Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Energía geotérmica
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Do curso por Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
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Tecnologías sustentables
En este módulo estudiarás los fundamentos detrás de las tecnologías para la producción de energía nuclear y energías renovables no convencionales (ERNC). Podrás evaluar y comparar las fortalezas y debilidades de cada una de estas tecnologías en cuanto a su impacto ambiental y su potencial de generación eléctrica.
Conheça os instrutores
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
[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.
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