[MÚSICA] Bienvenidos a esta nueva sesión del curso Energías Sustentables. Mi nombre es Julio Vergara, profesor de la escuela de ingeniería UC. En esta ocasión se conocerá el origen y potencial de la geotermia para luego comprender atributos y uso de las fuentes geotérmicas identificando tecnologías y plantas termoeléctricas con esta fuente. La geotermia es una fuente natural que se aprovecha desde hace siglos, inicialmente en baños termales y otros usos de calor desde la era de los imperios romano y chino. Los primeros usos industriales se dan en Larderello (Italia) a comienzos del siglo XIX para producir ácido bórico, seguido de calefacción en Estados Unidos e Islandia. La primera aplicación eléctrica viene de 1914, también en esa localidad italiana con una capacidad de 250 kilowatts, esa zona es hoy la segunda a nivel mundial en producción geotérmica. A nivel global, se acerca a las 14 gigawatts. Los primeros pozos fueron relativamente superficiales y los últimos han debido superar los cuatro kilómetros de profundidad, buscando mejores recursos. La fuente geotérmica aprovecha el calor interno de la tierra, la temperatura aumenta progresivamente con la profundidad, con distintas pendientes desde los 15 grados en promedio en la superficie, hasta superar los 5400 grados Celsius en el núcleo sólido central. A 30 kilómetros se puede lograr 500 grados Celsius, similar a la de una planta termoeléctrica y 1000 grados Celsius a los 50 kilómetros dentro de la litósfera. En la astenósfera, manto y corazón sigue aumentando pero a menor tasa. La perforación más profunda no ha superado la barrera de los 13 kilómetros en la península de Kola, en Rusia, limitada por la temperatura de los equipos. También se ha perforado similares distancias en búsqueda de hidrocarburos. La temperatura subterránea es menor al promedio en las placas, mayor en las subducciones, por ejemplo en el Anillo de Fuego y más alto aún en zonas de divergencia en algunas islas. Este calor proviene principalmente del decaimiento radioactivo de Potasio 40, Uranio 238, Torio y Uranio 235 cuya actividad se reduce cada día y por eso el centro pierde temperatura y potencia. El centro de la tierra era bastante más activo en sus inicios, y por eso la actividad tectónica y volcánica eran mayores en otros tiempos. Así se vería la tierra, si se pudieran marcar las placas, la corteza está formada por segmentos, hay zonas de divergencia o separación que se marcan en rojo y zonas de subducción en amarillo, así como zonas del tipo difuso y de transformación en otro color. En estos bordes de placa es donde la actividad y la temperatura son mayores por fricción que llega a fundir los materiales, por lo que se puede sacar más energía geotérmica. La producción de energía geotérmica requiere dos elementos, una fuente de calor, por ejemplo un bolsón de magma y un fluido, que permite transportar ese calor. Además requiere estructuras convenientes en las capas terrestres cercanas, tanto de sello como de permeabilidad para atrapar fluidos y dejar que estos formen vapor de suficiente calidad. Que será accedido mediante una perforación precisa. El pozo encontrado, cuando se activa, debe ser gestionado de manera que el fluido tenga suficiente capacidad de reposición. Esta tabla muestra a los principales usuarios de electricidad geotérmica al año 2014 con un total de 13.5 gigawatts, dominado por Estados Unidos con casi el 30%, seguido de Filipinas, Indonesia y México con alrededor de 10% cada uno y otra veintena de países. En algunos de estos, la participación en su matriz es pequeña como el caso de Estados Unidos, pero otros como Islandia tienen alta dependencia de este recurso. La generación eléctrica anual es de aproximadamente 65 terawatts hora, lo que da un factor de planta superior a 60%, valor muy alto entre las fuentes renovables. Su crecimiento ha sido lento, principalmente por el gas natural barato. La generación térmica por otro lado, también es de unos 75 terawatts térmicos hora, con mayor uso en piscinas y baños, así como en calefacción dominado por China, Turquía, Islandia y Japón. Este cuadro muestra las temperaturas que normalmente se encuentran en geotermia y sus principales aplicaciones, agrupadas en segmentos agrícolas, industriales, climatización y electricidad. Se puede ver que hay oportunidades de aprovechamiento a temperatura casi ambiental, hasta levemente por encima de los 200 grados Celsius. En generación eléctrica es posible iniciar la generación desde unos 100 grados Celsius, usando plantas binarias con refrigerantes orgánicos. Una de las aplicaciones tangenciales del calor terrestre es el geointercambio. La temperatura bajo la superficie es relativamente estable a los tres a cuatro metros de profundidad, esto permite precalentar aire frío para calefacción o pre-enfriar aire caliente para aire acondicionado lo cual reduce el consumo de los sistemas de climatización tradicional, usando bombas de calor reversible. La generación eléctrica es una de las actividades promisorias de esta fuente. Esta imagen muestra la planta Nesjavellir de Islandia. Este país, por sus condiciones geotérmicas excepcionales, satisface más el 25% de la generación eléctrica con un poco más de 600 megawatts geotérmicos y más del 50% son energía primaria. La geotermia es una fuente de alto factor de planta y bajas emisiones que genera electricidad usando sistemas de vapor. Su dificultad es que cada pozo y tren de turbinas, requiere una cara protección de un recurso que es el elusivo, profundo y de baja potencia por pozo, 20 a 40 megawatts según la disponibilidad del fluido. Estas plantas normalmente están distantes de los centros de consumo, que resta atractivo comercial. La planta más simple es la de vapor sobrecalentado cuando el recurso geotérmico tiene la temperatura necesaria sobre los 200 grados Celsius. En este caso, el vapor seco llega directamente a las turbinas generadoras y descarga a un condensador desde donde se reinyecta el fluido condensado al reservorio geotérmico. El condensador puede entregar su calor a un circuito secundario, agua enfriada en torres mediante aire. La siguiente planta es una de Vapor Flash con una fuente cercana a los 180 grados Celsius que no permite usar directamente el vapor por contener humedad, que dañaría las turbinas. En una cámara Flash, bajando un poco la presión se separa el vapor del líquido que se reinyecta al reservorio, previa mezcla con el condensado que ha descargado la turbina. Este es el tipo de planta dominante. La siguiente planta es una de vapor con dos etapas Flash, es similar al anterior con un segundo Vapor Flash y una turbina adicional operando a menor temperatura. Cuando el fluido geotérmico es de baja temperatura, es posible usar un sistema binario con un refrigerante orgánico que se evapore al contacto con ese calor geotérmico. Este fluido mueve un tren de generadores afines, descargando a un condensador y cerrando el circuito. El fluido geotérmico no entra en contacto con el circuito orgánico. Una opción es un ciclo híbrido Flash y binario, que permite precalentar y evaporar el refrigerante orgánico con el calor de descarga del estanque Flash. Dos turbinas de distinto diseño y circuito refrigerante suman potencia al eje común del generador. En generación eléctrica, ha tenido una penetración modesta en una veintena de países que poseen la fuente geotérmica. Hay varios tipos de plantas, según el tipo de recursos, desde cerca de 100 grados Celsius para ciclos binarios hasta ciclos de vapor seco directo a la fuente. A futuro se esperan plantas usando recursos de pozos más profundos, inyectando además, agua o aire. Es posible resumir y concluir que la geotermia ofrece servicios energéticos aptos para distintos sectores industriales como el agrícola, el térmico y el eléctrico. Revisamos las principales tecnologías de generación termoeléctricas que usan recursos geotérmicos y algunos desafíos para el futuro sustentable con geotermia, en particular, la incierta búsqueda del reservorio. Hasta la próxima sesión.
