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Programa Regional de Entrenamiento Geotérmico (PREG) Diplomado de especialización en geotermia-2013

Universidad de El Salvador Facultad de Ingeniería y Arquitectura Unidad de Postgrados

Proyecto de Graduaciòn Tema: Diseño Conceptual de un Ciclo Binario para una planta geotérmica Presentado Por:

José Carlos Bonilla Barrios (Ing. Mecánico) Oscar Anibar Meléndez Ramírez (Ing. Electricista) Erick Gregorio Reyes Magaña (Ing. Mecánico) Luis Antonio Rivera Ardón (Ing. Mecánico) Director del trabajo: Ing. José Luis Henríquez

Ciudad Universitaria, 4 de Diciembre de 2013

RESUMEN El incremento de la demanda de energía por parte de la sociedad, unido al progresivo encarecimiento de los combustibles fósiles y al impacto ambiental, plantea la necesidad del desarrollo de las fuentes de energía renovables. En este contexto la energía geotérmica juega un papel relevante en cuanto a su impacto en la mejora del suministro energético actual. El objetivo del presente reporte es el diseño conceptual de una planta de Ciclo Binario para el aprovechamiento de las fuentes de energía geotérmica en El Salvador, la ventaja de un Ciclo Binario (ORC) es que puede ser utilizado en sistemas geotérmicos de baja temperatura o en aplicaciones en cascada en campos geotérmicos de alta temperatura para aprovechar la energía disponible en el agua geotérmica a reinyectar. Se le denomina Ciclo Binario ya que adicional al fluido geotérmico, se emplea un fluido secundario en el circuito de potencia. Los principales fabricantes de la tecnología de Ciclo Binario son, ORMAT, TURBODEN, CRYOSTAR, TAS, etc. y en los últimos años FUJI. Los fluidos de trabajo utilizados en el circuito de potencia son, fluidos Orgánicos como Isopentano, npentano, Isobutano y Refrigerantes como R134a, R245fa. Con los resultados obtenidos del modelo conceptual, y la aplicación al Campo Geotérmico de Berlín, se observa que el fluido más apropiado es el Isopentano ya que es el que presenta los mejores resultados y mayores eficiencias en los diferentes modelos que se realizaron. Los resultados nos indican que en un sistema con agua separada a 180 °C y para un diferencial de temperatura de 40 °C, se requerirán 32 kg/s de agua geotérmica para generar un MW de energía eléctrica por medio de un Ciclo Binario. Para el dimensionamiento de los principales componentes de la planta, se obtuvieron resultados en el modelo como: Presión de entrada a la turbina = 21.2 bar-a, Presión de salida de la Turbina = 1.96 bar-a, Flujo de agua geotérmica = 300 kg/s, Flujo de Isopentano = 127.7kg/s, el calor rechazado en el condensador equivale a 42 MW térmicos.

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ÍNDICE. 1. Introducción…………………………………………….…………….…………. Pag.4 2. Objetivos………………………………………………………………….……... Pag.5 3. Ciclos de plantas geotérmicas…………………………….……………………Pag.6 3.1 Clasificación de la fuente geotérmica………….…………………....……. Pag.6 3.1.1 Plantas geotérmicas de El Salvador………..………..…………….. Pag.7 3.2 Ciclos binarios…………….…………………………....………………….. Pag.10 3.2.1 Generalidades………….………………………….………………... Pag.10 3.2.2 Fluidos de trabajo………………...………………………………... Pag.10 3.2.3 Plantas binarias en el mundo…………………….…………..….... Pag.12 3.2.4 Ubicación de las plantas más destacadas…….……………..….. Pag.13 3.2.5 Fabricantes más reconocidos de plantas binarias……….……... Pag.14 3.2.6 Capacidad instalada de plantas geotérmicas en el mundo…..... Pag.17 3.2.7 Características generales de plantas binarias............................ Pag.18 3.3 Componentes y análisis de energía………………………………..……. Pag.20 3.3.1 Análisis en la turbina……………………………………………..…. Pag.20 3.3.2 Análisis en el condensador……………………………………...…. Pag.20 3.3.3 Análisis en las bombas de alimentación……………………......... Pag.21 3.3.4 Análisis en el intercambiador de calor…………………….……… Pag.22 3.3.5 Tipos de sistemas de enfriamiento………………………….…..... Pag.25 3.3.5.1 Sistemas de enfriamiento por medio de agua………….…..... Pag.26 3.3.5.2 Sistema de refrigeración húmeda………………………….….. Pag.26 3.3.5.3 Sistema de enfriamiento en seco…………………………..….. Pag.30 3.4 Modelo conceptual……………………………………………………….... Pag.32 3.4.1 Alcances…………………………………………….……………….. Pag.32 3.4.2 Configuraciones……………………………………..…………….... Pag.32 3.4.2.1 Ciclo de trabajo sin recuperación………………..…………….. Pag.33 3.4.2.2 Ciclo de trabajo con recuperación………………..……………. Pag.33 4

Metodología………………………………………………………..…………... Pag.34

5

Resultados…………………………………………………………...………… Pag.35

6

Conclusiones y recomendaciones…………………………………..………. Pag.40

7

Reconocimientos………………………………………………………..…….. Pag.40

8

Bibliografía………………………………………………………………..……. Pag.40

9

Anexos………………………………………………………………………….. Pag.42

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1. Introducción. El Salvador cuenta con una estructura geológica propicia para la presencia de recursos geotérmicos en el subsuelo. De hecho, estudios realizados al respecto lo corroboran. El aprovechamiento térmico de yacimientos de baja temperatura está comenzando a generar interés en el país para la aplicación eléctrica dentro del territorio nacional.

Por ello, el presente proyecto se centra en un Diseño Conceptual de un Ciclo Binario. Para llevarlo a cabo, se evaluara una ubicación donde exista una temperatura de salida de líquido de separadores adecuada para la implementación de dicho proyecto y definir su viabilidad.

En primer lugar, antes de ubicar la planta en los distintos yacimientos, se realiza un estudio de las centrales geotérmicas de ciclo binario clasificando los recursos geotérmicos en dos rangos de temperatura. Se determina el fluido y la configuración óptima para cada rango con el objetivo de establecer una pauta de diseño a la hora de plantearse la construcción de una planta de estas características.

La ubicación de las planta se determina a través de estudios previos realizados por LaGeo, donde han localizado yacimientos geotérmicos adecuados, determinando su temperatura. Se han ubicado la planta de estudio en: Berlín, Usulután, puesto que existen recursos de baja entalpia propicios a la salida de los separadores ciclónicos.

Una vez determinada la ubicación, accedernos a determinar el fluido de trabajo y la configuración de la planta, y luego se procede al modelado de la misma. Se diseña la planta en su punto nominal teniendo en cuenta que los pozos geotérmicos funcionan al 100% y bajo las condiciones ambientales más frecuentes.

2. Objetivos. General:  Realizar el Modelo conceptual de un ciclo binario para una planta geotérmica.

Específicos:  Analizar las diferentes alternativas de fluidos utilizados en ciclos binarios.  Determinar Ventajas y desventajas de los ciclos binarios respecto a ciclos con flasheo.  Utilizar software Engineering Equation Solver (EES), Para cumplir con el objetivo general.

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3. Ciclos de plantas geotérmicas. Las fuentes de energía geotérmica son variadas y pueden ser utilizadas para diferentes aplicaciones. A continuación se describen los diferentes tipos de energías, y las aplicaciones en las que pueden ser aprovechadas. 3.1 Clasificación de la fuente geotérmica. Clasificación

Aplicaciones Vivienda, Ocio, Salud

Ítem

Observaciones

calefacción con bombas de calorClimatización calefacción por suelo radiante centros de ocio-piscinas balneoterapias-termalismo precalentamiento (agua-aire) agua caliente, sanitaria calefacción urbana

Agricultura, Alimentación

piscinocultura-acuicultura calefacción de invernaderos por el suelo calefacción de invernaderos por el aire precalentamiento (agua-aire) secado de productos agrícolas, madera, pescados fábricas de conservas precalentamiento (agua-aire) deshielo lavado de lanas-tintes secado de productos industriales producción de energía eléctrica en plantas de ciclo binario Industria

1

Geotermia de baja entalpia (Energía Térmica).

cultivo de setas

refrigeración por absorción extracción de sustancias químicas destilación de agua dulce

Las tecnologías de baja entalpía basan su funcionamiento en la transferencia de calor desde el subsuelo, a baja profundidad, hacia tubos colectores cuyos fluidos internos son encargados de transportar la energía térmica Por su parte, los costos de inversión asociados son altamente variables según el sistema seleccionado y el lugar de aplicación, por ejemplo, entre 1.200 y 4.100 USD/kW para el caso de Europa, mientras que sus costos de operación y mantenimiento se sitúan entre 0,04 y 1 USD/ kWh. Dada la necesidad de mayores obras civiles en perforación para el caso de captadores verticales, el costo de inversión se situará en el borde superior del rango de costos, mientras que, para el caso de captadores horizontales, el costo se situará en el borde inferior del rango. EEUU, Filipinas, Indonesia y México son los países con mayor capacidad de generación de energía eléctrica a partir de plantas de ciclo binario. Islandia cubre a casi el 90% de la población con calefacción geotérmica [NREL, 2008].

recuperación de metales producción de energía eléctrica evaporación de soluciones concentradas fabricación de pasta de papel refrigeración por absorción con amoniaco

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Ítem

Clasificación

Aplicaciones

Observaciones

producción de energía eléctrica en plantas de ciclo binario recuperación de metales producción de energía eléctrica

2

Geotermia de Alta Entalpia

Industria

refrigeración por absorción con amoniaco

En términos generales son tecnologías de alta eficiencia en el caso de generación de energía geotérmica, con un rango entre 40 y 65% para generación térmica y entre 10 y 18% para generación de electricidad. [CEC, 2009]. Los costos de inversión dependen del tamaño de la instalación y de la temperatura que pueda obtenerse del recurso geotérmico Las principales barreras son la escasa identificación y catastro de las fuentes disponibles, el alto costo de inversión, sus altos riesgos de exploración y desarrollo y la escasa cultura local en geotermia, sumada a la mayor sensibilidad de la población en temas ambientales EEUU, Filipinas, Indonesia y Mexico son países líderes en utilización de geotermia para obtención de electricidad con este tipo de tecnología [Barbier, 2002

Por su parte, en Latinoamérica, México y El Salvador son líderes en el uso de la geotermia. Tabla 1. Desglose de los tipos de energía Geotérmica.

3.1.1 Plantas geotérmicas en El Salvador. a. Planta geotérmica de AHUACHAPAN. La Central Geotérmica se encuentra ubicada a 103 km. al Oeste (occidente) de la ciudad capital, en el sector norte de la cordillera de Apaneca, en el lugar conocido como Cantón Santa Rosa Acacalco del Municipio y Departamento de Ahuachapán, e incluye la zona que actualmente está en explotación, la zona de Chipilapa en donde se reinyecta el agua residual y la zona de Cuyanausul, un área actualmente en exploración. Las elevaciones promedio del campo geotérmico oscilan entre los 700 a 950 msnm.

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Figura 1. Central Geotérmica de Ahuachapan, El Salvador.

La energía producida de esta planta es producto de la operación de dos unidades a condensación de una entrada de presión (single flash) de 30 MW cada una, ambas de la marca Mitsubishi. Estas turbinas son de cinco etapas de tipo impulso que operan a una velocidad de 3,600 RPM. Para una carga completar requieren de 520 t/h (144 kg/s) de vapor saturado a una presión de entrada de 4.6 bar-g que proviene de dos tanques a presión que son los colectores del vapor producido por una serie de pozos productores. A la salida de turbina se localiza un condensador del tipo barométrico de contacto directo en donde se rocía agua líquida proveniente de una torre de enfriamiento de cinco celdas del tipo flujo cruzado tiro forzado. El flujo total de agua de enfriamiento es aproximadamente 8,650 m3/h a una temperatura ambiente de 27 ºC, la presión promedio del condensador es de 0.085 bar-a. En el condensador se encuentra un sistema de extracción de gases del tipo “eyector” que posee un sistema de enfriamiento que enfría 0.2% en peso de los gases no condensables que entran junto con el vapor geotérmico. El sistema de extracción de gases es de dos etapas con Inter condenser y after condenser, estos eyectores requieren para operar un flujo de vapor de 4,100 kg/h de vapor para comprimir el gas desde las condiciones de vacío en el condensador a las condiciones atmosféricas externas en la zona de descarga. Las turbinas se encuentran acopladas directamente a un generador síncrono con excitación sin escobillas y sistema de enfriamiento por intercambiador para evitar contaminación con gas sulfídrico (H2S). La capacidad nominal del generador es de 35 kVA a un factor de potencia de 0.85. El voltaje a la salida del generador es de 13.8 kV, el cual es acoplado a la red nacional de 115 kV por medio de una sub estación. Programa Regional de Energía Geotérmica | 8

La tercera unidad de la central es marca Fuji de doble entrada de presión (double flash) con una capacidad de 35 MW, entró en operación comercial en 1981. A diferencia de las otras dos unidades esta utiliza un vapor de menor presión (1.5 bar-a) el cual se obtiene de un proceso doble de separación del fluido geotérmico. Para llevar a cabo este proceso, el agua separada de cada pozo es conducida a dos separadores de baja presión (flashers) del cual se obtiene el vapor de baja presión (BP) que es llevado a la entrada BP de la turbina por medio de un colector BP. Con esta modificación la salida de la central se incrementó en un 20%. La turbina de la tercera unidad es de 7 etapas del tipo de reacción y opera a una velocidad de 3,600 RPM. El vapor MP requerido es de 170 t/h a 5.6 bar-a mientras que el vapor BP es 145 t/h a 1.5 bar-a para generar a plena carga. La potencia nominal del generador es de 40,000 kVA a una factor de potencia de 0.875, es del tipo síncrono con excitación sin escobillas y enfriamiento por intercambiador. b. Planta geotérmica de Berlin. La Central Berlín se encuentra ubicada a 120 km. al Este (oriente) de la ciudad capital, en el flanco norte del complejo volcánico Berlín-Tecapa, en el lugar conocido como Cantón Montañita del Municipio de Alegría y Departamento de Usulután. Las elevaciones promedio del campo geotérmico oscilan entre los 650 a 950 msnm. Figura 2. Central Binaria planta Geotérmica de Berlin.

La Central Geotérmica de Berlín cuenta con una capacidad instalada de 109 MW con Tres Unidades a Condensación y una unidad de Ciclo Binario. Unidades a condensación son marca Fuji de 28.1 MW cada una, ambas de una sola entrada de presión (10 bar-a) que proviene de dos colectores de vapor. El vapor a la salida entra a un condensador de contacto directo de bajo nivel y la presión de operación del condensador es de aproximadamente 0.01 bar-a, ambas unidades disponen de eyectores de doble etapa para la extracción de gases no condensables. El flujo de agua en el condensador es de 6,480 m3/h a una temperatura de 29 ºC. La mezcla de agua y condensado en el condensador alcanza una temperatura de alrededor de 42.4 ºC a una presión de operación del condensador de 0.098 bar-a. Programa Regional de Energía Geotérmica | 9

Cada una de las unidades generadoras requiere para plena carga un flujo de vapor de 186.2 t/h (51.72 kg/s) que incluye el vapor para los eyectores. El vapor geotérmico contiene 0.4% en peso de gases no condensables. Ambos generadores son del tipo síncrono y operan a 3,600 RPM, la capacidad nominal es de 34,000 kVA a un factor de potencia de 0.85. El voltaje de salida del generador es de 13.8 kV el cual se conecta la red nacional de 115 kV por medio de una sub estación. La tercera unidad a condensación es marca Nuevo Pignone con una capacidad de 44 MW y la Unidad de Ciclo Binario de Una capacidad de 9.2 MW opera con agua geotérmica y en el circuito de potencia con Isopentano.

3.2 Ciclos Binarios. 3.2.1 Generalidades. Las plantas de ciclo binario son sistemas conformados básicamente por dos loops o lazos, en donde se intercambia energía calorífica entre los fluidos de trabajo. El primero de los loop es el del fluido geotérmico, este generalmente es denominado de mediana entalpia, ya que no sobrepasa los 180 °C y puede ser extraído desde el reservorio, o puede ser aprovechado del residuo que queda de un sistema de alta entalpia (fluido a la salida de la turbina). El segundo es un loop cerrado y pertenece al fluido de trabajo. Para los ciclos binarios destacan dos ciclos que actualmente toman auge en el mercado geotérmico mundial. El primero es el ciclo Kalina el cual usa como fluido de trabajo amoniaco, mientras que los segundos son los llamados ORC que utilizan fluidos de trabajo orgánicos como el Isopentano o el n-pentano y cuyo punto de ebullición es mucho menor que el del agua. Las plantas binarias en comparación a las de Flasheo, son más complejas debido a que estas utilizan diferentes equipos que permiten el mejor aprovechamiento de la anergia en el loop del fluido de trabajo, y entre los cuales podemos mencionar: Precalentadores. Evaporadores. Recuperadores. Sistemas de enfriamiento. Bombas.

3.2.2 Fluidos de trabajo. A diferencia de los ciclos de Rankine convencionales, los Ciclos de Rankine Orgánicos (ORC) utilizan un fluido orgánico en lugar de agua. Este tipo de fluidos permiten el aprovechamiento de temperaturas moderadas para la generación eléctrica debido a sus propiedades termodinámicas. Además presentan ventajas con respecto al agua, como son:

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Pendiente positiva de la línea de vapor saturado en el diagrama T‐s: Esta propiedad evita tener que sobrecalentar el fluido de trabajo, para controlar la humedad a la salida de la turbina, pudiéndose realizar la expansión en la turbina a partir de vapor saturado. Esto se debe a que o hay riesgo de presencia de humedad a la salida de la turbina. Esta propiedad determina que a la salida de la turbina la temperatura del fluido sea aún elevada, con lo que se puede implantar una regeneración sin necesidad de realizar extracciones en la turbina. Entalpia de vaporización reducida: Permite que el recuperador se reduzca a un intercambiador de calor, con la consiguiente simplificación de la instalación. Temperatura y presión crítica bajas: Esto facilita la utilización de ciclos supercríticos. La selección del fluido de trabajo es de gran importancia para el diseño del ciclo. Hay gran variedad de fluidos orgánicos, pero también hay una serie de requisitos termodinámicos y medioambientales que éstos deben cumplir para poder ser utilizados en un ORC. Presión de condensación superior a la atmosférica: Esto es interesante, puesto que imposibilita la entrada de aire al ciclo, lo que supone prescindir del desgasificador, simplificando de este modo la configuración del ciclo. Hay que prestar especial atención a la temperatura del foco frío, debido a que algunos fluidos tienen la presión de saturación muy próxima a la atmosférica a condiciones ambiente, como es el caso del n‐pentano y del Isopentano No implique un peligro medioambiental: Que no tenga componentes que destruyan la capa de ozono ni causen efecto invernadero. Por tanto hay que evitar el uso de todos aquellos fluidos que tengan un elevado GWP u ODP. Que las presiones de diseño no superen los valores estándar de la industria: 25 bares para intercambiadores sencillos y 40 bar para intercambiadores avanzados [9]. En el diseño, se han tomado como presiones máximas en estos equipos, 23,5 bares para los intercambiadores de los ciclos subcríticos y 38,5 bares para los supercríticos. Gradiente del fluido en el diagrama T‐Q: No todos los fluidos son apropiados para aprovechar una fuente térmica concreta, sino que cada uno tiene un rango de temperaturas de aplicación. El gradiente térmico de la fuente térmica permite el uso de un determinado grupo de fluidos de trabajo. Como fruto de estos requisitos, el número de fluidos a utilizar se reduce a los siguientes: R-134a, Isobutano, Isopentano y n-pentano.

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3.2.3 Plantas binarias en el mundo. No se tiene un total exacto de las plantas binarias que operan actualmente en el mundo, pero si un estimado de proyectos que aprovechan las fuentes de mediana entalpia por medio de esta tecnología. En el siguiente cuadro se hace una reseña de las principales plantas binarias alrededor del mundo. País

Alemania

Argentina Australia

Austria

China

El Salvador Etiopia Francia Islandia

Italia

Japon Kenia Mexico Nicaragua

planta Bruchsal1 Geretsried Nord, Bavaria landau Neustadt Glewe Simbach ND Copahue, Neuquen2 Birdsville, Queensland Marktgemeinden, Atheim Rogner Hotel, Blumau Denwu 2, Guangdong Hualai, Hebei Nagqu, Tibet Tu Chang, Taiwan Wentang, jiangxi Yingkou, liaoning Campo geotérmico de Berlin. Aluto-Langano, Rift Valley Soultz-Sous-Forets ND Husavik2 svartsengi Castelnouvo Val di Cecina Latera Travale 21, Comune di Radicondoli hatchobaru oserian Los Azufres, Michoacan Maguarichi, Chihuahua2 KA-24, Campo

Potencia (MW) 0.58

Fabricante Energent

5.0

Enex

2.9 0.25 0.2 3.3

Ormat Gmk Turboden Cryostar

0.67

Ormat

0.15

Ergon

1.0

Turboden

0.2

Ormat

0.3

ND

0.2 1.0 0.3 0.05 0.1

ND Ormat Ormat ND ND

7.8

Enex

7.3

ND

2.2 1.5 2.0 5.2

Turboden Cryostar Mannvit Ormat

1.3

Enel

2.0

ND

0.7

Ormat

2.0 1.8

Ormat Ormat

3.3

Ormat

0.3

Ormat

8.0

Ormat

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Nueva Zelanda Portugal

Rusia Tailandia Turquia

Estados Unidos

Geotermico Momotombo TG2, Kawerau San Miguel 2, Islas Azores Paratunsky, Kamchatka Pauzhetsky, kamchatka

3.7

ND

4.7

Ormat

0.75

Ormat

2.5 Rus Hydro-JSC Geoencon Ormat

fang

0.3

Bereket Dora 1 tuzla Amedee Hot Springs, California Anaheim, California Blundell, Utah Brady, Nevada Casper, Wyoming Chena Hot Springs, Alaska

6.99 7.35 7.5

CoveFort, Utah

3.2

Empire, Nevada Goose Lake, Oregon Hammersly Canyon, Oregon Lightning Dock, Nuevo Mexico Oregon Institute of Technology, oregon Soda Lake 1, Nevada Soda Lake 2, Nevada Thermo Hot Springs, Utah Wabuska, Nevada Wendel Hot Springs, California Wineagle Development, California

3.6

United Technologies Corp. ND

0.04

Ormat

0.3

Rockford

0.24

ND

0.28

Ormat

1.1

Enel

9.6

Ormat

10.0

Enel

1.55

Raser

0.7

Ormat

0.6

Baraber & Nichols

Ormat

2.0

Ormat

10.0 10.6 2.2 0.25

Barber & Nichols Raser Ormat Ormat

0.2

ND

Tabla 2. Plantas de ciclo binario y su capacidad instalada.

3.2.4 Ubicación de las plantas más destacadas. A continuación se presentan algunas de las plantas binarias más reconocidas en el continente americano, debido a la gran popularidad de estas, se tomaron como ejemplo para este caso en específico las plantas binarias de la empresa Ormat. Programa Regional de Energía Geotérmica | 13

Dicha compañía cuenta con 15 proyectos que van desde el norte de los Estado Unidos hasta Costa rica, consolidándose de esta forma como el más grande productor y fabricante de tecnología binaria hasta la fecha.

Figura 3. Ubicación de plantas de ciclo binario de Ormat.

3.2.5 Fabricantes más reconocidos de plantas binarias. Se enlistan a continuación los fabricantes más destacados en cuanto a tecnología binaria nos referimos.

Ormat. (Israel – Estados Unidos) 250 kW – 20 MW Turbina axial / npentano

Datos Es la compañía productora de plantas de ciclo binario número uno en el mundo. Con más de 1300 MW instalados en 71 países y propietario de 520 MW de dicho proyectos, Ormat ofrece tecnología probada y ampliamente utilizada de manera comercial en diferentes latitudes. La compañía utiliza ciclo Rankine orgánico simple y se caracteriza por la utilización de turbinas axiales de múltiples etapas en el conjunto de turbogenerador. Ventajas Desventajas Tecnología comercial. Riesgos con el fluido de trabajo. Turbina axial. Costos elevados Caja de (3000 – 4000 engranes/acople USD/kW) directo. Tiempos largos de Generador entrega. síncrono/asíncrono Condensador con agua de mar/dulce/aire. Servicio. Programa Regional de Energía Geotérmica | 14

Turboden. (Italia – Estados Unidos) 400 kW – 2MW Turbina Axial / OMTS

PRATT & WITHNEY (Estado Unidos) Turboexpansor radial / R245fa

Barber & Nichols (Estados Unidos) 350 kW – 2 MW Microturbina de

Datos. Con poco más de 197 MW y 181 centrales en 19 países de mundo, probablemente sea el más cercano competidor de Ormat. Sus aplicaciones incluyen recuperación de calor, quema de biomasa y geotermia de baja entalpia. La compañía de origen italiano fundado en 1980 fue adquirida en 2009 por el consorcio estadounidense UTC. Utiliza como ciclo de generación el ciclo Rankine orgánico con regenerador, lo que hace más eficiente. Utiliza turbinas axiales y como fluido de trabajo octamethiltrisiloxano (OMTS). Ventajas. Desventajas. Tecnología comercial. Tiempo de entrega. Proyectos llave en Generador asíncrono. mano. Condensador agua Acople directo. dulce. Servicio. Refrigerante ecológico. Datos. Miembro del consorcio norteamericano UTC, Pratt & withney ha tomado gran impulso en el mercado de plantas de ciclo binario gracias al lanzamiento de sistema modular de generación con ciclo binario llamado PureCycle. Sus aplicaciones aprobadas incluyen recuperación de calor en gases de escape y generación con recursos geotérmicos de baja temperatura. Utiliza como ciclo de generación el ORC simple y sus plantas modulares prefabricadas ofrecen una gran versatilidad de aplicación y factibilidad de escalamiento, pero requieren equipos adicionales de intercambio de calor para condiciones atípicas. Entre sus más relevantes proyectos destacan: Thermo Hot Spring en Utah con 11Mw en 50 plantas modulares; Chena Hot Spring en Alaska con 400 kW; una planta de 280 kW instalada en Oregón. Ventajas. Desventajas. Tecnología comercial. Turboexpans-or radial. Proyectos llave en mano. Condensador de agua dulce. Acople directo. Baja eficiencia. Generador síncrono/asíncrono. Servicio. Tiempo de entrega. Facilidad de financiamiento y renta. Refrigerante ecológico. Datos. Líder en soluciones de turbomaquinaria desde el año de 1966, sus soluciones se caracterizan por la alta especialización del equipo rotativo que incluye microturbinas Programa Regional de Energía Geotérmica | 15

alta velocidad / Tolueno.

Cryostar (Francia) 500 kW – 15 MW Turboexpansor radial / IC4 / IC5 / R134a

GMK (Alemania) 500 kW – 5 MW

de alta velocidad para diferentes aplicaciones, entre ellas geotermia. Utiliza ORC simple e incluye, el uso de altas velocidades exige implementar rodamientos magnéticos de alta especialización que reducen al mínimo las perdidas por fricción. El fluido de trabajo preferido de la compañía es el tolueno, aunque pueden trabajar con algunos otros como el R134a y el R254fa. Ventajas. Desventajas. 115°C hot. Generador asíncrono. Tecnología comercial. Tolueno. Proyecto llave en mano. Servicio. Turbina axial. Acople directo. Datos. Fundada en Francia en 1986, es la segunda empresa más importante de fabricación de plantas binarias en Europa. Ofrece proyectos llave en mano para aplicaciones de recuperación de calor, cogeneración de energía y calor, además de geotermia de baja entalpia, sistemas geotérmicos mejorados y sistemas geo presurizados. Utiliza ORC con regenerador, la turbina es de tipo radial de alta eficiencia, acoplada directamente a un generador de alta velocidad con rodamientos magnéticos, aunque ofrece también la alternativa de reducción para instalar un generador de baja frecuencia con rodamientos lubricados. Ventajas. Desventajas. Recurso desde 100Turboexpans-or axial. 400°C Hot. Condensación con Sistemas probados. agua dulce o aire. Generador síncrono o Tiempo de entrega. asíncrono. Acople por engrane/directo. Refrigerante ecológico/hidrocarbur os. Servicio. Datos. Fundada en 1994, hoy es una filial de Germania Technologieholging GmbH, quien posee todas las acciones como productor de modelos ORC. Utiliza ciclo ORC simple con un refrigerante ecológico, libre de flúor y no toxico, desarrollado y patentado por la misma empresa. El 90% de la planta es fabricada por empresas propias, excepto la turbina AFA10 que es de flujo axial de una etapa fabricada por SIEMENS. Ventajas. Desventajas. 100-250°C hot. Fluido exclusivo. 50/60 Hz. Fluido ecológico. Programa Regional de Energía Geotérmica | 16

TAS (Estados Unidos) 500 kW – 15 MW

Infinity Turbine. (Canada) 1 kW – 400 kW Turboexpansro radial / R245fa

ADORATEC (Alemania) 300 kW – 2.4 MW Turbinas diversas/fluido

Datos. TAS diseña y fabrica módulos de conversión de energía, y sistemas de refrigeración. Fue fundada en 1999 y tiene su sede en Houston Texas, con operaciones adicionales en el medio orienta y el sudeste asiático. Esta empresa, ofrece una amplia gama de opciones para desarrollar sistemas adaptables a las necesidades específicas del proyecto. Su argumento técnico mas solido es el uso de un sistema ORC supercrítico con un refrigerante no inflamable. Ventajas. Desventajas. 94°C Hot. Escasa información. Datos. Compañía joven localizada en Canadá que se originó como “spin off” de la empresa Global Energy. Ofrece tecnología de ciclo binario para desarrollo propio y proyectos llave en mano, con aplicaciones para recuperación de calor, biomasa y geotermia. Ha vendido algunas plantas alrededor del mundo pero no tiene ninguna con recurso geotérmico. Utiliza ORC simple con R245fa como fluido de trabajo. Inicialmente utilizaba turbinas de tornillo para la generación de potencial pero a últimas fechas ha cambiado progresivamente a la utilización de un turboexpansor radial. Ventajas. Desventajas. Generador Solo probado en síncrono/DC. laboratorio. Acople directo. Turboexpansor. Refrigerante Condensador de ecológico. agua dulce. Intercambiador de Carece de placas. certificación. Servicio. Aun no tiene proyectos Tiempo de entrega. geotérmicos. Datos. Produce plantas prefabricadas que se transportan en unidades a los sitios de instalación, lo que implica una instalación más rápida, fácil y con menores costos de inversión y mayor seguridad de planificación. Las aplicaciones incluyen recuperación de calor, biomasa y geotermia. A pesar de que ha instalado diversas centrales para aplicaciones de recuperación de calor y biomasa, hasta la fecha no ha instalado plantas en campos geotérmicos. Ventajas. Desventajas. Rápida instalación. Piezas de distintos fabricantes. Menor inversión. Aun sin aplicaciones Servicio post venta. geotérmicas. Tabla 3. Principales fabricantes de plantas de ciclo binario.

3.2.6 Capacidad Instalada de plantas geotérmicas en el mundo. Se lista a continuación la capacidad geotermoeléctrica mundial, como se observa en la tabla, Estados Unidos es el mayor productor de energía eléctrica con un 28.86% del Programa Regional de Energía Geotérmica | 17

total instalado a nivel mundial, seguidos por Filipinas con un 17.76%, Indonesia con un 11.17% y en noveno lugar con un porcentaje neto de 1.9% El Salvador. rank 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.

Pais. Estados Unidos Filipinas Indonesia Mexico Italia Nueva Zelanda Islandia Japón El Salvador Kenia Costa Rica Nicaragua

MW rank Pais. 3093.5 13. Rusia 1904.0 14. Turquía 1197.3 15. Papua-Nueva Guinea 958.0 16. Guatemala 842.5 17. Portugal 628.0 18. China 574.6 19. Francia 536.0 20. Alemania 204.4 21. Etiopia 167.0 22. Austria 165.5 23. Australia 87.5 24. Tailandia TOTAL 10716.9 MW

MW 81.9 81.6 56.0 52.0 28.5 24.2 16.2 8.1 7.3 1.4 1.1 0.3

Tabla 4. Distribución de la potencia total instalada

Del total de capacidad instalada, cabe destacar que en conjunto el porcentaje neto generado por las plantas binarias del mundo es del 1.6%, dicho porcentaje está distribuido en 56 plantas que se listan a continuación. País Estados Unidos Alemania China Tailandia Turquía Austria Francia Islandia Mexico Portugal Rusia Argentina Australia El Salvador Etiopia Japón Kenia Nicaragua Nueva Zelandia Tailandia Total:

Número de Plantas 17 6 6 3 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 56

Capacidad (MW) 74.26 12.23 1.95 4.0 16.85 1.2 3.7 7.2 3.6 5.45 2.8 0.67 0.15 7.8 7.3 2.0 1.8 8.0 3.7 6.9 171.56

Tabla 5. Capacidad instalada mundial de plantas binarias.

3.2.7 Características generales de algunas plantas binarias del mundo. Planta Binaria de Zunil Es una planta que usa tecnología OEC desarrollada por ORMAT. Este tipo de tecnología por lo general se compone de módulos que tienen igual capacidad. Programa Regional de Energía Geotérmica | 18

A continuación se mencionan las especificaciones técnicas de cada OEC. Componente Turbina

Generador Vaporizador Condensador Fluido de trabajo

Características Tipo: Impulso Velocidad: 1800 rpm Construcción: Horizontal al eje No. de etapas: 2 Capacidad: 4090 kW Voltaje de Salida: 13.2 kV, 3 fases, 60 Hz Eficiencia: 96% a plena carga Tipo: carcaza y tubo 7 módulos de 8 condensadores 18 ventiladores por modulo Isopentano Consumo de Bomba de Alimentación 330 kW

Tabla 6. Especificaciones técnicas planta Zunil, Guatemala.

Planta binaria Maguarichic Se encuentra ubicada en la zona geotérmica de Piedras de Lumbre en la Sierra Madre Occidental de Mexico, a unos 250 Km de la ciudad de Chihuahua Se describen a continuación las características técnicas de la planta. Componente Turbina

Generador

Vaporizador

Condensador Fluido de trabajo Torre de Enfriamiento

Características Tipo: Impulso Velocidad: 3600 rpm Voltaje de Salida: 480 V, 3 fases, 60 Hz Eficiencia: 96% a plena carga Tipo: Síncrono. Conexión: Reductor (3600 a 1800) Tipo: carcaza y tubo Consumo: 65 T/h Temp. descarga: 100°C Tipo: Carcasa y Tubo. Flujo: 400 T/h. Temp. Fría: 21 °C. Isopentano Tiro: Forzado. Numero de ventiladores: 8 Caballaje: 5 HP Material: Fibra de vidrio.

Tabla 7. Especificaciones técnicas Planta Maguarichic, Mexico.

Planta binaria Mahiao. Ubicada en Filipinas, la planta utiliza una combinación entre vapor y ciclo binario para hacer de esta una planta mucho más eficiente y de esa forma aprovechar mejor el recurso. Programa Regional de Energía Geotérmica | 19

Componente Turbina

Generador

Vaporizador

Condensador

Fluido de trabajo

Características Tipo: Impulso Velocidad: 1800 rpm Construcción: Horizontal. No. De etapas: 2 Capacidad: 4500 kW. Voltaje en los terminales: 13.8 kV, 3 fases, 60 Hz. Eficiencia: 96% Tipo: carcaza y tubo Área de transferencia: 4630 m2 No. de puertos de enfriamiento: 9 por unidad. No. De ventiladores: 27 Caballaje: 26.3 Hp Pentano Flujo: 442000 Kg/hr Consumo de la bomba: 220 kW.

Tabla 8. Especificaciones técnicas Planta Mahiao.

3.3 Componentes y análisis de energía. 3.3.1 Análisis en la turbina. El análisis termodinámico del ciclo es en teoría muy sencillo. Comenzando con la turbina binaria, encontramos que el análisis es el mismo que el hecho a una turbina de vapor convencional. Esto nos será de mucha utilidad más adelante, para selecciona los componentes del sistema, teniendo como referencia el diagrama de flujo de la figura. Asumimos que la energía potencial y cinética en el sistema son despreciables y además nos encontramos de frente a un sistema adiabático, entonces la ecuación para él trabaja está determinada por la expresión:

En donde el termino ƞ t, es la eficiencia isentropica de la turbina, la cual es un valor conocido. Para un fluido de trabajo determinado, las propiedades termodinámicas pueden ser encontradas fácilmente a través de las tablas propias del fluido, entonces la salida de la turbina determinara el flujo necesario de nuestro líquido de trabajo.

3.3.2 Análisis en el condensador. De nuevo, la ecuación de trabajo será la misma que utilizamos en los condensadores de vapor convencionales, el calor debe ser expulsado por el flujo de trabajo al medio de enfriamiento, que podría ser agua o aire, y la ecuación que define este suceso es la siguiente:

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La relación entre el flujo del fluido de trabajo y el agua de enfriamiento es: o En donde:

3.3.3 Análisis para las bombas de alimentación. Existen dos clasificaciones de bombas, el primer grupo llamado bombas de desplazamiento positivo y el segundo grupo es conocido con el nombre de bombas rotodinámicas. Las bombas roto dinámicas, en cambio, consiguen incrementar la energía del fluido a base de aumentar la energía cinética -por medio de la deflexión y el efecto centrífugo que provocan los álabes del rodete- recuperando esta energía posteriormente en forma de presión. Dentro de las bombas roto dinámicas existe otra clasificación, se pueden separar en: bombas axiales, mixtas y radiales, según la dirección de salida del flujo con respecto al eje. El nombre común para las bombas radiales es bombas centrifugas. La utilización de bombas axiales está indicada cuando se necesitan grandes caudales con pequeñas alturas de elevación. Las bombas centrifugas, cuando se necesitan grandes alturas y pequeños caudales. Las bombas mixtas constituyen un caso intermedio. En las plantas de ciclo binario, diferentes bombas son usadas en diferentes puntos del sistema. Básicamente, el fluido de trabajo es bombeado desde el condensador hasta el pre calentador. También se encuentran bombas localizadas en el sistema de enfriamiento por agua o en el sistema de enfriamiento húmedo. Estas bombas empujan el agua o el fluido refrigerante al condensador. Las bombas también son utilizadas en el sistema de reinyección del agua residual geotérmica o salmuera. En la siguiente figura se muestran las bombas utilizadas en un ciclo binario.

Figura 4. Esquema general de una planta binaria.

La siguiente ecuación se utiliza para calcular la potencia necesaria para bombear una cierta cantidad de agua Programa Regional de Energía Geotérmica | 21

Considerando flujo másico:

Dónde: : Potencia del motor de la bomba [W] : Altura de la bomba [m] : Caudal o flujo volumétrico [m3/s] m: flujo másico [kg/s] g: aceleración de la gravedad igual a 9.81 m/s 2 : Densidad del fluido [kg/m3] : Eficiencia de la bomba : Eficiencia del motor. Termodinámicamente, se puede expresar la potencia de la bomba en los siguientes términos:

Dónde: : Eficiencia isentropica de la bomba : Entalpia en el punto de salida de la bomba : Entalpia en el punto de entrada de la bomba

Figura 5. Análisis de flujo para la bomba.

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3.3.4 Análisis en el intercambiador de calor (Pre calentador y Evaporador). El análisis para el intercambiador de calor en donde el fluido geotérmico transfiere parte de su energía al fluido de trabajo, es otra sencilla aplicación de los principios termodinámicos y conversión de más. Asumimos que el intercambiador de calor está bien aislado por lo que la transferencia de calor se genera únicamente entre el fluido geotérmico y el fluido de trabajo. Para tener una mejor comprensión del análisis, asumiremos también que el flujo es estable (constante) y que los cambios de la energía cinética y potencial son despreciables. Considerando al sistema termodinámico (pre calentador y evaporador) como un solo paquete, entonces tenemos:

Dónde: : Flujo másico del fluido de trabajo : Flujo másico del fluido geotérmico Ya que en el fluido geotérmico se pueden encontrar gases y sólidos, el miembro izquierdo de la ecuación puede ser reemplazada por el calor específico promedio del fluido geotérmico Cb de la siguiente forma:

La siguiente ecuación puede ser utilizada para determinar el flujo másico del fluido geotérmico, para un ciclo definido:

El diseño de cada intercambiador requiere que examinemos otro diagrama termodinámico, el diagrama de temperatura versus transferencia de calor o mejor conocido como diagrama T-q. En dicho diagrama, la abscisa representa la cantidad total de calor que pasa del fluido geotérmico hacia el fluido de trabajo, el cual puede ser presentado también en porcentaje de unidades de calor (KJ/Kg). El pre calentador, provee de calor sensible para elevar la temperatura del fluido de trabajo hasta el punto 5 que se muestra en la gráfica. La evaporación ocurre desde el estado 5 hasta el 1 la cual como se observa es una isoterma

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Figura 6. Diagrama de temperatura versus transferencia de calor para el pre calentador y evaporador.

El lugar en el intercambiador en donde el fluido geotermal y el fluido de trabajo experimentan el mínimo cambio de temperatura es denominado como pinch-point, y el valor de esa diferencia de temperatura es designada como el cambio de temperatura ΔTpp. Los puntos 4, 5 y 1, pueden ser conocidos por las especificaciones del ciclo. En el estado 4 generalmente nos encontramos con liquido comprimido a la salida de la bomba de alimentación. En el estado 5 nos encontramos con liquido saturado a presión de evaporación, y en el último de los estados (1) nos encontramos con vapor saturado, el mismo vapor que encontramos a la entrada de la turbina, por lo que los dos intercambiadores serán analizados de manera separadas como se muestra a continuación: Pre calentador:

Evaporador:

La temperatura de entrada del fluido geotérmico T a es siempre un valor conocido. La diferencia de temperatura del pinch-point es conocida generalmente por las especificaciones que nos proporciona el fabricante, esto nos permite encontrar T b con el valor conocido de T5.

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La transferencia de calor en la superficie del evaporador entre los dos fluidos es determinado como AE y puede ser determinada por la siguiente relación de transferencia de calor:

En donde es el coeficiente total de transferencia de calor, las siglas LMTD (Log Mean Temperatura Difference) se refieren a la diferencia inicial de temperatura media en el sistema, la cual para el caso del evaporador se estima de la siguiente manera:

Y la razón de la transferencia de calor en el evaporador viene dado por la siguiente expresión:

Entonces la ecuación correspondiente para el pre calentador es:

El coeficiente total de transferencia de calor del sistema, debe de ser determinado por experimentación con el fluido de trabajo apropiado que será utilizado en la planta. Como primera aproximación para los cálculos preliminares, se pueden utilizar los valores de la tabla 1, con la advertencia que el error puede ser muy alto en las primeras iteraciones. De igual manera, el intercambiador puede ser construido en una gran variedad de formas y arreglos, hay factores de corrección que pueden ser utilizados con las ecuaciones que se dieron anteriormente dependiendo de la configuración. 3.3.5 Tipos de sistemas de enfriamiento Para mejorar la producción neta de la planta, es importante desarrollar un sistema de refrigeración que enfríe el vapor saturado que sale de la turbina. Un buen sistema puede enfriar el fluido de trabajo a una presión y temperatura óptima y por lo tanto contribuir a elevar la producción neta de la planta de energía, así como el control de la temperatura de reinyección del fluido geotérmico. Para lograr todo esto, hay diferentes sistemas de refrigeración que utilizan agua o aire como un disipador de calor o una mezcla de ambos. Hay tres tipos de sistemas de refrigeración

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3.3.5.1 Sistema de enfriamiento de agua. 3.3.5.2 Sistema de enfriamiento húmedo. 3.3.5.3 Sistema de refrigeración en seco. En nuestro caso, orientaremos nuestro análisis únicamente a los dos primeros sistemas de refrigeración, ya que son los más utilizados en las centrales que en este estudio se analizan. 3.3.5.1 Sistema de enfriamiento por medio de agua. En el sistema de refrigeración por agua el vapor de escape sale de la turbina y se condensa en un intercambiador de calor de carcasa y tubos. Esto es similar al sistema de refrigeración en una planta de energía térmica convencional. El objetivo principal del condensador es convertir el vapor o mezcla en una sola fase líquida antes de bombearla de nuevo. El agua de refrigeración se transporta hacia el condensador de la central utilizando la tubería desde un río, lago o mar. El rango de la temperatura del agua es comúnmente entre 5 y 25 °C, dependiendo de la temperatura de la temporada. Para temperaturas superiores o inferiores a este, puede ser difícil de usar este tipo de sistema de refrigeración. Este tipo de condensador se utiliza cuando la planta de energía se encuentra cerca de las zonas con un buen acceso a las aguas, pero el principal problema es la gran cantidad de agua necesaria y la posible corrosión en el condensador debido a la química del agua.

Figura 7. Intercambiador de concha y tubo.

3.3.5.2 Sistema de refrigeración húmeda Un sistema de torre de enfriamiento húmedo es el sistema de refrigeración más común en plantas geotérmicas, utilizando tanto agua como aire. Este sistema se compone de un condensador de superficie que se condensa el fluido de trabajo antes de entrar en la bomba. Mientras que la transferencia de calor ocurre en el agua de refrigeración, el fluido de trabajo cambia de fase y luego se va directamente a la bomba.

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La tecnología principal utilizada en plantas geotérmicas es con tiro mecánico inducido con un ventilador, con dos principales configuraciones de torre disponibles, que indica la dirección del flujo de aire en relación con el flujo de agua: Counter Flow Cross Flow

Figura 8. Tipos de tiro en una torre de enfriamiento.

En un ciclo de refrigeración húmeda, el fluido refrigerante (agua) pasa a través de la torre de refrigeración para disipar el calor almacenado en el intercambiador de calor de superficie. Pasando a través de una torre de refrigeración, el agua, que funciona por gravedad desde la parte superior de la torre, es enfriada por un ventilador, utilizando el aire exterior. El suministro de agua de reposición es necesario, por lo general proviene de las aguas subterráneas, pero, en algunos casos, de un lago o de mar. Se necesita un suministro de agua para compensar las pérdidas por evaporación. Un sistema de refrigeración húmeda es de uso común en muchas plantas geotérmicas para una alta eficiencia, pero presenta algunas desventajas como la gran cantidad de agua necesaria, penachos de vapor de agua y también algo de corrosión en el ventilador debido a la química del agua. En los sistemas de enfriamiento húmedo, el flujo de aire se impulsa mecánicamente con el ventilador. La mayoría de las plantas geotérmicas utilizan un ventilador de tiro inducido en la parte superior de la torre, por un proceso de enfriamiento mejor. Averiguar el balance energético de la torre de enfriamiento requiere ecuaciones complejas debido a los numerosos Programa Regional de Energía Geotérmica | 27

parámetros que intervienen. Los siguientes pasos resumen el proceso y las ecuaciones.

Figura 9. Esquema general de una torre de enfriamiento.

Los balances de masa dentro de una torre de refrigeración húmeda tener en cuenta la entrada de aire y salida, así como el agua que entra y sale del condensador y el suministro de agua de relleno. Las ecuaciones son: Balance de masa para aire seco:

Balance de masa para el agua y el contenido de vapor en la corriente de aire

Las relaciones entre el aire seco y la entrada corriente de vapor y salientes son

La ecuación de balance de energía, tomando en consideración la ecuación de balance de masa para el agua y el contenido de vapor en la corriente de aire

Para simplificar la ecuación, por unidad de aire seco tenemos:

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Figura 10. Balance de flujos dentro de una torre de enfriamiento.

El flujo de entrada de aire seco no sufre cambios en la torre, pero hay pérdidas de agua debido a la evaporación, así como las pérdidas por el desplazamiento de gotitas llevadas en la torre de enfriamiento por el aire de escape. Para evitar que se escape y evitar una acumulación de impurezas, se purga una cantidad de agua de la cuenca. La ecuación de flujo másico por evaporación es:

Las pérdidas por desplazamiento pueden ser estimadas mediante la siguiente ecuación:

La purga del flujo de masa puede ser considerada en la siguiente ecuación:

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Finalmente, el agua requerida para compensar las pérdidas se encuentra con la siguiente ecuación

Dónde: : Flujo másico de aire frio entrando a la torre de enfriamiento : Flujo masico de aire caliente saliendo de la torre de enfriamiento : Flujo másico de vapor de agua entrando a la torre de enfriamiento : Flujo másico de vapor de agua saliendo de la torre de enfriamiento : Flujo másico de agua entrando al condensador : Flujo másico de agua saliendo del condensador : Flujo másico de agua para compensar entrando a la torre de enfriamiento : Flujo másico por perdidas de evaporación : Flujo másico por perdidas de deriva : Flujo másico por perdida de purga : Humedad absoluta del aire frio entrando a la torre de enfriamiento : Humedad absoluta del aire caliente que sale de la torre de enfriamiento : Entalpia del aire seco entrando a la torre de enfriamiento : Entalpia del aire seco saliendo de la torre de enfriamiento : Entalpia del agua fría dejando la torre de enfriamiento : Entalpia del agua caliente entrando ala torre de enfriamiento : Entalpia del agua compensatoria

3.3.5.3 Sistemas de enfriamiento en seco. Cuando hay una falta de suministro de agua para el condensador, un sistema de enfriamiento en seco se puede utilizar. En los sistemas de enfriamiento en seco, el condensador es una parte de la torre de refrigeración. El condensador está acoplado a los gases de escape de la turbina para condensar el fluido de trabajo antes de entrar en la bomba. Este condensador utiliza la atmósfera como el disipador de calor. En su mayoría de las plantas geotérmicas, la torre de enfriamiento de aire seco es un tipo de tiro mecánico usando motores que son alimentados Programa Regional de Energía Geotérmica | 30

eléctricamente. Dos ventiladores se utilizan tanto en un sistema de enfriamiento húmedo y un sistema de enfriamiento en seco. El tiro inducido es un ventilador mecánico ubicado en la parte superior de la torre. El objetivo principal es inducir el aire húmedo al aire libre con una mejor circulación de aire a través del haz de tubos. Se necesita alta potencia si la temperatura ambiente es demasiado alta. Debido a las bajas velocidades en la entrada. El tiro forzado es un ventilador mecánico en la parte inferior de la torre para forzar el aire en circulación dentro de la torre. El aire circula de manera uniforme en la torre debido a las bajas velocidades de descarga de aire en el haz de tubos. Este tipo de ventilador pueda circular el aire caliente, pero está más afectada por las condiciones climáticas (sol, lluvia), lo que conduce a un mayor mantenimiento del ventilador.

Figura 11. Esquemático de un sistema de enfriamiento en seco

El sistema de enfriamiento en seco es muy sensible a las variaciones de temperatura ambiente y afecta directamente a la salida de la planta de energía. El sistema de enfriamiento en seco el vapor que va desde la turbina al condensador; después de la condensación, el condensado va directamente al ciclo. Aquí, a diferencia de los sistemas de refrigeración húmeda, la necesidad de un suministro de agua de reposición se elimina como son los problemas de congelación del agua, y los penachos de vapor de agua. Requisitos y costos de mantenimiento y operación son bajos debido a menos componentes que se utilizan. Esta es la operación más fácil. El balance de energía en el condensador es representado por la siguiente ecuación:

En cuanto a la diferencia de temperatura entre el aire que entra y sale de la torre de enfriamiento, tenemos:

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Dónde: : Flujo másico del fluido de trabajo : Flujo másico del aire que fluye dentro del condensador : Calor especifico : Temperatura del aire del ambiente saliendo de la torre de enfriamiento : Temperatura del aire del ambiente que entra a la torre de enfriamiento

3.4 Modelo conceptual de un proceso de una planta binaria. 3.4.1 Alcances A continuación presentamos un cuadro resumen de las consideraciones que se tomaron en cuenta para el modelo Consideraciones Presión Vaporizador 1000-2400 kPa Flujo másico geotérmico: 300 kg/s Presión de agua geotérmica 1100 kPa Fluido de trabajo: Isopentano, n-pentano, Isobutano, R-134a Configuraciones: Con recuperador, sin recuperador Eficiencia de Turbina: 0.82 Eficiencia de Bomba 0.75 Temperatura de entrada de agua 180 °C geotérmica Temperatura de salida de agua 140 °C geotérmica Pinch point Evaporador 5 °C Pinch point precalentador 5 °C Temperatura de salida del fluido de 50 °C trabajo a la salida del condensador Tabla 9 consideraciones del modelo

3.4.2 Configuraciones De acuerdo a los fluidos de trabajo que tomaremos como base para analizarlos, es necesario saber qué tipo de configuración seleccionaremos. Tomaremos dos configuraciones predeterminadas como lo son el ciclo de trabajo sin recuperación y el ciclo de trabajo con recuperación. 3.4.2.1 Ciclo de trabajo sin recuperación El ciclo de trabajo sin recuperación no es más un ciclo que no tiene el elemento de recuperación de calor antes del condensador. Esto hace que su eficiencia de ciclo se Programa Regional de Energía Geotérmica | 32

vea reducida, para algunos casos cuando se usa como fluido de trabajo Refrigerantes esta configuración es ideal ya que con Refrigerantes no es necesario recuperación de calor porque el fluido de trabajo no se aumenta su temperatura en este tipo de configuraciones..

Figura 12. Ciclo de trabajo binario sin recuperación

En la figura 12 se muestra el ciclo completo, este funciona de la siguiente manera, en el primer ciclo el fluido geotérmico líquido saturado que proviene de separación, entra por el punto 9 de la gráfica y este entra al vaporizador, que a su vez calienta el fluido que proviene del precalentador luego sale al punto 11 que este es reinyectado a una temperatura de 140 °C, esto es debido a que si se reinyecta a una temperatura menor habrán problemas de precipitación de Silicatos. Luego en el segundo ciclo el fluido de trabajo en el punto 1, el fluido que se encuentra en estado líquido saturado entra a la bomba que aumenta la presión hasta la presión de trabajo en la cual se requiere en el punto de vaporizador, luego en el punto 2 entra al precalentador y luego al Vaporizador, estos se encargan de transferir todo el calor posible del fluido geotérmico al fluido de trabajo. Luego sale a una condición sobrecalentada. Llega a la turbina y luego que ha transferido el trabajo a la turbina sale exhausto el cual llega al condensador para luego repetir el proceso. 3.4.2.2 Ciclo binario con recuperación El ciclo de trabajo con recuperación, el objetivo principal es tratar de obtener el calor remanente que existe en el vapor exhausto aun sobrecalentado del fluido de trabajo que luego pasa al condensador. Esta disposición aumenta considerablemente la eficiencia del ciclo. Como se mencionó anteriormente este arreglo no aplica cuando se utiliza Refrigerantes como fluido de trabajo.

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Figura 13. Ciclo de trabajo con recuperación

La bomba eleva la presión hasta la presión necesaria para que pueda funcionar a una presión determinada en el vaporizador, luego este fluido es pasado a través de un intercambiador de calor llamado recuperador que cuya función principal es obtener el calor mayor posible del vapor exhausto que sale de la turbina, luego este fluido que ha pasado por el recuperador entra al precalentador que tiene la función de obtener calor a partir del fluido geotérmico que sale del vaporizador. Luego que ha pasado el fluido de trabajo por el precalentador este es introducido por el vaporizador para que luego este fluido obtenga el mayor calor posible que en cuya salida del vaporizador salga sobrecalentado, luego entra a la turbina para realizar el trabajo y luego sale de la turbina para entrar en el recuperador y luego repetir el ciclo.

4. Metodología Se ha utilizado el programa EES (Engineering Equation Solver) el cual se ha creado un modelo de acuerdo a cada configuración: un modelo de ciclo de trabajo con recuperador y un modelo de ciclo de trabajo sin recuperador. El modelo consiste en graficar la potencia neta, la potencia producida en la turbina, la potencia requerida en la bomba, la temperatura del fluido geotérmico en el punto de reinyección y el flujo másico del fluido de trabajo, variando la presión de vaporización, y definiendo la temperatura y el flujo másico del fluido geotérmico a la entrada como constante, y evaluar que fluido de trabajo genera mayor potencia así como el flujo másico requerido de este. Hay que denotar que el R-134a recuperación.

no fue simulado en el ciclo de trabajo con

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5. Resultados A continuación configuraciones:

se

muestran

las

gráficas

generadas

para

las

diferentes

Figura 14. Grafica Wnet vs. Pvaporizador en un ciclo sin recuperador

Figura 15. Grafica Wnet vs. Pvaporizador en un ciclo con recuperador

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Las figuras 14 y 15 muestran la potencia que se puede producir con cada fluido de trabajo así como también en diferentes configuraciones, en la figura 15 con el fluido de trabajo Isopentano se obtuvo mejora en la potencia neta, mientras que con los demás no se registró un aumento significativo. Analizando las situaciones de los fluidos de trabajo que no presentaron aumento significativo en su potencia, esto tiene que ver con las propiedades de cada fluido de trabajo, en el caso del Isopentano para las condiciones estipuladas la configuración de trabajo con recuperación de calor es satisfactoria para el aumento de eficiencia.

Figura 16. Grafica Tsalida de agua vs. P vaporizador en ciclo sin recuperador

Figura 17. Gráfica de T salida de agua vs. P vaporizador en ciclo con recuperador

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Para las figuras 16 y 17 que se muestran el proceso de recuperación se nota significativamente en los tres fluidos de trabajo orgánicos. Podemos descartar el Isobutano ya que no cumple con las condiciones de temperatura a la salida del agua geotérmica que sea 140 °C los únicos dos que cumplen dicha restricción son los fluidos de la familia de los pentanos. En el caso con recuperación del Isopentano, a la temperatura de salida de 140°C se tiene una presión en el vaporizador de: 2120 kPa aproximadamente. Mientras que la presión de vaporizador a la temperatura de 140 °C con el fluido de trabajo n-pentano es de: 1740 kPa aproximadamente. Mientras sin el recuperador con el fluido de trabajo Isopentano se tiene una presión de vaporizador de: 2250 kPa aproximadamente. Mientras que la presión de vaporizador a la temperatura de 140°C con el fluido de trabajo n-pentano es de: 1700 kPa aproximadamente. Teniendo estos datos podemos obtener una tabla con los valores apropiados Fluido de trabajo n-pentano Isopentano

Presión de vaporizador sin recuperador (kPa) 1850 2250

Presión de Vaporizador con recuperador 1740 2120

Tabla 10. Presión de vaporizador

Es necesario hacer un cálculo previo encontrar la potencia neta a partir de las presiones de vaporización que cumplen con la temperatura de salida de 140°C de parte de los dos fluidos de trabajo seleccionados previamente con las diferentes configuraciones.

Fluido de trabajo

n-pentano Isopentano

Presión de vaporización sin recuperador (kPa) 1850 2250

Presión de vaporizador con recuperador (kPa) 1740 2120

Potencia neta sin recuperador (kW) 7001 7495

Potencia neta con recuperador (kW) 8012 8821

Tabla 11. Potencia neta

Al observar este cuadro anterior nos afirma que con un recuperador la potencia de salida neta será mayor, con el fluido de trabajo Isopentano se produce alrededor de 8.8 MW. Habiendo analizado las temperaturas de salida así como las potencias netas será necesario

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Figura 18. Grafico eficiencia del ciclo vs. P vaporizador sin recuperador

Figura 19. Grafico eficiencia del ciclo vs. P vaporizador con recuperador

En el caso con recuperación el fluido de trabajo n-pentano se tiene una eficiencia del 0.165 y para el caso del Isopentano se obtiene una eficiencia de 0.177, pero el que obtuvo mayor eficiencia de ciclo fue el Isopentano con la configuración con recuperación de calor.

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A continuación se muestra una tabla resumen de los dos tipos de fluidos con las características descritas anteriormente. Fluido de trabajo

Presión de Presión de Potencia Potencia Eficiencia vaporización vaporización neta sin neta sin del ciclo sin sin recuperador recuperador con recuperador recuperador (kW) (kW) recuperador (kPa) (kPa)

n-pentano 1850 Isopentano 2250

1740 2120

7001 7495

8012 8821

0.165 0.177

Tabla 12. Eficiencia del ciclo

Analizando los datos anteriores, se puede observar que el Isopentano tiene mayor rendimiento y mayor producción de potencia que el n-pentano, para este tipo de situación de consideraciones que se hicieron en un principio. A continuación se presenta un esquema del modelo con los datos simulados en EES con fluido de trabajo Isopentano y con la configuración de recuperación.

Figura 20. Diagrama de Ciclo Binario con Recuperación – Isopentano

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6. Conclusiones y Recomendaciones. •

El Isopentano es el fluido de trabajo que se comporta mejor para las condiciones de entrada al sistema y las de rechazo de calor.

•

Con el Isopentano la configuración que maximiza la producción de energía es la que incorpora el recuperador.

•

Con el fluido de trabajo Isopentano y con las condiciones de entrada del fluido geotérmico (300kg/s, 180 °C), se producen 8.8 MW a una presión de Vaporizador de 2120 kPa con un flujo másico de 127.7 kg/s de Isopentano.

•

Para el fluido de trabajo Isopentano con la configuración de trabajo con recuperador se tiene una eficiencia de ciclo de 17.7%.

•

Para los refrigerantes la configuración sin recuperador es la más apropiada.

•

Se recomienda un estudio más detallado a los resultados obtenidos en este trabajo con el Refrigerante 134a. El punto crítico del refrigerante 134a se encuentra a T= 101 °C y P= 40.6 bar, por lo que su aplicación no es favorable al caso en estudio.

7. Reconocimientos. Agradecemos infinitamente a Dios por habernos permitido completar un nuevo desafío en nuestras vidas, aunque el camino fue difícil su mano nos acompañó durante todo el trayecto y nos mantuvo firmes hasta alcanzar nuestra tan añorada meta. A nuestras familias, que nos acompañaron y apoyaron en esos momentos de desvelo y las que nos llenaron de comprensión y amor. A nuestros profesores, que con firme determinación nos compartieron sus conocimientos y nos hicieron con cada clase más sabios y con sus exámenes nos hicieron mejores. A nuestro asesor Ing. José Luis Henríquez, el cual fue como un faro que nos guio durante nuestro camino y nos ayudó a mantenernos siempre en la dirección correcta para alcanzar nuestros objetivos planteados en este documento.

8. Bibliografia.  Geothermal power plants – Second Edition – Ronald DiPipo  Oscar F. Cideos, 2012: Power production using low-temperature heat sources in el Salvador, UNU-GTP  F-Chart Software, 2012: EES, Engineering equation solver. F-Chart Software

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 Wark K., 1995: Termodinámica, quinta edición.  Le Bert, G., 2011: Tecnologías de punta y costos asociados para generación distribuida, autoabastecimiento y cogeneración con recursos geotérmicos en México, Energy Sector Management Assistance Program.

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9. Anexos. A continuación se muestra el código implementado. "DATOS DE ENTRADA" "EQUIPOS" "Efp=0.80 Eficiencia de la bomba de isopentano Eft=0.80 Eficiencia de la turbina de isopentano" pinch_rec=5 pinch_vap=5 pinch_pre=5 "Fluido Caliente - Mezcla de agua y vapor geotérmica " mw=300 p9=1100 h9=763 T9=180 "Fluido de Trabajo es -- Isopentano" p6=196 "Punto 1" p1=p6 x1=0 h1=Enthalpy(Isopentane,P=p1,x=x1) s1=Entropy(Isopentane,P=p1,x=x1) T1=T_sat(Isopentane,P=p1) "Punto 2" s2s=s1 p2=p5 h2s=Enthalpy(Isopentane,s=s2s,P=P2) Efp=(h2s-h1)/(h2-h1) T2=Temperature(Isopentane,P=P2,h=h2) "Punto 4" x4=0 p4=p5 h4=Enthalpy(Isopentane,P=P4,x=x4) T4=Temperature(Isopentane,P=P4,x=x4) "Punto 5" x5=1 h5=Enthalpy(Isopentane,P=P5,x=x5) T5=Temperature(Isopentane,P=P5,x=x5) s5=Entropy(Isopentane,P=p5,x=x5) "Punto 6" s6s=s5 h6s=Enthalpy(Isopentane,P=P6,s=s6s) Eft=(h5-h6)/(h5-h6s) T6=Temperature(Isopentane,P=P6,h=h6) "Punto 7" p7=p6 T7=T2+pinch_rec h7=Enthalpy(Isopentane,P=P7,T=T7)

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"Punto 3" p3=p2 h3=h6+h2-h7 "Balance de masa y energía en Recuperador" T3=Temperature(Isopentane,P=P3,h=h3) "CALCULO DE LA POTENCIA" Wp=mi*(h2-h1) Wt=mi*(h5-h6) Wnet=Wt-Wp n_ciclo = 1- ((h6s-h1)/(h5-h2))

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