La roca seca caliente (HDR) es una fuente abundante de energía geotérmica disponible para su uso. Una gran cantidad de energía térmica está contenida dentro de rocas cristalinas del basamento calientes, pero esencialmente secas e impermeables, que se encuentran en casi todas partes en las profundidades de la superficie de la Tierra. [1] Un concepto para la extracción de cantidades útiles de energía geotérmica de HDR se originó en el Laboratorio Nacional de Los Alamos en 1970, y los investigadores del laboratorio recibieron una patente estadounidense que lo cubría. [2]
Descripción general
Aunque a menudo se confunde con el recurso hidrotermal relativamente limitado que ya se comercializa en gran medida, la energía geotérmica HDR es muy diferente. [3] Mientras que la producción de energía hidrotermal solo puede aprovechar los fluidos calientes que ya se encuentran en la corteza terrestre, un sistema HDR (que consiste en el depósito HDR presurizado, los pozos perforados desde la superficie y las bombas de inyección de superficie y las tuberías asociadas) recupera la tierra. calor de regiones calientes pero secas a través de la circulación de circuito cerrado de fluido presurizado. Este fluido, inyectado desde la superficie a alta presión, abre juntas preexistentes en la roca del sótano, creando un depósito artificial que puede tener un tamaño de hasta un kilómetro cúbico. El fluido inyectado en el depósito absorbe la energía térmica de las superficies de las rocas a alta temperatura y luego sirve como transportador para transportar el calor a la superficie para su uso práctico.
Historia
La idea de la extracción de calor con rocas secas calientes profundas fue descrita por Konstantin Tsiolkovsky (1898), Charles Parsons (1904), Vladimir Obruchev (1920). [4]
En 1963 en París , se construyó un sistema de calefacción geotérmica que utilizaba el calor de rocas fracturadas naturales. [4]
El proyecto Fenton Hill es el primer sistema para la extracción de energía geotérmica HDR de un reservorio formado artificialmente; fue creado en 1977. [4]
Tecnología
Planificación y control
Como el depósito se forma por la dilatación por presión de las juntas, la respuesta elástica del macizo rocoso circundante da como resultado una región de roca sellada y comprimida en la periferia, lo que hace que el depósito HDR esté totalmente confinado y contenido. Por lo tanto, un depósito de este tipo está completamente diseñado, ya que las características físicas (tamaño, profundidad a la que se crea) así como los parámetros operativos (presiones de inyección y producción, temperatura de producción, etc.) se pueden planificar previamente y controlar de cerca.
Perforación y presurización
Como lo describe Brown, [5] se desarrolla un sistema de energía geotérmica HDR, en primer lugar, mediante el uso de perforación convencional para acceder a una región de roca profunda y caliente del basamento. Una vez que se ha determinado que la región seleccionada no contiene fallas o juntas abiertas (con mucho, la situación más común), una sección aislada del primer pozo se presuriza a un nivel lo suficientemente alto como para abrir varios conjuntos de juntas previamente selladas en el macizo rocoso. Mediante el bombeo continuo (estimulación hidráulica), se crea una región muy grande de roca estimulada (el depósito HDR) que consiste en una matriz interconectada de trayectorias de flujo conjuntas dentro del macizo rocoso. La apertura de estas vías de flujo provoca un movimiento a lo largo de las juntas activadas por presión, generando señales sísmicas (micro-terremotos). El análisis de estas señales arroja información sobre la ubicación y las dimensiones del yacimiento que se está desarrollando.
Pozos de producción
Por lo general, un depósito HDR se forma en forma de elipsoide , con su eje más largo ortogonal al menor esfuerzo principal de la Tierra. A esta región estimulada por presión se accede luego a través de dos pozos de producción, perforados para intersectar el depósito HDR cerca de los extremos alargados de la región estimulada. En la mayoría de los casos, el pozo inicial se convierte en el pozo de inyección para el sistema de circulación de agua presurizada de tres pozos.
Operación
En funcionamiento, el fluido se inyecta a presiones lo suficientemente altas como para mantener abierta la red interconectada de uniones contra las tensiones de la Tierra y para hacer circular eficazmente el fluido a través del depósito HDR a un ritmo elevado. Durante la producción de energía de rutina, la presión de inyección se mantiene justo por debajo del nivel que causaría una mayor estimulación de presión de la masa rocosa circundante, con el fin de maximizar la producción de energía y limitar el crecimiento adicional del yacimiento.
Productividad
El volumen del conjunto de juntas abiertas recién creado dentro del depósito HDR es mucho menos del 1% del volumen de la masa rocosa estimulada por presión. A medida que estas juntas continúan dilatándose por presión, la impedancia de flujo general a través del depósito se vuelve muy baja, lo que conduce a una alta productividad térmica.
Estudios de viabilidad
La viabilidad de extraer calor de las profundidades de la Tierra se comprobó en dos demostraciones de flujo de reservorio HDR independientes, cada una con aproximadamente un año de circulación, realizadas por el Laboratorio Nacional de Los Alamos entre 1978 y 1995. Estas pruebas innovadoras se llevaron a cabo en Fenton Hill HDR del Laboratorio. sitio de prueba en las montañas Jemez del centro-norte de Nuevo México , a profundidades de más de 8000 pies y temperaturas de la roca superiores a 180 ° C. [6] Los resultados de estas pruebas demostraron de manera concluyente la viabilidad del nuevo y revolucionario concepto de energía geotérmica HDR. Los dos reservorios separados creados en Fenton Hill siguen siendo los únicos reservorios de energía geotérmica HDR verdaderamente confinados sometidos a prueba de flujo en cualquier parte del mundo.
Pruebas de Fenton Hill
Fase I
El primer reservorio HDR probado en Fenton Hill, el reservorio de la Fase I, se creó en junio de 1977 y luego se probó el flujo durante 75 días, de enero a abril de 1978, a un nivel de potencia térmica de 4 MW. [7] La tasa de pérdida de agua final, a una presión de inyección superficial de 900 psi, fue de 2 gpm (2% de la tasa de inyección). Se demostró que este depósito inicial consistía esencialmente en una sola junta casi vertical dilatada por presión, con una impedancia de flujo extremadamente pequeña de 0.5 psi / gpm.
El reservorio inicial de la Fase I se amplió en 1979 y se sometieron a pruebas de flujo adicionales durante casi un año en 1980. [8] De mayor importancia, esta prueba de flujo confirmó que el reservorio agrandado también estaba confinado y exhibía una tasa de pérdida de agua baja de 6 gpm. . Este reservorio consistía en la única articulación casi vertical del reservorio inicial (que, como se señaló anteriormente, se había probado el flujo durante 75 días a principios de 1978) aumentada por un conjunto de articulaciones casi verticales recientemente estimuladas por presión que eran algo oblicuas al golpe de la junta original.
Fase II
Un reservorio HDR más profundo y más caliente (Fase II) fue creado durante una operación de fracturamiento hidráulico masivo (MHF) a fines de 1983. [8] Fue probado por primera vez en la primavera de 1985, mediante una prueba inicial de flujo de circuito cerrado (ICFT ) que duró poco más de un mes. [9] La información obtenida de la ICFT sirvió de base para una posterior prueba de flujo a largo plazo (LTFT), que se llevó a cabo entre 1992 y 1995.
El LTFT comprendió varias ejecuciones de flujo de estado estable individuales, intercaladas con numerosos experimentos adicionales. [10] En 1992-1993, se implementaron dos períodos de circulación en estado estacionario, el primero durante 112 días y el segundo durante 55 días. Durante ambas pruebas, el agua se produjo de forma rutinaria a una temperatura de más de 180 ° C y una velocidad de 90 a 100 gpm, lo que resultó en una producción continua de energía térmica de aproximadamente 4 MW. Durante este lapso de tiempo, la presión del yacimiento se mantuvo (incluso durante los períodos de cierre) a un nivel de aproximadamente 15 MPa.
A partir de mediados de 1993, el depósito se cerró durante un período de casi dos años y se permitió que la presión aplicada descendiera hasta prácticamente cero. En la primavera de 1995, se volvió a presurizar el sistema y se llevó a cabo un tercer ciclo de circulación continua de 66 días. [11] Sorprendentemente, los parámetros de producción observados en las dos pruebas anteriores se restablecieron rápidamente y la producción de energía en estado estacionario se reanudó al mismo nivel que antes. Las observaciones durante las fases de cierre y operativa de todos estos períodos de prueba de flujo proporcionaron una clara evidencia de que la roca en el límite de este reservorio artificial había sido comprimida por la presurización y la expansión resultante de la región del reservorio.
Como resultado del LTFT, la pérdida de agua se eliminó como una de las principales preocupaciones en las operaciones de HDR. [12] Durante el período del LTFT, el consumo de agua se redujo a solo el 7% de la cantidad de agua inyectada; y los datos indicaron que habría seguido disminuyendo en condiciones de circulación de estado estacionario. Los sólidos y gases disueltos en el fluido producido alcanzaron rápidamente valores de equilibrio a bajas concentraciones (alrededor de una décima parte de la salinidad del agua de mar) y el fluido permaneció geoquímicamente benigno durante todo el período de prueba. [13] El funcionamiento de rutina de la planta de superficie automatizada mostró que los sistemas de energía HDR se podían ejecutar utilizando los mismos programas económicos de dotación de personal que ya emplean varias plantas hidrotermales comerciales no tripuladas.
Resultados de la prueba
Las pruebas de Fenton Hill demostraron claramente las ventajas de un reservorio HDR completamente diseñado sobre los recursos hidrotermales naturales, incluido EGS. Con todas las características físicas esenciales del reservorio, incluido el volumen de roca, la capacidad de fluido, la temperatura, etc., establecidas durante la creación de ingeniería de la zona del reservorio, y todo el volumen del reservorio encerrado por una periferia hiperestrés de roca sellada, cualquier variación en la operación las condiciones están totalmente determinadas por cambios intencionales hechos en la superficie. En contraste, un “reservorio” hidrotermal natural, que es esencialmente abierto y por lo tanto no confinado (con límites que son muy variables), está inherentemente sujeto a cambios en las condiciones naturales.
Otra ventaja de un depósito HDR es que su naturaleza confinada lo hace muy adecuado para operaciones de seguimiento de carga, por lo que la tasa de producción de energía varía para satisfacer la demanda variable de energía eléctrica, un proceso que puede aumentar en gran medida la competitividad económica de la tecnología. . [14] Este concepto se evaluó cerca del final del período de prueba de la Fase II, cuando la producción de energía se incrementó en un 60% durante 4 horas cada día, mediante un venteo programado de las regiones del yacimiento de alta presión que rodean el pozo de producción. En dos días fue posible computarizar el proceso, de modo que la producción se incrementó y disminuyó automáticamente de acuerdo con el programa deseado para el resto del período de prueba. Las transiciones entre los dos niveles de producción tomaron menos de 5 minutos y en cada nivel la producción en estado estacionario se mantuvo de manera consistente. Tales operaciones de seguimiento de carga no podrían implementarse en un sistema hidrotermal natural o incluso en un sistema EGS debido al volumen no confinado y las condiciones de contorno.
Los experimentos en Fenton Hill han demostrado claramente que la tecnología HDR es única, no solo con respecto a cómo se crea y luego circula el depósito presurizado, sino también debido a la flexibilidad de gestión que ofrece. Tiene en común con la tecnología hidrotermal solo que ambas son "geotermales".
Pruebas de Soultz
En 1986 se inició el proyecto del sistema HDR de Francia y Alemania en Soultz-sous-Forêts . En 1991 se perforaron pozos a 2,2 km de profundidad y se estimularon. Sin embargo, el intento de crear un depósito no tuvo éxito ya que se observaron grandes pérdidas de agua. [15] [16]
En 1995, los pozos se profundizaron a 3,9 km y se estimularon. En 1997 se creó con éxito un embalse y se logró una prueba de circulación de cuatro meses con un caudal de 25 kg / s sin pérdida de agua. [dieciséis]
En 2003 se profundizaron los pozos a 5,1 km. Se hicieron estimulaciones para crear un tercer reservorio, durante las pruebas de circulación en 2005-2008 se produjo agua a una temperatura de aproximadamente 160 ° C con baja pérdida de agua. Se inició la construcción de una planta de energía. [17] La central eléctrica comenzó a producir electricidad en 2016, se instaló con una capacidad bruta de 1,7 MW e . [18]
Sistemas no confirmados
Ha habido numerosos informes de pruebas de sistemas geotérmicos no confinados estimulados por presión en rocas cristalinas del basamento: por ejemplo, en la cantera Rosemanowes en Cornualles, Inglaterra; [19] en el Hijiori [20] y Ogachi [21] calderas en Japón; y en Cooper Basin , Australia. [22] Sin embargo, todos estos sistemas geotérmicos “diseñados”, aunque se desarrollaron bajo programas dirigidos a la investigación de tecnologías HDR, han demostrado ser abiertos, como lo demuestran las altas pérdidas de agua observadas durante la circulación presurizada. [23] En esencia, todos son EGS o sistemas hidrotermales, no verdaderos reservorios HDR.
Terminología relacionada
Sistemas geotérmicos mejorados
El concepto de EGS fue descrito por primera vez por investigadores de Los Alamos en 1990, en un simposio geotérmico patrocinado por el Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) [24], muchos años antes de que el DOE acuñara el término EGS en un intento de enfatizar el aspecto geotérmico de minería de calor en lugar de las características únicas de HDR.
HWR frente a HDR
La tecnología hidrotermal Hot Wet Rock (HWR) utiliza fluidos calientes que se encuentran naturalmente en la roca del sótano; pero estas condiciones de HWR son raras. [25] Con mucho, la mayor parte de la base de recursos geotérmicos del mundo (más del 98%) se encuentra en forma de roca basal caliente pero seca, sin agua disponible de forma natural. Esto significa que la tecnología HDR es aplicable en casi todas partes de la Tierra (de ahí la afirmación de que la energía geotérmica HDR es omnipresente).
Por lo general, la temperatura en esas vastas regiones de la roca del basamento cristalino accesible aumenta con la profundidad. Este gradiente geotérmico, que es la principal variable de recursos HDR, varía desde menos de 20 ° C / km hasta más de 60 ° C / km, dependiendo de la ubicación. La variable económica HDR concomitante es el costo de perforación a profundidades en las que las temperaturas de la roca son lo suficientemente altas como para permitir el desarrollo de un yacimiento adecuado. [26] El advenimiento de nuevas tecnologías para perforar rocas cristalinas duras del basamento, como las nuevas brocas de perforación PDC (compacto de diamante policristalino), las turbinas de perforación o las tecnologías de percusión impulsadas por fluidos (como Mudhammer [27] ) pueden mejorar significativamente la economía de HDR en el futuro cercano.
Posible confusión
Como se señaló anteriormente, a fines de la década de 1990, el DOE comenzó a referirse a todos los intentos de extraer energía geotérmica de la roca del sótano como "EGS", lo que ha provocado confusión tanto biográfica como técnica. Biográficamente, existe una gran cantidad de publicaciones que discuten el trabajo para extraer energía de HDR sin ninguna mención del término EGS. Por lo tanto, una búsqueda en Internet con el término EGS no identificaría estas publicaciones.
Pero la distinción técnica entre HDR y EGS, como se aclara en este artículo, puede ser aún más importante. Algunas fuentes describen la permeabilidad de la roca del basamento de la Tierra como un continuo que va desde HDR totalmente impermeable a HWR ligeramente permeable a hidrotermales convencionales altamente permeables. [28] Sin embargo, este concepto continuo no es técnicamente correcto. Un punto de vista más apropiado sería considerar la roca HDR impermeable como un estado separado del continuo de roca permeable, al igual que uno consideraría un grifo completamente cerrado como distinto de uno que está abierto en cualquier grado, ya sea que el flujo sea un goteo. o una inundación. Del mismo modo, la tecnología HDR debe considerarse totalmente distinta de EGS.
Otras lecturas
Springer-Verlag publicó en abril de 2012 un libro definitivo sobre el desarrollo de HDR, que incluía un relato completo de los experimentos en Fenton Hill. [6]
Glosario
- DOE, Departamento de Energía (Estados Unidos)
- EGS, sistema geotérmico mejorado
- HDR, roca seca caliente
- HWR, roca húmeda caliente
- ICFT, prueba inicial de flujo en circuito cerrado
- LTFT, prueba de flujo a largo plazo
- MHF, fracturamiento hidráulico masivo
- PDC, compacto de diamante policristalino (broca)
Referencias
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