Sustentabilidad Ambiental de Proyectos Geotermoeléctricos: Importancia de la Caracterización de Emisiones de CO2 en la Exploración y

Explotación

Dr. Edgar R. Santoyo Gutiérrez

Tercer Encuentro de la Red SUMAS 11 – 15 Septiembre de 2017 Cuernavaca, Morelos, México (2017)

Estructura de la Presentación •Energías Renovables – Opción Energética: Geotermia •Evaluación de Impactos Ambientales: “LCA” •Modelo LCA e Inventario de Ciclo de Vida: Proyectos Geotermoeléctricos – Incertidumbres •Objetivos y Marco General de la Investigación •Resultados – Estudios de LCA: Plantas Geotérmicas de Flasheo Simple de Vapor (México) •Modelo Integral de Sustentabilidad – Metas e Indicadores •Caracterización de Emisiones de CO2: Exploración (“Línea Base”) y Explotación (Producción) • Conclusiones

Opción Energética Sustentable para Enfrentar las Necesidades Futuras de Energía y los Problemas de Impacto Ambiental

Energías Renovables

Energía Geotérmica

Capacidad Instalada de Generación Geotermoeléctrica Mundial (2015): 0.5%

1.Desarrollo Comercial de Proyectos

Geotérmicos: Explotación de los

Sistemas Hidrotermales

2.Proyectos Geotérmicos Promisorios:

Sistemas Geotérmicos de Roca Seca

Caliente (en etapa de investigación)

Plantas Geotermoeléctricas Comerciales

5,079 MW

1,790 MW

126 MWe

2,646 MWe

2,772 MWe

5,166 MWe

1,512 MWe

378 MWe

Estimación promedio mundial: 122 g CO2/kWh. Estados Unidos de Norteamérica, USA (106 g CO2/ kWh) Nueva Zelanda (123 g CO2/kWh) Islandia (34 g CO2/kWh) Italia (330 g CO2/kWh) Turquía (900 g a 1,300 g CO2/kWh) **Fuente de datos: World Energy Council, WEC (2016)

EMISIONES DE GEI GENERADAS POR LA

OPERACIÓN

DE PLANTAS GEOTERMOELÉCTRICAS

Evaluación de Impactos Ambientales: Life cycle Assessment (LCA)

Energy

Materials

Emissions

Wastes

<<Análisis de la Cuna a la Tumba> o <Balance Ambiental> - Metodología que Investiga

y Evalúa Impactos Ambientales (“Hot Spots”) de Tecnologías, Productos o Servicios en

las Etapas de su Existencia: Extracción, Producción, Distribución, Uso y Fin de Vida

• Japón (D)

• USA (B,G,K)

• Italia (A, C)

• Islandia (E,F)

• Turquía (I)

Plantas Geotermoeléctricas P

ote

nci

al

de

Cale

nta

mie

nto

Glo

bal

(GW

P)

Objetivo •Identificar y cuantificar los impactos ambientales en el ciclo de vida de una planta geotérmica de flasheo-simple de vapor para la generación de electricidad: Primer caso de estudio LCA para México. Marco General de Investigación •Conocer los impactos ambientales de esta tecnología y buscar reducirlos con acciones técnicas para una comparación futura con aspectos de sustentabilidad de otras FRE. •Coadyuvar con investigación y acciones para alcanzar el compromiso de reducir las emisiones GEI en 25 % en el año 2030 y del 50% para el 2050.

Escenario Actual de Generación

Geotermoeléctrica - México

Capacidad Efectiva: 926 MWe (2017)

Capacidad Instalada en México: 1,017 MWe

(2015)

Modelo LCA (Propuesto): Planta Geotérmica de Flasheo Simple de Vapor

Etapa de Construcción

Pozos Geotérmicos

Transporte de Fluido (Tuberías)

Construcción – Planta Geotérmica

Construcción Maquinaria

Etapa de Mantenimiento

Pozos Geotérmicos

Transporte de Fluido (Tuberías)

Composición Química - Fluido

Etapa de Operación

Generación de

Electricidad

Sistema Principal

“Plantas Geotérmicos de Flasheo Simple de Vapor”: (25, 50, 100 MWe)

Inventario de Datos LCI - Incertidumbres Caso: Planta Geotérmica de Flasheo-Simple de Vapor

Datos Model LCA Valor Fuente de Información: Número de pozos 30 Reporte Interno

Profundidad promedio de los pozos

¿2,430 m? Gutiérrez-Negrín et al., 2015

Longitud total de la tubería de transporte de fluidos

179,700 m Quijano-León & Gutiérrez-Negrín, 2003 Ovando-Castelar et al, 2012

Otros datos importantes Pozos de reemplazo 10 Miranda-Herrera, 2015

Longitud de la tubería de transporte

34,700 m Karlsdóttir et al, 2015

Datos de modelación LCA ------- Ecoinvent – GaBi Software(R)

Inventario de Datos LCI - Incertidumbres Caso: Planta Geotérmica de Flasheo-Simple de Vapor

Capacidad instalada 100 MWe DiPippo, 2013 Fracción de vapor (promedio)

41%wt Lippmann et al., 2004; Quijano-León & Gutierréz Negrín, 2005; Gutiérrez Negrín, 2010; Gutiérrez Negrín et al., 2011; León et al., 2012.

Fracción de salmuera (H2O - promedio)

59%wt Lippmann et al., 2004; Quijano-León & Gutierréz Negrín, 2005; Gutiérrez Negrín, 2010; Gutiérrez Negrín et al., 2011; León et al., 2012

Flujo másico de fluido 24 (ton/h)/MW Bertani, 2015

Factor de capacidad 78% Pro-Ledesma et al., 2006 Vida útil de la planta geotérmica

57 years Puente & Rodríguez, 2000

Emisiones de CO2* 266,185 toneladas/año ? Reporte interno

Emisiones de H2S* 713 toneladas/año ? Reporte interno Emisiones de CH4* 6.1 toneladas/ año ? Reporte interno

Resultados Preliminares LCA

Resultados Preliminares – Construcción

Construcción de Pozos Geotérmicos

Análisis de Sensibilidad (Profundidad del Pozo Geotérmico)

240 g CO2/kWh

Modelo General de Sustentabilidad para la Evaluación Integral de Proyectos de Generación Geotermoeléctrica

USA, Japón, Islandia, Nueva Zelanda, Kenia y Francia-Suiza

1. Recursos Renovables (Producción sustentable);

2. Uso de Recursos del Agua (el consumo en las plantas no debe afectar el

abastecimiento en las comunidades cercanas);

3. Administración-Gestión Ambiental (la planta no debe afectar el medio

ambiente con el compromiso de mitigar efectos ambientales adversos);

4. Eficiencia (Maximización sustentable de exergía y una eficiencia máxima

basada en el proceso de conversión de calor en electricidad (eficiencia de

Carnot);

5. Administración Económica y Rentabilidad (El uso de la energía producida

en las planta deberá ser competitiva, rentable and viable financiaremente);

6. Equidad Energética (La energía del recurso geotérmico deberá ser facilmente

disponible, accessible y economicamente accessible a la comunidad)

Selección de Metas de Sustentabilidad de Proyectos Geotermoeléctricos Comerciales: Necesidades y Prioridades

Locales – Plantas Geotérmicas

7. Seguridad Energética (La operación de una planta geotérmica debe ser

confiable, continua y dar prioridad para un abastecimiento seguro);

8. Responsibilidad Social (Las empresas deberán ser respetuosas hacia la

comunidad, y el uso de los recursos geotérmicos deberán también producir

un impacto social positivo);

9. Investigación e Innovación (Las empresas deberán promover la investigación

para mejorar el conocimiento de los recursos geotérmicos y la eficiencia de

producción, así como para incrementar la rentabilidad de su proceso de

explotación y reducir los efectos ambientales);

10. Diseminación del Conocimiento (La información sobre el uso de los recursos

geotérmicos deberá ser accessible and transparente hacia el público y

comunidad académica respetando la propiedad intelectual de ésta).

Metas de Sustentabilidad de Proyectos Geotérmicos

(Shortall et al., 2015)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

EnvironmentalManagement

EconomicManagementandProfitability

ResearchandInnova on

Renewability

UseofWaterResources

Dissemina onofKnowledge

Efficiency

EnergyEquity

SocialResponsability

EnergySecurity

UN-UGP

Kenya

NewZealand

Iceland

Alta Prioridad Baja Prioridad

• ADELPHI METHOD

• MCDA

UN-GTP

Modelo LCA (Propuesto): Planta Geotérmica de Flasheo Simple de Vapor

Etapa de Construcción

Pozos Geotérmicos

Transporte de Fluido (Tuberías)

Construcción – Planta Geotérmica

Construcción Maquinaria

Etapa de Mantenimiento

Pozos Geotérmicos

Transporte de Fluido (Tuberías)

Composición Química - Fluido

Etapa de Operación

Generación de

Electricidad

Sistema principal Exploration Stage:

Natural Baseline Emission

Caracterización - confiable

Natural Baseline Emission of CO2

at the Early Stage of Exploration: The Acoculco, Puebla (Mexico) Case

Acoculco, Puebla 2016 (March, April and May) Positive flux CO2

70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160

Day of the year

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

220C

O2 F

lux (

µm

ol. m

-2. s

-1)

n=1766 Observed ANN16

Conclusiones • Aunque se reconoce la disponibilidad de datos con incertidumbre para el sitio geotérmico,

la composición de sus fluidos y la planta de generación, este estudio de LCA representa

una primera aproximación de los impactos ambientales de una planta de flasheo simple de

vapor (instalada en México);

• La etapa de operación es una de las fuentes de impacto ambiental: AP (100%) y GWP

(96%) – que depende significativamente de la caracterización química de la fase vapor

(fuente de incertidumbre). La etapa de construcción de una planta geotérmica de este tipo

constituye otra de las fuentes principales de los impactos ambientales potenciales.

• El uso de diesel en la perforación de los pozos geotérmicos, es uno de los “Hot Spots” de

la etapa de construcción; mientras que el acero es la segunda fuente importante – Una

innovación en el proceso de perforación es requerida: El uso de biocombustibles o

sistemas híbridos basados en fuentes renovables, una alternativa técnicamente factible ?

• La determinación de la línea-base de emisión natural de CO2 y otros gases es una

propuesta técnica benéfica para futuros proyectos geotermoeléctricos por aplicar.

• Se demuestra que los estudios de LCA y LCI son herramientas sumamente útiles no sólo

para identificar impactos ambientales, sino para realizar mejoras e innovaciones para

reducir o mitigar los impactos de las tecnologías.

Agradecimientos • Grupo de Investigación en Estudios de Sustentabilidad de Tecnologías

en Energías Renovables:

A los Investigadores: Dr. Edgar Santoyo-Castelazo (SENER); Dr. Rosenberg Romero (CIICAp-UAEM), Dr. Antonio Rodríguez (CIICAp-UAEM), Dr. Haruna Gujba (UNECA);

A los Posdoctorantes y Estudiantes de Posgrado: Dra. Claudia

Tomasini (IER-UNAM), Mtro. Darío Rojas (IER-UNAM); Ing. Gloria Serrano (CIICAp-UAEM).

• Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo brindado para la realización de una estancia sabática de investigación.

• Al Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad Autónoma del Estado de Morelos por las facilidades otorgadas para la estancia sabática.