ESTIMACION DEL RECURSO Y PROSPECTIVA TECNOLOGICA DE …
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INFORME 11 E/11/3753/1 01/P MARZO 2005
INSTITUTO DE INVESTIGACIONES
ELECTRICAS
INFORME
ESTIMACION DEL RECURSO Y PROSPECTIVA TECNOLOGICA DE LA
GEOTERMIA EN MEXICO
Proyecto ME No. 3753
PRESENTADO A:DR. PABLO MULAS DEL POZO
AUTORES: DR. EDUARDO IGLESIAS R.M. I. VICTOR ARELLANO G.ING. RODOLFO JOAQUIN TORRES R.
GERENCIA DE GEOTERMIA
Instituto de Investigaciones Electricas Av. Reforma 113, Colonia Palmira 62490 Cuernavaca, Morelos, Mexico
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INDICE
1. ANTECEDENTES 2
2. ESTIMACION DEL RECURSO 5
2.1 Definiciones 5
2.2 Estimacion de las reservas 6
2.3 Reservas de temperatura intermedia a baja 10
2.3.1 Recursos y reservas geotermicas por Estado 11
2.3.2. Recursos y reservas geotermicas de Mexico 12
2.4 Reservas de alta temperatura 14
3. PROSPECTIVA TECNOLOGICA 17
3.1. Situacion actual 17
3.1.1 Recursos de temperatura intermedia a baja 17
3.1.2 Recursos de alta temperatura 18
3.1.3 Aspectos ambientales 22
3.2. Prospectiva tecnologica 26
3.2.1 Sistemas hidrotermales 27
3.2.2 Sistemas de roca seca caliente 32
3.2.3 Sistemas geopresurizados 34
3.2.4 Sistemas marinos 34
3.2.5 Sistemas magmaticos 35
FIGURAS 36
TABLAS 46
REFERENCIAS 60
2
ESTIMACION DEL RECURSO Y PROSPECTIVA TECNOLOGICA DE LAGEOTERMIA EN MEXICO
Eduardo R. Iglesias, Victor Arellano Gomez y Rodolfo J. TorresInstituto de Investigaciones Electricas, Gerencia de Geotermia
Av. Reforma 113, 62490 Cuernavaca, Morelos www.iie.org.mx
1.ANTECEDENTESDebido a sus particulares caracterfsticas geologico-estructurales, Mexico
cuenta con abundantes recursos geoterm icos. Actualmente contamos con una
base de datos que incluye 2,332 manifestaciones geotermicas distribuidas en 27
de los 32 Estados Mexicanos (e.g., Torres et al. 2005). La Fig. 1.1 ilustra dicha
distribucion.
En general se clasifica a los recursos geoterm icos en recursos de alta
temperatura (T > 200°C) y recursos de temperatura intermedia a baja (T < 200°C).
Esta clasificacion obedece a la aplicabilidad de estos recursos. Los de alta
temperatura pueden utilizarse para la generacion de energfa electrica. Los de
temperatura intermedia a baja son mas apropiados para aplicaciones directas del
calor geotermico. Existe una amplia gama de aplicaciones directas, tanto
domesticas como industriales (e.g., Lfndal 1973; Lfndal y Lund, 1988) que
dependen de la temperatura del recurso.
Actualmente en Mexico existen cuatro campos geoterm icos de alta
temperatura que estan siendo explotados para la generacion electrica (Cerro
Prieto, B.C; Los Azufres, Mich., Los Humeros, Pue.; y Tres Vfrgenes, B.C.). La
capacidad instalada total de estos campos geotermicos es de 953 MWe. Ademas,
3
existen planes para instalar 75 MWe en Cerritos Colorados, Jal., en el futuro
cercano.
Las aplicaciones directas del calor geotermico en Mexico estan lejos de
alcanzar su enorme potencial. Actualmente se concentran mayormente en
balneologfa (e.g., Gutierrez-Negrfn y Quijano-Leon, 2005) aunque existen algunos
ejemplos de calefaccion de edificios, secado de madera, invernadero y cultivo de
hongos.
La Direccion General de Desarrollo Tecnologico de la Secretarfa de
Planeacion y Desarrollo Tecnologico de la SENER, con el apoyo del Banco
Mundial, le ha encargado al Dr. Pablo Mulas del Pozo realizar el siguiente
proyecto: "Vision a Largo Plazo Sobre la Utilizacion de las Energfas Renovables
en Mexico”. Para este fin se decidio llevarlo a cabo con la participacion de
diferentes expertos de la comunidad energetica de Mexico, con el fin de que
aporten sus conocimientos a las diferentes tareas en las que consiste el proyecto.
La Gerencia de Geotermia del Instituto de Investigaciones Electricas tiene
mas de treinta anos laborando en diferentes temas que son relevantes a algunas
de las tareas a realizar en el proyecto. Por ello se solicito el apoyo de dicha
Gerencia para la realizacion del presente informe.
De acuerdo con los correspondientes terminos de referencia, en la siguiente
seccion se discuten las reservas geotermicas de Mexico y las estimaciones que se
han publicado en relacion con los recursos nacionales de la geotermia para
aplicaciones relacionadas con la generacion electrica asf como aplicaciones no
electricas. Se incluyen discusiones acerca de las incertidumbres correspondientes
a estas estimaciones.
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En la siguiente y ultima seccion, se describe la prospectiva tecnologica en
este campo, con un horizonte de 25 anos, incluyendo la situacion actual, con una
description de lo que esta instalado y operando en Mexico a 2004. Se discuten
tambien los aspectos ambientales involucrados.
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2. ESTIMACION DEL RECURSO
2.1 Definiciones
La caracterizacion de recursos ha sido definida (e.g., Muffler, 1981) como la
estimacion de los futuros suministros de minerales y combustibles. Esta
caracterizacion requiere no solo estimar la cantidad de un material dado en una
parte especffica de la corteza terrestre, sino tambien la fraccion de dicho material
que puede ser recuperada y usada bajo ciertas condiciones economicas, legales y
tecnologicas supuestas. Ademas, la caracterizacion de recursos incluye no solo
las cantidades que pueden ser producidas bajo las condiciones economicas
presentes, sino tambien las cantidades que no han sido descubiertas aun, o que
podrfan ser producidas con mejores tecnologfas o bajo condiciones economicas
diferentes.
Los recursos geotermicos consisten principalmente de energfa termica. Por
ello, la caracterizacion de recursos geotermicos es la estimacion de la energfa
termica en el subsuelo, referida a la temperatura anual media, y acoplada con una
estimacion de la fraccion de dicha energfa que podrfa ser extrafda economica y
legalmente en un futuro razonable.
Una caracterizacion de recursos es una declaracion hecha en un momento
determ inado, usando un conjunto de datos y de hipotesis acerca de variables
economicas, tecnologicas, etc. En la mayorfa de los casos, tanto los datos como
las hipotesis pueden cambiar mas o menos rapidamente, en respuesta a
actividades de exploracion, desarrollos tecnologicos, cambios economicos o
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politicos, requisitos ecologicos, polfticas sociales, etc. Consecuentemente, una
caracterizacion de recursos tiene solamente un valor transitorio y debe ser puesta
al dfa periodicamente.
Para poder comparar los recursos y reservas geotermicos con los de otros
energeticos, como petroleo, gas, carbon, uranio, etc., Muffler y Cattaldi (1977,
1978) desarrollaron una terminologfa especffica, basada en la comunmente
utilizada para minerales. La misma define el recurso geotermico base como "todo
el calor en la corteza terrestre bajo un area determinada, medido a partir de la
temperatura local media anual”. El recurso base accesible es la energfa termica a
profundidades suficientemente someras como para poder ser explotados mediante
perforacion de pozos, en el futuro discernible. El recurso geotermico se define
como la fraccion del recurso accesible que podrfa ser extrafda economica y
legalmente en un futuro razonablemente cercano. Tanto el recurso base como el
recurso incluyen componentes identificadas y por descubrir. Finalmente, las
reservas geotermicas se definen como la energfa termica identificada que puede
ser extrafda legalmente en el presente, a un costo competitivo con el de otras
fuentes de energfa.
Estas definiciones se ilustran en la Fig. 2.1.1., que fue tomada de Muffler
(1981). En el presente trabajo se adopto la definicion de reservas del parrafo
precedente.
2.2 Estimacion de las reservas
El metodo mas utilizado para la estimacion de reservas geotermicas es el
denominado metodo volumetrico. La popularidad de este metodo se debe a que es
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aplicable a virtualmente cualquier entorno geologico, los parametros requeridos
pueden ser medidos o estimados, y los inevitables errores se compensan
parcialmente (e.g., Muffler, 1981).
Con este metodo primero se calcula la energfa termica contenida en un
volumen dado de roca y agua. Despues se estima que fraccion de dicha energfa
es recuperable.
La energfa termica se calcula simplemente (e.g., Brook et al, 1978) a partir
de
qR = PcAh(T — Tref) (1)
donde qR es la energfa termica del yacimiento en kJ; pc el calor especffico
volumetrico de la roca mas el agua (2,700 kJ/m3°C); A es el area del yacimiento
(m2); h el espesor del yacimiento (m); T la temperatura media del yacimiento (°C);
y Tref la temperatura media anual local (°C). El calor especffico volumetrico se
calcula suponiendo que el calor especffico volumetrico de la roca es 2,500
kJ/m3°C y que la porosidad de la roca es de 15%. Ya que la mayor parte del calor
esta contenido en la roca (e.g., Grant et al., 1982), esta estimacion depende solo
debilmente del valor supuesto para la porosidad.
Al realizar este tipo de evaluaciones es importante estimar las magnitudes
de las inevitables incertidumbres. Para ello se utilizan tecnicas estadfsticas (e.g.,
Brooks et al, 1978; Natheson, 1978; Iglesias y Torres, 2003). La incertidumbre de
la energfa termica del yacimiento depende mayormente de las incertidumbres
asociadas con A, h, T y Tref. Con excepcion de Tref estos valores se obtienen de
juicios educados basados en geologfa, geoffsica, geoqufmica, mediciones a fondo
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de pozo y geotermometrfa. La incertidumbre en Tref aparece por usar promedios
regionales de largo plazo que, por razones topograficas o de otro tipo, pueden
diferir significativamente de la temperatura media local.
Para determinar la incertidumbre de estas estimaciones adoptamos, para
cada una de las variables A, h, Ty Tref., una distribucion triangular de densidad de
probabilidad, que representa nuestro juicio subjetivo de la verdadera densidad. La
Fig. 2.2.1 ilustra este diagrama para el caso de la temperatura tfpica del
yacimiento. Los parametros de la Fig. 2.2.1 se definen como: T1 = temperatura
minima del yacimiento; T2 = temperatura mas probable del yacimiento; T3 =
temperatura maxima del yacimiento. La media Tm y la desviacion estandar <jt
tambien estan representadas en la figura. El area de la banda vertical da la
probabilidad de que la temperatura caracterfstica del yacimiento este entre T y
T+AT.
Se utilizan estos diagramas triangulares para computar las densidades de
probabilidad de la energfa termica para una localidad geotermica particular, como
se define en la ecuacion (1), mediante el metodo de Monte Carlo. De este modo
se obtienen para la energfa termica histogramas y ajustes y una variedad de
estadfsticas que incluyen la media, moda, mediana, desviacion estandar,
variancia, percentiles, etc. Por lo tanto, se pueden determinar intervalos de
confianza para la energfa termica estimada. De este modo se evalua la
incertidumbre de la energfa termica estimada para la localidad geotermica
considerada.
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Habiendo calculado las distribuciones de densidad de probabilidad de
energfa termica correspondientes a las localidades geotermicas individuales de
una region, se enfrenta la cuestion de computar la distribucion de densidad de
probabilidad de la energfa termica correspondiente a la region. Este es un
problema intratable en forma analftica (e.g., Natheson, 1978). El problema se
resuelve utilizando nuevamente el metodo de Monte Carlo (Iglesias y Torres,
2003) . Autores previos utilizaban productos de valores medios de area, espesor y
diferencia entre T y Tref para computar valores medios de la energfa termica. La
multiplicacion de valores medios es valida unicamente si las variables A, h y T son
estadfsticamente independientes en el yacimiento considerado. No puede
descartarse una dependence estadfstica de alguna o todas estas variables en el
yacimiento. Iglesias y Torres (2003) mejoraron significativamente el metodo
utilizado por autores previos, introduciendo la utilizacion del metodo de Monte
Carlo para la estimacion de recursos geotermicos regionales, a partir de las
densidades de probabilidad de recursos geotermicos individuales. Usar el metodo
de Monte Carlo elimina la necesidad de suponer independencia estadfstica de las
variables mencionadas mas arriba.
Para estimar la densidad de probabilidad de la energfa termica regional es
necesario ajustar densidades de probabilidad analfticas a cada una de las
distribuciones de energfa termica local, y posteriormente correr una simulacion
Monte Carlo con las mismas. Habiendo obtenido esta distribucion, se pueden
inferir intervalos de confianza para evaluar la incertidumbre asociada con la
energfa termica de la region considerada. La Fig. 2.2.2 (tomada de Iglesias et al.,
2004) ilustra resultados obtenidos recientemente para el Estado de Queretaro.
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Las reservas geotermicas se computan a partir de las energfas termicas
estimadas, aplicando un factor de recuperacion, Este factor resume los vfnculos
ffsicos y tecnologicos que previenen la extraccion del total de la energfa termica
del yacimiento. Para este calculo se asume tfpicamente (Bodvarsson, 1974;
Natheson, 1975; Natheson y Muffler, 1975) un valor de 0.25 para el factor de
recuperacion. Algunos autores consideran este valor como conservador.
Finalmente, los recursos y reservas computados con el metodo recien
descrito, deben considerarse como estimaciones de orden de magnitud. Sin
embargo, estas estimaciones son tanto o mas confiables que las publicadas para
otros recursos energeticos, debido a que probablemente incluyen menos
especulacion acerca de evidencias invisibles (Armstead y Tester, 1978).
2.3 Reservas de temperature intermedia a baja
Mercado et al. (1985) efectuaron una evaluacion muy gruesa de los recursos
de temperatura intermedia a baja, para lo cual dividieron al pais en dos grandes
regiones. Una de estas regiones comprende el centro y sur del pais, en donde
consideraron una franja de 900 km de largo por 4 km de ancho en el Cinturon
Volcanico mexicano. Supusieron un espesor del reservorio de 2 km y una
temperatura media de 125 °C. Con estas consideraciones se estimo un potencial
de 31,498 MWe. La segunda region comprendio el Norte del pais, principalmente
el Valle de Mexicali, Laguna Salada y el Desierto de Altar con un area total de
2,000 km2. Supuso un espesor del yacimiento de 1.5 km y una temperatura media
de 135 °C. Con estas consideraciones estimo un potencial de 14,317 MWe. Lo
cual da un total de 45,815 MWe.
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Recientemente un nuevo intento mas fino y completo por estimar las
reservas geotermicas Mexicanas de temperatura intermedia a baja (T<200°C) fue
emprendido por Iglesias et al. (2002). Dichos autores utilizaron el metodo
volumetrico descrito mas arriba. Los datos necesarios fueron tomado de una
compilacion por Torres-Rodrfguez et al. (1993), que incluye 1,356 manifestaciones
superficiales en 25 Estados. De acuerdo con la disponibilidad de datos apropiados
en dicha compilacion, Iglesias et al. (2002) estimaron las energfas termicas de 297
localidades geotermicas ubicadas en 20 Estados de Mexico. Y, a partir de las
mismas, estimaron la energfa termica total de las 297 localidades, y las reservas
correspondientes. Este trabajo representa una primera aproximacion a la energfa
termica y las reservas geotermicas de Mexico.
Posteriormente, Iglesias y Torres (2004) estimaron las energfas termicas
totales, y sus reservas geotermicas, de cada uno de los veinte Estados Mexicanos
considerados por Iglesias et al. (2002). En este trabajo se utilizaron los mismos
datos que en Iglesias et al. (2002).
2.3.1 Recursos y reservas geotermicas por Estado. La Tabla 2.3.1 resume los
resultados de Iglesias y Torres (2004) para las energfas termicas y reservas de
cada uno de los 20 Estados de Mexico incluidos en dicho trabajo. Notese que el
porcentaje de manifestaciones superficiales incluidas en las estimaciones para
cada Estado son mayoritariamente bastante menores que 100%. Se infiere que las
reservas reales de cada Estado deben ser significativamente mayores que las
estimadas en este trabajo.
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Como se menciono, una estimacion de reservas es como una fotograffa
tomada en un instante determinado, y va a cambiar a medida que se obtenga
nueva informacion relevante para efectuarla. Por ejemplo, utilizando una nueva y
mas amplia compilacion de datos (Torres-Rodrfguez et al., 2005), Iglesias et al.
(2004) actualizaron la estimacion de reservas del Estado de Queretaro. Estos
mismos autores (2005) actualizaron la estimacion de reservas del Estado de
Aguascalientes utilizando la nueva compilacion de datos mencionada. En la Tabla
2.3.2 se comparan los resultados de las estimaciones de 2002 con las de 2004 y
2005. Estos resultados ilustran los incrementos significativos en las reservas que
pueden manifestarse cuando se cuenta con mas informacion.
2.3.2. Recursos y reservas geotermicas de Mexico. La Fig. 2.3.1 ilustra la
densidad de probabilidad de la energfa termica total estimada para 276
localidades geotermicas (Iglesias et al., 2002; Iglesias y Torres, 2003). El intervalo
de 90% de confianza para la misma se extiende desde 3.08x1017 hasta 3.45x1017
kJ. Las estadfsticas principales de esta distribucion son: media = 3.26x1017 kJ;
moda = 3.25 x1017 kJ; mediana = 3.26x1017 kJ; desviacion estandar = 1.12x1016
kJ; skewness = 0.1406; kurtosis = 3.0352.
Aplicando un factor de recuperacion R = 0.25, se estimo que el total de las
reservas correspondiente a las 276 localidades se encuentra entre 7.7x1016 y
8.6x1016 kJ (2.14x1010 2.39x1010 MWth), con 90% de confianza., con una media
= 8.15x1016 kJ (2.26x1010 MWth), y una desviacion estandar = 0.28x1016 kJ
(7.78x108 MWth)..
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Es importante destacar que estas estimaciones incluyen solamente el
29.16% de las manifestaciones superficiales geotermicas registradas en la base
de datos de Torres-Rodrfguez et al (1993). Esto refleja las limitaciones de la
informacion disponible cuando se llevo a cabo este proyecto y los criterios de
filtrado escogidos para obtener resultados de calidad. Ademas, debe tenerse en
cuenta que la base de datos actualizada de Torres et al. (2005) incluye 2,332
manifestaciones geotermicas, que constituye un incremento de 72% con respecto
a la base de datos utilizada para estas estimaciones. Claramente, los resultados
de Iglesias et al. (2002) representan una cota inferior para las reservas
geotermicas Mexicanas de temperatura intermedia a baja y para la
correspondiente energfa termica.
Aunque constituyen una cota inferior, las reservas estimadas en dicho
trabajo contienen cantidades masivas de energfa termica. Por ejemplo, 8.15x1016
kJ, el valor medio estimado para las reservas equivale a aproximadamente
2.14x1015 m3 de gas natural o a aproximadamente 1.9x109 barriles de crudo
Arabian Light. Con la capacidad instalada de aplicaciones geotermicas directas
actual en Mexico de 164 MWt (e..g., Gutierrez-Negrfn y Quijano-Leon, 2005) estas
reservas durarfan aproximadamente 15,700 anos.
Esta energfa termica es recuperable con la tecnologfa actual. Por lo tanto,
las reservas geotermicas caracterizadas en este trabajo tienen potencial para
producir un impacto positivo importante en las economfas locales.
La Fig. 2.3..2. presenta la distribucion de las temperaturas mas probables
estimadas para los yacimientos asociados con las 276 localidades. La temperatura
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del yacimiento es importante para evaluar la aplicabilidad de estos recursos
porque determina el tipo de aplicacion termodinamicamente factible.
2.4 Reservas de alta temperatura
En el ano de 1975, H. Alonso presenta la primera estimacion reportada en
la literatura de los recursos geotermicos de la Republica Mexicana (Mercado et al.,
1982). En ese ano se tenfan localizadas en el pais unicamente 130 zonas
hidrotermales, y se habfan efectuado algunos estudios en apenas nueve de estas.
Alonso estimo una capacidad minima de 100 MWe en cada una de las siguientes
zonas: Ixtlan de Los Hervores, Los Negritos y Los Azufres en el estado de
Michoacan, La Primavera, San Marcos, Los Hervores de la Vega y La Soledad en
el estado de Jalisco, y Los Humeros en el estado de Puebla. En Cerro Prieto
estado de Baja California estimo un potencial mfnimo de 500 MWe. En las
restantes 120 zonas en las que no se habfan efectuado estudios, Alonso supuso
que solo el 30 % de ellas producirfan fluidos de manera comercial y les asigno una
capacidad media instalada de 75 MWe. Con estas consideraciones Alonso da una
estimacion gruesa de los recursos de 4,000 MWe (Tabla 2.4.1)
En 1976 S. Mercado presenta una evaluacion de los recursos geotermicos
de Mexico por medio de metodos geoqufmicos. Su evaluacion esta basada en la
Circular No. 726 "Assesment of Geothermal Resources of the United States-1975”
de Geological Survey, U.S.A. Mercado siguio tres pasos principales para estimar
la energfa electrica que puede obtenerse de un sistema hidrotermal de alta
temperatura: 1) estimo la fraccion del sistema que es roca porosa y permeable, 2)
estimo la fraccion del calor almacenado en el volumen poroso y permeable que se
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puede recuperar en la superficie, 3) estimo la eficiencia con la cual la energfa
termica en el cabezal de los pozos puede convertirse a energfa electrica.
En la Tabla 2.4.2 se presentan los resultados de esta evaluacion. Como
puede verse solamente en el estado de Baja California se estimo un potencial de
2,610 MWe, en el estado de Jalisco se estimaron 1,200 MWe y en el campo de
Los Azufres, Mich. 600 MWe. Mercado considero ademas que en el centro y Sur
del pais existfan 100 focos termales economicamente explotables con un
promedio de 85 MWe cada uno, con estas consideraciones reporta un potencial de
13,110 MWe.
En el ano de 1985 H. Alonso presenta una nueva evaluacion de los
recursos de Mexico con base en a los estudios y resultados de las exploraciones
de la epoca y de acuerdo a las siguientes definiciones:
Reservas probadas: Aquellas en que los estudios y las pruebas de pozos
realizadas permiten recomendar la instalacion de una planta de esa capacidad con
vida util de 30 anos.
Reservas probables: Aquellas zonas en las que se han hecho suficientes
estudios de geoffsica y geoqufmica, para delimitar la probable extension y
temperatura de la zona geotermica.
Reservas posibles: Aquellas que por manifestaciones termales en la
superficie y por geologfa permiten inferir la posibilidad de un recurso geotermico.
Alonso reporta que los estudios efectuados por la Comision Federal de
Electricidad indican que las reservas probadas son de 1,340 MWe, las probables
de 4,600 MWe y las posibles de 600 MWe lo que hace un total de 11,940 MWe.
Las reservas probadas se refieren basicamente a Cerro Prieto, Los Azufres y Los
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Humeros. Las reservas probables se refieren principalmente a La Primavera, San
Marcos y Los Hervores en el estado de Jalisco, zonas cercanas a Los Humeros,
Pue., Araro, Ixtlan y San Agustfn en el estado de Michoacan, San Bartolome y
Puroaguita en el estado de Guanajuato.
Despues de estos trabajos practicamente no existe en la literatura abierta
ninguna publicacion en relacion con las reservas de Mexico. En el ano de 1994 G.
Hiriart comenta en la entrevista “1000 MW de generacion geotermoelectrica, meta
de la CFE para fines de este siglo” publicada en el Boletfn del Instituto de
Investigaciones Electricas, que para el ano 2010 la Comision Federal de
Electricidad planea alcanzar una capacidad instalada con plantas
geotermoelectricas de 2,000 MWe “lo que podrfa considerarse, de acuerdo con los
estudios de exploracion actuales, como el lfmite maximo de la geotermia en
Mexico”.
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3. PROSPECTIVA TECNOLOGICA
3.1 Situacion actual
3.1.1. Recursos de temperatura intermedia a baja. Actualmente la utilizacion de
los recursos geotermicos Mexicanos de temperatura intermedia a baja es muy
reducida. La capacidad instalada es de 164.6 MWt (Gutierrez-Negrfn y Quijano-
Leon, 2005). Con esta capacidad instalada la cota inferior estimada para las
reservas (2.14x1010 a 2.39x1010 MWth) alcanzarfa para mas de 15,000 anos.
Estos recursos se utilizan mayormente en balnearios termales, aunque
existen algunas otras aplicaciones en pequenos proyectos de demostracion,
implementados por la Comision Federal de Electricidad (Gutierrez-Negrfn y
Quijano-Leon, 2005). La Tabla 3.1.1, adaptada de Gutierrez-Negrfn y Quijano-
Leon (2005), describe con cierto detalle la situacion actual.
En resumen, la capacidad instalada en Mexico para la utilizacion directa del
calor geotermico actualmente alcanza 164.6 MWt. Las aplicaciones de la Tabla
3.1.1 incluyen 160 sitios en 19 Estados de la Republica. Estas aplicaciones utilizan
aproximadamente 12,500 t/h de agua caliente, a una temperatura promedio de
50°C.
3.1.1.1. Posibles usos de las reservas. Los recursos geotermicos de temperatura
intermedia a baja son mayormente utiles para aplicaciones directas del calor, tanto
domesticas como industriales. Cabe aclarar, sin embargo, que los recursos con
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temperatura mayor que 150°C se pueden utilizar para la generacion electrica,
aunque la eficiencia del proceso en este caso no es particularmente atractiva.
Aunque actualmente en Mexico las aplicaciones directas se enfocan casi
exclusivamente a balnearios, la comunidad geotermica internacional ha
desarrollado una considerable cantidad de posibilidades de aplicacion. Desde
luego, por razones termodinamicas, el tipo de aplicacion posible depende de la
temperatura del recurso disponible. La Fig. 3.1.1 ilustra una cantidad de
aplicaciones directas de tipo industrial, en funcion de la temperatura. Esta figura
no incluye otras aplicaciones tfpicas, como balnearios termales, spas y calefaccion
de edificios, porque se enfoca en aplicaciones industriales.
Una caracterfstica que refuerza el atractivo economico de las aplicaciones
directas es que las mismas pueden aprovecharse “en cascada”. Es decir, en una
primera etapa se extrae una cantidad de calor del fluido; este sale de la primera
etapa con una temperatura menor que aquella con la que ingreso; el fluido que
sale de la primera etapa se utiliza en una segunda etapa, en otra aplicacion; etc.
Por ejemplo, una fabrica de azucar de betabel, si contara con un fluido geotermico
de temperatura inicial igual a 142°C, podrfa aprovecharlo implementando en
cascada tres procesos: evaporacion de azucar de betabel, secado de pulpa de
azucar de betabel y extraccion de azucar de betabel (ver Fig. 3.1.1).
3.1.2. Recursos de alta temperatura. Actualmente se explotan en Mexico cuatro
campos geotermicos (Cerro Prieto, Los Azufres, Los Humeros y Las Tres
Vfrgenes, ver Fig. 3.1.2) con una capacidad instalada de 953 MWe, lo cual coloca
al pais como el tercer lugar mundial en capacidad instalada unicamente detras de
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Estados Unidos y Filipinas (Tabla 3.1.2). En los campos mexicanos operan 36
unidades de diversos tipos (Tabla 3.1.3) con capacidades que van de 1.5 a 110
MWe. Estas plantas son alimentadas por 197 pozos que tienen profundidades
entre 600 y 4400 m, y que producen 7,700 toneladas de vapor y 8,750 toneladas
de salmuera por hora. Durante el ano 2003 el vapor producido en los campos fue
de 67.5 millones de toneladas y las unidades generaron 6,282 GWh, lo que
represento el 3.1 % de la energfa electrica generada en Mexico (Gutierrez-Negrfn
y Quijano-Leon, 2004).
Cerro Prieto, Baja California
El campo geotermico Cerro Prieto se encuentra localizado a 30 km al sur de
la ciudad de Mexicali, BC, cerca de la frontera con Estados Unidos (Fig. 3.1.2).
Este es el campo geotermico de lfquido dominante mas grande del mundo que se
conoce a la fecha. Su explotacion comercial se inicio en el ano de 1973 y
actualmente cuenta con una capacidad instalada de 720 MWe (13 unidades del
tipo a condensacion).
La central CP-1 cuenta con cinco unidades; las primeras dos, de 37.5 MWe
cada una, entraron en operacion en el ano de 1973. En 1979 se adicionaron otras
dos unidades de 37.5 MW. En 1981 entro en operacion una unidad de baja
presion de 30 MWe.
Las centrales CP-II y CP-III cuentan cada una con dos unidades de 110
MWe, mismas que entraron en operacion entre 1986 y 1987.
La central Cerro Prieto IV consta de cuatro unidades de 25 MWe cada una.
Entro en operacion en el ano 2000.
20
Durante el ano de 2003 se operaron 149 pozos que produjeron 51.3
millones de toneladas de vapor (produccion promedio anual por pozo 39.3
toneladas por hora) y 70.6 millones de toneladas de salmuera. Durante este ano
se generaron 5,111.7 GWh (Tabla 3.1.3). Las unidades mas nuevas las de Cerro
Prieto IV requieren de 6.94 toneladas de vapor por MWh generado, mientras que
las unidades mas antiguas, las de CP I, requieren de 13.74 toneladas de vapor por
MWh (Gutierrez-Negrfn y Quijano-Leon, 2004).
Los Azufres, Michoacan
El campo de Los Azufres se encuentra localizado en la parte central de la
Republica Mexicana, aproximadamente a 250 km al oeste de la Ciudad de Mexico
y dentro de lo que se conoce con el nombre de Cinturon Volcanico Mexicano (Fig.
3.1.2). Los primeros estudios en este campo se efectuaron en los anos cincuenta.
En el ano de 1977 se perforaron los primeros pozos productores con los que se
confirmo la existencia de un potencial energetico de magnitud considerable.
En este campo se encuentran en operacion 14 unidades de diversos tipos
(condensacion, contrapresion y ciclo binario) con capacidades que van de 1.5 a
50 MWe. Los Azufres tiene actualmente una capacidad instalada de 188 MWe
(Tabla 3.1.3).
Durante el ano 2003 estuvieron en operacion 29 pozos (con profundidades
entre 600 y 3,500 m) que produjeron 11.3 millones de toneladas de vapor
(promedio de 44.6 toneladas por hora) y 5.15 millones de toneladas de salmuera.
Toda la salmuera se reinyecto al subsuelo por medio de 6 pozos. Durante este
ano se generaron 851.7 GWh. Las unidades mas nuevas (por ejemplo la U-15)
21
requiere de 6.67 toneladas de vapor por MWh generado, mientras que las
unidades mas antiguas, por ejemplo la U-11, requieren de 12.88 toneladas de
vapor por MWh (Gutierrez-Negrfn y Quijano-Leon, 2004).
Los Humeros, Puebla
El campo geotermico de Los Humeros se encuentra localizado en el
extremo oriental del Cinturon Volcanico Mexicano, aproximadamente a 200 km de
la ciudad de Mexico (Fig. 3.1.2). En el ano de 1968, la Comision Federal de
Electricidad efectuo los primeros estudios geologicos, geoqufmicos y geoffsicos.
En el ano de 1982 se perforo el primer pozo profundo con el objeto de confirmar
los resultados de los estudios. En 1989 se inicio la explotacion comercial del
yacimiento con la instalacion de la primera unidad de 5 MWe. A la fecha se han
perforado mas de 40 pozos y se cuenta con una capacidad instalada de 35 Mwe,
en 7 unidades de 5 MWe cada una.
Durante el ano 2003 se operaron 17 pozos los cuales produjeron 4.61
millones de vapor (produccion promedio anual por pozo de 30.3 toneladas por
hora) y 0.89 millones de salmuera. En este campo se generaron 285.4 GWh
(Tabla 3.1.3). Las plantas de generacion requieren de un promedio de 12.65
toneladas de vapor por MWh.
Las Tres Virgenes, BCS
El campo de Las Tres Virgenes se encuentra localizado en la parte media
de la peninsula de Baja California. Las actividades de exploracion en este campo
22
se iniciaron en el ano de 1982. El primer pozo exploratorio se perforo en el ano de
1986. Actualmente este campo tiene una capacidad instalada de 10 MWe.
Durante el ano de 2003 CFE opero dos pozos con una produccion total de
0.31 millones de toneladas de vapor (produccion promedio anual por pozo de
17.58 toneladas por hora). Durante el 2003 se generaron 32.8 GWh (Tabla 3.1.3).
Hasta el ano 2003 en Mexico se habfan perforado 481 pozos, de los cuales
315 se habfan perforado en Cerro Prieto, 82 en Los Azufres, 40 en Los Humeros,
9 en Las Tres Virgenes, 13 en La Primavera y 35 en otras zonas.
En resumen Gutierrez-Negrfn y Quijano-Leon (2004) reportan que durante
el 2003 en Mexico la Comision Federal de Electricidad opero 197 pozos
productores y 19 inyectores; se produjeron 67.5 millones de toneladas de vapor y
76.7 toneladas de salmuera; la produccion promedio por pozo fue de 39.1
toneladas por hora de vapor y se generaron 6,282 GWh.
3.1.3. Aspectos ambientales. La exploracion, desarrollo y explotacion de los
recursos geotermicos puede tener un impacto significativo en el medio ambiente
que rodea el recurso. Durante la etapa de exploracion inicial el impacto es mfnimo.
Sin embargo, a partir de la etapa de perforacion exploratoria las consecuencias
para el medio ambiente son mucho mas importantes. En esta etapa es necesario
construir caminos y adecuar sitios para instalar las torres de perforacion con el
consecuente impacto en el paisaje. Durante la perforacion se produce ruido y se
requiere de agua para las operaciones. Conforme el desarrollo continua el impacto
es mayor ya que se requiere de areas para perforar pozos adicionales, para las
23
tuberfas de conduccion de fluidos y para las centrales de generacion. En la etapa
de explotacion tambien pueden presentarse algunos aspectos adversos como el
incremento o disminucion de la actividad de las manifestaciones naturales,
emisiones gaseosas y de salmueras.
Los principales aspectos ambientales relacionados con la explotacion de la
energfa geotermica son: emisiones gaseosas, aguas de desecho, subsidencia,
actividad sfsmica, ruido e impacto visual.
Emisiones gaseosas
Los fluidos geotermicos contienen gases no condensables (principalmente
CO2, H2S, SO2 y CH4) que pueden emitirse a la atmosfera. Sin embargo, estas
emisiones son mucho menores que las que producen las plantas que emplean
combustibles fosiles.
En todos los campos geotermicos de Mexico la Comision Federal de
Electricidad hace un monitoreo continuo de las emisiones gaseosas con el objeto
de asegurarse que las mismas se encuentran dentro de los lfmites permitidos
nacional o internacionalmente (Mercado et al., 1987; Mendoza-Rangel y
Hernandez-Ayala, 2004; Pastrana-Melchor, et al., 2005). Ya que en algunas
ocasiones en Mexico no existen normas oficiales que establezcan lfmites maximos
de emisiones, por ejemplo de H2S.
Las plantas geotermicas que operan en Mexico cuentan con dispositivos
para disminuir las emisiones gaseosas y a lo largo de la historia se han probado
diversos equipos para controlarlas como quemadores, reboilers, etc. (Mercado et
al., 1987)
24
Aguas de desecho
Una vez que los fluidos geotermicos han sido utilizados con cualquier fin
(generacion o usos directos) deben tratarse o reinyectarse al yacimiento ya que
representan una fuente importante de contaminacion. Estos fluidos en general
pueden contener cantidades importantes de substancias que pueden ser
peligrosas para al salud de plantas y animales (Li, As, B, Hg, Cu, Cd, F, Na, K, Cl,
Al, etc.)
En los campos de Los Azufres, Los Humeros y Las Tres Virgenes todas las
aguas residuales (incluidas las salmueras, excedentes de torres de enfriamiento y
drenes de plantas de generacion) se regresan al yacimiento por medio de pozos
inyectores, con el doble fin de recargar el yacimiento y evitar danos al medio
ambiente (Mendoza-Rangel y Hernandez-Ayala, 2004; Pastrana-Melchor, et al.,
2005). En el campo Cerro Prieto parte de los fluidos se reinyecta al yacimiento y
otra parte se envfa a una laguna de evaporacion de 16 km2 en donde se evapora y
concentra para la extraccion de compuestos minerales principalmente potasa
(Mercado et al. 1987).
Subsidencia
La extraccion de grandes cantidades de fluidos del yacimiento puede
ocasionar subsidencia en algunas zonas del campo. La subsidencia en general es
un efecto local y puede causar dano a plantas e instalaciones superficiales. La
subsidencia mas grande de que se tiene conocimiento ha ocurrido en el campo de
Wairakei en Nueva Zelanda (4.5 m).
25
En los campos de Los Azufres, Los Humeros y Las Tres Vfrgenes no se
tiene conocimiento de que se hayan presentado problemas de subsidencia cuando
menos significativos. En el campo de Cerro Prieto la subsidencia mas grande que
se ha reportado es de 62 mm (mercado et al. 1987).
Actividad sismica
Sacar o inyectar fluidos puede causar o incrementar la actividad sismica
en ciertas areas. En general, estos son micro-sismos que unicamente pueden
detectarse con instrumentacion.
Todos los campos geotermicos mexicanos cuentan con unidades que
permiten monitorear la actividad sismica. No existe en la literatura publica
evidencia de que la actividad sismica se haya incrementado ni en numero ni en
magnitud.
Ruido
Algunas de las actividades relacionadas con el desarrollo y explotacion de
los recursos geotermicos pueden provocar contaminacion por ruido, por ejemplo,
las actividades de perforacion, la construccion de las plantas, escape de vapor a
alta presion durante algunas pruebas en los pozos o en la separacion del vapor,
operacion de algunas torres de enfriamiento, turbina, etc.
En todos los campos de Mexico se miden los niveles de ruido de acuerdo al
procedimiento de la Norma Oficial Mexicana NOM-081 -ECOL-1994 (Pastrana-
Melchor, et al., 2005), con el fin de que se mantengan dentro de los lfmites
permitidos que son de 68 dB en el dfa y 65 dB en la noche.
26
En todos los pozos de los campos de Mexico se utilizan silenciadores que
reducen el ruido de manera significativa.
Impacto Visual
En muchas ocasiones las plantas geotermicas se encuentran localizadas en
areas con un importante valor escenico, en donde la apariencia de la planta es
importante. Afortunadamente las plantas geotermicas requieren de poco espacio
y con un cuidadoso diseno armonizan bien con el medio ambiente.
En Mexico el campo con mayor valor escenico es Los Azufres, Mich. Este
campo se localiza en la Sierra de San Andres (aproximadamente a 90 km de la
ciudad de Morelia), una zona de proteccion forestal compuesta por un bosque de
confferas, manantiales termales y pequenas lagunas que lo hacen un lugar de
gran atraccion turfstica. En este campo la localizacion de las plantas se hace con
gran cuidado tomando en cuenta la vegetacion, problematica de erosion, lfneas de
conduccion de fluidos, etc., de tal manera que el sitio pueda mantenerse de la
mejor manera.
La Comision Federal de Electricidad lleva a cabo en todos los campos de
Mexico actividades de conservacion de la fauna y flora que se encuentra dentro y
en las inmediaciones de los sitios explotados.
En general puede decirse que la geotermia bien manejada es un recurso
que contamina menos que las fuentes de energfa convencionales.
3.2. Prospectiva tecnologica
27
A la fecha se han identificado cinco tipos de sistemas geotermicos: (a)
hidrotermales, (b) roca seca caliente, (c) geopresurizados, (d) marinos y (e)
magmaticos. A continuation se describen algunas de sus principales
caracterfsticas.
3.2.1 Sistemas hidrotermales. Estos sistemas estan constituidos por: una fuente
de calor, agua (lfquido y/o vapor) y la roca en donde se almacena el fluido (Fig.
3.2.1). El agua de los sistemas hidrotermales se origina en la superficie de la tierra
en forma de lluvia hielo o de nieve. Se infiltra lentamente en la corteza terrestre, a
traves de poros y fracturas, penetrando a varios kilometros de profundidad en
donde es calentada por la roca alcanzando en algunas ocasiones temperaturas de
hasta 400 °C.
Estos sistemas pueden clasificarse en tres tipos principales: vapor
dominante, lfquido dominante alta entalpfa y lfquido dominante baja entalpfa. En la
actualidad estos sistemas son los unicos que se explotan comercialmente para la
generacion electrica.
(i) Vapor Dominante. Son sistemas de alta entalpfa, generalmente de vapor seco.
Existen unos cuantos en el mundo. Los mas conocidos son The Geysers (Estados
Unidos) y Lardarello (Italia).
(ii) Lfquido dominante (alta entalpfa). Sistemas de salmuera super caliente, con
temperaturas entre 200 oC y mas de 300 oC. Son mas abundantes que los
anteriores. Ejemplo: Cerro Prieto (Mexico), Wairakei (Nueva Zelanda), Tiwi
(Filipinas).
28
(iii) Lfquido Dominante (baja entalpfa). Sistemas con salmueras calientes, con
temperaturas entre de 100 °C y 200 oC aproximadamente. Son mas abundantes
que los anteriores en una proporcion de 10 a 1. Se encuentran en casi todos los
pafses del mundo. Ejemplo: Heber (Estados Unidos), Yangbajin (China), cientos de
sitios en Mexico.
Los costos de generation a nivel internacional con este tipo de recursos se
encuentran entre 2 y 10 centavos USD por kWh (IEA, 2003). En Mexico Hiriart y
Andaluz (2000) reportaron que los costos de generacion en los campos mexicanos
se encontraban entre 3.29 y 3.46 centavos USD por kWh (Tabla 3.2.1). Estos
autores tambien comentan que los costos de generacion de los nuevos desarrollos
en Cerro Prieto IV, Los Azufres II y Las Tres Vfrgenes tendrfan costos de 2.81, 3.29
y 4.11 centavos de USD respectivamente.
La Internacional Energy Agency (2003) reporta que los costos de inversion
actuales se encuentran entre 1,200 y 5,000 USD/kW y que se espera que estos
costos se reduzcan a 1,000 y 3,500 USD/kW para el ano 2010. Para este ano se
espera que los costos de generacion se encuentren entre 2 y 5 centavos USD.
Para que estas reducciones en costo puedan concretarse es necesario
mejorar aspectos relacionados con las tecnicas de exploration, perforation,
materiales, ingenierfa de yacimientos, equipo de superficie, mejores plantas y ciclos
termodinamicos.
Tecnicas de exploracion
El costo de la exploracion de un recurso geotermico puede llegar a
representar hasta del 60% del costo de un proyecto. Asf, el objetivo en esta area
29
es mejorar el costo de exploracion, reducir la incertidumbre de la localizacion de
recursos geotermicos y mejorar el fndice de pozos exitosos mediante:
• Tecnicas nuevas y mejorados de exploracion e interpretacion del subsuelo para
la localizacion de zonas permeables y sitios para perforation
• Mejora la comprension de los modelos de los sistemas geotermicos (fallas,
fracturas, modelos conceptuales, uso de sismica en 3D, etc.)
• Mejores modelos de alteration de minerales, analisis de nucleos e inclusiones
fluidas
• Mejores metodos electromagneticos y geoffsicos en general
Perforacion
El costo de la perforacion de los pozos para extraer la energfa puede llegar a
representar hasta el 40 % del costo del proyecto. Los pozos se usan para confirmar
la existencia de un yacimiento geotermico, obtener datos del subsuelo para
caracterizar el recurso y para extraer los fluidos geotermicos e inyectar fluidos de
desecho, pero presenta retos relacionados con las altas temperaturas, fluidos
corrosivos y formaciones de roca dura. Se busca reducir el costo de perforacion en
general a traves de:
• Desarrollo de barrenas con geometrfa y configuraciones avanzadas
• Mejorar el control de perdidas de circulation
• Sistemas de medicion y diagnostico durante la perforacion (MWD - Measuring
While Drilling y DWD - Drilling While Drilling, fibra optica)
• Telemetrfa acustica
• Instrumentation de muy alta temperatura
30
• Pozos de diametro delgado
• Perforacion ultraprofunda en sistemas muy calientes (6 km o mas)
• Nuevas tecnologfas de perforacion
Materiales avanzados
Los recursos geotermicos se caracterizan por su alta temperatura y la
existencia de fluidos corrosivos. Ademas, el desarrollo de nuevos campos, la mejora
de la tecnologfa actual y el desarrollo de sistemas mas profundos y mas calientes
hacen necesario el desarrollo de materiales avanzados. Entre otros, se puede citar:
• Materiales resistentes a la corrosion por fluidos geotermicos
• Materiales para tuberfas que resistan altas temperaturas
• Materiales de mayor dureza para barrenas para perforacion de roca de alta
dureza para mejorar la velocidad de penetracion
• Materiales para control de perdidas de circulacion
• Materiales electronicos de alta temperatura y presion
• Materiales para perforacion y cementacion a altas temperaturas
Ingenieria de yacimientos
La ingenieria de yacimientos permite optimizar la extraccion de energfa
geotermica y su uso comercial con el fin de generar electricidad a menor costo a
traves del diseno de polfticas de explotacion e inyeccion. La I&D se centra en:
• Instrumentacion para mediciones de presion temperatura y gasto (PTQ) en
tiempo real y sistemas de fibra optica
• Metodos mejorados de analisis e interpretacion de information y pruebas de
presion
31
• Comprension mejorada de mecanismos de flujo
• Trazadores para alta temperatura
• Fracturamiento hidraulico, qufmico y con explosivos y su caracterizacion
• Modelos numericos avanzados para simulacion de yacimientos
Equipo de superficie
La reduccion de costos de generacion de electricidad para mantener esta
fuente en forma competitiva con otros medios de generacion ha impulsado
programas de I&D en las siguientes areas:
• Metodos alternativos para elimination de gases incondensables
• Condensation de mezclas de fluidos de trabajo
• Recubrimientos para superficies de intercam biadores de calor y tuberfas para
control de incrustaciones y corrosion
• Condensadores enfriados por aire para uso en plantas de ciclo binario en
sistemas hidrotermales.
• Verification en campo de plantas pequenas de generacion (0.3 - 1 MWe)
Mejora de plantas existentes y uso de ciclos termodinamicos avanzados
Los esfuerzos actuales de I&D se enfocan en (a) mejorar la eficiencia y
operacion de las plantas y ciclos termodinamicos usados actualmente, (b) la
evaluacion de algunas combinaciones de ellos y (c) al uso de nuevos ciclos
termodinamicos.
• Mejoras a plantas actuales: La tecnologfa base de las plantas de flasheo
incluyen doble separacion de vapor y la de ciclo binario es la que utiliza
isobutano como fluido de trabajo. Las plantas avanzadas de flasheo incluyen
32
doble flashed con turbina con separador rotatorio, turbina de agua caliente,
recalentador de vapor y flasheo sub-atmosferico. Las plantas de ciclo binario
avanzadas incluyen generadores de turbina sfncronos ciclos con expansion
metaestable y mezclas hidrocarburos como de fluidos de trabajo.
• Las combinaciones incluyen ciclos combinados, es decir, acoplando una planta
de doble flasheo (ciclo superior o topping) con un ciclo binario inferior
(bottoming cycle); ciclos mixtos, donde el vapor y el Ifquido se separan para
alimentar plantas de flasheo y ciclo binario, respectivamente, y ciclos hfbridos o
plantas de flasheo o ciclo binario combinadas con turbinas con combustion de
gas.
• Nuevos ciclos termodinamicos. Estes incluyen el ciclo Kalina (ciclo binario que
usa amonfaco y agua como fluido de trabajo y tiene el potencial de extraer 1/3
mas de energfa del fluido geotermico que un ciclo convencional, el ciclo
trilateral (el cual puede proporcionar un mejor rendimiento y costos por encima
de otros tipos de conversion de energfa) usando un proceso de intercam bio de
calor sensible ya que la expansion a flujo total o dos fases es menos eficiente
[19] y use de expansores avanzados a dos fases.
En la Tabla 3.2.2 se presenta una estimation de la penetration de la
tecnologfa hasta el aho 2030.
3.2.2 Sistemas de roca seca caliente. Son sistemas rocosos con alto contenido
energetico pero con poca o ninguna agua, concedes como HDR por sus siglas en
ingles (Hot Dry Rock). No se explotan comercialmente en la actualidad. Ejemplo:
Fenton Hill (Estados Unidos), Rosmanowes (Reino Unido), Soultz-sous-Forets
33
(Francia). Este es probablemente uno de los recursos geotermicos mas
abundantes. El U.S. Geological Survey ha estimado que la energfa almacenada
en los yacimientos de roca seca caliente que se encuentran dentro de los 10
kilometros superiores de la corteza terrestre, equivale a mas de 500 veces la
energfa acumulada en todos los yacimientos de gas y de petroleo del mundo, lo
que habla de un recurso enorme.
Con el objetivo de explotar estos yacimientos se esta desarrollando la
tecnologfa necesaria para implementar el siguiente concepto. Se perfora un pozo
hasta la profundidad en que se encuentra la formacion de roca seca caliente de
interes. Como esta roca es esencialmente impermeable, se crea un yacimiento
artificial mediante fracturamiento hidraulico, una tecnica muy utilizada por las
industrias del gas y del petroleo. Posteriormente se perfora otro pozo, tfpicamente
a algunos cientos de metros del primero, que intercepte la red de fracturas creada
artificialmente. A continuacion se inyecta agua a presion en uno de los pozos. Al
desplazarse por la red de fracturas, el agua se calienta por contacto con la roca de
alta temperatura. El agua caliente se extrae por el pozo restante. En la actualidad
los proyectos de investigacion acerca de HDR mas importantes se estan llevando
a cabo en la Comunidad Economica Europea (e.g., Baria et al., 2000) en Japon
(e.g., Kaieda et al., 2000) y Australia.
Para Mexico, Alonso y Suarez (1994) presentan algunos posibles sitios con
la existencia de este tipo de recursos y hacen algunos comentarios sobre aspectos
economicos. En nuestro pafs no existe a la fecha una evaluacion seria sobre el
potencial de este tipo de recursos.
34
En la Tabla 3.2.3 se presenta una estimation de la penetracion de la
tecnologfa para el aprovechamiento de este tipo de recursos.
3.2.3 Sistemas geopresurizados Son sistemas que contienen agua y metano
disuelto a alta presion (del orden de 700 bar) y mediana temperatura
(aproximadamente 150 °C). No se explotan comercialmente en la actualidad.
Ejemplo: yacimientos en Texas y Louisiana (Estados Unidos), y en Tamaulipas
(Mexico). Estos recursos ofrecen tres tipos de energfa: termica (agua caliente),
qufmica (metano) y mecanica (fluidos a muy alta presion). Algunos investigadores
ban estimado el potencial energetico solamente en las costas de Texas en unos
40,000 MWt (Alonso, 1993). Se desconoce el potencial de este recurso en Mexico.
3.2.4 Sistemas marinos. Son sistemas de alta entalpfa existentes en el fondo del
mar. No se explotan comercialmente en la actualidad. Estos sistemas ban side poco
estudiados hasta ahora. Ejemplo: Golfo de California (Mexico).
Hace algunos anos se efectuaron estudios preliminares en el Golfo de
California (Mercado, 1988). Como parte de los estudios se incluyeron algunas
inmersiones en un submarine. Esto permitio observer a 2600 metros de profundidad
impresionantes chimeneas naturales descargando chorros de agua a 350 °C. El
flujo de calor medido en algunos puntos del Golfo de California es muy alto, de 0.34
W/m2 (Suarez, 2004) mientras que en promedio el flujo natural de calor alcanza
valores de entre 0.05 y 0.10 W/m2.
35
N. Grijalva efectuo en el ano de 1986 una sene de estudios en un zona del
Golfo de California denominada depresion de Wagner (latitudes de 31° 00' a 31° 15'
y longitudes de 113° 50') que cubre un area de 10 km de ancho por 20 km de largo.
La investigacion abarco estudios geologicos, geoffsicos y geoqufmicos. Parte de los
resultados del estudio se reportan en Suarez (2004) y se comenta que la cuenca en
estudio pudiera ser en si misma un campo geotermico de gran magnitud con un
potencial energetico de 100 a 500 veces mayor que el del campo geoterm ico de
Cerro Prieto.
3.2.5 Sistemas magmaticos. Son sistemas de roca fundida existentes en aparatos
volcanicos actives o a gran profundidad en zonas de debilidad cortical. No se
explotan comercialmente en la actualidad. Ejemplo: Volcan de Colima (Mexico),
Volcan Mauna Kea (Hawai).
Posiblemente el atractivo mas importante de este tipo de recurso sean las
altfsimas temperaturas disponibles (>800 °C). Recordemos que la eficiencia de las
maquinas termicas es proporcional a la temperatura maxima de su ciclo
termodinamico.
En el mediano o largo plazo, cuando se cuente con la tecnologfa y los
materials adecuados para resistir la corrosion y las altas temperaturas se podra
explotar la enorme cantidad de energfa almacenada en las camaras magmaticas
de los volcanos activos.
36
FIGURAS
Fig. 1.1. Distribution geografica de las manifestaciones geotermicas Mexicanas.
Fig. 2.1.1. Diagrama McKelvey para energfa geotermica que ilustra las definiciones de recurso y reserva. El eje vertical representa el grado de factibilidad economica; el horizontal el grado de seguridad geologica. Adaptado de Muffler, 1981.
Fig. 2.2.1. Ejemplo de diagrama triangular utilizado en la estimation de la energfa termica y de su incertidumbre.
Fig. 2.2.2. Histograma y ajuste obtenido por el metodo de Monte Carlo para la energfa termica (kJ) del Estado de Queretaro, a partir del 47% de las manifestaciones geotermicas catalogadas, distribuidas en 28 localidades. Tomado de Iglesias et al. (2004).
Fig. 2.3.1. Densidad de probabilidad estimada para la energfa termica de 276 localidades geotermicas Mexicanas .Tomado de Iglesias et al. (2002).
Fig. 2.3.2. Histograma de las temperaturas mas probables de las 276 localidades geotermicas consideradas en este trabajo. Tomado de Iglesias y Torres (2003).
Fig. 3.1.1. Aplicaciones directas del calor geotermico. Adaptado de Lindal y Lund, (1988)
Fig. 3.1.2. Localization de los campos geotermicos mexicanos.
Fig. 3.2.1. Esquema de un sistema geotermico hidrotermal
37
Fig. 1.1. Distribucion geografica de las manifestaciones geotermicas Mexicanas
38
< IDENTIFICADO POR DESCUBRIR *
T
UJCO
ooOCOccZ)o111cc
(renta ble a futuro)
(profundi dad)
UJ
59COUJUU<c
RESERVA RECURSO
Figura 2.1.1. Diagrams McKelvey para energia geotermica que ilustra las definiciones de recurso y reserva. El eje vertical representa el grado de factibilidad economica; el horizontal el grado de seguridad geologica.
Adaptado de Muffler, 1981.
39
Den
sida
d de
pro
babi
lidad
T+AT
T -a
TemperaturaFig. 2.2.1. Ejemplo de diagrama triangular utilizado en la estimation de la
energla termica y de su incertidumbre.
40
BetaGeneral(10.125,90.555,4.3567E+16, 6.2173E+17)
N"o
^d"o 0.
8-
1.0-
1.2-
1.4-
1.6- 00
Values x 10A17
5.0% 5.0% >0.7617 1.3247
Fig. 2.2.2. Histograma y ajuste obtenido por el metodo de Monte Carlo para la energla termica (kJ) del Estado de Queretaro, a partir del 47% de las
manifestaciones geotermicas catalogadas, distribuidas en 28 localidades.(Tornado de Iglesias et a!., 2004).
41
Valu
es x
10A-1
7
Values x 10A17
5.0% 90.0% 5.0%3.0805 3.4490
Fig. 2.3.1. Densidad de probabilidad estimada para la energia termica de 276 localidades geotermicas Mexicanas (tomada de Iglesias eta!., 2002)
42
Frec
uenc
ia70
Temperaturas mas probables de localidades individuales (°C)
Fig. 2.3.2. Histograma de las temperaturas mas probables de las 276 localidades geotermicas consideradas en este trabajo. Tornado de Iglesias y
Torres (2003)
43
10 30 50 70 90 110 130 150
~ T -
Procesamiento de alimentos
Mobiliario
Piel
Secado de carbon
Empresas textiles
Aserraderos
Secadode
cemento
Rayon/Acetato
Curado de blocks de concrete
Conserves
Estireno
Acrilico Secado de
e Evaporation de cana de azucar
Lavado de partes metalicas
Condensacidn de suero
Secado de pulpa de azucar de betabel
Calentamiento de suelos
Acua-cultura
Pasteuriza-cidn
Proce- sos de biogas
Escaldar (aves.cerdos)Lavado en procesamiento de carnes (aves,reses,etc)
• Evaporacion de leche
Secado de frutas y vegetales
Bebidas de malta
Licor destilado
Alumina*
Cultivo de bongos
Blanqueado y coccion
Extraccidn de azucar de betabel
Refrescos
Hule sintetico
Invernaderos
Vulcanization
Evaporacion de azucarde betabel
Limpieza y • esterilizacidn
farmaceutica
Quimicos organicos
Secado de yeso •
Secado de caolin
10 30 50 70 90 110 130 150
Fig. 3.1.1. Aplicaciones directas del calor geotermico (adaptado deUndal y Lund, 1988)
44
10 °C en superficie
ebullicion
Roca impermeable
Magma en proceso de enfriamiento
Fumarola HfiMOO °C
Fig. 3.2.1 Esquema de un sistema geotermico hidrotermal
45
TABLAS
Tabla 2.3.1. Reservas geotermicas de 20 Estados de Mexico (tomada de Iglesias y Torres, 2004).
Tabla 2.3.2. Comparacion de reservas geotermicas estimadas en diferentes anos.
Tabla 2.4.1. Estimacion gruesa de los recursos hidrotermales de alta temperatura con los sitios que se conocfan en 1975 (tomada de Mercado et al., 1982).
Tabla 2.4.2. Estimacion gruesa de los recursos hidrotermales de alta temperatura con los sitios que se conocfan en 1976 (modificada de Mercado et al., 1982).
Tabla 3.1.1. Utilizacion directa del calor geotermico en Mexico, 2005 (adaptada de Gutierrez-Negrln y Quijano-Leon, 2005).
Tabla 3.1.2 Capacidad geotermoelectrica mundial instalada al ano 2004.
Tabla 3.1.3 Capacidad instalada y planeada por campo a diciembre de 2004 (adaptada de Gutierrez-Negrfn y Quijano Leon, 2004)
Tabla 3.2.1 Costos de generacion en Mexico (con datos de Hiriart y Andaluz, 2000)
Tabla 3.2.2 Penetracion de la tecnologfa para el aprovechamiento de los sistemas hidrotermales.
Tabla 3.2.3. Penetracion de la tecnologfa para el aprovechamiento de los sistemas de roca seca caliente.
46
Tabla 2.3.1. Reservas geotermicas de 20 Estados de Mexico (tomada de Iglesias y Torres, 2004)
EstadoNo. de
manifesta- ciones en el
Estado
No. manif. incluido en
estimacion dereservas
% manif. incluido en
estimacion dereservas
No. De localidades incluidas en
reservas
Energia Termica (kJ) intervalo 90% confianza
Reservas (kJ) intervalo 90% confianza
Aguascalientes 49 18 36.7 7 9.43E+15 2.23E+16 2.36E+15 5.58E+15Chiapas 14 3 21.4 3 1.83E+15 4.18E+15 4.57E+14 1.04E+15Chihuahua 53 13 24.5 11 8.69E+15 1.33E+16 2.17E+15 3.34E+15Colima 3 1 33.3 1 2.41E+14 1.45E+15 6.03E+13 3.63E+14Durango 55 5 9.1 5 2.59E+15 5.60E+15 6.48E+14 1.40E+15Edo. de Mexico 6 5 83.3 3 2.12E+15 4.91E+15 5.30E+14 1.23E+15Guanajuato 172 75 43.6 47 4.32E+16 5.41E+16 1.08E+16 1.35E+16Guerrero 10 1 10.0 1 2.40E+14 1.52E+15 6.00E+13 3.80E+14Hidalgo 76 43 56.6 28 3.48E+16 4.78E+16 8.69E+15 1.19E+16Jalisco 391 66 16.9 41 4.96E+16 6.83E+16 1.24E+16 1.71E+16Michoacan 71 27 38.0 24 2.29E+16 3.38E+16 5.72E+15 8.45E+15Morelos 2 1 50.0 1 2.60E+14 1.28E+15 6.50E+13 3.20E+14Nayarit 56 19 33.9 13 1.48E+16 2.37E+16 3.70E+15 5.92E+15Oaxaca 12 5 41.7 4 2.27E+15 4.83E+15 5.67E+14 1.21E+15Puebla 17 7 41.2 6 3.68E+15 6.69E+15 9.20E+14 1.67E+15Queretaro 172 63 36.6 54 4.90E+16 6.18E+16 1.23E+16 1.55E+16San Luis Potosi 20 7 35.0 6 5.00E+15 1.02E+16 1.25E+15 2.55E+15Sonora 77 9 11.7 8 4.84E+15 9.80E+15 1.21E+15 2.45E+15Veracruz 10 2 20.0 2 1.10E+15 3.20E+15 2.74E+14 8.00E+14Zacatecas 44 12 27.3 11 9.03E+15 1.62E+16 2.26E+15 4.05E+15
Total 1310 382 276
48
Tabla 2.3.2. Comparacion de reservas geotermicas estimadas en diferentes anos
EstadoNo. de
manifesta- ciones en el
Estado
No. manif. incluido en
estimacion dereservas
% manif. incluido en
estimacion dereservas
No. de localidades incluidas en
reservas
Energia Termica (kJ) intervalo 90%
confianza
Reservas (kJ) intervalo 90%
confianza
Ano de la
estimacion
Aguascalientes 49 18 36.70 7 9.43E+15 2.23E+16 2.36E+15 5.58E+15 2002Aguascalientes 64 52 81.25 14 2.73E+16 4.82E+16 6.83E+15 1.21E+16 2005Queretaro 172 63 36.60 54 4.90E+16 6.18E+16 1.23E+16 1.55E+16 2002Queretaro 238 112 47.10 28 7.62E+16 1.32E+17 1.90E+16 3.31E+16 2004
49
Tabla 2.4.1. Estimacion gruesa de los recursos hidrotermales de alta temperatura con los sitios que se conocfan en 1975 (tomada de Mercado et al., 1982).
Localidad Capacidad (MWe)
Cerro Prieto, BC 500
Ixtlan, Mich. 100
Los Negritos, Mich. 100
Los Azufres, Mich. 100
La Primavera, Jal. 100
San Marcos, Jal. 100
Los Hervores, Jal. 100
La Soledad, Jal. 100
Los Humeros, Pue. 100
36 zonas con 75 MWe cada una 2,700
Total 4,000
50
Tabla 2.4.2. Estimacion gruesa de los recursos hidrotermales de alta temperatura con los sitios que se conoclan en 1976 (modificada de Mercado et al., 1982).
Localidad Capacidad (MWe)
Cerro Prieto, BC 2,610
Tulichek, BC 147
La Primavera, Jal. 93
La Soledad, Jal. 86
San Marcos, Jal. 218
Acatlan, Jal. 125
Los Pozos, Jal. 111
La Vega, Jal. 26
Agua Caliente, Jal. 34
Villa Corona, Jal. 18
San Isidro, Jal. 59
Mazatepec, Jal. 16
Cosala, Jal. 37
Jojotepec, Jal. 53
Colimilla, Jal. 25
Cacaluta, Jal. 344
Los Camacho, Jal. 28
Los Azufres, Mich. 600
100 zonas con 85 MWe cada una 8,500
Total 13,110
51
Tabla 3.1.1. Utilizacion directa del calor geotermico en Mexico, 2005 (adaptada de Gutierrez-Negrfn y Quijano-Leon, 2005)
Localidad Tipo T entrada (°C)
Capacidad(MWt)
Energla(TJ/ano)
Factor de capacidad
Los Azufres, Mich. A 77 0.007 0.179 0.801Los Azufres, Mich. B 72 2.703 69.511 0.815Los Azufres, Mich. G 60 0.004 0.105 0.793Los Azufres, Mich. H 110 0.460 13.191 0.909Los Humeros, Pue. O 75 0.174 4.946 0.901La Primavera, Jal. B 48 4.481 132.296 0.936Aguascalientes B 43 14.414 257.205 0.566Chiapas B 36 29.288 738.640 0.800Chihuahua B 39 2.274 52.813 0.736Coahuila B 32 1.640 27.699 0.536Durango B 53 2.063 28.688 0.441Guanajuato B 41 14.466 350.195 0.768Hidalgo B 42 10.772 285.695 0.841Jalisco B 38 12.010 293.214 0.774Mexico B 35 4.363 106.575 0.775Michoacan B 45 7.721 204.775 0.841Morelos B 45 14.466 350.195 0.768Nuevo Leon B 38 9.874 230.034 0.739Queretaro B 32 17.259 408.956 0.751San Luis Potosi B 37 7.054 151.474 0.681Sinaloa B 73 0.337 6.522 0.614Tlaxcala B 35 0.293 6.925 0.749Veracruz B 65 2.987 78.481 0.833Zacatecas B 37 5.532 133.549 0.766TOTAL (PROMEDIO) (50.2) 164.642 3,931.863 (0.757)
A = Secado de productos agricolas (granos, frutas, vegetales)
B = Balnearios y balneologfa G = Invernaderos H = Calefaccion de edificios
O = Otros (cultivo de hongos)
52
Tabla 3.1.2 Capacidad geotermoelectrica mundial instalada al ano 2004
Pais Capacidad (MWe)
Estados Unidos 2,002Filipinas 1,909Mexico 953Italia 795Indonesia 748Japon 535Nueva Zelanda 436Islandia 170El Salvador 161Costa Rica 153Kenia 121Nicaragua 77Rusia 62Guatemala 29China 28Turqufa 20Portugal 16Etiopfa 9Papua-Nueva Guinea 6Francia 4Taiwan 3Rumania 2Tailandia 0.3Austria 0.3Australia 0.2Zambia 0.2
Total 8,240
53
Tabla 3.1.3 Capacidad instalada y planeada por campo a diciembre de 2004(adaptada de Gutierrez-Negrin y Quijano Leon, 2004)
Campo Unidad Inicio de operacion
Tipo1) Capacidad(MWe)
Generacion en 2003 (GWh/yr)
Planeada(MWe)
CPI U1 1973 1F 37.5 279.12CPI U2 1973 1F 37.5 274.07CPI U3 1979 1F 37.5 300.55CPI U4 1979 1F 37.5 296.47CPI U5 1982 2F 30.0 34.49
Cairo CPII U1 1986 2F 110.0 760.13Prieto CPII U2 1987 2F 110.0 751.21
CPIII U1 1986 2F 110.0 729.27CPIII U2 1987 2F 110.0 863.92CPIV U1 2000 1F 25.0 183.96CPIV U2 2000 1F 25.0 202.50CPIV U3 2000 1F 25.0 203.19CPIV U4 2000 1F 25.0 232.83
U-2 1982 O 5.0 43.90U-3 1982 O 5.0 38.77U-4 1982 O 5.0 43.70U-5 1982 O 5.0 28.75U-6 1986 O 5.0 43.79
LosU-7 1988 1F 50.0 253.66U-9 1990 O 5.0 39.61
Azufres U-10 1992 O 5.0 44.13U-11 1993 B 1.5 4.55U-12 1993 B 1.5 0.00U-13 2003 1F 25.0 82.12U-14 2003 1F 25.0 39.87U-15 2003 1F 25.0 94.40U-16 2003 1F 25.0 94.48U-8 1989 O 5.0 42.60U-2 1990 O 5.0 43.92U-3 1991 O 5.0 45.57
Los U-4 1991 O 5.0 23.96Humeros U-5 1992 O 5.0 44.05
U-6 1994 O 5.0 43.74U-7 1993 O 5.0 41.57
U-8, U-9 2008 1F 50.0Las Tres U-1 2002 1F 5.0 25.13Virgenes U-2 2002 1F 5.0 7.70
La U-1, U-2 2006 1F - 50.0Primavera U-3 2008 1F - 25.0
Total 953 1251F =Flasheo Senci lo, O =Contrapresion, 2F =Doble Flasheo B = Cic o Binario
54
Tabla 3.2.1 Costos de generacion en Mexico (con datos de Hiriart y Andaluz, 2000)
Cerro Prieto Los Azufres Los Humeros
Planta 1.63 1.54 1.64
Operacion y mantenimiento de la planta
0.36 0.34 0.30
Suministro de vapor
1.17 0.91 0.91
Operacion y mantenimiento del campo
0.30 0.50 0.60
Total (US £) 3.46 3.29 3.45
55
Tabla 3.2.2 Penetracion de la tecnologia para el aprovechamiento de los sistemas hidrotermales
TecnologiaFecha de penetracion de las tecnologias
2002 2005 2010 2015 2020 2030
Exploracion• Tecnicas nuevas y mejorados de exploracion e interpretation del
subsuelo para la localization de zonas permeables y sitios para perforation
Alteration de minerales, analisis de nucleos e inclusiones fluidas
Metodos electromagneticos y geofisicos en general
PerforacionMejorar el control de perdidas de circulation
Sistemas de medicion y diagnostico (MWD, DWD y fibra optica)
Pozos de diametro delgado, instrumentacion y termination
Nuevas tecnologias de perforacion
Materiales avanzadosMateriales resistentes a la corrosion por fluidos geotermicos
Materiales para control de perdidas de circulacion
Materiales electronicos de alta temperatura y presion
Ingenieria de yacimientos
56
Instrumentation para mediciones de presion y temperatura en tiempo real
Trazadores quimicos
Modelos numericos avanzados para simulation de yacimientos
Equipo de superficieMetodos alternativos para eliminacion de gases incondensables
Condensation de mezclas de fluidos de trabajo
• Recubrimientos para superficies de intercambiadores de calor y tuberias para control de incrustaciones y corrosion
Condensadores enfriados por aire
• Verification en campo de plantas pequenas de generation (0.3 - 1 MWe)
Mejora de plantas existentes y uso de ciclos termodinamicosMejoras a plantas actuales
• Ciclos combinados, mixtos e hibridos
57
Tabla 3.2.3. Penetracion de la tecnologia para el aprovechamiento de los recursos de roca seca caliente.Fecha de penetracion de las tecnologias
2002 2005 2010 2015 2020 2030Tecnologia
ExploracionMejora la comprension de los modelos de los sistemas geotermicos (fallas, fracturas, modelos conceptuales, uso de sismica en 3D, etc.)
Metodos electromagneticos y geofisicos en general
PerforacionDesarrollo de barrenas con geometria y configuraciones avanzadas
Telemetria acustica
• Instrumentation de alta temperatura (>300°C) y grandes profundidades (5 km)
Perforacion ultraprofunda (5 km o mas)
Nuevas tecnologias de perforacion (top-drive systems)
Materiales avanzados• Materiales resistentes a la corrosion e incrustation por fluidos
geotermicos
Materiales para tuberias a muy altas temperaturas (300-400°C)
Materiales para barrenas para perforacion de roca de alta dureza
Lodos de perforacion y cementation a muy altas temperaturas
58
Ingenieria de yacimientosSimulacion integral de yacimientos geotermicos
• Inyeccion de fluidos y trazadores quimicos, inhibidores de depositaciones
• Fracturamiento hidraulico, quimico y con explosivos y su caracterizacion
Tecnologia avanzada de registros (PTSD, MW, fibra optica)
Mejora de plantas existentes y uso de ciclos termodinamicosCiclos combinados, mixtos e hibridos
Nuevos ciclos y maquinas termicas
59
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