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Universidad de Guadalajara. Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingeniería. Ingeniería Mecánica Eléctrica. División de Ingenierías. Fuentes Alternas de Energía. Actividad 8. Energía Geotérmica. Díaz López Mario Alan. Profesor: López Ornelas Armando. Capítulo 10. Centrales de energía geotérmica. La Tierra, además de disponer de energía procedente del exterior, fundamentalmente del Sol, que da origen, directa o indirectamente, a diversos tipos de energías renovables (solar, eólica, oleaje, maremotérmica, biomasa, etc.), también dispone de energías endógenas. Un tipo de energía endógena es la energía térmica, la cual proviene de la importante cantidad de calor que la Tierra almacena en su interior. Por su procedencia, a esta energía térmica interna de la Tierra se les denomina energía geotérmica y se la incluye dentro del grupo de energías renovables, ya que la disipación del calor almacenado requeriría el transcurso de millones de años. El nombre geotérmico deriva de dos palabras griegas: geo que significa Tierra y thermo que significa calor. El calor almacenado en el interior de la Tierra no se encuentra uniformemente distribuido, sino que es más elevado en el núcleo (alrededor de 7.000 ºC) y de menor intensidad en la corteza. El gradiente térmico creado, es decir, la diferencia de temperaturas existente origina un flujo de calor desde las zonas más calientes hacia las más frías de la corteza. Figura 1. Gradiente de temperatura. Figura 2. Diagrama de una planta térmica convencional. 10.4. Potencial de la energía geotérmica. Muchas áreas del mundo disponen de recursos geotérmicos accesibles especialmente regiones del denominado Anillo de Fuego, áreas que bordean el Océano Pacífico, zonas de la falla continental y otros puntos calientes. Por tanto, los Andes de Sudamérica, América Central, Méjico, cordilleras de Estados Unidos y Canadá, la cordillera Aleutiana de Alaska, la península de Kamchatka en Rusia, Italia, Nueva Zelanda, sureste de África, Extremo Oriente, etc., son zonas susceptibles de aprovechamiento de la energía geotérmica. Figura 3. Zonas de mayor potencial geotérmico. • Presencia de una fuente de calor. Esta fuente, generalmente, está constituida por un cuerpo de magma situado a una profundidad razonable, desde el cual se trasmite el calor a las rocas circundantes. • Presencia de agua. El yacimiento debe ser susceptible de ser recorrido por una corriente de agua. Esta agua puede haberse infiltrado en el subsuelo, a través de fracturas o rocas permeables, hasta alcanzar la profundidad necesaria para ser calentada por la fuente de calor. También es posible que el agua sea inyectada por el hombre artificialmente desde la superficie. Desde hace bastante tiempo la reinyección de agua ha sido empleada en diversas partes del mundo como una manera de reducir el impacto ambiental del funcionamiento de las plantas geotérmicas. Asimismo, la recarga artificial ayuda a mantener campos geotérmicos que tienden al agotamiento por falta de fluidos. • Presencia de un depósito. El volumen de este depósito lo proporciona rocas permeables situadas a una profundidad, accesible mediante perforaciones, donde se almacena el agua caliente o el vapor, que son los medios para transportar el calor. • Existencia de una cubierta impermeable. Su presencia es necesaria para impedir que los fluidos se escapen hacia el exterior del yacimiento. Se pueden clasificar en tipos de yacimientos ya sean de alta o baja presión liquido o vapor; Sistemas hidrotérmicos, sistemas geo presurizados y sistemas de roca caliente seca. 10.4.1.1. Sistemas hidrotérmicos. Los sistemas hidrotérmicos disponen de agua en su interior, normalmente procedente de deshielos o de la lluvia. Suelen encontrase a profundidades comprendidas entre 1 km y 10 km. En función de la fase en que se encuentre el agua se clasifican en: sistemas con predominio de vapor de agua y sistemas con predominio de agua líquida. Estos son los únicos sistemas que han superado las etapas de investigación y desarrollo experimental, encontrándose, actualmente, en la etapa de explotación comercial. 10.4.1.2. Sistemas geo presurizados. El fluido en los sistemas geo presurizados, generalmente agua líquida, se encuentra sometido presiones que pueden alcanzar hasta 100 MPa. Sin embargo, las temperaturas no suelen ser excesivamente altas (150 oC-250 ºC). El agua suele coexistir con gases naturales (metano), lo que dificulta su explotación en la actualidad. 10.4.1.3. Sistemas de roca caliente seca. Los sistemas de roca caliente seca se caracterizan por estar constituidos por rocas impermeables, con temperaturas entre 150 ºC y 300 ºC, y por carecer de acuífero. La impermeabilidad del sistema, su baja conductividad térmica y la carencia de un fluido que lo recorra constituyen el escollo principal para su explotación. 10.5.2. Clasificación de los dispositivos de captación. El aprovechamiento de los yacimientos geotérmicos depende de la entalpía de este. Si la entalpía es alta, el aprovechamiento se lleva a cabo en plantas térmicas de diseño específico. En estas plantas se transforma la energía térmica en energía eléctrica utilizando un ciclo termodinámico denominado ciclo de Rankine, en honor del ingeniero y físico británico William John Macquorn Rankine (1820-1872). Existen diversos tipos de sistemas para el aprovechamiento de fuentes geotérmicas de alta entalpía. Entre éstos se pueden destacar los cuatro siguientes: • Sistemas de conversión directa. • Sistemas de expansión súbita de una etapa. • Sistemas de expansión súbita de dos etapas. • Sistemas de ciclo binario. Figura 4. Diagrama de planta de conversión directa. 10.5.3. Componentes de las centrales. Independientemente del tipo de sistema utilizado en las centrales geotérmicas, los componentes fundamentales de todas ellas son los siguientes: • Evaporadores y condensadores. • Turbinas y generadores. • Tuberías y bombas. • Torres de enfriamiento. Con excepción de los sistemas de ciclo binario, la mayoría de los condensadores que se emplean en los sistemas geotérmicos son de los denominados de contacto directo. 10.6. Costes del uso de la energía geotérmica. La viabilidad comercial de las plantas geotérmicas de generación eléctrica depende de los costes del terreno, de los costes de las perforaciones, de los costes de las instalaciones, de los costes de operación y mantenimiento, de la cantidad de energía generada y del valor de mercado de la energía. Tabla 1. Costos de capital de una planta geotérmica. Tabla 2. Comparación con otras fuentes de energía.
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