Mapas de gradiente geotérmico y flujo de calor para la república mexicana

Número de proyecto

P01

Título de proyecto

Mapas de gradiente geotérmico y flujo de calor para la república mexicana

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Evaluación de los recursos geotérmicos nacionales

Responsable de proyecto

Rosa María Prol Ledesma

Institución

Instituto de Geofísica, Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM

Instituciones y/o empresas asociadas

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Universidade de Évora, UEVORA

La realización del proyecto contribuirá con información fundamental para la planeación de los programas de exploración geotérmica, que en el futuro cercano determinarán la ampliación de la producción de energía eléctrica con fuentes sustentables y generarán una mayor independencia de los combustibles fósiles.

Así mismo representará un ahorro de recursos en programas regionales de exploración ya que fundamentará la selección de zonas con base en la descarga energética que las caracterice y que puede ser determinada con el valor del flujo de calor superficial.

Antecedentes y justificación

La determinación del potencial geotérmico de una región está íntimamente ligada a los valores de la descarga energética que se relacionan con el flujo de calor superficial y son muy útiles para establecer rangos en la cuantificación de los recursos geotérmicos de una región o país (Muffler, 1978; Barbier et al., 1995; Cataldi et al., 1995). En las últimas décadas, el enfoque en la evaluación de los recursos geotérmicos se ha limitado a los estudios de factibilidad de sistemas individuales (Flores, 1992; Flores y Royer, 1993; Royer y Flores, 1994; Le Carlier et al 1994; Flores et al., 1999; Chávez et al, 2000; Flores et al, 2001; Flores et al., 2006); sin embargo, cuando se trata de realizar planes nacionales de desarrollo del recurso geotérmico es indispensable efectuar inventarios regionales que superen los obstáculos presentados por las enormes áreas y la complejidad tectónica que se tienen que considerar (Cataldi et al., 1995). En este aspecto, el uso de mapas de gradiente geotérmico y de flujo de calor, nos permite evaluar las condiciones de temperatura a profundidad que pueden definir la presencia de un recursos geotérmico explotable. Las reservas de energía geotérmica de México suman en total solamente 1400 MW (Gutiérrez-Negrín et al., 2010); sin embargo, en este cálculo únicamente se han tomado en cuenta la explotación convencional de los sistemas continentales de alta temperatura y no se incluye la explotación en cascada de la energía, ni los sistemas de baja entalpia o los sistemas hidrotermales costeros y submarinos. Por otra parte, el crecimiento que se espera para el país requiere de la inclusión de fuentes de energía sustentables, que permitan la independencia de los combustibles fósiles y la redirección hacia políticas energéticas con un mayor cuidado del ambiente. El bajo costo de mantenimiento de la energía geotérmica y su independencia de los factores climatológicos, así como su abundancia en territorio mexicano, la hacen una opción excelente para su desarrollo.

Hasta la fecha se han llevado a cabo reportes y compilaciones de mediciones y estimaciones de flujo de calor basados en mediciones directas de gradiente geotérmico y conductividad térmica de rocas, así como en estimaciones basadas en diferentes parámetros geofísicos y geoquímicos (Smith, 1974; Smith et al., 1979; Williams et al., 1979; Ziagos et al., 1985; Prol-Ledesma and Juarez, 1985, 1986; Polyak et al., 1985; Kononov et al., 1988; Prol-Ledesma, 1989; Prol-Ledesma, 1991 a,b; Sanchez-Zamora et al., 1991; Fisher and Becker, 1991; Flores, 1992; Flores y Royer, 1993; Royer y Flores, 1994; Le Carlier et al 1994; Prasolov et al., 1999; Prol-Ledesma et al., 2007). En lo que se refiere al flujo de calor dentro de la parte sur de la zona económica exclusiva de México en el Pacífico y en el Golfo de México, se han realizado numerosas determinaciones de flujo de calor (Vacquier et al., 1967; Epp et al., 1970; Von Herzen et al., Prol-Ledesma et al., 1989; Sugrobov et al., 1989; Nagihara et al., 1996; Fisher et al., 2003; Prol-Ledesma et al., 2012) y se han realizado estimaciones de flujo de calor con base en la profundidad de la BSR (Yamano et al., 1982; Minshull et al., 2005). Entre las publicaciones formales que se encuentran disponibles, se tienen varios mapas: mapa de flujo de calor (Prol-Ledesma y Juárez, 1986), dos mapas geotérmicos de México en las dos ediciones del Atlas (Prol-Ledesma, 1990; Prol-Ledesma y Torres-Vera, 2007), una carta geotérmica de México (Torres-Rodríguez (2000) y también se ha publicado un mapa con los recursos geotérmicos de baja entalpía (Torres et al., 2005). Todos estos trabajos aportan valiosa información aún cuando es indispensable llevar a cabo una actualización que genere un mapa completo de los recursos geotérmicos de México.

Dado el avance de la información disponible y la posibilidad que se plantea de obtener información que actualmente se encuentra en posesión de entidades gubernamentales y privadas (CFE, PEMEX, CNA, Servicio Geológico Mexicano, compañías mineras y universidades), se estima que las posibilidades de incumplimiento de los objetivos del proyectos son extremadamente pequeñas, ya que la información estará disponible para su uso en este proyecto, además de toda la información que ya se encuentra en publicaciones abiertas.

Objetivos y metas

El principal objetivo científico y tecnológico es generar mapas de flujo y gradiente térmico con información actualizada, ya que ambos parámetros están relacionados con la presencia de sistemas geotérmicos, para su utilización como herramientas de exploración de nuevos sistemas geotérmicos que puedan ser utilizados en el futuro cercano como fuentes de energía limpia.

Los participantes en el proyecto son especialistas de alto nivel con una gran experiencia en el estudio y exploración de sistemas geotérmicos,cubren todos los temas esenciales para la determinación de flujo de calor, como son: la geofísica, la geoquímica y la geología. Las dependencias que tomarán parte en el proyecto son las de mayor experiencia en el país en el estudio de Energía Geotérmica: Instituto de Geofísica e IIE.

El resultado principal será la elaboración de los mapas de flujo de calor y gradiente geotérmico que permitirán evaluar el potencial de los sistemas geotérmicos de alta y baja entalpia, de tal forma que se tomen en cuenta recursos en zonas donde la producción de energía, con base en la geotermia, pueda significar un avance importante para esas poblaciones. Además se realizará la modelación para determinar la temperatura a profundidad, lo que dará a los usuarios el conocimiento acerca de la profundidad a la que la temperatura requerida puede ser alcanzada.

Meta 1: Base de datos compilados y mapas preliminares de gradiente geotérmico y flujo de calor.
Meta 2: Base de datos generados con el proyecto.
Meta 3: Mapas de gradiente geotérmico y de flujo de calor.
Meta 4: Mapa de temperaturas a profundidad.

Mapa de provincias geotérmicas de México a partir de la geoquímica de fluidos y distribución de acuíferos: herramienta para la exploración y desarrollo de recursos geotérmicos convencionales

Número de proyecto

P02

Título de proyecto

Mapa de provincias geotérmicas de México a partir de la geoquímica de fluidos y distribución de acuíferos: herramienta para la exploración y desarrollo de recursos geotérmicos convencionales

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Evaluación de los recursos geotérmicos nacionales

Responsable de proyecto

Ruth Esther Villanueva Estrada

Institución

Instituto de Geofísica, Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM

Antecedentes y justificación

Una clasificación de las provincias geotérmicas es una herramienta importante en la caracterización, evaluación y desarrollo de los recursos energéticos. Una provincia geotérmica se define como una porción del territorio que por sus condiciones geológicas y térmicas, (régimen térmico, hidrogeología, geoquímica de fluidos, litoestratigrafía, volcanología, etc.) adquiere una naturaleza geotérmica a escala regional y que se puede distinguir del resto del territorio (Cataldi y Manieri, 1995). Para poder definir la variable o variables clave para poder clasificar una provincia geotérmica, será necesario primero definir qué es un sistema geotérmico. Un sistema geotérmico es cualquier región geológica localizada donde porciones de la energía térmica proveniente del interior de la Tierra puede ser extraída del fluido circulante y transportada a un punto donde será utilizada (Williams et al., 2011). La variable clave para la clasificación debe ser coherente y lógica para evaluar el recurso geotérmico en función de la definición anterior. La forma como la energía geotérmica se identifica y utiliza es por la temperatura, la cual es una variable importante del recurso y por tanto es el principal elemento de clasificación de los sistemas geotérmicos con base a su contenido energético (Williams et al., 2011; Cataldi y Manieri, 1995; Cataldi et al., 1995). Un caso especial son los sistemas que se conocen como de roca seca caliente y que actualmente se denominan como “enhanced geotermal systems”, los cuales tienen temperaturas elevadas pero carecen de un fluido circulante que pueda ayudar a la extracción de la energía. A pesar de no corresponder a la definición tradicional, en varios países existen instituciones que realizan grandes esfuerzos para crear la tecnología que permita su explotación (Blackwell et al., 2007; Tester et al., 2007), por lo que su evaluación es importante para el desarrollo de este recurso en México.

El potencial geotérmico de reservorio se realiza mediante una prospección geoquímica del fluido que incluye análisis de cationes (Na, K, Mg, Ca, Li), aniones (HCO3-, SO42-, Cl), elementos traza (B, S2-), isótopos estables (carbono, hidrógeno y oxígeno), análisis de gases (CO2, CH4, H2S) y determinación de parámetros fisicoquímicos (pH, conductividad, temperatura). La estimación de la temperatura del reservorio se realiza mediante geotermómetros basados en datos experimentales y representan una herramienta valiosa para estimar la temperatura a profundidad y evaluar un recurso geotérmico.

Un reservorio geotérmico puede clasificarse, para fines de exploración, por la temperatura o entalpía del reservorio. La temperatura del reservorio, es una variable importante de la química del fluido y es útil para estimar el potencial uso de estos recursos naturales. Los sistemas geotérmicos comúnmente se dividen en baja temperatura (< 90°C), temperatura media (90-150°C) o alta temperatura (> 150°C) (Nicholson, 1993; White and Williams, 1975; Muffler, 1979; Williams et al., 2008). Los sistemas de alta temperatura incluyen fluidos dominados por líquido o vapor; los de temperatura intermedia y baja son casi siempre dominados por líquido. Los tres sistemas pueden ser utilizados para uso directo (Nicholson, 1993; Prol-Ledesma 2002). Mientras que los sistemas de temperatura intermedia o alta pueden ser utilizados para generar electricidad (Prol-Ledesma 2002).

Adicionalmente, la localización de sitios geotérmicos puede realizarse a través de estudios geofísicos por medio de sondeos electromagnéticos y eléctricos, donde se pueden delinear contrastes de conductividades eléctricas entre el reservorio y sus vecindades, así como aportar información estructural del mismo.

Estudios anteriores han realizado un esfuerzo de clasificar los sistemas geotérmicos y desde 1960 los estudios se han enfocado en evaluar la cantidad de energía almacenada debajo de la tierra y estimar la energía térmica que puede ser extraída localmente y explotada en un período de tiempo dado (Barbier et al. 1995; Cataldi et al., 1995; Cataldi y Maninieri, 1995; Lee, 1996; Muffler y Cataldi, 1978; Williams et al., 2011). A nivel nacional Prol-Ledesma y Juárez (1986) publicaron un primer mapa geotérmico de México en función de la estimación de temperaturas del reservorio con el geotermómetro de sílice y datos de flujo de calor. Posteriormente Torres-Rodríguez (2000) presentó una carta geotérmica de México y Torres et al. (2005) colectaron, interpretaron y desarrollaron una base de datos de los recursos geotérmicos en México de baja a media entalpía. Sin embargo, es necesario actualizar al mapa geotérmico y presentar una base de datos completa de todos los sitios con manifestaciones termales y pozos en el territorio nacional, además de categorizar estas manifestaciones.

La capacidad eléctrica neta instalada proveniente de fuentes geotérmicas es de 958 MW hasta diciembre de 2010 (Flores-Armenta, 2012); sin embargo, en este cálculo únicamente se han tomado en cuenta la explotación convencional de los sistemas continentales de alta temperatura (Cerro Prieto, Los Azufres, Tres Vírgenes y Los Humeros). Por otro lado, esta capacidad tiende a disminuir porque la producción, principalmente en el campo geotérmico de Cerro Prieto, está en declive (Flores-Armenta, 2012). La importancia de los recursos geotérmicos es que son considerados como recurso energético alternativo para la generación de electricidad, así como para otros propósitos comerciales (acuacultura, invernaderos, ambientes artificiales, etc.).

Objetivos y metas

La base de datos que integra los resultados del proyecto de provincias geotérmicas será una herramienta indispensable para planear las actividades de exploración y explotación geotérmica, particularmente en nuevas áreas con perspectivas positivas de desarrollo. El objetivo general de la propuesta es construir un mapa de provincias geotérmicas para todo el territorio mexicano que permita clasificar estas provincias a partir de la información geoquímica e hidrogeología, y poder así establecer la factibilidad para su explotación o utilización.

Se colectará toda la información disponible en aspectos geoquímicos y se traslapará con la ubicación de acuíferos para definir qué zonas geotérmicamente importantes presentan recursos geotérmicos convencionales.

En caso de haber sitios interesantes desde un punto de vista geotérmico y que no haya resultados disponibles o completos, se planeará la recolección y análisis de las muestras para un análisis a detalle.

Estimación del potencial de generación eléctrica de los Sistemas Geotérmicos Mejorados (SGM) en México

Número de proyecto

P07

Título de proyecto

Estimación del potencial de generación eléctrica de los Sistemas Geotérmicos Mejorados (SGM) en México

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Evaluación de los recursos geotérmicos nacionales

Responsable de proyecto

Eduardo Roberto Iglesias Rodríguez

Institución

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Instituciones y/o empresas asociadas

GeoCónsul, S.A. de C.V.

Instituto de Geología, Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM

Instituto de Geofísica, Universidad Nacional Autónoma de México, UNAM

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Southern Methodist University, SMU

Antecedentes y justificación

En términos generales la energía geotérmica es la energía térmica existente en la corteza terrestre. Las fuentes de calor son el núcleo y el manto terrestre (entre aproximadamente 6000 a 2000 °C respectivamente), así como el decaimiento radiactivo de U, Th y K en la corteza. Como resultado, el flujo térmico promedio en la superficie es de aproximadamente 59 mW/m2 y el gradiente térmico promedio aproximadamente 30 °C/km.

Existen zonas en la corteza con grandes intrusiones magmáticas en las que el flujo y el gradiente térmicos son significativamente mayores que los promedios mencionados. En estas zonas, relativamente escasas, se encuentran sistemas hidrotermales de alta permeabilidad, que son los recursos geotérmicos convencionales que explotamos en la actualidad (por ejemplo, en México los campos geotérmicos de Cerro Prieto, B.C., Los Azufres, Mich., Los Humeros, Pue. y Las Tres Vírgenes, B.C.S.). Fuera de estas zonas, y también en ellas, a profundidades típicamente mayores que 3 km existen formaciones rocosas de baja permeabilidad con temperaturas de interés para la generación eléctrica. A estos recursos se los denomina recursos de roca seca caliente (RSC). La distribución geográfica de estos recursos es enormemente más amplia que la de los recursos geotérmicos hidrotermales.

Fig. 1. Esquema de un SGM

Desde hace varias décadas se concibió y se fue perfeccionando la tecnología de los sistemas geotérmicos mejorados (SGM), denominados EGS por sus siglas en inglés, con el fin de recuperar estos recursos para la generación eléctrica. En la fig. 1 se muestra una representación de un SGM. El mismo consiste en un sistema de fracturas abiertas interconectadas a profundidad interceptado por al menos dos pozos. Por uno de ellos se inyecta agua que se calienta por contacto con la roca y se extrae por los pozos de producción. El agua caliente y el vapor recuperado en superficie se utilizan en una planta geotérmica convencional. El agua extraída se reinyecta en el yacimiento formando un ciclo cerrado.

Fig. 2. Adaptado de Mongillo y Bromley (2010)

Estos recursos son inmensos. Por ejemplo, recientemente se estimó el potencial técnico (definido hasta 6.5 km de profundidad y con las restricciones técnicas y legales existentes) global de los sistemas SGM (EGS por sus siglas en inglés). Los resultados se presentan en la fig. 2. Adicionalmente, en varios países, por ejemplo los Estados Unidos de América (Blackwell et al, 2007; Tester et al, 2006), Australia (Budd et al., 2010), Brasil (Hamza et al., 2010), se ha estimado potencial técnico de generación eléctrica a partir de sus recursos de RSC.

Estos resultados confirman que los recursos de SGM de dichos países son de enorme magnitud. Por ejemplo, la fracción recuperable en USA representa entre 2,800 y 56,000 veces la energía total consumida allí en 2005; y para 2050-60 se espera contar en USA con una capacidad instalada de SGMs de 100,000 MWe (Tester et al., 2006). El recurso EGS de Australia hasta 5 km de profundidad equivale a 26,000 años de la energía total consumida en dicho país durante 2004-2005 (Budd et al., 2010).

Los primeros esfuerzos por crear estos sistemas se hicieron en Fenton Hill, USA, en la década de los 70´s. Desde entonces se han desarrollado o se están desarrollando proyectos en: Estados Unidos Fenton Hill, Coso, Desert Peak, Glass Mountain, TheGeysers/Clear Lake, Newberry; Reino Unido Rosemanowes, Eden Project, Redruth; Japón: Hijiori y Ogachi; Francia Soultz, Le Mayet de Montagne; Suecia Fjallbacka; Alemania Falkenberg, Horstberg y Bad Urach; Australia: Cooper Basin, Hunter Valley y otros; Suiza: Basel y Geneva.

Se ha logrado La perforación de pozos profundos (4 a 6 km) en roca abrasiva y con alta temperatura (300 °C); la estimulación de grandes volúmenes de roca (más de 2 km3) para formar sistemas de fracturas abiertas interconectadas a profundidad; interceptando la roca estimulada se han perforado pozos y se ha creado yacimientos conectados; circulación de fluidos sin grandes pérdidas de presión; generación de electricidad con plantas pequeñas (< 3 MWe), algunas de ellas comerciales, como Bad Urach.

Algunos temas bajo investigación y desarrollo: estimulación efectiva del yacimiento que permita mantener una producción sustentable y económica; desarrollo de herramientas para predecir el comportamiento del yacimiento considerando la distribución de la red de fracturas, el campo de esfuerzos, la respuesta de la red a la presión hidráulica; disminución de costos de perforación; mejoras en la tecnología de conversión de energía, y un mejor entendimiento de la estructura de la roca fracturada, ayudarían a mejorar la competitividad de este recurso; sismicidad inducida.

Este es uno de los pocos recursos renovables, que tiene el potencial de suministrar enormes cantidades de energía eléctrica a carga base, sin almacenamiento y con un impacto ambiental mínimo. Estos sistemas han pasado de los primeros estudios en Fenton Hill a la demostración del concepto a escala piloto y a la operación de pequeñas plantas comerciales. Para el desarrollo comercial de estos sistemas no se identifican barreras técnicas infranqueables, ni enormes recursos económicos.

Justificación

Los recursos geotérmicos convencionales de México están ampliamente distribuidos, como se aprecia en la fig. 3 (Iglesias et al, 2010). Esto sugiere que los SGMs prometen abun-dante generación eléctrica de base, en virtualmente cualquier ubicación en México, con emisiones despreciables de CO2, por milenios. Los SGM podrían llegar ser la principal fuente de generación eléctrica en México en ≈50 años.

Dada la importancia y ventajosas características de estos inmensos recursos energéticos de la República Mexicana es necesario desarrollar una estrategia para aprovecharlos. El primer objetivo de dicha estrategia es conocer el recurso. Para ello es imprescindible estimar la magnitud y distribución espacial tridimensional del potencial de los SGMs en la misma. Este es el objetivo de la presente propuesta.

Los resultados de este proyecto estratégico proveerán una base imprescindible para el desarrollo de una estrategia nacional para la investigación, el desarrollo y la implementación de SGMs en México. Entender la magnitud, distribución y características del potencial de RSC y del de SGM provee información muy valiosa para investigación y desarrollo estratégico, políticas públicas y comercialización. Primero, el Gobierno Federal y las organizaciones internacionales interesadas no podrían tener en cuenta los recursos de SGM en sus futuros escenarios de energía si no se contara con estimaciones de la distribución y magnitud de su potencial. Segundo, las empresas interesadas en desarrollar o en invertir en tecnología SGM no contarían con información estandarizada por un protocolo internacionalmente reconocido para investigar valores relativos de potencial, potencial de geográfico de mercado, etc. Finalmente, la percepción pública del potencial de los SGMs será promovida e incrementada a través de la publicación de los resultados de este proyecto en Internet, vía Google Earth que es un programa gratis y universalmente accesible.

Fig. 3. Localización de manifestaciones geotérmicas superficiales y campos geotérmicos de México

Referencias

  • Blackwell D.D., Negraru P.T. y Richards M.C., 2007, “Assessment of the enhanced geothermal system resources base of the United States”. Natural Resources Research. DOI: 10.1007/s1 1053-007-9028-7.
  • Beardsmore G. R., Rybach L., Blackwell D.D., Baron C., 2010, “A Protocol for Estimating and 12 Mapping Global EGS Potential”, GRC Transactions, vol. 34, 301-312.
  • Budd A.R., Barnicoat A.C., Ayling B.F., Gerner E., Meixner T.J. Kirby A.L., 2010, “Australian Government´s Support for Geothermal Development”, Proc. World Geothermal Congress 2010, 7 pp., International Geothermal Association, New Zealand.
  • Hamza V.M., Cardoso R.R., Vieira F.P. y Guimaraes S.N.P., 2010, “Atlas nacional 2010 –IBGE – Mapas Geotermais”, Laboratorio de Geotermia, Coordinacao de Geofísica do Observatorio Nacional.
  • Iglesias E.R., Torres R.J., Martínez-Estrella J.I. y Reyes-Picasso N., 2010, “Summary of the 2010 Assessment of Medium- to Low-Temperature Mexican Geothermal Resources”, GRC Transactions, vol. 34, 1155-1159.
  • Mongillo M.A. and Bromley C.J., 2010, “The International Energy Agency Geothermal Implementing Agreement International Cooperation for Sustainable Geothermal Development”. GRC Transactions, vol. 34, 103-111.
  • Tester J.W., Anderson B.J., Batchelor A.S., Blackwell D.D., Di Pippo R., Drake E.M., Garnish J., Livesay B., Moore M.C., Nichols K., Petty S., Toksoz M.N. y Veatcj Jr. R. W., 2006, “The Future of Geothermal Energy – Impact of Enhanced Geothermal Systems (EGS) on the United States in the 21st Century”, 372 pp. Massachusetts Institute of Technology, USA, http://geothermal.inel.gov

Objetivos y metas

  • Estimar el potencial de generación eléctrica de los SGM en México.
  • Presentarlo en un sistema de información geográfica accesible en Internet.
  • Modelar la temperatura, el flujo térmico y la energía térmica hasta 10 km de profundidad en todo el territorio nacional.
  • Estimar el Potencial Teórico (energía térmica disponible hasta 10 km de profundidad) en todo el territorio nacional.
  • Estimar el Potencial Técnico (entre 3.5 y 6.5 km de profundidad y con las restricciones técnicas y legales existentes) expresado en MWe, de los SGMs en todo el territorio nacional.
  • Definir el nivel de confianza del Potencial Técnico estimado, en los términos propuestos por el protocolo internacionalmente aceptado “A Protocol for Estimating and Mapping Global EGS Potential”, Beardsmore et al., 2010.
  • Presentar los resultados en un portal apropiado, probablemente del CEMIE-Geo, en los formatos recomendados por el protocolo mencionado en el punto precedente.
  • Actualizar la información de base y las estimaciones en el sistema de información geográfica en una segunda etapa del proyecto.
  • Publicar la información actualizada en el portal.

Evaluación del potencial y la sobre-explotación de la capacidad de poder geotérmico de México usando isótopos de gases nobles

Número de proyecto

P20

Título de proyecto

Evaluación del potencial y la sobre-explotación de la capacidad de poder geotérmico de México usando isótopos de gases nobles

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Evaluación de los recursos geotérmicos nacionales

Responsable de proyecto

Aída López Hernández

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

University of Michigan, UMICH

Université du Québec à Montréal, UQÀM

University of Waterloo, UWATERLOO

Antecedentes y justificación

México está en una encrucijada decisional en la diversificación de sus fuentes energéticas y el desarrollo pleno (y/o mantenimiento) de su capacidad de energía geotérmica. Por un lado, la exploración de nuevos objetivos esta detenida: en los últimos años la falta de apoyo financiero han limitado el desarrollo de nuevos campos geotérmicos como Las Tres Vírgenes y Los Humeros. Las Tres Vírgenes es el más reciente campo de operación en México. Se encuentra en el centro de la península de Baja California. Este campo tiene sólo 4 pozos perforados y una planta de energía de la capacidad limitada. Otro campo geotérmico descubierto y desarrollado a principios de los años 80, Los Humeros, cuenta con 24 pozos perforados en una caldera Cuaternaria situada en la parte centro-oriental de México, en el extremo oriental de la Faja Volcánica Transmexicana (región de Puebla). Este campo se ha trasladado recientemente a la fase II, casi 30 años después de su descubrimiento, que entró en pleno funcionamiento con una nueva planta de energía de 50 MHW comisionada en 2012. Nuevas áreas más pequeñas, como el lago de Cuitzeo están en el comienzo de la fase de exploración (ver Flores-Armenta, 2012 para una revisión del estado del arte del desarrollo geotérmico mexicano) y prácticamente no se han realizado aun estudios extensos.

Por otro lado, los dos campos geotérmicos de nivel mundial de México, Cerro Prieto y Los Azufres se enfrentan a cada vez más problemas de disminución de la capacidad de energía y la reducción de la duración de la reserva. Cerro Prieto es el campo geotérmico mexicano más grande y antiguo en funcionamiento. Situado en la parte norte de México, los primeros propulsores fueron comisionados en 1973. La explotación comercial comenzó en 1973, por lo que este yacimiento ha estado bajo condiciones de extracción por alrededor de 40 años. Más de 400 pozos geotérmicos se han perforado en 38 años: 174 pozos de producción estaban todavía en funcionamiento durante el año 2011. También había 18 pozos de inyección en funcionamiento (Flores-Armenta, 2012). En la actualidad, existe una campaña de exploración en marcha y proyectos para regular la producción de vapor con el fin de compensar el descenso y ser capaz de alcanzar un nivel sostenible de producción y generación en el campo. El descenso está relacionado con la extracción a gran escala llevada a cabo en los años 90, junto con la re-inyección de salmueras frías utilizadas para mantener la presión del yacimiento, pero que tiene la consecuencia de la reducción de la entalpía del reservorio.

Los Azufres es el segundo campo geotérmico que opera en México, en el estado de Michoacán. Está en funcionamiento desde 1988, con más de 100 pozos perforados en dos áreas separadas dentro de la caldera de Los Azufres. Varios pozos de reinyección aseguran el mantenimiento de la presión. Sin embargo, dos estudios separados realizados en un intervalo de 10 años (González-Partida et al, 2005; Pinti et al, 2013) han demostrado claramente que la invasión de agua más fría se acerca peligrosamente a la zona de alta entalpía del depósito donde la producción en masa está concentrada. Aunque lejos de la disminución de la producción de Cerro Prieto, un programa de monitoreo serio es establecido para evitar la reducción de la producción de vapor y, posiblemente, el desarrollo de nuevas áreas de producción.

A solicitud del personal de la Gerencia de Proyectos Geotermoeléctricos de la CFE, se incluirá en este proyecto, el campo geotérmico de La Primavera, ubicado en el estado de Jalisco, al oeste de la ciudad de Guadalajara. Se trata de una zona geotérmica asociada a una caldera volcánica cuaternaria cuyos productos son principalmente silíceos. Este campo aún no se ha desarollado y se pretenden conocer sus condiciones iniciales.

La comprensión de las condiciones del yacimiento en el campo geotérmico de nuevo y en desarrollo (Las Tres Vírgenes y Los Humeros) y su evolución en los más antiguos (Los Azufres y Cerro Prieto) se ha hecho históricamente, entre otros, con amplios estudios geoquímicos (por ejemplo, Arnold y Gonzales-Partida, 1987; Truesdell et al, 1979; Welhan et al, 1979. Birkle et al, 2001; Gonzales-Partida et al, 1995; Verma et al, 2006). Sin embargo, uno de los marcadores más potentes de la evolución de fluidos en un depósito geotérmico, es decir los isótopos de gases nobles, ha sido mayormente ignorado para su aplicación en la exploración de los campos geotérmicos mexicanos. Efectivamente, con la excepción de los trabajos de Mazor y Truesdell (1984), Truesdell et al. (1979) y Welhan et al. (1979) en Cerro Prieto y algunos datos de Polyak et al. (1985) y Prasolov et al. (1999) en Los Azufres, los estudios de gases nobles están simplemente ausentes. Unos pocos estudios tratan con las mediciones de concentraciones de He y Ar en varios pozos de Los Azufres como seguimiento de trazadores de producción (Arriaga, 2002. Barragán et al, 2006). Sólo recientemente, Pinti et al. (2013) llevaron a cabo una investigación más extensa sobre gases nobles en ambos pozos geotérmicos y aguas termales de Los Azufres utilizando gases nobles, los isótopos estables del agua (C, O, H) e isótopos radiogénicos (proporciones 87Sr/86Sr). Este estudio permitió, entre otros, identificar mejor las fuentes magmáticas del campo, su extensión geográfica situada fuera de la caldera hacia el Lago de Cuitzeo, y mostró el aumento de la invasión de las salmueras utilizadas cerca de la zona de producción. En la actualidad se obtuvo un nuevo estudio sobre los isotopos de Cl y Br con la universidad de Waterloo (O. Shouakar-Stash) y se obtuvieron algunos datos de LTV y CP (Birkle, Pinti y Castro, datos no publicados).

Sin embargo, los gases nobles, elementos químicos inertes y raros, son excelentes marcadores de la dinámica de fluidos dentro de un depósito geotérmico (por ejemplo, Mazor y Truesdell, 1984; Smith y Kennedy, 1985; Kennedy et al, 1991; Kennedy y Truesdell, 1996; Kennedy y Van Soest, 2006). Sus isótopos se pueden originar a partir de tres fuentes: la fuente magmática del campo (He3); atmosférica del agua subterránea que recarga (20 Ne, Ar36, 84 Kr y Xe132) y radiogénicos (principalmente 4He pero a veces 40Ar*) del decaimiento de U, Th y K contenido en las rocas del yacimiento.

El He3 Magmático es el principal isótopo utilizado en campos geotérmicos para la detección de los fluidos que más interactuaron con el cuerpo magmático en el origen del campo (y por lo tanto las áreas donde los fluidos de alta entalpía circulan). El coeficiente He3/He4 varía desde el valor atmosférico de 1.386 x 10 -6 (o 1Ra por definición; Lupton, 1983) en aguas dulces de recarga entran en el campo a 7-8 veces del valor Ra para agua magmática pura (Giggenbach, 1992) (8RA es el valor de la parte superior del manto; Ozima y Podosek, 1983). Un amplio estudio de los isótopos de helio en ambos pozos y manantiales o fumarolas termales naturales puede dar pistas sobre la región donde los fluidos más profundos y más calientes se mueven cerca de la superficie, relacionando estos movimientos con características tectónicas o geológicas. Junto con otros sistemas isotópicos como los isótopos radiogénicos (Nd, Sr), el helio puede ser útil para determinar el origen magmático procedente del campo. Este tipo de estudios puede tener algunos resultados sorprendentes. A modo de ejemplo, Pinti y colaboradores (2013) han demostrado, mediante el acoplamiento de isotópos de Sr y He medidos en fluidos de Los Azufres, que las fuentes de calor magmático no están relacionados con los cuerpos riolíticos diferenciados del Cuaternario tardío que están extruidos en la parte sur del campo, pero están muy arraigados a los plutones basálticos primitivos, probablemente intruidos en el basamento metamórfico bajo las rocas volcánicas.

Los gases nobles atmosféricas se disuelven en agua a la recarga. Sus concentraciones relativas y proporciones elementales dependen de sus respectivas solubilidades en agua a una temperatura determinada (por ejemplo, Mazor, 1972). Sólo los procesos físicos en profundidad pueden modificar estas relaciones elementales. Se ha encontrado que en los pozos geotérmicos estas relaciones se modifican en gran medida durante la separación de ebullición y vapor de agua causada por la re-inyección de fluidos o durante la presión del yacimiento y los cambios de temperatura (por ejemplo, Mazor y Truesdell, 1984; Kennedy et al, 1985; Pinti et al., 2013). Más interesantes, las concentraciones absolutas de gases nobles atmosféricos pueden ser utilizadas para calcular los volúmenes de fluidos inyectados, una forma de cuantificar la invasión de salmuera en la zona productiva (Kennedy et al, 1999; Kennedy y Schuster, 2000).

Finalmente los gases radiogénicos como el 4Ha sido mayormente ignorado en el depósito geotérmico, suponiendo que el agua dulce recarga el sistema, se calienta y luego se descarga en un breve periodo. Ahora, una de las principales preocupaciones en yacimientos geotérmicos es el tiempo de residencia del agua en el sistema. Este es un parámetro importante para cuantificar porque la tasa de explotación de los fluidos y la tasa de recarga del sistema está profundamente relacionada con la "edad" del fluido explotado. Ahora el helio radiogénico de la "corteza" se encuentra en la mayoría de los yacimientos geotérmicos. Esto es a menudo interpretado como un reflejo del envejecimiento del cuerpo magmático: campos geotérmicos más jóvenes muestran fluidos dominados por 3He magmáticas mientras que los campos más viejos donde el emplazamiento de la fuente magmática ocurrió hace varios cientos de miles o millones de años atrás, los fluidos están dominadas por He4 de la corteza producido por desintegración del U y Th contenido en el cuerpo de magmático antiguo. Sin embargo, conociendo la tasa de producción de helio en las rocas del yacimiento, la cantidad de helio podría dar estimaciones del tiempo de residencia de los fluidos en el depósito (por ejemplo, Phillips y Castro, 2003). En efecto, los datos no publicados (Birkle, Pinti y Castro, 2012) obtenidos en Las Tres Vírgenes sugiere un tiempo de residencia mínimo del fluido de 10-14 Ka, dentro del rango de edades 14 C obtenidas por Birkle y Portugal-Marin (2012, enviado). Sin embargo, las edades U-Th/He obtenidas de unos pozos de Cerro Prieto dan edades mínimas de 2-3 Ma, edad de la formación de arenisca de alojamiento, sugiriendo la presencia de agua en los poros connados en las secciones más profundas del reservorio.

La investigación propuesta pretende llenar este vacío científico y tecnológico en la exploración de energía geotérmica de México utilizando ampliamente los gases nobles, junto con los isótopos estables de la molécula de agua clásicos (H, C, O) y nuevos (Cl, Br) y los isótopos radiogénicos (Sr) en 4 campos geotérmicos, a saber, Cerro Prieto (CP), Los Azufres (LA), Los Humeros (LH) y Las Tres Vírgenes (LTV). El objetivo principal es ayudar a explorar e identificar nuevas zonas de producción en el LTV y LH y controlar la evolución del fluido en LA y CP. Teniendo en cuenta las vueltas de corta duración para la realización de este proyecto (4 años), que no tiene la ambición de ser concluyente, pero sin duda los resultados de estos estudios darán beneficios inmediatos en la comprensión de los yacimientos geotérmicos explotados. Serán también una orientación directa y unívoca para futuros desarrollos en la investigación geotérmica y la exploración de nuevas áreas.

Objetivos y metas

El objetivo principal de este estudio es llevar a cabo un amplio estudio con gases nobles en los cuatro campos geotérmicos citados, a saber, Cerro Prieto (CP), Los Azufres (LA), Los Humeros (LH) y Las Tres Vírgenes (LTV). Y a solicitud expresa de CFE se incluye el muestreo en La Primavera con el propósito de conocer las condiciones iniciales de ese yacimiento. Estos trazadores de fluidos, junto con otros isótopos (Sr, H, C, O) serán herramientas únicas para:

  • Identificar las áreas donde los fluidos geotérmicos de alta entalpía circulan en el depósito utilizando He3magmático como un proxy de flujo de calor (por ejemplo, Kennedy et al, 1985; Sano y Wakita, 1985). Esto se realizará por primera vez en Los Humeros, en todos los pozos perforados disponibles y de aguas termales y fumarolas (sólo existen unos datos para Los Humeros no.1, pero el valor está claramente sobreestimado y debe ser reproducido, Polyak et al., 1985). Tenemos datos no publicados de cuatro pozos de Las Tres Vírgenes, pero la contaminación atmosférica obstaculizo los datos de este campo. Además tenemos que ampliar la investigación con helio a las manifestaciones locales y superficiales gaseosas y de agua caliente. En Cerro Prieto y Los Azufres, el estudio con helio debe integrarse con los valores conocidos anteriores y seleccionar un número razonable de pozos para obtener la imagen más clara posible de la distribución de fluidos calientes en profundidad. El estudio de helio estará acompañado por los análisis específicos de isótopos Sr e isótopos de carbono en pozos seleccionados con el fin de identificar, sin ambigüedades, las fuentes magmáticas de los campos (por ejemplo, Pinti et al., 2013).
  • Monitorear la invasión de las salmueras usadas en el depósito y su enfriamiento mediante el análisis de los gases nobles de la atmósfera cuyo fraccionamiento es proporcional a los efectos de ebullición producidos por la invasión de agua más fría (Mazor y Truesdell, 1984). Este estudio se realizara de forma sistemática en todos los cuatro campos geotérmicos con el fin de simular la vida útil de cada reservorio. El estudio estará acompañado de los análisis de isótopos de H y O. En efecto Gonzales-Partida et al. (1995) han demostrado claramente que la medición sistemática de isótopos estables en los pozos geotérmicos después de un lapso de tiempo es útil para determinar la evolución de la invasión de agua que modifica de una manera característica la composición isotópica inicial del volumen de agua. La comparación de los nuevos datos H y O con los anteriores y los gases nobles atmosféricos serán útiles en la construcción de simulaciones sólidas de la invasión de campo.
  • El helio-4 se analizará de manera sistemática y considerada en términos de posible estimación del tiempo de residencia en el depósito. Este es un parámetro importante para identificar el área donde las aguas connadas son explotados y por lo tanto el campo es la extracción de reservas no recargables (Pinti y Marty, 1998). Las edades calculadas con U-Th-4He se compararán con 14 C, el tritio y otros datos disponibles en los sitios.

Los datos obtenidos serán utilizados exclusivamente para alcanzar los dos objetivos mencionados anteriormente y en comparación con la gran base de datos de la química publicada para estos campos. Los gases nobles, combinados con otros trazadores químicos, podrían dar pistas útiles sobre las cuestiones sin resolver en relación con el origen del fluido y la evolución en los distintos campos.

El programa general de trabajo constará de ocho etapas de seis meses naturales cada una, tal como se indica en el cronograma del punto X. Las ocho fases del proyecto son las siguientes:

  1. Organización del proyecto. Muestreo en Los Azufres.
  2. Análisis de laboratorio de muestras de Los Azufres. Recolección de fluidos en Los Humeros.
  3. Análisis de laboratorio de Los Humeros e interpretación de datos de Los Azufres.
  4. Interpretación de datos de Los Humeros. Artículo de Los Humeros. Análisis de los resultados con CFE.
  5. Recolección de muestras de Cerro Prieto y Tres Vírgenes e inicio de los análisis isotópicos de estas muestras.
  6. Recolección de muestras en Cerritos Colorados. Continúa el análisis de las muestras recolectadas en Cerro Prieto, Tres Vírgenes y Cerritos Colorados. Análisis de los resultados con CFE.
  7. Interpretación de datos de Cerro Prieto, Las Tres Vírgenes y Cerritos Colorados. Artículos de éstas zonas.
  8. Elaboración de un informe técnico final de las zonas evaluadas.

Campaña intensiva de exploración geotérmica de las cuencas Wagner, Consag, Delfín, Guaymas y Alarcón del sistema de rifts del golfo de California

Número de proyecto

P03

Título de proyecto

Campaña intensiva de exploración geotérmica de las cuencas Wagner, Consag, Delfín, Guaymas y Alarcón del sistema de rifts del Golfo de California

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Desarrollo e innovación de técnicas de exploración

Responsable de proyecto

Antonio González Fernández

Institución

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

Instituciones y/o empresas asociadas

Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego

Antecedentes y justificación

La valoración del estado térmico de la península de Baja California y en especial el Golfo de California es un problema de importancia estratégica para México ya que son áreas con anomalías geotérmicas importantes. Estas son producto del adelgazamiento de la corteza continental por la apertura del Golfo de California. El proceso inició durante el Mioceno Medio y Tardío y aún continúa. El proceso de adelgazamiento va acompañado del emplazamiento de magmas gabroicos que ascienden desde cámaras magmáticas profundas asociadas con la generación de nueva corteza oceánica en algunas partes del área. La rápida sedimentación, en especial en la parte norte del área, de material clástico, además, provee de las condiciones ideales para el desarrollo de sistemas geotérmicos.

Considérese el caso del Campo Geotérmico de Cerro Prieto en el estado de Baja California. Este campo ha generado más de 90,000 GWh de electricidad desde el inicio de su operación en 1973 hasta el 2002. Este campo es el principal productor de electricidad en el país y el tercero en el mundo. La fuente de calor que sostiene la producción del Campo Cerro Prieto es una anomalía térmica regional que se prolonga hacia el SE a lo largo de la frontera entre las placas de Pacífico y Norte-América: el sistema de rifts del Golfo de California. Este sistema rift consiste de una serie de centros de dispersión y fallas transformes que se conectan hacia el sur (en la boca del Golfo de California) con el rift oceánico de la Cordillera del Este del Pacífico (East Pacific Rise). Hacia el norte, el sistema rift del Golfo de California se conecta con el sistema de fallas transformes de San Andrés.

La parte central y sur del golfo está caracterizado por cuencas estrechas con poca sedimentación, conectadas por un arreglo bien desarrollado de fallas transformes. El proceso de ruptura en estas cuencas es facilitado por la advección de calor por el emplazamiento de cuerpos intrusivos y la formación de nuevo piso oceánico. Las cuencas del norte del golfo, por otra parte, están fuertemente dominadas por sedimentación. Otra diferencia importante es que en la parte norte el proceso de ruptura aún es incipiente y no se encuentra tan desarrollado como en las cuencas del sur.

Previamente se realizaron algunos estudios preliminares en el área del Golfo de California con resultados de interés en geotermia. Por ejemplo, Mercado (1990, 1993) observó chimeneas descargando agua a temperaturas de 350oC cerca de la boca del golfo. Suárez (2000) reporta estudios anteriores de Grijalva (1986) donde se indica que la Cuenca Wagner pudiera ser un campo geotérmico de gran magnitud, con un potencial energético de 100 a 500 veces mayor que el campo geotérmico de Cerro Prieto.

Tanto el limite de la placa como los centros de dispersión y fallas transformes asociadas han sido ampliamente estudiados en la zona de la Cuenca de Guaymas (por ejemplo DSDP Leg 64, Lonsdale y Becker, 1985) utilizando diversos métodos que incluyen: batimetría, sísmica, micro-sismicidad y enjambres de sismos, perfiles de sísmica de reflexión, perforación y flujo de calor. Estos últimos estudios han sido particularmente detallados e indican que el flujo de calor es irregular, pero sistemáticamente muy alto en los centros de dispersión. En comparación, el flujo de calor del fondo marino adyacente a los centros de dispersión es moderadamente alto. La exploración con vehículos sumergibles de operación remota (ROV) ha confirmado la existencia de actividad hidrotermal y depósitos en varias localidades de la cuenca de Guaymas. El efecto de esta actividad hidrotermal en la sección de sedimentos es muy importante; en los centros de dispersión de la cuenca de Guaymas se han registrado anomalías térmicas de 293.3 mW/m2 a 1.2 W/m2. Esto sugiere que sedimentos muy jóvenes y, por lo tanto, enterrados someramente, han sido rápidamente calentados alcanzando altas temperaturas. Más hacia el norte, las cuencas de Tiburón, Wagner y Altar fueron estudiadas de manera extensiva durante los años 80 por PEP-PEMEX utilizando un arreglo denso de líneas sísmicas de reflexión así como pozos exploratorios perforados en el lecho marino y en el continente. Las temperaturas de fondo de estos pozos indican que el gradiente geotérmico en diversas localidades puede exceder los 50 ?C/km, lo que corresponde a valores de flujo de calor de 100-110 mW/m2 (Contreras et al., 2011).

Objetivos y metas

El objetivo de esta propuesta es la de realizar una campaña intensiva de exploración geotérmica del Sistema Rift del Golfo de California y su plataforma continental para conocer mejor el potencial geotérmico de la región. Para esto se utilizará la nueva plataforma de exploración de CICESE, el buque oceanográfico Alpha Helix, se adquirirán datos de flujo de calor, método magnetotelúrico (MT) y electromagnético con fuente controlada (CSEM),sísmica de reflexión y refracción, magnetometría, batimetría monohaz y multihaz, hidrogeoquímica y tomas de sedimentos y rocas volcánicas del fondo marino con draga y nucleador. Adicionalmente, se hará un estudio en tierra de sismicidad y se tomarán muestras de agua en manantiales costreros.

Las nuevas mediciones derivadas de este proyecto incrementarán substancialmente la resolución espacial de bases de datos existentes. La meta de este proyecto es obtener una imagen clara de la distribución de flujos de calor y gradientes térmicos en zonas de interés del sistema rifts del Golfo de California. Se adquirirán datos de cuerpos ígneos específicos ya identificados en campañas de exploración previas y se construirán modelos detallados de su estructura y de su evolución térmica.

Con estos datos se generarán mapas de áreas con mejores posibilidades de recursos geotérmicos, y se obtendrán modelos de inversión de la estructura conductiva y modelos del estado térmico de éstos. Para ello hemos integrado un equipo internacional de investigadores y estudiantes de los centros de investigación más prestigiosos de México y Estados Unidos: CICESE y Scripps Institution of Ocenography-UCSD.

Al mismo tiempo, este proyecto buscará respuesta a las siguientes preguntas:

  • ¿Cual es la pérdida de calor por conducción y convección en las cuencas del Golfo de California fuertemente dominadas por sedimentación, al sur del campo geotérmico de Cerro Prieto?
  • ¿Cual es la cantidad de calor liberada por los intrusivos ígneos (sills) es esas cuencas y cual es su estado térmico actual?
  • ¿Cuanto calor producen los sistemas de fallas transformes a lo largo del sistema de rift del Golfo de California?
  • ¿Cuanto calor es transportado a la superficie por los campos volcánicos distribuidos a lo largo del Golfo de California?

Número de proyecto

P10

Título de proyecto

Análisis de factibilidad y desarrollo de un prototipo de proyecto demostrativo del uso energía geotérmica para climatización de invernaderos

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Abelardo Mercado Herrera

Institución

Universidad Politécnica de Baja California, UPBC

Instituciones y/o empresas asociadas

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Secretaría de Fomento Agropecuario de Baja California, SEFOA