Desarrollo sostenible y evaluación del impacto ambiental de tres yacimientos geotérmicos con potencial de explotación en México

Número de proyecto

P25

Título de proyecto

Desarrollo sostenible y evaluación del impacto ambiental de tres yacimientos geotérmicos con potencial de explotación en México

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Zayre Ivonne González Acevedo

Institución

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, CICESE

Antecedentes y justificación

La energía geotérmica o geotermia es el uso de la energía térmica que emerge desde el interior de la corteza terrestre hasta la superficie a través de roca y/o fluidos. Esta energía se presenta en la superficie con aguas termales, géiseres, fumarolas y volcanes. El calor geotérmico no es una energía sin fin, ya que el calor se extrae del yacimiento a través de convección y tiene que ser reinyectado por conducción.

Los términos sostenible y renovable, a menudo se confunden. La definición original de la sostenibilidad se remonta a la Comisión Mundial de Bruntland de 1987, reforzado en las cumbres de Río 1991 y Kioto 1997 y que dice: ''Satisfacción de las necesidades de la generación presente sin comprometer las necesidades de las generaciones futuras''. Con respecto a la energía geotérmica, la sostenibilidad significa la capacidad del sistema de producir para mantener los niveles de producción durante largos períodos (de cientos de años).

Para considerar el recurso geotérmico como fuente renovable de energía, la extracción no debe superar nunca la recarga natural de agua en el acuífero [Ungemach et al., 2005]. Si la intensificación de las tasas de producción exceden la tasa de recarga, finalmente, conducirán al agotamiento de losrecursos. Cualquier producción equilibrada de fluido/calor en un esquema de utilización de la energía geotérmica, es decir, que no se produzca más de la recarga natural, puede ser considerado como totalmente renovable [Stefansson, 2000]. Por lo tanto, renovable se refiere a la naturaleza de los recursos y la sostenibilidad de la forma en que se utiliza.

En el mundo los recursos geotérmicos son del tipo de baja entalpía; algunos de ellos son dominantes en vapor seco. La mayoría de ellos utilizan reinyección en sus procesos, como reservorios de vapor de alta entalpía y/o dominados por el agua, lo que ayuda a mantener o restablecer la presión del yacimiento. El fluido es reinyectado normalmente más frío, lo que conduce a un decremento de la temperatura en grandes volúmenes del yacimiento. La extracción de calor y/o fluido geotérmico crea un sumidero de calor hidráulico en el yacimiento, este genera un influjo de calor y fluido, para reestablecer el estado de pre-producción [Rybach, 2003].

En el caso de un depósito de alta entalpía (utilizado para la generación de electricidad), la recuperación, para ser totalmente adecuada,se llevará unos pocos cientos de años, dependiendo de las condiciones locales de recarga. En un sistema doble (calefacción urbana), la recuperación tardará 100 -200 años [Mégel y Rybach, 2000]. En un sistema de bomba de calor superficial descentralizada, en el modo de calefacción independiente, el tiempo de recuperación es igual a más o menos la longitud de la producción (por ejemplo, la recuperación de la práctica en 30 años después de un período de 30 años de producción). En las bombas de calor geotérmicas en el modo de calefacción/refrigeración, la recuperación tiene lugar durante el ciclo anual.

El desarrollo sostenible se basa en tres aspectos principales: social, económico y ambiental. Sin embargo, las instituciones internacionales de energía [de la OCDE/IEA, 2001; OCDE/IEA, 2002; IAEA, 2001] y las organizaciones multilaterales[IAEA, 2005] consideran que el aspecto económico es más importante que el social y el ambiental, bajo el argumento de que el crecimiento económico mejora los aspectos sociales y ambientales. Por lo tanto, los indicadores de sostenibilidad procedentes de estas instituciones se basan únicamente en la productividad económica [Sheinbaum-Pardo et al., 2012]. Sin embargo, Phillips [2010a] ha escrito que "la energía geotérmica puede no ser viable a largo plazo, a menos que haya una gestión másrigurosa y la mitigación de los aspectos ambientales y la contaminación con respecto a la producción de electricidad, sobre todo en los países en desarrollo".

Cualquier tipo de producción de energía tendrá algún impacto en el ambiente, pero el grado o magnitud de este impacto dependerá de la tecnología utilizada y la gestión de los residuos. A pesar de que la energía geotérmica es considerada como una fuente de energía renovable, los impactos ambientales no pueden ser excluidos antes, durante y después de la generación de energía geotérmica.

Éstos difieren de acuerdo con las características del sitio, de la planta, del yacimiento y del potencial geotérmico. Las plantas de energía de tipo binario (es decir, un sistema cerrado en el que un fluido de trabajo impulsa la turbina y no el vapor geotérmico o líquido) tienen, con mucho, el impacto mínimo, a excepción de calor residual [Rybach, 2003].

En función de la gran importancia que el desarrollo sostenible tiene a nivel mundial y al gran potencial que la energía geotérmica tiene en México, tanto en generación de energía eléctrica como en mitigación de los efectos del cambio climático [Santoyo-Gutiérrez y Torres- Alvarado, 2010], resultaindispensable la exploración de nuevos campos geotérmicos y el aprovechamiento sostenible de los recursos naturales inherentes, aspectos que este proyecto tiene por objetivo atender. El proyecto pretende integrar las variables ambientales, socioculturales y económicas que el marco del desarrollo sostenible exige con la planeación y el diseño de la puesta en marcha de plantas geotérmicas en tres regiones del territorio mexicano que son naturalmente susceptibles de aprovechamiento geotérmico: El Chichonal, Chiapas; Acoculco, Puebla y Los Negritos, Michoacán.

Variables ambientales

Matriz rápida de evaluación de impacto

Phillips[2009, 2010b] propone un modelo para evaluarla Matriz Rápida de Evaluación de Impacto (RIAM) que es un método semi?cuantitativo de evaluación de impacto ambiental (EIA) para determinar el nivel y la naturaleza del desarrollo sostenible de una central eléctrica. Este modelo describe la naturaleza de la relación entre el medio ambiente y los seres humanos que constituye el desarrollo sostenible y las condiciones para que ocurra. Principalmente sobre la base de:

  • Garantizar que el crecimiento económico no provoca contaminación ambiental.
  • Mejorar la eficiencia de los recursos.
  • Examinar el ciclo de vida completo del producto.
  • Activación de los consumidores para obtener más información sobre los productos y servicios.
  • El papel de los impuestos, acuerdos voluntarios, subsidios, regulaciones y campañas de información, puede estimular la inversión y la innovación de tecnologías limpias.

La forma de expresar esto es a través de los números positivos y negativos que representan las posibles consecuencias ambientales y humanas [Phillips, 2010a]. Para más detalles vea la metodología.

Efectos ambientales

Los efectos ambientales que son temporales o irreversibles en la industria geotérmica podrían ser:

  • a) Subsidencia del terreno y sismicidad: Este está normalmente presente en los sitios geotérmicos, ya que se encuentran en zonas geológicamente inestables, donde la actividad volcánica, los terremotos profundos y los flujos de calor más altos de temperatura son la característica principal. Y cuando la sismicidad esinducida debido a la explotación de yacimientos, los impactos aumentan [Barbier, 2002].
  • b) Ruido: Dado que la mayoría de las instalaciones geotérmicas se construyen lejos de las principales zonas urbanas, el ruido de la producción, el mantenimiento y la perforación no suele ser significativa. El principal problema es el ruido generado durante la construcción, la actividad vehicular, las emisiones de vapor sin cesar y ciertas operaciones de perforación [Brophy, 1997].
  • c) Emisiones a la atmósfera: los gases (CO2, H2S, NH3, CH4, N2 y H2), trazas de mercurio, vapor de boro y el radón, causando la contaminación del suelo y de la vegetación y la toxicidad potencial de la población [Phillips, 2010a].
  • d) Contaminación de aguas superficiales y subterráneas: las sustancias peligrosas utilizadas durante la exploración, construcción o producción de etapas, las fallas de estructuras de drenaje o fugas de depósitos superficiales [Brophy, 1997]. El depósito dominado por vapor contiene una gama de metales tóxicos en suspensión y solución: As, Hg, Pb, Zn, B y S, junto con sílice, carbonatos, sulfatos y cloratos. En los depósitos de agua que predominan el agua caliente, puede haber un contenido importante de sales [Barbier, 2002].
  • e) Los cambios en el paisaje y el uso del suelo: puede causar la erosión del suelo en las zonas de alta precipitación o pendientes pronunciadas y también pueden causar conflictos sociales, cuando la población está cerca de la planta de energía.
  • f) Residuos sólidos: principalmente de la construcción de la planta de energía, perforación, caminos, etc.
  • g) Ecología: con todos los efectos mencionados, es fácil concluir que los impactos sobre los hábitats terrestres, acuáticos y ribereños pueden verse afectados de manera significativa, sobre todo en lugares donde las especies en peligro de extinción están presentes. Donde la construcción de instalaciones, caminos, perforación, tuberías, etc, promueven la pérdida de hábitats.

Indicadores ambientales

El monitoreo implica la medición repetida de determinados aspectos ambientales tales como la temperatura, el pH, la precipitación, la densidad de plantas, el número de animales, etc. A partir de estas variables ambientales, los indicadores pueden ser seleccionados para conseguir información sobre el estado del ambiente, omitiendo la necesidad de examinartodaslas variables ambientales que han sido medidas. Estos indicadores pueden ser variablesfísicas, biológicas o químicas; o pueden ser losíndices que se calculan algunos ya sea en función de variables de saturación de oxígeno disuelto. Ellos pueden aplicar a diferentes niveles tales como el nivel bioquímico y las especies o el ecosistema o nivel de la comunidad.

Los indicadores pueden:

  • Ser predictivos (los niveles de agua en los embalses superficiales y subterráneas se pueden usar para predecir la futura escasez de agua).
  • Ser descriptivos (niveles de pesticidas y sus productos de degradación por unidad de área de tierras agrícolas).
  • Mostrar tendencias (cambio de la diversidad de especies con respecto al tiempo).
  • Proporciona una medida de la respuesta ambiental (mejora de la producción de pastos como resultado de control de plagas).

Dado que el ambiente es un complejo mosaico de componentes relacionados entre sí, no existe un solo indicador que describa completamente el estado del ambiente y la forma en que está cambiando. Una serie requiere de indicadores cuidadosamente seleccionados para proporcionar un perfil de la situación general del ambiente (Gelinas y Slaats 1989).

La elección de los indicadores adecuados debe estar relacionada con el problema o los objetivos del estudio. Cuando se trata de la gestión ambiental, los indicadores tendrán que reflejar los objetivos de la gestión. Rapport (1987) propone las tres "R" (por sus siglas en inglés) de los indicadores ambientales seleccionados: Relevancia, Fiabilidad y Robustez.

Los indicadores ambientales han sido desarrollados por Vos y colaboradores (1985) para tener funciones de planificación social y comunicación para mejorar la apreciación de una importancia social de un ambiente limpio y expresar los beneficios de política ambiental en términos socialmente accesibles.

Bioindicadores ambientales

Algunos organismos o comunidades de organismos, han sido utilizados como bioindicadores para conocer los efectos de la concentración de contaminantes y complementar los estudios fisicoquímicos [Klumpp, 2003; Klumpp et al., 2004]. Dentro de este grupo, existen aquellos que en sus tejidos acumulan compuestos químicos específicos y cuyas concentraciones varían según la especie, caracterizándolos como bioacumuladores [Hawksworth et al., 2005]. Regularmente, se toma ventaja de especies bioacumuladoras para remediar sitios contaminados, debido a su bajo costo, fácil implementación, eficiencia y el bajo impacto negativo sobre el sitio.

Vegetación bioacumuladora

Especies de plantas que tienen la capacidad de bioacumular contaminantes se usan con frecuencia para propósitos de monitoreo y para prospección de metales pesados. Las especies vegetales que se han reportado como bioacumuladoras de metales, son especies de árboles y matorrales [Pulford y Watson, 2003], incluso los líquenes y musgos se han investigado en zonas con actividad hidrotermal [Loppi y Bonini, 2000]. Representando una buena alternativa para la identificación de bioindicadores ambientales y el establecimiento de la línea base de contaminación de las regiones de estudio.

Microorganismos extremófilos

Estos tipos de microorganismos provienen de zonas en donde las condiciones del hábitat son consideradas extremas, por estar por encima o por debajo de las circunstancias ambientales naturales. Durante varias décadas el estudio de este tipo de microorganismos ha sido de gran interés científico, debido a sus diversas aplicaciones en biotecnología y en el monitoreo como bioindicadores de contaminación.

Las zonas geotérmicas son consideradas hábitats extremos porque el fluido geotérmico posee altas concentraciones de sales disueltas, de metales pesados y en algunos casos de radionúclidos, además de encontrarse a altas presiones y temperaturas.

El tipo de microorganismos que se han identificado en las zonas geotérmicas, son principalmente las bacterias termofílicas [Adiguzel et al., 2009] y diatomeas [Owen et al., 2008]. También se han caracterizado comunidades de cianobacterias tolerantes a altas temperaturas en el sistema de los tres lagos (Laguna Blanca, Verde y Lago Licancabur) de las zonas geotérmicas del Altiplano de los Andes en Bolivia [Fleming y Prufert-Bebout, 2010].

Existen problemas ambientales locales asociados con los desarrollos de energía geotérmica, en donde cada planta en el mundo opera bajo diferentes contextos ambientales, lo que se traduce en hábitats únicos para los microorganismos.

Variables sociales, económicas y culturales

Los proyectos geotérmicos, comúnmente integran una evaluación de impacto ambiental, sin embargo, una evaluación del impacto social es importante desde el punto de vista de prevenir daño o conflicto con la población local. Incluso, cuando se hace una evaluación del impacto social, los proyectos geotérmicos se benefician al contener información respecto de los cambios sociales, culturales, políticos y económicos que pudieran ocurrir antes, durante y después de la implementación del proyecto.

En ocasiones la resistencia política del proyecto suele ser un problema más grande que puede resultar costoso e incluso sabotear el proyecto antes de que empiece. Un movimiento de resistencia bien organizado puede recibir atención nacional y atraer ONG ́s internacionales y grupos de derechos humanos, esencialmente donde grupos indígenas están involucrados [Dewhurst, 2014].

La experiencia demuestra que si no se consulta a la comunidad antes de instalar un proyecto, ello podría desatar una serie de conflictos etnopolíticos [Landis y Albert, 2012].

Una de las estrategias que están usando las empresas es involucrar a los lugareños en el proceso de planeación. Un desarrollo participativo es un término que incluye una gran variedad de estrategias como la participación pública, relaciones comunitarias y la participación de los interesados.

El desarrollo de un diagnóstico sociocultural de la zona, aumentará las probabilidades de éxito del proyecto, al contar con información estratégica de primera mano sobre los aspectos sociales, culturales, productivos e inclusive ambientales de la comunidad en cuestión y de sus pobladores. A su vez, esto puede ser tomado como base para realizar planteamientos participativos que incluyan la cosmovisión y estilos de vida de las comunidades, generando una sana simbiosis proyecto-comunidad.

En adición a las anteriores cuestiones de desarrollo sostenible estratégico, el marco legal demanda que el diagnóstico social sea realizado, toda vez que la metodología para valorar externalidades asociadas con la generación de electricidad en México [SENER, 2012] prevé la determinación de los costos o beneficios sociales de la generación de electricidad por parte del promovente del proyecto. Incluso, en caso de existir comunidades indígenas, es necesario cumplir con el marco legal de la Ley de la Comisión Nacional para el Desarrollo de los Pueblos Indígenas, donde en su artículo 3o fracción VI prevé, que si el Ejecutivo Federal promueve proyectos que impacten significativamente las condiciones de vida y el entorno de los pueblos y comunidades indígenas, estos deben ser consultados [Presidencia de la República, 2012].

Escenario de México

En general, la sostenibilidad del sector energético en México entre 1990 y 2008 muestra un decremento en la sostenibilidad global de 0,73 a 0,56, respectivamente, en la que 1 significa la sostenibilidad plena. Este resultado se basa en indicadores de sostenibilidad mexicanos: independencia, robustez, exportaciones, los ingresos petroleros, la inversión, la productividad, la distribución eléctrica, la cobertura de las necesidades básicas de energía, fuentes de energía renovables y el agotamiento de combustibles fósiles [Sheinbaum-Pardo et al., 2012].

Figura 1. Distribución de los recursos geotérmicos en México, de [Santoyo-Gutiérrez y Torres-Alvarado, 2010].

En el caso de la generación de electricidad geotérmica, producida en México, alcanza los 958 MWe de la capacidad instalada (~ 2%) con cuatro plantas geotérmicas (Fig. 2). Cerro Prieto, en Baja California (620 MW), Los Azufres en Michoacán (188 MWe), Los Humeros en Puebla (40 MW) y Las Tres Vírgenes en Baja California (10 MW). México se encuentra en el cuarto lugar a nivel mundial en la generación eléctrica después de EE.UU. (3.093 MWe), Filipinas (1.904 MWe) e Indonesia (1.197 MWe) [Bertani, 2010]. La Comisión Federal de Electricidad (CFE) indica que la capacidad geotérmica instalada incluye 556 pozos y la producción de alrededor de 66 millones de toneladas de vapor/año (~ 7.504 ton/h), de ellos el 66,4% son de Cerro Prieto, el 15,3% de los Azufres, el 7,7% de Los Humeros y el 1,8% de Las Tres Vírgenes [Gutiérrez-Negrín, 2010].

Además de los 4 campos geotérmicos que se encuentran actualmente en explotación, la CFE ha evaluado zonas con potencial geotérmico, estimando su capacidad para producir electricidad. De los pocos más de 20 sitios caracterizados e identificados; en este proyecto se pretende trabajar en tres: 1. Zona Geotérmica de Acoculco, Pue. 2. Zona Geotérmica del Chichonal, Chiapas. 3. Zona Geotérmica de Los Negritos, Michoacán.

Zona Geotérmica de Acoculco en Puebla, México (ZGAc)

La zona se localiza casi en los límites de los estados de Puebla e Hidalgo, en el municipio de Chignahuapan, Pue., a 85 kilómetros al noroeste de la ciudad de Puebla y a 65 kilómetros al sureste de la ciudad de Pachuca Hgo., está ubicada en la porción oriental de la Faja Volcánica Mexicana. Con el método Volumétrico-Montecarlo el campo presenta un potencial de 107 MW con una desviación estándar de 42 MW y el intervalo de confianza al 90% es de entre 38 y 177 MWe. Con el método de descompresión gradual el campo presenta un potencial de 48 MW (CFE, 2009). En general, el origen de la fuente de vapor es volcano-tectónico, las temperaturas registradas oscilan entre 264 y 307 °C a profundidades de 1900 y 2000 m respectivamente; las curvas de temperatura indican características de roca impermeable caliente (Lorenzo-Pulido et al., 2011). El yacimiento presenta altas temperaturas pero muy baja permeabilidad, por lo que la CFE considera esta zona como candidata para desarrollar en ella un sistema geotérmico mejorado (EGS: Enhanced Geothermal System) aplicando técnicas de fracturamiento hidráulico y/o químico (CRE, 2009).

Zona Geotérmica del Chichonal en Chiapas, México (ZGChich)

La zona se localiza en la parte noroeste del estado de Chiapas, en los límites entre los estados de Veracruz, Tabasco y Chiapas. A 60 km de la capital, Tuxtla Gutiérrez, y 20 km, hacia el suroeste, de Pichucalco. Desde el punto de vista fisiográfico, la zona está ubicada en la provincia del Altiplano de Chiapas-Guatemala, dentro de la subprovincia de Sierras Plegadas.

El Chichonal es un estratovolcán que empezó a formarse a principios del Cuaternario en una zona de fuerte actividad tectónica de las placas de Norteamérica, Cocos y El Caribe. Esta zona de debilidad cortical se ha formado por la intersección de dos sistemas de fallas, uno más antiguo de dirección casi este-oeste, y otro más reciente de dirección casi norte-sur. El volcán ha presentado eventos de tipo explosivo, el más reciente que ocurrió en dos fases sucesivas, una el 28-29 de marzo y otra el 3-4 de abril de 1982. En ambos casos se trató de erupciones de tipo pliniano que emitieron productos piroclásticos y gases, sin lava, dando lugar a depósitos de avalancha y de caída aérea de composición andesítica.

Las manifestaciones termales son fumarolas ubicadas en el cráter principal del volcán y manantiales termales de cinco grupos sobre los flancos del volcán, a una distancia de entre 2 y 3 km en línea recta de la cima. Se encuentran en las partes superiores de los cañones donde las aguas calientes se mezclan con agua meteórica superficial y forman arroyos que fluyen hacia el Río Magdalena.

Las temperaturas superficiales van de los 50 a los 74°C. Lastemperaturas de fondo calculadas por la CFE antes de la erupción de 1982 y aplicando el geotermómetro de potasio-sodio iban de los 217 a los 293°C. La geotermometría actual indica temperaturas menores, entre 200 y 250°C. La fuente de calor es la cámara magmática alimentadora del volcán, con el método Volumétrico-Montecarlo el campo presenta un potencial de 46 MW con una desviación estándar de 23 MW y el intervalo de confianza al 90% es de entre 9 y 84 MWe (CRE, 2009).

Zona Geotérmica de Los Negritos en Michoacán, México (ZGLNeg)

Esta zona está situada en el extremo noroeste del estado de Michoacán, a 10 km al oriente de la ciudad de Sahuayo y entre 1500 y 1600 msnm de elevación.

La zona se encuentra casi en la confluencia de dos provincias tectónicas conocidas como el Graben de Chapala y la llamada Meseta Tarasca, específicamente al sur de la Ciénaga de Chapala. La zona está en la porción centro-oriental del Valle de Sahuayo, sedimentos lacustres (limolitas calcáreas) rellenan el valle, sobre el que afloran las manifestaciones termales. Las rocas más recientesson andesitas vítreas de augita extruidas por dos centros eruptivos de edad cuaternaria.

Las manifestaciones termales son manantiales, algunas fumarolas y volcanes de lodo, que parecen relacionarse con el cruce de dos estructuras, determinadas por estudios geofísicos, una dirección este-oeste (Falla El Platanal) y otra de dirección noreste-suroeste (Falla Los Negritos). Las temperaturas superficiales están entre 30 y 82°C, aunque el geotermómetro de potasio-calcio indica temperaturas de fondo entre los 156 y los 243°C y el geotermómetro de gases de D’Amore-Panichi sugiere temperaturas de 219°C.

El probable yacimiento geotérmico podría estar contenido en las rocas volcánicas más antiguas, que se estima subyacen a los sedimentos lacustres del valle y presentan una importante permeabilidad secundaria. La fuente de calor estaría relacionada con una cámara magmática profunda alimentadora del vulcanismo más reciente. Con el método Volumétrico-Montecarlo el campo presenta un potencial de 24 MW con una desviación estándar de 12 MW y el intervalo de confianza al 90% es de entre 3 y 44 MWe. Con el método de descompresión gradual el campo presenta un potencial de 20 MW (CRE, 2009).

Referencias bibliográficas

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Objetivos y metas

El objetivo de esta propuesta es hacer un diagnóstico del impacto ambiental causado por la actividad geotérmica natural de zonas con potencial geotérmico explotable a mediano plazo. Así mismo, proponer estrategias, ambientales, sociales y económicas para un desarrollo sostenible, a partir de la implementación de un proyecto geotermoeléctrico.

El motivo de hacer un diagnóstico de impacto ambiental de actividad geotérmica natural, es el establecimiento de un estado inicial en los sitios con presencia de recursos geotérmicos, incluyendo indicadores y bioindicadores ambientales.

A partir del estudio social, cultural y económico de las zonas de estudio para identificar rutas y zonas indígenas, proponer alternativas de reubicación e inserción a la economía local con la instalación de un proyecto de explotación geotérmica y equiparar los intereses del proyecto y los de las comunidades de las zonas de estudio.

Diseño y construcción de turbo-generador de baja entalpía con capacidad de 300 kw para aprovechamiento del recurso geotérmico nacional

Número de proyecto

P29

Título de proyecto

Diseño y construcción de turbo-generador de baja entalpía con capacidad de 300 kw para aprovechamiento del recurso geotérmico nacional

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Juan Felipe Soriano Peña

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

GS Energía, S.A.P.I. de C.V.

Antecedentes y justificación

En el país existen capacidades de carácter científico-tecnológico para la materialización estos tipos de productos con los más altos estándares de calidad y eficiencia para el aprovechamiento geotérmico, sin embargo hace falta crear una sinergia sólida que consolide las fortalezas académicas e industriales para la colocación de nuevos productos de aprovechamiento energético como lo son las turbinas de baja entalpía.

Debido al auge de las fuentes de energía alternas, en especial la geotermia, se tiene la necesidad de diseñar un generador de energía eléctrica aprovechando las propiedades de la energía geotérmica, específicamente del pentano. México ocupa el tercer lugar mundial en producción en generación de energía geotérmica. [1]

El pentano es un compuesto químico líquido que debido a su bajo punto de ebullición, bajo costo y relativa seguridad de manejo, se ha implementado dentro de la industria de generación de energía, aprovechando a la energía geotérmica.

Detalle del ciclo del pentano para la generación de energía eléctrica

Ciclo del agua

  1. El agua caliente (a altas temperaturas) se extrae de la tierra y entra a una cámara de evaporación.
  2. El agua caliente (a menor temperatura) pasa a un pre-calentador.
  3. El fluido a temperatura ambiente, vuelve a la tierra.

Ciclo del pentano

  1. En estado líquido pasa a una cámara de pre-calentado, en donde se aumenta su emperatura a XX°C.
  2. Caliente, y en estado líquido aún, viaja hasta una cámara de evaporación, en donde el agua caliente extraída de la tierra se encarga de llevarlo hasta su punto de ebullición (36°C) y convertirlo en vapor.
  3. El vapor viaja hasta una turbina para movilizarla. La turbina su vez mueve un generador de energía eléctrica.
  4. El vapor de pentano pasa por un condensador, para regresarlo al estado líquido y volver a comenzar el ciclo.

Generación de energía geotérmica mundial

Gráfica de producción mundial de energía geotérmica

En el 2007 el periódico mexicano La Jornada, publicó un artículo en el que se menciona que México ocupa el tercer lugar en Generación de energía eléctrica mediante energía geotérmica.

Potencia geotérmica mundial instalada 2011

De acuerdo con la imagen anterior, según el Banco Interamericano de Desarrollo (BID) en colaboración con la empresa ENAL (Energías Alternas, Estudios y Proyectos), en el 2011, México ocupada el cuarto lugar mundial en la cantidad de potencia geotérmica instalada. [2]

Mercado empresarial

Ormat es una empresa Israelí con base en Nevada, EEUU. Es proveedor de tecnología para energías alternas y renovables. Es propietaria y maneja alrededor de 515 MW de energía geotérmica en el mundo con plantas de energía en Nevada, California, Hawái, Nicaragua, México, Guatemala, Kenya, Nueva Zelanda, Indonesia, entre otras.

Fuji Electric es una empresa japonesa, líder mundial en generación de energía geotérmica. Fuji Electric ha entrago más de 34,000 MW/545 unidades de turbinas de vapor y generadores eléctricos en todo el mundo.

Alstom es una compañía francesa que diseña, provee y presta servicios de sistemas para generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. El área de Geotermia tiene sede en México, teniendo plantas de energía distribuidas en distintos países, tales como, México, El Salvador, Nueva Zelanda, Islandia, Filipinas, Estados Unidos e Indonesia.

Generación de energía en México

México es un país rico en recursos para la generación de energía eléctrica. Pero la mayoría de la energía eléctrica generada en el país se hace mediante los hidrocarburos. A continuación se presenta una gráfica para ejemplificar qué porcentaje de la energía eléctrica producida en México se produce con cada recurso.

 

De acuerdo con la gráfica anterior, del total de la energía eléctrica generada en el país, el 40.5% se produce con hidrocarburos, el 9.2% mediante tecnología hidráulica y solo el 3.0% con energía geotérmica.

Riqueza geotérmica en México

Al mayor parte del territorio mexicano (excepto la península d Yucatán) se caracteriza por la gran actividad tectónica y volcánica, que ha tenido lugar desde hace varios millones de años hasta el presente. Esta actividad tectonovolcánica, además de generar resultados catastróficos, también ha sido fuente de la riqueza mineral y geotérmica del país. La presencia de estos recursos se extiende por todo el territorio nacional, siendo abundante en la parte central del país. Los principales campos geotérmicos en México están distribuidos como se muestra en la imagen a continuación.

 

Hasta el 2011 México tenía instalados 886.6 MW en energía geotérmica ocupando así el cuarto lugar a nivel mundial [3]. Hasta esa fecha México contaba con 5 campos geotérmicos, 4 de ellos en funcionamiento.

Cerro Prieto: Ubicado en la región de Mexicali, Baja California Norte, es la planta geotérmica más grande de México y una de las más grandes en el mundo. Está compuesta por cinco centrales de 13 equipos en total, las cuales, juntas, tienen una capacidad instalada de 645 MW.

Tres Vírgenes: Las Tres Vírgenes en el norte de Baja California Sur, obtuvo su nombre por los tres volcanes en la zona en donde se encuentra. Tiene 2 equipos que agregan una capacidad instalada de 10 MW.

Los Azufres: Los Azufres en Michoacán, la parte central del cinturón volcánico, comenzó operaciones en 1982. Tienen 12 equipos que juntos agregan una capacidad instalada de 192 MW.

Los Humeros: Este campo geotérmico está situado en el lado este del cinturón volcánico, en el estado de Puebla. Inició operaciones en 1990 y en 2012 tuvo un incremento de producción en su segunda fase. Tiene 8 equipos que agregan una capacidad instalada de 40 MW.

Cerritos Colorados: Es el quinto campo geotérmico en México, ubicado en el Área Natural Protegida Bosque de La Primavera. Se encuentra inactivo, sin embargo tiene un potencial estimado de 75MW. Existen planes de su desarrollo para el 2014.

Otros campos geotérmicos: En México el 96% de la población tiene servicio de electricidad en sus hogares, mientras en el 4% aún no cuenta con energía eléctrica. Esto se debe a las zonas en las que habitan. Son zonas rurales de bajos recursos y con dificultad para acceder a ellas.

Objetivos y metas

Objetivo general:

  • Construir el primer turbo-generador prototipo con una capacidad de 300 kW de potencia, para aprovechamiento de recurso geotérmico de baja entalpía.

Objetivos específicos:

  • Realizar un estudio del estado actual de las tecnologías aplicadas en turbinas de baja entalpía.
  • Desarrollar el diseño conceptual del  primer Turbo-Generador mexicano de 300 kW.
  • Realizar la ingeniería básica y de detalle para la construcción de Turbo-Generador de 300 kW.
  • Fabricar y ensamblar el primer Turbo-Generador de 300 kW en México.
  • Realizar ensayos y mediciones operativas del Turbo-Generador en laboratorio.
  • Instalar y poner en funcionamiento el primer Turbo-Generador de 300 kW en planta geotermia.
  • Estudio de factibilidad para el desarrollo de un Turbo-Generador de 1MW de baja entalpía.

Evaluación de tecnologías para la maximización de extracción de energía de yacimientos geotérmicos de mediana y baja entalpía

Número de proyecto

P31

Título de proyecto

Evaluación de tecnologías para la maximización de extracción de energía de yacimientos geotérmicos de mediana y baja entalpía

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Jesús Pacheco Ibarra

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Prados Camelinas, S.A. de C.V.

Antecedentes y justificación

Potencial geotérmico de México y caso especial de Araró, Michoacán

Al menos desde la década de los setenta se han efectuado diversas estimaciones sobre el potencial geotérmico de México. Por ejemplo, en 1975 Héctor Alonso [1] estimó una capacidad geotermoeléctrica total del orden de los 4000 MWe, considerando diversas zonas geotérmicas de alta temperatura ubicadas en la Faja Volcánica Mexicana (entre ellas Ixtlán de los Hervores, Los Negritos, Los Azufres, Cerritos colorados, San Marcos, Hervores de la Vega, La Soledad y Los Humeros), además del potencial del campo geotérmico de Cerro Prieto y sus alrededores, en el cual, ya operaban para esa fecha las dos primeras unidades geotermoeléctricas de 37.5 MWe cada una. Cabe advertir que de tales zonas, sólo la de San Marcos, Jal., resultó fallida, pues las demás o ya han sido desarrolladas (Los Azufres, Mich., Los Humeros, Pue.) o siguen siendo consideradas a la fecha con alto potencial geotermoeléctrico. De igual manera, en el año de 1976 Sergio Mercado [2] calculó un potencial superior a los 13,000 MWe, mediante un proceso simplificado que incluía una estimación del volumen de roca porosa y permeable en cada zona geotérmica.

Hacia el año de 1985 Héctor Alonso [3] publica una nueva estimación de cerca de 12,000 MWe para el potencial geotérmico total del país; compuesto por 1,340 MWe de reservas probadas, 4,600 MWe de reservas probables y 6,000 MWe de reservas posibles. Al mismo tiempo, Sergio Mercado [4], presentó una evaluación del potencial geotérmico del país para recursos de temperatura intermedia (125 a 135°C), que llegaba a casi 46,000 MWe.

El Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE), por su parte, ha realizado diversos cálculos para evaluar el potencial geotérmico de México. Uno de los más recientes fue publicado por Iglesias y Torres [5] en 2004. Este incluye una estimación aplicando un método volumétrico sobre un total de 276 localidades termales distribuidas en 20 estados de la república para las cuales se contaba con datos confiables. Para el análisis volumétrico se asignó a cada localidad un área mínima de 1 km2, máxima de 3 km2 y más probable de 2 km2, además, se asumió un espesor uniforme mínimo de 1 km, máximo de 2.5 km y más probable de 1.5 km. El calor específico volumétrico para la roca lo supuso de 2,500 kJ/m3°C y la porosidad del yacimiento de 15% en todos los casos. Las temperaturas probables del yacimiento se asignaron en función de los datos de geotermometría disponibles. Obtuvieron una distribución de temperaturas de fondo más probables para las 276 localidades, cuya media resultó ser de 111°C, la moda de 110°C, y la desviación estándar de 20.5°C. Como resultado de la estimación se obtuvo un volumen total de calor almacenado hasta una profundidad máxima de 3 km, de entre 308 y 345 EJ (Exajoules) térmicos, con un intervalo de confianza de 90%. Aplicando un factor de recuperación del 25%, llegó a una estimación del potencial térmico total entre 77 y 86 EJ térmicos. Desde luego, en este caso se trata de la energía térmica total almacenada en el subsuelo, y no de un potencial geotérmico en términos de capacidad instalada aprovechable en usos directos.

En 2011, la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos (GPG) de la CFE [6] publicó una estimación volumétrica del potencial geotérmico total de México, con base en un catálogo de 1,300 manifestaciones termales. Estas fueron clasificadas, de acuerdo a la estimación de sus temperaturas de fondo con base en geotermómetros, en tres rangos de temperatura: alta (>200°C), media (200–150°C) y baja (150–90°C). En cada zona de manifestaciones se asumió una superficie de 1 km2, un espesor de 2 kilómetros, una porosidad de 15%, un factor de recuperación de calor del 25%, factores de eficiencia de conversión de energía térmica a eléctrica de 0.18 (más de 200°C), 0.125 (200-150°C) y 0.11 (150-90°C), un factor de planta de 0.95 y un tiempo de vida útil de 30 años. Datos con los cuales, se calculó un potencial geotérmico probable (reservas tipo 2P) de 2,077 MWe y uno posible (reservas tipo 3P) de 7,423 MWe, en ambos tipos para recursos de baja a alta entalpía (90 a más de 200°C). Por su parte, las reservas probadas (tipo 1P) se consideraron como los proyectos de ampliación de capacidad instalada en los cuatro campos en operación actual (Cerro Prieto, B.C.N., Los Azufres, Mich., Los Humeros, Pue., y Las Tres Vírgenes, B.C.S.) más el potencial evaluado en el campo de Cerritos Colorados, Jal., obteniendo así un potencial de 186 MWe, adicionales a los 958 MWe de capacidad instalada actual.

Respecto a Araró, Michoacán, la CFE ha realizado distintos estudios geológicos, geoquímicos y geofísicos de detalle, tanto en la zona de mayor interés como en otras zonas cercanas a la misma. Los estudios se han llevado a cabo en dos etapas, una en la década de los setenta y otra en la de los ochenta. Como conclusión de la primera etapa se perforó un pozo exploratorio en 1981, fuera de la zona de mayor interés. Como terminación de la segunda etapa se perforo otro pozo, denominado Z-3 (perforado en el año de 1991 y con una profundidad de 1,344 m). En este último pozo se registraron 101°C de temperatura al fondo, con un máximo de 135°C a los 550 m de profundidad. La mineralogía hidrotermal reveló que las temperaturas en el pasado debieron estar entre 250 y 300°C, mientras que los estudios de inclusiones fluidas indican paleo-temperaturas entre 218 y 247°C. Por otra parte, se llevó a cabo la estimación del potencial preliminar con el método Volumétrico-Montecarlo, dando un potencial de 21 MWe con una desviación estándar de 10 MWe y un intervalo de confianza de 90%. De igual manera, aplicando el método de descompresión gradual el campo presentó un potencial de 32 MWe.

Extracción de energía geotérmica por métodos no convencionales

En la actualidad, existen distintas técnicas para extraer energía geotérmica. La técnica más usual, es mediante la inducción del pozo geotérmico, esto es, mediante la inyección de aire a un pozo, lo cual provoca que exista un diferencial de presiones y el pozo empiece a fluir por si solo de manera continua. Cabe mencionarse, que la técnica anterior es aplicada cuando el pozo no fluye de manera natural. Existen casos en los cuales el pozo geotérmico no se mantiene fluyendo de manera constante, ya sea de manera natural o empleando la inducción, lo cual presenta un grave problema para su explotación, pero esto no implicando que la energía contenida en el pozo no pueda ser aprovechada, limitándose el problema a la forma de transportar esta energía geotérmica contenida en el reservorio hacia la superficie.

Normalmente, las técnicas para la explotación no convencional de un yacimiento geotérmico, se dividen de acuerdo al empleo del fluido contenido en el pozo geotérmico. Se dividen en métodos no convencionales para la explotación de un yacimiento geotérmico empleando el fluido contenido en el pozo y sin cambio en el nivel del fluido en el pozo geotérmico. Dentro de la clasificación de métodos no convencionales para la explotación de un yacimiento geotérmico empleando el fluido contenido en el pozo, se encuentran los sistemas de bombas verticales tipo sumergibles, bombas centrífugas tipo turbina y el sistema Air-lift, entre otros. Por otra parte, los métodos no convencionales para la explotación de un yacimiento geotérmico sin cambio en el nivel del fluido en el pozo geotérmico, se caracterizan por el empleo de intercambiadores de calor geotérmicos (concéntricos y en U), los cuales solamente extraen la energía geotérmica contenida en el reservorio, sin cambiar el contenido de fluido dentro del pozo.

En concreto, en la implementación de los sistemas de bombas verticales tipo sumergibles y bombas centrífugas tipo turbina para la extracción del fluido contenido en el pozo, el cual lleva consigo la energía geotérmica contenida en el reservorio, la literatura no reporta nada hasta el momento acerca de la implementación de este tipo de tecnología para pozos geotérmicos. Por otra parte, respecto a la tecnología Air-lift, la literatura reporta que los estudios están dirigidos principalmente para su implementación en reactores de biomasa y para el transporte tanto de petróleo como de gas en pozos, siendo nulos sus estudios en el campo geotérmico.

Respecto a los métodos no convencionales para la explotación de un yacimiento geotérmico sin cambio en el nivel del fluido en el pozo geotérmico mediante intercambiadores de calor geotérmicos tanto concéntricos como en U, no solamente la literatura reporta estudios teóricos, sino prácticos de su implementación en pozos geotérmicos. Para los intercambiadores de calor geotérmicos concéntricos, Morita [7], instaló el primer intercambiador de calor concéntrico para demostrar su factibilidad para el aprovechamiento de energía geotérmica y producción de energía eléctrica, lo anterior sin realizar un diseño térmico para dicho propósito. El intercambiador de calor tuvo una longitud de 876.5 m y fue introducido en un pozo con una profundidad de 1,962 m, sellando el pozo a una profundidad de 879.6 m. Con un flujo de inyección de 80 l/min, la mayor temperatura obtenida a la salida fue de 98°C y se obtuvo una extracción de calor bruto de 540 kWt y un neto de 370 kWt. Por otra parte, Tago [8], realizó una simulación numérica de un intercambiador de calor concéntrico a escala real. Determinó como afectan los distintos materiales de los que puede ser construido un intercambiador de calor concéntrico sobre la extracción de calor. Además, concluyó que manteniendo fijo el diámetro del pozo y el flujo másico, el diámetro de la tubería concéntrica afecta en gran medida la extracción de calor cuando el flujo se transporta en el sentido contrario al normal. Para los intercambiadores de calor geotérmicos en U, los estudios están enfocados a intercambiadores de calor para alimentar bombas de calor, mas no para la extracción de energía de un yacimiento geotérmico, tales ejemplos de esto es [9-11].

Justificación

La geotermia es, con toda probabilidad, la gran desconocida entre las denominadas energías renovables. Las razones para ese desconocimiento pueden estar relacionadas con su origen y procedencia, de ese subsuelo igualmente poco conocido. También se esgrime como causa del desconocimiento, esa aparente falta de proximidad. El sol, el viento y las mareas se aprecian como cercanos; de la geotermia, sin embargo, se ignora que los manantiales termales, ampliamente distribuidos en el territorio y suficientemente conocidos, no son sino indicios de la existencia de recursos geotérmicos, ya que constituyen en muchos casos aliviaderos de los yacimientos geotérmicos.

A lo largo de miles de años, el calor interno de la Tierra y sus manifestaciones en superficie se han considerado como un fenómeno caprichoso de la naturaleza. Lo que sí es un hecho cierto es que la cantidad de energía existente en el interior del globo, en forma de energía calorífica, es inmensa. En general se clasifica a los recursos geotérmicos en recursos de alta temperatura (T≥200°C) y recursos de temperatura intermedia a baja (T<200°C). Esta clasificación obedece a la aplicabilidad de estos recursos. Los de alta temperatura pueden utilizarse para la generación de energía eléctrica. Los de temperatura intermedia a baja son más apropiados para aplicaciones directas del calor geotérmico.

En el caso de México, este cuenta con abundantes recursos geotérmicos, debido a sus particulares características geológico-estructurales. Actualmente se cuenta con una base de datos que incluye 2,332 manifestaciones geotérmicas distribuidas en 27 de los 32 estados Mexicanos.

En particular, dentro de las zonas que cuentan con potencial geotérmico tanto de media como de baja temperatura, se encuentra Araró, la cual se ubica en la porción nororiental del estado de Michoacán, a unos 40 kilómetros al noreste de Morelia, unos 30 kilómetros al noreste del campo geotérmico de Los Azufres, y al oriente del Lago de Cuitzeo. La zona de interés se localiza entre las coordenadas: 19°52‟30” y 19°55‟ de latitud norte, y 100°48‟ y 100°52‟30” de longitud oeste, y a unos 1900 msnm de elevación. Puede accederse a ella por la autopista de cuota México-Guadalajara. Fisiográficamente, yace en la parte oriental del sector central de la provincia de la Faja Volcánica Mexicana. Además, la zona de Araró se encuentra al interior de una depresión tectónica de dirección general este-oeste, conocida como Graben de Cuitzeo - Maravatío, que parece ser parte de una fosa tectónica más grande, que se extiende desde Chapala, Jalisco, hasta Tepetongo, Estado de México. Las fallas más relevantes, conocidas como Falla Huingo y Falla Araró-Zimirao, presentan esa misma dirección y actúan como conductos para el movimiento de los fluidos hidrotermales, con temperaturas superficiales entre los 31 y 98°C. La actividad volcánica más reciente está representada por lavas y conos cineríticos de composición andesítica y basáltica, con edades entre los 0.6 y 0.7 millones de años, pero afloran también domos y lavas riolíticas y tobas riolíticas con intercalaciones de flujos piroclásticos con edades entre 0.9 y 1.6 millones de años. En la zona se encuentran manantiales termales con escape de gases y zonas de alteración, agrupados en varias áreas, de las cuales la más importante es la conocida como San Nicolás Zimirao (48-99°C en una superficie de 10 hectáreas). Las aguas de los manantiales en esta área son de tipo clorurado sódico con concentraciones promedio de boro de 55 ppm. El geotermómetro de potasio-sodio indica temperaturas promedio de fondo de 205°C y máximas de 228°C.

De igual manera, en base a varios estudios llevados a cabo, se estimó que la zona de Araró cuenta con un potencial geotérmico aproximado de 32 MWe, a pesar de que sus recursos geotérmicos se encuentran en el rango de temperaturas de media a baja. Esto representa, más que una oportunidad, un reto para la explotación de este recurso con fines de generación de energía eléctrica o aplicaciones distintas a la balneología (principal uso de este recurso en la zona). Sin embargo, en esta zona los métodos convencionales de explotación de energía geotérmica son infructuosos, lo cual no solo es característica de esta zona sino de la mayoría de las zonas que cuentan con características geotérmicas similares, lo cual provoca que estas zonas no sean explotadas, a pesar de ser el tipo de recurso geotérmico más abundante en el planeta. Por lo cual, es conveniente contar con sistemas de aprovechamiento del recurso geotérmico que permitan maximizar su extracción, de manera que haga más factible su aprovechamiento. En este sentido se puede considerar que el fluido geotérmico pueda ser extraído con fines de aprovechar su contenido energético, lo cual representa un reto el aprovechamiento del contenido energético. Motivados en estos antecedentes, en el presente desarrollo tecnológico, se pretende realizar una evaluación de diferentes tecnologías existentes, aunque poco probadas en geotermia para la extracción de la energía geotérmica, bien sea extrayendo el fluido geotérmico ( empleando los sistemas de bomba vertical tipo sumergible, bomba centrífuga tipo turbina y la tecnología Air-lift) o solamente el contenido energético del yacimiento (intercambiadores de calor geotérmicos), para la maximización de extracción de energía de yacimientos geotérmicos de mediana y baja temperatura, ubicados específicamente en la zona geotérmica de Araró y, posiblemente, de su zona aledaña, el lago de Cuitzeo, ambos lugares ubicados en el estado de Michoacán. Para cualquier caso, se llevará acabo la implementación de las distintas tecnologías mencionadas anteriormente, de manera que se permita definir, para futuras aplicaciones de aprovechamiento del potencial energético de un yacimiento geotérmico, independientemente del uso que se le dé, cual es la tecnología que maximiza el aprovechamiento de recursos energéticos de los yacimientos geotérmicos de mediana y baja temperatura. Esto permitirá brindar herramientas de decisión a las empresas que pretendan realizar inversiones en el campo de la energía geotérmica, dado que actualmente, la legislación y las normas establecidas para la exploración, perforación y explotación de yacimientos geotérmicos, son bastante estrictas y exigentes.

Objetivos y metas

Objetivo general del proyecto

Llevar acabo, en zona geotérmica de Araró Mich., la evaluación de tecnologías para la maximización de extracción de energía de yacimientos geotérmicos de mediana y baja entalpía.  Para esto se pretende hacer uso de tecnologías modernas de extracción de fluidos como; Bombas tipo turbina, Sumergibles, tecnología Air Lift y, para extraer solo la energía geotérmica, implementación de Intercambiadores de calor de pozo profundo.

Objetivos específicos

  1. Identificar el área geográfica dentro de la zona geotérmica de Araró, Michoacán o del lago de Cuitzeo, Michoacán para implementar el proyecto.
  2. Diseño y construcción de una plataforma de perforación.
  3. Diseño mecánico de pozo geotérmico a perforar y planos de acomodo de equipos auxiliares de perforación.
  4. Adquisición de equipo de perforación e insumos para perforación de pozo geotérmico.
  5. Caracterización del fluido geotérmico y operatividad de pozo geotérmico.
  6. Determinación del potencial de pozo geotérmico.
  7. Perforación de pozo geotérmico.
  8. Búsqueda y adquisición de las tecnologías propuestas que pueden ser empleadas para la extracción del fluido del pozo como medio para extraer la energía geotérmica.
  9. Implementación y comparación de las posibles tecnologías que se pueden emplear para la extracción del fluido del pozo como medio para extraer la energía geotérmica.
  10. Simular y comparar, mediante software de alto rendimiento y tecnologías de procesamiento en paralelo, la extracción de energía geotérmica mediante diferentes configuraciones de intercambiadores de calor geotérmicos (extracción de energía geotérmica sin extracción del fluido contenido en el pozo) para determinar la configuración más plausible.
  11. Adquisición e implementación de la configuración de intercambiador de calor geotérmico más idóneo, en base a la simulación previa.
  12. Determinar, en base a los resultados obtenidos con la implementación de las tecnologías de extracción de la energía geotérmica propuestas, cuál de ellas, es la que técnica y económicamente es más rentable y que a su vez, maximice la extracción de la energía.

Metas

  1. La capacitación de por lo menos dos personas para asegurar la correcta implementación del proyecto.
  2. Identificación de la zona, dentro de la región geotérmica de Araró o del lago de Cuitzeo, Mich., que tiene el potencial geotérmico de mediana y baja temperatura más apto para implementar el proyecto, utilizando la técnica TEM y SEV.
  3. Adaptación del equipo de perforación por medio de una plataforma de perforación.
  4. Adquisición del equipo de perforación e insumos de perforación.
  5. Diseño mecánico del pozo, definiendo las geometrías más adecuadas.
  6. Distribución de equipos complementarios de perforación.
  7. Diseño de detalle de plataforma de perforación.
  8. Calculo de potencial de pozo geotérmico empleando por lo menos dos métodos.
  9. Caracterización del fluido de pozo geotérmico, la cual comprende por lo menos la identificación de los 8 elementos principales, el cálculo de por lo menos 5 propiedades térmofisicas y el cálculo de temperatura empleando por lo menos 3 geotermómetros.
  10. Operatividad de pozo geotérmico, que está compuesta por lo menos de 3 mediciones de caudal, una calibración del pozo, tanto un perfil de temperaturas como uno de presión en pozo estático.
  11. Calculo, selección y adquisición de la bomba tipo sumergible.
  12. Calculo, selección y adquisición de la bomba tipo turbina.
  13. Diseño y Adquisición de la tecnología air-lift.
  14. Instalación de bomba tipo turbina y hasta cinco mediciones de los parámetros (temperatura, presión y caudal) de extracción de energía geotérmica.
  15. Instalación de bomba tipo sumergible y hasta cinco mediciones de los parámetros (temperatura, presión y caudal) de extracción de energía geotérmica.
  16. Instalación de la tecnología Air-lift y hasta cinco mediciones de los parámetros (temperatura, presión y caudal) de extracción de energía geotérmica.
  17. Una simulación computacional de transferencia de calor y fluido dinámica tanto de un intercambiador de calor geotérmico concéntrico como en U, comparando y determinando la configuración que presente mejor extracción de energía geotérmica.
  18. Diseño a detalle con planos de construcción (tres planos) y adquisición de insumos para su construcción y adecuación de campo, así como cinco mediciones de temperatura, presión y caudal del fluido geotérmico extraído por el intercambiador de calor geotérmico seleccionado.
  19. Recopilación y comparación de los sistemas de extracción de energía geotérmica propuestos, así como la determinación del sistema de extracción de la energía geotérmica que maximice el aprovechamiento del recurso geotérmico.
  20. Adquisición de insumos y trabajos de campo para adecuar área de perforación, y perforación de un pozo geotérmico de hasta una longitud máxima de 1000 m.

Diseño de una metodología integral para la perforación de sitios geotérmicos de mediana y baja entalpía, con transformación tecnológica y definición de parámetros de riesgo

Número de proyecto

P32

Título de proyecto

Diseño de una metodología integral para la perforación de sitios geotérmicos de mediana y baja entalpía, con transformación tecnológica y definición de parámetros de riesgo

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Hugo C. Gutiérrez Sánchez

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Prados Camelinas, S.A. de C.V.

Antecedentes y justificación

Los antecedentes de esta propuesta, desde el punto de vista de intentos de explotación de sitios geotérmicos de mediana y baja entalpía, se encuentran documentados en un proyecto llevado a cabo por la CFE en la comunidad indígena de Maguarichic, Chihuahua en el 2002 [1].

Comisión Federal de Electricidad llevó a cabo en este sitio un proyecto piloto para producir electricidad a partir de la salmuera geotérmica teniendo en cuenta que el recurso geotérmico se pudiera ubicar a no más de 500 m. Antes de ejecutar estudios de resistividad CFE decidió hacer un agujero delgado a 100 m de profundidad para tener una mejor información de las características termodinámicas del yacimiento. El pozo se perforó con un equipo autónomo y se realizó en 3 ½" de diámetro. La profundidad máxima alcanzada fue de 49 m, y se encontró agua caliente a 120°C. Con esta información y los registros de temperatura y presión, fue posible diseñar y perforar un segundo pozo con tubería de revestimiento cementada a 35 m de profundidad y con un diámetro de 9 5/8". De los 35 a los 300 m se colocó tubería ranurada.

Para perforar el pozo, y ante la ausencia de tecnología aplicable a estas condiciones específicas, se realizaron adaptaciones rudimentarias y costosas, como fue el colocar estructuras metálicas para elevar el equipo de perforación utilizado normalmente en la construcción de pozos de agua. Lo anterior, se realizó con el fin de contar con espacio suficiente para la colocación de equipos de seguridad y control necesarios ante la presencia de fluidos de alta temperatura. Estas modificaciones tuvieron como resultado la inviabilidad económica del proyecto derivada de los altos costos de inversión en relación al recurso financiero obtenido de la producción de energía eléctrica. En la Figura 1-1 [2] se muestran las modificaciones hechas al equipo descritas anteriormente.

Figura 1-1. Modificaciones necesarias para el montaje de equipo de perforación.

Fue posible realizar el proyecto descrito, gracias al soporte financiero con que cuenta CFE, situación impensable para un particular que intenta incursionar en la explotación de recurso geotérmico en zonas de mediana y baja entalpía.

En lo que se refiere a la metodología para la reducción de riesgos durante la perforación en sitos geotérmicos en general, no se encuentra antecedentes que documenten en forma alguna el establecimiento y utilización de parámetros capaces de reducir el riesgo técnico/financiero en actividades de perforación en proyectos geotérmicos.

Dentro del parque de generación de energía, incluyendo fuentes fósiles y renovables, en México la geotermia cuenta con diversas ventajas, como son:

  • El costo de producción más bajo en la escala de despacho eléctrico comparado con cualquier otra fuente de energía.
  • Es una fuente de energía continua que elimina el factor cíclico de la producción (La energía eólica, y la solar, son fuentes cíclicas de energía eléctrica que dependen del comportamiento de la velocidad del viento y de la radiación solar, respectivamente).
  • Altos factores de disponibilidad que inciden favorablemente en la rentabilidad de la inversión.
  • Reducción en la emisión de gases de efecto invernadero (CO2).

La participación de mercado en la generación de energía eléctrica a partir de sus fuentes de producción, está integrada como se observa en la Gráfica 5-1 [3].

De dicha gráfica se desprenden las siguientes observaciones:

  • 73% del mercado de generación de electricidad está dominado por fuentes convencionales a partir de combustibles fósiles (termoeléctrica 44.8%, productores independientes 23% y carboeléctrica 5.2%).
  • 24.3% del mercado se integra por tecnologías de generación eléctrica a partir de fuentes renovables (hidroeléctrica 22.2%, geotermoeléctrica 1.9% y eólica 0.2%).
  • El 2.7% restante corresponde a tecnología nucleoeléctrica.

Gráfica 5-1. Participación por tecnología de producción de energía eléctrica en México (2011).

México ocupa actualmente el cuarto lugar a nivel mundial en generación de energía eléctrica a partir de geotermia a pesar de que participa con tan solo el 1.9% en el mercado eléctrico nacional.

La propuesta de Prados Camelinas S.A. de C.V. logrará reducir los costos en proyectos geotérmicos al contar con una tecnología adecuada para la perforación en sitios de mediana y baja entalpía, incentivando la participación privada en proyectos de generación de energía eléctrica a partir del aprovechamiento de energía geotérmica. Con ello se ampliará la participación geotérmica en el mercado nacional eléctrico asociado con un mayor aprovechamiento del recurso y menores costos de producción.

La justificación de este proyecto, se detalla a continuación:

Motivación: La falta de equipos especializados que puedan utilizarse en la perforación segura y controlada en sitios geotérmicos de mediana y baja entalpía, combinado con la falta de una metodología de análisis de riesgo en perforación, son actualmente los principales factores que evitan que inversionistas privados tomen riesgos en la explotación de este importante recurso disponible ampliamente en México. La actividad de perforación, representa el mayor porcentaje de inversión dentro de un proyecto de desarrollo geotérmico para la producción de energía eléctrica.

La propuesta cerrará la brecha tecnológica descrita a través un proceso sistemático para la perforación en sitios geotérmicos de mediana y baja entalpía, proporcionando una metodología de evaluación de riesgo que combinada con equipo tecnológico adecuado para la perforación permitirá al desarrollador tomar decisiones oportunas y acertadas minimizando el riesgo de fracaso en el proyecto.

[1] SÁNCHEZ VELASCO, Raúl Alberto. Rural electrification in México from low enthalpy geothemral resources: Mexican experience. Proceedings Work Geothermal Congress 2005. Antalaya, Turkey, 24-29, April 2005.

[2] SÁNCHEZ VELASCO, Raúl Alberto. Rural electrification in México from low enthalpy geothemral resources: Mexican experience. Proceedings Work Geothermal Congress 2005. Antalaya, Turkey, 24-29, April 2005.

[3] Comisión Federal de Electricidad, Reporte de Generación Anual, 2011.

Objetivos y metas

El objetivo del proyecto incluye tres componentes principales:

  • Eliminar la brecha tecnológica que existe actualmente en la tecnología de perforación de pozos, específicamente para la extracción de fluidos que se ubican a profundidades menores a 1,000 metros y que registran altas temperaturas (100 a 180°C).
  • Incorporar la tecnología de fluidos aireados en el proceso de perforación de pozos para eliminar la probabilidad de daños en la permeabilidad del estrato productor.
  • Diseñar una metodología de perforación que identifique las variables de riesgo y apoye, a través de una herramienta automatizada de análisis e interpretación de datos, la toma de decisiones oportunas y acertadas en proyectos de perforación.

Desarrollo de un modelo de evaluación de factibilidad técnico-financiera, normativa y legal de proyectos de exploración y desarrollo geotérmico de alta, mediana y baja entalpía

Número de proyecto

P33

Título de proyecto

Desarrollo de un modelo de evaluación de factibilidad técnico-financiera, normativa y legal de proyectos de exploración y desarrollo geotérmico de alta, mediana y baja entalpía

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Sergio R. Galván González

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Generadores de Negocios en Energía Renovable y Ambientales, S.C.

Desarrollar una herramienta informática comercializable que proporcione información suficiente sobre las opciones de explotación del recurso geotérmico partiendo de información básica que ingrese el usuario al propio sistema, para de manera automatizada evaluar la viabilidad técnica y financiera de las diferentes etapas que integran el proyecto de aprovechamiento geotérmico planteado. Adicionalmente, el sistema será capaz de proporcionar el escenario normativo y legal que se debe cumplir para la implementación del proyecto geotérmico planteado, así como el calendario de actividades valorizado y la definición del desempeño financiero del proyecto a través del cálculo de los indicadores respectivos (Valor presente neto, tasa de retorno, valoración de CAPEX y tiempos de recuperación). Los ingresos esperados que genere el proyecto provendrán de la comercialización de la herramienta informática y cobro de derechos a las empresas que presten servicios, así como proveedores y constructores que deseen ser incluidos en el directorio con que contará el sistema.

Antecedentes y justificación

La evaluación técnica y financiera de un proyecto geotérmico es hasta la fecha un tema que se ha desarrollado muy poco y con alcances muy limitados. Se pueden encontrar en la bibliografía modelos financieros que calculan el costo nivelado de generación de un proyecto que el usuario define y que puede estar fuera de lo que es una buena práctica geotérmica y por consecuencia, los resultados que se obtienen dependen mucho del planteamiento original. De igual manera se encuentran disponibles modelos muy completos de evaluación técnica y econométrica para diferentes fuentes de energía como el modelo BESOM (Brookhaven Enery System Optimization Model) desarrollado por Cherniavsky (Ref 1) que optimiza los combustibles disponibles y después de evaluar las necesidades energéticas del usuario, propone la solución de menor costo de una canasta de proyectos de generación, evaluando el precio del combustible, el transporte, la tecnología para convertirlo en energía y los costos de consumo.

El aprovechamiento de la energía geotérmica en México está muy limitado y prácticamente monopolizado por la Comisión Federal de Electricidad y no por razones legales, sino por el desconocimiento e incertidumbre que lleva implícita la explotación de este recurso, ya que desde su ubicación, evaluación de la capacidad energética, costos de la perforación exploratoria, evaluación del riesgo asociado a esta tecnología, costos de equipamiento de campo y central, costos de operación y mantenimiento son muy variables entre campo y campo, lo cual inhibe la participación de los privados en el aprovechamiento de este recurso que abunda en el país.

Como puede apreciarse en la tabla 1, México es el cuarto productor mundial de generación eléctrica a partir de la geotermia, pero la CFE es quien aprovecha los campos en explotación.

México tiene un potencial enorme en recursos geotérmicos, como puede apreciarse en la figura 1, donde se distingue que mas de la mitad del territorio nacional cuenta con este recurso, aunque sin aprovecharse a la fecha. En el reporte Evaluación de la Energía Geotérmica en México (Ref. 2) Hiriart et al. estima un potencial geotérmico probable de más de 2000 MW y reservas posibles por mas de 7000 MW.

Tabla 1. Capacidad geotérmica instalada en el mundo.

Figura 1. Distribución de los recursos geotérmicos en México, con ampliación del Eje Neovolcánico Mexicano.

Se han elaborado modelos numéricos disponibles a nivel comercial que permiten evaluar el potencial energético del sitio que se pretende explotar y el costo asociado como el RetScreen desarrollado por el Gobierno de Canadá y que hace una evaluación técnica y financiera global de un proyecto de energía limpia, usando bases de datos e información de fabricantes para conocer el desempeño de un proyecto a desarrollar. Sin embargo, esta visión es muy amplia y no aporta opciones para las etapas previas de exploración superficial y perforación exploratoria de un proyecto geotérmico, así como tampoco incluye información técnica de sitios posibles a explotar en México. Evidentemente como es un software internacional no toca el tema normativo y legal que aplica en México para el desarrollo de proyectos de generación eléctrica.

La justificación de este proyecto se centra en poner a la disposición de particulares, una herramienta de computo que proporcione información de las posibilidades geotérmicas del sitio que se pretende desarrollar y guie al inversionista a través de las diferentes etapas que integran un proyecto geotérmico, con información técnica y financiera asociados, posibles prestadores de servicios para estas etapas, tanto nacionales como internacionales, trámites y permisos que se requieren y un calendario que permita conocer el tiempo que se lleva cada actividad. En un módulo dedicado se hace una evaluación financiera, calculando los indicadores económicos de desempeño, sea para un proyecto que se evalúa o para alguna aplicación específica del usuario. Con esta información, el inversionista tendrá un panorama técnico, financiero, normativo y legal a partir de información básica, como su requerimiento energético, ubicación del centro de consumo y si lo desea, sitios geotérmicos de su interés o el programa podrá proponerlos.

El contar con esta herramienta apoyará el aprovechamiento extenso de la energía geotérmica en México y proveerá ingresos al Centro Geotérmico Mexicano con la comercialización de la solución informática, contribuyendo a su sustentabilidad financiera.

Objetivos y metas

El objetivo de este proyecto es desarrollar una herramienta informática comercializable que proporcione información suficiente sobre las opciones de explotación  del recurso geotérmico partiendo de información básica que ingrese el usuario al propio sistema, para de manera automatizada evaluar la viabilidad técnica y financiera de las diferentes etapas que integran el proyecto de aprovechamiento geotérmico planteado. Adicionalmente, el sistema será capaz de proporcionar el escenario normativo y legal que se debe cumplir para la implementación del proyecto geotérmico planteado, así como el calendario de actividades valorizado y la definición del desempeño financiero del proyecto a través del cálculo de los indicadores respectivos (Valor presente neto, tasa de retorno, valoración de CAPEX y tiempos de recuperación). Los ingresos esperados que genere el proyecto provendrán de la comercialización de la herramienta informática y cobro de derechos a las empresas que presten servicios, así como proveedores y constructores que deseen ser incluidos en el directorio con que contará el sistema.

El alcance del proyecto incluye la integración de la herramienta informática siendo esta capaz de proporcionar información suficiente con proyecciones técnico financieras en las siguientes áreas:

  • Exploración superficial;
  • Perforación exploratoria;
  • Etapa de equipamiento del campo y construcción de central, y
  • Desempeño financiero del proyecto.

La herramienta contará con una biblioteca de información de proveedores, fabricantes y constructores en cada etapa. Esta herramienta estará también enlazada con un banco de información geotérmica de los sitios que cuentan con dicho recurso.

Se prevé que la herramienta informática se encuentre terminada y registrada en el Instituto Nacional de Protección Intelectual en dos años después de iniciar el proyecto.

Número de proyecto

P24

Título de proyecto

Exploración sísmica pasiva y magnetotelúrica en los campos geotérmicos de Volcán Ceboruco y La Caldera de la Primavera

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollo e innovación de técnicas de exploración

Responsable de proyecto

Francisco Javier Núñez Cornú

Institución

Centro de Sismología y Volcanología de Occidente, Universidad de Guadalajara, UDG

Instituciones y/o empresas asociadas

Instituto de Geofísica, Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM

Goethe Universitat Frankfurt am Main, Alemania

Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, CICESE

Universidad de Granada, España

Universidad de Lisboa, Portugal