Generación geotérmica de potencia usando CO2 capturado en plantas de potencia de combustible fósil

Número de proyecto

P21

Título de proyecto

Generación geotérmica de potencia usando CO2 capturado en plantas de potencia de combustible fósil

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Carlos Rubio Maya

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Energy Research Center, Lehigh University, LUERC

Antecedentes y justificación

Se ha reportado por la Comisión Federal de Electricidad (CFE), que la economía Mexicana requerirá 45,000 MWe adicionales a su capacidad de generación en los próximos 15 años [1]. Se espera que esta meta sea cubierta mediante una combinación de tecnologías basadas en combustibles fósiles, así como renovables. Una de las fuentes renovables de mayor potencial en México es la energía geotérmica. La Asociación Geotérmica Internacional (IGA, por sus siglas en inglés) ha reportado que México tiene un potencial estimado de unos 8,000 MWe, el segundo lugar mundial después de Indonesia, y tiene una capacidad instalada al 2010 de 958 MWe (cuarta posición mundial) [2]. Esto representa aproximadamente 2% del total de la generación nacional. México tiene un total de ocho plantas geotermoeléctricas, ya instaladas o en fase de construcción, de las cuales cuatro se localizan en el estado de Michoacán. Adicionalmente, se han identificado más de 800 sitios con recurso geotérmico, concentrándose una gran parte en Michoacán con yacimientos de media y baja entalpia [3].

La expansión de la capacidad de generación del sistema eléctrico Mexicano tendrá que balancearse con el impacto ambiental asociado a dicha expansión. Respecto a las emisiones de dióxido de carbono (CO2), uno de los gases de efecto invernadero al que se le atribuye el calentamiento global, México libera a la atmosfera aproximadamente 709 millones de toneladas de CO2 anualmente, con un 30% correspondiente al sector eléctrico [4]. Cumplir con la demanda eléctrica pronosticada, representaría un incremento de emisiones de CO2 del 230%. Por tanto, el uso de tecnologías denominadas verdes, tales como la eólica, la biomasa, la hidráulica y la geotérmica, es una necesidad para aliviar el impacto ambiental del incremento en la capacidad de generación. El gobierno Mexicano ha fijado metas para abatir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 30% al 2020 y en un 50% al 2050. Esto implica que el 35% de la energía requerida provenga de fuentes renovables, y que sea necesario consolidar un mercado de emisiones de CO2. La combinación de las necesidades del incremento de la capacidad de generación eléctrica, la reducción de las emisiones de CO2, junto con el gran potencial de generación por medio de la energía geotérmica, representa una gran oportunidad para desarrollar la capacidad de generación de electricidad geotérmica utilizando tecnologías avanzadas basadas en CO2.

En las plantas geotermoeléctricas, las turbinas han sido tradicionalmente accionadas por medio del vapor generado por la energía térmica de los yacimientos. Para algunas aplicaciones, el uso del CO2 como fluido de trabajo dentro de la planta geotérmica podría proporcionan una opción más atractiva y rentable que el vapor. Por otro lado, se espera que las tecnologías de captura de CO2 sean disponibles comercialmente en las próximas décadas, y que el CO2 relativamente puro proveniente de las grandes plantas de combustibles fósiles o de instalaciones industriales esté disponible en grandes cantidades. Estas instalaciones industriales podrías ser plantas de proceso y plantas cementeras. Así, en lugar de únicamente capturar el CO2 dentro de un acuífero salino o usarlo para la mejorar de la recuperación de petróleo o gas, el CO2 capturado podría inyectarse en un depósito geotérmico para utilizar la energía térmica y posteriormente generar potencia eléctrica adicional o mejorar el proceso de captura de la planta de potencia convencional o de la instalación industrial. El CO2 posee un conjunto de propiedades físicas que lo hacen una mejor opción al agua como fluido de trabajo en las plantas de potencia geotérmicas.

El concepto de usar el CO2 como fluido de trabajo para recuperar el calor de los yacimientos geotérmicos ha sido el tema de investigaciones recientes. Este concepto se basa en reemplazar el agua con dióxido de carbono supercrítico. El CO2, a pesar de tener una capacidad térmica menor que la del agua, bajo condiciones típicas geotérmicas, tendría un 40% menor densidad y viscosidad. Con estas propiedades, el CO2 permitiría un flujo másico mayor a través de los yacimientos geotérmicos y, adicionalmente, una fuerza de flotación mayor [6]. Este concepto fue propuesto primeramente como una forma de mejorar los sistemas de bombeo de agua a grandes profundidades, en fracturas de roca caliente. En el año 2002 y posteriormente en el 2006, el Laboratorio Nacional de los Alamos introdujo el concepto de reemplazar el agua con CO2 en condiciones supercríticas para el secuestro del carbono y para la extracción del calor geológico [7]. Recientemente, el Grupo de Investigaciones en Geofluidos de la Universidad de Minnesota, y por separado, GreenFire Energy (desarrollador geotérmico con base en Salt Lake City), han implementado una serie de actividades de investigación para entender el comportamiento físico de las interacciones del CO2 en yacimientos localizados en el subsuelo, establecer los beneficios del concepto e identificar posibles problemas.

Justificación

Este proyecto es el resultado de las necesidades que tiene México para expandir su capacidad base de generación, reducir las emisiones antropogénicas de CO2, y utilizar el gran potencial de los recursos geotérmicos que tiene el país. La justificación del proyecto se basa en que el CO2 en condiciones supercríticas se ha sugerido como un mejor fluido de trabajo para la extracción de la energía geotérmica para la generación directa de electricidad, en comparación con el agua o la salmuera. Se ha sugerido que los sistemas geotérmicos basados en CO2 pueden operar a 1.5 veces la eficiencia de producción de electricidad comparados con los sistemas convencionales basados en agua. Se espera que el CO2 esté disponible de la mayoría de los sistemas de captura de CO2 instalados en las plantas eléctricas de combustibles fósiles y de las grandes plantas industriales. La disponibilidad del CO2 y sus propiedades físicas harán posible aprovechar el calor de los yacimientos geotérmicos, principalmente aquellos conocidos como de roca seca. Esto abrirá una brecha hacia la exploración y utilización del potencial energético de un mayor número de sitios geotérmicos de México. Adicionalmente, las propiedades de transporte y solubilidad del CO2 podrían ayudar a reducir los problemas de contaminación, formación de depósitos, y degradación de los equipos de potencia que se encuentran en las plantas geotermoeléctricas. En resumen, un sistema geotérmico de generación de potencia proporcionará una ruta alternativa a la captura del CO2 de las plantas convencionales de generación que utilizan recursos fósiles, utilizando los recursos geotérmicos de mediana y baja entalpía, reduciendo los costos de inversión y operación de los sistemas de generación de potencia geotérmicos.

Adicionalmente, esta propuesta presenta el proyecto para desarrollar el “know how” de aplicar el concepto basado en CO2 en las formaciones geológicas de México, y como valor añadido, desarrollar tecnología novedosa para poder acoplar la extracción del calor geotérmico con la tecnología de CSC y con plantas binarias de generación eléctrica. Dicho acoplamiento no ha sido estudiado, ni demostrado o desarrollado a una tecnología comercial.

Objetivos y metas

Este proyecto se enfocará en determinar el costo-beneficio relativo y las configuraciones optimas de varias opciones de generación de potencia geotérmica, incluyendo la opción de usar el calor geotérmico para regenerar el solvente en un sistema de captura de carbono en post-combustión. Adicionalmente, en este proyecto se diseñara y estimará el costo de una planta piloto BORC para construirse y ensamblarse en una fase subsecuente del proyecto para experimentación en las instalaciones de la UMSNH.

Los objetivos específicos de la primera fase del proyecto son:

  • Llevar a cabo la identificación y caracterización de los yacimientos geotérmicos en México, adecuados para calentar el CO2, y el modelado del acoplamiento del CO2 con las formaciones geológicas.
  • Llevar a cabo el modelado computacional de diferentes escenarios de una planta de potencia de combustible fósil con captura de CO2, y recuperación de calor con vapor y CO2.
  • Implementar análisis de ventajas/desventajas, estimaciones de costos y optimización de diferentes sistemas geotérmicos basados en CO2, en combinación con plantas de potencia de combustibles fósiles con captura de CO2.
  • Diseñar y desarrollar, incluida la estimación de costos, una planta piloto experimental BORC basada en CO2 para futura instalación en la UMSNH.

Número de proyecto

P21

Título de proyecto

Generación geotérmica de potencia usando CO2 capturado en plantas de potencia de combustible fósil

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollos tecnológicos para explotación

Responsable de proyecto

Carlos Rubio Maya

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Energy Research Center, Lehigh University, LUERC