COMO HACER PROYECTOS GEOTÉRMICOSCOMO HACER PROYECTOS GEOTÉRMICOS

FORO DE REGULACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLESFORO DE REGULACIÓN DE ENERGÍAS RENOVABLES

México, D.F., 6 de octubre de 2010

Roberto Cadenas TovarRoberto Cadenas Tovar

COMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDADCOMISIÓN FEDERAL DE ELECTRICIDAD

CRECRE

CERRO PRIETO, BC• Capacidad instalada: 720 MW• Pozos productores: 169• Pozos inyectores: 15• Producción de vapor: 5 075 t/h• Producción de agua: 7 400 t/h

LAS TRES VÍRGENES, BCS• Capacidad instalada: 10 MW• Pozos productores: 3• Pozos inyectores: 1• Producción de vapor: 61 t/h• Producción de agua: 200 t/h

LOS AZUFRES, MICH.• Capacidad instalada: 188 MW• Pozos productores: 39• Pozos inyectores: 6• Producción de vapor: 1 622 t/h• Producción de agua: 540 t/h

LOS HUMEROS, PUE.• Capacidad instalada: 40 MW• Pozos productores: 20• Pozos inyectores: 3• Producción de vapor: 526 t/h• Producción de agua: 54 t/h

CAMPOS GEOTÉRMICOS EN PRODUCCIÓNCAMPOS GEOTÉRMICOS EN PRODUCCIÓN

958 MW EN SERVICIO

Cómo se hace un proyecto geotérmico

Estudios del recurso Geotérmico Estudios de Factibilidad Incorporación al POISE

Análisis Beneficio/Costo Presupuesto de Egresos

de la Federación

Manifestación de Impacto Ambiental

Especificaciones y Documentos de

Licitación

Evaluación de Propuestas y

Adjudicación del Contrato

Construcción y Puesta en Servicio Operación Comercial

Riesgos del Desarrollo Geotérmico y

Regulación CONTINUAR

Factores a considerar en la selección del esquema de aprovechamiento

Características de producción de los pozos: flujos másicos de agua y vapor a diferentes presiones

Contenido de gases en el vapor

Análisis fisicoquímico de los fluidos

Esquema de aprovechamiento sostenible

Restricciones físicas y ambientales

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Estudios de Factibilidad

Estudios previos• Topografía, Mecánica de

suelos, Climatología• Proyectos asociados (Líneas de

transmisión, Vías de acceso, etc.)• Derechos inmobiliarios• Otros, factibilidad ambiental, etc.

Esquemas de aprovechamiento

Estimación de costos Análisis Económico-Financiero

CONTINUAR

Esquemas de generación de electricidad por medios geotérmicos

Contrapresión A condensación Flasheo Simple

A condensación Doble Flasheo

Vapor Seco Ciclo Binario

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Turbina a Contrapresión• Principio:

– Ciclo de generación Rankine a condensación (el vapor es liberado de la turbina hacia el aire).

• Características:– (ventajas)

• El sistema es simple.• El sistema es económico.• Corto período de construcción.

–(desventajas)• La eficiencia de conversión es baja.• (La potencia de salida es casi la mitad del

tipo condensado)

• Ejemplos:– Sistema de generaciones pequeñas. (2-

5 MW)– Etapa inicial de desarrollo.– Existen algunos ejemplos de turbinas

de contrapresión convertidas a condensación

CONTINUAR

Turbina a Condensación (Flasheo simple)

– Principio:• Ciclo de generación Rankine a

condensación (el vapor es descargado a presiones inferiores a la atmosférica)

– Características:• (ventajas)

– alta eficiencia• (desventajas)

– requiere de muchos equipos auxiliares complejos.

– Período de construcción largo (doble del tipo de contrapresión)

– Los gases no condensables (GNC) se incrementan con el uso.

– Requiere de agua para la condensación del vapor.

– Ejemplos: • Plantas de potencias grandes

(20-55 MW, 110MW)

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A condensación Doble Flasheo– Principio:

• La generación se incrementa por el flasheo de vapor en dos etapas.

– Características:• (ventaja)

– La generación se incrementa entre 15-25%

• (desventaja) – Se generan incrustaciones en el

punto de flasheo.

– Ejemplos:• CG Cerro Prieto I, II y III

Diagrama de una central geotermoeléctrica• Planta geotermoeléctrica Cerro Prieto II y III• La Unidad-6 de CP II de 110 MW fue puesta en servicio en enero de 1980• La Unidad-7 de CP II de 110 MW fue puesta en servicio en junio de 1987• La Unidad-8 de CP III de 110 MW fue puesta en servicio en enero de 1986• La Unidad-9 de CP III de 110 MW fue puesta en servicio en septiembre de 1986

Vapor secundarioT=134.6℃P= 3.16 kg/cm2

Q= 137.8 t/h

Vapor primarioT= 182.2℃P= 10.75 kg/cm2

Q= 606.3 t/h

Turbina de vapor3 600 rpm 110 MW

Generador 120 kVATransformador princ. 13.8 kV/230 kV

Condensador 3.5 in Hg

Torre de Enfriamiento15 840 m3/h

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Vapor seco– Principio:

• Áreas de vapor dominante (solo se utiliza vapor)

– Características:• (ventajas)

– no se requieren de separadores ni pozos de reinyección.

• (desventajas) – no todas las áreas son de

vapor dominante.

– Ejemplos:• Larederello (Italia), Gaysers

(USA), Matsukawa(Japón), Kamojang(Indonesia), etc.

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Ciclo binario– Principio:

• Generación de electricidad mediante el uso de fluidos de bajo punto de ebullición, tal como medios orgánicos, etc.

• Fluido secundario :– Normalmente Pentano

– Características:– (ventaja)

• se puede utilizar aguas de media o baja temperatura (85-170℃)

– (desventajas)• menos económicas que el de

condensación en el caso de generación de gran potencia.

– Ejemplos: Utilizados como sistemas modulares y existen casos de sus uso para recuperación de calor del vapor de escape de la turbina.

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TIR > Tasa de descuento (12%)

VPN > 0

Flujo neto anual > 0

Beneficio/Costo > 1

VIABILIDAD FINANCIERA

[CASO INVERSIÓN PÚBLICA:

üLey Federal de Presupuesto y Responsabilidad Hacendaria

INGRESOS DE UNA CENTRAL GEOTERMOELÉCTRICAINGRESOS DE UNA CENTRAL GEOTERMOELÉCTRICA

a) Ventas de energía eléctrica y capacidad

Las centrales geotermoeléctricas operan con elevados factores de planta, aproximadamente 90%, y son despachadas carga base.

a) Ventas de reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera (MDL)

La generación geotermoeléctrica contribuye a la mitigación del calentamiento global debido a que emite menos gases de efecto invernadero por kWh comparada con la generación a base de combustibles fósiles. Puede por lo tanto participar en el mercado de reducción de emisiones del Protocolo de Kioto.

INGRESOS:

EGRESOS DE UNA CENTRAL GEOTERMOELÉCTRICAEGRESOS DE UNA CENTRAL GEOTERMOELÉCTRICA

a) Gastos de operación y mantenimiento

- O&M central

- O&M campo geotérmico, pozos de reemplazo

a) Servicio de la deuda: capital más intereses

- Inversiones en pozos

- Inversiones en central generadora y red asociada

EGRESOS:

CONTINUAR

Especificaciones y Documentos de Licitación

Instalaciones superficiales

Central

CONTINUAR

Instalaciones superficiales

• Cabezal de pozo productor

• Placa Orificio• Silenciador de pozo• Separador de mezcla

agua-vapor• Válvula de esfera

(opcional)• Secador de vapor• Silenciador de vapor de

excedencia• Líneas de vapor

(vaporductos)• Líneas de agua separada

a pozo de reinyección• Estación de medición de

vapor

Se denominan instalaciones superficiales a todos los equipos y líneas de tubería exteriores al pozo productor, utilizados para el acondicionamiento del vapor y su posterior conducción hacia las unidades generadoras de electricidad (turbogenerador), así como para conducir el agua separada hacia un pozo de reinyección.

TransporteEl transporte de Fluido juega un papel trascendental en la generación de energía mediante geotermia debido a que el energético (vapor) se encuentra disperso en el campo geotérmico.– Monofásico

• El agua y el vapor son enviados por líneas separadas

• Se requiere un separador en cada pozo productor

– Bifásico• El agua y el vapor son enviados por

una misma tubería• Se emplea cuando se va a separar

el vapor en una isla de separación• Se pueden presentar problemas de

conducción debido a golpes de ariete por la fase líquida en la tubería

Mezcladucto en Los Azufres

Vaporductos en Cerro Prieto

Acueducto en Los Azufres

Sistemas de Acondicionamiento y transporte de fluidos

Tipos de separadores– Separador tipo Webre

• Objetivo: separar el agua del vapor cuando se tienen contenidos de agua mayores al 10%

• Su principio de operación es la fuerza centrífuga y la diferencia de densidades líquido-vapor.

• Se instala como separación primaria entre el pozo y el separador de humedad.

• Calidad final del vapor mayor a 99%

– Separadores de Humedad tipo impacto

• Objetivo: Separar el agua del vapor cuando se tienen contenidos de agua inferiores al 10%

• Calidad final del vapor mayor a 99%

Sistema de Inyección de agua• Conducción en caliente

– Se hace mediante tuberías de acero, éstas se deben diseñar para absorber las dilataciones térmicas y requieren soportería semejante a los mezclaductos.

• Conducción en frío– Se puede hacer mediante tuberías de polietileno de alta densidad, se debe asegurar que la

temperatura del agua no sea demasiado alta y que la presión sea adecuada para el transporte

– Puede ser enterrada o colocada sobre el terreno natural– En Cerro Prieto se transporta el condensado a través de canales a cielo abierto hacia los

cárcamos de bombeo

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Central Generadora y Equipo Auxiliar

Alcance (Llave en mano, modalidad OPF)

Ingeniería, suministro de equipos y materiales, construcción, instalación,pruebas, apoyo técnico, capacitación, partes de repuesto, herramientas yequipos especiales, fletes, seguros, aranceles, impuestos, manejo aduanal y financiamiento durante la construcción.

Turbina de vapor• Las turbinas geotérmicas requieren una mayor

área de paso para prevenir depósitos e incrustaciones potenciales.

• En México, todas las turbinas instaladas son de tipo impulso, sin embargo, alrededor del mundo existen instalaciones con turbinas de tipo impulso o reacción

• Las Turbinas Geotérmicas en México tienen una longitud máxima de álabes de 635 mm (25 in) aprox.

• Se requiere que los álabes de la última etapa estén protegidos contra la erosión, ya sea a través de recubrimientos especiales como el estelite, o algún otro tratamiento.

• Se especifica que el tecnólogo de la turbina tenga experiencia en turbinas geotérmicas.

• Los materiales de la turbina son aceros aleados especialmente seleccionados para las condiciones geotérmicas.

• Las turbinas geotérmicas deben ser capaces de proporcionar servicio durante la vida del proyecto, normalmente 30 años.

Sistema de lavado de vaporEl lavado de vapor se implementa para conservar la turbina libre de depósitos de sales en los álabes de las primeras etapas. Esto se logra inyectando una cantidad controlada de agua limpia en el vapor.– Lavado de vapor

• El agua es inyectada antes del separador de humedad para precipitar las sales en el separador de humedad.

• Normalmente se hace de forma continua– Lavado de turbina

• El agua es inyectada antes de la turbina para remover las sales acumuladas en los álabes de la turbina.• Esto se hace a intervalos programados o según se requiera. Las sales ocasionan pérdida de potencia en

la turbina debido a la reducción de área de paso de vapor.

Condensadores

– De superficie• El fluido de trabajo va por la parte

externa y el fluido de enfriamiento por la interna de los tubos.

• Se emplea cuando se requiere recuperar el azufre del vapor.

– Contacto Directo• El vapor y el agua de enfriamiento se

mezclan en el condensador• Son más confiables en su operación• Se emplean cuando el H2S se

dispersará por la chimenea de la torre de enfriamiento

Sistemas de extracción de gases incondensablesEl sistema de extracción de gases es muy importante en las plantas geotérmicas ya que el vapor contiene entre 2 y 4% de GI.

• Tipos– Eyectores

• Ventajas– Bajo costo de adquisición.– Alta confiabilidad de operación al carecer de

partes móviles.• Desventajas

– Menor eficiencia con respecto a los otros sistemas– De extracción de gases.– Alto nivel de ruido en operación.– Alto costo de operación.

– Compresores• Ventajas

– Alta eficiencia.• Desventajas

– Operación tan compleja y delicada como la turbina de vapor.

– Alto costo de adquisición.

– Híbridos (Eyectores -Bomba de vacío de anillo líquido)• Ventajas

– Alta eficiencia– Se adapta a variaciones de .carga sin sacrificar

eficiencia• Desventajas

– La bomba de vacío no trabaja a alta temperatura– Costo moderado de adquisición y mantenimiento

Sistema de EnfriamientoTorres de enfriamiento

– Tipo:• Contraflujo

– El flujo de aire corre en dirección opuesta al flujo de agua– Con más compactas y más altas que las de contraflujo

• Flujo Cruzado– El flujo de aire corre en dirección perpendicular al flujo de agua

– Materiales:• Madera

– Bajo costo– Alta disponibilidad– Material de fácil maufactura– Es el material más empelado en las torres de enfriamiento

• Acero– Costo elevado– Susceptibles de corrosión, Se requieren aceros inoxidables– Se utiliza en muchos componentes de la torre que se someten a

grandes esfuerzos• Concreto

– Costo elevado– En geotermia se debe emplear aditivos especiales debido a que el

concreto es susceptible de corrosión debido a H2S• PVC

– Bajo Costo– Ha sustituido a la madera en el relleno de la torre– Hay torres que usan PVC de alta compresión para la estructura

• Fibra de Vidrio– Bajo Costo– Se usa en algunos de los componentes de la torre como las

chimeneas

Tuberías del Sistema de Enfriamiento

Las tuberías del sistema de enfriamiento deben especificarse para soportar el ambiente corrosivo.Dependiendo de la temperatura y presión del sistema, se pueden especificar de:

Acero InoxidableFibra de VidrioConcreto tratado especialmentePVC de alta densidad

Regulación de presión– Consta de válvulas de regulación

de presión para mantener constante la presión del vapor de suministro a la turbina derivando hacia silenciadores el vapor excedente del ciclo de la turbina.

Válvula de Control Turbina

Válvula Reguladora de Presión

Válvula de Paro

SEPARADOR

TURBINA

GENERADOR

Silenciado de excedencias

PC

Otros Requisitos• No se permite usar partes de cobre expuesto en circuitos eléctricos debido a la

presencia de H2S.• Los equipos y materiales aislantes de la subestación deben tener una distancia de

fuga mínima de 45 mm/kV.• Los equipo eléctricos deben tener recubrimiento anticorrosivo.• Los equipos electrónicos deben tener recubrimiento plástico acrílico.• Las barras de cobre en tableros, terminales, etc., deben estañarse o platearse.• Los materiales como conduits expuesta al medio ambiente deben ser de aluminio.

Proyectos en construcción

Humeros II Fase A (Unidad 9 de 25 MWAvance = 60.3%

Humeros II Fase B (Unidad 10 de 25 MWAvance = 18.3%

CONTINUAR

Criterios para elegir la Propuesta Ganadora

• Cumplimiento de requisitos técnicos, legales, administrativos y financieros

• Menor precio nivelado de Generación

( )∑= +

= n

ii

i

ft

tG

VPPNG

1 1

( )

−+= 11 12

1Tt

CONTINUAR

PNG = Precio Nivelado de Generación (Pesos/kWh)VPft = Suma de los valores presentes de los flujosGi = Generación Neta en el mes “i”n = El período de evaluación en mesest = Tasa de descuento real Mensual en Pesos, T = 12%i = El número de mes, de 1 a 390

Construcción y Puesta en Servicio2009 2010 2011May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

Ago

Sep

Oct

Nov

Dic

Ene

Feb

Mar

Abr

May

Jun

Jul

ago

1 Ingeniería del Proyecto

2 Fabricación y suministro de equipos y materiales Críticos

3 Obra Civil

4 Montaje de Equipos Electomecánicos

5 Montaje Tuberías

6 Pruebas y Puesta en servicio a equipos Electromecánicos

7 Programa de Capacitación

CONTINUAR

Garantías• Vicios Ocultos – 1 año• Pruebas

– Desempeño (Capacidad MW, Consumo específico de vapor kg/kWh)

– Disponibilidad (1 año mínimo 90%)– Operación

• Penalizaciones por incumplimiento– Por retraso en la fecha de entrada en Operación Comercial– Por deficiencia de la Capacidad Neta Garantizada– Por exceso del Consumo de Vapor Neto Garantizado– Por incumplimiento en el Porcentaje de Integración

NacionalCONTINUAR

RIESGOS DEL DESARROLLO DE RECURSOS GEOTÉRMICOSRIESGOS DEL DESARROLLO DE RECURSOS GEOTÉRMICOS

Los riesgos tecnológicos, mayores costos potenciales

a) Etapa de exploración- Dificultades en la construcción de carreteras y caminos de acceso- Dificultades de exploración debido a condiciones geológicas- Grado de éxito en la perforación exploratoria, etc.

b) Etapa de Desarrollo- Profundidad del reservorio- Productividad del reservorio- Calidad del fluido geotérmico, % gases- Tasa de éxito en la perforación de pozos de producción

c) Etapa de operación- Declinación en la producción de vapor- Disminución de disponibilidad por problemas en la operación, etc.

Las características de los campos a desarrollar son diferentes e inciertas hasta que se hayan desarrollado.

RIESGOS DEL DESARROLLO DE RECURSOS GEOTÉRMICOSRIESGOS DEL DESARROLLO DE RECURSOS GEOTÉRMICOS

Riesgo por la elevada inversión inicial requerida

a) El desarrollo geotérmico se integra de diversos procesos que toman varios años desde su inicio hasta lograr la operación comercial.

b) Se requieren inversiones desde el inicio del desarrollo.

c) El retorno de la inversión comienza hasta que la central generadora inicia su operación comercial.

d) Los desarrolladores deben enfrentar los riesgos y los costos de las inversiones y sus intereses.

-8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7

Ries

go

Años

Riesgo del desarrollo

ALGUNAS POLÍTICAS UTILIZADAS EN OTRO PAÍSES PARA PROMOVER ALGUNAS POLÍTICAS UTILIZADAS EN OTRO PAÍSES PARA PROMOVER EL APROVECHAMIENTO DE LA GEOTERMIAEL APROVECHAMIENTO DE LA GEOTERMIA

Obligatorias

Estimulantes

Precio de compra fijo

Sistema por cuotas

Incentivos tributarios

Incentivos fiscales

Incentivos financieros

PURPA Act (USA)

Feed-In Tariff Act (Germany)

Sistema RPS (USA, UK, Japón)

Impuestos a la producción (USA)

Reducciones tributarias (Guatemala, Nicaragua)

Subsidios para instalación de ER (Dinamarca, Japón)

Préstamos de bajo interés (Japón, Alemania)

PAISES CON LEYES PARA REGULAR EL APROVECHAMIENTO PAISES CON LEYES PARA REGULAR EL APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICOGEOTÉRMICO

Ley 443 “Ley de Exploración y Explotación de los RecursosGeotérmicos”, 2002, establece la importación libre de impuestos yderechos aduanales de todos los bienes y equipos para el proyecto.

Ley 532 “Ley para la Promoción de Generación Eléctrica con FuentesRenovables, 2005, exoneración del impuesto al valor agregado, exoneracióndel ISR por 7 años a partir de la operación comercial delproyecto, exoneración de todos los impuestos municipales por 10 años.

Resolución INE 414-04-2008 sobre la actualización de la banda de precios parala venta de energía en el Mercado de Ocasión para los generadores deenergía con fuentes renovables entre 7.5 y 8.5 centavos de dólar por kWh.

Concesiones por 2 años para exploración con extensiones de hasta 100 km2mediante licitación internacional. Para la explotación del recurso lasconcesiones se otorgan por 25 años y con extensiones de hasta 20km2, también mediante licitación pública internacional, teniendo elderecho de obtenerla de manera directa la empresa que llevó a cabo laexploración del campo.

Conflictos por la explotación de áreas adyacentes, por la sobreexplotación delrecurso.

NICARAGUA (Empresa Nicaragüense de Electricidad, ENEL) NICARAGUA (Empresa Nicaragüense de Electricidad, ENEL)

PAISES CON LEYES QUE REGULAN EL APROVECHAMIENTO PAISES CON LEYES QUE REGULAN EL APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICOGEOTÉRMICO

En Guatemala, la empresa nacional eléctrica firmó un contrato de suministrode agua y vapor geotérmicos con una empresa privada que instaló una centralgeneradora. La empresa nacional no ha podido mantener la producción delcampo y la central no está generando la capacidad comprometida. Como elcontrato es “take or pay”, la empresa nacional debe pagar toda la energíaproducida más la que no se produzca en virtud de que la razón del déficit es elsuministro insuficiente de fluido geotérmico. La empresa nacional asumió elprincipal riesgo del desarrollo: el recurso geotérmico.

En El Salvador, la empresa nacional creó una sociedad de participación mixtacon una empresa privada extranjera. La modalidad utilizada la llaman“capitalización con riesgo”, en la cual el número de acciones recibidas esfunción de la capacidad efectiva desarrollada y no del monto del capitalinvertido. La empresa privada ha invertido en la construcción de centrales yperforación de pozos para explorar nuevas zonas, sin embargo, la empresa delestado no desea perder su carácter de accionista mayoritario, negándole a laempresa privada el derecho de seguir invirtiendo, lo cual les ha generado unconflicto por 120 MUSD en los tribunales internacionales.

CONTINUAR

Generación de electricidad por medios geotérmicos en el mundo (1)

• La capacidad instalada en 2010 es de 10.7 GW y es utilizada en 24 países.(Fuente: Geithermal Power Generation in the World 2005-2010 Update Report)

Generación de electricidad por medios geotérmicos en el mundo(2)

• La capacidad de generación se ha incrementado entre 200-250 MW por año.

8933

55709

10715

67246

18500

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

Capacidad Instalada MW Enería Producida GWh

2005 2010 2015

Generación de electricidad por medios geotérmicos en el mundo(3)

• En algunos países la generación de electricidad por medios geotérmicos representa más del 10% de la capacidad total.

• Países como:• Filipinas, El Salvador, Nicaragua, Islandia, Kenia y Costa Rica.

(Fuente: Thermal and Nuclear Power Association of Japan)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

TurquiaPortugal

U.S.AJapónItalia

EtiopiaGuatemala

MexicoIndonesia

Nueva ZelandiaCosta Rica

KeniaIslandia

NucaraguaEl Salvador

Filipinas

Proporción de Energía Geotérmica en la Capacidad Total Instalada (2005) (%)

CONCLUSIONESCONCLUSIONES

ØLa energía geotérmica es una energía renovable que contribuye al desarrollosostenible y por lo tanto tiene valor estratégico.

ØLas barreras que deben superarse para lograr su aprovechamiento son:

• Riesgos tecnológicos del recurso energético

• Inversión inicial intensiva

ØEn todos los países que cuentan con infraestructura geotérmica productiva, losgobiernos participan activamente para superar las barreras del desarrolloestableciendo las políticas de apoyo que consideran más efectivas y adecuadas asus circunstancias.

Por su atención, Gracias