NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 RESUMEN PEQUEÑAS CENTRALES GEOTÉRMICAS: DISEÑO, RENDIMIENTO Y ECONOMÍA 1. INTRODUCCIÓN Este articulo cubrirá los sistemas básicos de conversión de energía geotérmica con respecto a su diseño, rendimiento termodinámico y economía. Se basa en gran medida en una contribución enciclopédica reciente del autor a la segunda edición del Manual estándar de ingeniería de centrales eléctricas de McGraw-Hill; se remite al lector interesado a esta fuente para obtener más detalles de los que caben en este artículo introductorio. Aunque gran parte del contenido de este artículo es generalmente aplicable a plantas de energía geotérmica de cualquier tamaño, las características específicas de las plantas pequeñas serán de particular interés. Las pequeñas centrales eléctricas han jugado un papel importante en el desarrollo de la energía geotérmica. Dado que no es práctico transmitir vapor a alta temperatura a través de largas distancias por tubería debido a las pérdidas de calor, la mayoría de las plantas geotérmicas se construyen cerca del recurso. Dado el espacio mínimo requerido de los pozos para evitar interferencias (típicamente 200-300 m) y la capacidad habitual de un solo pozo geotérmico de 4-10 MW (con algunas raras y espectaculares excepciones), las centrales eléctricas geotérmicas tienden a estar en el rango de 20-60 rango de MW, incluso los asociados a grandes embalses. Las plantas mucho más pequeñas, en el rango de 500 a 3000 kW, son comunes con las plantas de tipo binario. Tabla 1: Resumen de la capacidad de energía geotérmica instalada en todo el mundo (a partir de 1998) NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 2. PLANTAS DE VAPOR DIRECTO Las plantas de vapor directo se utilizan en reservorios dominados por vapor (o vapor seco). Los pozos producen vapor seco, saturado o ligeramente sobrecalentado. El vapor 02 transporta gases no condensables de concentración y composición variable. El vapor de varios pozos es transportado por tubería a la casa de máquinas donde es utilizado directamente en turbinas del tipo impulso/reacción. Entre cada boca de pozo y la planta, se encuentran separadores ciclónicos centrífugos en línea situados cerca de la boca de pozo para eliminar partículas como polvo y fragmentos de roca, recipientes de drenaje (trampas) a lo largo de las tuberías para eliminar la condensación que se forma durante la transmisión y un eliminador de humedad final en la entrada a la casa de máquinas. Figura 1: Diagrama de flujo simplificado para una planta de vapor directo. Se muestra un condensador de superficie, pero a menudo se utilizan condensadores de contacto directo. Se prefiere el primero siempre que la corriente de NCG deba ser tratada o procesada antes de su liberación a la atmósfera, por ejemplo, siempre que se excedan los límites de emisiones de sulfuro de hidrógeno. En tales casos, se debe instalar una planta química elaborada para eliminar el sulfuro de hidrógeno. La mayoría de las unidades en The Geysers en el norte de California usan sistemas Stretford (o similares) para este propósito, produciendo azufre elemental como subproducto. Un sistema tan elaborado no se justificaría económicamente en una planta muy pequeña. Se muestra un condensador enfriado por agua. Dado que el condensado de vapor no se recircula a una caldera como en una planta de energía convencional, está disponible para la reposición de la torre de enfriamiento. De hecho, se encuentra disponible un exceso de condensado (típicamente, 10-20% en peso del vapor) y generalmente se inyecta nuevamente en el depósito. La producción a largo plazo puede agotar el yacimiento. El uso de condensadores enfriados por aire permitiría un retorno del 100 %, pero hasta ahora no ha sido rentable. Las torres de enfriamiento mecánicas de tiro inducido, ya sea de contraflujo o de flujo cruzado, se usan principalmente para sistemas de enfriamiento húmedo, pero en algunas plantas se usan torres de tiro natural. La práctica reciente, particularmente en Italia, ha visto clasificaciones nominales de NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 centrales eléctricas de 20 o 60 MW por unidad, siendo las unidades más pequeñas de diseño modular para una instalación rápida. El diseño flexible permite que la unidad básica se adapte a una gama bastante amplia de condiciones reales de vapor. 03 Tabla 2: Enumeración los principales equipos típicamente utilizados en los cuatro tipos básicos de centrales eléctricas geotérmicas 3. PLANTAS DE VAPOR FLASH Los depósitos de vapor seco son raros, los únicos campos importantes conocidos son Larderello y The Geysers. El tipo más común de depósito geotérmico está dominado por líquido. Para los pozos de flujo artesiano, el fluido producido es una mezcla de dos fases de líquido y vapor. La calidad de la mezcla (es decir, el porcentaje en peso de vapor) es una función de las condiciones del fluido del yacimiento, las dimensiones del pozo y la presión del cabezal del pozo, que se controla mediante una válvula del cabezal del pozo o una placa de orificio. Las calidades típicas de cabeza de pozo pueden oscilar entre 10 y más del 50%. Aunque se han probado algunas máquinas experimentales que pueden recibir el flujo bifásico total y generar energía [10-12], el enfoque convencional es separar las fases y usar solo el vapor para impulsar una turbina de vapor. Debido a que la presión del cabezal del pozo es bastante baja, típicamente de 0,5 a 1,0 MPa (75 a 150 lbf/in2, abs), las fases de líquido y vapor difieren significativamente en densidad (r/r=175-350), lo NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 que permite una separación efectiva por centrífuga. acción. Los separadores ciclónicos altamente eficientes producen calidades de vapor que alcanzan el 99,99 %. El líquido del separador puede inyectarse, utilizarse para su energía térmica a través de intercambiadores de calor para una variedad de aplicaciones de calor directo, o evaporarse a una presión más baja por medio de una válvula de control o una placa de orificio, generando así vapor adicional para usar en una baja temperatura. 04 Las plantas en las que solo se utiliza vapor primario a alta presión se denominan plantas Single-Flash; las plantas que utilizan vapor flash tanto de alta como de baja presión se denominan plantas de doble flash. 4. PLANTAS DE UN SOLO FLASH Figura 2. Diagrama de flujo simplificado para una planta de energía geotérmica de flash único. El flujo de dos fases de los pozos se dirige horizontal y tangencialmente hacia un recipiente de presión cilíndrico vertical, el separador ciclónico. El líquido tiende a fluir circunferencialmente a lo largo de la superficie de la pared interna mientras que el vapor se mueve hacia la parte superior donde se elimina por medio de un tubo vertical. El diseño que se muestra se denomina separador de salida inferior y es extremadamente simple, ya que no tiene partes móviles. A veces se utilizan deflectores y paletas guía para mejorar la segregación de las dos fases. Una válvula de retención de bola proporciona un seguro contra una gota de líquido que ingresa a la línea de vapor durante un vuelco. Las líneas de transmisión de vapor son esencialmente las mismas que en el caso de las plantas de vapor seco y normalmente están equipadas con trampas. 5. PLANTAS DE DOBLE FLASH Se puede generar entre un 20 y un 25 % más de energía a partir de la misma tasa de flujo másico de geofluido mediante el uso de la tecnología Double-Flash. El vapor secundario de baja presión producido al estrangular el líquido separado a una presión más baja se envía a una turbina de baja presión separada o a una etapa apropiada de la turbina principal NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 (es decir, una turbina de doble admisión y doble presión). Los principios de funcionamiento de la planta Double-Flash son similares a los de la planta Single-Flash. La planta Double-Flash es, sin embargo, más costosa debido al equipo adicional asociado con los recipientes flash, el sistema de tuberías para el vapor a baja presión, las válvulas de control adicionales y la turbina adicional o más elaborada. 05 Figura 3: Diagrama de flujo simplificado para una planta de doble Flash. 6. PLANTAS BINARIAS En una planta binaria, la energía térmica del geofluido se transfiere a través de un intercambiador de calor a un fluido de trabajo secundario para su uso en un ciclo de Rankine bastante convencional. El geofluido en sí mismo no entra en contacto con las partes móviles de la central eléctrica, por lo que se minimizan, si no se eliminan, los efectos adversos de la erosión. Las plantas binarias pueden ser ventajosas bajo ciertas condiciones, como bajas temperaturas de geofluidos, por ejemplo, menos de aproximadamente 150 C (300 F), o geofluidos con altos niveles de gases disueltos o alto potencial de corrosión o incrustación. Estos últimos problemas generalmente se exacerban cuando el líquido geotérmico se convierte en vapor, como ocurre típicamente en un pozo de producción de flujo propio. Las bombas de fondo de pozo ubicadas por debajo del nivel de flash pueden evitar el flash aumentando la presión por encima de la presión de saturación para la temperatura del fluido. La mayoría de las plantas binarias operan en pozos bombeados y el geofluido permanece en fase líquida en toda la planta, desde los pozos de producción hasta los pozos de inyección, pasando por los intercambiadores de calor. NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 Figura 4: Diagrama de flujo simplificado para una planta de energía geotermal binaria básica. 06 Figura 5: Diagrama de flujo simplificado para una planta de energía geotérmica binaria de kailena. 7. PLANTAS COMBINADAS O HÍBRIDAS Dado que los fluidos geotérmicos se encuentran con una amplia gama de propiedades físicas y químicas (p. ej., temperatura, presión, gases no condensables, sólidos disueltos, pH, incrustaciones y potencial de corrosión), se ha desarrollado una variedad de sistemas de conversión de energía para adaptarse a cualquier situación particular. conjunto de condiciones. Los sistemas básicos descritos en las secciones anteriores se pueden combinar para lograr sistemas más efectivos para aplicaciones particulares. Así, se pueden diseñar las siguientes plantas híbridas o combinadas: Plantas binarias/de vapor directo [5] Plantas de un solo flash/binarias [5] Plantas integradas de flash simple y doble [20,21] Sistemas Híbridos Fósil-Geotérmicos [22-24]. NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 Los sistemas híbridos o combinados correctamente diseñados logran una ventaja sinérgica al tener una mayor eficiencia general en comparación con el uso de los dos sistemas o "combustibles" (en el caso de las plantas geotérmicas fósiles) en plantas separadas de última generación. Las complejidades del diseño de estos sistemas están más allá del alcance de este documento introductorio y se remite al lector a las referencias citadas anteriormente. 8. RENDIMIENTO DE LA CENTRAL ELÉCTRICA El enfoque moderno para medir el rendimiento de los sistemas de energía es utilizar la Segunda Ley de la termodinámica como base para la evaluación. El concepto de trabajo o energía disponible ha sido ampliamente utilizado para este fin [25]. Las centrales eléctricas geotérmicas son una excelente ilustración de la aplicación de la eficiencia de la Segunda Ley (o utilización), h. Dado que las plantas geotérmicas no operan en un ciclo sino como una serie de procesos, la eficiencia térmica del ciclo, h, para las plantas convencionales no se aplica [9, 26]. 07 El único caso en el que la eficiencia térmica del ciclo, h puede aplicarse significativamente a las plantas de energía geotérmica es el caso de las plantas binarias. Incluso en este caso, sin embargo, la eficiencia térmica debe usarse únicamente para evaluar el ciclo cerrado que involucra el fluido de trabajo secundario y no la operación general que involucra el flujo del geofluido desde los pozos de producción, a través de la planta y, en última instancia, a la planta. sistema de eliminación de fluidos. La eficiencia de utilización, h, mide qué tan bien una planta convierte la exergía (o trabajo disponible) del recurso en salida útil. Para una planta geotérmica, se encuentra de la siguiente manera: donde es la energía eléctrica neta entregada a la red, es la tasa de flujo másico total del geofluido requerido y “e” es la energía específica del geofluido en condiciones de reservorio. Este último viene dado por: Tabla 3: Condiciones de diseño para plantas geotérmicas de vapor seleccionadas (después de [5]) NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 08 Tabla 4: Condiciones de diseño para plantas binarias geotérmicas seleccionadas (después de [5]) NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 9. ECONOMÍA DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA Los costos asociados con la construcción y operación de una planta de energía geotérmica varían ampliamente y dependen de tales factores: Tipo de recurso (vapor o agua caliente) Temperatura del recurso Productividad del yacimiento Tamaño del motor (clasificación) Tipo de central eléctrica (flash único, binario, etc.) Regulaciones ambientales Costo de capital Coste de la mano de obra. Los tres primeros factores influyen en el número de pozos que se deben perforar para una capacidad de planta determinada. Usando los costos típicos y el potencial de energía para los pozos de producción, un solo pozo puede costar $100-400/kW. Los siguientes tres elementos determinan el costo de capital del sistema de conversión de energía; mientras que los dos últimos afectan el costo de funcionamiento de la planta (es decir, el servicio de la deuda y las operaciones y el mantenimiento [O & M]). 09 La Tabla 5 da los costos de capital para una variedad de plantas en los Estados Unidos (29). Tenga en cuenta que todos los valores están expresados en "dólares gastados" para NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 el año citado. Además, las cifras de las plantas de vapor directo (todas en The Geyers) no incluyen los costos de desarrollo del campo, sino que cubren solo la planta de energía. Las otras cifras (todas estimadas) incluyen costos de campo y de planta. Tabla 5: Costo de capital para plantas geotérmicas de EE. UU. (después de [5]) Tabla 6: Costos de capital y operación y mantenimiento para plantas geotérmicas binarias pequeñas (1993) [5]. 10. RESUMEN Y PERSPECTIVAS La extensa investigación y desarrollo durante las últimas dos décadas ha dado como resultado una impresionante variedad de tecnologías disponibles comercialmente para aprovechar una amplia gama de recursos geotérmicos. 10 Se pueden pedir sistemas de energía "listos para usar" de los tipos Direct-Steam, FlashSteam o Binary para usar con recursos de baja a alta temperatura de la variedad NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 dominada por vapor o líquido, con cualquier nivel de gas no condensable o sólidos disueltos. Sin embargo, si se van a construir nuevas plantas, deben demostrar una ventaja económica sobre los sistemas alternativos. La economía se rige por factores específicos del sitio y del tiempo. Por ejemplo, en los Estados Unidos en A fines de la década de 1990, ha sido difícil para cualquier fuente de energía competir con las plantas que funcionan con gas natural, particularmente con los ciclos combinados de turbinas de vapor y gas. Los efectos de la desregulación en la industria eléctrica también han tenido un impacto negativo en las plantas geotérmicas. Ya no dotada de acuerdos de compra de energía favorables, la planta geotérmica ahora debe competir abiertamente con otros sistemas de energía. Curiosamente, la privatización en muchos otros países, en particular aquellos que carecen de combustibles fósiles autóctonos, en realidad ha mejorado el atractivo de las plantas geotérmicas que a menudo resultan ser la opción de menor costo entre las nuevas plantas de energía eléctrica. Dado que los proyectos geotérmicos están muy cargados de costos iniciales de exploración, caracterización de yacimientos y perforación, todos los cuales conllevan una medida de riesgo para los inversionistas, la investigación dirigida a mejorar la tecnología en estas áreas es adecuada. Además, mejores métodos para monitorear y predecir el comportamiento del yacimiento, tanto antes como durante la explotación, permitirían estrategias de desarrollo más sistemáticas y confiables para maximizar la extracción de energía a largo plazo. En países con un largo historial de operación de plantas geotérmicas (como Italia, EE. UU. y Nueva Zelanda), los proyectos de repotenciación geotérmica están reemplazando unidades más antiguas y menos eficientes o unidades que ya no se ajustan a los recursos (debido a reservas a largo plazo). Cambios, con sistemas modernos, flexibles y de alta eficiencia. En muchos países, tanto grandes como pequeños, que cuentan con abundantes recursos geotérmicos, existe un buen potencial para un fuerte crecimiento en la capacidad de energía geotérmica. De particular interés son Indonesia, Filipinas, México, Japón, Italia, Kenia y países de América Central como Costa Rica, El Salvador, Guatemala y Nicaragua. En los Estados Unidos, un mayor desarrollo de sus abundantes recursos geotérmicos dependerá en gran medida de los precios de los combustibles convencionales competidores. NOMBRE: Abraham Ronaldo Suarez Lipe CODIGO: 160743 CONCLUSIONES Las centrales geotérmicas son similares a otras centrales termoeléctricas de turbinas de vapor. En todas las plantas termoeléctricas se genera calor de una forma u otra para calentar un fluido y generar vapor. Con el vapor generado se acciona una turbina de vapor conectada a un generador eléctrico. De esta forma se genera electricidad. Posteriormente, el fluido se enfría y es devuelto a la fuente de calor. Los depósitos de vapor seco son raros, los únicos campos importantes conocidos son Larderello y The Geysers, ya que usan directa el vapor generado por la fuente. La planta de vapor flash son el tipo más común de depósito geotérmico está dominado por líquido. Para los pozos de flujo artesiano, el fluido producido es una mezcla de dos fases de líquido y vapor. En las plantas de un solo flash el flujo de dos fases de los pozos se dirige horizontal y tangencialmente hacia un recipiente de presión cilíndrico vertical, el separador ciclónico. Gracias a las plantas de doble flash se puede generar un 20 o 25% mas de energía que las de un solo flash. En una planta binaria, la energía térmica del geofluido se transfiere a través de un intercambiador de calor a un fluido de trabajo secundario para su uso en un ciclo de Rankine bastante convencional. Los sistemas híbridos o combinados correctamente diseñados logran una ventaja sinérgica al tener una mayor eficiencia general en comparación con el uso de los dos sistemas o "combustibles" (en el caso de las plantas geotérmicas fósiles) en plantas separadas de última generación. El enfoque moderno para medir el rendimiento de los sistemas de energía es utilizar la Segunda Ley de la termodinámica como base para la evaluación. Económicamente lo que más influye para la construcción de una planta geotérmicas son: El tipo de recurso (vapor o agua caliente) y el tipo de central eléctrica (flash único, binario, etc.)
