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Diferentes aplicaciones en materia de Geotérmia

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  • II.- ENERGA GEOTRMICApfernandezdiez.es

    II.1.- UTILIZACIN DE LA ENERGA GEOTRMICA

    Para decidir si un yacimiento geotrmico es rentable hay que analizar lo siguiente:

    - La profundidad y espesor del acufero

    - La calidad del fluido, el caudal y la temperatura

    - La permeabilidad y porosidad de las rocas

    - La conductividad trmica y capacidad calorfica del acufero y de las rocas circundantes

    La explotacin del yacimiento se realiza mediante sondeos similares a los de la industria petrolfera.

    El caudal del fluido tiene que ser constante, para lo cual es conveniente reinyectar el fluido extrado des-

    pus de haberlo utilizado.

    Los fluidos geotrmicos suelen presentar problemas de corrosin debido a la agresividad de las

    aguas y a la presencia de sales disueltas, lo que implica el tener que utilizar materiales resistentes a la

    corrosin y/o tratar el fluido geotrmico.

    YACIMIENTOS DE ALTA ENTALPA.- El agua que se encuentra a ms de 150C, se dice que es de calidad elctrica (alta entalpa); para las fuentes que tienen una temperatura superior a este

    lmite inferior, se usan dos tecnologas diferentes para producir energa elctrica con potencias mnimas

    de 1 2 MW, como son los sistemas de conversin directa y los sistemas de expansin sbita

    (evaporacin flash). Su coste por kW-hora viene a ser del orden del 50% al 65% del obtenido en una cen-

    tral trmica clsica.

    a) Sistemas de conversin directa (direct-steam).- Se utilizan para generar electricidad en ya-cimientos de vapor, siendo el ms eficiente de todos, Figs II.1, en las que se presentan esquemas simpli-

    ficados de este tipo de plantas; el vapor puede ser hmedo o seco, y lleva una cierta cantidad de gases no

    condensables de composicin y concentracin variable.

    El vapor se conduce desde varios pozos, a travs de una tubera, a la sala de mquinas donde se uti-liza directamente en las turbinas. Entre la boca del yacimiento y la planta generadora se instalan sepa-

    radores centrfugos situados cerca del yacimiento para remover las partculas de polvo y otros slidos

    pfernandezdiez.es Energa geotrmica.II.21

  • como trozos de roca. A lo largo de la tubera se instalan puntos de drenaje para remover el condensado

    procedente del vapor que se forma durante la transmisin, y as remover la humedad a la entrada de la

    sala de mquinas.

    En el vapor geotrmico se encuentran gases no condensables, (2 10)%, lo cual hace que sea nece-

    sario un sistema de extraccin de gases. En unos casos se utilizan eyectores de dos etapas, con conden-

    sadores tanto dentro como al final de los mismos, y en otros es necesario colocar bombas de vaco o tur-

    bocompresores.

    Fig II.1a.b. Procesos de conversin directa de vapor hmedo y seco

    Se pueden utilizar condensadores de superficie y de contacto directo (mezcla); el de superficie se pre-

    fiere siempre que el vapor que porte gases no condensables se deba tratar o procesar antes de descar-

    garlo a la atmsfera, por ejemplo, cuando existe la posibilidad de que el cido sulfdrico exceda de un de-

    terminado lmite; en esta situacin se puede instalar una planta qumica para procesar dicho compo-

    nente, situacin que no procede para una planta geotrmica pequea.

    pfernandezdiez.es Energa geotrmica.II.22

  • El condensado no recircula a una caldera, tal como sucede en una planta de generacin convencio-

    nal, sino que se lleva a la torre de enfriamiento, de forma que el el exceso de condensado del orden de un

    (10 20)% en peso del vapor, se reinyecta al yacimiento.

    A largo plazo, la produccin podra agotar las reservas por lo que se estn explorando tcnicas para

    aumentar la cantidad de fluido reinyectado. El uso de condensadores de aire permitira reinyectar el

    100% pero hasta ahora han sido antieconmicos.

    Las torres de enfriamiento de tiro forzado, ya sean de flujo continuo o cruzado son las ms utilizadas

    para sistemas de enfriamiento hmedo; sin embargo, en otras plantas se utilizan torres de tiro natural.

    En la actualidad las plantas tienen unos rangos de 20 60 MW por unidad, y tienen un diseo modu-

    lar para su rpida instalacin, que permite su adaptacin a un amplio rango de condiciones del vapor.

    Fig II.1c. Procesos de conversin directa de vapor hmedo y seco

    b) Sistemas de expansin sbita evaporacin flash.- Los yacimientos de vapor seco, son poco frecuentes. Los mas conocidos son aquellos donde predomina la fase lquida. En los pozos artesianos, el

    fluido extrado es una mezcla de dos fases, lquido y vapor. La calidad o ttulo de la mezcla es funcin de

    las condiciones del fluido en el yacimiento, las dimensiones del pozo, y la presin en la cabeza del mismo,

    que se controla mediante una vlvula. A pesar de que algunas mquinas experimentales han generado

    energa impulsadas por un fluido que cuenta con las dos fases (lquido y vapor), lo normal es separar las

    fases, utilizando el vapor para impulsar la turbina.

    La presin en la cabeza del pozo es baja, del orden de 0,5 1 MPa; las fases lquida y gaseosa difieren

    significativamente en su densidad

    lqgas

    = 175350 por lo que se puede efectuar su separacin median-

    te separadores centrfugos produciendo vapor con un ttulo del orden del 99,99%.

    El lquido proveniente del separador se puede reinyectar, una vez se ha utilizado para aprovechar

    su energa trmica por medio de intercambiadores de calor en gran variedad de aplicaciones directas, o

    en aplicaciones a baja presin.

    pfernandezdiez.es Energa geotrmica.II.23

  • Las plantas que utilizan vapor a alta presin para generar energa se conocen como single flash o

    flash de una etapa, y las que usan el vapor a alta y a baja presin se denominan double flash o flash de

    dos etapas.

    Plantas tipo single-flash.- Si el agua geotrmica est a ms de 210C y se expansiona brusca-mente en una etapa de evaporacin flash, parte de la misma se vaporiza instantneamente, de forma

    que mediante un separador de vapor, ste se lleva a la turbina y el agua restante se reinyecta en el

    acufero, Fig II.2.

    Fig II.2a.b.- Proceso de expansin sbita (1 etapa de flash) con condensador de mezcla, sin y con elementos auxiliares

    El fluido en dos fases proveniente del pozo se mueve en el separador ciclnico, de forma que el lquido

    tiende a fluir circularmente por las paredes, mientras que el vapor sube y es recogido en un tubo verti-

    cal; el diseo es simple, ya que no tiene partes mviles, y se conoce como separador de salida en el fondo.

    pfernandezdiez.es Energa geotrmica.II.24

  • En ocasiones, para mejorar la separacin de las dos fases, se utilizan bafles junto con una vlvula

    de bola que proporciona seguridad ante la presencia de impurezas del lquido que pueden entrar en la l-

    nea de vapor y llegar a la turbina.

    Las lneas de transmisin de vapor son del mismo tipo que las usadas en las plantas de vapor seco,

    siendo el balance de las plantas prcticamente idntico.

    La diferencia principal radica en la cantidad de lquido a manejar; comparando plantas de 55 MW,

    una tipo single-flash produce cerca de 630 kg/seg de liquido, mientras que otra tipo direct-steam produce

    20 kg/seg, es decir, estn en una relacin de 30-1; si todo este lquido se reinyecta, la planta single-flash

    podra devolver al yacimiento cerca del 85% del agua condensada, en comparacin con el 15% de la

    planta tipo direct-steam.

    Plantas tipo double-flash.- El rendimiento aumenta si se aade una segunda etapa de vaporiza-cin mediante la cual vaporiza parte del lquido que abandona la primera etapa, Fig II.3. Esta etapa au-

    menta el rendimiento en ms de un 35% respecto a la primera. Una tercera etapa no sera rentable, ya

    que producira slo un aumento del rendimiento no superior al 5%. En estas plantas generadoras de eva-

    poracin por expansin directa (flash), el condensado de la turbina pasa por una torre de refrigeracin

    por evaporacin y luego se introduce en el condensador, segn un ciclo Rankine convencional.

    Mediante esta tecnologa se puede obtener entre un 20% 25% de potencia adicional a partir del

    mismo fluido geotrmico. El vapor de baja presin producido al laminar el liquido a baja presin se enva

    a una turbina de baja presin a una etapa adecuada de la turbina principal (en el caso de una turbina

    de admisin dual). Los principios operativos de este tipo de planta son similares a los de la planta tipo

    single-flash, aunque es mucho mas costosa debido a que requiere mayor equipamiento.

    Fig II.3. Proceso de expansin sbita (2 etapas de flash)

    YACIMIENTOS DE MEDIA ENTALPA (CICLOS BINARIOS).- Cuando la temperatura del flui-do sea menor de 210C, la diferencia de temperatura disponible entre la entrada y la salida de la turbina

    es demasiado pequea para que el mtodo anterior resulte econmico; en estos casos de temperaturas

    moderadas se utiliza un ciclo binario, de forma que en el sistema de conversin de energa participan, pfernandezdiez.es Energa geotrmica.II.25

  • mediante un intercambiador de calor, dos fluidos, uno responsable del ciclo de generacin de energa,

    mientras que el otro acta como fuente trmica.

    En las plantas de ciclo binario, la energa trmica del fluido geotrmico se transfiere p