LA GEOTERMIA: UNA PERSPECTIVA HACIA SU DESARROLLO SUSTENTABLE

1. Universidad Nacional Autónoma de México LA GEOTERMIA: UNA PERSPECTIVA HACIA SU DESARROLLO SUSTENTABLE Dr. Edgar R. Santoyo Gutiérrez Coordinación de Geoenergía 7° Simposio: La Transición Energética y las Energías Alternas: Oportunidades y Responsables” Centro Académico Cultural, Campus Juriquilla, Qro. 3-4 Mayo (2011) http://xml.cie.unam.mx/xml/se/geo/

2. OBJETIVOS: • Panorama General sobre la Evolución de la Energía Geotérmica • Conceptos generales • Experiencia histórica alcanzada sobre su desarrollo • Sistemas geotérmicos (exploración y explotación) • Los usos principales de la energía geotérmica - Generación geotermoeléctrica y usos directos • Escenarios actuales mundiales • Tendencias futuras de investigación y desarrollo tecnológico y los retos por alcanzar • Los casos particulares de su desarrollo en Islandia, E.U.A. y México

3. SITUACIÓN ACTUAL DE LA ENERGÍA Y SU PROBLEMÁTICA - PLANTEA ¿Cuáles fuentes energéticas pueden ayudar a enfrentar el agotamiento de los yacimientos de combustibles fósiles para satisfacer la demanda creciente de energía y conservar el medio ambiente hacia un desarrollo sustentable? Requerimientos Energéticos: «30 TW (2050)» ENERGÍAS RENOVABLES

4. Potencia global teórica Técnicamente factible Capacidad instalada (2011)* Hidroenergía 4.6 TW 0.7 TW 0.980 TW Biomasa 7 a 10 TW 5 TW 0.054 TW Geotermia 12 TW 0.6 TW 0.011 TW Viento 50 TW 2 a 4 TW 0.195 TW Solar - PV 600 TW 60 TW 0.021 TW Total Aprox. 676 TW Aprox. 70 TW 1.261 TW 1 TW = 1012 W : 1,000 Complejos GPE de 1,000 MW cada uno. DESARROLLO DE FUENTES ALTERNAS DE ENERGÍA RENOVABLES Y LIMPIAS Potencial aproximado de las energías renovables en el mundo *Fuente:Clean Energy Progress Report IEA 2011 www.cie.unam.mx www.cie.unam.mx

5. ENERGÍA GEOTÉRMICA “GEOS=TIERRA”“THERMOS=CALOR” • El calor almacenado en la Tierra ~12.6 x 1012 EJ • El calor disponible en la corteza terrestre ~5.4 x 109 EJ • El calor interno de la Tierra es generado continuamente por el decaimiento natural de sus isótopos radiactivos con una Tasa Energética de ~860 EJ/año.

6. SISTEMAS GEOTÉRMICOS Las fracturas o adelgazamientos de la corteza permiten el ascenso del MAGMA hacia la superficie. La mayoría del MAGMA producido en la Tierra no llega a la superficie, tiende acumularse debajo de ésta en donde calienta grandes regiones de roca o yacimientos de fluido, dando origen a los SISTEMAS GEOTÉRMICOS. www.cie.unam.mx

7. MANIFESTACIONES TÍPICAS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA manantiales de lodo fumarolas sulfataras géiseres volcanes

8. CLASIFICACIÓN DE SISTEMAS GEOTÉRMICOS Sistemas convectivos «hidrotermales» Sistemas geotérmicos mejorados (EGS) - «Roca seca caliente» Sistemas sedimentarios conductivos Sistemas de agua termal producida en pozos de petróleo y gas Sistemas geopresurizados Sistemas magmáticos www.cie.unam.mx

9. 1. SISTEMAS CONVECTIVOS «HIDROTERMALES» • Sistemas comercialmente explotados para la generación de energía eléctrica (~11,000 MW) y con otras aplicaciones (usos directos) • Distribución limitada en el Mundo – «anillo de fuego» • Tipos básicos: • Volcánicos (>200ºC) • No-Volcánicos (<200ºC) «Anillo de Fuego» Recurso Geotérmico (MW) No. Volcanes Activos País

10. 1. SISTEMAS CONVECTIVOS «HIDROTERMALES» • Acceso a una fuente primaria de calor de «alta temperatura» • Sistema interconectado con la capacidad de permitir la circulación de fluido entre la roca circundante caliente, una recarga natural y la facilidad de extraer su energía • Producción de agua caliente o vapor con flujos sustentables por periodos de tiempo suficientemente largos para justificar la inversión económica • Permiten la conversión de la energía térmica a electricidad • Yacimientos de vapor dominante o alta entalpía (USA, Italia, entre otros) • Yacimientos de líquido dominante de alta entalpía (temperaturas entre 200 y 350ºC; México, Nueva Zelanda, Filipinas, entre otros) • Yacimientos de líquido dominante de baja entalpía (temperaturas < 200 ºC; USA, China, entre otros).

11. 2. SISTEMAS GEOTÉRMICOS MEJORADOS • Sistemas de Roca Seca Caliente (EGS, “EnhancedGeothermalSystems”) • Yacimientos localizados en zonas profundas (3–10 km) de la corteza terrestre con temperaturas entre 200 y 300ºC. No presentan fluidos confinados debido a las características geológicas de su formación (rocas impermeables). • Sistemas con alto contenido calorífico. La energía almacenada en éstos equivale a ~500 veces la energía acumulada en todos los yacimientos de gas y de petróleo del mundo.

12. 2. SISTEMAS GEOTÉRMICOS MEJORADOS • Su aprovechamiento energético se basa en inyectar agua desde la superficie a través de un pozo inyector, hacer circular este fluido por un sistema de fracturas artificiales (creadas en la roca), y la extracción de agua caliente o vapor a través de un pozo de extracción • En la superficie, una turbina directamente acoplada al pozo de extracción, o una planta de ciclo binario, producirán energía eléctrica La explotación de los sistemas de «roca seca caliente» podrían proporcionar un proceso de extracción de calor en «forma universal»: prácticamente ilimitados ya que están distribuidos por toda la superficie terrestre

13. 2. SISTEMAS GEOTÉRMICOS MEJORADOS • Los principales retos que afronta esta tecnología para su explotación comercial son el desarrollo de nuevas técnicas de perforación de pozos a gran profundidad y el fracturamiento controlado en la roca • Sus temperaturas disponibles se deben a la profundidad a la que se encuentra la roca seca caliente (fuente de calor de estos ssistemas) • El potencial energético de estos yacimientos es enorme y su aprovechamiento supondrá una «transición» en la utilización de la energía geotérmica www.cie.unam.mx

14. 3. SISTEMAS SEDIMENTARIOS CONDUCTIVOS • Sistemas localizados en cuencas sedimentarias con altos flujos de calor • Se requieren pozos muy profundos para el aprovechamiento de sus recursos • Aún no se han probado tecnológicamente ni desarrollado comercialmente. • Sin embargo debería ser factible de aprovecharse en el futuro si la capacidad de flujo de los yacimientos y sus temperaturas son lo suficientemente altas www.cie.unam.mx

15. 4. SISTEMAS DE AGUA TERMAL PRODUCIDA EN POZOS DE PETRÓLEO Y GAS • Recursos geoenergéticos almacenados en pozos de petróleo y gas localizados a grandes profundidades • El agua caliente o «salmuera» (90 a 200 °C) es co-producida con petróleo o gas, o a partir de pozos que exhiben un agotamiento en la producción de sus recursos • En el Oeste de Texas, cerca de 100 barriles de agua caliente son co-producidos por cada barril de petróleo, y reinyectada en el subsuelo, sin aprovecharse su contenido calorífico • Se tiene disponible la tecnología geotérmica, sin embargo su costo de aprovechamiento en este momento no es atractivo • Hoy en día, existen algunos estudios en donde ya se reportan resultados sobre su posible aprovechamiento

16. 5. SISTEMAS GEOPRESURIZADOS Yacimientos que contienen H2O y CH4 disuelto a presiones altas (~700 bar) y mediana temperatura (entre 90 y 200°C) - generalmente confinados en rocas de tipo sedimentarias. • Distribución muy restringida en el mundo • Ofrecen el aprovechamiento de varios tipos de energías: térmica (agua caliente), química (metano) y mecánica (debido a la alta presión de los fluidos) • Actualmente no se explotan comercialmente, aunque existen detectados algunos sistemas en USA (Texas y Louisiana) • Se ha estimado el potencial energético solamente en las costas de Texas en unos 40,000 MWt. Se desconoce el potencial de este recurso en México.

17. 6. SISTEMAS MAGMÁTICOS • Este tipo de sistemas están relacionados con aparatos volcánicos activos « Sistemas Geotérmicos Supercríticos » • Yacimientos geotérmicos muy profundos (4 a 6 km) con fluidos en estado supercrítico y temperaturas de hasta 600 °C • Este fluido supercrítico puede proveer hasta 10 veces más energía que la de un fluido almacenado en un sistema geotérmico hidrotermal convencional Este nuevo proyecto geotérmico se desarrolla actualmente en Islandia Si el proyecto es tecnológicamente viable y exitoso, éste proporcionará una nuevo sistema de generación geotermoeléctrica de ultra-alta eficiencia !!!!

18. EN RESUMEN – LOS SISTEMAS GEOTÉRMICOS características físicas IMPORTANTES DE LOS SISTEMAS GEOTÉRMICOS   

19. Como Identificar los Sistemas Geotérmicos ? • Estudios Multidisciplinarios de Exploración Geotérmica • Imágenes de satélite y fotografías aéreas – • Identificación de zonas térmicas anómalas • Exploración geológica y vulcanológica – • Identificación de fallas, fracturas y desarrollo de • mapas geológicos y estructurales • Exploración geoquímica – • Estimación de temperaturas del subsuelo y • caracterización de la composición química de • los fluidos endógenos • Exploración geofísica – • Identificación de fallas, fracturas, estimación de • gradiente térmico y flujos de calor • Ingeniería de yacimientos – • Perforación de pozos de gradiente de temperatura

20. POZOS GEOTÉRMICOS • Primero se perforan pozos de diámetro pequeño llamados “pozos de gradiente de temperatura” • Las perforaciones pueden medir entre 60 y 1200 m de profundidad • Estos pozos sirven para conocer las temperaturas y los tipos de rocas en el subsuelo. • El costo de los pozos geotér-micos oscila entre 1 a 2.5millones de dólares (depende de las formaciones geológicas) • La profundidad de los pozos geotérmicos convencionales pueden alcanzar hasta 3.5 km

21. USOS DE LOS RECURSOS GEOTÉRMICOS: SISTEMAS CONVECTIVOS (HIDROTERMALES) • PRODUCCIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA • USOS DIRECTOS

22. PLANTAS GEOTERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES Flasheo de vapor (25 ó 50 MW) Plantas a boca de pozo a contrapresión (5 MW) Las plantas geotermoeléctricas operan entre un 89 y 97 % de tiempo, convirtiéndolas como unidades más confiables de energía (operan los 365 días, excepto por los paros obligatorios de mantenimiento) Ciclo binario (1.5 MW)

23. EXPERIENCIA GEOTÉRMICA MUNDIAL – GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA Primera planta Geotérmoeléctrica. Larderello, Italia (1904); en 1942, Larderello contaba con una capacidad de generación de 128 MW. Primera planta geotermoeléctrica de México se instaló en Pathé (Hidalgo) en 1959 (~600 kW)

24. EL USO DE LA GEOTERMIA HA PERMITIDO LA TRANSFORMACIÓN DE ISLANDIA • En 50 años, Islandia se ha transformado de un país 100% dependiente del petróleo, a un esquema basado en energías renovables (geotermia e hidroenergía) • >95% de las necesidades energéticas de calefacción han sido cubiertas con recursos geotérmicos • >20% de la electricidad ha sido obtenida de la geotermia – el 80% restante se obtiene de hidroenergía • Actualmente está evolucionando su sistema de transporte basado en sistemas hidrógeno /híbrido /eléctrico en electricidad geotérmica de alta eficiencia.

25. USOS DIRECTOS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA • Balneología (baño en manantiales termales) • Agricultura (invernaderos y calentamiento de suelos) • Acuacultura (cría de peces, camarones y cocodrilos) • Usos industriales (secado de productos y calefacción) • Calefacción de residencias y distritos

26. EXPLOTACIÓN COMERCIAL DE LOS SISTEMAS CONVECTIVOS «HIDROTERMALES» 11,000 MWe www.cie.unam.mx

27. SISTEMAS CONVECTIVOS «HIDROTERMALES» www.cie.unam.mx

28. SISTEMAS CONVECTIVOS «HIDROTERMALES» Electricidad Geotérmica Mundial 18,500 MWe 11,000 MWe www.cie.unam.mx

29. 1. SISTEMAS CONVECTIVOS «HIDROTERMALES» PRINCIPALES CAMPOS GEOTÉRMICOS ACTUALMENTE EN EXPLOTACIÓN The Geysers 1º 7,062 GWh USA 1586 MW Tongonan 3º 4,746 GWh Philippines 716 MW Cerro Prieto 2º 5,174 GWh México 720 MW Larderello 4º 3,666 GWh Italy 595 MW www.cie.unam.mx

30. 1. SISTEMAS CONVECTIVOS «HIDROTERMALES» USOS DIRECTOS - GEOTERMIA

31. ESCENARIO ACTUAL DE DESARROLLO TECNOLÓGICO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA EN MÉXICO Generación de energía eléctrica por tipo de fuente (CFE, 2011) Capacidad efectiva instalada por tipo de generación Capacidad Efectiva Total Instalada: 51,611.10 MW Geotermoeléctrica: 2.0%

32. ESTADO ACTUAL DE DESARROLLO GEOTÉRMICO EN MÉXICO 958 MW www.cie.unam.mx

33. COMPORTAMIENTO HISTÓRICO – CAPACIDAD GEOTERMOELÉCTRICA DE MÉXICO

34. PLANTAS GEOTERMOLÉCTRICAS INSTALADAS EN MÉXICO Gutiérrez-Negrín y Quijano- León (2005) World Geothermal Congress.

35. POZOS GEOTÉRMICOS DE PRODUCCIÓN Y REINYECCIÓN - MÉXICO 167 39 3 20

36. ZONAS GEOTÉRMICAS PROMISORIAS (SISTEMAS HIDROTERMALES) www.cie.unam.mx

37. IMPACTO AMBIENTAL DE PLANTAS GEOTERMOELÉCTRICAS Murphy and Niitsuma (1999) www.cie.unam.mx

38. Geothermal Technologies EGS GT-Flash HT-Binary

39. COSTOS DE LAS ENERGÍAS RENOVABLES

40. COSTOS DE ENERGÍA NIVELADOS 16 14 12 10 8 6 4 2 2050? 1924-2011 2011-2030? 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022 1022 www.cie.unam.mx

41. REQUERIMENTOS DE SUPERFICIE – PLANTAS GEOTÉRMICAS Y SU COMPARACIÓN CON OTRAS www.cie.unam.mx

42. RETOS TECNOLÓGICOS POR RESOLVER – SISTEMAS HIDROTERMALES www.cie.unam.mx

43. EXPECTATIVAS DE CRECIMIENTO AL 2015 18.5 GW www.cie.unam.mx

44. TENDENCIAS MUNDIALES DE CRECIMIENTO

45. SISTEMAS DE ROCA SECA CALIENTE – El caso promisorio de los E.U.A. 100 mil MW (2050)

46. SISTEMAS DE ROCA SECA CALIENTE 100 mil MW (2050) México ? www.cie.unam.mx

47. SISTEMAS DE ROCA SECA CALIENTE www.cie.unam.mx

48. SISTEMAS DE ROCA SECA CALIENTE www.cie.unam.mx

49. PRIORIDADES DE INVESTIGACIÓN, DESARROLLO TECNOLÓGICO Y MITIGACIÓN DE CO2 PARA TECNOLOGÍAS DE GENERACIÓN DE POTENCIA Geothermal - conventional Basic science Applied R&D Demostration Comercialisation

50. CONCLUSIONES • Hoy en día, la geotermia representa el 0.4 % del total de la generación eléctrica mundial, aún cuando sólo se explotan los sistemas hidrotermales de alta temperatura, que constituyen una fracción muy pequeña de la inmensa cantidad de energía disponible • Sin embargo, estudios científicos recientes sobre el desarrollo de técnicas mejoradas de exploración y explotación para nuevas generaciones de sistemas geotérmicos muestran que, a mediano plazo, la generación geotermoeléctrica se convertirá en una pieza clave dentro del abanico energético mundial • La inmensa cantidad de energía térmica producida continuamente en estos sistemas geoenergéticos y los largos tiempos geológicos requeridos para su agotamiento hacen que la geotermia sea considerada como una fuente alterna de energía, renovable y prácticamente inagotable • Los sistemas de roca seca caliente, por su inmenso potencial y su distribución prácticamente uniforme en toda la Tierra, se estima que para el 2050 podrían obtenerse alrededor de 100 mil MW (MIT, 2006). Esta promisoria tecnología se encuentra ya en fase de investigación y desarrollo con avances muy importantes en varios países.