Energía geotérmica: cómo el calor de la Tierra se convirtió en un recurso energético eficiente



Dado: hay un n√ļcleo caliente dentro de la Tierra, con √©l necesitas generar electricidad.
Pregunta: ¬Ņc√≥mo hacer esto?
Respuesta: construir una estación de energía geotérmica.
Descubrimos exactamente cómo, de dónde viene el vapor subterráneo y cuánto beneficio hay de una central eléctrica de este tipo.

El m√©todo m√°s antiguo y popular para producir electricidad a escala industrial hoy en d√≠a es la rotaci√≥n de la turbina del generador con una potente corriente de vapor caliente del agua hirviendo debido al calentamiento forzado. Si lo piensa, la esencia del trabajo en una central t√©rmica de carb√≥n y en una central nuclear moderna es el agua hirviendo, con la √ļnica diferencia de que el carb√≥n se quema para este prop√≥sito, y en el reactor de la central nuclear se hierve calentando elementos como resultado de una reacci√≥n en cadena controlada.

Pero, ¬Ņpor qu√© calentar el agua si en algunos lugares sale del suelo ya caliente? ¬ŅEs posible usarlo directamente? Puede: en 1904, el italiano Pierrot Ginori Conti lanz√≥ el primer generador, alimentado por un par de fuentes geot√©rmicas naturales, abundantemente presente en Italia. As√≠ apareci√≥ la primera estaci√≥n de energ√≠a geot√©rmica del mundo, que a√ļn funciona.

Sin embargo, para proporcionar a la planta de energ√≠a geot√©rmica una eficiencia y un costo aceptables, necesita agua a una cierta temperatura, no m√°s profunda que un cierto nivel. Si desea construir una planta de energ√≠a geot√©rmica (por ejemplo, en su casa de verano), primero debe comenzar a perforar pozos en los acu√≠feros, donde el agua a gran presi√≥n calienta hasta 150-200 ¬į C y est√° lista para salir a la superficie en forma de agua hirviendo o vapor sobrecalentado. Bueno, entonces, como las plantas de energ√≠a de combustibles f√≥siles, el vapor entrante rotar√° una turbina que impulsar√° un generador que genera electricidad. Usa el calor natural del planeta para producir vapor, esto es energ√≠a geot√©rmica. Y ahora para los detalles.

Un poco sobre el calor de la tierra


La temperatura de la superficie del n√ļcleo s√≥lido de la Tierra a una profundidad de aproximadamente 5100 km es de aproximadamente 6000 ¬į C. Al acercarse a la corteza terrestre, la temperatura disminuye gradualmente.


Un gr√°fico claro de la temperatura de la roca cambia a medida que te mueves hacia el centro de la tierra. Fuente: Wikimedia / Bkilli1

El llamado gradiente geot√©rmico, un cambio de temperatura en un √°rea espec√≠fica del grosor de la tierra, promedia 3 ¬į C por cada 100 metros. Es decir, en una mina a una profundidad de 1 km habr√° calor de treinta grados; cualquiera que haya visitado una mina as√≠ lo confirmar√°. Pero dependiendo de la regi√≥n, el gradiente de temperatura cambia: por ejemplo, en el pozo superprofundo de Kola en un horizonte de 12 km, se registr√≥ una temperatura de 220 ¬į C, y en algunos lugares del planeta, cerca de fallas tect√≥nicas y zonas de actividad volc√°nica, para alcanzar temperaturas similares, es suficiente perforar desde unos pocos cientos de metros hasta varios kil√≥metros, generalmente de 0.5 a 3 km. En el estado estadounidense de Oreg√≥n, el gradiente geot√©rmico es de 150 ¬į C por 1 km, y en Sud√°frica solo 6 ¬į C por 1 km. De ah√≠ la conclusi√≥n: no puede construir una buena estaci√≥n geot√©rmica en ning√ļn lugar (antes de comenzar a trabajar, aseg√ļrese de que su casa de verano est√© en un lugar adecuado). Como regla, los lugares adecuados son aquellos donde hay una fuerte actividad geol√≥gica: a menudo ocurren terremotos y hay volcanes activos.

Tipos de centrales geotérmicas


Dependiendo de qué fuente de energía geotérmica esté disponible (por ejemplo, en su DSC), elegirá el tipo de estación de energía. Entenderemos lo que son.

Estación hidrotermal

Un diagrama simplificado de una planta de energ√≠a hidrotermal de ciclo directo ser√° claro incluso para un ni√Īo: el vapor caliente se eleva desde el suelo a trav√©s de una tuber√≠a, que hace girar la turbina del generador, y luego se precipita a la atm√≥sfera. Es realmente as√≠ de simple si tenemos la suerte de encontrar una fuente de vapor adecuada.


Ciclo directo GeoTES. Fuente: Ahorro de energía

Si el vapor que tiene disponible no supera el vapor, sino las mezclas de vapor y agua con temperaturas superiores a 150 ¬į C, se requerir√° una estaci√≥n de ciclo combinado. Delante de la turbina, el separador separar√° el vapor del agua: el vapor ir√° a la turbina y el agua caliente se descargar√° en el pozo o se transferir√° al expansor, donde a baja presi√≥n emitir√° vapor adicional para la turbina.

Si su caba√Īa de verano no tiene suerte con las aguas termales, por ejemplo, si la temperatura del agua subterr√°nea es inferior a 100 ¬į C a una profundidad econ√≥micamente aceptable, y realmente desea tener un GeoTES, deber√° construir una estaci√≥n geot√©rmica binaria compleja, cuyo ciclo fue inventado en la URSS . En √©l, el fluido del pozo no se suministra a la turbina de ninguna forma. En cambio, en un intercambiador de calor, calienta otro fluido de trabajo con un punto de ebullici√≥n m√°s bajo, que, convirti√©ndose en vapor, hace girar la turbina, se condensa y regresa a la c√°mara de intercambio de calor. Dichos fluidos de trabajo pueden ser, por ejemplo, fre√≥n, una de cuyas especies (fluorodiclorobromometano) hierve incluso a 51,9 ¬į C. El ciclo binario se puede combinar con el ciclo combinado, cuando se suministrar√° vapor a una turbina, y el agua separada se enviar√° a otro circuito para calentar el refrigerante con un punto de ebullici√≥n bajo.


Ciclo binario GeoTES. Fuente: Ahorro de energía

Estacion Petrotermica

Las fuentes subterráneas calentadas son un fenómeno muy raro a escala planetaria, como probablemente se notará, que limita drásticamente el área potencial para la introducción de energía geotérmica, por lo que se desarrolló un enfoque alternativo: si no hay agua en las profundidades calientes de la corteza terrestre, entonces debe bombearse allí. El principio petrotérmico implica la inyección de agua en un pozo profundo con roca calentada, donde el líquido se convierte en vapor y regresa a la turbina de la planta de energía.


Diagrama simplificado de una planta de energía petrotérmica.

Es necesario perforar al menos dos pozos: se suministrará agua a uno desde la superficie para que del calor de las rocas se convierta en vapor y salga por otro pozo. Y luego el proceso de generación de electricidad será completamente similar a la estación hidrotermal.

Naturalmente, no es realista conectar dos pozos bajo tierra a una profundidad de varios kilómetros: el agua entre ellos se comunica debido a las fracturas resultantes del bombeo de fluidos bajo una presión tremenda (fracturación hidráulica). Para evitar que las grietas y los vacíos se cierren con el tiempo, se agregan gránulos, por ejemplo arena, al agua.

En promedio, un pozo para un proceso petrot√©rmico produce un flujo de mezcla de vapor y agua suficiente para generar 3-5 MW de energ√≠a. Hasta ahora, dichos sistemas no se han implementado en ning√ļn lugar a nivel industrial, pero el trabajo est√° en curso, en particular, en Jap√≥n y Australia.

Los beneficios de la energía geotérmica.


De lo anterior, se deduce que el uso del calor de la Tierra para generar electricidad a escala industrial, la compa√Ī√≠a no es barata. Pero muy beneficioso por varias razones.

Inagotabilidad Las centrales el√©ctricas que utilizan combustibles f√≥siles (gas natural, carb√≥n, fuel oil) dependen en gran medida del suministro de este mismo combustible. Adem√°s, el peligro radica no solo en el cese de suministros debido a desastres o cambios en la situaci√≥n pol√≠tica, sino tambi√©n en un aumento espasm√≥dico no planificado en los precios de las materias primas. A principios de la d√©cada de 1970, debido a las turbulencias pol√≠ticas en el Medio Oriente, estall√≥ una crisis de combustible que condujo a un aumento de cuatro veces en los precios del petr√≥leo. La crisis dio un nuevo impulso al desarrollo del transporte el√©ctrico y los tipos alternativos de energ√≠a. Una de las ventajas de usar calor terrenal es su inagotable pr√°ctica (como resultado de las acciones humanas, al menos). El flujo de calor anual de la Tierra a la superficie es de aproximadamente 400,000 TW ¬∑ h por a√Īo, que es 17 veces m√°s que durante el mismo per√≠odo que producen todas las plantas de energ√≠a del mundo. La temperatura del n√ļcleo de la Tierra es de 6000 ¬į C, y la velocidad de enfriamiento se estima en 300-500 ¬į C durante mil millones de a√Īos. No se preocupe si la humanidad puede acelerar este proceso perforando pozos y bombeando agua all√≠: una ca√≠da en la temperatura central de 1 grado libera 2 ¬∑ 1020 kWh de energ√≠a, que es millones de veces m√°s que el consumo anual de electricidad de toda la humanidad.

Estabilidad La energía eólica y solar son extremadamente sensibles al clima y la hora del día. No hay luz solar, no hay generación, la estación deja una reserva de baterías. El viento se ha debilitado: nuevamente no hay generación, nuevamente entran en juego baterías sin capacidad infinita. Sujeto a los procesos técnicos para el retorno de agua al pozo, la central hidroeléctrica operará continuamente las 24 horas, los 7 días de la semana.

Compacidad y conveniencia para √°reas dif√≠ciles. Alimentar √°reas remotas con infraestructura aislada no es una tarea f√°cil. Se complica a√ļn m√°s si el √°rea tiene un acceso de transporte deficiente y el terreno no es adecuado para la construcci√≥n de centrales el√©ctricas tradicionales. Una de las ventajas importantes de las plantas de energ√≠a geot√©rmica es su compacidad: dado que el refrigerante se toma literalmente del suelo, se construyen una sala de turbinas y un generador y una torre de enfriamiento en la superficie, que juntos ocupan muy poco espacio.

Una estaci√≥n geot√©rmica con una generaci√≥n de 1 GW ¬∑ h / a√Īo ocupar√° un √°rea de 400 m2, incluso en las tierras altas de una estaci√≥n de energ√≠a geot√©rmica, se requerir√° un √°rea muy peque√Īa y una carretera. Para una estaci√≥n solar con la misma salida, se requerir√°n 3240 m2, para una estaci√≥n e√≥lica - 1340 m2.

Respetuoso del medio ambiente. El funcionamiento de la estación geotérmica en sí es prácticamente inofensivo: su emisión de dióxido de carbono a la atmósfera se estima en 45 kg de CO2 por 1 kWh de energía generada. A modo de comparación: en las estaciones de carbón, el mismo kilovatio-hora representa 1000 kg de CO2, en las estaciones de petróleo - 840 kg, gas - 469 kg. Sin embargo, las plantas nucleares representan solo 16 kg, algo, y producen un mínimo de dióxido de carbono.

La posibilidad de miner√≠a paralela. Sorprendentemente, es un hecho: en algunas unidades de energ√≠a de GeoTES, adem√°s de la electricidad, tambi√©n producen gases y metales disueltos en una mezcla de vapor y agua proveniente del subsuelo. Simplemente podr√≠an volver a colocarse en el pozo junto con el vapor condensado gastado, pero, dados los vol√ļmenes de elementos √ļtiles que pasan por la estaci√≥n de energ√≠a geot√©rmica, ser√≠a m√°s razonable establecer su producci√≥n. En algunas √°reas de Italia, el vapor de los pozos contiene 150-700 mg de √°cido b√≥rico por kilogramo de vapor. Una de las plantas de energ√≠a hidrotermal locales de 4 MW consume 20 kg de vapor por segundo, por lo que la producci√≥n de √°cido b√≥rico se coloca all√≠ de manera industrial.

Desventajas de la energía geotérmica.


El fluido de trabajo es peligroso. Como se se√Īal√≥ anteriormente, los Geo-TPP no producen emisiones t√≥xicas adicionales, solo una peque√Īa cantidad de di√≥xido de carbono, un orden de magnitud menor que el de los TPP a gas. Lo cual, sin embargo, no significa que el agua subterr√°nea y el vapor sean siempre sustancias puras, similares al agua potable mineral. Una mezcla de vapor y agua de las profundidades de la tierra est√° saturada de gases y metales pesados ‚Äč‚Äčque son caracter√≠sticos de una parte particular de la corteza terrestre: plomo, cadmio, ars√©nico, zinc, azufre, boro, amon√≠aco, fenol, etc. En algunos casos, un c√≥ctel tan impresionante fluye a trav√©s de las tuber√≠as hacia el GeoTES que su descarga a la atm√≥sfera o cuerpos de agua causar√° inmediatamente un desastre ambiental local.


El resultado de la acción del agua geotérmica sobre metales.

Sujeto a todos los requisitos de seguridad, el vapor enviado a la atm√≥sfera se filtra cuidadosamente de metales y gases, y el condensado se bombea nuevamente al pozo. Pero en caso de situaciones de emergencia o violaci√≥n intencional de los reglamentos t√©cnicos, la estaci√≥n geot√©rmica puede causar algunos da√Īos al medio ambiente.

Alto costo por kilovatio. A pesar de la relativa simplicidad del dise√Īo del GeoTES, las inversiones iniciales en su construcci√≥n son considerables. Se gasta mucho dinero en exploraci√≥n y an√°lisis, como resultado de lo cual el costo de las estaciones geot√©rmicas fluct√ļa al nivel de $ 2800 / kW de capacidad instalada. Para comparaci√≥n: TPP - $ 1000 / kW, turbinas e√≥licas - $ 1600 / kW, planta de energ√≠a solar - $ 1800-2000 / kW, planta de energ√≠a nuclear - alrededor de $ 6000 / kW. Adem√°s, el costo promedio se da para la estaci√≥n de energ√≠a geot√©rmica, que puede variar mucho seg√ļn el pa√≠s, la topograf√≠a, la composici√≥n qu√≠mica del vapor y la profundidad de perforaci√≥n.

Relativamente baja potencia. Los Geo-TPP, en principio, a√ļn no se pueden comparar en t√©rminos de generaci√≥n de electricidad con centrales hidroel√©ctricas, centrales nucleares y centrales t√©rmicas. Incluso cuando se perfora una gran cantidad de pozos, el flujo de vapor seguir√° siendo peque√Īo, y la electricidad generada ser√° suficiente solo para ciudades peque√Īas.

El complejo de energ√≠a geot√©rmica The Geysers m√°s poderoso para 2019 se extiende sobre un √°rea de 78 km2 en California, EE. UU. Consiste en 22 estaciones hidrotermales y 350 pozos con una capacidad instalada total de 1,517 MW (producci√≥n real de 955 MW), que cubren hasta el 60% de los requerimientos de energ√≠a de la costa norte del estado. La capacidad total de The Geysers es comparable al reactor sovi√©tico RBMK-1500, que una vez trabaj√≥ en la central nuclear de Ignalina, donde hab√≠a dos, y la central nuclear en s√≠ se encontraba en un √°rea de 0,75 km2. Los Geo-TPP con una generaci√≥n de 200-300 MW se consideran muy potentes, mientras que la mayor√≠a de las estaciones en todo el mundo funcionan con n√ļmeros de dos d√≠gitos.


La estación hidrotermal combinada del complejo The Geysers en California. Y hay 22. Fuente: Wikimedia / Stepheng3

¬ŅD√≥nde funciona todo y qu√© tan prometedor es?


A partir de 2018, las plantas de energía geotérmica en todo el mundo generan más de 14.3 GW de energía, mientras que en 2007 produjeron solo 9.7 GW. Sí, no es una revolución geotérmica, pero el crecimiento es evidente.

El líder en producción geotérmica es Estados Unidos con sus 3.591 MW. Valor impresionante, que, sin embargo, es solo el 0.3% de la producción total del país. Luego viene Indonesia de 1948 MW y 3.7%. Pero en tercer lugar, comienza la diversión: en Filipinas, las plantas de energía geotérmica tienen una capacidad instalada de 1868 MW, mientras que representan el 27% de la electricidad del país. ¡Y en Kenia - 51%! Japón también se encuentra entre los diez primeros en términos de la cantidad de kilovatios generados por el Geo-TPP.

La primera estaci√≥n de energ√≠a geot√©rmica, Matsukawa, se inaugur√≥ en Jap√≥n en 1966. Gener√≥ 23.5 MW, y Toshiba produjo la turbina y el generador para ello. En la d√©cada de 2010, la energ√≠a geot√©rmica se convirti√≥ en la m√°s demandada en los pa√≠ses de √Āfrica, donde comenz√≥ la conclusi√≥n activa de los contratos y la construcci√≥n de GeoTPS. En 2015, Kenia abri√≥ la estaci√≥n Olkaria IV, una de cuatro, ubicada en el √°rea de Olkaria a 120 km de Nairobi, con una capacidad de 140 MW. Con su ayuda, el gobierno reduce su dependencia de las centrales hidroel√©ctricas, la descarga de agua de la cual a menudo conduce a inundaciones devastadoras.


GeoTES Olkaria IV en Kenia. Olkaria V y Olkaria VI planean ser comisionados en 2021. Fuente: Toshiba

Los Geo-TPP también se están construyendo activamente en Uganda, Tanzania, Etiopía y Djibouti.

En Rusia, el desarrollo de la energía geotérmica avanza a un ritmo muy pausado, ya que no hay una necesidad especial de construir centrales eléctricas adicionales. En 2015, tales estaciones representaban solo 82 MW.

La estación geotérmica Pauzhet, construida en Kamchatka en 1966, fue la primera en la URSS. Su capacidad instalada inicial era de solo 5 MW, ahora se ha elevado a 12 MW. Después de eso, apareció la estación Paratunskaya con una capacidad de solo 600 kW, el primer GeoTES binario del mundo.

Ahora en Rusia solo hay cuatro estaciones, tres de ellas alimentan a Kamchatka, una m√°s, 3.6 MW Mendeleev GeoPP, abastece la isla Kunashir de la cordillera Kuril.

Hay muchas formas de generar electricidad en nuestro planeta sin la ayuda de combustibles f√≥siles. Algunos de ellos, por ejemplo, la energ√≠a solar y e√≥lica, se utilizan con √©xito ahora. Algunos, como las pilas de combustible de hidr√≥geno, todav√≠a est√°n en la etapa inicial de adaptaci√≥n. La energ√≠a geot√©rmica es nuestra base para el futuro, cuyo potencial total a√ļn no hemos desatado.

Source: https://habr.com/ru/post/442632/


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