Sistemas de aprovechamiento de fuentes geotérmicas (III)

En entradas anteriores de la serie de capítulos dedicada a la geotermia, se describían de forma somera los principales tipos de yacimientos geotérmicos y su clasificación según la cantidad de energía termodinámicamente útil (alta, media y baja entalpía). Se hablaba de que uno de los usos más interesantes de esta forma de explotación energética era, ni más ni menos, que la generación eléctrica: centrales de varias docenas o cientos de MW que extraían el calor almacenado en el interior de la corteza sin la quema de combustible alguno en un ciclo Rankine convencional.

Sin embargo, existen (a grandes rasgos) cuatro formas de explotación eléctrica de las fuentes geotérmicas, según el sistema de ciclo utilizado:

1 – Sistemas de conversión directa.

2 – Sistemas de expansión súbita de una etapa.

3 – Sistemas de expansión súbita de doble etapa.

4 – Sistemas de ciclo binario.

1 – Sistemas de conversión directa

Este esquema de aprovechamiento es el más sencillo de los cuatro planteados, y comúnmente utilizado. Es el idóneo en aquellos yacimientos hidrotérmicos donde predomina el vapor seco con temperaturas de 180 – 185 ºC y presiones de 0,8 – 0,9 MPa. Tal y como muestra el esquema, el ciclo seguido es bastante sencillo: previa separación de partículas y no condensables (CO2 y H2S) por su efecto corrosivo, el vapor sobrecalentado del pozo de extracción es dirigido directamente a la turbina de expansión, y hace girar el generador acoplada a ella. El exhausto del vapor es dirigido al condensador, donde se obtiene agua líquida saturada. Parte del  agua se hace pasar por la torre de refrigeración para que sirva posteriormente de refrigerante  en el propio condensador, y el resto se reinyecta en el pozo.

Sistema de conversión directa.

Sistema de conversión directa.

La eficiencia global es pequeña, debido a varios factores: por un lado, la diferencia de presiones a la entrada y salida de la turbina es pequeña. Por otra parte, la presencia inicial de gases no condensables reduce el efecto de succión de la turbina (CO2 y H2S), y además éstos han de ser reinyectados de nuevo para evitar el impacto ambiental en la atmósfera, por lo que aumentan los consumos auxiliares de la planta, reduciendo la eficiencia global de la planta.

Este tipo de plantas pueden, de media, producir 1 kWh a partir de 6,5 kg de vapor, por lo que un grupo de 100 MW necesitaría una alimentación de aproximadamente  180 kg/s de vapor.

2 – Sistemas de expansión súbita de una etapa

En yacimientos hidrotérmicos donde predomina el vapor húmedo se emplean sistemas de expansión súbita o flash. El vapor húmedo bien sufre una evaporación súbita al ascender (debido a la disminución de la presión), o bien se encuentra a una presión próxima a la del acuífero. Previamente a que llegue el vapor húmedo, se utiliza un separador de fases para enviar el vapor seco a la turbina y la salmuera de vuelta al acuífero por medio del 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.

Sistemas de conversión por evaporación súbita.

Sistemas de conversión por evaporación súbita.

El rendimiento es algo menor que en sistemas de conversión directa, debido a que la turbina trabaja a presiones y temperaturas más bajas (T = 155 – 165 ºC; P = 0,5 – 0,6 MPa). El gasto de vapor es, aproximadamente, de 8 kg/kWh, lo que nos da un ratio de 222 kg/s para una central típica de 100 MW de potencia.

3 – Sistemas de expansión súbita de dos etapas

Con el objetivo de mejorar el rendimiento de las plantas de expansión súbita, surgen estos sistemas, donde existen dos etapas de expansión con la consiguiente mejora en el rendimiento de la planta. La salmuera llega primero a un depósito a baja presión, donde se produce la primera evaporación súbita y se conduce el vapor a la turbina de alta presión. El líquido no evaporado se pasa a un segundo depósito, a más baja presión, donde se produce la segunda evaporación súbita: este vapor es conducido junto con el exhausto de la turbina de alta hacia la turbina de baja presión.

Sistema de expansión súbita de dos etapas.

Sistema de expansión súbita de dos etapas.

Este sistema aumenta el rendimiento de los sistemas de una sola etapa en casi un 40%, incrementa la producción eléctrica en un 25%, y suponen sólo un aumento del 5% en el coste de la planta. Sin embargo, requieren de grandes volúmenes de trabajo, del orden de 1000 kg/s para una planta de 37 MW (la de East Mesa, en California).

 4 – Sistemas de ciclo binario

Surgen como respuesta a la explotación de yacimientos de entalpía media, más baja que la de los comúnmente utilizados para la generación eléctrica. Con temperaturas de 100 – 200 ºC, predomina el vapor húmedo, y es necesario utilizar un fluido de trabajo de elevada presión de vapor (es decir, que tenga un punto de ebullición menor al del agua), como el isobutano, isopentano, o freón. Consta de dos circuitos, uno primario y otro secundario, que funcionan a modo de intercambiador de calor: 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 del intercambiador de calor con el fluido de trabajo a evaporar. Se produce la transferencia de calor termodinámico entre ambos circuitos y el vapor generado del fluido de trabajo es dirigido a la turbina.

Sistema de ciclo binario.

Sistema de ciclo binario.

Dado que utilizan disolventes orgánicos, no es ciclo Rankine convencional, sino un ORC (Organic Rankine Cycle). Alrededor del 30% de la energía se consume en mantener la presión sobre la salmuera, por una parte, y en aumentarla en el fluido de trabajo, por otra. Alrededor de 700 kg/s de fluido es necesario para generar una potencia de 30 MW.

Estas plantas se suelen construir de forma modular, que se interconectan para formar plantas de varias decenas de MW. Una versión de este tipo de sistemas es el ciclo Kalina, desarrollado en los años 90, aunque la complejidad es mayor en su diseño: utiliza una mezcla de amoniaco y agua que se expande en condiciones de sobrecalentamiento en una primera etapa de la turbina, para luego ser recalentada antes de entrar en la segunda etapa, o en la turbina de baja presión. En el siguiente vídeo se puede observar cómo funciona el ciclo Kalina:

Por último, y por cortesía de Piensa en Geotermia, os dejo con este fantástico diagrama interactivo de cómo funciona la planta islandesa Hellisheiði Geothermal Plant. Pincha aquí para acceder al diagrama.

Fuentes:

Banco Mundial – Geothermal Handbook

Piensa en Geotermia

Energías Renovables – Jaime González Velasco

Centrales de Energías Renovables – José Antonio Carta González, Roque Calero Pérez

FENERCOM – Guía de la energía geotérmica

Geothermal Power Plant Cycles and Main Components – Páll Valdimarsson

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