ENERGA La energa es la capacidad potencial que tienen los
cuerpos para producir trabajo o calor, y se manifiesta mediante un
cambio.Las fuentes energticas son el lugar de donde se puede
obtener la energa.La disponibilidad de energa ha sido siempre
esencial para la humanidad. De entre las distintas fuentes de
energa, las renovables son aquellas que se producen de forma
continua y son inagotables a escala humana.En el contexto energtico
actual, los beneficios econmicos de las energas renovables han
adquirido creciente relevancia, pues stas contribuyen a reducir los
riesgos asociados con el incremento de precios; adems de reducir el
impacto ambiental e impulsar el desarrollo sustentable en el pas.A
pesar de contar con reservas de combustibles fsiles, se debe
impulsar el uso de fuentes alternas de energa, aprovechando el
importante potencial que tenemos para la generacin de energa a
partir de fuentes naturales. ENERGA GEOTRMICAHace unos 4.500
millones de aos, la tierra era una inmensa bola ardiente
constituida esencialmente por gases y polvo. Cuando esa nebulosa se
enfri y se consolido, hace unos 3.800 millones de aos, se form una
corteza dura que atrapo en su interior una ingente cantidad de
calor, que an perdura haciendo el planeta una caldera natural.
Desde el centro hasta la superficie, el globo terrestre est
constituido por tres capas sucesivas de temperatura creciente:
Ncleo: solido en un parte interna y liquido en su parte exterior.
Alcanza una temperatura de 4.200 CEl manto: envuelve al ncleo, con
temperaturas de 3.000C a 1.000C. La corteza: es la envoltura
superficial su temperatura vara desde 1000C en su contacto con el
manto. Hasta 15-20c de la superficie. Con la parte solida del manto
constituye la litosfera, fragmentada en varias placas litosfericas,
que se desplazan lentamente unas con otras, dando anomalas trmicas
en sus bordes.
Ilustracin 1 Estructura interna de la tierra Jonh Wiley
La energa geotrmica es, la energa calorfica que la Tierra
transmite desde sus capas internas hacia la parte ms externa de la
corteza terrestre.Geotrmico viene del griego geo, "Tierra", y
thermos, "calor"; literalmente "calor de la Tierra".En la capa ms
externa de la tierra la corteza se aprecia el incremento de
temperatura que se experimenta al penetrar hacia las partes
interiores de la misma debido al calor que la Tierra desprende
hacia su exterior. Este incremento de la temperatura es lo que se
conoce como gradiente geotrmico[footnoteRef:1]. [1: El gradiente
geotrmico es una medida que permite conseguir una estimacin de la
cantidad de flujo de calor que se transmite desde las zonas
internas de la corteza hacia las zonas externas. ]
El flujo de calor se expresa en unidades de MW y, aunque ms
difcil de medir en campo, representa la cantidad de calor geotrmico
que se desprende por unidad de superficie.La energa que llega cada
segundo a la superficie de la tierra, desde su interior, en forma
de calor es de .El calor es el motor de la tectnica de placas, que
involucra a la litosfera y a la astenosfera, y otros procesos a
mayor profundidad, como los movimientos de conveccin en el manto y
el ncleo externo. Mecanismos de propagacin del calor Conduccin: es
la trasferencia del calor a travs del medio por la interaccin
molecular o atmica del mismo. Conveccin: las molculas del medio son
las que se mueven de un lugar a otro. , el calor se propaga con el
material que va desplazndose. La radiacin: mecanismo por el cual el
calor se transmite por radiacin electromagntica. La energa se
transmite sin contacto entre los cuerpos, en ausencia de un
medio.Lo que determina el rgimen trmico de una zona, y por tanto la
distribucin de temperaturas, es el balance entre el calor que entra
en la base de la litosfera, desde el interior de la tierra, el
calor generado y absorbido en la misma, y el que finalmente se
irradia hacia el exterior. La mayor parte del calor existente en el
interior de la Tierra, se genera a partir de material fundido
llamado magma. La mayora del magma producido en la Tierra no llega
a la superficie, sino que tiende acumularse a profundidades entre 5
y 10 km, en donde suele calentar grandes regiones de roca o
reservorios de fluidos confinados, los cuales dan origen a la
formacin de los sistemas geotrmicos La corteza terrestre no es
lisa, est dividida en ocho grandes placas y ms de 20 placas ms
pequeas que se mueven y empujan unas a otras lentamente, a unos 5 a
10 centmetros al ao.Cuando las placas se juntan, una puede
deslizarse bajo la otra, permitiendo la generacin de magma que, en
ocasiones, puede llegar a la superficie generando volcanes. En la
mayora de los casos, el magma no sale al exterior, pero es capaz de
calentar grandes zonas subterrneas.Ilustracin 2 Modelos de la
estructura interna de la Tierra. Person EducationEsta fuente de
calor, el magma, es uno de los principales elementos de un sistema
geotermal, pero hacen falta dos ms para generar un reservorio: un
acufero y un sello. El acufero es una formacin rocosa permeable, es
decir, que permite que el agua u otros fluidos las traspasen. Y el
sello, es otra capa de rocas, pero impermeable. Estos tres
elementos deben ir montados uno sobre el otro, la fuente de calor,
encima el acufero y sobre ellos, la tapa. Es como una olla a
presin.Entonces cuando Llueve, el agua se desliza por la superficie
terrestre y penetra hacia el subsuelo a travs de las fallas y rocas
fracturadas, que funcionan como verdaderas caeras. El agua queda
atrapada en los acuferos, por donde va circulando y calentndose,
pero no puede salir al exterior en su totalidad, porque est
cubierta por una capa de roca impermeable que le impide su paso.
Cuando estas condiciones se dan, estamos frente a un reservorio
geotermal.
Ilustracin 3 sistema Geotrmico extrado de:
http://cmc933.blogspot.mx/Los geiseres y las aguas termales son
algunos ejemplos de lo que sucede cuando parte de estas aguas
calientes o vapor salen a la superficie. En algunas ocasiones, no
existen fuentes de agua natural (como lluvia o nieve) para generar
este circuito. En ese caso, se puede inyectar el agua de forma
artificial, y el fenmeno que se producir es el mismo.En las zonas
internas del manto se producen fenmenos de conveccin trmica. Estos
fenmenos trmicos del interior de la Tierra provocan movimientos
internos de materiales en el globo y producen la formacin de nueva
corteza en las denominadas dorsales ocenicas, zonas con mnimos
valores de espesor cortical[footnoteRef:2]. [2: De la corteza o
relativo a ella]
En la litosfera, la transferencia de calor se produce por
conduccin trmica, el calor se difunde sin que haya transferencia de
materia. En la astenosfera el calor se evacua por conveccin trmica,
con movimiento de materia. En la mesosfera el calor se transmite
por conveccin.
Ilustracin 4 Sistema GeotrmicoLas fuentes de energa geotrmica
son las siguientes: Desintegracin de isotopos radiactivos: cerca
del 50% del flujo total de calor procede de la desintegracin de
isotopos radioactivos de larga vida presentes de la corteza y el
manto. Estos son principalmente los isotopos Aunque la concentracin
de estos isotopos es muy superior en la corteza, el manto aporta
gran parte de energa debido a su mayor volumen.Calor inicial:
energa liberada durante la formacin de la tierra, hace 4500
millones de aos, y que todava est llegando a la superficie.
Movimientos diferenciales: energa liberada por los movimientos
diferenciales entre las distintas capas que constituyen la tierra
(principalmente entre el manto y el ncleo) estas responden de
distinta manera a las fuerzas de marea producidas por el sol y la
luna. Una consecuencia de este fenmeno es la continua disminucin de
la velocidad en la rotacin de la tierra.Calor latente de
cristalizacin del ncleo: energa liberada en la cristalizacin del
ncleo. El ncleo interno se encuentra en estado slido y el ncleo
externo en estado lquido. En la zona de transicin, el fluido del
ncleo externo est cristalizando continuamente y los elementos ms
ligeros, con menor punto de fusin, migran liberando energa
gravitatoria. A medida que se profundiza en la corteza terrestre,
la temperatura suele aumentar aproximadamente 3C cada 100m. Sin
embargo, existen zonas de la superficie terrestre que presentan
anomalas geotrmicas, originadas por la ascensin, en determinadas
condiciones, de parte de material fundido de las profundidades y
que queda atrapado en espacios prximos a la superficie. En estas
zonas se dice que existen yacimientos geotrmicos, los cuales, a
veces, se manifiestan en la superficie en forma de emanaciones
gaseosas, de aguas termales, de erupciones volcnicas, etc.USO
DIRECTO DEL CALOR El uso directo del calor es una de las
aplicaciones ms antiguas y comunes de la energa geotrmica para
balnearios, calefaccin residencial, agricultura, acuicultura y usos
industriales. Para climatizacin y refrigeracin se utiliza la energa
geotrmica de muy baja temperatura, mediante el uso de bomba de
calor. A nivel mundial, se puede clasificar la utilizacin directa
de la energa geotrmica en dos mbitos claramente diferenciados: el
sector industrial y el sector residencial y de servicios.Sector
industrialEl vapor, calor o agua caliente de las reservas
geotrmicas, puede ser empleado en aplicaciones industriales donde
las instalaciones son grandes y requieren un gran consumo de
energa. Procesos industrialesLas diferentes formas de utilizacin de
este calor incluye: procesos de calefaccin, evaporacin, secado,
esterilizacin, destilacin, lavado, descongelamiento y extraccin de
sales, etc., aplicado en la industria de produccin de papel y
reciclado, procesamiento de celulosa, tratamientos textiles,
industria alimenticia, pasteurizacin de leche, extraccin de
productos qumicos, recuperacin de productos petrolferos, extraccin
de CO2, bebidas carbonatadas, etc.InvernaderosUn empleo muy comn de
la energa geotrmica de baja temperatura es en agricultura. Las
aplicaciones agrcolas de fluidos geotermales son para calefaccin a
campo abierto e invernaderos. AcuiculturaLa acuicultura es la
tcnica controlada de especies acuticas vegetales y animales. El
nivel trmico exigido por las piscifactoras permite el
aprovechamiento de los yacimientos de baja entalpa y constituye un
campo de aplicacin muy interesante para el aprovechamiento de aguas
geotermales, principalmente en pases fros.En muchos casos se
aprovecha el aporte energtico de las aguas termales para combinar
la crianza de animales con invernaderos.Para cada una de estas
aplicaciones es necesario que la temperatura del agua sea adecuada.
USO ELCTRICO DEL FLUIDO, Consiste en la generacin de electricidad
mediante instalaciones similares a las usinas trmicas
convencionales. La diferencia radica en el origen del vapor que
mueve las turbinas que alimentan el generador elctrico.
Ilustracin 5 Usos de la Energa Geotrmica (Geothermal Education
Office 2005, www.geothermal.marin.org/
Clasificacin de los yacimientos geotrmicosLos yacimientos
geotrmicos convencionales se clasifican de acuerdo con los niveles
energticos de los recursos que albergan, es decir, de los fluidos
en ellos contenidos. Yacimientos de alta entalpa[footnoteRef:3] en
los que el foco de calor permite que el fluido se encuentre en
condiciones de presin y alta temperatura (superior al menos a los
150C). Las caractersticas termodinmicas del fluido permiten su
aprovechamiento para produccin de electricidad. [3: es la energa
calorfica absorbida o desprendida, a presin constante, cuando se
forma un mol de compuesto]
Yacimientos de media entalpa en los que los fluidos se
encuentran a temperaturas situadas entre los 100 y los 150C, lo que
permite su uso para produccin de electricidad mediante ciclos
binarios que, en general, tienen rendimientos algo inferiores.
Yacimientos de baja entalpa, cuando la temperatura del fluido es
inferior a los 100C y su aplicacin son los usos directos del calor
(calefaccin, procesos industriales y usos en balneoterapia).La
explotacin de esta fuente de energa se realiza perforando el suelo
y extrayendo el agua, su vapor, o una mezcla de ambos, que sirven
de vehculo de transporte.TECNOLOGIA ACTUALMENTE EN LA GENERACIN DE
ELECTRICIDADEl aprovechamiento de los yacimientos geotrmicos
depende de la entalpa del mismo. Si la entalpa es alta, el
aprovechamiento se lleva a cabo en plantas trmicas de diseo
especfico. Si la entalpa es baja, el calor suele emplearse para el
calentamiento de un fluido, aunque tambin podran utilizarse para la
generacin de electricidad con muy bajos rendimientos. Existen
diversos tipos de sistemas para el aprovechamiento de fuentes
geotrmicas de alta entalpa. Entre stos se pueden destacar los
cuatro siguientes: Sistemas de conversin directa. Sistemas de
expansin sbita de una etapa. Sistemas de expansin sbita de dos
etapas. Sistemas de ciclo binario.Los componentes fundamentales de
todas las centrales geotrmicas, son los siguientes:
Evaporadores y condensadores. Turbinas y generadores. Tuberas y
bombas. Torres de enfriamiento.Con excepcin de los sistemas de
ciclo binario, la mayora de los condensadores que se emplean en los
sistemas geotrmicos son de los denominados de contacto directo.
Ilustracin 6 Esquema conceptual de una planta trmicaExisten tres
tipos de plantas para generar energa elctrica procedente de los
recursos geotrmicos, en funcin de las caractersticas y naturaleza
del fluido geotermal disponible y la profundidad del mismo:Sistemas
de conversin directa (Plantas de vapor seco): se utilizan en
aquellos yacimientos hidrotrmicos donde predomina el vapor seco. En
este caso, el vapor supercalentado (a 180C-185C y 0,8MPa-0,9MPa)
que llega a la superficie se emplea directamente, despus que las
partculas slidas y los gases no condensables hayan sido separados,
para accionar una turbina que, gracias a un generador mecnicamente
conectado a ella, produce corriente elctrica. El vapor, una vez
pasa por la turbina de expansin, se dirige a un condensador donde
se convierte en agua lquida saturada. Al agua obtenida en el
condensador se hace pasar por una torre de enfriamiento; una
fraccin importante del agua que se ha enfriado en la torre se enva
al condensador para que sirva de fluido refrigerante, y el resto,
se inyecta de nuevo en el acufero.
Ilustracin 7 Esquema conceptual de una planta de conversin
directaLos sistemas de expansin sbita de una etapa (Plantas flash):
Se emplean en los yacimientos hidrotrmicos donde predomina el agua
lquida. En estos sistemas, el agua puede expansionarse sbitamente
durante el ascenso a la superficie o mediante el empleo de un
recipiente de expansin, originando que parte del lquido se evapore
instantneamente. Por tanto, es necesario utilizar un separador de
fases que permita dirigir el vapor (155C-165C y 0,5MPa-0,6MPa)
hacia la turbina y el agua no evaporada hacia el acufero. El vapor
obtenido se expande por una turbina que, acoplada mecnicamente a un
generador elctrico, produce corriente elctrica. Al igual que ocurra
en los sistemas de conversin directa, el vapor, una vez que pasa
por la turbina de expansin, se dirige a un condensador donde se
convierte en agua lquida saturada. Parte de esta agua constituye a
su vez el fluido de refrigeracin, una vez ha sido enfriada en una
torre de refrigeracin. El resto del agua condensada se inyecta de
nuevo en el acufero.El rendimiento de estos sistemas es inferior a
los de conversin directa, ya que no toda el agua que llega a la
superficie se transforma en vapor de trabajo, como ocurra con los
sistemas de conversin directa.
Ilustracin 8 Esquema conceptual de un sistema de expansin sbita
de una etapaLos sistemas de expansin sbita de dos etapas: se
emplean en los yacimientos hidrotrmicos donde predomina el agua
lquida con bajos contenidos de impurezas. Tienen como objetivo
mejorar el rendimiento de los sistemas de expansin de una etapa.
Las diferencias de los sistemas de una etapa frente a los de dos
etapas se encuentran en la existencia de dos etapas de expansin del
agua que llega a la superficie desde el acufero y en que la turbina
dispone de dos cuerpos; un cuerpo que trabaja al alta presin y un
cuerpo que trabaja a baja presin. En los sistemas de evaporacin
sbita de dos etapas, el vapor obtenido en la primera expansin se
dirige al cuerpo de alta presin de la turbina, mientras que el
lquido obtenido en el primer separador de fases es de nuevo
expansionado (a menor presin que en la primera etapa). El vapor
resultante de la segunda expansin es conducido al cuerpo de baja
presin de la turbina, mientras que el agua residual se inyecta de
nuevo en el acufero. El cuerpo de baja presin de la turbina se
alimenta, adems del vapor procedente de la segunda etapa de
expansin, del vapor saliente del cuerpo de alta de la turbina. El
vapor, una vez que pasa por el cuerpo de baja de la turbina de
expansin, se dirige a un condensador donde se convierte en agua
lquida saturada. El resto del proceso es similar al de los sistemas
anteriormente descritos.Los sistemas de ciclo binario pueden ser
utilizados en los yacimientos hidrotrmicos de entalpa media
(100C-200C), donde predomina el agua lquida , Este tipo de plantas
emplean un segundo fluido de trabajo, con un punto de ebullicin (a
presin atmosfrica) inferior al del agua, tales como isopentano,
fren, isobutano, etc., los cuales se evaporizan y se usan para
accionar la turbina. Estos sistemas, adems de presentar la ventaja
de permitir utilizar yacimientos geotrmicos de temperaturas medias,
admiten la explotacin de yacimientos con acuferos con un mayor
porcentaje de impurezas, especialmente si estos estn bajo una
presin tal que no tenga lugar la evaporacin sbita. El lquido
extrado del acufero, 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, mecnicamente 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 refrigeracin.
Ilustracin 9 Esquema conceptual de un sistema de expansin sbita
de dos etapas.Plantas de ciclo binario: se adopta esta tecnologa
cuando la temperatura del recurso geotrmico no es demasiado alta
(entre 120-150C) o el fluido geotrmico tiene una elevada salinidad.
Se basan en evitar el uso directo del fluido termal y utilizar un
fluido secundario, normalmente de carcter orgnico, que tenga un
comportamiento termodinmico mejor, es decir, bajo punto de
ebullicin y alta presin de vapor a bajas temperaturas. El fluido
geotermal entrega el calor al fluido secundario a travs de un
intercambiador de calor, y este fluido es calentado y vaporizado.
Este vapor acciona la turbina y posteriormente es enfriado y
condensado.
Ilustracin 10 Esquema conceptual de un sistema de ciclo
binario.La viabilidad comercial de las plantas geotrmicas de
generacin elctrica depende de los costos del terreno, de los costes
de las perforaciones, de los costes de las instalaciones, de los
costos de operacin y mantenimiento, de la cantidad de energa
generada y del valor de mercado de la energa. Sin embargo, debido a
que las plantas geotrmicas requieren de grandes inversiones de
capital al comienzo del proyecto, normalmente estn en desventaja
frente a las plantas trmicas convencionales. Las plantas trmicas
alimentadas de combustibles fsiles tienen menores costes de
capital, pero, a diferencia de las plantas geotrmicas, los costes
del combustible se mantienen durante toda la vida de la planta.
Ilustracin 11En Mxico Mxico ocupa el tercer lugar mundial en
capacidad de generacin de energa geotrmica, con 960 MW instalados,
con los que se generan ms de 6,500 GWh/ao.RECURSOCOSTO DEL
CAPITAL
Geotrmica $ 19,563.86- 51,036.16
Hidrulica $12,503.86- 81,283.59
Carbn $ 18,202.90- 23,986.99
Nuclear $ 25,518.08- 68048.21
Ilustracin 12
Tabla 1
Impacto ambientalLas principales ventajas del aprovechamiento de
la energa geotrmica son econmicas y ambientales; ahorro en el uso
de los combustibles tradicionales para la generacin de energa,
mnima generacin de residuos en relacin a los producidos por otras
energas convencionales y utilizacin de un recurso renovable.Sin
embargo, este tipo de energa presenta un cierto impacto
medioambiental en el entorno, causado por las emisiones gaseosas y
lquidas y por el impacto visual.La construccin de caminos de acceso
pueden ocasionar la destruccin de bosques o reas naturales, y
pueden producir perturbaciones en el ecosistema: ruidos, polvos,
humos y posible erosin del suelo. Durante la fase de operacin se
suelen generar vertidos gaseosos a la atmsfera. Estn compuestos,
principalmente, por dixido de carbono y sulfuros de hidrgeno, con
trazas de amonaco, hidrgeno, nitrgeno, metano, radn y algunas
especies voltiles como boro, arsnico y mercurio, las cuales debern
ser tratadas antes de su vertido.La contaminacin de las aguas
superficiales puede producirse por el vertido o acumulacin de
fluidos geotrmicos, que contienen elementos como sodio, potasio,
calcio, flor, magnesio, silicatos, antimonio, estroncio,
bicarbonato, boro, litio, arsnico, sulfuro de hidrgeno, mercurio,
rubidio, amonaco, etc., Existe el riego de contaminar las aguas
subterrneas debido a: utilizacin de determinados lquidos en la
etapa de perforacin; infiltraciones a travs de orificios de las
paredes del pozo en la etapa de reinyeccin, que hacen que el lquido
contaminado escurra hacia las primeras capas de agua subterrnea;
fallos en la impermeabilidad de las piletas de evaporacin, y sus
consecuentes infiltraciones.
Ilustracin 13 Comparacion de emisiones de CO2 Geothermal
Education Office
Conclusin: Los depsitos de vapor y agua caliente constituyen una
pequea parte de los recursos geotrmicos. El magma de la Tierra y
las rocas secas calientes proporcionarn energa barata, limpia, y
casi ilimitada. Sin embargo, todava es imposible su pleno
aprovechamiento, principalmente por factores tcnicos. Cuando se
desarrolle la tecnologa apropiada para su explotacin podr extraerse
una gran cantidad de energa. Mientras tanto, los yacimientos de
temperatura moderada, que son muy abundantes y pueden operar
mediante sistemas de ciclo binario, sern los productores de
electricidad ms usuales.La generacin, el transporte y el consumo de
las energas convencionales tienen, como toda actividad antrpica, un
impacto sobre el medio, y puede argumentarse que estn en el origen
de algunos de los mayores problemas ambientales que sufre el
planeta como el cambio climtico y la lluvia cida. Sin llegar a
decir que esos efectos no existen en las renovables, s es cierto,
en cambio, que son infinitamente menores y siempre reversibles.
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