- 3.1 -

CAPÍTULO GT2.2 GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

1. Producción de energía eléctrica mediante energía geotérmica

El tipo de ciclo depende fundamentalmente de dos factores, además del caudal disponible:

• Estado del fluido geotérmico (vapor seco, húmedo, líquido..)

• Entalpía del fluido geotérmico (alta o media entalpía)

Así puede establecerse la siguiente clasificación general (tabla 1):

Campo Fluido Ciclo Directo con descarga libre (sin condensación)

Directo con condensación

Vapor seco

Indirecto con condensación y recuperación de aguas mineralizadas

Alta

entalpía

Vapor húmedo Semidirecto con flash en una o varias etapas

Vapor húmedo Media

entalpía Agua líquida

Ciclos binarios

Tabla 1. Tipos de ciclos de producción de electricidad

En campos de alta entalpía (t > 150 ºC) la capacidad de los pozos se encuentran en el rango de

0.2 – 5 MWe, con una media de 2 MW y el consumo específico de vapor se sitúa en el rango de

6 a 10 kg de vapor / kWh eléctrico. En la práctica una central eléctrica se alimenta a partir de la

producción de varios pozos, obteniéndose plantas de capacidades comprendidas entre 20 y 120

MW, aunque la tendencia es construir grupos turboalternadores modulares de unos 20 MW

eléctricos. Los rendimientos son bajos si se comparan con las plantas térmicas o nucleares de

mayor tamaño y de vapor recalentado a mayor temperatura. La tabla 2 muestra la situación de la

producción geotérmica de alta entalpía frente a la producción térmica o nuclear

Energía primaria Temperatura máxima del vapor (ºC) Rendimiento (%) Geotermia 250 10 – 17

Nuclear 330 33

Carbón/fuel/gas 540 38 – 45

Tabla 2. Rendimientos de plantas de generación eléctrica

Los consumos específicos de vapor (masa de vapor necesaria para producir una unidad de

energía eléctrica) en el caso de campos de alta entalpía se muestran en la tabla 3

Ciclo Consumo específico de vapor (kg vapor / kWhe)

Condiciones

Directo sin condensación

15 - 25

Elevada presencia de gases no

condensables

Presión entrada en turbina (bar)

Consumo específico (kg vapor/kWhe)

15 – 20 6

5 – 15 9 – 7

Con condensación

≈ 5 ≈ 10

Vapor con baja o moderada

presencia de gases no condensables.

Tabla 3. Valores del consumo específico de vapor en plantas (campos de alta entalpía)

- 3.2 -

2. Ciclo directo sin condensación

El vapor procedente del pozo, en forma de vapor seco o bien después de haber sido separado de

la fase líquida en el caso de un campo húmedo, pasa directamente a la turbina y una vez

producida la expansión en su rodete, se expulsa directamente a la atmósfera. Es el ciclo más

simple y económico en cuanto a inversión y puede consumir doble cantidad de vapor por kWh

eléctrico producido que otro tipo de ciclos. Se utiliza en pequeñas plantas piloto o en pequeños

suministros locales, aunque su uso es recomendable cuando el fluido geotérmico presenta un

contenido en gases no condensables elevado debido al alto coste que representaría su

separación. Estas centrales también se conocen como de ciclo directo a contra presión. En la

figura 1 se muestra un esquema de este tipo de central y el cálculo del mismo sobre un diagrama

termodinámico de Mollier (en general en este tipo de plantas el vapor que se envía a la turbina

es saturado o ligeramente recalentado)

Figura 1. Ciclo directo sin condensación: esquema y cálculos

- 3.3 -

3. Ciclo directo con condensación

Muy utilizado en el caso de vapor seco, con un contenido bajo o moderado de gases no

condensables. El vapor después de pasar por la turbina se condensa a una presión inferior a la

atmosférica. El condensador se refrigera con agua exterior, procedente de una torre de

refrigeración y el agua procedente del vapor condensado generalmente se vuelve a reinyectar al

acuífero geotérmico. La figura 2 muestra un esquema de este tipo de ciclo y en la figura 3 se

muestra el proceso de cálculo sobre un diagrama de Mollier

Figura 2. Esquema de una central de ciclo directo con reinyección de condensado

Carga

Alternador

Turbina de vapor

Pozo de producción Pozo de reinyección

Vapor

- 3.4 -

Ejemplo

Se desea comparar la potencia eléctrica que puede obtenerse a partir de un caudal de vapor

saturado seco de 10 ton/h a una presión de 10 kp/cm2 en los dos siguientes supuestos:

a) Ciclo directo sin condensación con descarga a la atmósfera (descarga a 1 kp/cm2)

b) Ciclo directo con condensación (presión de descarga 0,2 kp/cm2)

Otros datos: Rendimiento isentrópico: 0,8 (80 %); rendimiento mecánico: 0,95 (95 %);

rendimiento eléctrico del generador: 0,96 (96 %)

Figura 3. Turbina ciclo sin condensación y con condensación en un diagrama de Mollier

- 3.5 -

4. Ciclo indirecto con condensación y recuperación de aguas mineralizadas

Actualmente es un ciclo muy poco usado, aunque en los inicios de la explotación geotérmica fue

usado sobre todo en Italia (Larderello). Su utilización se debe a dos razones:

• Cuando la naturaleza muy corrosiva del vapor lo hace inhábil para actuar directamente

sobre los alabes de la turbina

• Cuando se pretende recuperar algunas sustancias contenidas en el fluido geotérmico

(ácido bórico y amoníaco) o bien si el contenido en gases no condensables es elevado

El sistema sacrifica entre un 10 y un 20 % de la energía térmica contenida en el fluido

geotérmico y por ello desde el punto de vista energético no es excesivamente recomendable. La

figura 4 muestra un ciclo de este tipo

Figura 4. Ciclo indirecto con recuperación de aguas mineralizadas

5. Ciclo semidirecto con flash en una varias etapas

En los campos de vapor húmedo se obtiene una mezcla de agua líquida y vapor, siendo la

primera operación a realizar la de separar ambas fases. Esto se realiza en una unidad flash o

separación por expansión brusca de la mezcla, obteniéndose por una parte vapor seco (saturado)

que se envía a la turbina y por otra agua líquida. En la figura 5 se muestra el esquema de

principio de una central de estas características

- 3.6 -

El proceso que ocurre en una cámara de expansión brusca (flash) es el siguiente: la mezcla de

las dos fases (agua líquida y vapor) está a una presión (p1). Desde estas condiciones se

expansiona bruscamente a través de una válvula hasta una presión (p2), siendo el proceso

isentálpico (a entalpía constante). En la cámara (a presión p2) se recoge por una parte la fase

líquida y por otra el vapor saturado seco que se envía a la turbina. El proceso flash permite

obtener vapor saturado a una presión (p2) a partir de una mezcla líquida – vapor o de un líquido

saturante a una presión (p1) mayor que p2. En la figura 6, a través de un ejemplo de cálculo, se

muestra en un diagrama presión – entalpía este proceso de expansión brusca

Ciclo semidirecto con flash

Cámara de flash Turbina de vapor Alternador Carga

Pozo de producción

Pozo de reinyección

Figura 5. Plantas de vapor de ciclo semidirecto con cámara de flash

- 3.7 -

Ejemplo

Una mezcla de agua líquida y vapor (vapor húmedo) de título x1= 0,1 (10 % vapor y 90 % agua

líquida) está a la presión p1=15,5 bar. Para aumentar la proporción de vapor se expande

bruscamente a través de una válvula, descargando a una cámara de flash en la que hay una

presión p2= 2 bar. Calcular la cantidad de vapor producido y sus características termodinámicas

Solución

El proceso se representa en la figura 6 (diagrama presión – entalpía para el agua) y se puede

resolver con ayuda de las tablas de vapor saturado

Figura 6. Representación en el diagrama p-h de la expansión flash del ejemplo

Para resolver este ejemplo, se realiza un balance de materia en la cámara de flash (figura 7)

Figura 7. Cámara de flash del ejemplo propuesto

- 3.8 -

La resolución del problema es como sigue:

6. Ejemplo de central eléctrica geotérmica

Este ejemplo muestra el cálculo de una central de potencia eléctrica neta 2.5 MWe cuyo

esquema se muestra en la fig. 8. La central usa un recurso geotérmico cuyas características son:

• Profundidad de pozos: 1000 – 2000 m

• Fluido: agua líquida saturante

• Temperatura del fluido: 250 ºC

• Presión: 4 MPa (40 bar)

• Caudal: 123 t/h (123000 kg/h)

El esquema de principio (fig 8) se basa en la extracción de un caudal de fluido geotérmico de

123 t/h de agua en fase líquida a 250 ºC y 40 bar. El agua se conduce a un separador de vapor

(cámara de flash) en donde se expande hasta una presión de 6,2 bar, separándose la fase líquida

de la fase vapor. Esta última se envía a una unidad de separación de H2S y partículas. Al vapor

resultante se le extraen los gases no condensables para su expulsión a la atmósfera, y se envía a

la turbina de vapor de condensación que acciona un alternador eléctrico. El vapor saliente de la

turbina se condensa en un condensador enfriado por agua de refrigeración procedente de una

torre de enfriamiento. El vapor condensado, se une al agua residual procedente de la cámara de

flash (separador de vapor) y la corriente resultante se envía a un pozo de reinyección.

- 3.9 -

Figura 8. Esquema de principio de la planta eléctrica de 2,5 MWe

El proceso de cálculo de la planta es el siguiente:

• Cámara de flash (separación agua líquida – vapor)

- 3.10 -

• Separación de H2S, partículas y gases no condensables

• Potencia eléctrica generada por el grupo turboalternador

• Condensador

- 3.11 -

• Potencias eléctricas bruta y neta

CUADRO RESUMEN DEL EJEMPLO PLANTA ELÉCTRICA GEOTÉRMICA

Características

del recurso geotérmico

• Profundidad del pozo: 1000 – 2000 m

• Temperatura del fluido: 250 ºC

• Presión de saturación: 4 MPa (40 bar)

• Caudal de fluido: 123000 kg/h

• Estado del fluido: fase líquida (líquido saturante)

Características

del separador de vapor

(flash)

• Presión: 0.62 MPa (6.2 bar)

• Temperatura: 160 ºC

• Vapor saturado generado: 24230 kg/h

• Agua residual generada: 98770 kg/h

Características

del separador de gases

no condensables

• Entrada de vapor: 24230 kg/h

• Salida de vapor útil hacia turbina: 23000 kg/h

• Pérdida de vapor: 1230 kg/h

Características de la

turbina de vapor (turbina

de condensación) y del

alternador

• Caudal de vapor de entrada: 23000 kg/h

• Presión de entrada (admisión): 0.52 MPa (5.2 bar)

• Presión de salida (escape): 10 kPa (0.1 bar)

• Temperatura de salida (escape): 46 ºC

• Rendimiento isentrópico de la turbina: 0.87

• Rendimiento mecánico: 0.95

• Rendimiento eléctrico del alternador: 0.96

Características

del condensador

• Caudal de vapor a condensar: 23000 kg/h

• Título del vapor: 0.86

• Presión de condensación del vapor: 10 kPa (0.1 bar)

• Temperatura de condensación: 46 ºC

• Temperatura del agua de entrada al condensador: 15.6 ºC

• Temperatura de salida del agua del condensador: 43.3 ºC

• Caudal del agua de refrigeración: 446 m3/h

Potencia • Potencia eléctrica bruta: 3081 kWe

• Potencia eléctrica neta: 2619 kWe

• Observación Coviene hacer notar que esta planta posee una capacidad potencial de aprovechamiento

energético para otros usos, del agua que se obtiene en la cámara de separación de vapor (flash).

Este fluido podría dedicarse o bien a producir vapor de baja presión sometiéndolo a otra

expansión flash o bien, como ocurre en la mayoría de las ocasiones, utilizarlo como fluido de

calefacción para procesos de secado, invernaderos, acuacultura o climatización de recintos. La

capacidad potencial que presenta, referida a una temperatura de 20 ºC (es decir si se

aprovechase todo el calor contenido en esta agua enfriándola hasta 20 ºC) viene dada por:

- 3.12 -

7. Algunas realizaciones prácticas

La figura 9 muestra un croquis del aspecto de una planta geotermoeléctrica

Figura 9. Croquis de una panta geotermoeléctrica

Figura 10. Central geotermoeléctrica de Cerro Prieto (Baja California, Méjico)

- 3.13 -

Figura 11. Vista aérea de la planta Beowawe en Nevada, USA (158 Mwe)

Figura 12. Central de Ohaaki (Nueva Zelanda) de 108 MWe

Figura 13. Central de Waikarei (Nueva Zelanda) de 157 MWe

- 3.14 -

8. Ciclos binarios

Este ciclo usa un fluido de trabajo en la turbina diferente al geotérmico (fig 14). Este circula por

el circuito primario y el de trabajo por el secundario. Este último es cerrado y el fluido de

trabajo puede ser:

• Agua: si el fluido geotérmico es de alta temperatura pero sus características fisico-

químicas no son adecuadas para su uso en ciclo directo (por ejemplo ciertas salmueras)

• Fluido de bajo punto de ebullición (freones, isobutano, isopropano, etc..) cuando el fluido

geotérmico es de media entalpía (100 ºC y 150 ºC). Es el caso más frecuente

Tanto en un caso como en el otro, la cesión de calor entre el primario y secundario se realiza en

el cambiador de calor principal, que actúa a modo de caldera pues en el mismo se vaporiza el

fluido de trabajo para enviarlo a la turbina. El ciclo binario se utiliza en recursos de media

entalpía (entre 100ºC y 150 ºC) tanto en el caso de campos de vapor húmedo como de agua

caliente. Aproximadamente la potencia eléctrica (Pe) en kW que puede esperarse de una planta

de ciclo binario que aprovecha un caudal (o

V ) en m3/h de un fluido geotérmico a temperatura (t)

en (ºC) viene dada por la expresión de Nichols:

×+

×−=

2

10056.8

10026.708.1

ttVPe

o

(1)

Figura 14. Central geotérmica de ciclo binario

Las ventajas de un ciclo binario son:

• Permite el uso de recursos de menor temperatura o de salmueras muy agresivas para

producir electricidad

• Limita los problemas de abrasión y corrosión al intercambiador de calor principal

En cambio sus desventajas son:

• Elevados costes económicos y baja rentabilidad

• Centrales de poca potencia

• Fluidos binarios volátiles y en ocasiones tóxicos o inflamables

Turbina de vapor Alternador Carga

Intercambiador de calor (caldera)

Pozo de producción

Pozo de reinyección

- 3.15 -

Figura 15. Comparación entre ciclo de vapor y ciclo binario

Figura 16. Ciclo binario utilizado en las plantas geotermoeléctricas ORMAT

- 3.16 -

Figura 16 bis. Ciclo combinado utilizado en las plantas geotermoeléctricas ORMAT

Figura 17. Potencia eléctrica específica en ciclo binario (T temperatura foco frío)

- 3.17 -

9. Esquemas de diferentes plantas geotérmoeléctricas

Figura 18. Esquema de una planta de vapor (directo)

Figura 19 Esquema de una planta de vapor (flash simple)

Figura 20. Esquema de una planta de vapor (flash doble)

Figura 21. Esquema de una planta binaria (básica)

- 3.18 -

10. Rendimiento de las centrales geotermoeléctricas

Las presiones y temperaturas del fluido de trabajo son menores que en el caso de centrales

térmicas convencionales, por lo que el rendimiento de las centrales geotermoeléctricas es menor

y su economía se basa en el uso de una fuente de energía gratuita (geotérmica) frente al coste

del combustible de las convencionales (gas, fuel,..), además es una energía descarbonizada.

El rendimiento de una central geotermoeléctrica depende fundamentalmente de la presión y

temperatura del fluido a la entrada de la turbina, de las condiciones de salida de la misma y del

ciclo utilizado. En la figura 23 se muestra el rendimiento de las centrales de tipo binario en

función de la temperatura del fluido geotérmico (temperatura del recurso geotérmico). Este

rendimiento no incluye la energía utilizada para el bombeo de extracción del fluido del pozo. La

figura 24 muestra las curvas de rendimiento para distintos tipos de centrales y para diferentes

valores de la contrapresión en la turbina (la contrapresión es la presión en la salida de la turbina)

La reinyección, además de evitar la emisión de efluentes líquidos contaminantes a ríos o lagos,

permite mejorar el rendimiento del campo geotérmico ya que esta realimentación caliente

aminora el efecto de enfriamiento del campo.

Figura 23 Rendimiento de plantas binarias en función de la temperatura del fluido geotérmico (no se incluye el consumo de bombeo del pozo de producción). El rendimiento ηηηη (%) se puede aproximar: ( ) ( ) 233.0º0721.0% −×= Ctη en donde t es la temperatura en ºC del fluido

geotérmico. Así por ejemplo, si se dispone de un recurso de 125 ºC, la utilización de un ciclo binario puede permitir una planta de rendimiento aproximado dado por:

( ) %8.8233.01250721.0% =−×=η (sin tener en cuenta el bombeo de pozo)

Figura 22. Esquema de una planta binaria (compleja)

- 3.19 -

Figura 27

Rendimiento de diferentes tipos de centrales geotermoeléctricas a) Central de vapor saturado seco (ciclo directo) b) Central de ciclo semidirecto con flash simple (agua saturante) c) Central de ciclo semidirecto con doble flash (agua saturante)

Nota: Las presiones y temperaturas en el eje de abcisas corresponden a las condiciones del vapor a la entrada de la turbina, mientras que los presiones que figuran en cada curva corresponden a la contrapresión (presión de escape) de la salida de la turbina de vapor (1 ata = 1 kp/cm2 abs)