ENEREG2 MÓDULO 1 by Ceddet

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional Edición 2016 MÓDULO I Introducción a la Energía Geotérmica

Autor del curso: Banco Interamericano de Desarrollo (BID) (www.iadb.org), a través de su Sector de Integración y Comercio (INT) Coordinador del curso: Rodrigo Ernesto Vázquez Escalante Banco Interamericano de Desarrollo (BID) (www.iadb.org), a través de su Sector de Integración y Comercio, el Instituto para la Integración de América Latina y el Caribe (www.iadb.org/es/intal), el Instituto Interamericano para el Desarrollo Económico y Social (INDES) (www.indes.org), y el Programa Regional de Entrenamiento Geotérmico (PREG) (www.geotermia.edu.sv ) Autor del Módulo: Saúl Molina Padilla, Ingeniero Mecánico con más de 20 años de experiencia en la industria de la Energía Geotérmica. Coordinación pedagógica y de edición: El Instituto Interamericano para el Desarrollo Económico y Social (INDES) (www.indes.org), en colaboración con la Fundación Centro de Educación a Distancia para el Desarrollo Económico y Tecnológico (CEDDET) (www.ceddet.org)

Edición

2016

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Índice Índice de figuras ........................................................................................ 5 Índice de Tablas ......................................................................................... 6 Glosario ...................................................................................................... 6 PRESENTACIÓN DEL CURSO ........................................................................ 7 Objetivo General ........................................................................................ 7 Objetivos Específicos .................................................................................. 8 Preguntas Orientadoras............................................................................... 8 Unidad I. Estructura interna de la Tierra y su Relación con la Energía Geotérmica ................................................................................................. 9 Objetivo .................................................................................................... 9 Introducción .............................................................................................. 9 I.1 Conceptos fundamentales de la estructura interna de la tierra ...................10 I.2 Fuentes de calor dentro de la Tierra y modos de transferencia de calor terrestre ...............................................................................................................15 I.2.1 Procesos de transferencia de calor terrestre.......................................19 I.3 Flujo de calor y gradiente geotérmico .....................................................23 Síntesis de Unidad I...................................................................................25 Unidad II. Introducción a la Geotermia .................................................... 26 Objetivos .................................................................................................26 Introducción .............................................................................................26 II.1 Historia de la Geotermia.......................................................................27 II.2 Definición y Clasificación de los Recursos Geotérmicos .............................29 II.3 Tipos de Plantas Geotérmicas ...............................................................41 II.4 Usos Directos de Recursos Geotérmicos .................................................46 Síntesis de Unidad II .................................................................................49 Unidad III. Proyecto Geotérmico .............................................................. 50

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Objetivo ...................................................................................................50 Introducción .............................................................................................50 III.1 Conceptos Generales sobre Proyectos Geotérmicos ................................51 III.2 Etapas de Proyectos Geotérmicos .........................................................57 Síntesis de Unidad III ................................................................................64 Unidad IV. Energía Geotérmica y su Impacto en el Medio Ambiente ......... 65 Objetivo ...................................................................................................65 Introducción .............................................................................................65 IV.1 Ventajas y desventajas del uso de la energía geotérmica y su impacto en el medio ambiente ........................................................................................66 IV.2 Enfoque de Desarrollo Sostenible en Proyectos Geotérmicos ....................76 Síntesis de Unidad IV .................................................................................80 Material Complementario.......................................................................... 81 -

ESMAP, 2012. Manual de Geotermia como Planificar y Financiar la

Generación de Electricidad. ....................................................................81 -

Saúl P., 2016. Historia de la Geotermia. ............................................81

Referencias bibliográficas......................................................................... 81 Reynoso, L. F. 2014. Criterios para la evaluación del Impacto Ambiental. Argentina .................................................................................................83

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Índice de figuras

Figura 1.1. Discontinuidades desde la superficie hasta el centro de la Tierra. .......12 Figura 1.2. Estructura y cambio de propiedades de la tierra a profundidad. ..........15 Figura 1.3. Ubicación de zonas de anomalías geotérmicas. Las zonas rojas indican los principales lugares con capacidad de aprovechamiento geotérmico para fines eléctricos. ....................................................................................................19 Figura 2.1. Perfil esquemático mostrando los procesos de tectónica de placas ......29 Figura 2.2. Modelo conceptual de un campo de alta temperatura dentro de un sistema de cordillera volcánica. ..................................................................................35 Figura 2.3. Modelo conceptual de un sistema convectivo fracturado de baja temperatura.................................................................................................36 Figura 2.4. Esquema de una cuenca sedimentaria con un reservorio geotérmico a una profundidad de 2– 5 km. ...............................................................................37 Figura 2.5. Esquema de la sección transversal de un reservorio geopresurizado. ..38 Figura 2.6. Esquema de un sistema de roca seca caliente. .................................40 Figura 2.7. Diagrama de Lindal, 1973..............................................................42 Figura 2.8. Diagrama de una planta de “Descarga Atmosférica” o “Boca Pozo”. ....43 Figura 2.9. Diagrama de una planta “a Condensación”.......................................44 Figura 2.10. Diagrama de una planta “Binaria”. ................................................45 Figura 2.11. Diagrama de flujos simplificados del sistema de calefacción distrital de Reykjavik ....................................................................................................47 Figura 2.12. Uso en cascada de la energía geotérmica. ......................................48 Figura 3.1. Riesgo de los proyectos geotérmicos y costo acumulado según las diferentes etapas. .........................................................................................57

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Índice de Tablas

Tabla 1. Clasificación de los sistemas geotérmicos basada en la temperatura del reservorio, entalpía y estado físico. .................................................................33 Tabla 2. Tecnología recomendable para cada sistema geotérmico. ......................41 Tabla 3. Desarrollo en el tiempo de un proyecto geotérmico típico para una unidad de 50 MW, aproximadamente. ............................................................................53 Tabla 4. Emisiones típicas de diferentes plantas generadoras de energía eléctrica. 70

Glosario

Big Bang: gran explosión de una masa compacta de energía y materia que dio origen al universo. dB: Unidad de potencia de sonidos. EGS: Sistemas geotérmicos mejorados en sus siglas en inglés, equivalente a HDR. Gradiente: variación de magnitud física con respecto a la distancia HDR: Roca seca caliente en sus siglas en inglés, sistemas geotérmicos carentes de fluido geotérmico. Modelo Conceptual: Descripción de un sistema basado en cualitativos y suposiciones acerca de sus elementos, sus interrelaciones y los límites del sistema. TW: Unidad de potencia, equivale a 1x1012 Watt

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PRESENTACIÓN DEL CURSO La energía geotérmica es la energía proveniente del calor del subsuelo y que puede ser aprovechado en superficie para diferentes usos de manera directa o para la generación de electricidad. La geotermia es una energía renovable y amigable con el medio ambiente, además, es sostenible si se utiliza de una manera racional sin llegar a sobre explotar el recurso. En este curso, se presenta de una manera simple el origen de este importante recurso energético y la mejor manera de aprovecharlo dependiendo de las características que posee, en términos de sus propiedades físicas y químicas (presión, temperatura, caudal, etc.). También se hace una breve descripción de las diferentes etapas que deben seguirse para poder desarrollar un proyecto de aprovechamiento de la energía geotérmica y las implicaciones que tiene cada una de estas etapas en el medio ambiente.

Objetivo General

Presentar al estudiante los conceptos básicos de la energía geotérmica en lo que se refiere a su origen y desarrollo técnico para su aprovechamiento de una manera amigable con el medio ambiente.

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Objetivos Específicos 1. Conocer de una manera conceptual el origen de los recursos geotérmicos. 2. Identificar el tipo de recurso y la forma de su aprovechamiento de una manera sostenible y eficiente. 3. Conocer las diferentes etapas de un proyecto geotérmico desde la identificación del recurso hasta la puesta en marcha de una central de generación de electricidad. 4. Identificar los aspectos ambientales involucrados con

los

proyectos geotérmicos.

Preguntas Orientadoras

¿Qué es la geotermia?

¿Cuál es el origen de la energía geotérmica?

¿Cómo puede aprovecharse la energía geotérmica?

¿Cuáles son las diferentes etapas de un proyecto para el aprovechamiento de un recurso geotérmico?

¿El aprovechamiento de la energía geotérmica es amigable con el medio ambiente?

¿Es la energía geotérmica un recurso renovable?

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Unidad I. Estructura interna de la Tierra y su Relación con la Energía Geotérmica Objetivo Que el estudiante conozca en forma general cómo los procesos terrestres se encuentran relacionados con los sistemas geotérmicos.

Introducción La geotermia se refiere al calor interno de la tierra (del griego, geos: tierra y thermos: calor) generado por los diferentes procesos físicos, químicos y geológicos que tienen lugar en el planeta, sin embargo en términos prácticos, el término Geotermia es ampliamente utilizado en la actualidad para referirse al uso de todos aquellos sistemas en los que el calor de la tierra puede ser utilizado por el ser humano, desde usos directos como secado de alimentos o baños termales, hasta usos más amplios como la generación de energía eléctrica. Por lo tanto, la geotermia se relaciona con un sinfín de ramas de la ciencia, de las cuales se trataran de abordar, en este y en los siguientes módulos. En todo caso, para comprender todos los aspectos que componen un proceso o fenómeno, en un inicio de estudio es conveniente remontarse hasta sus fundamentos y orígenes, razón por la cual en la presente unidad se desarrollaran los conceptos relacionados con la formación del

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calor y estructura interna de la tierra, sus principales características y como estos se encuentran relacionados con los recursos geotérmicos.

I.1 Conceptos fundamentales de la estructura interna de la tierra En la actualidad muchos factores de la estructura interna de la tierra continúan sin conocerse, esto principalmente debido a la gran dificultad que representa el explorar su interior, por ello, en su mayoría, los conocimientos que se tienen sobre la estructura y el posible proceso de formación de la tierra se basan en teorías y observaciones sobre las características de la superficie terrestre y los fenómenos que en ella tienen lugar, información que aunque insuficiente ha permitido el desarrollo de modelos ampliamente aceptados que serán desarrollados de manera breve en el presente curso y serán ampliados en el Modulo II: “Exploración Geológica”. La estructura interna de la tierra es el producto de múltiples procesos que han tenido lugar desde su formación, hace aproximadamente 4560 millones de años. En principio, el surgimiento de la tierra se explica mediante una hipótesis conocida como la nebulosa primitiva. Este modelo astronómico sugiere que la tierra y los otros elementos del sistema solar se formaron a partir de una enorme nube en rotación denominada nebulosa solar, la cual estaba formada por átomos de hidrógeno y helio generados durante el “Big Bang” y granos de polvo microscópicos o materia expulsada de estrellas muertas anteriormente. 10 10 10

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Al igual que los demás planetas la tierra se formó teniendo como materia prima rocas y polvo que se fueron agrupando por la acción de la gravedad en temperaturas cercanas a los 1200 °C. Millones de años después ya en proceso de enfriamiento la tierra fue bombardeada por meteoritos, residuos del material circundante creado durante la formación del sistema solar, que en conjunto, contenían grandes cantidades de sal y agua; en esta etapa la parte superior de la tierra ya se había enfriado lo suficiente para desarrollar una capa sólida que ha sido la responsable de retener las sales y agua transportadas por dichos meteoritos en la superficie, y que además ha realizado la importante labor de aislante térmico, permitiendo que el calor interno de la tierra se conserve y que el proceso de enfriamiento sea lento. Mediante

los

procesos

enfriamiento

segregación

componentes a lo largo del tiempo, en un proceso sumamente lento, y que es aparentemente estático en la escala de tiempo de la vida humana, la tierra se ha separado principalmente en tres capas con características definidas que permiten proporcionar una explicación oportuna sobre su comportamiento y estructura interna. La figura 1.1 muestra los diferentes límites, conocidos como “discontinuidades”, que separan cada una de las diferentes capas de la estructura terrestre.

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Figura 1.1. Discontinuidades desde la superficie hasta el centro de la Tierra.

Fuente: Elaboración propia

En la parte más externa del planeta se encuentra la Corteza Terrestre, en la cual residen los océanos y continentes. La corteza tiene un espesor muy variable, su sección más estrecha se denomina corteza oceánica con un espesor entre 5 y 10 km, y la sección más ancha, denominada corteza continental, posee un espesor que oscila entre valores mínimos de 25 km y máximos de 70 km en las cordilleras más altas. En conjunto la corteza oceánica y continental representa tan solo el 2% del volumen de la tierra. En cuanto a su composición en las zonas más superficiales la corteza terrestre se encuentra principalmente formada por sedimentos y en su interior está conformada por rocas metamórficas e ígneas. 12 12 12

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La capa intermedia se denomina Manto Terrestre, esta se ubica entre la Discontinuidad de Mohorovicic, en la cual limita con la corteza terrestre, y la Discontinuidad de Gutenberg a una profundidad aproximada de 2900 km. El manto ocupa aproximadamente el 82 % del volumen total de la tierra y se divide en manto superior y manto inferior, los cuales, a diferencia de la corteza, se dividen por un cambio estructural de los componentes que lo conforman. El manto superior, aunque sólido, posee una plasticidad superior al manto inferior, que al soportar presiones mucho mayores tiende a comportarse de una manera más rígida. El manto superior e inferior se separan a unos 660 km de profundidad en la discontinuidad de Repetti. Con respecto a su composición, el manto se encuentra principalmente formado por las rocas: peridotita (ígnea), dunita (ígnea) y eclogita (metmórfica); que se caracterizan por un aumento en el contenido de hierro y magnesio en comparación a los minerales de la corteza que generalmente son ricos en aluminio y sílice.

En el centro de la tierra se encuentra el Núcleo, es la parte más densa y pesada del planeta, conformado principalmente de Hierro y Níquel, con contenidos menores de oxígeno, silicio y azufre. Como resultados de estudios sísmicos se conoce que la parte exterior del núcleo se encuentra en estado líquido hasta aproximadamente 5150 km de profundidad. En el centro del planeta se encuentra la parte solida del núcleo que se denomina Núcleo Interno. 13 13 13

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En la Figura 1.2 se pueden apreciar las diferentes capas que conforman la estructura terrestre, acompañadas de la descripción de los cambios de presión y temperatura a medida se incrementa la profundidad hasta llegar al centro del planeta (Tarbuck y Lutgens, 1999). Como se puede observar existe una súbita aceleración en el aumento de la temperatura con respecto a la profundidad durante el paso del manto inferior hacia el núcleo exterior. Esta pequeña zona entre los 2700 – 2900 km de profundidad se denomina “Nivel D”, como hipótesis se asume que esta sección podría estar compuesto por una mezcla de rocas del manto y material procedente del núcleo, principalmente hierro, que podría ascender por capilaridad hasta esta zona. Dada las altas temperaturas, se formarían agregados de aleación de hierro y rocas silíceas ferruginosas. Otras hipótesis proponen que este nivel podría estar formado por restos de materiales de la primitiva Tierra. En ambos casos representaría una zona de baja conductividad que ayudaría al igual que la corteza a hacer más lento el proceso de enfriamiento del planeta. Además de la clasificación descrita, la tierra se subdivide en otro tipo de capas atendiendo propiedades mecánicas tales como fases, ductilidad y resistencia

deformaciones.

Esta

clasificación

encuentra

mayormente enfocada a un modelo geo-dinámico de la tierra, y será desarrollada brevemente en el módulo II del presente curso.

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Figura 1.2. Estructura y cambio de propiedades de la tierra a profundidad.

Fuente: Elaboración propia a partir de Tarbuck y Lutgens (1999)

I.2 Fuentes de calor dentro de la Tierra y modos de transferencia de calor terrestre El calor de la Tierra es el único elemento natural necesario, aunque existen otros elementos deseables, para que un recurso geotérmico pueda ser explotado de manera eficiente por el ser humano. Según Stacey y Loper (1988), la tierra tiene un flujo global de calor de aproximadamente 42 TW (42 x 1012 W), lo que ciertamente representa un valor inmenso en comparación a las demandas energéticas que tiene el ser humano en la actualidad.

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El origen del calor interno de la tierra se encuentra relacionado con una serie de procesos físicos, geológicos y químicos que han tenido lugar desde la formación de la tierra misma. Entre las principales fuentes de calor se encuentra la desintegración de isotopos radioactivos, el cual se denomina calor radiogénico, a causa principalmente del decaimiento de isotopos de Uranio (235U y 238 U), Torio (232 Th) y Potasio (40K). Una segunda fuente de energía proviene del calor inicial de la tierra adquirido durante el proceso de creación de la misma. Los movimientos diferenciales de las diferentes capas de la tierra también contribuyen a la generación de calor, debido a su naturaleza dinámica tienden a formar procesos que liberan energía térmica por rozamiento.

última

fuente

calor

predominante

cristalización de núcleo externo, este proceso se caracteriza por el cambio de fase del Hierro de estado líquido a estado sólido, dicho cambio de fase se encuentra ligado a grandes liberaciones de energía, a este tipo de reacciones se les denomina exotérmicas. Según Delescluse & Chamot (2008), además de la cristalización del Hierro, en zonas inferiores existen otros procesos de cambio estructural de algunos minerales específicos, que involucran reacciones químicas exotérmicas, que al encontrarse en puntos determinados, generan únicamente zonas localizadas en las que se presentan excesos de calor por periodos de tiempo generalmente cortos. A pesar de la gran magnitud del calor terrestre, solo una pequeña porción puede ser aprovechada. La energía utilizable se encuentra

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principalmente limitada en áreas con condiciones geológicas que permitan el transporte eficiente de calor de las zonas profundas a zonas cercanas a la superficie. Con la tecnología actual, es posible alcanzar profundidades de hasta 12 km, que aún se encuentra dentro de los límites de la corteza terrestre, por lo cual para los objetivos de estudio del presente curso se analizarán principalmente los elementos relacionados al flujo y almacenamiento de calor en la corteza terrestre. Según Stacey y Loper (1988), el calor total producido en la corteza tiene valores aproximados de 8 x 1012 W, este representa el 19 % del calor total producido por la tierra a causa principalmente del alto contenido de componentes radioactivos de la corteza. Como fuentes secundarias de calor la corteza recibe energía por flujo de calor de las capas internas de la tierra y el movimiento diferencial de las placas tectónicas. Las placas tectónicas básicamente son fragmentos de la corteza terrestre que se mueven como un componente rígido sobre el manto superior, fruto del fenómeno conocido como deriva continental, esto será explicado a mayor detalle en el módulo II: Exploración geológica. En geotermia las placas tectónicas adquieren principal relevancia debido a que sus márgenes corresponden a zonas débiles, densamente fracturadas de la corteza, que se caracteriza por una intensa actividad sísmica y por un gran número de volcanes, a causa del ascenso de materiales calientes hacia la superficie y por un alto flujo de calor terrestre. 17 17 17

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Las placas se mueven lenta y continuamente, respecto de las otras, con una rapidez desde 1 a 10 cm por año. La interacción entre placas causa una mayor deformación en sus límites, los cuales pueden ser divergentes, convergentes y transformantes. En el primero, las placas se separan y permite el ascenso del manto para crear piso oceánico. En el segundo, las placas se aproximan y se consume (subducción) la corteza oceánica en el manto. En el último límite las placas se deslizan (cizalla) respecto de la otra sin producir ni destruir la corteza terrestre. Como se podría esperar debido al alto flujo de calor en los márgenes de las placas, estas zonas se encuentran estrechamente relacionadas con áreas geotérmicas, de hecho como se puede apreciar en la Figura 1.3, las principales plantas de generación eléctrica a partir de la energía geotérmica se encuentran distribuidas en todo el mundo alrededor de los límites entre placas. En el continente Americano la mayor expresión de actividad volcánica se localiza en lo que se denomina Cinturón de Fuego del Pacífico (Ring of Fire), en el que ocurren el choque y subducción de las placas tectónicas, a lo largo de la línea de la costa occidental del continente. Esta constituye la región con el mayor potencial geotérmico, e involucra a la mayoría de países de Latinoamérica.

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Figura 1.3. Ubicación de zonas de anomalías geotérmicas. Las zonas rojas indican los principales lugares con capacidad de aprovechamiento geotérmico para fines eléctricos.

Fuente: Elaboración propia.

I.2.1 Procesos de transferencia de calor terrestre Para poder explicar la existencia de fuentes de calor de alta temperatura a bajas profundidades y la comprensión de la geodinámica global del planeta, resulta necesario la definición y estudio de las formas en las que el calor se propaga en el interior de la tierra. Como se dijo anteriormente, según Stacey y Loper (1988), la tierra tiene un flujo global de calor de aproximadamente 42 TW (42 x1012 W), del cual el 19 % es producido en la corteza terrestre, un 76.7 % es generado en el manto y el 4.3 % restante en el núcleo, que no contiene isotopos radioactivos. A pesar de la aparente alta pérdida de energía, el enfriamiento de la tierra es relativamente lento debido a la baja

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capacidad de transferencia de calor características de los materiales que conforman la tierra, según Dickson, el manto se ha enfriado entre 300 – 350 °C en los últimos 3,000 millones de años, partiendo de una temperatura inicial de 4000 °C.

La energía en forma de calor siempre se desplaza desde las zonas de mayor temperatura a menor temperatura, en este caso del centro del planeta a la superficie. Esta simple observación corresponde uno de los principios básicos de la termodinámica que serán desarrollados en el módulo III: Exploración Geoquímica. En este punto y para comprender como emigra el calor hacia la superficie se deben tomar en cuenta los tres procesos posibles de propagación del calor. Como primer mecanismo la conducción, consiste en la transferencia de calor entre cuerpos que se encuentran en contacto, que aunque bajo esta premisa puede ocurrir tanto en el estado sólido, líquido o gas de las sustancias, solo en el estado sólido se da de forma “pura”, ya que en los otros estados de la materia tiende a estar combinado con el segundo mecanismo que se discutirá más adelante. La conducción se puede interpretar como el intercambio de energía entre átomos, en la cual, el que posee mayor energía al entrar en contacto con el átomo de menor energía, modifica su frecuencia de vibración. La conductividad de un material depende de sus propiedades macroscópicas como la porosidad o el estado de la materia y de propiedades microscópicas propias de la

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naturaleza de la materia que conforma un cuerpo como su composición química o estructura atómica. En un cuerpo en el que se han definido y considerado las propiedades antes mencionadas es posible determinar su grado de conductividad térmica, que representa el grado de facilidad que tiene el calor para difundirse en dicho cuerpo. Suponiendo que la tierra fuera un sistema uniforme y puramente conductivo, mediante el conocimiento de la conductividad térmica y la temperatura en superficie, sería posible determinar la temperatura de un reservorio geotérmico, no obstante la tierra consiste en un cuerpo completamente heterogéneo, razón por la cual su estudio es mucho más complejo. La convección es quizás el mecanismo de transferencia de calor más importante en los sistemas de alta entalpía que son explotados con fines energéticos. A diferencia de la conducción, la convección requiere el movimiento o flujo de la materia, siendo común en líquidos y gases. Este representa un mecanismo de transferencia de calor más eficiente que la conducción, para ejemplificar esto se puede analizar un sistema en el cual se transfiere calor de un cuerpo sólido a un cuerpo líquido, como una olla llena de agua, al encender la estufa y calentar la olla, esta a su vez comenzaría a transferir calor al agua que contiene, la olla en un inicio solo podría transmitir energía a las partículas de agua que están en contacto con ella, sin embargo este proceso generaría un vector de flujo dentro del agua, al calentarse inicialmente, la masa de agua en contacto con la olla aumentaría su temperatura y disminuiría su densidad, por principio básico los cuerpos de menor densidad

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tienden a ascender dentro de un sistema líquido o gaseoso de mayor densidad. Con ello el agua más densa caería al fondo de la olla y la más caliente ascendería transmitiendo calor a su paso y permitiendo que la olla caliente una “nueva capa” de agua. En el sistema terrestre profundo un caso similar ocurriría entre el núcleo interno (sólido) y el núcleo externo (líquido), y de forma contraria, teniendo como cuerpo caliente en estado líquido, el núcleo externo transmitiría calor al manto. En este caso el manto tendría características de aislante térmico haciendo la transferencia de energía menos eficiente como se observa en la figura 1.2. Bajo lo anterior es posible deducir que para que la transferencia de calor por convección sea factible es necesario que se cumplan ciertas condiciones, entre ellas: una baja viscosidad, una significativa expansión térmica y un sistema gravitatorio que haga que los cuerpos menos densos se desplacen. En el caso particular de los sistemas geotérmicos es deseable la existencia de una alta permeabilidad en las estructuras geológicas, que permita el descenso de aguas superficiales, el agua filtrada en función a la velocidad de flujo y contacto con la fuente de calor, permite arrastrar el calor de las profundidades mediante la circulación del fluido, creando las anomalías térmicas y manifestaciones hidrotermales que facilitan la identificación de sistemas geotérmicos.

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El último mecanismo de transferencia de calor es la radiación, que consiste en el flujo de calor por ondas electromagnéticas. Otra forma de entenderlo es como la emisión de fotones térmicos (similares a los fotones de luz pero con una mayor longitud de onda) del cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. La radiación tiene como característica especial el hecho de no necesitar que los cuerpos se encuentren en contacto para transferirse el calor. Un ejemplo típico de transferencia de calor por radiación, es la energía transferida desde el sol a la tierra. En el caso particular del sistema terrestre la radiación es la forma de transferencia de calor que menos aporta al flujo de energía desde el centro de la tierra, principalmente debido a que las capas de la tierra tienen un bajo índice de transferencia de calor por radiación (cuerpos opacos), sin embargo, es un proceso que se encuentra presente en todos los cuerpos con temperaturas mayores al cero absoluto y que debe ser tomado en cuenta en sistemas con cuerpos de altas temperaturas como el núcleo terrestre.

I.3 Flujo de calor y gradiente geotérmico El gradiente geotérmico represente el cambio de la temperatura de la tierra con respecto a la profundidad de la misma. En la mayoría del planeta este cambio de temperatura suele ser constante y cambia a una razón entre 25 – 30 °C por kilómetro de profundidad, está razón de cambio es conocido como gradiente normal de temperatura terrestre. 23 23 23

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En términos generales este fenómeno de aumento gradual de la temperatura con respecto a la profundidad tiene sentido si se considera al planeta como un cuerpo completamente uniforme y conductivo, en la cual el núcleo difunde calor desde su interior y que con el paso del tiempo ha logrado un cierto equilibrio en la razón de transferencia alcanzando temperaturas especificas en cada capa de la tierra. Pero como se mencionó anteriormente la tierra es un sistema heterogéneo y no uniforme, existiendo excepciones a la regla. Según Dickson, en sistemas de cuencas llenas de sedimentos geológicamente “muy pequeños”, pueden existir gradientes inferiores a 1 °C, esto podría considerarse posible si se tiene en cuenta que dicho sistema tendría como característica bajos índices de conductividad térmica. Afortunadamente para nuestros objetivos también existen excepciones a la regla en sentido opuesto. Si el gradiente normal de temperatura terrestre fuera una razón de cambio uniforme en todo el planeta, para alcanzar temperaturas deseables de 150 °C o superiores serían necesarias perforaciones con un mínimo de 6 km de profundidad, perforación que aunque es posible realizarlas con la tecnología actual, representarían altos costos de inversión y un sistema ineficiente, por los índices de pérdidas de calor durante la extracción del recurso. Si bien para que una zona o región sea de interés geotérmico, se podría considerar cualquier sistema con un gradiente superior al normal, en los sistemas de alta entalpía que son los usualmente utilizados para la

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generación de electricidad, es común encontrar gradientes de al menos 100 °C por kilómetro de profundidad. Como se ha mencionado anteriormente estos sistemas se presentan generalmente en zonas de límites de placas tectónicas, en donde suelen haber intrusiones magmáticas que generan dichas anomalías térmicas.

Síntesis de Unidad I

La Geotermia, cuyo significado es el Calor de la Tierra, ha sido utilizada por el ser humano de forma continua desde tiempos y su uso ha sido, principalmente, para usos domiciliares, tales como: calentamiento de hogares y balneología. Sin embargo, desde principios del siglo pasado se ha aprovechado para la generación de electricidad.

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Unidad II. Introducción a la Geotermia

Objetivos Que el estudiante sea capaz de: 

Describir en

forma general

la historia de

evolución

del

aprovechamiento de los recursos geotérmicos por el ser humano. 

Identificar las razones que han permitido el desarrollo de la industria geotérmica en las últimas décadas.



Clasificar los recursos geotérmicos en función a sus propiedades



Identificar las formas de aprovechamiento de los recursos geotérmicos en función a su clasificación.

Introducción La presente unidad se enfoca en el origen y los fundamentos de la relación entre el ser humano y el aprovechamiento de los recursos geotérmicos.

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Dicho aprovechamiento a lo largo del tiempo ha sido variado principalmente por las diversas características entre los diferentes sistemas geotermales y según el ingenio que ha tenido el ser humano para utilizarlos. Los sistemas geotérmicos se encuentran en la naturaleza en una amplia variedad de características físicas y químicas, lo cual permite su clasificación en función de las condiciones termodinámicas en que se encuentre el fluido geotérmico. Durante el desarrollo de la presente unidad se describirán los diferentes sistemas de clasificación y la forma en que cada recurso puede ser utilizado.

II.1 Historia de la Geotermia

La relación entre el ser humano y el calor de la tierra se remonta hasta los orígenes del mismo, ya sea dando características divinas o místicas a sus diferentes manifestaciones, hasta el aprovechamiento de todos sus recursos. Los diferentes aprovechamientos han pasado desde usos sencillos para fines recreativos, como baños termales, hasta usos más elaborados como sistemas de calefacción de ciudades, sistemas de cultivos y hasta para fines eléctricos; este último uso, probablemente sea el de mayor interés por los beneficios económicos y sociales que tiene involucrados, esta disposición tiene sus orígenes en Italia, en un pueblo conocido como Larderello, nombrado así en honor a Francois de Larderel, que en 1827 fue el primero en aprovechar el calor geotérmico

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para un uso industrial, al utilizarlo en un sistema de evaporación en la producción de ácido bórico, en lugar de usar leños como era común en esa época. En esa misma zona, en 1904 el príncipe e inventor Piero Ginori Conti impulso la construcción del primer sistema para uso eléctrico del calor de la tierra, logrando la construcción de una pequeña planta de 250 kW que comenzó a funcionar en 1913. El éxito alcanzado por Piero Ginori impulso el interés de múltiples países en el desarrollo geotérmico, desafortunadamente los problemas de corrosión y la baja competitividad de las plantas geotérmicas, con respecto a otras fuentes de generación, además de los problemas económicos y bélicos de las siguientes décadas no permitieron que la industria geotérmica se potenciara. Fue hasta después de la década de los 50´s que problemas de sequias y los aumentos en el precio del petróleo fomentaron el interés de muchos países en la energía geotérmica, a la par de otros tipos de fuentes de energías renovables. En la actualidad existe un nuevo

impulso

colectivo

por

desarrollo

geotermia,

principalmente motivado por el bajo impacto que esta representa sobre el medio ambiente y por el interés de reducir la dependencia, principalmente en los países más vulnerables, hacia los combustibles fósiles.1

Para una lectura más completa sobre la Historia de la Geotermia y su situación

actual, revisar el material complementario “Historia de la Geotermia” disponible en el Aula Virtual.

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II.2 Definición y Clasificación de los Recursos Geotérmicos En el presente curso se definirá

“recurso geotérmico” como un

depósito de calor en el subsuelo que puede ser extraído y explotado económicamente, para la generación de energía eléctrica o para usarse en cualquier otra aplicación industrial, agrícola o doméstica. A pesar que los recursos geotérmicos se pueden encontrar en todo el mundo, los sistemas geotérmicos realmente explotables se encuentran principalmente, en regiones donde el gradiente térmico de la Tierra es mayor que el normal. Típicamente, es asociado a los lugares donde se juntan las placas tectónicas, ver Figura 2.1. Figura 2.1. Perfil esquemático mostrando los procesos de tectónica de placas

Fuente: Saemundsson, Axelsson and Steingrímsson, 2009

Otros términos similares como: sistema geotérmico, yacimiento geotérmico o campo geotérmico, suelen ser utilizados de manera indistinta en el lenguaje coloquial, sin embargo cada uno involucra

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puntos específicos del recurso geotérmico. En ESMAP (2012), se definen de la siguiente manera:

Sistema Geotérmico: se refiere a todas las partes del sistema hidrogeológico implicado, incluida la zona de recarga, todas las partes en la superficie y el flujo saliente del sistema.

Yacimiento Geotérmico: indica la parte caliente y permeable del sistema geotérmico que puede explotarse directamente.

Campo Geotérmico: es una definición geográfica, que usualmente indica un área de actividad geotérmica en la superficie terrestre. En casos sin actividad en la superficie, este término se puede usar para indicar el área de la superficie que corresponde al yacimiento geotérmico debajo de ella.

Retomando la definición realizada sobre recurso geotérmico se debe notar que se hace énfasis únicamente en el depósito de calor, dejando de lado otros elementos característicos y deseables en los sistemas geotérmicos, para que la explotación se pueda realizar de una forma económicamente factible. Dicho énfasis se realiza debido a que la fuente de calor es el único elemento que se debe encontrar de forma natural para que un recurso pueda ser explotado, pudiéndose, al menos de forma teórica subsanar la falta de cualquiera de los otros elementos

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deseables. Los elementos de un sistema geotérmico serán abordados a mayor detalle en el Modulo II: Exploración Geológica, sin embargo a continuación se describirán de manera breve los elementos principales:

Depósito o fuente de Calor: Recurso o zona de alta temperatura disponible a bajas profundidades.

Fluido Geotérmico: conformado principalmente por agua, con cantidades considerables, aunque variable, de gases y minerales disueltos. El agua es generalmente de origen meteórico y es la responsable de transferir el calor hacia la superficie para ser aprovechado.

Reservorio Geotérmico: es una formación de rocas permeables donde el fluido entra en contacto con la fuente de calor.

Sistema de suministro de agua: conformado por un sistema de fallas en las estructuras geológicas que permiten la circulación del fluido geotérmico. Se encuentra conformado por una zona de recarga, que permite la infiltración de un “nuevo fluido al reservorio” y la zona de descarga, que consiste en la ruta donde el fluido geotérmico sale del reservorio hacia las diferentes manifestaciones superficiales.

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Capa Sello: zona impermeable producto de la alteración de las rocas por las altas temperaturas, que recubre el reservorio facilitando el almacenamiento del fluido geotérmico.

La localización y clasificación de cada uno de estos elementos representa el principal objetivo durante la exploración geotérmica. Según Colin (2011), una correcta clasificación del recurso es la llave para una posterior caracterización, evaluación y desarrollo de los recursos geotérmicos. Los recursos geotérmicos se clasifican en diversas formas de acuerdo con la fuente de calor, el tipo de transferencia de calor, la temperatura del reservorio, el estado físico, la utilización y la formación geológica. En la tabla 1 se presenta una clasificación basada en la temperatura del reservorio, entalpía y estado físico, propuesta por Bodvarsson, 1964, Axelsson and Gunnlaugsson, 2000.

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Tabla 1. Clasificación de los sistemas geotérmicos basada en la temperatura del reservorio, entalpía y estado físico. Temperatura

Entalpía

Fluido

Baja Temperatura (LT):

Baja Entalpía:

Líquido Dominante:

Sistemas con temperatura

Sistemas geotérmicos

Reservorios

de reservorio a 1 km de

con

con el agua a temperaturas

profundidad < 150 °C.

fluido

entalpía

iguales o menores al punto

Caracterizado

menor a los 800 kJ/kg,

reservorios con

ebullición

geotérmicos

según

comúnmente

por

lo que corresponde a

presión existente y la fase

manifestaciones

con

temperaturas menores

líquida del agua controla la

a 190 °C.

presión del reservorio. En

temperaturas

iguales

menores a la temperatura

este caso alguna fracción

de ebullición.

de vapor puede existir en el reservorio.

Media

Temperatura

(MT): Sistemas con temperatura de reservorio a 1 km de profundidad entre 150 – 200 °C.

Alta Temperatura (HT):

Alta Entalpía:

Fluido en Dos Fases:

Sistemas con temperatura

Sistemas geotérmicos

Reservorios

de reservorio a 1 km de

con

donde el vapor y el agua co

profundidad > 200 °C.

fluido

entalpía

– existen y la temperatura

Caracterizado

por

fumarolas, salidas de vapor en

superficie

altamente alterado.

suelo

reservorios

mayores kJ/kg.

con a

los

800

geotérmicos

y la presión siguen la curva del punto de ebullición del agua. Vapor Dominante: Reservorios

geotérmicos

donde la temperatura es igual o superior al punto de ebullición según la presión

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existente y la fase de vapor del agua controla la presión del reservorio. En este caso alguna fracción de agua puede estar presente en el reservorio. Fuente: Bodvarsson (1964), Axelsson and Gunnlaugsson, (2000)

Otra clasificación aceptada de los sistemas geotérmicos es la siguiente: - Sistema Volcánico: la fuente de calor proviene de intrusiones calientes o magma. Estos sistemas siempre están asociados con la actividad volcánica. Como lo muestra la figura 2.2, la fuente de calor puede ser por el magma o por intrusiones calientes provenientes del mismo magma. Comúnmente, se localizan dentro o cerca de los complejos volcánicos en las cercanías de los bordes de placas tectónicas. En estos casos, el flujo del agua es posible gracias a las fracturas permeables y zonas de fallas.

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Figura 2.2. Modelo conceptual de un campo de alta temperatura dentro de un sistema de cordillera volcánica.

Fuente: Saemundsson, Axelsson y Steingrimsson, 2011.

- Sistemas Convectivos: con circulación de agua profunda por medio de fracturas en áreas tectónicamente activas de un alto gradiente geotérmico. En estos sistemas, la fuente de calor se debe al calor de la corteza terrestre

ciertas

profundidades

donde

existen

áreas

tectónicamente activas y que presentan flujos de calor superiores a la media natural. En estos casos, el agua circula a profundidades mayores de 1 km, a través de fracturas, principalmente verticales, hasta alcanzar la fuente de calor y subir con el calor extraído. La dirección del flujo se representa en la Figura 2.3.

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Figura 2.3. Modelo conceptual de un sistema convectivo fracturado de baja temperatura.

Fuente: Saedmundson, (2011)

- Sistema Conductivos Sedimentarios: se crea en capas permeables a gran profundidad (2– 5 km). Estos sistemas se encuentran en la mayoría de depósitos sedimentarios del mundo. Deben su existencia a las capas sedimentarias permeables a profundidades mayores de 1 km y con gradientes superiores al gradiente natural de la Tierra (>30 °C). Estos sistemas en los depósitos sedimentarios son mayormente conductivos más que convectivos, aunque se pueden encontrar sistemas convectivos también, dado que en algunos casos se tiene

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la presencia de fracturas y zonas de fallas. La Figura 2.6, muestra este tipo de sistemas. Figura 2.4. Esquema de una cuenca sedimentaria con un reservorio geotérmico a una profundidad de 2– 5 km.

Fuente: Saemundsson, Axelsson y Steingrimsson, 2011.

Sistemas Geo-presurizados: relacionados con reservorios de petróleo y gas, son por lo general bastante profundos y se encuentran bajo grandes presiones litológicas. Estos sistemas se comparan a los sistemas geo – presurizados de petróleo y gas ya que se trata de un fluido atrapado en la roca con presiones

cercanas

valores

presión

litostática.

Son

generalmente muy profundos.

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Figura 2.5. Esquema de la sección transversal de un reservorio geopresurizado.

Fuente: Elaboración propia a partir de R. DiPippo, (2005)

Sistemas de Roca Seca Caliente (Hot Dry Rock– HDR) o sistemas geotérmicos mejorados (Enhanced Geothermal System – EGS): se encuentran en rocas de muy baja permeabilidad pero con alta temperatura y que pueden ser alcanzadas por medio de pozos profundos. Este sistema consiste de grandes volúmenes de rocas que han sido calentadas hasta alcanzar altas temperaturas por medio de sistemas volcánicos cercanos o paso de altos flujos de calor pero que tienen muy baja o nada de permeabilidad. Por lo tanto, no pueden ser explotados comercialmente por medio de los métodos

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convencionales. Actualmente y desde varios años, se desarrollan experimentos de hidro – fracturamiento de la roca con el objetivo de crear reservorios artificiales o abrir las micro fracturas que ya existen en el sistema. Y para lograr extraer el calor de la roca se requiere la inyección de agua en un pozo y extraerla en otro pozo cercano, asumiendo que el agua podrá circular desde un pozo al otro por medio de las fracturas creadas durante el hidro – fracturamiento. La figura 2.6, muestra un esquema donde se aprecia la existencia de dos pozos perforados hasta la roca caliente.

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Figura 2.6. Esquema de un sistema de roca seca caliente.

Fuente: Dickson, Fanelli. Trad. por Lahsen

Sistemas Someros: con gradientes normales de temperatura, para aprovecharlos se requiere el uso de bombas de calor. Estos sistemas presentan su mayor utilidad en lugares que por su posición geográfica, requieren calor para el calentamiento de los hogares y otros usos directos.

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II.3 Tipos de Plantas Geotérmicas Como se ha visto en el capítulo anterior, el recurso geotérmico se encuentra en la naturaleza con una gran variedad de características físico – químicas, por lo que para su utilización se tienen igualmente, una gran variedad de tecnologías que permiten aprovecharla de una manera eficiente, sostenible y amigable con el medio ambiente. La tabla 2, muestra el tipo de tecnología que es recomendable utilizar según sea el tipo y origen del recurso geotérmico que se tenga en nuestra región.

Tabla 2. Tecnología recomendable para cada sistema geotérmico. TIPO DE RECURSO (Entalpía/T°) Alta Entalpía T > 200 °C

UBICACIÓN

USO/TECNOLOGIA

Alrededor de los límites de

Generación de electricidad con

las

tectónicas,

tecnología de tipo convencional:

vapor seco, single flash, doble

placas

principalmente

áreas

volcánicas

flash, contra presión (boca pozos), otros.

Media Entalpía T = 150 – 200 °C

Principalmente

zonas

Generación de electricidad con

geológicas sedimentarias o

tecnología binaria: ORC y Ciclo

cercanas a zonas de alta

Kalina

temperatura Baja Entalpía T < 150 °C

En la mayoría de países,

Principalmente para usos directos:

donde se tiene el gradiente

calefacción

geotérmico

procesos industriales. También se

normal

30 °C/km o mayor.

domiciliar

puede generar electricidad con tecnología binaria.

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Fuente: Dickson, Fanelli. Trad. por Lahsen

Aunque el uso convencional más reconocido de la energía geotérmica es para la generación de electricidad, no debe dejarse de lado su utilización para otros usos directos. Ya en el año 1973, un investigador llamado Lindal creó un esquema que se conoce como el “Diagrama de Lindal” que muestra los posibles usos de los fluidos geotermales a diferentes temperaturas, puede verse en la Figura 2.7.

Figura 2.7. Diagrama de Lindal, 1973.

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Fuente: Dickson, Fanelli. Trad. por Lahsen

Debe mencionarse que actualmente la tecnología binaria permite aprovechar el calor de reservorios de temperaturas inferiores a 80 °C para convertirlo en electricidad. De tal forma que para la generación de electricidad se utilizan turbinas de vapor convencionales o plantas de tipo binario dependiendo de las características del recurso geotérmico existente. A continuación se presentan las opciones disponibles: Plantas de vapor convencionales: Operan con vapor geotérmico

a temperaturas > 150°C. se tienen de tipo: 

“Boca Pozo” o “Descarga Atmosférica” (Back Pressure

Turbines), ver Figura 2.8.

Figura 2.8. Diagrama de una planta de “Descarga Atmosférica” o “Boca Pozo”.

Fuente: Dickson, Fanelli. Trad. por Lesher

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

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De “Condensación” con descarga a un condensador a presión de vacío, ver Figura 2.9. Normalmente, su diseño de descarga a un condensador a una presión inferior a la atmosférica, permite que su consumo de vapor sea hasta la mitad de las turbinas de “Descarga Atmosférica”.

Figura 2.9. Diagrama de una planta “a Condensación”.

Fuente: Dickson, Fanelli. Trad. por Lahsen

- Plantas de Ciclo Binario: su mayor utilización es con fluidos de baja a media entalpía (T < 150 °C). También pueden implementarse como plantas para aprovechar el calor residual del agua de reinyección que proviene de los separadores de agua y vapor. Este tipo de plantas utilizan un fluido secundario, usualmente de carácter orgánico (principalmente n-pentano), que tiene un bajo punto de ebullición y una alta presión de vapor a bajas temperaturas, en 44 44 44

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comparación con el vapor de agua. El fluido secundario es manejado según el ciclo Rankine: el fluido geotermal entrega calor al fluido secundario a través de intercambiadores de calor, en los cuales este fluido es calentado y vaporizado; el vapor producido acciona una turbina normal de flujo axial, posteriormente es enfriado y condensado, y el ciclo comienza nuevamente, ver Figura 2.10.

Figura 2.10. Diagrama de una planta “Binaria”.

Fuente: Dickson, Fanelli. Trad. por Lahsen

- Otras consideraciones: Los fabricantes de las tecnologías para aprovechar el recurso geotérmico han desarrollado equipos que pueden utilizarse en aquellos lugares donde el recurso no presenta características para generar electricidad a gran escala y, además, son de fácil instalación y bajo mantenimiento. Las pequeñas plantas portátiles, ya sean convencionales o no, reducen los riesgos relativos a la perforación de nuevos pozos, y pueden ayudar a proporcionar los 45 45 45

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requerimientos de energía de áreas aisladas o lejanas a los centros de generación o sin acceso a las líneas de transmisión de alto voltaje. La

calidad

vida

muchas

comunidades

podría

ser

considerablemente mejorada al tener la posibilidad de disponer de fuentes de energía local. La electricidad podría facilitar muchas actividades aparentemente innecesarias para la existencia del ser humano, pero extremadamente importantes, tales como bombeo de agua para regadío, congelamiento de frutas y vegetales para conservación y la iluminación en horas nocturnas. La conveniencia de pequeñas plantas portátiles es aún más evidente para aquellas áreas que no tienen acceso a combustibles convencionales y también para comunidades donde sería demasiado costosa la conexión al sistema eléctrico nacional o regional, a pesar de la existencia de líneas de transmisión de alto voltaje en las cercanías. El costo de abastecer electricidad a estas pequeñas comunidades aisladas es prohibitivo, ya que los equipos necesarios para conectarse requieren grandes inversiones económicas.

II.4 Usos Directos de Recursos Geotérmicos

El uso directo del calor es una de las formas más antiguas, versátiles y comunes de aprovechamiento de la energía geotérmica en el mundo, las aplicaciones en baños, calefacción ambiental y distrital, en agricultura, acuicultura y algunos usos industriales constituyen las

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formas más conocidas de utilización, pero las bombas de calor son las más generalizadas. En menor escala hay muchos otros tipos de utilización, siendo algunos de ellos poco usuales. La calefacción ambiental y distrital ha tenido un gran desarrollo en Islandia, donde la capacidad total de los sistemas de calefacción distrital ha aumentado a medida que la demanda crece, de tal forma que la mayoría de hogares en ese país son calentados con energía geotérmica. La Figura 2.11 muestra de forma esquemática la utilización del recurso geotérmico para el calentamiento distrital en la ciudad de Reykjavik, Esta forma de calefacción está ampliamente distribuida en otros países de Europa, al igual que en Estados Unidos, Canadá, China, Japón, etc. en donde la temperatura

ambiente

invierno

hace

necesario

calentamiento doméstico.

Figura 2.11. Diagrama de flujos simplificados del sistema de calefacción distrital de Reykjavik.

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Fuente: Gudmundsson, 1988

En algunos lugares es posible aplicar un sistema de cascada para optimizar el uso de la energía geotérmica. La figura 2.12, muestra la forma de su utilización.

Figura 2.12. Uso en cascada de la energía geotérmica.

Fuente: Geo-Heat Center, Klamath Falls, Oregon, USA

También la refrigeración es una opción factible para utilizar geotermia mediante la adaptación de equipos de absorción. La tecnología de estos equipos es bien conocida y se encuentra a disposición en el mercado. El ciclo de absorción es un proceso que utiliza calor como fuente de energía en vez de electricidad. El efecto de refrigeración se logra mediante la utilización de 2 fluidos: un refrigerante, que circula, se evapora y condensa, y un segundo fluido absorbente. Para aplicaciones

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sobre 0 °C (principalmente en refrigeración y procesos de aire acondicionado), el ciclo utiliza bromuro de litio como absorbente y agua como refrigerante. Para aplicaciones bajo 0 °C se emplea un ciclo de amoníaco/agua, con amoniaco como refrigerante y agua como absorbente,

los

fluidos

geotermales

proporcionan

energía

geotérmica que alimenta estos equipos, a pesar que su eficiencia disminuye con temperaturas menores a 105 °C (Dickson, Fanelli. Trad. por Lahsen).

Síntesis de Unidad II En esta Unidad se han estudiado los diferentes tipos de sistemas geotérmicos que se encuentran en la superficie terrestre. Los cuales se clasifican según sus características físicas y químicas, y de acuerdo

sus

condiciones

termodinámicas

pueden

ser

aprovechadas para diferentes usos, ya sean directos o para la generación de electricidad. Este último requiere la aplicación de tecnologías apropiadas para convertir la energía calorífica en energía eléctrica.

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Unidad III. Proyecto Geotérmico

Objetivo Al finalizar esta unidad el estudiante deberá ser capaz de identificar las diferentes etapas que componen un proyecto geotérmico y sus respectivos riesgos asociados.

Introducción La presencia de manifestaciones naturales superficiales, tales como: aguas calientes, vapor, fumarolas, etc. es suficiente para pensar que en el subsuelo puede haber un reservorio que podría ser explotable para la generación de electricidad o para algún otro tipo de usos directos, dependiendo de las características del recurso. A partir de allí, es posible llevar adelante un proyecto de energía geotérmica, el cual podría dividirse en varias etapas desde el reconocimiento de la zona hasta que se inicie la operación comercial de la planta. Las etapas principales se basan, principalmente en: estudios preliminares, estudios

superficiales

exploratorios,

perforación

exploratoria,

desarrollo del campo que incluye perforación de pozos productores y reinyectores, construcción y montaje de la planta geotérmica, arranque

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y puesta en servicio. A medida que se finaliza una etapa, se hace una evaluación de los resultados obtenidos y si son positivos se continúa con la siguiente etapa.

III.1 Conceptos Generales sobre Proyectos Geotérmicos

Todo proyecto geotérmico busca aprovechar la energía calorífica que se encuentra almacenada en un reservorio existente en el subsuelo, tal como se ha definido en las unidades anteriores. Sin embargo, como es de esperarse, extraer el calor del subsuelo requiere de una inversión económica considerable y de largos períodos de tiempo, lo cual en muchos casos desalienta a los inversionistas. La buena noticia es que a medida que se hace una mejor investigación en las etapas iniciales del proyecto, esto se traduce en mejores resultados en las etapas posteriores que requieren de mayor inversión, además, se reducen de manera significativa los riesgos propios de un proyecto geotérmico. En el siguiente capítulo de esta unidad se detallan las diferentes etapas en las que se divide un proyecto geotérmico. En esta oportunidad nos limitaremos a establecer algunos conceptos generales que deben ser tomados en cuenta a la hora de planificar un proyecto geotérmico. Estos son, pero sin ser los únicos:

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Tiempo de ejecución:

El desarrollo de un proyecto geotérmico puede llegar a tomar entre 5 y 10 años, dependiendo de: las condiciones geológicas y geográficas del país, la información disponible sobre el recurso, el clima institucional y normativo establecido, el acceso a financiación adecuada y otros factores que podrían afectar la continuidad del proyecto. De igual manera existen proyectos que se iniciaron en la década de los 70´s y que hasta la fecha todavía están en la fase de estudios. Muchos de los proyectos geotérmicos que se consideran como exitosos y que aún se mantienen en operación e incluso en expansión, fueron iniciados por los mismos gobiernos con la ayuda técnica y económica de instituciones financieras internacionales. Actualmente, la tendencia es que los gobiernos se han convertido en facilitadores para que las empresas privadas puedan invertir en los proyectos de energías renovables, tales como la geotermia, eólica, solar, etc. Sin embargo, esta metodología requiere de mayores incentivos para que los inversionistas privados se sientan motivados a invertir en las energías alternativas.

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Tabla 3. Desarrollo en el tiempo de un proyecto geotérmico típico para una unidad de 50 MW, aproximadamente.

Fuente: Manual de Geotermia, ESMAP

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Otra opción podría ser que los gobiernos de alguna manera inicien los estudios superficiales con el apoyo de gobiernos amigos que han tenido experiencias favorables o con el apoyo técnico y económico de entidades financieras internacionales ya sea por medio de donaciones o préstamos a intereses preferenciales (muy bajos). Riesgos: Desarrollar proyectos geotérmicos es un desafío con altos riesgos que deberán ser superados desde las etapas iniciales. Debemos ser claros con este tema: todos los riesgos implican costos económicos, incluso los riesgos de daños ambientales se convierten en costos económicos al implementar medidas paliativas o de mitigación. Mencionaremos algunos de los riesgos identificados: Riesgo del recurso: Se refiere al riesgo que se corre a pesar que los estudios indiquen que hay un reservorio geotérmico en el subsuelo, pero que este no puede ser comprobado hasta hacer las exploraciones profundas. Riesgo de sobredimensionar la central eléctrica: En los casos donde los estudios estiman que el potencial de energía es suficiente para un tamaño específico de planta, siempre es mejor irse por el lado conservativo y dejar que las primeras unidades determinen si el campo geotérmico tiene la capacidad para instalar otras unidades. De lo contrario, se corre el riesgo de instalar una planta que estaría sobre-explotando el campo geotérmico y tendríamos en poco tiempo 54 54 54

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una planta con capacidad mayor a la que en realidad el campo es capaz de entregar, o inclusive puede darse el caso de agotar el recurso. Riesgos financieros: Dado que los proyectos geotérmicos se desarrollan en varios años, si no hay una buena base financiera, los altos costos iniciales y el largo tiempo de espera se convierte en un riesgo que podría desalentar a muchos inversionistas.

Riesgo de finalización y/o retrasos: Este es un riesgo que siempre o casi siempre sucede en la ejecución de proyectos geotérmicos. Ya que hay una gran cantidad de factores que se salen del control de los que están dirigiendo el proyecto, tales como: tiempos de entrega de materiales y equipos, fenómenos naturales, trámites aduanales, etc. Esto afecta directamente los costos del proyecto y retrasa la entrada en operación de la planta que viene a ser otro costo asociado.

Riesgos operativos: este riesgo se relaciona con la operatividad del campo, ya que durante la operación de la planta se requiere mantener la producción de vapor y la reinyección del agua geotérmica, para ello es muy común que se deban perforar más pozos para ambos fines. Esto incrementa los costos de operación y mantenimiento de la central geotérmica.

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Riesgo de venta y de precio: Este riesgo es menos común, pero en algunos lugares ha pasado, se refiere al riesgo que se tiene que el comprador de la energía no sea solvente para efectuar los pagos en el tiempo establecido o que el precio llegue a ser menor a los costos de producción.

Riesgo normativo, limitaciones de la capacidad institucional y barreras de información: Se refiere principalmente a aquellos casos donde el gobierno ha intervenido de una manera negativa en la industria eléctrica y llega a afectar las empresas de generación. Hay otros riesgos que no dejan de ser importantes en el desarrollo de proyectos, los cuales incluyen, sin limitarse a: el riesgo del cambio de moneda, riesgo de tasas de interés y riesgo del precio de los artículos de consumo que puede ser variable en el mercado según la oferta y demanda. Un ejemplo de esto último es el acero y el petróleo. La Figura 3.1, muestra la relación entre el riesgo que se va superando a medida que se avanza en las diferentes etapas del proyecto y el costo asociado representado de una manera acumulativa.

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Figura 3.1. Riesgo de los proyectos geotérmicos y costo acumulado según las diferentes etapas.

Fuente: Manual de Geotermia, ESMAP

III.2 Etapas de Proyectos Geotérmicos Una característica muy particular de los proyectos geotérmicos es el alto nivel de riesgo asociado a sus etapas iniciales de desarrollo, principalmente a causa de la gran incertidumbre que existe sobre la ubicación, potencial y características de un yacimiento geotérmico en estudio. Para reducir esta incertidumbre y por ende los riesgos, se suele realizar una serie de estudios geológicos, geoquímicos y geofísicos, (que se desarrollaran en los siguientes módulos del presente curso). De una forma preliminar, basándose únicamente en las variables riesgo-costo, los proyectos geotérmicos se pueden clasificar en dos etapas con un comportamiento similar al de la Figura 3.1: una

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etapa inicial con un riesgo muy elevado pero con baja inversión y una segunda etapa con riesgos relativamente reducidos pero acompañada de mayores costos. La clasificación realizada manejando las variables riesgos – costo solamente es posible si se sigue una serie de procedimientos lógicos y secuenciales que permitan cumplir el comportamiento descrito en la figura 3.1, esta secuencia lógica, da paso a un nuevo sistema de clasificación por etapas, que aunque no defina de manera estricta las actividades a realizar, si establece los objetivos secuenciales que se deben cumplir. Este sistema de clasificación usualmente describe 5 etapas donde las tres primeras: (1) Estudio de Reconocimiento, (2) Estudio de Pre–factibilidad y (3) Estudio de Factibilidad, las cuales, de manera conjunta representan la Etapa inicial de la clasificación anterior en la que se busca reducir la incertidumbre mediante la caracterización del recurso geotérmico, a esta etapa la denominaremos exploración geotérmica y representa el fin último del presente curso. Las últimas dos etapas: (4) Desarrollo del Recurso y (5) Explotación del Recurso, por otro lado tienen por objetivo la preparación del campo para la producción y el aprovechamiento del recurso. Los estudios de reconocimientos consisten en una evaluación preliminar del recurso geotérmico, donde se delimitan las áreas de mayor interés. Se inicia con el estudio de áreas muy extensas, cercanas a 500 km2 o superiores. Y para reducir el área de interés se recolecta, analiza y procesa toda la información geo–científica proveniente de 58 58 58

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herramientas geoquímicas, geofísicas y geológicas. Al finalizar se espera que el área de estudio se haya reducido a valores entre el 10 – 20 % de la superficie inicial. Otro punto destacable en esta etapa es el estudio de los diferentes aspectos económicos, políticos, sociales y ambientales que puedan representar un riesgo o en el peor de los casos impedir el desarrollo del proyecto geotérmico. La información recopilada y el análisis realizado deberán establecer la viabilidad preliminar

del

desarrollo del

proyecto

geotérmico y

establecer las líneas de acción a seguir en la siguiente etapa de investigación. Típicamente, se finaliza con un modelo conceptual muy preliminar

del

reservorio

que

luego

será

actualizado

con

las

perforaciones de los pozos exploratorios. En la etapa de pre–factibilidad se debe continuar con la realización de una serie de investigaciones en superficie, que permitan inferir con mayor certeza la existencia del yacimiento en el área de interés y preparar su verificación mediante la perforación de pozos profundos. Usualmente en esta etapa se compila información cartográfica de la zona de interés, esta es una información muy importante para realizar los demás estudios con un mayor nivel de detalle. La geología durante esta etapa deberá proveer información sobre la composición y origen de las rocas, los procesos geológicos que han tenido lugar y las estructuras geológicas del campo, mediante: la revisión de información de la zona, campañas de muestreo de rocas,

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elaboración de perfiles estratigráficos y análisis mineralógicos y petrográficos. En los estudios geoquímicos de esta etapa, se deberá levantar información sobre la ubicación y especiación química – isotópica de todos los manantiales y fumarolas de los sistemas geotérmicos. Las muestras al ser analizadas deberán proveer información sobre: la especiación química de los fluidos en el sistema, temperatura del reservorio, sistemas de recarga hídrica, hipótesis sobre posibles procesos de mezcla y predicción sobre potenciales problemas durante la explotación del recurso como la corrosión o incrustación en tuberías o equipos. Utilizando la información obtenida de los estudios geoquímicos, geológicos,

geofísicos

interpretación

las

condiciones

climatológicas e hidrográficas del sistema, la hidrogeología deberá proveer un modelo sobre las zonas de recarga, direcciones del flujo y localización de acuíferos profundos y someros. La geofísica deberá establecer la estructura del subsuelo hasta varios kilómetros de profundidad mediante la caracterización de propiedades físicas de las estructuras geológicas desde la superficie; en esta etapa son

comunes

estudios

gravimetría,

magnetotelúrica, geoeléctricos y de Flujo de calor.

magnetometría, En conjunto la

información obtenida de todas estas disciplinas deberá dar como resultado el desarrollo de un modelo geotérmico conceptual preliminar,

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en el cual se optimizaran los esquemas previamente establecidos durante el reconocimiento, mediante una representación esquemática sobre: el reservorio geotérmico, sistemas de flujo y la estructura y composición del sistema. Al final de esta etapa se espera haber reducido la zona de interés a un área menor a los 12 km 2 y se deben haber establecido propuestas sobre la ubicación de los primeros pozos profundos, además se deberá contar con un estudio de impacto ambiental a detalle que permita la obtención de la licencia ambiental para las perforaciones exploratorias. La etapa de factibilidad representa la línea transitoria, en donde la inversión económica tiende a elevarse considerablemente, el objetivo principal de esta etapa es comprobar la existencia del recurso geotérmico y evaluar la viabilidad técnica, económica y ambiental de la instalación de una planta en el sistema geotérmico bajo estudio. Para comprobar la existencia del recurso se realizan perforaciones exploratorias de diámetro reducido con profundidades de 500 -

1500

m o incluso de diámetro comercial hasta los 2000 m o más profundos si es necesario, todos esto en función al plan de exploración. En muchas ocasiones es preferible realizar perforaciones de diámetro reducido para minimizar costos pero en función del plan de exploración se puede optar por realizar una perforación con diámetro comercial con la finalidad de utilizar estos pozos posteriormente para producción, aunque esto conlleva un mayor riesgo ante la posibilidad de no localizar el reservorio. 61 61 61

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Una vez terminados los pozos, estos deberán proporcionar información, con la cual se deberán comprobar las hipótesis y supuestos del modelo geotérmico conceptual elaborado durante la etapa de pre factibilidad o en su defecto aportar nuevos elementos para el rediseño del mismo. Otro elemento a considerar, es la realización de pruebas de producción, con los cuales se deberá verificar si el sistema es capaz de mantener la producción de manera estable y sostenible en el tiempo. En conjunto toda esta información deberá proveer elementos suficientes para la evaluación técnica y económica del recurso, en las cuales en función a la caracterización del sistema geotérmico se debería definir: el tipo y dimensión de la planta a instalar, los requerimientos de equipos y número de pozos de producción y reinyección necesarios para mantener la generación. De manera paralela durante esta etapa se deberán llevar a cabo la ejecución de los planes de manejo ambiental, investigaciones geo científicas en superficie y en pozos, análisis de costos, análisis de mercado y diseño de vías de acceso y obras asociadas a la implementación de la planta y pozos de producción. Una vez concluida la etapa de factibilidad, y se haya probado la existencia y el potencial del recurso, se deberá proceder a la etapa de desarrollo del campo, en la que de manera inicial, se realizarán perforaciones profundas con diámetro comercial en función de los requerimientos percibidos; en los pozos de diámetros comerciales el

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objetivo será obtener el máximo caudal que permitan las características del yacimiento y el presupuesto del proyecto. De manera paralela a las actividades de perforación, una vez se encuentre disponible un mínimo de pozos, se deberá realizar el diseño final y construcción de la central generadora, además se deberá continuar con la realización de investigaciones

geo–científicas

complementarias

que

permitan

actualizar el modelo conceptual propuesto y el plan de manejo ambiental diseñado. Terminada la etapa de desarrollo, se da comienzo a la etapa de operación, en la que el objetivo será mantener operando la planta generadora a su máxima capacidad durante el período de vida útil establecido. Al ser el sistema geotérmico un ente dinámico, durante esta etapa se deberán continuar monitoreando las variaciones en las características químicas y de producción del sistema, a fin de poder ajustar el plan de manejo de pozos y de producción. La información sobre la evolución del recurso sentará las bases para que en períodos posteriores se puedan tomar importantes decisiones sobre el curso de las acciones a seguir, entre ellas dar respuesta a las interrogantes

propuestas

por

OLADE

(1993),

que

citan

continuación:  ¿Es posible y conveniente incrementar la capacidad de generación del campo?

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 ¿La densidad de pozos es correcta o se está sobre-explotando alguna zona del campo que pueda llegar a agotar el recurso?  ¿Cuál sería el comportamiento del yacimiento bajo el esquema de explotación presente y bajo esquemas diferentes?  ¿El sistema de reinyección del agua geotérmica separada es el adecuado? ¿Es conveniente inyectar en el mismo nivel y zona de producción o es necesario contemplar otras acciones que nos alejen?  ¿Será necesario perforar más pozos para mantener el nivel de producción de vapor requerido por la central?  ¿Cuál será el momento más adecuado para decidir la salida de servicio del proyecto?

Síntesis de Unidad III Los proyectos geotérmicos se pueden dividir en 5 etapas según sus objetivos de la siguiente manera: i) etapa de reconocimiento: tiene como objetivo identificar y delimitar el área de estudio, ii) etapa de prefactibilidad, tiene como objetivo caracterizar el recurso mediante estudios geocientificos, iii) etapa de factibilidad, tiene como objetivo comprobar la existencia del recurso, iv) etapa de desarrollo, en la que se perforan los pozos de producción y se instalan la planta de generación y v) producción, donde se intenta explotar de manera eficiente el recurso.

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Unidad IV. Energía Geotérmica y su Impacto en el Medio Ambiente

Objetivo Que el estudiante sea capaz de describir los principales impactos que los proyectos geotérmicos producen en el medio ambiente y que se relacione con el concepto de sostenibilidad, y como se define para los proyectos geotérmicos.

Introducción La energía geotérmica es habitualmente considerada como una fuente de energía amigable con el medio ambiente, sin embargo ¿Qué es lo que le otorga tan importante categoría?, ¿Será que los proyectos geotérmicos no generan ningún impacto en el Medio Ambiente?, las respuestas a dichas preguntas probablemente sean desalentadoras, en la mayoría de las ocasiones se asigna la categoría de “amigable con el medio ambiente” a los procesos o productos que comparativamente generan menores impactos ambientales con respecto a otro similar. De esto último, la palabra clave para dar una respuesta adecuada es “menos”, porque toda la actividad que el ser humano desarrolla genera un impacto en el medio ambiente. De forma general estos impactos son más visibles en procesos a gran escala. En la actualidad, los estudios ambientales se han popularizado debido a que los impactos del ser

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humano sobre el medio ambiente son más evidentes a causa de la gran explotación de recursos que se han realizado en las últimas décadas. Aunque podría sonar contradictorio, los impactos ambientales no son el problema, es nuestra naturaleza generar cambios al intentar satisfacer nuestras necesidades, el problema es generar cambios que no fueron previstos y que son irreversibles, por lo cual es necesario realizar una buena planificación de actividades y prever los impactos sobre el medio ambiente. En el desarrollo de proyectos geotérmicos durante sus diferentes etapas, se llevan generalmente a cabo estudios y actividades que se encuentran definidas, por ende, existe una serie de impactos que son posibles de prever, estos impactos se analizan en la presente unidad y se describe la forma en que el término de sostenibilidad se relaciona con los proyectos geotérmicos.

IV.1 Ventajas y desventajas del uso de la energía geotérmica y su impacto en el medio ambiente Tal como se ha podido constatar en las unidades anteriores, la ejecución de proyectos geotérmicos en el mundo se encuentra en aumento, si bien es una realidad que la creciente demanda energética en el mundo podría ser la principal causa de este creciente interés, también es cierto que existen muchas otras alternativas que podrían ejecutarse. Bajo este contexto se puede resaltar la siguiente pregunta ¿Por qué sería recomendable apostar por proyectos geotérmicos?, si se realizara dicha pregunta a muchas personas es muy probable que

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tenderían a justificarlo mediante razones basadas en conceptos medio ambientales, sin embargo, ya se mencionó que los proyectos geotérmicos indiscutiblemente implican impactos sobre el medio ambiente y que no existe proceso o actividad que el ser humano desarrolle que no genere un impacto en su entorno. Bajo esta nueva premisa, una respuesta más acertada sería: por las ventajas comparativas de la geotermia con respecto a otras formas de generación de energía. Generalmente se acostumbra a calificar algo como bueno o malo luego de una previa comparación con un punto de referencia. En este caso al comparar la energía geotérmica con otras fuentes de generación de energía, difícilmente se podría obtener un resultado absoluto en el que una fuente de generación de energía siempre fuera preferible a otra, ya que los resultados dependerían en gran medida del contexto en el que se produzca la comparación, como ejemplo probablemente un país que cuente con una industria desarrollada de petróleo y grandes reservas del mismo, tenga menor interés en la geotermia que un país con vulnerabilidad energética, es decir que factores sociales o económicos también juegan un papel importante en la selección y ejecución de proyectos de desarrollo geotérmico. Si bien bajo el contexto anterior no se podrían citar ventajas absolutas de la geotermia, sí existe una serie de características que convierte en favoritos a los proyectos geotérmicos, de las cuales se podrían considerar como principales las siguientes:

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En cuanto a lo económico:  La geotermia al ser un recurso local reduce la dependencia a importaciones de otras fuentes de energía basadas en combustibles fósiles, lo que contribuye a una menor vulnerabilidad con respecto a la escasez y variaciones del precio del petróleo, creando un mercado más seguro e industrias más competitivas.  Una vez instaladas las plantas geotérmicas tienen un factor de planta muy alto en comparación a otras formas de generación de energía, esto principalmente debido a que no dependen de factores climáticos como la lluvia, viento o irradiación solar, y que su indisponibilidad es únicamente durante períodos programados para el mantenimiento de las unidades.  El costo de la energía geotérmica es muy competitivo al no necesitar insumos continuos y por no involucrar gastos extras por importación.  Al reducir las emisiones de CO2, las empresas geotérmicas bajo la gestión adecuada pueden aspirar a la obtención de bonos de carbono.  Como se observa en la Figura 1.3, aunque localizada la energía geotérmica se encuentra distribuida en todo el mundo y no en zonas puntuales como el petróleo.  Es una forma de energía en período de desarrollo con alto potencial de crecimiento.

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En cuanto a lo Ambiental:  Reduce en gran medida los gases del efecto invernadero, ya que el vapor geotérmico utilizado como “materia prima”, tiene muy bajas concentraciones de CO2, como se puede observar en la Tabla 4, las emisiones de CO2 tienden a valores de aproximadamente del 2 % de las emisiones características de las plantas térmicas de petróleo o carbón.  La mayoría de sus impactos ambientales son reversibles.  Es una fuente renovable de energía que cuando el recurso es explotado de manera racional puede operar por grandes periodos de tiempo (> 30 años).  Requieren

menos

terreno

comparación

las

presas

hidroeléctricas, biomasa, energía solar y cuando entra en operación la naturaleza circundante se afecta mínimamente. En muchos lugares como parte de la operación de las centrales de generación se hacen campañas de reforestación para garantizar zonas de recarga de agua.  Es compatible con el medio ambiente y no afecta en mayor medida la biodiversidad.

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Tabla 4. Emisiones típicas de diferentes plantas generadoras de energía eléctrica. Recurso

NOx

SO2

CO2

g/kWh

Carbón

2.0

4.7

996

Petróleo

1.8

5.5

760

Gas Natural

1.3

0.1

551

Geotermia (flash)

0.0

0.1

Geotermia (Ciclo Binario)

0.0

Fuente: Geothermal Energy Association. 2007

En cuanto a lo Social: En

este

apartado

industria

geotérmica

presenta

similares

características a las ventajas aparentes en cualquier tipo de industria, por ende, para que en esta área se generen grandes beneficios, estará condicionado a las políticas propias de la empresa, entre las ventajas características se encuentra:  La generación de empleos.  Diversificación de actividades laborales.  Aumento en la recaudación de impuestos para el gobierno y las comunidades aledañas.  Incremento de la inversión social.  Al estar disponible facilita la disposición de energía en zonas difícilmente accesibles.

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Como se puede observar las características positivas de los proyectos geotérmicos son variadas, sin embargo como sería de esperar también existe una serie de aspectos desfavorables durante su desarrollo, aunque esto es relativo debido a que la mayoría de dichos aspectos son subsanables o en su defecto no son de gran magnitud. En el área económica probablemente el más importante es el alto riesgo de la inversión durante las etapas iniciales del proyecto, no obstante como se ha mostrado en la Figura 3.1, el riesgo se reduce a medida se realizan los estudios geológicos, geoquímicos, geofísicos y

las

perforaciones de exploración, y además en las etapas iniciales los costos de inversión son mínimos. En cuanto al área social y ambiental las desventajas se encuentran principalmente relacionadas con los impactos ambientales, estos generalmente son previsibles y por ende evitables, mitigables o en su defecto compensables mediante un plan de manejo ambiental. Antes de estudiar los impactos ambientales de proyectos geotérmicos es recomendable

definir

una

serie

conceptos

para

mejor

entendimiento de los mismos. Un término que se presta a confusiones es “medio ambiente”, según Gómez Orea (1988): “Medio Ambiente es el entorno vital; el conjunto de factores físico–naturales, sociales, culturales, económicos y estéticos que interactúan entre sí con el individuo y la comunidad en la que vive

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determinando su forma, carácter relación y supervivencia. No debe considerarse como el medio envolvente del ser humano, sino como algo indisociable de él, de su organización y de su progreso.” Bajo la definición anterior queda claro que el medio ambiente se debe entender como un todo y que cualquier impacto que se tenga sobre los factores sociales, culturales y estéticos de un medio dado implicaría un impacto sobre el medio ambiente. Otro término a considerar es “impacto ambiental”, este es comúnmente

definido

como

cualquier

alteración,

favorable

desfavorable, que resultase como consecuencia de un proyecto o actividad realizada en el medio. Los impactos suelen clasificarse en función a su importancia que a su vez se clasifican mediante la definición del impacto, frecuencia, magnitud o duración de una actividad sobre el medio. Una vez definidos los términos “medio ambiente” e “impacto ambiental”, se puede dar paso a la definición de los principales impactos negativos de la geotermia sobre el medio ambiente. Con respecto al desarrollo convencional

recursos

geotérmicos

los

impactos

negativos

generalmente se manifiestan a nivel local, siendo algunos significantes o incluso severos, por ejemplo en el campo de Wairakei debido a la extracción de fluidos del reservorio se han producido hundimientos de hasta 15 m en algunas áreas cercanas al lugar de extracción del fluido geotérmico.

Sin

embargo,

aunque

son

posibles

los

impactos

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ambientales durante la construcción y operación de las plantas geotérmicas en realidad son relativamente bajos, siendo los más significativos las modificaciones en terrenos y las emisiones de gases del efecto invernadero, debido que representan los impactos más duraderos en el tiempo. Durante la etapa de exploración, los impactos ambientales se podrían considerar nulos, al ser mínimos los cambios que podrían producir en el medio ambiente. Diferente es el caso de las actividades de perforación que

representa

actividad

con

impactos

ambientales

más

significativos durante el desarrollo de proyectos geotérmicos, sin embargo existen formas de prevenir o minimizarlos. Los principales impactos a considerar son:



Alteración de estructura natural de suelos:

Las zonas de perforación generalmente necesitan ser adecuadas para la instalación de las plataformas de perforación y calles de acceso para el paso de equipos pesados (torre de perforación) y para minimizar riesgos sobre la integridad de los trabajadores y del medio ambiente. Esta adecuación involucra en algunos casos la destrucción de vegetación y uso de tierra en áreas relativamente grandes. Este impacto ambiental puede mitigarse mediante la realización de inventarios de tala de árboles y un posterior programa de reforestación como mecanismo de compensación ambiental.

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

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Consumo de agua:

Las perforaciones geotérmicas demandan grandes cantidades de agua para la elaboración de los lodos de perforación. Esta generalmente es tomada de acuíferos de los alrededores. La demanda es variable en función de la estructura geológica de la zona de perforación. Para evitar el secado de acuíferos debe realizarse un estudio para determinar la disponibilidad efectiva del agua y el impacto en poblaciones aledañas, en casos de no ser factible, el agua deberá ser transportada de otras zonas. 

Ruido:

El funcionamiento de las plataformas de perforación involucra altos niveles de ruido, que podrían representar un problema mayor si existiesen zonas pobladas en las cercanías, los niveles de ruido pueden llegar a superar los 120 dB, lo que se puede considerar más significativo si se considera que las perforaciones se realizan durante las 24 horas del día. Para atender este impacto es necesario proveer a los trabajadores de tapones de oídos como mecanismo de seguridad ocupacional y de existir poblaciones aledañas se debe de disponer de silenciadores en los motores diésel del equipo de perforación o paredes aislantes para reducir el ruido a un mínimo tolerable. Aunque significativo este impacto solo dura el período de perforación.

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

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Disposición de residuos:

Los principales residuos son los lodos y recortes de perforación, estos requieren una correcta disposición final, generalmente no requieren ningún tipo de tratamiento previo antes de ser dispuestos, aunque se debe procurar que sean secados antes de trasladarlos. Como una estrategia de disposición se pueden utilizar para la reestructuración de terrenos que pueden ser posteriormente usados para otras actividades. En la mayoría de los casos es posible reutilizar los lodos de perforación en el mismo pozo en las etapas finales (la fase líquida de los lodos). 

Contaminación de acuíferos:

Es posible que durante la perforación se intersecten acuíferos, principalmente cuando existen anomalías geológicas como zonas de fallas. Para mitigar este impacto se deben adaptar los lodos de perforación en conformidad a las estructuras perforadas, además es recomendable una rápida colocación de la tubería y la cementación una vez se termina cada zona de perforación. Además, los materiales para la elaboración de los lodos de perforación, normalmente, se prefiere que sean biodegradables. 

Emisión de gases:

Los pozos pueden emitir cantidades considerables de contaminantes a la atmósfera dependiendo de las concentraciones químicas que se 75 75 75

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encuentren en el reservorio, además de los gases también deben considerarse los polvos y humos que pueden producirse durante el uso de los equipos. Los diferentes contaminantes atmosféricos significativos pueden provenir del desprendimiento de gases de los lodos de perforación, principalmente cuando se intersectan líquidos con altas cantidades de gases disueltos, y durante la realización de pruebas de pozos. Estas emisiones generalmente no llegan a cantidades peligrosas de contaminación, además es un problema temporal que se da exclusivamente durante la perforación.

 Impacto visual: Es un problema que además de presentarse durante las etapas de perforación también debe ser considerado durante la instalación y operación de la planta; para mitigarlo se puede optar por pintar tuberías de colores combinatorios con el medio y evitar la tala de árboles a los alrededores.

IV.2 Enfoque de Desarrollo Sostenible en Proyectos Geotérmicos Como se ha mencionado anteriormente la geotermia es habitualmente relacionada como una forma de generación de energía amigable con el medio ambiente, y en muchas ocasiones al referirse a ella se cataloga como un tipo de energía renovable. Esta categoría se da en función de las propiedades inherentes de la fuente de energía y se encuentra referida a fuentes que aprovechan recursos naturales aparentemente

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inagotables del medio ambiente o que en su defecto pueda, por medios naturales, recuperar la porción que ha sido utilizada. Sin embargo se debe recordar que solamente una pequeña porción de ese inmenso calor es capaz de ser aprovechado por el ser humano. Un reservorio en específico tendría un período de vida natural limitado en función de la cantidad de calor y agua almacenado. Al evaluar el potencial de los recursos, aunque no es una regla, se suelen asignar períodos de vida entre 25 y 30 años, bajo este entendido se podría considerar a cualquier proyecto con un periodo de vida igual o superior a este, como un proyecto económicamente exitoso, no obstante como se ha mencionado anteriormente los proyectos geotérmicos involucran, además y de manera conjunta, dimensiones sociales y ambientales, que harían que se replanteen los períodos de vida útil de los proyectos. Ante la creciente escasez de recursos y el rápido crecimiento poblacional, en las últimas décadas han surgido iniciativas para fomentar la perduración de recursos, es decir que estos estén disponibles por períodos de vida más prolongados. Esta perspectiva ha sido englobada en el término “desarrollo sostenible”, que ha pasado a formar parte del vocabulario habitual en diferentes temáticas debido a su flexibilidad de definición en la cual se abarcan ejes sociales, económicos y ambientales.

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El termino desarrollo sostenible en un sentido moderno fue definido en 1987 en la publicación del informe “Nuestro Futuro Común”, redactado por la comisión Brundtland, en el que pretendían integrar la discusión acerca del cuido del medio ambiente y el desarrollo como un solo tema. La definición de desarrollo sostenible incluida en este informe nos dice que: “es aquel desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras

para

satisfacer

sus

propias

necesidades”.

Otras

definiciones son incluso más ambiciosas y sugieren que el desarrollo sostenible no debe solo satisfacer las necesidades del ser humano si no también mejorar de forma colectiva su calidad de vida. El término ha sido modificado, para adaptarse a los intereses particulares de la geotermia, Axelsson menciona que para que un proyecto geotérmico se pueda considerar como sostenible “Debe existir cierto nivel de máxima extracción de energía debajo de la cual sea posible mantener constantes los niveles de producción del sistema por períodos muy largos de tiempo (100 – 300 años) para cada sistema geotermal y cada modo de explotación”. La definición anterior se encuentra referida al tiempo de vida del proyecto, sin embargo puede ampliarse con las tres dimensiones habitualmente atribuidas a los recursos energéticos: compatibilidad ambiental, asequibilidad económica y seguridad de suministro.

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De estas tres dimensiones la compatibilidad ambiental se puede garantizar subsanando o compensando los impactos ambientales citados en el apartado anterior. Con respecto a la asequibilidad económica, los proyectos geotérmicos suelen ser rentables y al ser un recurso local tienden a tener precios de venta competitivos al menos con respecto a otros recursos importados. Por otro lado garantizar la seguridad del suministro plantea el mayor reto de los proyectos geotérmicos, sobre todo si se desea cumplir con la definición de Axelsson en la cual se proponen períodos de explotación de recurso entre los 100 – 300 años. Algo no mencionado hasta el momento es que existen parámetros que condicionan los límites de desarrollo, Meadows, define de forma general los siguientes: Capacidad de carga de la biosfera, organización social y nivel tecnológico. Adaptando los parámetros mencionados con respecto a los proyectos geotérmicos, la capacidad de carga de la biosfera se encontraría relacionada con el calor almacenado en el reservorio, siendo este finito, existe un techo que representa un límite de explotación que no podría ser superado y que sería el mayor condicionante de producción. La organización social estaría relacionada con la cultura y forma de vida de la población, por ejemplo una sociedad en vías de desarrollo probablemente tenga menores niveles de consumo que una sociedad desarrollada. En este ámbito podría afrontar el reto mediante el desarrollo de planes de uso eficiente de energía. El nivel tecnológico representa la variable que se encuentra condicionada al manejo del

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recurso, en muchos lugares se han observado que malas estrategias de explotación han conllevado al decaimiento de reservorios. En este ámbito, durante la espera de mejoras tecnológicas, se deben realizar estudios que permitan definir los planes estratégicos de extracción y reinyección en pozos, que permitan mantener la presión del sistema reduciendo al mínimo posible el decaimiento de temperaturas.

Síntesis de Unidad IV

En la presente unidad se puede constatar que la dimensión ambiental efectivamente aporta grandes ventajas comparativas para el desarrollo de la geotermia en

relación a otras fuentes de

energía. Una correcta gestión ambiental permite mitigar los impactos ambientales más frecuentes en proyectos geotérmicos, y junto a un correcto manejo del recurso y políticas de inversión social permiten el desarrollo del recurso promoviendo los tres ejes principales de sostenibilidad.

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Material Complementario -

Brundtland, 1987. Our Common Future. Oxford University Press

for

the

world

Commission

Environment

and

Development. Recuperado de: www.un.org/depts/dhl/spanish/resguids/specenvsp.htm#envdoc

ESMAP, 2012. Manual de Geotermia como Planificar y Financiar la Generación de Electricidad.

Saúl P., 2016. Historia de la Geotermia.

Referencias bibliográficas Unidad 1 -

Edward J. Tarbuck & Frederick K. Lutgens. 1999. Ciencias de la Tierra, 8va ed.

Stacey, F.D. and Lopez, D.E.1988. Thermal history of the Earth: a corollary Concerning non-linear

mantle

rheology -

H. C. H. Armstead. 1983. Geothermal Energy

M Delescluse, N Chamot-Rooke. 2008. Earth and Planetary Science Letters

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

Mary

Dickson

and

Edición 2016

Mario

Fanelli.

2004.

What

Geothermal Energy?

Unidad 2 -

Rodald Di Pippo. 2005. Geothermal Power plants, 2a ed.

Mary H. Dickson y Mario Fanelli, traducido por A. Lahsen. ¿Qué es la Energía Geotérmica?

IGA. 2013. Geothermal Exploration Best Practices.

ESMAP, 2012. Manual de Geotermia: Como Planificar y Financiar la Generación de Electricidad.

K. Saemundsson, G. Axelsson y B. Steingrímsson. 2009. Short Course in El Salvador Geothermal Systems in Global Perspective.

Ruggero Bertani. 2010. Geothermal Power Generation in the World

2005–2010

Update

Report.

World

Geothermal

Congress Unidad 3 -

IGA Service GmbH c/o Bochum University of Applied Sciences (Hochschule

Bochum).

2014.

Best

Practices

Guide

Geothermal Exploration.

for

Curso básico en exploración geotérmica para la integración regional

Edición 2016

- Apoyo del Banco Mundial al Desarrollo Geotérmico. Xiaoping

Wang,

especialista

Senior

Energía,

Región

Latinoamérica y Caribe. 2012, El Salvador -

ESMAP (2012). Manual de Geotermia: Como Planificar y Financiar la Generación de Electricidad.

Paul K. Ngugi, (2014), Planning of Geothermal Projects in Kenya. El Salvador.

Unidad 4 -

Espinoza, G. 2001. Fundamentos de Evaluación del Impacto Ambiental. Santiago Chile

Fez-Vítora, V.C. 2013. Guía Metodológica para la evaluación del Impacto Ambiental. España Mundi-Prensa

A. Garmendia S., A. Alcaide, C.C. Sánchez y L. Garmeida S. 2005. Evaluación del Impacto Ambiental. España, Pearson

Gómez Orea, D. y Gómez Villarino, T. 2013.

Evaluación del

Impacto Ambiental. España: MundiPrensa -

OLADE. 1992. Guía Para la Evaluación de Impacto Ambiental de

Explotaciones

Geotérmicas

con

Fines

Energéticos.

Quito-Ecuador

Reynoso, L. F. 2014. Criterios para la evaluación del Impacto Ambiental. Argentina