vulcanología y geotermia

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Objetivo Definici´ on Ejemplo de conducci´ on Flujo de calor Clasificaci´on Un Modelo Energ´ ıa Conclusi´on Referencias Vulcanolog´ ıa y Energ´ ıa Geot´ ermica Arnaldo Hern´ andez Cardona Arnaldo Hern´ andez Cardona Energ´ ıas Renovables

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Presentación en donde se ve un asboso de la relación entre la vulcanología y la energía geotérmica.

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Page 1: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Vulcanologıa y Energıa Geotermica

Arnaldo Hernandez Cardona

Arnaldo Hernandez Cardona Energıas Renovables

Page 2: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Objetivo

Caracterizar las propiedades que unen los conceptos

de vulcanologıa y energıa geotermica.

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Page 3: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Definicion

Energıa Geotermica

Energıa contenida como calor en el interior de la Tierra.

Potencia (W) de

Energıa solar recibida (y vuelta a irradiar) ∼= 2× 1017

Energıa liberada por los terremotos ∼= 1011

Energıa Geotermica ∼= 4,2× 1013

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?

Arnaldo Hernandez Cardona Energıas Renovables

Page 4: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Definicion

Energıa Geotermica

Energıa contenida como calor en el interior de la Tierra.

Potencia (W) de

Energıa solar recibida (y vuelta a irradiar) ∼= 2× 1017

Energıa liberada por los terremotos ∼= 1011

Energıa Geotermica ∼= 4,2× 1013

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?

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Page 5: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Ejemplo

Ecuacion de conduccion

∂T

∂t=

k

ρcP

∂2T

∂z2+

G

k

G representa el calor generado por segundo en cada m3 delmedio.

ρ su densidad.

cP el calor especifico del medio.

k la conductividad termica del medio.

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Page 6: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Ejemplo

Considerando un estado estacionario entonces

∂2T

∂z2= −

G

k

Cuya solucion es de la forma

T =G

2kz2 + C0z + T0

Suponemos valores z = 10km, G = 3µW /m3, k = 2,5Wm−1K−1,C0 = 0,03oC/m y T0 = 0oC .

T = 240oC para una profundidad de 10 km

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Ejemplo

Bajo todas las suposiciones anteriores, este ultimo valor alivia...

Tres yacimentos de roca caliente

Lugar Periodo Temp. max.(oC ) Profundidad (m)Rosemanows (RU) 1980− 1993 80 2200Hijiori (Japon) 1985− 1998 270 2200Soultz (Francia) 1989− 1997 168 3500

Soultz 1998−? 200 5000

[6]Pous, J.

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Flujo de Calor

La ecuacion tendrıa terminos acerca de

Flujo de Calor =

Gradiente adiabatico

Conductividad Termica en una distancia radial

Decaimiento Radiactivo

Reacciones Quımicas

dTdt

∼dpdt

+ 1r2

∂rr2 ∂T

∂r+

e−λi t +∑

Ji

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Page 9: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Flujo de Calor

La ecuacion tendrıa terminos acerca de

Flujo de Calor =

Gradiente adiabatico

Conductividad Termica en una distancia radial

Decaimiento Radiactivo

Reacciones Quımicas

dTdt

∼dpdt

+ 1r2

∂rr2 ∂T

∂r+

e−λi t +∑

Ji

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Page 10: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Se simplifica en Vulcanologıa

Transferencia de calor

dentro de las camaras magmaticas

conveccion

dTdt

= ∂T∂t

+ uconv∂T∂r

Sin tomar en cuenta las reacciones quımicas.

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Page 11: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Se simplifica en Vulcanologıa

Transferencia de calor

dentro de las camaras magmaticas

conveccion

dTdt

= ∂T∂t

+ uconv∂T∂r

Sin tomar en cuenta las reacciones quımicas.

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Page 12: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Areas

Definicion

Regiones de la corteza caracterizadas por un gradiente detemperatura.

Areas no termales: ∆T ≈ 10 − 40oC

Areas termales: ∆T ≈ 70− 80oC

Areas hipertermales: ≈ ∆T > 100oC

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Areas

Definicion

Regiones de la corteza caracterizadas por un gradiente detemperatura.

Areas no termales: ∆T ≈ 10 − 40oC

Areas termales: ∆T ≈ 70− 80oC

Areas hipertermales: ≈ ∆T > 100oC

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Areas

Definicion

Regiones de la corteza caracterizadas por un gradiente detemperatura.

Areas no termales: ∆T ≈ 10 − 40oC

Areas termales: ∆T ≈ 70− 80oC

Areas hipertermales: ≈ ∆T > 100oC

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Areas

Definicion

Regiones de la corteza caracterizadas por un gradiente detemperatura.

Areas no termales: ∆T ≈ 10 − 40oC

Areas termales: ∆T ≈ 70− 80oC

Areas hipertermales: ≈ ∆T > 100oC

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Campos Geotermales

Definicion

Regiones de la corteza en donde se encuentran manifestacionesgeotermales.

Semitermales: T ≈ 60− 100oC

Hipertermicos humedos: T > 100oC Cerro Prieto, Mexico.

Hipertermicos secos: P >> PA , T ≈ 0− 50oC

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Campos Geotermales

Definicion

Regiones de la corteza en donde se encuentran manifestacionesgeotermales.

Semitermales: T ≈ 60− 100oC

Hipertermicos humedos: T > 100oC Cerro Prieto, Mexico.

Hipertermicos secos: P >> PA , T ≈ 0− 50oC

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Campos Geotermales

Definicion

Regiones de la corteza en donde se encuentran manifestacionesgeotermales.

Semitermales: T ≈ 60− 100oC

Hipertermicos humedos: T > 100oC Cerro Prieto, Mexico.

Hipertermicos secos: P >> PA , T ≈ 0− 50oC

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Campos Geotermales

Definicion

Regiones de la corteza en donde se encuentran manifestacionesgeotermales.

Semitermales: T ≈ 60− 100oC

Hipertermicos humedos: T > 100oC Cerro Prieto, Mexico.

Hipertermicos secos: P >> PA , T ≈ 0− 50oC

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Campos Geotermales

Definicion

Regiones de la corteza en donde se encuentran manifestacionesgeotermales.

Semitermales: T ≈ 60− 100oC

Hipertermicos humedos: T > 100oC Cerro Prieto, Mexico.

Hipertermicos secos: P >> PA , T ≈ 0− 50oC

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Sistema Hidrotermal

Funte de calor

⇒ intrusionmagmatica

Reservorio

⇒ acuıfero en rocapermeble

Capa impermeable

⇒ evita perdidas devapor y calor

Area de recarga

⇒ laderas, zonaspermebles en lasuperficie

Figura: Seccion de un campogeotermal.[5]Grant modificada ”sin permiso”.

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Sistema Hidrotermal

Funte de calor

⇒ intrusionmagmatica

Reservorio

⇒ acuıfero en rocapermeble

Capa impermeable

⇒ evita perdidas devapor y calor

Area de recarga

⇒ laderas, zonaspermebles en lasuperficie

Figura: Seccion de un campogeotermal.[5]Grant modificada ”sin permiso”.

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Sistema Hidrotermal

Funte de calor

⇒ intrusionmagmatica

Reservorio

⇒ acuıfero en rocapermeble

Capa impermeable

⇒ evita perdidas devapor y calor

Area de recarga

⇒ laderas, zonaspermebles en lasuperficie

Figura: Seccion de un campogeotermal.[5]Grant modificada ”sin permiso”.

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Sistema Hidrotermal

Funte de calor

⇒ intrusionmagmatica

Reservorio

⇒ acuıfero en rocapermeble

Capa impermeable

⇒ evita perdidas devapor y calor

Area de recarga

⇒ laderas, zonaspermebles en lasuperficie

Figura: Seccion de un campogeotermal.[5]Grant modificada ”sin permiso”.

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Hidrovulcanismo

Definicion

Vulcanismo en campos con cuerpos subterraneos de agua,presentando actividad hidrotermal.

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Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Modelo de velocidad-altura en una erupcion

Figura: Modelo de velocidad-altura de una columna en una erupcion.[1]Wohletz modificada ”sin permiso”.

a)

n=1.5, 2, 3, 10 en% de concentracion de agua

velocidad de salida 400 m/s

radio del ducto 200 m

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Modelo de velocidad-altura en una erupcion

Figura: Modelo de velocidad-altura de una columna en una erupcion.[1]Wohletz modificada ”sin permiso”.

b)

n=3% de concentracion de agua

velocidad de salida variable

radio del ducto 200 m

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Modelo de velocidad-altura en una erupcion

Figura: Modelo de velocidad-altura de una columna en una erupcion.[1]Wohletz modificada ”sin permiso”.

c)

n=3% de concentracion de agua

velocidad de salida 400 m/s

radio del ducto variable

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Energıa Dsiponible

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?

¿Porque sucede esto?

Cuando el agua se mezcla → la energıa se conserva ¡pero! laentropıa aumenta; por lo tanto la capacidad de transformarcalor en energıa se reduce.

⇐ La eficiencia de la conversion esta limitada por lasegunda ley de la termodinamica.

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Energıa Dsiponible

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?NO

¿Porque sucede esto?

Cuando el agua se mezcla → la energıa se conserva ¡pero! laentropıa aumenta; por lo tanto la capacidad de transformarcalor en energıa se reduce.

⇐ La eficiencia de la conversion esta limitada por lasegunda ley de la termodinamica.

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Energıa Dsiponible

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?

¿Porque sucede esto?

Cuando el agua se mezcla → la energıa se conserva ¡pero! laentropıa aumenta; por lo tanto la capacidad de transformarcalor en energıa se reduce.

⇐ La eficiencia de la conversion esta limitada por lasegunda ley de la termodinamica.

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Page 32: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Energıa Dsiponible

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?

¿Porque sucede esto?

Cuando el agua se mezcla → la energıa se conserva ¡pero! laentropıa aumenta; por lo tanto la capacidad de transformarcalor en energıa se reduce.

⇐ La eficiencia de la conversion esta limitada por lasegunda ley de la termodinamica.

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Page 33: Vulcanología y Geotermia

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Energıa Dsiponible

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?

¿Porque sucede esto?

Cuando el agua se mezcla → la energıa se conserva ¡pero! laentropıa aumenta; por lo tanto la capacidad de transformarcalor en energıa se reduce.

⇐ La eficiencia de la conversion esta limitada por lasegunda ley de la termodinamica.

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Page 34: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Energıa Dsiponible

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?

¿Porque sucede esto?

Cuando el agua se mezcla → la energıa se conserva ¡pero! laentropıa aumenta; por lo tanto la capacidad de transformarcalor en energıa se reduce.

⇐ La eficiencia de la conversion esta limitada por lasegunda ley de la termodinamica.

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Page 35: Vulcanología y Geotermia

Objetivo Definicion Ejemplo de conduccion Flujo de calor Clasificacion Un Modelo Energıa Conclusion Referencias

Energıa Dsiponible

¿Es aprovechable toda esta energıa geotermica?

¿Porque sucede esto?

Cuando el agua se mezcla → la energıa se conserva ¡pero! laentropıa aumenta; por lo tanto la capacidad de transformarcalor en energıa se reduce.

⇐ La eficiencia de la conversion esta limitada por lasegunda ley de la termodinamica.

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Energıa Almacenada

Calor Almacenado

Calor disponible en el volumen del reservorio.

Qtot =

ρtCt(T − T0)dV

siendo ρt y Ct densidad y calor especifico de la roca del sistema, Ty T0 temperaturas dentro y fuera del reservorio y V su volumenestimado.

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Energıa Almacenada

Energıa Obtenida

E = ηQ

siendo η

η ≈ 1−T0 − 273

TWH − 237

donde TWH es la temperatura en el fondo del pozo.

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Como conclusion

La energıa geotermica de campos volcanicos promete ser una

gran fuente.

El problema existente es aun teorico y tecnologicamente aunno podemos manejar temperatura mas altas.

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Referencias

Libros

[1 ] Wohletz, K. Heiken, G. “Vulcanology and GeothermalEnergy”. Univeristy of California Press. USA. 1992.

[2 ] H. Christopher, H. Armstead. “Energıa Geotermica”. Ed.Limusa. Mexico, 1989.

[3 ] DiPippo R. “Geothermal Power Plants. Principles,Applications and Case Studies”.Elsevier Science. 2005.

[4 ] Seikan Ishigai. “Steam Power Engineering. Thermal andhydraulic design principles”. Cambridge University Press.USA. 1999.

[5 ] Grant, Malcom A., Bixley, Paul F. “Geothermal ReservoirEngineering” ELSEVIER. USA. 2a ed. 2011. pp 359

[6 ] Pous, J., Jutglar, L., “Energıa Geotermica”. CEAC.Barcelona. 2004. pp 273.

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Artıculos

[7 ] Wohletz, K. “Hidrovulcanismo” USA. Los Alamos.

[8 ] “Geothermal Energy. Review of research and development”.UNESCO. Paris. 1977.

[9 ] Reyes, A. G., 2007. “A preliminary evaluation of sources ofgeothermal energy for direct heat use”, GNS Science Report2007/16, 42 p.

[10 ] Barbier, E,. 1997. “Nature and Technology of GeothermalEnergy: A Review”. Renewable and Sustantable EnergyReviews. 1, 1;2, pp 1-69.

[11 ] Choon Lee, K., 2001. “Classification of geothermal resourcesby exergy”. Geothermics. 30, pp 431-442.

[12 ]”The Future of Geothermal Energy” Idaho NationalLaboratory. 2006.

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