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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA Y ARQUITECTURA UNIDAD TICOMÁN SECCIÓN DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN ANÁLISIS Y VIABILIDAD PARA EL ESTABLECIMIENTO DE PLANTAS GEOTERMICAS EN EL ESTADO DE CHIAPAS, MÉXICO TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE MAESTRO EN GEOCIENCIAS Y ADMINISTRACIÓN DE LOS RECURSOS NATURALES P R E S E N T A ING. ERNESTO GARCÍA CISNEROS DIRECTOR CODIRECTOR Dr. Francisco Estrada Godoy M. en C. Rodrigo Mondragón Guzmán CIUDAD DE MÉXICO Diciembre del 2017 ÍNDICE Tabla de contenido 1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 1 2. ANTECEDENTES .................................................................................................................... 1 3. OBJETIVO ................................................................................................................................. 1 4. REVISIÓN BIBLIOGRAFÍCA ................................................................................................. 1 4.2 Transmisión de calor ................................................................................................................. 2 4.2.1 Conducción......................................................................................................................... 3 4.2.2 Convección ......................................................................................................................... 3 4.2.3 Radiación. ........................................................................................................................... 4 4.3 Sistemas o fuentes de energía geotérmica ................................................................................. 4 4.3.1 Sistemas hidrotermales ....................................................................................................... 5 4.3.2 Sistema de roca caliente ..................................................................................................... 8 4.3.3 Sistemas geopresurizados ................................................................................................... 8 4.4 Exploración. .............................................................................................................................. 8 4.5 Tecnología. .............................................................................................................................. 11 4.5.1 Sistemas de conversión directa......................................................................................... 11 4.5.2 Sistemas de expansión súbita de una etapa. ..................................................................... 12 4.5.3 Sistemas de expansión súbita de dos etapas. .................................................................... 13 4.5.4 Sistemas de ciclo binario. ................................................................................................. 15 4.6 Aplicaciones de la energía geotérmica .................................................................................... 16 4.7 Inventario de zonas geotermicas ............................................................................................. 17 4.8 Estimaciones previas de la potencia geotérmica en México ................................................... 17 4.9 Zonas con recursos geotérmicos hidrotermales ....................................................................... 18 Página ÍNDICE DE FIGURAS ix ÍNDICE DE TABLAS xi RESUMEN xv ABSTRACT xv 4.10 Zonas seleccionadas para el establecimiento de nuevas plantas geotérmicas. ...................... 20 4.10.1 Complejo volcánico Chichonal, Chiapas ....................................................................... 21 4.10.2 Volcán Tacaná Chiapas .................................................................................................. 24 4.11 Normatividad ......................................................................................................................... 27 4.11.1 Política energética nacional ............................................................................................ 28 4.11.2 Plan Nacional de Desarrollo (PND) ............................................................................... 30 4.11.3 Estrategia Nacional de Energía (ENE) ........................................................................... 32 4.11.4 Ley de Aguas Nacionales. .............................................................................................. 33 4.11.5 Ley de Energía Geotérmica ............................................................................................ 34 5. METODOLOGÍA ..................................................................................................................... 45 5.1 Descripción del medio físico del área de estudio .................................................................... 45 5.2 Localización ............................................................................................................................ 45 5.3 Clima ....................................................................................................................................... 45 5.4 Vegetación y Uso de suelo ...................................................................................................... 47 5.5 Geología .................................................................................................................................. 49 5.6 Hidrografía .............................................................................................................................. 53 5.7 Zona Urbana ............................................................................................................................ 53 5.8 Metodología ............................................................................................................................ 54 5.9 Contexto regional .................................................................................................................... 54 5.9.1 Cartografía geofísica ........................................................................................................ 55 5.9.2 Cartografía geofísica del complejo volcánico Chichonal, Chiapas .................................. 57 5.9.3 Cartografía geofísica del volcán Tacana, Chiapas ........................................................... 58 5.9.4 Cartografía geológica ....................................................................................................... 58 5.9.5 Cartografía geológica del complejo volcánico Chichonal, Chiapas ................................. 60 5.9.6 Cartografía geológica del volcán Tacana, Chiapas .......................................................... 61 5.9.7 Cartografía geoquímica .................................................................................................... 62 5.9.8 Cartografía geoquímica del complejo volcánico Chichonal, Chiapas .............................. 65 5.9.9 Cartografía geoquímica del volcán Tacana, Chiapas ....................................................... 66 5.10 Geocost .................................................................................................................................. 67 6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................................ 68 6.1 Viabilidad para el establecimiento de nuevas plantas geotérmicas en el estado de Chiapas, México........................................................................................................................................... 68 6.2 Factores necesarios.................................................................................................................. 69 6.2.1 Exploración. ..................................................................................................................... 69 6.2.2 Evaluación preliminar ...................................................................................................... 71 6.2.3 Permisos y Concesiones ................................................................................................... 72 6.2.4 Perforación de Pozos Exploratorios ................................................................................. 73 6.2.5 Prueba de pozos ................................................................................................................ 76 6.2.6 Modelo del yacimiento ..................................................................................................... 77 6.2.7 Pozos productores. ........................................................................................................... 78 6.2.8 Caminos y Vaporductos ................................................................................................... 79 6.2.9 Pozos reinyectores ............................................................................................................ 80 6.2.10 Líneas de reinyección ..................................................................................................... 80 6.3 Impacto Ambiental .................................................................................................................. 81 6.4 Central de generación .............................................................................................................. 90 6.5 Líneas de transmisión .............................................................................................................. 91 6.6 Síntesis de la información obtenida ........................................................................................ 92 6.6.1 Unión Juárez ..................................................................................................................... 93 6.6.2 Chapultenango ................................................................................................................ 100 6.7 Comparación de costos.......................................................................................................... 107 7.CONCLUSIONES ..................................................................................................................... 109 8.BLIBLIOGRAFÍA ...................................................................................................................... 111 9.GLOSARIO ................................................................................................................................ 117 ix ÍNDICE DE FIGURAS Página Figura 1 Esquema que muestra un corte transversal de la Tierra mostrando el movimiento horizontal de las placas y los fenómenos a que este movimiento da lugar, sobre todo en las fronteras entre placas. 5 Figura 2 Localización de los principales sistemas geotérmicos. 6 Figura 3 Esquemas de cortes transversales de sistemas geotérmicos: (a) en terreno plano y (b) en terreno montañoso. 7 Figura 4 Esquema conceptual de una planta geotérmica de conversión directa. 12 Figura 5 Esquema conceptual de un sistema de expansión súbita de una etapa. 13 Figura 6 Esquema conceptual de un sistema de expansión súbita de dos etapas. 14 Figura 7 Esquema conceptual de un sistema de ciclo binario entalpia. 15 Figura 8 Mapa del potencial geotérmico en México de acuerdo a su entalpia. 21 Figura 9 Cráter del volcán Chichonal. 22 Figura 10 Comunidad Chapultenango. 24 Figura 11 Volcán Tacaná. 25 Figura 12 Comunidad Unión Juárez. 26 Figura 13 Clima en el municipio de Unión Juárez, Chiapas, México. 46 Figura 14 Clima en el municipio de Chapultenango, Chiapas, México. 47 Figura 15 Uso del suelo y vegetación en el municipio de Unión Juárez, Chiapas, México. 48 Figura 16 Uso del suelo y vegetación en el municipio de Chapultenango, Chiapas, México. 49 x Figura 17 Geología del municipio de Unión Juárez, Chiapas, México. 50 Figura 18 Fallas Y Fracturas en el municipio de Unión Juárez, Chiapas, México. 51 Figura 19 Geología del municipio de Chapultenango, Chiapas, México. 52 Figura 20 Fallas y Fracturas del municipio de Chapultenango, Chiapas, México. 52 Figura 21 Desarrollo Geotérmico Industrial 55 Figura 22 Carta Magnética de Campo, Chichonal, Chiapas 57 Figura 23 Carta Magnetica de Campo, Tacana, Chiapas. 58 Figura 24 Carta Geológica Minera Chichonal, Chiapas 60 Figura 25 Carta Geológica Minera, Tacana, Chiapas. 61 Figura 26 Carta Geoquímica por Zinc, Chichonal Chiapas. 67 Figura 27 Carta Geoquímica por Zinc, Tacana, Chiapas 68 Figura 28 Variación del grado de accesibilidad con respecto de la profundidad. 70 Figura 29 Diagrama de una perforación para un pozo geotérmico. 77 Figura 30 Central a condensación con una sola presión de admisión. 88 Figura 31 Central a condensación con doble presión de vapor de entrada. 89 Figura 32 Esquema de planta geotérmica a boca de pozo I. 90 Figura 33 Esquema de planta geotérmica a planta geotérmica a boca de pozo II. 90 Figura 34 Diagrama de una central de ciclo binario. 91 xi ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1 Técnicas de exploración de los recursos geotérmicos 10 Tabla 2 Clasificación general de los recursos geotérmicos 16 Tabla 3 Principales estimaciones del potencial geotérmico de México para generar electricidad 18 Tabla 4 Zonas geotérmicas hidrotermales en México 19 Tabla 5 Costos de exploración en Unión Juárez y en Chapultenango 73 Tabla 6 Costos de permisos y concesiones en Unión Juárez y en Chapultenango 74 Tabla 7 Costos de exploración en Unión Juárez y en Chapultenango 78 Tabla 8 Costos de pruebas de pozo en Unión Juárez y Chapultenangopara 79 Tabla 9 Costo del modelo de yacimiento en Unión Juárez y Chapultenango para 1 año de duración. 80 Tabla 10 Costo de pozos productores en Unión Juárez y Chapultenango con duración de 3 años 81 Tabla 11 Costos para caminos y vaporductos en Unión Juárez y Chapultenango 81 Tabla 12 Costos de pozos de reinyección en Unión Juárez y Chapultenango 82 Tabla 13 Costo de líneas de reinyección en Unión Juárez y Chapultenango 82 Tabla 14 Costo unitario de la central por cada Watts 93 Tabla 15 Costo de líneas de transmisión en Unión Juárez y Chapultenango 94 xii Tabla 16 Costo de líneas de transmisión en Unión Juárez 95 Tabla 17 Costos de exploración por año de Unión Juárez 96 Tabla 18 Costo de permisos por 6 años de Unión Juárez 96 Tabla 19 Costo de Caminos por cada 2 Km en Unión Juárez 96 Tabla 20 Costo de caminos totales en Unión Juárez 97 Tabla 21 Costo total de la Central de Unión Juárez 97 Tabla 22 Costo de la central por cada periodo en Unión Juárez 97 Tabla 23 Costos por Líneas de Transmisión en Unión Juárez 97 Tabla 24 Costo de líneas de transmisión a un año antes de empezar el proyecto de Unión Juárez 98 Tabla 25 Costos de los estudios y pruebas de una planta geotérmica en Unión Juárez 98 Tabla 26 Costos por año de los estudios de una planta geotérmica en Unión Juárez 98 Tabla 27 Costos de Pozos en Unión Juárez 99 Tabla 28 Costo de pozos por año en Unión Juárez 99 Tabla 29 Costo de Pozos Productores en Unión Juárez 100 Tabla 30 Costo de los 5 pozos productores por consumo y distancia de una planta geotérmica en Unión Juárez 100 Tabla 31 Costo total del sistema inyector (1 Pozo Inyector) de una planta geotérmica en Unión Juárez 100 Tabla 32 Costo de los sistemas de Ductos de una planta geotérmica en Unión Juárez 100 Tabla 33 Costos de ductos y lineasde reinyección por año de una planta geotérmica en Unión Juárez 101 xiii Tabla 34 Costos totales de una planta geotérmica en Unión Juárez 101 Tabla 35 Datos del Pozo en Chapultenango 102 Tabla 36 Costos de exploración por año de Chapultenango 103 Tabla 37 Costo de permisos por 6 años de Chapultenango 103 Tabla 38 Costo de Caminos por cada 2 Km en Chapultenango 103 Tabla 39 Costo de caminos totales en Chapultenango 104 Tabla 40 Costo total de la Central de Chapultenango 104 Tabla 41 Costo de la central por cada periodo en Chapultenango 104 Tabla 42 Costos por Líneas de Transmisión en Chapultenango 104 Tabla 43 Costo de líneas de transmisión a un año antes de empezar el proyecto de Chapultenango 105 Tabla 44 Costos de los estudios y pruebas de una planta geotérmica en Chapultenango 105 Tabla 45 Costos por año de los estudios de una planta geotérmica en Chapultenango 105 Tabla 46 Costos de Pozos en Chapultenango 106 Tabla 47 Costo de pozos por año en Chapultenango 106 Tabla 48 Costo de Pozos Productores en Chapultenango 107 Tabla 49 Costo de los 5 pozos productores por consumo y distancia de una planta geotérmica en Chapultenango 107 Tabla 50 Costo total del sistema inyector (1 Pozo Inyector) de una planta geotérmica en Chapultenango 107 Tabla 51 Costo de los sistemas de Ductos de una planta geotérmica en Chapultenango 107 xiv Tabla 52 Costos de ductos y líneas de reinyección por año de una planta geotérmica en Chapultenango 108 Tabla 53 Costos totales de una planta geotérmica en Chapultenango 108 Tabla 54 Costos totales del proyecto (sin contar con los estudios exploratorios previos). 109 xv RESUMEN La Estrategia Nacional de Energía (ENE) es el marco de referencia general para el sector energético en México y, como se sabe, define tres ejes rectores: Seguridad Energética, Eficiencia Económica y Productiva, y Sustentabilidad Ambiental. A partir de ellos, en su versión más reciente se establecen ocho objetivos, el segundo de los cuales es: “Diversificar las fuentes de energía, incrementando la participación de energías limpias”. Para alcanzar este objetivo, la ENE define líneas de acción específicas y un indicador que permite evaluar si se está alcanzando o no. El indicador correspondiente a este objetivo es la meta de que la participación de las tecnologías limpias dentro de la capacidad eléctrica instalada del país ascienda al 35% para el año 2025. Este trabajo se ataca los rezagos económicos y sociales de dos comunidades que se encuentran localizadas en puntos geográficos con características específicas que pueden ser aprovechables para la explotación geotérmica y que mediante esta actividad energética se consagren de mejor manera. ABSTRACT The National Energy Strategy is the general frame of reference for the energy sector in Mexico and, it defines three guiding axes: Energy Security, Economic and Productive Efficiency, and Environmental Sustainability. From them, in its most recent version eight goals are established, the second of which is: "Diversify energy sources, increasing the participation of clean energy." To achieve this objective, the ENE defines specific lines of action and an indicator to assess whether it is being achieved or not. The indicator corresponding to this objective is the goal that the participation of the clean technologies within the installed electrical capacity of the country amounts to 35% by the year 2025. This work attacks the economic and social lags of three communities that are located in geographical points with specific characteristics that can be exploited for geothermal exploitation and that through this energy activity are consecrated in a better way Introducción 1 1. INTRODUCCIÓN La energía geotérmica se encuentra disponible en México y es una de las fuentes renovables de energía que se puede utilizar obteniendo diversas ventajas económicas, ambientales y sociales, para su exploración y desarrollo es necesario una serie de estudios técnicos y científicos multidisciplinarios, además de una inversión considerable. En la actualidad la energía geotérmica juega un papel importante en México debido a que se cuentan con diversos puntos geográficos con características idóneas para el aprovechamiento de dicho recurso. El presente trabajo de investigación analiza la viabilidad para el establecimiento de dos nuevas plantas geotérmicas en estado de Chiapas México, mediante una investigación descriptiva y una simulación realizada con un software especializado en el tema. Los datos obtenidos en dicha simulación fueron comparados con un proyecto antecedente realizado por la Comisión Federal de Electricidad. Los puntos seleccionados para el análisis de la viabilidad fueron preferidos debido a los análisis que se obtuvieron mediante la antología de información en diversas fuentes, así como opiniones de expertos, por lo que se llegó a la elección de la comunidad de Unión Juárez y la comunidad de Chichonal en el estado de Chiapas. Ambas comunidades cuentan con las características adecuadas para el establecimiento de plantas geotérmicas. La implementación de las plantas geotérmicas en las comunidades mencionadas ayudara de manera directa a la generación de empleos y el crecimiento económico y social de la comunidad, debido a que la mayoría de la población se dedica a la agricultura y tiene una limitada red eléctrica. Antecedentes 1 2. ANTECEDENTES La revisión de la literatura nos permitió conocer que en México solo existen investigaciones sobre evaluación y análisis sobre la geotermia para la generación de electricidad, las propuestas para el establecimiento de nuevas plantas geotérmicas en México no se han desarrollado, a pesar de este amplio recurso que se encuentra en nuestro país. En otros países como España y Chile, si se han desarrollado investigaciones acerca de un análisis económico y los criterios para generar electricidad por medio de la energía geotérmica. A continuación, se mencionan los datos existentes en la literatura que involucra a la geotermia en México y en otros países: Apuntes del tema geotermia de la asignatura geología de explotación del petróleo, agua y vapor, es un trabajo de Tesis de Claudia Berenice Martínez Safora en México D.F. 2009. En este trabajo, se aborda el tema de la geotermia de una forma general y sólo proporciona material bibliográfico actualizado en español. Isaías Hernández Carrillo desarrolló su Tesis sobre Ciclos binarios de alta temperatura para geotermia en México D.F. 2010. En el cual se presenta información únicamente de un ciclo indirecto binario, operando a temperaturas altas en el primario. Además, plantea un amplio examen de posibles fluidos que se podrían utilizar como fluidos de trabajo. En Madrid España Alberto Galante Marcos realizó un proyecto de investigación en el 2007, el cual se titula: Análisis de la viabilidad técnica-económica de una planta geotérmica para la generación de electricidad en Latinoamérica. En este proyecto de investigación se evalúa, tanto técnica como económicamente, la integración de una planta de ciclo binario en una central geotérmica para la generación de electricidad. El estudio de este proyecto se centra en la central Miravalles. El Campo Geotérmico Miravalles está ubicado en las faldas del Volcán Miravalles, en La Fortuna de Bagaces, Guanacaste, en Costa Rica. El complejo geotérmico Miravalles consta de cuatro plantas con una capacidad instalada total de 142,5 MW. La única de ellas del tipo de ciclo binario es la planta Miravalles V, objeto de estudio de este proyecto. Antecedentes 2 Por otro lado, en el mismo año (2007) se publicó en la Revista Digital Universitaria un artículo sobre Recursos geotérmicos para generar electricidad en México. Cabe mencionar que los dos autoresde este artículo son Gerentes de Proyectos Geotermoeléctricos de la Comisión Federal de Electricidad. El objetivo de este trabajo es explicar a grandes rasgos las características más importantes de la geotermia y su aprovechamiento actual en México, principalmente para generar electricidad, por lo que este trabajo no es muy extenso Desde Santiago de Chile, Marco Antonio Seisdedos Sáez en 2012 realizó su trabajo de tesis sobre: Climatización de edificios por medio del intercambio de calor con el subsuelo y agua subterránea aspectos a considerar en el contexto local. En el cual se desarrollan los fundamentos de la geotermia de muy baja entalpía y su uso en la climatización de edificios, se revisan los aspectos conceptuales que motivan el desarrollo de esta tecnología, se explica el funcionamiento de la bomba de calor, se analizan los factores que determinan la demanda de una edificación, y se entregan herramientas para la cuantificación de la misma, explicando los tipos de diseño posibles en sistemas abiertos y cerrados y los equipos que es necesario utilizar. Este trabajo me pareció muy interesante, ya que también analiza con profundidad la teoría de la geotermia. La investigación que me parece adecuada mencionar es la realizada por Fernando García Torres en 2013, es una tesis y tiene por título: Análisis del Sistema de vacío de una planta de desalación M.E.D con geotermia de baja entalpía. Sus objetivos se tratan de seleccionar y analizar el sistema de generación de vacío más conveniente para un prototipo funcional de desalación de agua de mar tipo MED con geotermia de baja entalpía. Aunque este trabajo de investigación no se enfoca en abordar de manera profunda las características de la geotermia, me parece conveniente mencionarlo, puesto que desde hace muchos años en México el tema de Geotermia no es muy concurrida para las investigaciones. Debido al proyecto internacional GEMEX, investigadores mexicanos y europeos trabajan en conjunto para el aprovechamiento de nuevas fuentes de energía geotérmica, este proyecto fue seleccionado con base a una convocatoria emitida por la Unión Europea y México los cuales participaran de manera conjunta con 20 millones de Euros. Los trabajos de investigación se realizarán por parte del programa Horizonte 2020 y por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (SENER, 2016) Antecedentes 3 Es importante mencionar que La Secretaria de Energía ubicó dos zonas con potencial geotérmico en Chiapas, estas zonas se encuentran al norte de Chiapas en el volcán Chichonal y en el límite de Guatemala, donde se encuentra ubicado el volcán Tacana. La SENER como resultado de la Reforma Energética busca generar fuentes alternas de energía en estos sitios (OEM-Informex, 2017). Por último, se debe mencionar que la Comisión Federal de Electricidad anunció la adjudicación de 13 áreas geotérmicas que se ubican en siete estados de la República. Los permisos de exploración que se otorgaron son equivalentes al 3.3% del potencial del país en materia de generación de energía aneléctrica a partir de geotermia. Las áreas geotérmicas permisionadas a la CFE son: Volcán Chichonal em Chiapas, Acoculco en Puebla, Araró-Simirao, Los Negritos, Lago de Cuitzeo e Ixtlán de los Hervores en Michoacán, La Soledad, San Marcos y Planillas de Jalisco, Cerritos y Calderón en Baja California, el Molote en Nayarit y San Bartolomé de los Baños en Guanajuato. Además, se le entregaron a la CFE los títulos de concesión para continuar con la explotación de los campos geotérmicos que ya opera actualmente (CFE, 2017). Objetivo 1 3. OBJETIVO Análisis de la viabilidad del establecimiento de dos plantas geotérmicas en el estado de Chiapas, México. OBJETIVOS PARTICULARES • Investigar los antecedentes en la construcción de las últimas plantas geotérmicas • Determinar y ubicar los mejores sitios posibles para el establecimiento de la nueva planta geotérmica • Investigación de los estudios geofísicos, geoquímicos y geológicos • Analizar el contexto político del sector energético en la actualidad • Comparar de manera general los costos de plantas geotérmicas ya construidas con las planteadas en la tesis Revisión Bibliográfica 1 4. REVISIÓN BIBLIOGRAFÍCA 4.1 Geotermia. La energía geotérmica es la energía almacenada en forma de calor por debajo de la tierra. Esto incluye el calor que se encuentra en las rocas, suelos y aguas termales, cualquiera que sea su temperatura, profundidad o procedencia. En la actualidad, está considerada como una fuente de energía renovable abundante y de explotación viable, aunque la utilización de esta energía es limitada a áreas geográficas con condiciones geológicas muy concretas, estas características se mencionarán con posterioridad. De acuerdo con la Asociación Cluster de Xeotermia Galega (acluxega): el origen de la energía geotérmica se encuentra, con toda probabilidad, en la descomposición de los isótopos radiactivos presentes en las zonas internas de la Tierra, que al desintegrarse liberan gran cantidad de energía (Acluexega, 2011). Bajo la tierra se concentra un gran contenido de energía calórica, un ejemplo, son los volcanes que son pequeños orificios por donde el magma encuentra salida a la superficie; el calor del interior de la tierra derrite con facilidad las rocas y forma lava que se derrama por las laderas de estos volcanes. En algunas zonas del planeta se encuentra con relativa facilidad y dependiendo de la topografía que este calor afecta a grandes volúmenes del suelo o capas de agua. En algunos casos el agua entra en ebullición y encuentra escape a la superficie como grandes columnas de vapor. En otros casos el calor está almacenado en la tierra y en las rocas que para poder ser explotado se inyecta grandes cantidades de agua que cambia de estado para salir a la superficie con gran energía. Revisión Bibliográfica 2 Se establecen las cuatro categorías siguientes para la energía geotérmica (Seisdedos, 2012): ▪ Alta temperatura: más de 150 ºC: Una temperatura superior a 150 ºC permite transformar directamente el vapor de agua en energía eléctrica. ▪ Media temperatura: entre 90 y 150 ºC: Permite producir energía eléctrica utilizando un fluido de intercambio, que es el que alimenta a las centrales. ▪ Baja temperatura: entre 30 y 90 ºC: Su contenido en calor es insuficiente para producir energía eléctrica, pero es adecuado para calefacción de edificios y en determinados procesos industriales y agrícolas. ▪ Muy baja temperatura: menos de 30 ºC: Puede ser utilizada para calefacción y climatización, necesitando emplear bombas de calor. ▪ 4.2 Transmisión de calor La transmisión de calor, como es sabido en términos físicos: es la energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están en distinto nivel energético (Rueda, 2009). El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. La transferencia de calor por conducción requiere contacto físico entre los cuerpos que intercambian calor, en la radiación no hace falta que los cuerpos estén en contacto ni que haya materia entre ellos. Y en la convección se produce a través del movimiento de un líquido o un gas en contacto con un cuerpo de diferente temperatura. En el subsuelo más superficial la conducción se presenta a través de minerales o fluidos que ocupan los espacios de la porosidad y la convección vía aguas subterráneas, éstos son los mecanismos más importantes del flujo de calor, aunque en algunos casos la radiación también puede tener alguna relevancia. Revisión Bibliográfica 3 4.2.1 Conducción Es el proceso por el cual el calor se difunde a través de unsólido, líquido o gas por procesos de interacción molecular .Entre los sólidos, la conducción es la única forma de transferencia de calor. Algunos científicos creen que el mecanismo de la conducción de calor en los sólidos se debe, en parte, al movimiento de los electrones libres que transportan energía cuando existe una diferencia de temperatura. Esta teoría explica por qué los buenos conductores eléctricos también tienden a ser buenos conductores del calor. Y otros explican este fenómeno, cuando al calentar un extremo de un trozo de granito, las moléculas del extremo empiezan a vibrar con más fuerza. Estos átomos o moléculas vibrando causan la vibración de las moléculas vecinas, de esta forma la energía térmica gradualmente se difunde en todo el trozo de roca. La conductividad térmica de las rocas y otros materiales geológicos tienden a caer dentro de un rango bastante estrecho, por lo general entre 1 y 3 W∙m-1∙K-1. Entre los minerales comunes el cuarzo tiene la mayor conductividad térmica, alrededor de las 7W m-1 K-1. Por lo tanto, la conductividad térmica de rocas y sedimentos depende en gran medida de su contenido de cuarzo (Seisdedos, 2012). 4.2.2 Convección Al existir una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Ese movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. A este tipo de movimiento, se denomina convección natural, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido. La convección forzada se logra sometiendo el fluido a un gradiente de presiones, con lo que se fuerza su movimiento de acuerdo con las leyes de la hidrodinámica (IGME, 2008). Revisión Bibliográfica 4 4.2.3 Radiación. En el proceso de la radiación, las sustancias que intercambian calor no están en contacto, y pueden estar separadas por un vacío, o bien que no exista materia entre ellas. La radiación es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos irradian energía en la forma de radiación electromagnética, mientras más caliente el cuerpo mayor energía es la que se irradia, Stefan (1879) experimentalmente y Boltzmann (1884) basado en consideraciones teóricas, señalaron que la energía irradiada (Eb) es proporcional a la cuarta potencia de la temperatura absoluta Eb= 4 (García, 2013): (θ en Kelvin y es la constante de Stefan–Boltzmann equivalente a: 5.67∙10−8 W∙m−2∙K-4) (Garcia, 2013). Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. 4.3 Sistemas o fuentes de energía geotérmica En la superficie terrestre se pueden identificar distintas manifestaciones de la energía geotérmica, como volcanes, aguas termales, géiseres, fumarolas y volcanes de fango, entre otras; sin embargo no todas ellas permiten su aprovechamiento, ya que para tal efecto es necesario que la energía se acumule en algún cuerpo que pueda ser manejado o procesado con cierta facilidad, debido a esto, la forma más común de aprovechamiento es en base a la concentración de energía en el agua que rellena los poros y huecos de algunas formaciones rocosas, mejor conocidos como sistemas o yacimientos geotérmicos, que idealmente están constituidos por una fuente de calor, un reservorio, una capa sello y el fluido (García, 2013). Los sistemas geotérmicos se pueden clasificar de acuerdo con su ubicación y características en: • Sistemas hidrotermales. • Sistemas de roca seca caliente. • Sistemas marinos. • Sistemas magmáticos. • Sistemas geopresurizados. Revisión Bibliográfica 5 Para el caso de este estudio solo se presentan las generalidades de los sistemas hidrotermales, de los sistemas de roca seca caliente y un poco sobre los sistemas geopresurizados. 4.3.1 Sistemas hidrotermales En los sistemas hidrotermales, el agua es el fluido que efectúa el transporte de calor. En su camino desde la fuente hacia la zona de descarga, el fluido geotérmico puede ser almacenado temporalmente en un yacimiento, estas descargas concentradas de calor no se encuentran distribuidos uniformemente en la superficie de la Tierra, sino que están localizados preferentemente en franjas caracterizadas por ser fronteras activas entre placas, en las cuales éstas se crean o se destruyen (Figura 1). Esta actividad provoca que el material del manto tenga movimientos verticales, o sea que rocas a alta temperatura se desplacen hacia la superficie dando origen a anomalías térmicas. Figura 1. Esquema que muestra un corte transversal de la Tierra mostrando el movimiento horizontal de las placas y los fenómenos a que este movimiento da lugar, sobre todo en las fronteras entre placas (Prol-Ledesma, 1996) Las áreas que presentan una intensa actividad geotérmica se encuentran en el llamado Cinturón de Fuego de la región circumpacífica (Figura 2), al cual pertenece la costa suroeste de México, esta frontera entre placas es de tipo destructivo. Otro tipo de frontera (constructivo) donde se está creando corteza terrestre de tipo oceánico la tenemos en el Golfo de California, en donde se encuentra el campo geotérmico de Cerro Prieto, que tiene una de las producciones de energía eléctrica más altas en el mundo (Prol-Ledesma, 1996). Revisión Bibliográfica 6 Figura 2. Localización de los principales sistemas geotérmicos: 1. Meager Mt.; 2. Los Géysers; 3. Yellowstone; 4. Salton Sea; 5. Cerro Prieto; 6. Los Humeros; 7. La Primavera; 8. Los Azufres; 9. Ahuachapan; 10. Momotombo; 11. Bouillante; 12. El Tatío; 13. Krafla; 14: Namafjal; 15. Svartsengi; 16. Larderello; 17. Makhashcala; 18. Kizildere; 19. Puga; 20. Aluto; 21. Langano; 22. Olkaria; 23. Pauzhetskiy; 24. Matzukawa; 25. Otake; 26. Tatun; 27. Makban; 28. Tiwi/Bacman; 29. Tongonan/Palinpinon; 30. Dieng; 31. Kawah Kamodjang; 32. Broadlands; 33. Wairakei (Prol- Ledesma, 1996). En la figura anterior (Figura 2) se señalan los sistemas geotérmicos más potentes en términos de descarga de energía; no obstante, también se encuentran sistemas geotérmicos con temperaturas menores en muchos lugares donde el flujo de calor tiene un valor promedio y las aguas se calientan al circular a profundidades de más de 2 kilómetros en la corteza terrestre. La clasificación de los sistemas geotérmicos es muy importante, pues de esta manera es como se puede denominar a un sistema geotérmico como de alta o baja entalpia, si ésta es mayor o menor de 250 calorías/gr. A continuación, se enlistan las características que se deben toman en cuenta para este fin (Prol-Ledesma, 1996): ▪ La naturaleza del fluido dominante en la parte principal del yacimiento, por ejemplo: agua caliente, vapor, salmuera, etcétera. Revisión Bibliográfica 7 ▪ La concentración de componentes químicos en el fluido dominante; por ejemplo, el fluido dominante en el yacimiento puede ser agua de mar diluida, con lo que la concentración de compuestos químicos en solución será muy alta. ▪ La descarga superficial de calor; esto es, cuánto calor es transportado a la superficie por medio de las manifestaciones hidrotermales y por conducción. ▪ La entalpia o contenido energético (calorías por gramo) del fluido descargado por el sistema. ▪ Las manifestaciones superficiales y de descarga del sistema se ven afectadas fuertemente por las condiciones hidrológicas y topográficas de la zona, las cuales definen la recarga del sistema y la permeabilidadde las capas que forman el yacimiento (Prol-Ledesma, 1996). En las siguientes figuras 3 (a) y (b) se ejemplifican cómo influyen estos factores, y se muestran las secciones transversales simplificadas de dos sistemas geotérmicos: uno en terreno plano y otro en terreno montañoso. Se observa que en ambos sistemas a la misma profundidad, se obtiene una diferente distribución en la superficie y diferentes tipos de manifestaciones, esto se considera es muy importante para tomar en cuenta al efectuar la exploración superficial de un sistema geotérmico. Figura 3. Esquemas de cortes transversales de sistemas geotérmicos: (a) en terreno plano y (b) en terreno montañoso. (Prol-Ledesma, 1996) Revisión Bibliográfica 8 4.3.2 Sistema de roca caliente Los sistemas de roca caliente seca están constituidos por rocas impermeables, con temperaturas entre 150ºC y 300ºC, y carecen de acuífero. La impermeabilidad del sistema, su baja conductividad térmica y la carencia de un fluido que lo recorra constituyen el obstáculo principal para su explotación (Energía geotérmica, 2013). Aunque estos sistemas representan un porcentaje muy elevado de los recursos geotérmicos mundiales, aún se encuentran en la etapa de investigación. 4.3.3 Sistemas geopresurizados En los sistemas geopresurizados el fluido que se encuentra por lo general es agua líquida, y éste se encuentra sometido a presiones que pueden alcanzar hasta 100 MPa. Sin embargo, las temperaturas no suelen ser excesivamente altas (150ºC- 250ºC). El agua suele coexistir con gases naturales (metano), lo que dificulta su explotación en la actualidad. Cabe señalar que, en el futuro, cuando se desarrolle una tecnología apropiada para su explotación comercial rentable, será posible utilizar tres fuentes de energía: la hidráulica del fluido (presión), la térmica del fluido (calor) y la energía primaria de los gases naturales (Energía geotérmica, 2013). 4.4 Exploración. La exploración de una zona geotérmica tiene como propósito, definir su tamaño, forma, estructura y determinar sus características, como son: el tipo de fluido, su temperatura, composición química y su capacidad de producir energía. Estas características pueden ser determinadas en dos formas: por exploración superficial y con perforaciones exploratorias (Prol-Ledesma, 1996). Ya que es más económico hacer una exploración superficial que perforar pozos, se acostumbra realizar un extenso programa de exploración superficial antes de comenzar a hacer perforaciones. Revisión Bibliográfica 9 La exploración de un campo se puede dividir en dos etapas: reconocimiento y evaluación; durante la etapa de explotación, se emplean algunos métodos de exploración con el fin de llevar a cabo un monitoreo del campo. El trabajo de exploración comienza antes del reconocimiento en el campo con la recopilación de toda la información disponible relacionada con la zona en estudio. Esta información comprende los datos topográficos, meteorológicos, geológicos, hidrogeológicos, geoquímicos, geofísicos y las observaciones de manantiales, géiseres y fumarolas (Prol-Ledesma, 1996). Estos datos deben ser minuciosamente revisados para planear la estrategia adecuada a cada zona y emplear los diferentes métodos en la forma más apropiada. Cuando los datos reunidos indican la existencia de un campo geotérmico económicamente explotable, se procede a efectuar estudios geológicos, geofísicos y geoquímicos En la siguiente tabla se mencionan las diferentes técnicas que se utilizan en las distintas fases de la exploración de recursos geotérmicos, que son necesarias para evaluar el potencial del campo y la factibilidad de su explotación. Al final de cada una de las etapas, los resultados de los diferentes métodos son correlacionados para obtener modelos preliminares del campo, los cuales se irán perfeccionando al avanzar los trabajos de exploración. De acuerdo a las técnicas empleadas, la exploración superficial se puede dividir en geológica, geofísica y geoquímica. Revisión Bibliográfica 10 Tabla1. Técnicas de exploración de los recursos geotérmicos (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) y el Instituto Geológico y minero de España (IGME, 2008.) Técnica objetivos Pruebas Geológicas Confirmar las condiciones geológicas del yacimiento: foco da calor almacén y cobertera - fotointerpretación - Tectónica - Estratigrafía - Volcanología - Sismología - Petrografía - Datación absoluta Geoquímicas Confirmar la existencia de fluidos geotérmicos y definir sus características físico- químicas - Hidroquímica - Geotermometria química - Tecnicas isotópicas - Geoquimica de gases y volátiles - Estudio de depósitos y alteraciones hidrotermales Geofísicas Delimitar geométricamente el yacimiento geotérmico y definir sus características térmicas (temperatura y flujo de calor) Geofísica estructural - Teledetección - Gravimetria - Magnetismo - Sismica Geofisica de detalle - Electrica - Electromagnetica - Magnetotelúricos - Microsismicidad - Polarización espontanea - Sismica 3D - Termometrías y medidas de flujo Sondeos exploratorios Confirmar todos los datos previos y evaluar el yacimiento - Perforacion - Diagrafias electricas - Ensayos en testigos - Pruebas de presión - Ensayos de producción e interferencias Revisión Bibliográfica 11 4.5 Tecnología. La tecnología para intervenir en las zonas geotérmicas es dependiente del tipo de yacimiento. Y el aprovechamiento de los yacimientos geotérmicos depende de la entalpia del mismo. Si la entalpia es alta, el aprovechamiento se lleva a cabo en plantas térmicas con características tecnológicas propias. En estas plantas se transforma la energía térmica en energía eléctrica utilizando un ciclo termodinámico. En este ciclo al igual que las plantas térmicas convencionales, se emplea calor para evaporar un líquido, que posteriormente se utiliza en el accionamiento de una turbina, la cual se acopla a un generador para producir energía eléctrica (Energía geotérmica, 2013). Existen diversos tipos de tecnologías para el aprovechamiento de las fuentes geotérmicas de alta entalpia, entre estos se pueden destacar los siguientes: • Sistemas de conversión directa. • Sistemas de expansión súbita de una etapa. • Sistemas de expansión súbita de dos etapas. • Sistemas de ciclo binario. 4.5.1 Sistemas de conversión directa. Estos sistemas se utilizan en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el vapor seco. En este caso, el vapor supercalentado (a 180ºC - 185ºC y 0.8MPa - 0.9MPa) que llega a superficie se emplea directamente, después que las partículas sólidas y los gases no condensables hayan sido separados, para accionar una turbina que, gracias a un generador mecánicamente conectado a ella, produce corriente eléctrica. El vapor, una vez pasa por la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. Al agua obtenida en el condensador se la hace pasar por una torre de enfriamiento; una fracción importante del agua que se ha enfriado en la torre se envía al condensador para que sirva de fluido refrigerante, y el resto, se inyecta de nuevo en el acuífero (Energía geotérmica, 2013). Revisión Bibliográfica 12 Figura 4. Esquema conceptual de una planta de conversión directa (Energía geotérmica, 2013) En cuanto al rendimiento termodinámico de este tipo de instalaciones, es pequeño en comparación con el rendimiento obtenido por una central térmica convencional. Esto se debe a la diferencia de presiones a la entrada de la turbina. En una central geotérmica la presión máxima suele ser del orden de 0,9 MPa mientras que en una central convencional dicha presión puedeelevarse hasta 17,5 MPa (Energía geotérmica, 2013). 4.5.2 Sistemas de expansión súbita de una etapa. Este tipo de sistema se emplea en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el agua líquida. En estos sistemas, el agua puede expansionarse súbitamente durante el ascenso a la superficie o mediante el empleo de un recipiente de expansión, originando que parte del líquido se evapore instantáneamente. Por ello, es necesario utilizar un separador de fases que permita dirigir el vapor (155ºC - 165ºC y 0.5MPa – 0.6MPa) hacia la turbina y el agua no evaporada hacia el acuífero. En cuanto al vapor obtenido, se expande por una turbina que, acoplada mecánicamente a un generador eléctrico, produce corriente eléctrica. Al igual que Revisión Bibliográfica 13 ocurría en los sistemas de conversión directa, el vapor, una vez que pasa por la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. Parte de esta agua constituye a su vez el fluido de refrigeración, una vez ha sido enfriada en una torre de refrigeración. El resto del agua condensada se inyecta de nuevo en el acuífero (Energía geotérmica, 2013). Figura 5. Esquema conceptual de un sistema de expansión súbita de una etapa (Energía geotérmica, 2013) El rendimiento de estos sistemas es inferior a los de conversión directa, ya que no toda el agua que llega a la superficie se transforma en vapor de trabajo, como ocurría con los sistemas de conversión directa 4.5.3 Sistemas de expansión súbita de dos etapas. Los sistemas de este tipo se emplean en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el agua líquida con bajos contenidos de impurezas. Tienen como objetivo mejorar el rendimiento de los sistemas de expansión de una etapa. Las diferencias de los sistemas de Revisión Bibliográfica 14 una etapa frente a los de dos etapas se encuentran en la existencia de dos etapas de expansión del agua que llega a la superficie desde el acuífero y en que la turbina dispone de dos cuerpos; un cuerpo que trabaja a alta presión y un cuerpo que trabaja a baja presión. (Energía geotérmica, 2013) En los sistemas de evaporación súbita de dos etapas, el vapor obtenido en la primera expansión se dirige al cuerpo de alta presión de la turbina, mientras que el líquido obtenido en el primer separador de fases es de nuevo expansionado (a menor presión que en la primera etapa). El vapor resultante de la segunda expansión es conducido al cuerpo de baja presión de la turbina, mientras que el agua residual se inyecta de nuevo en el acuífero. Como puede observarse en la figura 6, el cuerpo de baja presión de la turbina se alimenta, además del vapor procedente de la segunda etapa de expansión, del vapor saliente del cuerpo de alta de la turbina (Energía geotérmica, 2013). El vapor, una vez que pasa por el cuerpo de baja de la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. El resto del proceso es similar al de los sistemas anteriormente descritos. Figura 6. Esquema conceptual de un sistema de expansión súbita de dos etapas (Energía geotérmica, 2013) Revisión Bibliográfica 15 4.5.4 Sistemas de ciclo binario. Por último tenemos los sistemas de ciclo binario, estos sistemas pueden ser utilizados en los yacimientos hidrotérmicos de entalpía media (100ºC -200ºC), donde predomina el agua líquida. Este tipo de plantas emplean un segundo fluido de trabajo, con un punto de ebullición (a presión atmosférica) inferior al del agua, tales como isopentano, freón, isobutano, etc., los cuales se evaporizan y se usan para accionar la turbina. Estos sistemas, además de presentar la ventaja de permitir utilizar yacimientos geotérmicos de temperaturas medias, admiten la explotación de yacimientos con acuíferos con un mayor porcentaje de impurezas, especialmente si estos están bajo una presión tal que no tenga lugar la evaporación súbita. El líquido extraído del acuífero, una vez ha cedido su calor al fluido de trabajo en el intercambiador de calor, retorna de nuevo al yacimiento. El fluido de trabajo, transformado en vapor recalentado a su paso por el evaporador, se dirige a la turbina con el objeto de accionarla. El generador, mecánicamente acoplado a la turbina, es el encargado de generar electricidad. Los gases del fluido de trabajo, una vez se expanden en la turbina, se condensan en un intercambiador de calor. El intercambiador es refrigerado con agua mediante un circuito que dispone de refrigeración (Energía geotérmica, 2013). Figura 7. Esquema conceptual de un sistema de ciclo binario (Energía geotérmica, 2013) Revisión Bibliográfica 16 4.6 Aplicaciones de la energía geotérmica Las aplicaciones de la geotermia dependen de las características de cada fuente. En resumen, las principales aplicaciones de la energía geotérmica son las siguientes (Acluexega, 2011): ▪ Calefacción en viviendas, edificios, naves industriales, etc. ▪ Refrigeración ▪ Producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) ▪ Climatización de Piscinas ▪ Refrigeración ▪ Acuicultura ▪ Ganadería ▪ Invernaderos, etc. Se han estado desarrollando investigaciones en los últimos años sobre yacimientos geotérmicos supercríticos, en los que las condiciones termodinámicas permitirán no sólo la producción de electricidad, sino también la producción de hidrógeno. La siguiente tabla muestra una clasificación general de los recursos geotérmicos: Tabla 2. Clasificación general de los recursos geotérmicos. (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) y el Instituto Geológico y minero de España (IGME), 2008.) Recursos geotermales Temperaturas Tecnología Aplicación Muy baja entalpía 5-25°C Utiliza bomba de calor Usos indirectos Climatización Baja entalpía 25-50°C 50-100°C Puede precisar bomba de calor Usos directos Usos directos Media entalpía 100-150°C Ciclos binarios Electricidad Procesos Alta entalpía >150°C Electricidad No convencionales EGS-HDR >150°C Ciclos binarios Electricidad Supercríticos >300°C Electricidad Hidrógeno Revisión Bibliográfica 17 En la actualidad se utilizan diversos métodos para la ubicación y caracterización de un campo geotérmico. Debido a la gran extensión de las áreas que inicialmente pueden ser sometidas a estudio, y considerando los altos costos involucrados en la prospección, se hace necesario planificar la exploración en etapas, en las que se definen progresivamente las zonas de mayor interés. Es por ello que es muy recomendable dividir la exploración en dos etapas: exploración superficial y perforaciones de exploración. En los capítulos posteriores se describirán algunos de los lugares que ya han sido explorados y caracterizados en nuestro país. 4.7 Inventario de zonas geotermicas México se encuentra entre los mejores países a nivel mundial en la generación de electricidad por medio de energía geotérmica con una capacidad instalada de 958 MW. Pero que sin duda tiene forma de crecer exponencialmente, debido al gran potencial que sustenta en su territorio. A lo largo de este capítulo se establecerán las bases geográficas a partir de indicadores que permitan el establecimiento de nuevas plantas geotérmicas y así ayudar el desarrollo de comunidades a partir de este recurso natural. 4.8 Estimaciones previas de la potencia geotérmica en México Por mucho tiempo se han realizado diversas estimaciones sobre el potencial geotérmico en México, considerando diversas zonas distribuidas a lo largo de la Faja Volcánica Mexicana, por ejemplo: Ixtlán de los Hervores, Los Negritos, Los Azufres, La Primavera, San Marcos, Hervores de la Vega, La Soledad y Los Humeros, además del campo de Cerro Prieto y sus alrededores. Revisión Bibliográfica 18 Recientemente la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos (GPG) de la Comisión Federalde Electricidad (CFE) publicó una estimación volumétrica del potencial geotérmico, con base en un catálogo de 1380 manifestaciones termales y estas fueron clasificadas de acuerdo a su temperatura. De acuerdo con muchos investigadores e instituciones, México cuenta con una rica cantidad de recursos geotérmicos en su territorio. A continuación se muestra una tabla con estimaciones de potencial geotérmico, hechas por diversos autores en diferentes años. Tabla 3. Principales estimaciones del potencial geotérmico de México para generar electricidad (Ordaz Méndez C.A, 2011) Año Nombre Estimación 1975 Alonso 4000 MW 1976 Mercado 13,110 MW 1985 Alonso 45,815 MW 2002 Iglesias 2.2x1010 – 2.39x1010 MWh Estas no son las únicas estimaciones hechas para México que son parte importante para entender el estudio del potencial geotérmico que ofrece el país, y son referencias para muchos autores que estudian el fenómeno. 4.9 Zonas con recursos geotérmicos hidrotermales En un informe que presento el Banco Interamericano de Desarrollo (BID) mostrado la comisión reguladora de energía (ENAL, 2011) se exhibieron 20 zonas geotérmicas hidrotermales en México, con potencial de ser desarrollados, en la Tabla 4 que se observa a continuación, se reporta el valor potencial probable, mínimo y máximo para un intervalo de confianza del 90%. Revisión Bibliográfica 19 Tabla 4. Zonas geotérmicas hidrotermales en México. (Hiriart Gerardo, Mayo, 2011b). Zona geotérmica Estado Potencial estimado en MW Modelo Volumétrico Modelo de Valor probable Rango (90%) Descompresión 1. La Soledad Jalisco 52 10-94 51 2. Las Planillas Jalisco 70 26-113 83 3. Pathé Hidalgo 33 6-61 49 4. Araró Michoacán 21 5-37 32 5. Acoculco Puebla 107 38-177 48 6. Ixtlán de los Hervores Michoacán 17 0-23 15 7. Los Negritos Michoacán 24 3-44 20 8. Volcán Ceboruco Nayarit 74 34-113 50 9.Graben de Compostela Nayarit 105 35-175 110 10. San Antonio El Bravo Chihuahua 27 10-43 36 11. Maguarichic Chihuahua 1 0.2-1.7 1 12. Puruándiro Michoacán 10 3-17 12 13. Volcán Tacaná Chiapas 60 21-99 52 14. El Orito-Los Borbollones Jalisco 11 1-21 9 15. Santa Cruz de Atistique Jalisco 12 2-22 13 16. Volcán Chichonal Chiapas 46 9-84 45 17. Hervores de la Vega Jalisco 45 20-71 45 18. Los Hervores-El Molote Nayarit 36 12-59 17 19. San Bartolomé de los Baños Guanajuato 7 3-12 9 20. Santiago Papasquiaro Durango 4 1-7 4 TOTAL 762 701 Revisión Bibliográfica 20 Como se puede apreciar en esta tabla el valor probable geotermoeléctrico sumado en estas veinte zonas geotérmicas con el modelo volumétrico-Montecarlo recopila 762 MW, y con el modelo de descompresión 701 MW, que representa al 80% y 73% respectivamente de la capacidad geotermoeléctrica operando en México en la actualidad por CFE que es de 958 MW. 4.10 Zonas seleccionadas para el establecimiento de nuevas plantas geotérmicas. Como ya se mencionó en México existen diversas provincias geológicas con diversas características que pueden ser susceptibles de ser aplicadas para el establecimiento de nuevas plantas geotérmicas, es por eso que después de analizar las características de diversas provincias, así como su ubicación, se optó por escoger 3 de ellas donde se hará una proyección para el establecimiento de nuevas plantas geotérmicas utilizando nuevas tecnologías y así ayudar a un mejor desarrollo social de esas zonas. La selección de las zonas geotérmicas se hiso con base en diversas fuentes que me permitieron tener una desviación mínima en el potencial geotérmico de esas provincias. En la siguiente figura se muestra un mapa que muestra el potencial geotérmico en la República Mexicana de acuerdo a su entalpia. Revisión Bibliográfica 21 Figura 8. Mapa del potencial geotérmico en México de acuerdo a su entalpia.Ordaz Méndez C.A, 2011 Al comparar las provincias geológicas seleccionadas con los mapas de prospección de la Comisión Federal de Electricidad (Figura 8), podemos notar la factibilidad de las zonas elegidas. Estas zonas se describirán a continuación. 4.10.1 Complejo volcánico Chichonal, Chiapas Esta provincia geológica se encuentra localizada al noreste del estado de Chiapas, a unos 60 km de la capital. La principal carretera que nos lleva hacia esta provincia es la federal 195 que va de Tuxtla Gutiérrez a Villahermosa. En la cercanía del volcán se encuentra una comunidad que tiene por nombre Chapultenango, que se encuentra en el Altiplano de Chiapas-Guatemala. Revisión Bibliográfica 22 El chichonal es un volcán que su origen de formación data del cuaternario en una zona de fuerte actividad tectónica debido a su cercanía a la confluencia de las placas tectónicas de Norteamérica, Cocos y El Caribe. (Hiriart, Mayo, 2011a) La última actividad registrada por el volcán fue en el año 1982, en dos ocasiones, en ambas presentando una erupción del tipo pliniano, emitiendo productos piroclasticos y gases sin lava. Las principales manifestaciones termales se ubican en el cráter principal del volcán y manantiales en las faldas del mismo como se muestra en la figura 9, estos manantiales se presentan en cinco tipos diferentes con distancias que van entre 2 y 3 km lineales del cráter del volcán. Figura 9. Cráter del volcán Chichonal. (Google Maps Mexico, disponible en: https://www.google.com.mx/maps) Revisión Bibliográfica 23 Las aguas calientes que provienen de estas manifestaciones termales se mezclan con aguas superficiales y forman arroyos que fluyen hacia el rio Magdalena. Las temperaturas superficiales van de los 50 a los 74°C. Cuatro de esos grupos de manantiales presentan aguas de tipo clorurado sódico a sulfatado cálcico y pH neutro. Las aguas del otro grupo son cloruradas sódicas y ph ácido (2.2 a 2.7), con alta salinidad (más de 15,000 ppm). Las temperaturas de fondo calculadas por la CFE antes de la erupción de 1982 y aplicando el geotermómetro de potasio-sodio iban de los 217 a los 293°C (Hiriart, Mayo, 2011a). Los más recientes estudios realizados indican temperaturas de fondo ligeramente menores a un delta de 200 y 250 °C, y con una estimación de calor total descargado por las aguas termales que van entre los 174 y 210 MW térmicos. Chapultenango (Figura 10), como ya se menciono es una de las poblaciones más cercanas al volcán Chichonal y con una inversión pública nula (INEGI, 2009a), en cuanto a obras de electrificación y es por estas razones principalmente por lo que se ha decidido su estudio, para que sea una de las poblaciones beneficiadas con la proyección de establecimiento de nuevas plantas geotérmicas. Revisión Bibliográfica 24 Figura 10. Comunidad Chapultenango. (Google Maps Mexico, disponible en: https://www.google.com.mx/maps) Chapultenango tienen una población de 7332 habitantes (INEGI, 2011a), las cuales subsisten principalmente por el sector primario de la economía, con un total en el 2011 de 2258 hectáreas sembradas y 2248 hectáreas cosechadas. 4.10.2 Volcán Tacaná Chiapas Esta provincia geológica se localiza en el extremo sureste de la República mexicana, 30 km al noreste de la ciudad de Tapachula, Chiapas. La cima del volcán Tacana se encuentra en el límite internacional con Guatemala. Se accede a esta zona por la carretera federal número 18 que parte de Tapachula Chiapas con destino a la central hidroeléctrica José Cecilio del Valle, continuando por una carretera estatal hasta la comunidad conocida como Unión Juárez, que Revisión Bibliográfica 25 es una de los poblados más cercanos a las manifestaciones termales. Esta provincia fisiográficamente está ubicada en el macizo de Chiapas, que ocupa una franja paralela a la costa del pacifico y que se extiende desde el Itsmo de Tehuantepec hasta Guatemala. (Hiriart, Mayo, 2011a). El volcán Tacanáes un estratovolcán que se encuentra actualmente activo (figura 11), formando parte del cinturón volcánico centroamericano y cuya formación se debe a la subducción de la Placa de Cocos debajo de la Norteamericana. Según la comisión reguladora de energía todo el volcanismo ocurrido en esa zona fue en el Cuaternario, y la actividad más reciente está constituida por cuatro cráteres adventicios al suroeste de la cima del volcán. Figura 11. Volcán Tacaná (Google Maps Mexico, disponible en: https://www.google.com.mx/maps) Revisión Bibliográfica 26 Las actividades termales se presentan en forma de manantiales y fumarolas, estas últimas se localizan al suroeste de la cima del volcán y son asociadas al borde de la caldera exterior. Se presentan temperaturas superficiales que están entre 82 y 94 °C. Las manifestaciones termales que están ubicados el noroeste de la cima del volcán con temperaturas que van desde los 40 a los 55 °C (Hiriart, Mayo, 2011a). Según estudio realizados por la CFE el yacimiento geotérmico estaría albergado principalmente en las rocas andesíticas terciarias y parcialmente en las mismas andesitas cuaternarias del volcán, así como en las rocas intrusicas basamentales. Unión Juárez como ya se mencionó con anterioridad es una de las comunidades más cercanas a las manifestaciones termales (figura 12). Con una población de 14089 habitantes. La mayoría de sus habitantes subsisten por la producción agrícola con un valor total de 41320 (miles de pesos), (INEGI, 2011b), es por estas características que se plantea una proyección de establecimiento de una planta geotérmica en esta zona. Figura 12. Comunidad Unión Juárez (Google Maps Mexico, disponible en https://www.google.com.mx/maps) Revisión Bibliográfica 27 Analizando la información recabada en este capítulo podemos afirmar que tenemos las bases geográficas necesarias para el establecimiento de nuevas plantas geotérmicas en México y así ayudar a un mejor desarrollo de las comunidades ya mencionadas. 4.11 Normatividad El sector energético mexicano experimenta una serie de reformas y procesos de liberalización que están generando oportunidades para las empresas extranjeras de exploración y producción, generación de electricidad y transporte. Se trata de iniciativas que reestructuran el sector de manera generalizada y en todas las áreas de la industria energética del país. México planea crear un mercado energético incrementando de manera significativa la generación de electricidad mediante energía geotérmica (Fernanda, et al, 2015). Es tal el impacto que se ha previsto en nuestro país que se genera una Ley de Energía Geotérmica, que forma parte de las leyes secundarias, y plantea dar a la Comisión Federal de Electricidad una ronda para seleccionar los campos geotérmicos que puedan ser más convenientes para su explotación, y el resto podrán ser explotados por la iniciativa privada (Maena, 2014). En el 2013 la Secretaria de Energía (SENER) anunció la creación de un mecanismo financiero que permite cuidar la exploración de fuentes geotérmicas, esto quiere decir que si la inversión destinada a la investigación de concentraciones de calor en el subsuelo no resulta positiva, existe un seguro que cubrirá parte de lo gastado. Se trata de un seguro que proviene del Fondo de Transición Energética y el Aprovechamiento Sustentable de la Energía (FOTEASE), el cual aportara 150 millones de pesos y del Fondo para la Tecnología Limpia (CTF), que aportara 34.5 millones de dólares (Maena, 2014). Como ya se ha mencionado en la actualidad existen proyectos en operación de energía geotérmica en México y en total hay alrededor de 104 proyectos de geotérmica ya concluidos o en proceso de licitación y 254 considerados para licitaciones futuras en los próximos 10 años, según datos del Programa de Obras e Inversiones del Sector Eléctrico (POISE). Un mapa de la gerencia de proyectos geotermoeléctricos de la Comisión Federal de Electricidad Revisión Bibliográfica 28 muestra que salvo la Peninsula de Yucatán, el resto del territorio mexicano tiene un gran potencial geotérmico por la gran actividad volcánica que caracteriza al país (Maena, 2014). En el sexenio de Felipe Calderón la Secretaria de Energía presento una iniciativa la cual establecía la incorporación de 2 gigawatts de nueva capacidad geotérmica durante el periodo 2012-2020, lo que traería un aumento en el Producto Interno Bruto (PIB) de 95 mil 400 millones de pesos y generaría 36 mil 700 empleos. Este proyecto suponía una inversión aproximada de 117 mil 300 millones de pesos, de los cuales el 65 por ciento estaba concentrado en la industria nacional. Con esos 2 gigawatts se reduciría hasta en 13 por ciento la necesidad de gas natural (Maena, 2014). 4.11.1 Política energética nacional En la actualidad en nuestro país el entorno energético se encuentra inmerso en tendencias de necesidades de abasto y seguridad, que plantea importantes retos para el corto mediano y largo plazo. Las acciones con una visión integral que se realicen para hacer frente a estos retos deben ser fundamentales para que puedan garantizar un equilibrio en la oferta y la demanda conforme al desarrollo económico y sustentable que la población requiere. El adecuado desarrollo de cualquier sector de la economía requiere de una planeación estratégica donde confluyan todos los agentes involucrados. En el caso del sistema eléctrico nacional, la planeación del mismo implica que bajo el marco regulatorio vigente y mediante una visión de política energética integral, las empresas suministradoras del servicio público, productores independientes de energía, permisionarios privados de energía eléctrica, así como los suministradores de combustibles, contratistas y fabricantes de equipos, interactúen dentro de un entorno que resulte favorable a la inversión y el desempeño competitivo del sector (SENER, 2006). La Ley de la Industria Eléctrica (LIE) y la Ley de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) promulgadas recientemente por el presidente Enrique Peña Nieto, junto con el resto de la regulación derivada de la reforma de los artículos 25, 27 y 28 de la Constitución Política de los Estados Unidos Mexicanos transformarán radicalmente al sector eléctrico. Revisión Bibliográfica 29 La LIE tiene por finalidad promover el desarrollo sustentable de la industria eléctrica y garantizar su operación continua, eficiente y segura, así como el cumplimiento de las obligaciones de servicio público y universal, de energías limpias y de reducción de emisiones contaminantes (PWC, 2014). Las encargadas de aplicar el marco regulatorio serán los tres organismos públicos en el sector eléctrico a partir de ahora: la SENER, la Comisión Reguladora de Energía (CRE) y el Centro Nacional de Control de Energía (CENACE). Si bien son muchas y variadas las facultades que las leyes otorgan a estos organismos, a continuación, se resumen algunas de las más relevantes (PWC, 2014).: SENER • Diseño de la política energética del país y planeación del Sistema Eléctrico Nacional (SEN). • Coordinación de la evaluación del desempeño del CENACE y del Mercado Electrico Mayorista (MEM). • Establecimiento de criterios y requisitos en materia de Certificados de Energía Limpia (CEL). • Coordinación y supervisión en la transformación de la CFE en empresa productiva del Estado. • CRE • Regular y otorgar permisos de generación de electricidad y modelos de contratos de interconexión. • Expedición y aplicación de la regulación tarifaria para la transmisión, distribución, operación de servicios básicos y el CENACE, entre otros. • Emisión de las bases del MEM y vigilancia de su operación. • Verificar el cumplimiento de los requisitos en materia de CEL. Revisión Bibliográfica 30 • Establecer requisitos para suministradores deusuarios calificados y llevar el registro de dichos usuarios. • Expedición de la regulación en materia de eficiencia y calidad en el SEN. CENACE • Control operativo del SEN. • Operador del MEM, revisión y actualización de las disposiciones operativas del mismo. • Llevar a cabo subastas para la celebración de contratos de cobertura eléctrica entre los generadores y los representantes de los centros de carga. • Instruir a transportistas y distribuidores en la celebración del contrato de interconexión de las centrales eléctricas o conexión de los centros de carga. • Cálculo de las aportaciones que los interesados deberán realizar por la construcción, ampliación o modificación de redes cuando los costos no se recuperen a través de las tarifas reguladas y otorgar derechos financieros de transmisión. 4.11.2 Plan Nacional de Desarrollo (PND) La SENER elabora la parte del informe correspondiente al sector energético por medio del desarrollo de secciones que son de su competencia y con aportaciones que son de otras entidades del sector. La SENER es la encargada de presentar el informe de los resultados correspondientes al objetivo 4.6 del PND “Abastecer de energía al país con precios competitivos, calidad y eficiencia a lo largo de la cadena productiva”. En materia energética, el Informe de Ejecución incluye los avances en materia de hidrocarburos, electricidad y energías renovables, en los rubros de inversión, producción, Revisión Bibliográfica 31 consumo, infraestructura, tarifas eléctricas, capacidad instalada y generación de energía eléctrica, etc. Dentro de las principales acciones en materia de planeación del sector energético en 2013, se destacan: La Estrategia Nacional de Energía 2013-2027, que fue ratificada por las Cámaras de Senadores y Diputados. La publicación, el 13 de diciembre, del Programa Sectorial de Energía 2013-2018, elaborado con base en el PND, fundamento de la política energética nacional. La promulgación de la reforma constitucional en materia energética, el 20 de diciembre de 2013, por el Presidente de la República, la cual se espera que genere beneficios como disminución en las tarifas eléctricas, aumentos en la restitución de reservas y producción de hidrocarburos, generación de empleos, etc. La participación de la SENER en el Informe de Ejecución representa un esfuerzo coordinado del sector energético, con los resultados de empresas paraestatales, comisiones, institutos, fideicomisos y de la misma Secretaría (SENER, 2013) • Abastecimiento de petróleo crudo, gas natural y petrolíferos. • Inversión pública en la industria petrolera • Indicadores de seguridad y mantenimiento • Reservas de hidrocarburos y restitución de reservas • Producción de petróleo y gas natural • Abastecimiento de energía eléctrica a lo largo del país • Tarifas y operaciones del sector eléctrico • Indicadores operativos del sector eléctrico • Inversión pública y desarrollo de infraestructura eléctrica • Capacidad instalada, generación y transmisión de energía eléctrica • Fuentes renovables, ahorro y uso eficiente de energía • Proyectos de investigación Revisión Bibliográfica 32 4.11.3 Estrategia Nacional de Energía (ENE) Con el propósito de dar cumplimiento al mandato legal y alcanzar los acuerdos que conjuguen una visión consensuada, la ENE 2013-2027 toma como punto de partida el papel que el sector energético debe desempeñar para apoyar al crecimiento y al desarrollo económico y social del país. A través de esta Estrategia se propicia la inclusión social de la población a los beneficios que derivan del uso de la energía, la sustentabilidad a largo plazo del sector, y la mitigación de los impactos negativos que la producción y el consumo de energéticos puedan tener sobre la salud y el medio ambiente, incluyendo la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero. Con base en lo anterior, esta edición de la ENE expone de manera sucinta las problemáticas de orden estratégico sobre las que se deben establecer políticas públicas que, actuando de manera coordinada, mejoren el funcionamiento del sector energético nacional. A través de dichas políticas se pretende tener un sector más ágil, que anticipe sus acciones y pueda adaptar su oferta a las tendencias de demanda con productos de calidad y a precios competitivos. En cuanto a la demanda de energéticos, la ENE se enfoca, tanto en aquélla que normalmente se requiere para el crecimiento de la economía, como en la que aún está insatisfecha o mal atendida. Lo primero reconoce el gran potencial que existe para mejorar la eficiencia energética, mientras que lo segundo pone especial atención en aquellos que, por vivir en zonas rurales (y no en las ciudades, que están mejor atendidas), no tienen acceso a la gama de energéticos, o que por sus bajos ingresos no pueden pagarlos. Se incluyen también a aquellos que no cuentan con la infraestructura necesaria para que dichos energéticos puedan llegar hasta los consumidores, limitándose así los beneficios que esta población recibe de la energía (ENE, 2013-2027). México dispone de un potencial renovable indiscutible, con un amplio porfolio de recursos (eólico, solar, geotérmico, biomasa e hídrico). Derivado de lo anterior, deben ser impulsadas las diferentes tecnologías para su aprovechamiento, en sus diferentes etapas de desarrollo, de modo que estos recursos puedan ayudar en la diversificación de la matriz energética, la eficiencia del uso de recursos no renovables y la reducción de importaciones de energéticos. Revisión Bibliográfica 33 Para ello, es necesario contar con información suficiente y con el nivel de certidumbre adecuado que permita al país conocer y difundir su potencial (Figura. 23). Esto debe llevarse a cabo a través de la acción coordinada de la industria, academia y gobierno que permita generar consensos sobre la información generada y los resultados de su análisis. Además, el desarrollo de recursos humanos y normatividad son fundamentales para garantizar el éxito en el desarrollo e implantación de estas tecnologías en proyectos demostrativos, programas o proyectos en las diferentes escalas. Cabe señalar que en la actualidad ya existe en el país potencial renovable competitivo. México es por tanto una opción viable, rentable y atractiva para la industria renovable mundial, que mira cada vez con mayor interés a este país. En particular, se buscará potenciar las distintas ubicaciones con alto potencial eólico, el uso de energía solar, aprovechando las regiones con alta irradiación y en autoabastecimiento local, los yacimientos con potencial geotérmico de alta entalpía, el biogás de rellenos sanitarios, los residuos agrícolas y forestales como fuente de biomasa, la hidráulica de pequeña escala, así como la cogeneración eficiente en la industria. Para la consecución de lo anterior es necesario llevar a cabo políticas públicas congruentes con la meta establecida en la Ley de participación de energías no fósiles, así como utilización de tecnología asociadas a la eficiencia energética, programas que detallen los mecanismos a través de los cuales dichas políticas se llevarán a cabo, así como fondos y presupuestos para la ejecución de las actividades marcadas en los programas, y que serán acordes con el impacto que el sector energético tiene en las emisiones de GEI. (ENE, 2013- 2027). 4.11.4 Ley de Aguas Nacionales. La presente ley tiene como objetivo principal el de la reglamentación. En el artículo 11 que a letra dice: Para efectos de la fracción XIII, del artículo 9º, de la “Ley”, “La Comisión de Aguas Nacionales” podrá: y la fracción primera se reformo Conteniendo lo siguiente. Efectuar visitas de inspección observando el procedimiento que al efecto prevé la Ley Federal de Procedimiento Administrativo Revisión Bibliográfica 34 También
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