Desarrollo tecnológico para el aprovechamiento de la geotermia de baja entalpía

Número de proyecto

P11

Título de proyecto

Desarrollo tecnológico para el aprovechamiento de la geotermia de baja entalpía

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Martín Salinas Vázquez

Institución

Instituto de Ingeniería, UNAM

Instituciones y/o empresas asociadas

Universidad Autónoma de Baja California, UABC

Especialistas en Turbopartes, S.A. de C.V.

Universidad Politécnica de Baja California

Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico

Antecedentes y justificación

Dentro del plan de desarrollo tecnológico se tiene contemplado iniciar con los siguientes sistemas de aprovechamiento geotérmico de baja entalpía:

  1. Sistema de generación eléctrica con Ciclo Binario Modificado denominado PWG por sus siglas en inglés “Pressurized Water Generation”, para el aprovechamiento de los recursos geotérmicos de baja entalpía.
  2. Sistema de desalación de agua de múltiple efecto empleando recursos geotérmicos de baja entalpía (MED-LE).
  3. Sistema de secado o deshidratado de alimentos aprovechando el recurso geotérmico de baja entalpía.

Estos sistemas fueron seleccionados para su estudio con el fin de generar soluciones sustentables a las necesidades primarias del ser humano moderno; agua potable, generación de energía eléctrica limpia y obtención de alimentos no perecederos.

En un principio los estudios se han enfocado a la Península de Baja California, debido a que cuenta con un gran potencial geotérmico y existen muchas zonas que no tienen disponibilidad de agua potable y suministro de la energía eléctrica. Sin embargo se han detectado varios puntos de interés en diferentes estados de la República Mexicana, que son aptos para el uso de estos sistemas.

Justificación

Dentro del desarrollo tecnológico para el aprovechamiento de la geotermia de baja entalpía, una parte muy importante es la creación de un área de desarrollo en materiales que facilite la correcta toma de decisiones relacionada a la manufactura y evaluación de los diferentes equipos térmicos que se contemplan construir y ayude a su vez a visualizar los principales factores que puedan afectar el óptimo desempeño de los mismos.

Puesto que el valor comercial de los diferentes equipos térmicos los hace estar fuera del alcance económico del proyecto, además de no adaptarse totalmente a las necesidades del mismo, es necesaria su construcción, que trae como resultado la formación de recursos humanos que podrán analizar los diferentes métodos de fabricación, la compatibilidad entre los distintos materiales bajo entornos similares a los de trabajo. Además, se contempla el desarrollo de pruebas que garanticen el correcto desempeño de los equipos.

Otro aspecto importante a considerar, dadas las condiciones de trabajo que se requieren, es la implementación de un área que evalué los efectos del agua asociada al recurso geotérmico en los equipos y proponga solución a éstos para garantizar así un periodo largo de vida. Un análisis de corrosión en los principales componentes de los equipos que tengan un contacto directo con el fluido geotérmico, evitará además de fallas mecánicas y bajas eficiencias, gatos innecesarios por mantenimiento correctivo. La investigación en recubrimientos es otra parte fundamental en el proyecto, además de la correcta selección de los materiales en función de su compatibilidad.

A continuación se menciona la justificación de cada uno de estos desarrollos.

Sistema de desalación de agua de múltiple efecto, empleando recursos geotérmicos de baja entalpía

Actualmente la disponibilidad del agua en el mundo es un problema muy serio, ya que ésta se ha visto limitada por problemas de sobredemanda y contaminación, además de la escasez natural en ciertas regiones. Tal es el caso de México, que además de ser un país con una distribución hidrológica muy desigual, un porcentaje considerable de su población en áreas rurales carece de agua potable.

En el año 1950 la población de México era de 25 millones de habitantes, cifra que se elevó a 103 millones en el año 2005, es decir, la población se ha cuadruplicado en poco más de 50 años. Esta situación es particularmente delicada si se considera que dos terceras partes del territorio mexicano son zonas áridas y semiáridas y que en ellas empiezan a generarse conflictos entre los habitantes por la falta de agua.

En general en la zona sureste de la República Mexicana existe agua en cantidades suficientes para satisfacer las necesidades de las poblaciones de la región. En cambio, en la zona noroeste, en ciudades como Tijuana, Ensenada y Hermosillo, continuamente se presenta escasez de agua.

Ante ello, es indispensable que se consolide una nueva cultura del agua, basada en su uso eficiente y preservación en las diversas actividades productivas y en los hogares, así como el desarrollo de tecnologías que ayuden a solucionar los problemas de abastecimiento en dichas regiones. Es aquí donde la desalación de agua de mar constituye una alternativa para enfrentar todos estos problemas.

Sin embargo, las tecnologías empleadas para desalación del agua de mar requieren de un consumo energético, ya sea eléctrico o térmico, para su operación, lo que ha representado gran dificultad para su implementación en la región noroeste del país, donde el Sistema Eléctrico Nacional se encuentra aislado y los costos por el consumo energético son muy elevados.

La región noroeste de México está desarrollándose y creciendo muy rápidamente, un ejemplo de ello es la industria, por lo que se ha incrementado el consumo de agua en dicha zona, donde los recursos de agua están bastante explotados. Por lo anterior, la producción de agua potable mediante la desalación está empezando a ser un tema de gran relevancia.

Por otro lado, esta región tiene recursos renovables que pueden ser usados para desalar agua de mar y así obtener un costo menor que los existentes.

Sistema de generación eléctrica con ciclo binario modificado denominado PWG por sus siglas en inglés "Pressurized Water Generation", para el aprovechamiento de los recursos geotérmicos de baja entalpía

Actualmente en México existen problemas de contaminación derivados del uso generalizado de combustibles fósiles y una creciente demanda de energía eléctrica.

Una solución práctica para todos estos problemas es el uso de energías alternas ya que son energías limpias que reducen las emisiones contaminantes e impulsan el desarrollo sustentable del país. Cabe destacar que es muy importante el uso de estas fuentes alternas en el desarrollo de zonas del país donde el consumo de energía convencional no es económicamente viable. Un ejemplo claro de esta situación se da en la península de Baja California, donde la red eléctrica nacional es prácticamente inexistente.

México cuenta con una gran cantidad de recursos alternos a los fósiles y entre ellos uno de los más utilizados es la energía geotérmica cuyo potencial es inmenso y su explotación en nuestro país es totalmente viable. Hoy en día México cuenta con cuatro centrales geotérmicas de generación de energía eléctrica que contribuyen con casi 4% de la capacidad total del Sistema Eléctrico Nacional.

Adicionalmente, México cuenta con otras zonas geotérmicas atractivas, denominadas como de baja entalpía, las cuales se encuentran en abundancia en la península de Baja California y en otras regiones del país.

Es por ello que la Universidad Nacional Autónoma de México, a través del Instituto de Ingeniería, propone el presente proyecto como una solución a la demanda de energía eléctrica, donde se aprovechen los recursos geotérmicos de baja entalpía.

La ventaja que ofrece la utilización del ciclo PWG es que permite obtener una mayor potencia eléctrica sin la necesidad de evaporar completamente el fluido de trabajo, como sucede en los ciclos binarios tradicionales, esto gracias al fenómeno conocido como evaporación instantánea, cuyo aprovechamiento es una de las innovaciones del proyecto.

Sistema de secado o deshidratado de alimentos con energía geotérmica de baja entalpía

La deshidratación de los productos hortofrutícolas y en general de los alimentos es un excelente método de conservación. Esto se logra por la eliminación gradual del agua contenida en los alimentos, lo que impide el deterioro al inhibir el crecimiento de los microorganismos, reduce o detiene la actividad enzimática y las reacciones químicas del propio alimento, logrando que se alargue su vida útil.

Otras de las ventajas de la deshidratación de alimentos es que se pueden conservar por más tiempo antes de su venta, así como permitir a los productores darle salida a alimentos con baja posibilidad de comercialización que se presenta en temporada de desplome de precios.

Como ejemplo y de acuerdo con los datos del CIDEM (Centro de Investigación y Desarrollo del estado de Michoacán), el mango, cultivado en 25 de las 32 entidades federativas del país y que representa una fuerte fuente de ingresos por su rentabilidad económica en los mercados nacional e internacional, tiene una pérdida de cerca del 40% de su producto por carencias de transporte e instalaciones de almacenamiento inadecuadas, manejo y equipos inadecuados, estado de maduración de la fruta, sobreproducción y precios bajos que no justifican la recolección del producto. México es el quinto productor mundial, con Michoacán como líder en exportación nacional de esta fruta.

Existen sitios como el municipio de Gabriel Zamora, donde se tiran aproximadamente 2 toneladas de mago diariamente en una empacadora, que no cumplen con los requerimientos de exportación, siendo que en el valle de Apatzingan se tienen 15 de ellas.

Si bien se necesita un promedio de 10 kg de mango fresco para obtener 1 kg de producto deshidratado, colocándose en el mercado en un precio estimado de $90.00 por kg, fácilmente se podría exportar a países como Alemania que es principal importador de este producto, o bien permitir que el mercado nacional y los pequeños productores puedan obtener ingresos de un producto que, por los problemas antes señalados, no sería útil. Este es solo un ejemplo del beneficio que se podría tener en el país al contar con una tecnología sustentable para el secado y deshidratado de alimentos.

Estado del arte

Energía geotérmica

Cuando se habla de energía alterna, se hace referencia a la energía obtenida a partir de fuentes no tradicionales. En un sentido más general, se trata de aquella que no es obtenida por medio de combustibles fósiles, y que, además, tiene un impacto ambiental reducido. Este tipo de energía es prácticamente ilimitada, a partir de la consideración de que para la vida humana, seguirán existiendo dichas fuentes de energía.

A la energía contenida dentro de la Tierra que puede ser recuperada y utilizada por el hombre, se le llama energía geotérmica. La energía contenida en el núcleo de la Tierra, que es transferida a través de las capas subterráneas, principalmente por conducción, se estima que tiene alrededor de 42 millones de MegaWatts de potencia térmica (Blodgett & Slack, 2009). La energía transferida llega a yacimientos geotérmicos, que pueden ser de roca húmeda o de roca seca. Los yacimientos que tienen mayor utilidad son los de roca húmeda, ya que dentro del mismo, a partir de la existencia de una capa sello, el agua de un manto subterráneo es calentada. Al fluido que es calentado por medio de esta energía se le conoce como fluido geotérmico. El fluido geotérmico puede ser agua, vapor de agua, o una mezcla de ambos, y normalmente es rico en sales y minerales como boro y sílice.

En la Figura 1 se observa una representación esquemática de un yacimiento geotérmico. Nótese que la recarga del yacimiento se debe a la percolación del agua meteórica, aunque en algunos casos, el fluido geotérmico, una vez que ha sido empleado y se ha aprovechado la energía contenida en él, es reinyectado al pozo, garantizando su equilibrio.

Los usos directos de la energía geotérmica se refieren al uso inmediato de la energía térmica, sin la transformación de la misma a, por ejemplo, energía eléctrica. Históricamente, las áreas de mayor aplicación de los usos directos de la geotermia han sido la balneología, el acondicionamiento térmico de espacios (bombas de calor), aplicaciones agrícolas en invernaderos y procesos industriales. La principal ventaja de su uso directo es que las temperaturas requeridas en la mayoría de estas aplicaciones son menores que las requeridas para la generación de energía eléctrica (John Lund, 1997). Este fluido geotérmico, con temperaturas de hasta 100°C se conoce como fluido de baja entalpía, que es el medio principal para los usos directos de la geotermia.

Figura 1. Yacimiento geotérmico (Dickson & Fanelli, 2004)

Impacto ambiental

Una vez que se comienza la exploración, y se ha delimitado el terreno que contiene al yacimiento, es necesario crear una infraestructura que permita la llegada del equipo de perforación (caminos y plataformas), además del hecho de que el terreno pueda estar dentro de zonas protegidas o reservas ecológicas. Por otro lado, durante la construcción de los pozos, el principal impacto ambiental es la generación de desechos orgánicos e inorgánicos, desechos que se continúan generando aún durante la puesta en marcha de la central. En relación a la operación, la emisión de gases, minerales residuales, y la contaminación visual y auditiva, constituyen el mayor impacto ambiental generalizado.

A pesar de lo anterior, la energía geotérmica se considera una fuente sustentable, ya que no produce gases de efecto invernadero, o lo hace en cantidades mínimas, notablemente menores a las producidas por plantas que utilizan combustibles fósiles (Kagel, Bates & Gawell, 2007).

La energía geotérmica en la actualidad

Los principales países con capacidad geotermoeléctrica instalada son los siguientes: Estados Unidos, Japón, Islandia, Filipinas, Indonesia, México, Italia, Nueva Zelanda, Islandia y Japón. La Capacidad de energía eléctrica llega a los 10,282 MW.

En cuanto al aprovechamiento de los usos directos de la geotermia en la Tabla 1 se muestra la capacidad instalada para usos directos.

País Capacidad instalada [MWt] Uso anual [TJ/año] Uso anual [GWh/año] Factor de planta
Estados Unidos 12,611.46 56,551.8 15,710.1 0.14
Japón 2,099.53 25,697.94 7,138.9 0.39
Islandia 1829 24,361 6,767.5 0.42
Italia 867 9,941 2,761.6 0.36
Nueva Zelanda 393.22 9,552 2,653.5 0.77
México 155.82 4,022.8 1,117.5 0.82
Indonesia 2.3 42.6 11.8 0.59

Tabla 1 (John Lund, et. al., 2011) Aprovechamientos de los usos

En una perspectiva mundial, la principal aplicación que tienen los usos directos de la geotermia es el acondicionamiento térmico a partir de bombas de calor, con un 47.2% de los 48,493 MWt totales instalados; por otro lado, el porcentaje destinado a la deshidratación de productos agrícolas es de apenas 0.4%.

En Estados Unidos, el número de bombas de calor instaladas se ha incrementado en los últimos 15 años, con un estimado de 100,000 a 120,000 unidades de 12 kWt instaladas. El 70% de las unidades se encuentran en zonas residenciales, y el resto en edificios comerciales e institucionales. La capacidad instalada para la deshidratación agrícola es de 292 TJ/año.

En Italia se ha incrementado el uso de bombas de calor, por el interés de la comunidad y por la reducción en los costos de dichos sistemas. Sin embargo, el uso principal que se le ha dado es el uso recreativo.

Las altas temperaturas geotérmicas alcanzadas en la zona volcánica de Taupo, en Nueva Zelanda, son utilizadas para el acondicionamiento de invernaderos y secado de madera. Las instalaciones de Kawerau, procesadoras de papel, utilizan el 56% de la geotermia nacional para usos directos; es, además, el uso industrial más grande que se tiene en usos directos en el mundo.

Debido a su localización geográfica, Islandia tiene condiciones muy favorables para el desarrollo de la geotermia. Los recursos geotérmicos son utilizados tanto para la generación eléctrica como para usos directos. La energía geotérmica provee el 62% del suministro principal de energía. Por otro lado, el distrito más grande que emplea sistemas geotérmicos es Reykjavik, donde 1,907,404 habitantes son abastecidos con una capacidad instalada de 1,264 MWt, con una carga pico de 924 MWt. Como usos directos de la geotermia, existen 135 piscinas acondicionadas; y el uso de la geotermia para el deshielo ha incrementado a 820,000 m2 de aceras y caminos.

En Japón, a pesar de que los usos directos de la geotermia son relativamente limitados, la balneología representa el 90% del uso directo de la geotermia.

La energía geotérmica en México está dedicada casi en su totalidad a la producción de electricidad. La aplicación en usos directos se encuentra todavía en desarrollo, y actualmente se encuentran restringidos a la balneología, con usos recreativos y terapéuticos. La mayoría de estas instalaciones son desarrolladas y operadas por grupos de inversión privada, aunque existen algunas que operadas por el gobierno federal, estatal o municipal. Recientemente, la Comisión Federal de Electricidad ha desarrollado algunos usos directos en Los Azufres, Michoacán, como invernaderos y calefacción, sin embargo, el uso y desarrollo de bombas de calor geotérmicas es mínimo.

En 1995, se instaló un deshidratador geotérmico en Los Azufres, Michoacán, con una capacidad de 400kg de fruta. La potencia del mismo era de 10 kW, con un flujo de fluido geotérmico de 0.03 kg/s, que mantenía la cámara del deshidratador a una temperatura de 60°C, misma que reducía el porcentaje de humedad desde 80% a 20% en un periodo de 24 horas (John Lund, 1996).

En México, se tiene una capacidad instalada de energía geotermoeléctrica de 958 MW (CFE 2011), en cuanto a los usos directos, la balneología, con 4022.786 TJ/año, representa el mayor porcentaje de su aplicación, que comparada con los 0.101 TJ/año (John Lund, et. al., 2011), pone en evidencia la necesidad y el potencial de la deshidratación de alimentos en México.

En Indonesia, a pesar de que el foco principal ha sido la generación de energía eléctrica por energía geotérmica, existe una agencia de investigación, BPPT (Badan Pengkajian dan Penerapan Teknologi), que ha comenzado a realizar estudios sobre la aplicación de la geotermia en el sector agrícola, principalmente en la esterilización y cultivo de hongos. Otros usos del fluido geotérmico son el secado de hojas de té, la pasteurización, y el procesado de azúcares.

Estudio de los recursos geotérmicos de Baja California

El proyecto IMPULSAIV implementó un plan de desarrollo tecnológico para evaluar, caracterizar y explotar los recursos geotérmicos, de agua caliente de mar o de pozo (60-140°C) de la península de Baja California (Alcocer, S.M. et al 2008). Para ello, se detectaron muchos puntos donde se pueden obtener grandes volúmenes de agua a temperaturas superiores a los 130°C, con pozos de 100 a 200 metros de profundidad.

Como resultado de estas inspecciones preliminares, se localizaron zonas de interés como: Los Cabos, La Paz, Puertecitos, San Felipe, Punta Banda, entre otros.

En Los Cabos, al perforar uno de los pozos, se encontraron temperaturas del agua de hasta 84 °C a sólo seis metros de profundidad; de manera análoga al realizar este estudio en las playas de Punta Banda, se encontraron manantiales con agua salobre con temperaturas mayores a los 50 °C en la superficie.

El equipo IMPULSAIV realizó prospecciones geofísicas en los lugares donde existen manantiales calientes en la península de Baja California, observando en particular la geoquímica del agua caliente y la presencia de gases disueltos; con lo cual se pretende caracterizar cada una de las zonas.

De las zonas exploradas, La Joya, en Ensenada, es uno de los sitios encontrados con mayor potencial geotérmico de baja entalpía, por lo que se han realizado campañas de exploración geotérmica detallada, para evaluar el potencial energético de la zona (Aviña, Monzalvo 2008).

En la Península de Baja California, dada su geología y vulcanismo, existen abundantes manantiales de agua caliente que se pretende formen, en función de las necesidades locales, parte de un esquema de aprovechamiento térmico directo para procesos de desalación de agua de mar o de acuífero salobre.

El grupo iiDEA, coordinado por el Instituto de Ingeniería UNAM, desarrolla sistemas de desalación que ocupen energías renovables para su funcionamiento, con la finalidad de amortizar costos de producción del agua producto y la disminución del impacto ambiental.

Se ha desarrollado conceptualmente un sistema MED modificado, con el fin de aprovechar de manera directa los recursos geotérmicos de baja entalpía. El proceso se eligió debido a que el consumo energético para su funcionamiento es menor que en los otros dos sistemas térmicos de desalación (múltiple etapas flash y compresión de vapor) además de que la tecnología de múltiple efecto se encuentra plenamente desarrollada a nivel mundial. Con esta innovación se pretende lograr una tecnología sustentable para producir agua desalada en la zona desértica del noroeste del país, con muy poco consumo de energía externa.

Distribución hidrográfica en México

En México la distribución geográfica del agua es tal que ésta abunda en el sureste y que escasea en el noroeste. Un ejemplo de ello es la limitada ocurrencia de lluvia en Baja California, donde solamente se presentan 202 mm al año, mucho menor a los 2,410 mm que se presentan en el estado de Tabasco, un ejemplo extremo.

Se debe destacar también que en general, el 67% de la lluvia se presenta en tan sólo cuatro meses del año, de junio a septiembre, lo que dificulta su aprovechamiento y ha obligado a la construcción de gran infraestructura para su captación y almacenamiento. Es importante tener presente que dos terceras partes del territorio nacional son áridas o semiáridas, lo que obliga al uso eficiente del agua en todas las actividades, tanto en el riego como en la industria y en el hogar.

La situación anterior cobra especial relevancia si se considera que la población de México se ha concentrado en las zonas urbanas, donde el número de habitantes se ha incrementado de 11 a 79 millones en el periodo en los últimos 60 años.

El principal uso del agua en México es el agrícola, con alrededor del 75% del total volumen consumido, el cual se refiere principalmente al agua utilizada para el riego de cultivos. Otro uso que se le da al agua es para el abastecimiento público, el cual incluye la totalidad del agua entregada a través de las redes de agua potable, las cuales abastecen a los usuarios domésticos, así como a las diversas industrias y servicios conectados a dichas redes.

Desalación de agua de mar

Siendo que la mayor parte del agua se encuentra en los mares, se han desarrollado tecnologías que permiten aprovecharla mediante la separación de las sustancias (sales) disueltas.

Las tecnologías de desalación a gran escala se pueden clasificar en dos tipos: térmicas y de membranas. Existen otros métodos que son poco utilizados por los requerimientos necesarios para su operación.

Del año 1997 al 2007, la capacidad de desalación a nivel mundial se quintuplicó llegando a más de 110 millones de metros cúbicos al día, siendo cerca de más del 60% producidas en unidades con capacidades mayores o iguales a los 100 m3/día.

La tecnología más aplicada es MSF (Multi Stage Flash), clasificada dentro de las térmicas, con cerca del 58% instalado, siguiéndole la tecnología por ósmosis inversa (tecnología de membrana) con el 30% y MED (Multi Effect Distillation) con el 9%. Con respecto a cada continente, cerca del 60% de las plantas instaladas en Europa, América, Asia y África emplean la tecnología de ósmosis inversa, en contraste con el Medio Oriente donde el 80% del agua desalada proviene de plantas MSF, que a pesar de ser una zona pequeña, más del 80% del agua mundial se desala en esa región.

En las islas con alto desarrollo poblacional e industrial, como Singapur, Malta, Canarias, Trinidad y Tobago y otras, la escasa cuenca que tienen para captar agua de lluvia los lleva a depender de la desalación de agua del mar para satisfacer su demanda. El más reciente fenómeno social que ha venido a detonar el despegue de la tecnología para desalar agua de mar, ha sido el incremento de la población, y por tanto de la demanda en grandes ciudades costeras como Los Ángeles y San Diego, en California; Tampa, en Florida, así como muchas ciudades del sureste de España.

México no escapa a la problemática del incremento de la demanda en grandes ciudades; tal es el caso de Tijuana, Ensenada, Hermosillo y La Paz, de islas como Cozumel y las Islas Marías, y de muchos otros sitios donde la contaminación salina ha estropeado antiguos pozos que abastecían de agua dulce a estas localidades.

Sistemas térmicos de desalación

Las tecnologías térmicas son las que calientan el agua salada y recogen el vapor condensado (destilación) para producir agua pura. Rara vez se utilizan los procesos de destilación para desalar agua salobre, ya que no son rentables para esta aplicación, siendo más adecuadas las de membranas en estos casos. Las tecnologías térmicas incluyen los siguientes tipos de procesos:

  • Destilación de Múltiple Etapas Flash (MSF)
  • Destilación de Múltiple Efecto (MED)
  • Compresión de vapor (VC)

Fundamentos de los procesos térmicos

Los procesos de desalación térmicos actualmente empleados tienen principios muy similares y se pueden esquematizar en subsistemas básicos. En general, se tiene una etapa de toma de agua que se envía a un pretratamiento para eliminar sólidos disueltos de mayor tamaño, materia orgánica suspendida o neutralización del pH. Una vez realizado el proceso anterior, es cuando pasa el proceso de destilado, ya sea que se empleen sistemas MSF, MED o VC. En esta etapa es cuando se requiere de una fuente de calor para la operación, usualmente vapor. Del proceso de destilado se obtiene una purga o concentrado y un destilado. El destilado se envía a una etapa postratamiento para agregar las sales y minerales para obtener el agua producto.

Generación de electricidad mediante la modificación del ciclo binario

Aunado a la distribución y disposición del agua en la República Mexicana existen otros problemas como lo es el suministro de electricidad, aspecto que puede ser atendido en cierto grado mediante el aprovechamiento del recurso geotérmico.

La generación de electricidad es la forma de utilización más importante de la geotermia de alta temperatura (> 150 °C). Los recursos de temperatura media a baja (<150 °C), son apropiados para muchos tipos diferentes de utilización. El diagrama clásico de Lindal, que muestra los posibles usos de los fluidos geotermales de diferentes temperaturas, aún se mantiene vigente, pero la generación de electricidad mediante plantas de ciclo binario puede actualmente permitir la utilización de fluidos sobre 85 °C.

Figura 2. Diagrama de Lindal

A pesar de la ineficiencia inherente al proceso de convertir calor en electricidad, impuesta por las restricciones termodinámicas, y del creciente desarrollo que han tenido las aplicaciones directas de los recursos geotérmicos, la generación eléctrica continúa siendo la forma más común del avance de la geotermia.

El sistema PWG toma al ciclo binario convencional, lo modifica y resuelve algunos problemas inherentes a éste.

Ingeniería de materiales

La innovación en ingeniería a menudo significa el uso de un nuevo material, no necesariamente nuevo pero sí novedoso para una aplicación determinada, por ejemplo, los álabes cerámicos de las turbinas representan intentos de mejorar con cerámicos lo que previamente se hacía con metales.

Es por eso que el aspecto más importante de la ingeniería de materiales es la obtención del mejor material para una determinada función, teniendo como principales limitantes la factibilidad de obtención, compatibilidad en su manufactura y un equilibrio entre su costo y beneficio. Todo esto aunado a la seguridad del proyecto dado que la mayoría de los desastres en ingeniería con frecuencia están vinculados a un mal uso de los materiales.

Por ello es vital seleccionar aquel material que se ajusta a las demandas de diseño y económicas así como de resistencia y durabilidad. Para ello es necesario comprender las diferentes propiedades de los materiales y sus limitaciones tales como el esfuerzo de cedencia, rigidez, dureza, conductividad térmica, termofluencia, resistencia a la corrosión, etc.

En la actualidad el uso de los metales se ha apoderado de casi cualquier área de trabajo y aún más en el desarrollo de equipo térmico, tales como intercambiadores de calor o turbinas. Esto ha facilitado de alguna manera visualizar mejor el rango de selección de materiales, sin embargo los constantes cambios en los requerimientos de trabajo y la necesidad de disminuir los costos tanto de fabricación como de mantenimiento han impulsado la investigación de materiales alternos que puedan satisfacer dichas condiciones.

El uso de superaleaciones con base en cobalto o níquel, cerámicas avanzadas y materiales compuestos son las principales propuestas en investigación en materiales que actualmente se están desarrollando para el área térmica. Su constante desarrollo determinará las futuras opciones con las que se contará en la industria y facilitará la mejor toma de decisiones y diseños más eficientes en equipos (Figura 3).

Figura 3. Elementos cerámicos de una microturbina de gas de flujo axial

Ingeniería de superficies (recubrimientos)

La ingeniería de superficies consiste en la modificación de la microestructura o la composición superficial de un componente mediante métodos mecánicos, físicos o químicos, que pueden implicar el aporte de otro material para cambiar las propiedades superficiales del mencionado componente. Una de sus consecuencias más importantes es que permite alargar significativamente la vida útil de todo tipo de componentes empleados en un gran número de aplicaciones industriales. Por otra parte, contribuye al ahorro energético permitiendo el aumento de las temperaturas de combustión, consiguiendo una mayor eficiencia, contribuyendo así a reducción de peso además de colaborar de forma significativa a la disminución de la fricción entre componentes. La Figura 4 presenta algunas de las propiedades y características involucradas en investigación de ingeniería de materiales.

Figura 4. Algunas propiedades estudiadas en la ingeniería de superficies

Las modificaciones superficiales que conlleva la ingeniería de superficies se clasifican actualmente de la siguiente manera:

a) Transformación estructural sin aporte de material. Mediante tratamientos mecánicos o térmicos, se modifica la microestructura o la morfología de la superficie del material. Por ejemplo, mediante granallado con partículas esféricas de metal o de vidrio se puede aumentar la dureza de un material y en consecuencia su resistencia al desgaste. Dentro de los tratamientos térmicos se encuentran el soplete, el bombardeo con haz de electrones, la inducción electromagnética y la irradiación con láser. Dependiendo del substrato tratado, estos tratamientos pueden aumentar la resistencia a la corrosión además de la resistencia al desgaste características que se buscan en los componentes de los equipos térmicos tales como álabes de turbinas que se proponen en este proyecto.

b) Interdifusión con otros elementos. Poniendo en contacto precursores sólidos, líquidos o gaseosos con la pieza a recubrir se puede lograr la interdifusión de uno o varios elementos con el material del substrato mediante calentamiento. De esta forma, se puede carburizar, nitrurar, carbonitrurar o boronizar para endurecer, por ejemplo, aceros. Por otra parte, también se puede aluminizar, siliconizar o cromizar para aumentar la resistencia a la corrosión a alta temperatura. La implantación iónica podría considerarse como un caso particular de los tratamientos por difusión. La implantación iónica puede aumentar la resistencia al desgaste y a la corrosión, principales factores que se buscan combatir al igual que en los álabes de las turbinas o en los tubos internos de los intercambiadores de calor.

c) Tratamientos por conversión química. Mediante estos tratamientos se consigue la oxidación del material del substrato, con o sin aporte de otros elementos. Por ejemplo, el anodizado consiste en oxidar la superficie de las aleaciones de aluminio o titanio mediante un proceso electroquímico para pasivarlas. El cromatado y el fosfatado resultan en la formación de óxidos protectores que también se emplean como impresión para después aplicar pinturas protectoras.

d) Aporte de una capa de otros materiales. Mediante una serie de procesos físicos o químicos, es posible aportar todo tipo de materiales sobre un substrato. Son muchas las técnicas posibles y pueden realizarse en medio acuoso, orgánico, de metales fundidos y gaseosos. El PVD y el CVD son términos ingleses que vienen de Physical y Chemical Vapour Deposition, respectivamente, y que se refieren a la deposición en fase gaseosa mediante procesos físicos y químicos, esencialmente. Dichos procesos actualmente se realizan en el recubrimiento de los álabes de las turbinas en específico con geometrías muy complejas o pequeñas dimensiones, dado que son de los pocos métodos que garantizan un recubrimiento homogéneo (ver Figura 5).

Figura 5. Diagrama esquemático de un sistema de CVD para recubrir álabes de turbina

De esta manera, dependiendo de las necesidades particulares para cada tipo de equipo térmico, resulta más adecuado poder evaluar si alguno de sus componentes requiere del uso de un recubrimiento y cual método es el más adecuado. La tabla 2 ilustra las principales técnicas de deposición.

Tabla 2. Principales procesos de deposición de recubrimientos

La aplicación de pinturas es una de las técnicas de deposición de recubrimientos más antiguas. No sólo tienen una función estética sino también protectora frente a la corrosión y anti-incrustación. Las pinturas son suspensiones de pigmentos orgánicos o inorgánicos en aglutinantes y solventes que se aplican mediante rociado, brocha o electro-pintado. Un caso particular de las pinturas son aquellas en las que el pigmento está constituido por partículas metálicas y que se conocen como “slurries”. Se emplean en la industria térmica y química para protección contra la oxidación y corrosión medioambiental a altas temperaturas.

Análisis de corrosión

Podemos definir la corrosión como el daño que sufren los materiales por las reacciones con el medio en que se encuentran, produciendo pérdidas en sus propiedades mecánicas, lo que da lugar a cambios, incluso en la geometría de los componentes que les hacen perder la función para la cual estaban determinadas, ocasionando pérdidas directas, como el cambio de estructuras y equipos corroídos, pérdidas indirectas al tenerse bajas en la producción por suspensión temporal de los sistemas productivos y las instalaciones, y la contaminación de los bienes creados. Los daños causados por medios físicos no se denominan corrosión sino erosión, abrasión o desgaste. En algunos casos, el ataque químico va acompañado de daños físicos y entonces se denomina corrosión-erosión, desgaste corrosivo o corrosión por fricción.

Dadas las características del proyecto basadas en la implementación del uso de la geotermia, es importante efectuar un análisis de cómo afecta la composición química del recurso geotérmico a los diferentes materiales con los cuales se pretende construir los equipos térmicos.

Las especies químicas corrosivas presentes en el fluido geotérmico son en su mayoría: hidrógeno(H+), cloruro (Cl-), sulfuro de hidrógeno (H2S), anhídrido carbónico (CO2), carbonatos (CO32-), bicarbonatos (HCO3-), amoniaco (NH3), amonio (NH4+) y sulfatos (SO42-). En seguida se mencionan los principales problemas que producen cada uno de los componentes comúnmente encontrados en el recurso geotérmico.

  • a) Efecto del H+ (pH). La velocidad de corrosión para aceros de bajo contenido de carbono y de aleación aumenta al disminuir el pH. A un pH inferior a 4 la velocidad de corrosión se incrementa rápidamente. Los potenciales de corrosión no son afectados significativamente en el rango de pH de mayor interés para sistemas geotérmicos (4 - 9).
  • b) Efecto de los cloruros (Cl-). La concentración de cloruros (Cl-) en los fluidos geotérmicos oscila entre 3 y 15% (expresado como NaCl). Concentraciones inferiores al 3% tienen poco efecto sobre la velocidad de corrosión uniforme en aceros pobres en carbono y de baja aleación, pero cuando la concentración es de 10 a 30% (como NaCl) la velocidad de corrosión es mayor. El cloruro produce la fractura local de la capa que protege muchos metales. Como resultado de ello se produce el picado, la corrosión por hendidura y la corrosión por tensión.
  • c) Efecto del ácido sulfhídrico (H2S). La presencia del ácido sulfhídrico puede aumentar la velocidad de corrosión en aceros de baja aleación. En presencia de H2S puede formarse una capa de sulfuro ferroso (FeS) y si parte de esta capa se destruye se intensifica el ataque localizado debido a la pila galvánica. La adsorción de sulfuros sobre la superficie del acero cataliza la disolución anódica. Los aceros inoxidables son generalmente resistentes al ataque corrosivo con fluidos geotérmicos que contienen H2S. Sin embargo, puede causar el picado de éstos en soluciones ácidas debido al retardo en la formación de la capa pasiva e iniciar un ataque localizado en regiones de bajo pH. La oxidación del H2S a sulfatos en aguas aireadas puede disminuir el pH e incrementar la corrosión en los equipos.
  • d) Efecto del oxígeno (O2). La velocidad de corrosión uniforme de muchos aceros inoxidables es baja con fluidos geotérmicos, pero pueden estar sujetos a un severo picado y a corrosión por hendidura en presencia de cantidades suficientes de oxígeno. La reducción del O2 se convierte en una importante reacción catódica, con la formación de celdas diferenciales de oxígeno, la nucleación y crecimiento de nuevos puntos de picado, favoreciendo el crecimiento acelerado de los existentes (Figura 6). Esto provoca la corrosión por picadura que se define como la pérdida de material localizada y las consecuencias podrían ser desde fractura del material hasta pérdida porcentual del mismo.

Figura 6. Proceso autocatalítico que provoca la pérdida acelerada de material

Es por esto que una adecuada aplicación de los conocimientos ya existentes en corrosión puede facilitar la correcta selección de materiales, sin tener la necesidad de desarrollar nuevos materiales, muchos de ellos complejos en su fabricación. Con ello se permitirá controlar la corrosión y la disminución significativa de pérdidas no sólo directas sino indirectas en los procesos industriales.

Objetivos y metas

Desarrollar tecnología nacional para el aprovechamiento de los recursos geotérmicos del país de baja y media entalpía.

Objetivos particulares:

  • Demostrar el funcionamiento y viabilidad técnica de las propuestas conceptuales del sistema de desalación de agua de mar MED-LE (Desalación de múltiple efecto de baja entalpía, por sus siglas en inglés) y el ciclo de generación eléctrica PWG (Pressure Water Generation), mediante la fabricación de modelos de laboratorio de 3 m3/día y 1 kWe respectivamente.
  • Realizar el análisis, diseño y fabricación de un modelo de laboratorio de un deshidratador geotérmico con una capacidad de 30 kg de producto deshidratado por día.
  • Desarrollar metodologías y programas de cálculo para el diseño y operación, aplicables al aprovechamiento de la geotérmica de baja entalpía en sistemas de desalación, generación eléctrica y el deshidratador de alimentos.
  • Caracterizar y mejorar, mediante la ingeniería de materiales y superficies (análisis en recubrimientos, termofluencia, propiedades mecánicas, análisis de falla, así como uso de materiales alternos y análisis de corrosión), los materiales adecuados para el uso del fluido geotérmico en los sistemas MED-LE, PWG y el deshidratador geotérmico.
  • Realización de pruebas de laboratorio de los modelos de laboratorio MED-LE, PWG y el deshidratador geotérmico con condiciones controladas.
  • Identificar sitios en México que cumplan con los requerimientos geotérmicos para realizar pruebas en campo de los modelos de laboratorio MED-LE, PWG y el deshidratador geotérmico.
  • Estudio de factibilidad de escalamiento para prototipos de un sistema MED-LE de 10 m3/día  y un ciclo PWG de 30 kWe.
  • Aportar al conocimiento sobre el aprovechamiento de la geotermia de baja entalpía, así como fortalecer la vinculación con instituciones universitarias y compañías especializadas para la aplicación industrial de los sistemas de aprovechamiento geotérmico.
  • Estudiar la factibilidad de integración de los proyectos para su transferencia tecnológica.

Número de proyecto

P11

Título de proyecto

Desarrollo tecnológico para el aprovechamiento de la geotermia de baja entalpía

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Martín Salinas Vázquez

Institución

Instituto de Ingeniería, UNAM

Instituciones y/o empresas asociadas

Universidad Autónoma de Baja California, UABC

Especialistas en Turbopartes, S.A. de C.V.

Universidad Politécnica de Baja California

Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico