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Fundamentos de la Termodinámica

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UNIVERSIDAD DE CHILE
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE
RECURSOS GEOTÉRMICOS NACIONALES ESPECÍFICOS

MEMORIA PARA OPTAR AL TÍTULO DE INGENIERO CIVIL MECÁNICO

RODRIGO IGNACIO MARIPANGUI GONZÁLEZ

PROFESOR GUÍA:
ÁLVARO VALENCIA MUSALEM

MIEMBROS DE LA COMISIÓN:
DIEGO MORATA CESPEDES
WILLIAMS CALDERÓN MUÑOZ

SANTIAGO DE CHILE
2015

RESUMEN DE LA MEMORIA PARA OPTAR
AL TÍTULO DE: Ingeniero Civil Mecánico
POR: Rodrigo Maripangui González
FECHA: 28/01/2015
PROFESOR GUÍA: Álvaro Valencia

CARACTERIZACIÓN Y OPTIMIZACIÓN TERMODINÁMICA DE RECURSOS
GEOTÉRMICOS NACIONALES ESPECÍFICOS

Actualmente gas, carbón y petróleo abastecen tres cuartos de la demanda energética mundial, lo
cual muestra la gran dependencia de los combustibles fósiles que tiene la humanidad; esto
sumado a la sobreexplotación de los recursos naturales provoca distintos tipos de contaminación,
tanto local (material particulado, compuestos orgánicos volátiles y monóxido de carbono) como
global (efecto invernadero, lluvia ácida, contaminación de suelo y agua).

Lo anterior, junto al agotamiento del petróleo, motiva la búsqueda de nuevas formas de energía
como lo son las renovables no convencionales.

El presente estudio trata sobre un tipo de energía renovable en particular: la energía geotérmica.
El objetivo es desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de 16 recursos
geotérmicos nacionales de alta entalpía (datos brindados por el Centro de Excelencia en
Geotermia de Los Andes) junto a la potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de
evaluar cada yacimiento en 6 o 7 ciclos termodinámicos distintos dependiendo de cada caso.

Para comenzar, se exponen conceptos básicos sobre geotermia y se contextualiza sobre la
situación actual a nivel país. Luego se entrega una breve descripción de los 16 yacimientos
geotérmicos considerados en este estudio continuando con la interiorización sobre distintos
métodos para el aprovechamiento de la energía geotérmica, los que pueden ser por conversión
directa, por expansión súbita de una etapa, expansión súbita de dos etapas, sistemas binarios o
por medio de ciclos combinados. La utilización de cada uno de ellos depende netamente del tipo
de recurso (alta o media entalpía).

A continuación se describen los ciclos termodinámicos seleccionados que se utilizan para la
evaluación de los distintos recursos. Estos son programados en EES, software especializado en
ciclos termodinámicos que permite, a través de variables independientes, maximizar una variable
dependiente. En este caso se maximiza la potencia neta y/o el trabajo específico neto
dependiendo de los datos de cada yacimiento.

Después se muestra la validación de los ciclos termodinámicos y de la torre de enfriamiento
seguido por la metodología donde se explican los criterios utilizados en la evaluación
termodinámica y en la económica.

La siguiente sección da cuenta de los resultados obtenidos donde se detalla el comportamiento de
los distintos ciclos programados para cada yacimiento y se muestra la evaluación económica para
cada recurso. De esta última se desprende que hay cuatro proyectos atractivos económicamente
para entregar energía a los sistemas interconectados: Sierra Nevada, Apacheta, Puchuldiza y
Tolhuaca. Por otro lado Surire e Irruputuncu pueden ser atractivos para la industria minera. Por
último se encuentra el mapa geográfico que indica la ubicación de cada yacimiento junto a la
potencia y/o trabajo específico máximo obtenible.

“Caminante, no hay camino,
se hace camino al andar”

iii

Agradecimientos

Llegando al final del recorrido de este largo camino, miro hacia atrás y agradezco a todas las
personas que fueron parte de él. En primer lugar agradezco a mis padres que, gracias al esfuerzo
que han realizado toda su vida, pudieron darme la oportunidad de estudiar. Mi padre, un hombre
de trabajo que ha dedicado su vida a la familia y mi madre, la mujer más fuerte que he conocido y
que ha sabido llevar la vida con mucha sabiduría.

Agradezco a mis hermanos y hermanas, José, Loreto, Natalia, Cristian y César, que siempre han
estado apoyándome incluso en los momentos más difíciles durante este proceso.

Le doy gracias a todos mis amigos y amigas que, de una u otra forma, han contribuido en mi
evolución al mostrarme distintas maneras de ver la vida.

Agradezco a la música, mi vía rápida de escape frente a penas y amarguras y también responsable
de momentos muy felices. Obviamente dar gracias a Tesito Frío: grupo de personas responsables
de momentos muy gratos los últimos dos años.

Doy gracias a los miembros de la comisión por darme la oportunidad de desarrollar este estudio.
En particular al profesor Álvaro Valencia que me entregó las herramientas necesarias para
comprender la termodinámica y me dio su apoyo, paciencia y sabiduría; al profesor Diego
Morata, por haber brindado todo lo que estaba al alcance de sus manos para que desarrollara esta
memoria y, por último, al profesor Williams Calderón, que fue parte importante en mi formación
académica.

Agradezco a José Matamala, quien realizó el estudio que antecede el presente y me dio su apoyo
durante todo este proceso.

Por último agradezco al Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA), que brindó
conocimiento, datos y apoyo durante para la realización de este trabajo, particularmente al
profesor Diego Morata, a Mauricio Muñoz y a Diego Aravena. Sin ellos este estudio no se podría
haber realizado.

Este trabajo se realizó gracias al apoyo del proyecto Fondap Conicyt #15090013 “Centro de
Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA)”.

Tabla de contenido
1.-Introducción. ............................................................................................................................... 1
1.1.-Introducción.......................................................................................................................... 1
1.2.-Objetivos. .............................................................................................................................. 1
2.-Antecedentes. .............................................................................................................................. 3
2.1.-¿Qué es geotermia? .............................................................................................................. 3
2.2.-Sistemas de recursos geotérmicos. ...................................................................................... 4
2.3.-Tipos de sistemas geotérmicos. ........................................................................................... 5
2.4.-Exploración de recursos geotérmicos. ................................................................................. 6
2.5.-Recurso. ................................................................................................................................ 7
2.6.-Aplicaciones. ......................................................................................................................... 7
2.7.-Geotermia en chile. .............................................................................................................. 8
2.8.-Yacimientos geotérmicos considerados. .............................................................................. 9
2.9.-Sistemas termodinámicos actuales para recursos de media y alta entalpía. .................... 24
2.9.1.-Sistemas de conversión directa. .................................................................................. 25
2.9.2.-Sistemasde expansión súbita de una etapa o simple flash......................................... 25
2.9.3.-Sistemas de expansión súbita de doble etapa o doble flash. ...................................... 26
2.9.4.-Sistemas de ciclo binario. ............................................................................................. 27
2.9.5.-Sistemas de ciclo combinado. ...................................................................................... 30
3.-Termodinámica de los ciclos estudiados. .................................................................................. 32
3.1.- Ciclo de expansión súbita. ................................................................................................. 32
3.2.-Ciclo de doble expansión súbita. ........................................................................................ 33
3.3.-Ciclo Rankine orgánico. ...................................................................................................... 36
3.4.-Ciclo Rankine orgánico regenerativo. ................................................................................. 38
3.5.-Ciclo Kalina. ......................................................................................................................... 40
3.6.-Ciclo de expansión súbita combinado. ............................................................................... 42
3.7.-Ciclo de doble expansión súbita combinado. ..................................................................... 45
3.8.-Torre de enfriamiento. ....................................................................................................... 48
4.-Validación ciclos termodinámicos. ........................................................................................... 50
4.1.-Validación ciclo Kalina. ....................................................................................................... 50
4.2.-Validación ciclo Rankine orgánico (ORC) ............................................................................ 50
4.3.-Validación ciclo Rankine orgánico regenerativo. ............................................................... 52
4.4.-Validación ciclo expansión súbita de una etapa ................................................................. 52
4.5.-Validación ciclo de doble expansión súbita. ....................................................................... 53

4.6.-Validación ciclo de expansión súbita combinado ............................................................... 54
4.7.-Validación ciclo doble expansión súbita combinado.......................................................... 55
4.8.-Validación Torre enfriamiento ........................................................................................... 55
5.-Metodología. ............................................................................................................................. 57
5.1.-Evaluación termodinámica. ................................................................................................ 57
5.2.-Evaluación económica. ....................................................................................................... 58
5.2.1.-Ingresos. ....................................................................................................................... 58
5.2.2.-Costos. .......................................................................................................................... 58
6.-Análisis de resultados. ............................................................................................................... 60
6.1.- Análisis de potencias y trabajos específicos obtenidos. .................................................... 60
6.2.- Resultados evaluación económica. ................................................................................... 80
7.-Mapa geográfico de trabajos específicos y/o potencias máximas de los recursos geotérmicos
estudiados. ..................................................................................................................................... 87
8.-Conclusiones generales. ............................................................................................................ 90
9.-Bibliografía. .............................................................................................................................. 92
Anexo A: Ciclo Simple Flash programado en EES .......................................................................... i
Anexo B: Ciclo Doble Flash programado en EES ......................................................................... iii
Anexo C: Ciclo Rankine orgánico programado en EES................................................................. vi
Anexo D: Ciclo Rankine orgánico regenerativo programado en EES ......................................... viii
Anexo E: Ciclo Kalina programado en EES ................................................................................... x
Anexo F: Ciclo expansión súbita combinado programado en EES ............................................... xii
Anexo G: Ciclo doble expansión súbita combinado programado en EES .................................... xv
Anexo H: Torre de enfriamiento programada en EES ................................................................. xix

Índice de tablas

Tabla 1. Resumen recurso Apacheta. ............................................................................................ 15
Tabla 2. Resumen recurso El Tatio. .............................................................................................. 16
Tabla 3. Parámetros ciclo Kalina. .................................................................................................. 50
Tabla 4. Potencia. .......................................................................................................................... 50
Tabla 5. Parámetros ciclo Rankine orgánico. ................................................................................ 51
Tabla 6. Supuestos realizados. ....................................................................................................... 51
Tabla 7. Resultados obtenidos y datos referenciales. .................................................................... 51
Tabla 8. Error Validación. ............................................................................................................. 51
Tabla 9. Parámetros ciclo Rankine orgánico regenerativo. ........................................................... 52
Tabla 10. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 52
Tabla 11. Potencias obtenidas y referenciales. .............................................................................. 52
Tabla 12.Parámetros ciclo de expansión súbita de una etapa. ....................................................... 53
Tabla 13. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 53
Tabla 14. Potencias resultantes y referenciales. ............................................................................ 53
Tabla 15. Error validación. ............................................................................................................ 53
Tabla 16. Parámetros ciclo de doble expansión súbita. ................................................................. 54
Tabla 17. Supuestos realizados. ..................................................................................................... 54
Tabla 18. Potencia neta obtenida y referencial. ............................................................................. 54
Tabla 19. Parámetros ciclo de expansión súbita combinado. ........................................................ 55
Tabla 20. Supuestos realizados. .....................................................................................................55
Tabla 21. Datos ingresados primer caso. ....................................................................................... 56
Tabla 22. Potencia obtenida y referencial. .................................................................................... 56
Tabla 23. Datos ingresados segundo caso. .................................................................................... 56
Tabla 24. Potencia obtenida y referencial. .................................................................................... 56
Tabla 25. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 60
Tabla 26. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 62
Tabla 27. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 63
Tabla 28. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 65
Tabla 29. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 66
Tabla 30. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 67
Tabla 31. Potencias netas según cada configuración termodinámica. ........................................... 69
Tabla 32. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 70
Tabla 33. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 72
Tabla 34. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 73
Tabla 35. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 74
Tabla 36. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 75
Tabla 37. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 76
Tabla 38. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 77
Tabla 39. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 78
Tabla 40. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ......................... 79
Tabla 41. Indicadores financieros por yacimiento......................................................................... 80
Tabla 42. Indicadores económicos en yacimiento Apacheta. ........................................................ 82
Tabla 43. Trabajos específicos obtenibles con distintos títulos de vapor. ..................................... 82
Tabla 44. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0. ...... 83
Tabla 45. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0,18. . 84
Tabla 46. Trabajos específicos obtenibles con distintos títulos de vapor. ..................................... 85

vii

Tabla 47. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0. ...... 85
Tabla 48. Indicadores económicos obtenidos considerando distintos flujos másicos y X= 0,18. . 86

viii

Índice de figuras

Figura 1. Mapa mundial con las placas tectónicas [3]. .................................................................... 4
Figura 2. Sistema geotérmico estándar [4]. ..................................................................................... 5
Figura 3. Concesiones geotérmicas por área, Noviembre 2013 (Ministerio de energía) [6]. .......... 9
Figura 4. Ubicación yacimiento geotérmico Tacora. ...................................................................... 9
Figura 5. Ubicación yacimiento geotérmico Colpitas. .................................................................. 10
Figura 6. Ubicación yacimiento geotérmico Surire. ...................................................................... 11
Figura 7. Ubicación yacimiento geotérmico Puchuldiza. .............................................................. 12
Figura 8. Ubicación yacimiento geotérmico Pampa Lirima. ......................................................... 13
Figura 9. Ubicación yacimiento geotérmico Irruputuncu. ............................................................. 14
Figura 10. Ubicación yacimiento geotérmico Apacheta. .............................................................. 15
Figura 11. Ubicación yacimiento geotérmico El Tatio.................................................................. 16
Figura 12. Ubicación yacimiento geotérmico La Torta. ................................................................ 17
Figura 13. Ubicación yacimiento geotérmico Juncalito. ............................................................... 18
Figura 14. Ubicación yacimiento geotérmico Tinguiririca. .......................................................... 19
Figura 15. Ubicación yacimiento geotérmico Laguna del Maule. ................................................ 20
Figura 16. Ubicación yacimiento geotérmico Nevados de Chillán. .............................................. 21
Figura 17. Ubicación yacimiento geotérmico Tolhuaca. ............................................................... 22
Figura 18. Ubicación yacimiento geotérmico Sierra Nevada. ....................................................... 23
Figura 19. Ubicación yacimiento geotérmico Cordón Caulle. ...................................................... 24
Figura 20.Sistema de conversión directa [8]. ................................................................................ 25
Figura 21. Sistemas de conversión por evaporación súbita [8]. .................................................... 26
Figura 22. Sistema de expansión súbita de dos etapas [8]. ........................................................... 27
Figura 23. Sistema Rankine orgánico [8]. ..................................................................................... 28
Figura 24. Sistema Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia]..................................... 29
Figura 25. Ciclo Kalina [Elaboración propia]. .............................................................................. 30
Figura 26. Ciclo combinado [9]. .................................................................................................... 31
Figura 27. Diagrama T-s, Central de Expansión Súbita [8]. ......................................................... 32
Figura 28. Diagrama T-s, central de doble expansión súbita [8]. .................................................. 34
Figura 29. Diagrama T-s, Ciclo Rankine orgánico [Elaboración propia]. .................................... 37
Figura 30. Diagrama T-S, Ciclo Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia]. ............... 38
Figura 31. DiagramaT-s, Ciclo Kalina [Elaboración propia]. ....................................................... 40
Figura 32. Diagrama T-s , Ciclo de expansión súbita combinado [Elaboración propia]. ............. 43
Figura 33. Diagrama T-s , Ciclo de doble expansión súbita combinado [Elaboración propia]. ... 45
Figura 34. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 61
Figura 35. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 62
Figura 36. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 64
Figura 37. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 65
Figura 38. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 66
Figura 39. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 68
Figura 40. Potencias netas según cada configuración termodinámica. ......................................... 69
Figura 41. Potencia neta según cada configuración termodinámica. ............................................ 71
Figura 42. Trabajos específicos netos según cadaconfiguración termodinámica. ........................ 72
Figura 43. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 73
Figura 44. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 74
Figura 45. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 75
Figura 46. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 76

Figura 47. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 77
Figura 48. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 78
Figura 49. Trabajos específicos netos según cada configuración termodinámica. ........................ 79
Figura 50. TIR v/s Potencia. .......................................................................................................... 81
Figura 51. Gráfico Costo de la energía por yacimiento. ................................................................ 81
Figura 52. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0. .................................................. 83
Figura 53. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0,18. ............................................. 84
Figura 54. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0. .................................................. 85
Figura 55. TIR v/s Potencia con distintos flujos másicos y x=0,18. ............................................. 86

Simbología

 FG: Fluido geotérmico
 T:Temperatura
 P: Presión
 IC: Intercambiador de calor
 T_pp: Mínima diferencia de temperatura
 t: turbina
 g: generador
 b: bomba de agua
 sim: Simulación
 ref: Referencia

1.-Introducción.

1.1.-Introducción.

El desarrollo industrial y el consumo energético de la población han generado un aumento
significativo de la demanda energía haciendo necesario el aumento de oferta energética y,
particularmente, eléctrica.

Actualmente gran parte de la energía generada tiene como materia prima combustibles fósiles,
generando gases de efecto invernadero y, por lo tanto, aumentando la temperatura del planeta [1].
Es por esto que se hace necesario buscar abastecimiento energético en un recurso que sea seguro,
que tenga el menor impacto ambiental posible y que sea competitivo en el mercado.
La geotermia es un tipo de energía considerada limpia ya que la emisión de gases contaminantes
es considerablemente menor a las plantas de gas, carbón y diesel y tiene un alto factor de planta
(95%) [2], comparable con una central nuclear.

Dentro del contexto nacional, Chile pertenece al Cinturón de Fuego del Pacífico por lo que las
condiciones geológicas favorecen a este tipo de energía, llegando a un potencial eléctrico entre
3.500 MW [ENAP] y 16.000 MW [Lahsen, 1988].

Es por esto que en conjunto con el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA) se
realiza un estudio termodinámico para 16 yacimientos geotérmicos nacionales con el fin de
determinar los ciclos térmicos adecuados que maximicen la potencia y/o trabajo específico
obtenible y, de esta manera, obtener un mayor aprovechamiento de la energía geotérmica en el
país.

1.2.-Objetivos.

1.2.1.-Objetivo general:

 Desarrollar un mapa geográfico que indique la ubicación de los 16 recursos geotérmicos
nacionales brindados por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes junto a la
potencia y/o trabajo específico máximos obtenidos luego de evaluar cada yacimiento en
distintos ciclos termodinámicos.

1.2.2.-Objetivos específicos:

 Investigar el estado del arte de la geotermia y de las tecnologías disponibles para recursos
de media y alta entalpía tanto a nivel país como resto del mundo.
 Obtener datos actuales de recursos geotérmicos nacionales de media y alta entalpía.
 Utilizar ciclos termodinámicos programados en el software EES en estudios previos
realizados en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Chile

 Programar ciclos termodinámicos adicionales en el software EES e implementar torre de
enfriamiento.
 Evaluar cada recurso geotérmico en los distintos ciclos térmicos programados en EES que
se adecuen a la naturaleza del reservorio.
 Determinar la configuración termodinámica que maximice la potencia y/o trabajo
específico de cada ciclo termodinámico.
 Realizar una evaluación económica preliminar para definir viabilidad de la explotación de
los yacimientos.

1.3.-Alcances.

 El estudio se realiza con datos de yacimientos geotérmicos entregados por el Centro de
Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA).
 Tanto la potencia como el trabajo específico se calculan en función de las condiciones
nominales de operación.
 Las eficiencias y propiedades de equipos e insumos necesarios para cada ciclo
termodinámico están consideradas según indicaciones de proveedores y/o bibliografía.

2.-Antecedentes.
2.1.-¿Qué es geotermia?

Geotermia viene del griego geo (Tierra) y thermos (calor); literalmente “calor de la Tierra”, por
lo que la energía geotérmica es la que está contenida dentro de la tierra, en el subsuelo, generando
fenómenos geológicos. Su uso se remonta a la antigüedad, donde diversos pueblos utilizaban esas
fuentes como fuentes de calor para tiempos fríos, baños medicinales, cocer sus alimentos, etc.
Este tipo de energía es considerada una energía limpia ya que la emisión de gases contaminantes
es considerablemente menor a plantas de gas, carbón y diésel.

Es posible observar manifestaciones de la energía de la tierra como el aumento de temperatura a
medida que aumenta la profundidad de la corteza terrestre hasta manifestaciones a gran escala
como son los volcanes y fuentes termales, implicando un gradiente de temperatura considerable
en la profundidad de la corteza terrestre. En general el gradiente geotérmico promedio de la tierra
es cercano a los 30°C/Km, pero en algunos lugares el gradiente es considerablemente mayor,
llegando a obtener en algunos casos más de 10 veces el gradiente geotérmico promedio mundial,
facilitando el acceso y disminuyendo la profundidad de las perforaciones.

El flujo de energía terrestre hacia la corteza se genera por la diferencia de calor entre las zonas
calientes (En la profundidad) y las zonas frías (Superficie). Este tiene un valor promedio de 65
mW/m2 en los continentes y 101 mW/m2 en los océanos. Considerando esto se obtiene que el
flujo calórico promedio mundial es 87 mW/m2, el cual puede aumentar considerablemente en
algunas regiones particulares.

La energía interna de la tierra se debe principalmente a su calor inherente e interno y a la
presencia de isotopos radiactivos de Uranio, Torio y Potasio en la corteza. La energía se transmite
desde el núcleo al manto. El núcleo llega a alcanzar los 7000 °C mientas que la base del manto se
encuentra a una temperatura del orden de 4000 °C. Según la teoría de la Tectónica Global de
Placas es que, debido a esta alta temperatura, en la astenósfera se generan celdas de convección
que permiten el ascenso de rocas calientes y livianas que se encuentran a un nivel más profundo
mientras que las rocas más densas y frías que se encuentran más cercanas a la superficie tienden a
descender, manteniendo el flujo convectivo y causando el movimiento de las placas, lo que
traería consigo la actividad sísmica, volcánica y las fuentes termales. Estas celdas de convección
originan las seis placas litosféricas principales; a las dorsales oceánicas (la actividad volcánica
genera corteza), fallas transcurrentes y a las zonas de subducción (donde es consumido el
material litosférico) (Figura 1).

Figura 1. Mapa mundial con las placas tectónicas [3].
2.2.-Sistemas de recursos geotérmicos.

Como semencionó anteriormente el gradiente de temperatura da cuenta de la temperatura a
encontrar en una región dependiendo de la profundidad de la perforación. Tanto para un sistema
de baja como para uno de alta entalpía la convección de fluidos tiene un rol fundamental ya que
es la encargada de dar movimiento al sistema. Es decir, en la base del sistema el fluido se calienta
y expande, disminuyendo su densidad y ascendiendo, dando espacio a fluidos que provienen de
los márgenes del sistema y se encuentran a menor temperatura y, por lo tanto, mayor densidad,
los que descienden hacia la base del sistema. Para que esto ocurra, normalmente un sistema
geotérmico (figura 2) debe estar conformado básicamente por:

Presencia de fuente de calor: Usualmente consiste en un cuerpo de magma a alta temperatura
(600°C a 900°C) que entrega energía a las rocas adyacentes. Debe tener una profundidad
razonable; menor a 10 km

Agua: Es necesario que el agua, sea superficial o meteórica, pueda infiltrarse hasta llegar a una
profundidad que permita aumentar su temperatura y entalpía para luego comenzar con el régimen
convectivo.

Reservorio: Corresponde al volumen del yacimiento, es decir, al volumen de rocas permeables
que almacenan el fluido en estado líquido o gaseoso. Se debe encontrar a una profundidad
accesible mediante perforaciones.

Cubierta impermeable: Se encarga mantener los fluidos en el sistema ya que impiden el escape
de estos gracias a su baja permeabilidad. En general está conformada por rocas arcillosas o
precipitación de sales de las fuentes termales.

Figura 2. Sistema geotérmico estándar [4].

2.3.-Tipos de sistemas geotérmicos.

Estos dependen principalmente de los 4 puntos mencionados en la sección anterior, es decir, de la
fuente de calor, la entalpía del fluido, de la recarga de agua y de la geología local del sistema. Se
clasifican en:

Sistemas de agua caliente: Son reservas de baja entalpía donde el agua tiene una temperatura
entre 30°C y 100°C.

Sistemas de agua-vapor o agua dominante: Son sistemas con media y alta entalpía. Contienen
agua a temperaturas superiores a los 100 °C llegando hasta los 350 °C (Cerro Prieto, México). Se
encuentran bajo presión, permitiendo que el agua se encuentre en estado líquido incluso cuando
su temperatura supera los 100 °C. Actualmente es el tipo de sistema geotérmico más explotado.

Sistemas de vapor seco o de vapor dominante: En este tipo de sistema la separación de la fase
gaseosa de produce dentro del reservorio, entregando vapor saturado o sobrecalentado. Debido a
la naturaleza del fenómeno, son sistemas poco comunes.

Sistemas de rocas secas calientes: Consisten en regiones con un alto flujo energético que,
debido a la impermeabilidad no tienen circulación de agua dificultando la transferencia de calor

hacia la superficie. Actualmente se trabaja en permeabilizar artificialmente el reservorio para
poder aprovechar esta fuente de calor.

2.4.-Exploración de recursos geotérmicos.

La exploración es necesaria para determinar la presencia de un posible sistema geotérmico
utilizable, sus características (potencial, temperaturas, entalpía, presión, etc.), ubicar las áreas de
producción y determinar los parámetros económicos y ambientales de una futura explotación.
Para esto se utilizan distintos métodos de exploración:

Estudios Geológicos e Hidrogeológicos.

Todos los programas de exploración comienzan con estos estudios, ya que identifican la
ubicación y área a estudiar con mayor detalle y recomienda métodos de exploración adecuados
para la zona seleccionada. La información obtenida en este estudio es útil para la interpretación
de datos obtenidos con otros métodos de exploración, elaborar un modelo del sistema geotermal y
evaluar el potencial del recurso.

Prospecciones geoquímicas.

Están enfocadas en el estudio de los fluidos geotermales (líquido, vapor, y gas) y juegan un rol
importante en todas las etapas del desarrollo geotérmico.

Permite inferir las características de los fluidos del reservorio, determinar la temperatura mínima
esperada en profundidad y la fuente de recarga del agua.

También entrega información acerca de posibles problemas durante la etapa de re-inyección;
como asimismo acerca de posibles cambios en la composición del fluido, corrosión e incrustación
en los ductos y en los equipos de la planta, impacto ambiental y la forma de cómo evitarlos o
aminorarlos. Los estudios geoquímicos proporcionan datos útiles para planificar la exploración y
sus costos son relativamente bajos en comparación con otros métodos exploratorios más
sofisticados.

Prospecciones geofísicas.

Su objetivo es obtener distintos parámetros físicos como: Temperatura, conductividad eléctrica,
velocidad de propagación de ondas elásticas, densidad y susceptibilidad magnética a través de
prospecciones térmicas, métodos eléctricos y electromagnéticos, prospecciones sísmicas,
prospecciones gravimétricas y prospecciones magnéticas respectivamente. Particularmente, las
técnicas termales pueden proporcionar una buena aproximación acerca de la temperatura en el
techo del reservorio.

Perforación de pozos exploratorios.

Es la etapa final del programa de exploración geotérmica y permite determinar las características
reales de un reservorio para luego determinar el potencial. De esta manera se pueden verificar

todas las hipótesis y los modelos elaborados a partir de los resultados de las exploraciones de
superficie iniciales y, por último, determinar si el reservorio es productivo.

2.5.-Recurso.

El tipo de recurso depende de la temperatura. Se clasifica en los siguientes sub grupos [5]:

 Alta entalpía: Para temperaturas mayores que 150 °C. Una temperatura superior a 150 °C
permite transformar directamente el vapor de agua en energía eléctrica.
 Media entalpía: La temperatura se encuentra entre 90°C y 150 °C. Permite producir
energía eléctrica utilizando un fluido de intercambio, que es el que alimenta a las
centrales.
 Baja entalpía: La temperatura del recurso es menor a 90 °C. Su contenido en calor es
insuficiente para producir energía eléctrica, pero es adecuado para calefacción y
determinados procesos industriales y agrícolas.
2.6.-Aplicaciones.

Las aplicaciones de este tipo de energía pueden ser térmicas o eléctricas, pero dependen del
recurso disponible.

Las aplicaciones térmicas son comunes en fuentes de baja y media entalpía. En general apuntan a
sectores industriales, servicios y residencia.

 Sectores industriales: En procesos donde es necesario el aporte de calor, vapor, etc.
 Residencia: La energía es usada para calentar agua potable sanitaria.
 Climatización: El subsuelo contiene temperaturas constantes en el año debido a la inercia
térmica de la tierra. La temperatura aumenta con la profundidad, pero a 10 metros bajo el
suelo es posible encontrar temperaturas del orden de 17ºC. Se puede obtener energía
utilizando bombas de calor para calefacción durante el invierno o refrigeración durante el
verano.
Las aplicaciones eléctricas son algunas de las posibles opciones que tienen las fuentes de alta y
media entalpía que, por medio de ciclos térmicos, permiten la generación de potencia. Para esto
se han desarrollado distintas configuraciones de ciclos termodinámicos que van desde unos
cientos de kW hasta proyectos de mayor capacidad. Sin embargo los costos de perforación hacen
viables sólo grandes proyectos.

La generación de potencia por medio de recursos geotérmicos tiene un alto factor de planta.
Normalmente está en un rango desde 80% hasta 95% (ETSAP, 2010). En términos generales las
tecnologías empleadas son de alta eficiencia en el caso de generación de energía geotérmica, con
un rango entre 40% y 65% para generación térmica y entre 10% y 18% para generación deelectricidad. [CEC, 2009]. Los costos de inversión dependen del tamaño de la instalación y de la
temperatura que se pueda obtener del recurso geotérmico.

Las principales barreras son la escasa identificación y catastro de las fuentes disponibles, el alto
costo de inversión, sus altos riesgos de exploración y desarrollo y la escasa cultura local en
geotermia.

2.7.-Geotermia en chile.

Chile es un país de gran actividad volcánica ya que pertenece al cinturón de fuego del Pacífico.
Es por esto que el potencial geotérmico utilizable en ciclos de potencia es enorme, llegando a los
16.000 MW por al menos 50 años en recursos de alta entalpía a profundidades inferiores a 3.000
m (Lahsen, 1986). Por otro lado, estudios de mercado indican un potencial entre 810 y 3150 MW
para el año 2021 (Comisión asesora para el desarrollo eléctrico (CADE), 2011), el que seguirá
aumentando con el tiempo, ya que el año 2013 el Comité Técnico de la Plataforma de Escenarios
Energéticos Chile 2013 estimó que la capacidad de instalación de energía geotérmica para el año
2030 estaba entre 1750 y 5200 MW.

La primera exploración en el país tomo lugar en el norte de Chile el año 1907 en un campo de
géiseres. En 1920 se realizó el primer programa de exploración en Antofagasta y , después de 48
años (1968), comenzaron las exploraciones geotérmicas de una manera más sistemática a través
de un convenio entre el Gobierno de Chile y el PNUD, donde se creó el Comité para el
Aprovechamiento de la Energía Geotérmica, cuya función fue “programar, dirigir y realizar
investigaciones y trabajos en las zonas que existan recursos geotérmicos, encaminados a
establecer las posibilidades más adecuadas de explotación de los mismos”.

La primera ley que regulaba la energía geotérmica fue promulgada el año 2000 pero demoró 4
años para que las normas de procedimiento para la aplicación de la ley se publicaran. Ésta
promovía la exploración y explotación de los recursos geotérmicos para el sector privado,
otorgando concesiones de exploración y explotación. El año 2013 se realizaron mejoras en las
reglas de procedimiento que agilizaron el proceso de concesión y otorgaron a las empresas un
mayor plazo sobre los derechos de desarrollo.

En el norte y centro-sur de Chile existe una cantidad considerable de recursos geotérmicos con
temperatura adecuada para el desarrollo geotérmico (200°-250°C) que podrían ser utilizados para
la generación de electricidad. La llegada del gas natural retrasó el desarrollo de diferentes
proyectos debido a su bajo costo. Sin embargo, las condiciones actuales de racionamiento de gas
por parte de Argentina han vuelto a encender las alarmas con respecto a la diversificación y el
avance de proyectos geotérmicos en el norte del país.

Las exploraciones toman lugar mayoritariamente en las zonas volcánicas del norte de chile,
donde hay cerca de 90 áreas térmicas y sobre 47 concesiones de exploración. En las zonas
volcánicas del centro-sur hay sobre 200 áreas geotermales (Lahsen et al., 2010) y sobre 32
concesiones de exploración. La figura 3 muestra las concesiones geotermales en el país en
noviembre del año 2013 (Ministerio de energía), las que se han mantenido intactas hasta junio del
2014 ya que no se han publicado concesiones de exploración ni explotación hasta esa fecha
(fuente: SERNAGEOMIN).

Figura 3. Concesiones geotérmicas por área, Noviembre 2013 (Ministerio de energía) [6].
2.8.-Yacimientos geotérmicos considerados.

A continuación se entrega una breve descripción
1
de los yacimientos geotérmicos considerados
en este estudio en base a la información otorgada por el Centro de Excelencia en Geotermia de
Los Andes (CEGA). Los recursos geotermales estudiados corresponden a 16 yacimientos
ubicados a lo largo del territorio chileno.
Tacora.

Figura 4. Ubicación yacimiento geotérmico Tacora.

1
Fuente de datos y descripciones: Geothermal Potential Evaluation for Chile; www.odea.cl para datos
meterorológicos; http://agromet.inia.cl/estaciones, consultando por cada estación meteorológica respectiva a cada

Tacora es un volcán 5.980 m de altura ubicado en el borde norte entre Chile y Perú, longitud -
69.77 y latitud -17.72. Se caracteriza por la intensa actividad de emisión de gas volcánica, con
áreas hidrotermales blancas extendidas al noroeste de la estructura volcánica.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 270 y 310 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Visviri son: Temperatura del
aire: 6°C, Humedad relativa 38%, Presión 0,5 [bar].
Colpitas.

Figura 5. Ubicación yacimiento geotérmico Colpitas.

La fuente geotermal Colpitas está ubicada en el norte de Chile, cerca de la localidad de Colpitas,
en la Región de Arica y Parinacota, longitud -69.433 y latitud -17.917.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 180 y 220 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Visviri son: Temperatura del
aire: 6°C, Humedad relativa 38%, Presión 0,5 [bar].

Surire.

Figura 6. Ubicación yacimiento geotérmico Surire.

El recurso termal de Surire está ubicada en el norte de Chile, al sur de los salares de Surire y al
este del volcán Polloquere, longitud -69 y latitud -18.9.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 150 y 180 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Lago Chungará son:
Temperatura del aire 2°C, Humedad relativa 49,4 %, Presión 0,591 [bar].

Puchuldiza.

Figura 7. Ubicación yacimiento geotérmico Puchuldiza.

El sistema geotermal de Puchuldiza está ubicado en la Región de Tarapacá, al norte de Chile,
longitud -69.98 y latitud -19.41. Es un gran campo termal con más de 100 manifestaciones
termales entre fuentes termales, piscinas de agua y geysers.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 200 y 249 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica M003Q-Camiña son:
Temperatura del aire 4,8 °C, Humedad relativa 51,9 %, Presión 0,608 [bar].

Pampa Lirima.

Figura 8. Ubicación yacimiento geotérmico Pampa Lirima.

Pampa Lirima es una fuente termal ubicada en el Altiplano en el norte de Chile, entremedio de
una cadena volcánica de la Cordillera de los Andes, longitud -68.9 y latitud -19.85.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 180 y 200 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por el programa Retscreen son: Temperatura del aire 4,8 °C,
Humedad relativa 51,9 %, Presión 0,608 [bar].

Irruputuncu.

Figura 9. Ubicación yacimiento geotérmico Irruputuncu.

Irruputuncu es una fuente geotermal ubicada en el sudeste de la Región de Tarapacá, en el norte
de Chile, longitud -68.558 y latitud -20.713.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 150 y 195 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Ollagüe son: Temperatura del
aire 8 °C, Humedad relativa 23,25 %, Presión 0,655 [bar].

Apacheta.

Figura 10. Ubicación yacimiento geotérmico Apacheta.

Se encuentra ubicado en la II Región de Antofagasta, longitud -68.15 y latitud -21.84. Para este
recurso se cuenta con datos de dos pozos; CP-1 y CP-2 [7]. Al mezclar los fluidos de salida de
cada una de estas perforaciones se obtiene un recurso final que se resume en la tabla 1.

Tabla 1. Resumen recurso Apacheta.
Temperatura [C] Presión boca de pozo [bar] Flujo másico [kg/s] Título de vapor
182,4 10,577 94,9 0,28

Las condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Caspana son: Temperaturadel aire 10,7 °C, Humedad relativa 52,2 %, Presión 0,69 [bar].

El Tatio.

Figura 11. Ubicación yacimiento geotérmico El Tatio.

El campo geotermal El Tatio se encuentra ubicado al noreste de la II Región de Antofagasta,
longitud -68.01 y latitud -22.33, y es uno de los campos geotermales más grandes de Sudamérica.

Este reservorio cuenta con mediciones de pozo. Al combinar los caudales de los pozos perforados
se obtiene un recurso que se resume en la tabla 2.

Tabla 2. Resumen recurso El Tatio.
Temperatura [C] Presión boca de pozo [bar] Flujo másico [kg/s] Título de vapor
171,6 8,5 186,7 0,18

Por último, las condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Caspana
indican una temperatura del aire de 10,7 °C, humedad relativa 52,2 % y presión 0,69 [bar].

La torta.

Figura 12. Ubicación yacimiento geotérmico La Torta.

El sistema geotérmico La Torta se encuentra ubicado en la II Región, longitud -67.97 y latitud -
22.42, al borde este de la cadena volcánica El Tatio, al norte del volcán Tocorpuri, y a 100 km de
la ciudad de Calama.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 225 y 270ºC, y las
condiciones ambientales según la estación meteorológica Caspana son: Temperatura del aire
10,7°C, Humedad relativa 52,2%, Presión 0,69 [bar].

Juncalito.

Figura 13. Ubicación yacimiento geotérmico Juncalito.

El recurso geotérmico Juncalito se encuentra ubicado en la III Región de Atacama, longitud -
68.82 y latitud -26.51, a 85 km al este de El Salvador. La fuente geotérmica se encuentra en la
Cordillera Claudio Gay, al este de la cadena volcánica Los Cuyanos, en donde Sierra Nevada
tiene la principal actividad volcánica.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 200 y 250ºC, y las
condiciones ambientales según la estación meteorológica Amolana Copiapó 2 son: Temperatura
del aire 17,48 °C, Humedad relativa 40%, Presión 0,892 [bar].

Tinguiririca.

Figura 14. Ubicación yacimiento geotérmico Tinguiririca.

Se encuentra ubicado en la cordillera de la VI Región, longitud -70.38 y latitud -34.85, a 90 km al
este de San Fernando.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 210 y 300 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por el programa Retscreen
2
son: Temperatura del aire 14,3
°C, Humedad relativa 52,2 %, Presión 0,9164 [bar].

2
RETScreen es un software de gestión de energías limpias utilizado para analizar proyectos energéticos. Fuente:
www.retscreen.net

Laguna del Maule.

Figura 15. Ubicación yacimiento geotérmico Laguna del Maule.

El sistema geotérmico Laguna del Maule se encuentra ubicado en la VII Región, longitud -70.53
y latitud -36.06, a 77 km al este de Linares. Se extiende desde el volcán San Pedro hasta el
complejo volcánico Laguna del Maule.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 210 y 300 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Santa Rosa son: Temperatura
del aire 13,2 °C, Humedad relativa 74,8 %, Presión 0,994 [bar].

Nevados de Chillán.

Figura 16. Ubicación yacimiento geotérmico Nevados de Chillán.

El área termal de los Nevados de Chillán se encuentra ubicada en la cordillera de la VIII Región,
longitud -71.4 y latitud -36.9.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 220 y 260 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica Polcura son: Temperatura del
aire 9,4 °C, Humedad relativa 63,6 %, Presión 0,9 [bar].

Tolhuaca.

Figura 17. Ubicación yacimiento geotérmico Tolhuaca.

Este recurso geotérmico Tolhuaca se encuentra ubicado en la IX Región, longitud -71.66 y latitud
-38.31, cercano a la ciudad de Curacautín.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 250 y 300 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica San Luís son: Temperatura del
aire 9,95 °C, Humedad relativa 81,7 %, Presión 0,795 [bar].

Sierra Nevada.

Figura 18. Ubicación yacimiento geotérmico Sierra Nevada.

Este potencial recurso geotérmico es encuentra ubicado en la IX Región, longitud -71.58 y latitud
-38.586.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 200 y 215 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por la estación meteorológica San Luís son: Temperatura del
aire 9,95 °C, Humedad relativa 81,7 %, Presión 0,795 [bar].

Cordón Caulle.

Figura 19. Ubicación yacimiento geotérmico Cordón Caulle.

El campo geotermal Cordón Caulle se encuentra ubicado en la X Región, longitud -72.16 y
latitud -40.49, a 65 km al este de la cuidad de Osorno.

La temperatura estimada de esta fuente geotermal se encuentra entre los 240 y 300 ºC, y las
condiciones ambientales entregadas por el programa Retscreen son: Temperatura del aire 7,6 °C,
Humedad relativa 83,2 %, Presión 0,993 [bar].

2.9.-Sistemas termodinámicos actuales para recursos de media y alta entalpía.

Debido a la variedad de recursos geotérmicos es que hay distintas configuraciones que permiten
aprovechar las fuentes de calor para obtener energía eléctrica. Estas dependen en general de la
temperatura, presión, caudal, título y composición del fluido. La generación de potencia es viable
para recursos de media y alta entalpía. Actualmente hay distintas configuraciones genéricas para
la obtención de potencia:
 Sistemas de conversión directa
 Sistemas de expansión súbita de una etapa
 Sistemas de expansión súbita de doble etapa
 Sistemas de ciclo binario
 Sistemas combinados

2.9.1.-Sistemas de conversión directa.

Esta configuración es la más sencilla para el aprovechamiento de geotermia de las cuatro
planteadas. Esta se utiliza en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el vapor saturado o
sobresaturado. Para comenzar se separan las partículas y no condensables (CO2 Y H2S) para
evitar la corrosión que estos conllevan. Después de esto el vapor se inyecta directamente a la
turbina donde se genera el salto entálpico que da paso a la generación de potencia eléctrica. A
continuación de la turbina el fluido sale con menor entalpía, menor presión y un título
característico por lo que es necesario disminuir su entalpía por medio de la refrigeración del ciclo
hasta que el fluido sea un líquido saturado y pueda ser reinyectado al pozo. La figura 20 muestra
el esquema de esta configuración.

Figura 20.Sistema de conversión directa [8].

2.9.2.-Sistemas de expansión súbita de una etapa o simple flash.

Cuando predomina el vapor húmedo, se utiliza el tipo de sistemas de expansión súbita o flash
(figura 21). Al ascender el vapor húmedo puede sufrir una evaporación súbita debido a la caída
de presión o se puede encontrar a una presión cercana a la del acuífero. En general el fluido es
una mezcla de agua-vapor con líquido dominante (esto depende de cada reservorio), por lo que es
necesario que llegue a un separador de fase con menor presión que se encarga de enviar el vapor
saturado a la turbina y el líquido al pozo de reinyección. Generalmente, se suele tratar de evitar la
evaporación súbita de la salmuera manteniendo bajo presión el pozo de extracción (lo que
requiere energía extra). De esta forma se impide la formación de depósitos de minerales sobre las
paredes del pozo, que podrían llegar a provocar obstrucciones.

Figura 21. Sistemas de conversión por evaporación súbita [8].

2.9.3.-Sistemas de expansión súbita de doble etapa o doble flash.

En estos sistemas existen dos etapasde expansión que tienen la función de aumentar el
rendimiento del ciclo. Al ascender, el vapor húmedo puede sufrir una evaporación súbita debido a
la caída de presión o se puede encontrar a una presión cercana a la del acuífero. En general el
fluido es una mezcla de agua-vapor con líquido dominante (esto depende de cada reservorio), por
lo que es necesario que llegue a un separador de fase con menor presión que se encarga de enviar
el vapor saturado a una turbina de alta presión y la salmuera a otra cámara de expansión de menor
presión. Esta genera vapor adicional en el ciclo en relación al sistema de simple flash, enviando el
vapor saturado a una turbina de menor presión. A esta turbina llega, adicionalmente, el fluido de
salida de la primera turbina. La potencia generada es la suma de las potencias ambas turbinas.
Gracias a la segunda expansión se genera más vapor teniendo una mayor eficiencia que en el
sistema de simple flash.

Figura 22. Sistema de expansión súbita de dos etapas [8].

2.9.4.-Sistemas de ciclo binario.

En general se utilizan en yacimientos de media entalpía ya que el fluido es un líquido dominante
de baja temperatura, por lo que aplicar un ciclo simple flash o doble flash implica obtener una
baja eficiencia termodinámica. Es por esto que usa un fluido de trabajo o una combinación de 2
fluidos que tienen un punto de ebullición menor al del agua (isobutano, isopentano, Amoníaco-
Agua, etc.)
Ciclo Rankine orgánico.

Como se muestra en la figura 23, El ciclo Rankine orgánico está dividido en dos circuitos, uno
primario y otro secundario. La salmuera geotérmica se bombea manteniendo la presión a la que
se encuentra en el yacimiento hidrotérmico evitando su evaporación súbita y se pone en contacto
a través de un intercambiador de calor con el fluido de trabajo a evaporar. Se produce la
transferencia de calor entre ambos circuitos y el vapor generado del fluido de trabajo es dirigido a
la turbina.

Figura 23. Sistema Rankine orgánico [8].

Ciclo Rankine orgánico regenerativo.

Este ciclo es similar al Rankine orgánico. La diferencia entre ambos radica en que este ciclo
utiliza un intercambiador de calor que recupera calor, es decir, se realiza un intercambio térmico
entre el fluido que sale de la turbina y el que está a continuación de la bomba de agua, obteniendo
una mayor cantidad de energía, mejorando la eficiencia y aumentando la potencia obtenible para
el mismo recurso.

Figura 24. Sistema Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia].

Ciclo Kalina.

Este ciclo termodinámico es orientado a yacimientos de media entalpía. Es de la familia de los
ciclos binarios pero, a diferencia de los casos anteriores, utiliza una mezcla de fluidos; amoniaco-
agua. Los porcentajes de cada componente de la solución varían a lo largo del ciclo. Este cambio
de composición corresponde a un grado de libertad adicional respecto a otro fluido de trabajo en
un ciclo binario ya que las propiedades termodinámicas de la mezcla varían junto a la variación
de la fracción másica del amoniaco. Debido a la presencia fluidos con distintas propiedades los
intercambios de energía se realizan a temperatura variable, aprovechando de mejor manera el
intercambio térmico reduciendo, por ejemplo, la cantidad de agua de refrigeración, ya que el agua
refrigerante puede llegar a una temperatura superior en relación a los ciclos expuestos
anteriormente.

Como muestra la figura 25, esta configuración termodinámica consta de un separador posterior al
evaporador que se encarga de separar la fase gaseosa de la líquida. Después de esto el líquido se
dirige a un recuperador de calor. El resto del fluido se va a la turbina donde se obtiene la potencia
eléctrica. A continuación se mezclan nuevamente los fluidos remanentes del recuperador de calor
y de la turbina y entregan energía en otro recuperador de calor. Luego el fluido pierde energía en
el condensador hasta convertirse completamente en líquido. Una vez que esto se logra la bomba
se encarga de entregar la presión necesaria a la solución que, posteriormente, ganara energía en
los dos recuperadores de calor y por último en el intercambio térmico con el fluido geotermal.

Figura 25. Ciclo Kalina [Elaboración propia].

2.9.5.-Sistemas de ciclo combinado.

Son sistemas que se utilizan para mejorar el aprovechamiento de la energía entregada por el
yacimiento geotermal y, de esta manera, generar más potencia que en el caso en que se utilicen
los ciclos por separado (figura 26). En general se utilizan ciclos se expansión súbita donde la
salmuera remanente del separador entrega la energía necesaria por medio de un intercambiador
de calor a un ciclo binario cuyo fluido de trabajo tiene una menor temperatura de vaporización.
De esta manera se puede utilizar el fluido geotérmico en su cabalidad ya que el vapor pasa por
una turbina de vapor perteneciente al ciclo de expansión súbita y la salmuera es la fuente
energética del ciclo binario, generando mayor potencia gracias a la adición del ciclo binario.
Actualmente sólo se utilizan combinaciones con ciclos de expansión súbita de una etapa dentro
de estos sistemas termodinámicos.

Figura 26. Ciclo combinado [9].

3.-Termodinámica de los ciclos estudiados.

A continuación se presenta un análisis termodinámico de los procesos involucrados en la
generación de potencia eléctrica por medio de distintos ciclos. Estos fueron programados en el
software EES como se puede ver en las secciones A, B, C, D, E, F, G y H de los anexos. Los
sistemas estudiados y programados son:

 Ciclo de expansión súbita
 Ciclo de doble expansión súbita
 Ciclo Rankine orgánico
 Ciclo Rankine orgánico regenerativo
 Ciclo Kalina
 Ciclo de expansión súbita combinado
 Ciclo de doble expansión súbita combinado

3.1.- Ciclo de expansión súbita.

Como muestra la figura 27 el fluido se encuentra en un estado inicial (punto 1) caracterizado por
una entalpía, presión, temperatura y título. Luego, al ingresar al separador (punto 2) las
propiedades cambian a excepción de la entalpía que se mantiene constante. El título, que
representa el porcentaje de vapor en el fluido, se puede calcular según la fracción entre la
diferencia de entalpías del estado 2-3 y 4-3. El estado 3 representa al líquido saturado obtenido en
el separador y el estado 4 al vapor saturado obtenido en el mismo.

Figura 27. Diagrama T-s, Central de Expansión Súbita [8].

El salto entálpico que genera potencia en la turbina ocurre entre los puntos 4 y 5. El punto 4
indica la entrada a la turbina y el 5 la salida a esta.

Para calcular la entalpia con que sale el vapor de la turbina se utiliza la fórmula de la eficiencia
isoentrópica de la turbina y se considera una temperatura en el punto 6 impuesta (el estado 5s
representa la entalpia del fluido en la salida de la turbina suponiendo un proceso isoentrópico).
Por lo tanto:

Debido a la necesidad de condensar el vapor húmedo en el punto 5 es que se utiliza un fluido
externo, en general agua. Por lo tanto el flujo másico de refrigerante necesario es:

Por último, para obtener la potencia de salida se utiliza la siguiente expresión:

3.2.-Ciclo de doble expansión súbita.

Como muestra la figura 28, el fluido se encuentra en un estado inicial (punto 1) caracterizado por
una entalpía, presión, temperatura y título. Luego, al ingresar al separador (punto 2) las

(1)

̇ ̇

(2)

(3)

̇ ̇ ̇

(4)

̇ ̇ ̇

(5)

(6)

(7)

̇ ̇
(8)

̇
̇̇

(9)

propiedades cambian a excepción de la entalpía que se mantiene constante. El título, que
representa el porcentaje de vapor en el fluido, se puede calcular según la fracción entre la
diferencia de entalpías del estado 2-3 y 4-3. El estado 3 representa al líquido saturado obtenido en
el separador y el estado 4 al vapor saturado obtenido en el mismo.

Figura 28. Diagrama T-s, central de doble expansión súbita [8].

(10)

̇ ̇
(11)

(12)

̇ ̇ ̇

(13)

̇ ̇ ̇
(14)

El salto entálpico que genera potencia en la turbina de alta presión ocurre entre los puntos 4 y 5.
El punto 4 indica la entrada a la turbina y el 5 la salida a esta.

Para calcular la entalpia con que sale el vapor de la turbina se utiliza la fórmula de la eficiencia
isoentrópica de la turbina donde el subíndice 5s representa una expansión isoentrópica.

En el segundo proceso de expansión (estado 6) se mantiene constante la entalpía. El título del
vapor generado se calcula como indica la fórmula.

Los flujos másicos resultantes de este segundo proceso de expansión son:

Luego, el punto de entrada a la turbina de baja presión (estado 9) es un punto representativo de la
mezcla de los fluidos del punto 8 y 5, por lo que el flujo másico y la entalpía se calculan según:

Por lo tanto el salto entálpico de la turbina de baja presión está representado por transición del
estado 9 al 10 y se calcula de la misma manera que en la turbina de alta presión.

(15)

(16)

(17)

(18)

̇ ̇ ̇
(19)

̇ ̇ ̇
(20)

̇ ̇ ̇ ̇
(21)

(22)

Debido a la necesidad de condensar el vapor húmedo en el punto 10 es que se utiliza un fluido
externo, en general agua. Por lo tanto el flujo másico de refrigerante necesario es:

Por último, para obtener la potencia de la turbina de alta presión (TAP) y de baja presión (BAP)
se deben utilizar las siguientes expresiones:

La potencia total generada con el ciclo Doble Flash es

3.3.-Ciclo Rankine orgánico.

La figura 29 muestra el comportamiento de un ciclo Rankine orgánico típico. Para comenzar el
fluido seleccionado debe ser bombeado para aumentar la presión. El líquido se encuentra a baja
presión en el punto 4 pero, gracias al trabajo suministrado por la bomba, aumenta su presión
considerablemente hasta el punto 5. El trabajo suministrado por la bomba se calcula como
muestra la ecuación.

(23)

(24)

̇ ̇
(25)

̇
̇

(26)

̇
̇

̇ ̇

(27)

̇ ̇ ̇
(28)

( )

(29)

̇
̇

(30)

Figura 29. Diagrama T-s, Ciclo Rankine orgánico [Elaboración propia].

Después, gracias al aporte del fluido geotérmico, el fluido de trabajo (subíndice FT) aumenta su
entalpia hasta evaporar (estado 1). Es en este punto donde ingresa a la turbina. Las ecuaciones
que gobiernan el intercambio térmico están en función del fluido geotérmico (subíndice FG) de
entrada (subíndice a) y de salida (subíndice c).

Es importante mencionar que para todos los intercambios térmicos se considera que la menor
diferencia de temperaturas entre el fluido de trabajo y el geotermal es (pinch point) y
depende de cada intercambiador de calor.

El salto entálpico que caracteriza la potencia obtenida en la turbina (subíndice t) está dado por la
diferencia de entalpías entre la entrada a la turbina (estado 1) y la salida a la turbomáquina (punto
2). De esta manera la potencia se calcula como:

Dado que este es un ciclo cerrado es necesario disminuir la entalpía desde el estado 2 hasta el
estado 4. Esto se realiza por medio de refrigeración. El fluido refrigerante (subíndice FR) en
general es agua debido a la abundancia y a su capacidad calórica. De esta manera se realiza un
intercambio térmico entre el fluido de trabajo y el refrigerante, donde los subíndices E y S
representan el líquido refrigerante de entrada y salida respectivamente.
̇ ̇

(31)

(32)

̇
̇

(33)

3.4.-Ciclo Rankine orgánico regenerativo.

Este ciclo opera de manera similar a un ciclo Rankine normal, la diferencia radica en que en este
caso se utiliza un intercambiador de calor entre la salida de la turbina y el fluido que sale de la
bomba, añadiendo energía extra al ciclo generando un aumento en la potencia de salida.

Para comenzar el fluido seleccionado debe ser bombeado para aumentar la presión. El líquido se
encuentra a baja presión en el punto 4 y, gracias al trabajo suministrado por la bomba, aumenta su
presión considerablemente hasta el punto 5. El trabajo suministrado por la bomba se calcula
como muestra la ecuación.

Figura 30. Diagrama T-S, Ciclo Rankine orgánico regenerativo [Elaboración propia].

A continuación se realiza un intercambio térmico con el fluido que sale de la turbina. Los puntos
5, 5x, 2 y 2x en la figura 30 dan cuenta de este proceso. Es importante considerar que la
temperatura en el punto 2x debe ser superior a la temperatura en el punto 5 y que la temperatura
de reinyección debe ser mayor a la temperatura en el punto 5x. Esto se debe a que en el
intercambio térmico el fluido geotermal no puede llegar a una temperatura menor que la que tiene
el fluido orgánico en la entrada del intercambiador de calor. En general estas diferencias de
temperaturas son cercanas a los 5°C [9].

̇ ̇

(34)

( )

(35)

̇
̇

(36)

En este punto la máxima temperatura del ciclo binario debe ser menor a la del fluido geotermal.

Dado que este es un ciclo cerrado es necesario disminuir la entalpía desde el estado 2x hasta el
estado 4. Esto se realiza por medio de refrigeración. El fluido refrigerante (subíndice FR) en
general es agua debido a la abundancia y a su capacidad calórica. De esta manera se realiza un
intercambio térmico entre el fluido de trabajo y el refrigerante, donde los subíndices E y S
representan el líquido refrigerante de entrada y salida respectivamente.

(37)

(38)

̇ ̇

(39)

̇ ̇

(40)

(41)

(42)

̇
̇(43)

̇ ̇

(44)

3.5.-Ciclo Kalina.

Este ciclo binario es más complicado que los anteriores ya que posee más grados de libertad.
Tiene dos recuperadores de calor y utiliza una solución de dos fluidos que varían su
concentración en los distintos puntos del ciclo termodinámico. La figura 31 muestra la evolución
de la mezcla de amoniaco con agua a medida que se avanza en el ciclo según la figura 25 de la
sección 2.9.4.

Figura 31. DiagramaT-s, Ciclo Kalina [Elaboración propia].

Para comenzar la solución de agua y amoníaco es bombeada, aumentando su presión desde el
punto 7 al 8. El trabajo realizado por la bomba se calcula como se muestra a continuación.

A continuación el fluido entra al primer recuperador de calor, aumentando su entalpía.

Luego se dirige al segundo recuperador de calor aumentando aún más su entalpia. Cabe notar que
la temperatura de salida de este recuperador (punto 9) debe ser menor a la temperatura de
reinyección del fluido geotermal. Se utiliza la misma diferencia mínima de temperaturas que en
los ciclos anteriores.

(45)

̇
̇

(46)

̇ ̇

(47)

(48)

̇ ̇

(49)

Una vez que el líquido saturado sale del segundo recuperador ingresa al generador de vapor,
donde intercambia calor con el fluido geotermal. La temperatura máxima obtenida en este ciclo
debe ser menor a la temperatura del fluido geotermal.

Una vez que la mezcla de amoniaco y agua aumentan su temperatura ingresan a un separador.
Este separa la fase liquida de la gaseosa. La fase gaseosa (punto 2) se va a la turbina mientras que
la fase liquida (punto 4) es utilizada en los recuperadores de calor, precalentando el fluido.

Para obtener la potencia eléctrica generada se considera la ecuación de la eficiencia isoentrópica
de la turbina.

El resto del líquido se dirige a un recuperador de calor, entregando energía como se vio
anteriormente pero, al tener una alta presión, es necesario disminuirla, pasando por una válvula
que expande el fluido disminuyendo la presión a entalpia constante.

Una vez que se igualan presiones de los fluidos remanentes de la turbina y recuperador de calor,
estos se combinan nuevamente y se dirigen al primer recuperador de calor.

Por último, para condensar la mezcla es que se pasa por un condensador cuyo fluido refrigerante
(subíndice FR) es agua. De esta manera se realiza un intercambio térmico entre el fluido de

(50)

̇ ̇

(51)

̇ ̇

(52)

̇ ̇

(53)

(54)

̇
̇

(55)

(56)

̇ ̇ ̇
(57)

trabajo y el refrigerante, donde los subíndices E y S representan el líquido refrigerante de entrada
y salida respectivamente.

Para que el agua circule es necesaria la presencia de una bomba de agua que utiliza como fluido
agua a presión atmosférica (atm).

3.6.-Ciclo de expansión súbita combinado.

Estas centrales utilizan una combinación de un ciclo de expansión súbita de una etapa y un ciclo
binario, en este caso un ciclo Rankine orgánico. La unión de estos dos ciclos es mediante un
intercambiador de calor que sirve como generador de vapor en el ciclo binario. La figura 32
muestra el comportamiento termodinámico para esta configuración.

Inicialmente el fluido geotérmico se encuentra con una presión, temperatura y título
característicos (estado 1). Después ocurre el proceso de expansión súbita donde disminuye la
presión para aumentar el título de vapor a entalpia constante (punto 2).

̇ ̇

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(59)

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̇

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(61)

̇ ̇
(62)

Figura 32. Diagrama T-s , Ciclo de expansión súbita combinado [Elaboración propia].

A continuación el fluido ingresa al separador donde se separa la fase liquida de la gaseosa. Como
se mencionó en la sección anterior, el título, que representa el porcentaje de vapor en el fluido, se
puede calcular según la fracción entre la diferencia de entalpias del estado 2-3 y 4-3. El estado 3
representa al líquido saturado obtenido en el separador y el estado 4 al vapor saturado obtenido
en el mismo.

El flujo másico que se utiliza como fuente energética del ciclo binario es la salmuera remanente
del separador.

El salto entálpico que genera potencia en la turbina ocurre entre los puntos 4 y 5. El punto 4
indica la entrada a la turbina y el 5 la salida a esta.

Para calcular la entalpía con que sale el vapor de la turbina se utiliza la fórmula de la eficiencia
isoentrópica de la turbina y se considera una temperatura de reinyección (punto 6) impuesta (el
estado 5s representa la entalpia del fluido en la salida de la turbina suponiendo un proceso
isoentrópico). Por lo tanto:

(63)

̇ ̇ ̇
(64)

̇ ̇ ̇
(65)

Debido a la necesidad de condensar el vapor húmedo en el punto 5 es que se utiliza un fluido
externo, en general agua. Por lo tanto el flujo másico de refrigerante necesario es:

Por último, para obtener la potencia de la turbina se utiliza la siguiente expresión:

El ciclo binario opera de la misma manera que el descrito en la sección anterior. La única
diferencia radica en la fuente energética. Es decir, inicialmente el fluido orgánico debe ser
bombeado para aumentar la presión desde el punto R4 hasta el punto R5.

Es en este punto donde se unen los dos ciclos. La salmuera obtenida a continuación del separador
entrega energía al fluido orgánico por medio de un intercambiador de calor. La temperatura
máxima del ciclo binario (punto R1) debe ser menor a la temperatura de la salmuera (punto 3). La
temperatura de reinyección (punto 6) debe ser mayor a la temperatura en la salida de la bomba
(punto R5).

(66)

(67)

̇ ̇
(68)

̇
̇

(69)

( )

(70)

̇
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(71)

(72)

(73)

̇ ̇

(74)

Una vez que el fluido orgánico se encuentra en estado gaseoso hace ingreso a la turbina donde la
potencia se obtiene en función de la diferencia de entalpías entre la entrada a la turbina (estado
R1) y la salida a la turbomáquina (punto R2). Para calcular la entalpia en el punto R2 se usa la
ecuación de eficiencia isotrópica en la expansión de la turbina.

Para disminuir la entalpía desde el estado R2 al R4 se realiza la misma operación que en la
ecuación 68.

3.7.-Ciclo de doble expansión súbita combinado.

Esta configuración combina un ciclo de expansión súbita de dos etapas con un ciclo binario. De
la misma manera que en el caso anterior, la unión de estos dos ciclos es mediante un
intercambiador de calor que sirve como generador de vapor en el ciclo binario. La figura 33
muestra el comportamiento del ciclo donde los subíndices dan cuenta de cada estado
termodinámico.

Figura 33. Diagrama T-s , Ciclo de doble expansión súbita combinado [Elaboración propia].