica
provinent de pous d'aigua perforats en l'àrea d'estudi, dades hidrometeorológiques i geofísiques, entre
d'altres [veure apartat de mètodes de prospecció]
• Estudi de prefactibilitat: persegueix definir el model geotermic preliminar de les àrees seleccionades,
basades en la presencia i origen de l'anomalia tèrmica, les característiques de la capa segell, el model de
circulació de fluids i el tipus i característiques del reservori. En aquesta etapa, s'inclouen investigacions
geocientífiques de major detall i major profunditat, tal com: geologia, vulcanologia, geoquímica,
hidrogeologia i geofísica; les quals seran desenvolupades amb un nivell de detallació que permetrà conèixer
qualitativament i quantitativament els elements que integren el sistema geotérmic de l'àrea seleccionada per
procedir amb els estudis. Aquesta etapa inclou 6 fases: 1) revisió, avaluació i síntesi de la informació
existent obtinguda en estudis anteriors; 2) investigació geocientífica de camp i laboratori; 3) integració de la
informació i elaboració del model geotérmic; 4) perforació de pous d'exploració; 5) anàlisi de la informació
obtinguda en els pous exploratoris; 6) avaluació preliminar del potencial energètic.
Exploració
L'etapa d'exploració comprèn l'estudi de factibilitat, el que té per objectiu la comprovació de la existència del
reservori geotérmic, la avaluació del seu potencial, el sistema preliminar del sistema de conversió d'energia
mes adequat en funció de les característiques del recurs i la seva factibilitat econòmica.
En aquesta etapa es realitzen perforacions exploratories profundes, estudis geocientífics de detallació, estudis
d'enginyeria de reservoris, i un anàlisi tècnic econòmic dels possibles esquemes d'utilització del recurs.
L'estudi de l'impacte ambiental depèn d'aquesta etapa. Ha d'incloure estudis també: un enfocament de l'ús de
la terra, l'impacte visual i de soroll, i els problemes derivats de la perforació i prova de pous.
Model bàsic d'un camp geotérmic:
Un camp geotermic s'identifica com aquella àrea de l'escorça terrestre que posseeix els següents elements:
• Capa segell: representa l'estrat més superficial del sistema, compost per formacions pràcticament
impermeables, que actuen com a aïllant impedint l'escapada cap a la superfície tant de calor com de fluids
emmagatzemats sota la capa segell.
• Reservori geotérmic: aquest estrat està generalment format per roques calentes i permeables amb un volum
suficientment gran com perquè permeti l'emmagatzament i circulació de fluids (aigua i/o gasos), a alta
temperatura i pressió. El reservori es la part més important del camp, doncs, és l'estrat que emmagatzema el
fluid de treball (vapor).
• Recàrrega: la existéncia d'una formació que contingui capacitat d'emmagatzament de fluids geotermics
requereix, necessariament, d'alimentació, la qual es generalment aigua de pluja, que s'infiltra per qualsevol
punt permeable.
• Basament: és la base del reservori i està formada per roques impermeables, per el qual la transmissió de
calor es produeix principalment, per mecanisme de conducció des de la font de calor.
• Font de calor: dins d'un sistema geotérmic, la transferència de calor necessària per a l'existència de les
4
característiques d'alta pressió i temperatures en el reservori es produeix generalment a través de les
intrusions de magma situades a nivells relativament profunds de l'escorça terrestre (5−15 Km) on la
temperatura pot oscil·lar entre els 600ºC i 900ºC.
Forma d'extracció:
El mitjà per fer arribar el vapor a la superfície des del subsòl és a través de la perforació de pous geotérmics i
la instal·lació, tant d'equips superficials de separació com de tubs carreteig i distribució de fluids.
Amb la tecnologia actual, un reservori susceptible a l'explotació comercial no ha de sobrepassar els 3 Km de
profunditat, per culpa de les altes temperatures que s'asoleixen, a tanta profunditat el calor fa que es limiti l'ús
de màquines de perforació.
El pou geotermic no és mes que un forat que es perfora amb canvis de diametres discrets i menors comforme
augmenta la profunditat, principalment per disminuir els riscos d'inestabilitat a les parets del pou.
Pou geotermic:
1er) El disseny tradicional del pou consisteix en un forat superficial de 0'66 metres de diàmetre amb el qual
s'arriba a una profunditat d'entre 20 i 25
metres, revestit amb tubs d'acer de 0'51 metres de diàmetre, cobrint amb formigó l'espai anular entre el tub i la
paret del forat, amb el propòsit de donar rigidesa a les parets del pou.
2on) Desprès existeix un tram, amb una perforació d'entre 300 i 500 metres, on el diàmetre es veu reduït fins
els 44 centímetres; posteriorment es perfora un forat a 0'31 m., emprant−se en aquest tram una canonada de
revestiment de 0'24 m. amb la seva respectiva aplicació de formigó, la seva longitud real s'estén des de la
superfície del pou fins la profunditat màxima conseguida en aquesta etapa: 1000 − 1500 m.
3er) L'última etapa de perforació es realitza dins el denominat reservori geotermic , que representa la font
d'aportació energètica. A diferencia de la perforació en estrats superiors, aquest tram no se li aplica el formigó
i pel contrari es col·loca una canonada ranurada de 0'24 m. de diàmetre, amb el propòsit de permetre
l'aportació i extracció de fluid i evitar el pas de materials sólids grans des de les parets de pou.
Aquestes mesures són les estandars, poden haver−hi variacions notables de diametres sempre depenent de
l'explotació i el rendiment que es vulgui conseguir del camp geotermic.
El maneig i la regulació del fluid de vapor es realitza mitjançantuna vàlvula mestra instal·lada en la superfície
del pou, adaptada a la canonada de producció (2on tram).
Procés de conversió de la energia geotèrmica:
La quantitat i qualitat del vapor disponible en un reservori geotermic depèn del seu estat termodinàmic, el qual
pot ser:
• Vapor dominant: en el seu cas l'aportació es d'una fase de vapor.
• Líquid dominant: en el qual el fluid es una mescla de les fases aigua−vapor i en el pitjor dels casos pot
contenir únicament aigua calenta, amb una temperatura de menys de 200ºC, denominats reservoris de baixa
entalpatia en que la seva utilització per a fins de generació estan limitats a tecnologies especialitzades no
convencionals.
La majoria de camps geotermics són de naturalesa de líquid dominant, on el pous produeixen una mescla
5
aigua−vapor, per el qual hi ha necessitat de separar el vapor de la mescla, inmediatament desprès que surti del
pou. Això es realitza en un separador ciclònic a partir del qual el vapor es transporta a través de les canonades,
fins a la central generadora a on es transmet l'energia a una turbina, que realitza el treball de produir
electricitat.
Desprès d'aquesta transformació, el fluid es transporta fins a un condensador i desprès a una torre de
refredament, per a ser rebutjada amb una temperatura baixa (de prop de 40ºc), el qual es reutilitzat dins del
cicle de refredament del vapor. L'aigua separada, al camp dels reservoris de líquid dominant, pot ser retornada
per reinjecció, amb el propòsit de recarregar hidràulicament el camp i en altres cassos pot ser utilitzat per
generar, per mitjà d'equips de vaporització, vapor de baixa pressió o, en el cas de menor utilitat pràctica, el
líquid residual pot ser llençat a l'atmosfera cap a cossos receptors (rius, llacunes,...). Obtenim, doncs,
moviment a les turbines per injecció d'aigua al reservori i la seva sortida en vapor fa moure−les.
Tipus de centrals geotérmiques:
Les plantes geotermogeológiques es divideixen en dos grups, el primer aplicable a camps dominats pel vapor i
el segon, òbviament, per aquells sistemes de líquid dominant.
Els tipus bàsics de planta utilitzen turbines a vapor d'aigua, en el qual el vapor que es generat per una caldera,
que per a un cas específic és el mateix pou geotermic, s'expandeix transmetent treball a la turbina, vapor que
després s'envia al condensador de superfície on al canviar completament a fase líquida, se li extrau una
quantitat addicional de calor que fa que la bomba, que també correspon al pou geotermic, el qual envia
contínuament vapor a alta pressió des del seu valor mínim assolit en el condensador, fins el valor de pressió
que requereix la turbina per al seu funcionament.
L'eficiència de conversió d'aquest cicle es proporcional al canvi d'energia produït; per que la quantitat de
treball sigui major es requereix que la diferencia entalpàtica (pressió en relació a la temperatura) sigui el mes
gran possible.
Degut a que les condicions termodinàmiques del vapor que surt del pou són particulars i fixes, determinades
per les característiques del reservori, l'única forma d'incrementar la diferència termodinàmica o entalpàtica de
l'energia d'entrada i la de sortida del cicle de conversió, es adaptar les condicions després de la turbina, de tal
manera que siguin les mes baixes possibles, per el qual s'empra un condensador que fa que la pressió de
sortida sigui menor que l'atmosfèrica.
Els principals tipus de planta són:
• Vapor directe: s'utilitza en camps geotermics de vapor dominant, en el qual el fluid de treball es vapor
sobrecalentat o sec, per el qual la seva alimentació és directament cap a la turbina.
• Vapor indirecte: En els reservoris de líquid dominant, el fluid produït per un pou es una mescla de la fase
d'aigua i de la fase de vapor, per la qual, per a la seva alimentació, es necessària la separació de les diferents
fases utilitzant u separador ciclònic, essent la fracció de vapor la que s'utilitza com a fluid de treball.
• Cicle binari: existeixen camps en que les condicions de pressió i de temperatura són unes que únicament
produeixen aigua calent en un rang establert d'entre 90−180 ºC, per el qual no poden utilitzar−se turbines
convencionals per a la producció d'electricitat. Per aquest tipus de recurs s'empren les plantes binàries, en
les quals el fluid es transfereix mitjançant intercanviadors de calor o evaporadors cap a un fluid secundari
de treball de tipus orgànic (isobutà i/o isopentà) a partir del qual es produeix vapor d'alta pressió per moure
una turbina.
Apartat 3: Marc d'aplicació i tipus d'aplicacions.
Per parlar del marc d'aplicació que ens ofereix l'energia geotérmica cal saber que es basa en el tipus
6
d'entalpatia del que es tenen recursos així doncs cal definir l'entalpatia: H = U + pV, essent H entalpatia; U
l'energia interna; p, la pressió; i V, el volum. Així doncs podem diferenciar 2 tipus de fonts:
• Baixa entalpatia: S'empra en calefacció de petits espais com cases, granges... La seva manera d'actuació és
similar a la energia solar de baixa temperatura, ja que les temperatures similars permeten fer canalitzacions
de tipus domèstic i actuar com a radiadors de calor a causa de l'aigua calenta. El residu d'aigua calenta d'una
central geotérmica (no és de baixa entalpatia perquè es el residu d'una aplicació d'alta entalpatia) en certes
ciutats, sobretot nòrdiques, (per exemple nuclis urbans prop de Reijkavic, Islàndia) també s'empra per
escalfar habitatges i departaments públics mitjançant unes canalitzacions que van situades sota el paviment
que arriben a longituds de fins a 50 Km.
• Alta entalpatia: Aquesta font té un alt contingut en calor i ja es viable per a la producció d'electricitat.
Aquesta requereix una acció important de la mà humana a diferencia de la de baixa entalpatia, cal perforar
varis quilometres per obtenir el calor que es vol.
Apartat 4: Impacte ambiental.
L'impacte ambiental és molt reduit, únicament les instal·lacions que priven l'espai als éssers vius del voltant; i
l'eliminació de l'aigua a alta temperatura, juntament amb l'alliberació de vapor d'aigua a l'atmosfera, que
impliquen un augment de les temperatures poc notable però si un augment notable de l'humitat. L'impacte
ambiental en les centrals geotermiques s'estudia molt avanç, per tal de suplir el poc rendiment que sobté una
mica amb la netedat de les centrals. També poden produir−se canvis geotermics reversibles, però tenen una
importància nula.
Apartat 5: Producció.
La productivitat de les centrals geotérmiques ha posat, sovint, en dubte la seva rendibilitat. Tret d'això la
producció és relativament poca, però, cada vegada s'obta mes per aquest tipus d'energia, gràcies molt
provablement a ser una energia molt poc contaminant. És una energia poc desenvolupada que no tots els
païssos poden gaudir−ne.
La producció en xifres no es totalment exacta i sempre s'obta per estimacions de cara al futur, cal saber que és
una energia que s'ha començat a explotar fa pocs anys en la década dels 70; Estats Units, per exemple, podria
produir 23000 Mw en 30 anys, i en 18 païssos més, la capacitat geotérmica total de 1990 va ser d'uns 5800
Mw.
Actualment l'explotació mes importat es duu a terme a Nova Zelanda, on en aquesta energia ja han
desenvolupat una tecnologia que ja a fet desaparéixer com a mínim els dubtes de rendibilitat d'aquesta
energia; Després venen països com la Xina, Turquia, Islandia, França i Japó que han desenvolupat una
tecnologia propera a la nova zelandesa.
Apartat 6: Cost total de producció.
Els costos del projecte varien notablement, segons, el fabricant, la ubicació, la tecnologia de que es disposa i
altres recursos; per tant cal agafar un model: La primera unitat de la planta geotérmica de Miravalles (Costa
Rica) puja a 98'5 milions de dòlars, dels quals 74 milions van ser finançats per centres d'investigacions
governamentals i 24 milions per centres d'investigació privats. La segona en va costar un total de 108'5
milions de dòlars repartits en percentatges similars entre governamentals i privades.
CONCLUSIÓ
Conclusió científica
7
L'energia geotérmica és un recurs abundant i explotable en bastants països en vies de desenvolupament, de fet
la única energia totalment autòctona explotable en aquests. En països desenvolupats contribuiria a un
sanejament del medi i a una producció en quantitats notables.
La seva viabilitat, força elevada, ha demostrat que és una energia de futur que potser serà possible explotar
fins un nivell de màxim rendiment.
Conclusió personal
És una alternativa energètica més, amb un baix cost ecològic, però, té un alt cost d'estudi i d'investigació
juntament amb el cost d'instal·lació; tot i que avui en dia els estudis del subsòl són molt fiables, el problema
més gran és l'estimació d'energia que és pot produir, donat que les dades no garanteixen un cost relativament
reduït.
Bàsicament, el millor i a destacar és el poc impacte ambiental comparat amb la resta d'energies (excloent−hi
l'energia nuclear) i el que podem considerar−ne una part negativa és l'alt cost de les instal·lacions en relació a
l'energia produïda i l'alt cost d'uns estudis lents i no sempre del tot exactes com són uns estudis geològics.
Creiem que si es possible una millora, pot esdevenir una energia de futur important, ja que en un futur es
buscarà una relació entre la productivitat i l'ecologia favorable.
En aquest mapa no surten els païssos explotadors, sinó les zones viables per a l'explotació per païssos.
Traduint de l'angles: Regions geotermals mes calentes conegudes.
8