Campos Geotermales

Síntesis de estimación de recursos geotermales
Campo Norte – Chile

Patricio Molina V – Manlio Zagolín B

Motivación

El presente material muestra la metodología que es posible de aplicar en la estimación de recursos geotermales de un campo geotérmico en general. Dicha metodología depende fundamentalmente de los datos de entrada que permiten establecer el potencial geotérmico extraíble de un campo. A la descripción de método, le sigue su aplicación en fuentes geotermales identificadas como probables en un área de concesiones geotérmicas localizada en Campo Norte. Se describen los resultados obtenidos de acuerdo a la metodología, a fin de dimensionar un escenario económico a partir de aquellas variables que sensibilizan la estimación de los recursos geotérmicos.

Fundamentos. Metodología de estimación de recursos geotermales

La estimación del recurso geotermal es un proceso que se desarrolla con la evaluación de datos directamente medidos en terreno (e.g, las temperaturas de los pozos) y al aplicar métodos interpretativos indirectos (e.g, geofísicos, los geotermómetros, etc.). Importante además es el proceso de aplicar las técnicas comparativas basadas en semejanzas con sistemas análogos. Puesto que los sistemas geotérmicos son fenómenos naturales, no hay dos sistemas idénticos, pero muchos sistemas geotérmicos comparten características similares, como la distribución y la naturaleza de la actividad termal superficial, características geológicas y químicas del reservorio. Reconociendo los patrones de comportamiento que se repiten a partir de un sistema, es una herramienta de gran alcance para la estimación del recurso.

La confiabilidad en los resultados de una estimación del recurso depende de la cantidad y de la calidad de los datos. Antes de perforar, la estimación del recurso se entrega totalmente a las técnicas superficiales de la exploración. Donde emerja la actividad termal puede ser posible construir una representación detallada del recurso en profundidad. La ausencia de actividad superficial no implica necesariamente la ausencia de un recurso o que sea de calidad inferior si el sistema se reconoce adecuadamente en la superficie. Sin embargo, la carencia de datos impone incertidumbre y, por lo tanto, un mayor riesgo de falla en las decisiones de exploración.

El recurso geotérmico es energía termal contenida en un cuerpo de roca que ha sido excesivamente calentada a través de periodos geológicos, calentando el agua que emerge de la profundidad. La energía almacenada en la roca y el agua se pueden cuantificar aproximadamente usando las estimaciones de la temperatura y del volumen del recurso.

Requisitos importantes de un recurso geotérmico para su desarrollo son:

• Una alta temperatura, para una eficiente conversión del calor en energía eléctrica
• Alta permeabilidad de roca y, por tanto, grandes cantidades de fluido para una mayor vida útil
• Alta entalpía de fluido y baja recarga al pozo de reinyección
• Acidez neutra del fluido geotérmico para reducir el nivel de corrosión de los equipos
• Bajo potencial de escalamiento de pozos geotermales
• Accesibilidad al terreno, en lo posible
• Bajo peligro de riesgo naturales
• Proximidad a líneas de transmisión

Rara vez estos requisitos son todos resueltos a la vez y el proceso de estimación del recurso implica generalmente una compensación de estos requisitos. La cantidad de información disponible de aquellos requisitos puede variar ampliamente de un campo respecto de otro. Obviamente, si los pozos se han perforado, ya existe mayor magnitud de información que para un campo al que se le ha realizado exploración superficial. Donde no hay pozos, se puede estimar en base a medios geofísicos y de distribución de actividad termal. Por lo tanto, la cantidad de información disponible para un recurso es, en sí mismo, un parámetro importante en la evaluación del campo: menor es la información, mayor es el riesgo de desarrollo del campo geotérmico.

 

Parámetros de estimación de recursos geotérmicos para la evaluación económica.

Para este trabajo, se definen parámetros de recurso geotérmico basados en los requisitos antedichos y otros factores de desarrollo. Éstos se describen más abajo. El paso siguiente es estimar la capacidad del recurso. Para este propósito se utiliza un método de almacenamiento de calor. Aun cuando este método tiene sus limitaciones y tiene un poder de estimación inferior a aquellos basados en simulación numérica del reservorio de un campo con historial de desarrollo, tiene la ventaja que proporciona una base constante para la comparación entre los campos de cantidades extensamente que varían de datos. Se utiliza comúnmente en proyectos geotérmicos en la etapa de determinar un tamaño conveniente para la central eléctrica, para los propósitos y/o la comisión que planifica la delineación de perforaciones de exploración en el campo.

Dicho método tiene la limitación de no entregar información sobre los efectos ambientales indeseables del agua, acidez del fluido, hundimiento del terreno, permeabilidad hidrotérmica o de las erupciones producidas por conos volcánicos. Todas aquellas razones motivan la necesidad de exploración superficial y complementa aquellos requisitos de desarrollo geotérmico, que pueden ser sólo concebidos en terreno.

Por otra parte, la mayor ventaja del método de almacenamiento de calor es que proporciona una base comprensible, racional para evaluar el potencial tamaño de recursos geotérmicos, considerando el volumen y la temperatura. La utilidad práctica del método se demuestra aplicando el resultado a los campos conocidos, determinando la posibilidad de un desarrollo factible y sostenible. No debe, sin embargo, ser visto como mejor que ± 50 % en términos de la capacidad prácticamente realizable de generación.

Definiciones y criterios para la evaluación económica

Extensión del área

Área del recurso que tiene, por lo menos, espesores de 500 m, temperaturas de 240°C en las profundidades hasta donde se halla la perforación y el fluido sea utilizable.

La profundidad

En este contexto “profundidad” se define como profundidad media desde bajo de la superficie a la tapa del depósito (definida como “espesor”), hecha sobre la extensión de área para evitar influencia indebida de áreas limitadas de alta elevación.

El espesor

Se refiere al “grueso” medio del depósito. La superficie de arriba del campo se lleva para hacer corresponder su profundidad, en donde la temperatura no está a menos que 240 C, y bajo este caso una profundidad con perforación vertical de 2.500 m (más el almacenaje de 500 m para una estimación “optimista”). La excepción es donde existe una salida y las temperaturas en niveles más profundos son bajas. En este caso, el resultado de la estimación usando el método de almacenamiento de calor que pudiera dar, pareciera ser grande en comparación a una capacidad estimada real a instalar.

La profundidad más baja donde es posible de encontrar una temperatura de 240 C es cerca de 380 m.

Volumen

El volumen del depósito es el área multiplicada por el espesor según lo definido arriba, con el ajuste a cuadriláteros para la forma y la naturaleza del recurso.

Espacios vacíos. Factor de porosidad

Se define como una estimación del porcentaje de volumen del depósito que es “hueco”, que contiene fluidos geotérmicos producibles. Se cuentan como espacios vacíos las porosidades de roca y fracturas abiertas, pero sin contar poros sellados. En la determinación de la capacidad del depósito en un primer momento, esto es un concepto más útil que la permeabilidad, puesto que el último varía en una amplia gama y además, no da una buena estimación del almacenaje de fluido, por lo que es mejor hablar de porosidad (según lo determinado por medidas de densidad de roca) ya que no incluye poros sellados. Los espacios vacíos se requieren para calcular el flujo másico total del recurso y, alternativamente, la capacidad total de calor almacenado. También se utiliza para estimar la fracción del calor que puede ser recuperado.

Temperatura

La temperatura media del recurso se obtiene de medidas directas o indirectas, como por termometría o geotermometría, y las características químicas de la superficie. Los geotermómetros líquidos pueden entregar estimaciones de temperatura en profundidad a partir de temperaturas reales en superficie.

Estimación de Capacidad de Recurso para Almacenamiento de Calor

Método Determínistico Básico

El principio del método de almacenamiento de calor consiste en estimar el calor almacenado dentro de un volumen definido de reservorio, en la roca y el líquido y sobre una cierta temperatura baja que debe ser indicada como base. En reservorios bajos (poco profundos) se toma a menudo a 180 C (como en este caso), pero en reservorios líquidos con un nivel de agua profundo, o altas temperaturas que implican una alta presión en la saturación de sílice, considerando su separación, se debe seleccionar una temperatura indicada más alta.

El calor almacenado considera tanto el calor almacenado en la roca como en el líquido del reservorio. El volumen del depósito se obtiene generalmente multiplicando la extensión de área por la profundidad perforada más un cierto volumen adicional del almacenaje, asumiendo que existe por debajo de la profundidad perforada, comúnmente son otros 500 m. El cálculo requerido para determinar la capacidad de almacenamiento de calor es el siguiente:

 

Para estimar el tamaño posible de reservorio de energía, es necesario aplicar algunos factores adicionales a la estimación de almacenamiento total de calor. Éstos consideran:

• Un factor de la recuperación para determinar la cantidad de calor almacenado que puede ser extraído. En algunos casos, esto se ha definido como factor fijo, pero dependerá sobre todo del espacio del vacío del depósito (si la roca es impermeable, el calor no se puede extraer por el líquido) por lo que el factor de recuperación se calcula en 2,5 veces el espacio vacío, con un límite superior del 50%.

• Una eficiencia de conversión del calor recuperado como electricidad. Ésta se toma generalmente en 10% para los reservorios dominados por líquido, pero esta consideración varía para recursos de temperatura muy alta o baja, reservorios con un alto contenido de gas o si la planta es más o menos eficiente que una planta estándar (e.g. si se utiliza una planta binaria).

• La vida económica del proyecto. Es común utilizar 20 a 30 años, pero para los proyectos que tienen un período de reembolso rápido puede ser válido considerar un período más corto. Para esta evaluación, donde el escenario de proyectos energéticos se basa en un precio bajo de la energía y un alto valor de la sostenibilidad, se han asumen 30 años.

• Un factor de planta, que combina disponibilidad y capacidad de planta. En muchas plantas geotérmicas, este factor está entre el 90% y el 95%.

En general, para cualquier método de estimación empleado, es necesario establecer las suposiciones que hacen posible la explotación económica del reservorio. Para estas condiciones, el potencial geotérmico estimado para el reservorio es:

 

Los análisis de sensibilidad para estimaciones de almacenamiento de calor han demostrado que los resultados son más sensibles al factor de eficiencia y de conversión de recuperación, en tanto los menos sensibles son al espacio vacío (excepto donde eso se utiliza para definir el factor de recuperación) y a la densidad de la roca.

Dado un amplio rango, y un cierto grado de arbitrariedad, los factores que se apliquen a los de recuperación y al curso de la vida del proyecto, y a las incertidumbres consideradas en el volumen del reservorio, el espacio vacío y la temperatura, serán cuestionables si tal método proporciona un resultado más realista.

El método probabilístico

El método de almacenamiento de calor descrito arriba utiliza un acercamiento determínistico para la valoración de reservas. En la práctica, probablemente sea más correcto permitir que las variables varíen en un rango definido, con la probabilidad de cualquier valor particular que es determinado de una distribución definida apropiadamente. Dada la naturaleza del problema, es posible definir el método de almacenamiento de calor, basado en la simulación de Monte Carlo. De esta forma, es posible encontrar una distribución de probabilidad bien definida para la producción de energía (MWe) que puede ser generada por el campo.

Existe una variedad de distribuciones de probabilidad posibles de utilizar para describir cada una de las variables. Las distribuciones más populares para este propósito, sin embargo, son la distribución triangular y log-normal, ya que pueden ser sesgadas en varios grados. En la distribución triangular, el mínimo, la forma modal y los valores máximos se utilizan para definir la distribución. Por ejemplo, la temperatura del reservorio se puede definir como una constante con una distribución similar del área del reservorio. Para la distribución log-normal, deben definirse tanto la desviación media y estándar.

Los cálculos para esta evaluación se hacen usando una simulación de Monte Carlo con un rango de valores, más que un solo valor, para los cuatro parámetros dominantes:

• Área del recurso
• Espesor del recurso
• Temperatura media
• Espacios vacíos

Otros parámetros que son fijos son los siguientes:

• Densidad de roca : 2700 [kg/m3]
• Calor específico de roca : 0,9 [kJ/kg-K]
• Temperatura base : 180 [C]
• Vida económica del proyecto : 30 [años]
• Factor de planta : 0,9 [-]

En este caso se asume un reservorio de capa simple y que no distingue zonas del vapor. Sería posible hacer así pues, pero diferenciaría poco a las estimaciones de almacenamiento de calor en un nivel de exactitud referido al contenido volumétrico en energía de una zona de vapor (considerando vapor, roca y líquido inmovilizado), no es sumamente diferente al de una zona líquida.

Los resultados de una simulación de Monte Carlo se presentan generalmente como un histograma de número de ocurrencias de un valor particular (función de la densidad de la probabilidad – pdf) y como un diagrama de la función de distribución acumulada (CDF).

Resultados

La simulación se ejecuta sobre el área geotérmica de Campo Norte, para lo cual se han identificado aquellas zonas de mayor concurrencia de concesión geotérmica. La Tabla 1 muestra las características de los puntos identificados por el SNGM como fuentes probables a las que se ha utilizado para cada una de ellas el método de almacenamiento de calor.

Por otra parte, y siguiendo la metodología para calificar el tamaño del proyecto y el riesgo geológico asociado al factor de recuperación de energía del campo, se construye un histograma en función del potencial geotérmico posible de extraer, bajo un criterio fundamentalmente económico por el cual es posible generar energía eléctrica. La distribución de clase determina aquellos territorios de Campo Norte posibles de concentrar los primeros esfuerzos de exploración. El potencial geotérmico de la zona se muestra en la Tabla 2.

 

 

Observaciones

Se puede verificar que el efecto producido por el factor de recuperación es altamente sensible a la estimación del potencial extraíble. Incrementando este factor en un 40%, el potencial del área de Campo Norte se incrementa a 775 MW, con un potencial extraíble de 200 MW.

Comentarios finales

Es posible realizar la estimación del potencial geotérmico de un campo a partir de la experiencia y comportamiento de otras zonas geográficas con similares, pero no idénticas, características de explotación. Para ello, se hace necesario contar con una fuente de datos histórica de campos geotérmicos que se encuentren en actividad de explotación, pero que no existe. Tales datos no pueden ser concebidos de otra forma si no se les da el tratamiento desde la recolección de información en terreno.

Por otra parte, si bien existe necesidad de aproximarse a las reales características del campo geotérmico, también es válido adoptar una metodología de riesgo aceptable para abordar las primeras expectativas que se tienen de un prospecto de energía con alta incertidumbre. Para ello, se ha utilizado el método de almacenamiento de calor y la simulación de Monte Carlo. Usando la primera información disponible, se ha obtenido un resultado altamente variable en su capacidad de extracción de energía.

Se insiste de todas formas, que un avance moderado en el desarrollo geotérmico, realizando confirmación paso a paso, asegura un desempeño con condiciones de riesgo en el marco de los modelos utilizados.

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~ por palmov en agosto 28, 2010.

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