Mobirise Site Creator

Proyecto P07 

Estimación del potencial de generación eléctrica de los Sistemas Geotérmicos Mejorados (SGM) en México



Los resultados y mapas del proyecto P07 del CeMIEGeo no deben ser utilizados para tomar decisiones de inversión comercial.

Toda la información presentada en este portal se encuentra protegida por derechos de autor.

INTRODUCCIÓN


El proyecto P07 del Centro Mexicano de Innovación en Energía Geotérmica es del tipo investigación aplicada e innovación, y está enmarcado en la línea de investigación estratégica “generación de electricidad con energía geotérmica extraída de yacimientos de muy baja permeabilidad o roca seca caliente”.

En el mismo participan las siguientes instituciones y empresas:
·         Instituto Nacional de Electricidad y Energias Limpias, INEEL, México
·         Instituto de Geología, UNAM, México
·         Instituto de Geofísica, UNAM, México
·         Geocónsul S.A. de C.V., México
·         Southern Methodist University, Dallas, Texas, USA

Sus objetivos son:
·         Estimar el potencial de generación eléctrica de los Sistemas Geotérmicos Mejorados (SGM) en México.
·         Presentarlo en un sistema de información geográfica accesible en Internet

La estructura del proyecto está basada en el protocolo internacional “Protocol for Estimating and Mapping Global EGS Potential” (G.R. Beardsome, L. Rybach, D. Blackwell y C. Baron, GRC Transactions, (34), 301-312).

METODOLOGÍA


Los resultados presentados se obtuvieron mediante la siguiente metodología, basada en el protocolo de Beardsmore et al. (2010).

Recopilación de información.

Se recolectó información geográfica de la República Mexicana en mapas geo-referenciados de topografía y divisiones políticas, así como de las zonas donde no es posible construir sistemas geotérmicos mejorados (SGM) (p. ej., ciudades y poblaciones, parques nacionales, etc.). También se recopiló información geológica, geofísica y petrofísica de numerosas fuentes, incluyendo la geología superficial de México y la distribución de la cobertura sedimentaria y volcánica, además de información sobre la profundidad al basamento (rocas ígneas y metamórficas regionales) medidas o estimadas en pozos y secciones geofísicas. Adicionalmente, se obtuvieron datos existentes de flujo y gradiente térmicos en el país, así como un mapa de temperatura media en superficie que sirvió como referencia para las estimaciones de calor disponible. Toda la base de datos geológicos geo-referenciada se implementó computacionalmente en un sistema de información geográfica (SIG) siguiendo la normatividad cartográfica e informática del INEGI.

Mapa geológico de la República Mexicana (extraído del conjunto vectorial geológico del INEGI).

Mapa de la temperatura media anual en superficie.


Creación de un modelo geológico tridimensional con una resolución espacial de 5´ × 5´ × 1 km.
Se generó una malla geográfica superficial de la República Mexicana con celdas de 5´ (latitud) × 5´ (longitud) y a las cuales se le asignaron bloques subyacentes de 1 km de espesor cada uno, hasta la profundidad de 10 km, con lo cual se obtuvo un modelo tridimensional de 262,150 bloques. El modelo permitió definir el espesor de los sedimentos y cobertura volcánica, así como la profundidad a la interfaz sedimento-basamento. En las zonas donde no existe información sobre dicha profundidad, se interpoló con el método de distancia inversa ponderada. La caracterización geológica (sedimento o basamento, litología predominante y profundidad a la interfaz sedimento-basamento) de los bloques se realizó iniciando con la capa superficial de bloques, siguiendo con la segunda capa de bloques, y terminando con la capa más profunda (entre 9 y 10 km de profundidad). La creación del modelo geológico 3D fue la parte de la metodología que requirió mayor tiempo y trabajo desarrollar.

Mapa de la República Mexicana mostrando la división en celdas de 5’ de latitud x 5’ de longitud.

Estructura de los bloques de basamento y de sedimento en el modelo geológico, desde la superficie (NP0) hasta la profundidad de 10 km (NP10).




Asignar propiedades térmicas a sedimento y basamento.

A los bloques de sedimento y basamento se les asignaron valores representativos de densidad, calor específico, conductividad térmica y de generación volumétrica de calor de acuerdo con el tipo de roca correspondiente. Estos valores se tomaron de fuentes bibliográficas confiables o del protocolo de Beardsmore et al. (2010), el cual considera que la conductividad térmica del sedimento a profundidades superiores a 4 km tiene el mismo valor que la del basamento. Posteriormente, los valores de conductividad térmica, tanto para sedimento como para basamento, fueron corregidos debido a la interdependencia entre la temperatura y la conductividad térmica (Vosteen y Schellschmidt, 2003). También, los valores de generación de calor se corrigieron por causa de la disminución exponencial de esta propiedad con la profundidad (Rybach, 1981). Finalmente, se calculó un valor único de conductividad térmica para toda la columna de sedimento bajo una misma celda mediante la media armónica ponderada de las litologías presentes, y un único valor de generación de calor, mediante la media aritmética ponderada. Para el caso del basamento, se procedió de manera similar.

Crear el mapa de flujo de calor en superficie.

Se compilaron datos de flujo de calor medidos en la superficie del territorio continental nacional provenientes de diversas fuentes, excluyendo los valores mayores a 120 mW/m2 correspondientes a zonas hidrotermales (MIT, 2006). Estos datos se utilizaron para estimar el valor del flujo de calor en los centroides de las celdas de la malla que se encuentran dentro de un radio de 30 km de cada uno de los puntos de medición. Lo anterior se realizó mediante el cálculo de la distancia media ponderada de los datos, medidos dentro de este radio, a los centroides mencionados. Para el resto (la mayoría) de los centroides de la República Mexicana, Q0 (flujo de calor en superficie) se estimó mediante:

Flujo de calor

 Condiciones

Ecuación

Descripción

Si S < 3,000 m, entonces

S = 10,000 m

Si S > 3,000 m; entonces

S= (13,000 ‒ S) m

 

Q0=QM+b*AM+S*AS

 

QM (W/m2) es el flujo de calor del manto;

S (m) espesor del sedimento;

b (m) espesor del basamento,

AB y AS (W/m3) generación de calor promedio en el basamento y sedimento, respectivamente.


Con los valores Q0 calculados, se generó el mapa de flujo de calor en superficie de México.

Estimar la temperatura y el flujo térmico en la interfaz sedimento-basamento.

La temperatura (TS, en °C) y el flujo térmico (QS), en la interfaz sedimento-basamento se estimaron con las siguientes ecuaciones:

Temperatura (°C) y flujo térmico en la interfaz sedimento-basamento

 Condiciones

Ecuación

Descripción

Si S < 4,000 m

 

TS=T0+[((Q0×S))⁄KS]-AS×[S^2⁄((2×KS ) )]

QS=Q0-S×AS

(KS) conductividad térmica del sedimento

 (KB) conductividad térmica del basamento. KS= KB

S=0 cuando el basamento aflora en superficie, y por ende TS = T0 y QS = Q0

Si S > 4,000 m

TS=T4km+[((Q0-4000×AS )×(S-4000))⁄KB ]-AS×[(S-4000)^2⁄((2×KB ) )]

QS=Q0-S×AS

(KS) conductividad térmica del sedimento

(KB) conductividad térmica del basamento. KS= KB

T4km se obtiene usando S = 4,000 m

 



Estimar la temperatura a la profundidad X entre 3 y 10 km.

Temperatura a la profundidad X entre 3 y 10 km

 Condiciones

Ecuación

Descripción

Si la profundidad X (m) se encuentra en el basamento

TX=TS+[QS×((X-S))⁄KB ]-AB×[(X-S)^2⁄((2×KB ))]

 

Para las profundidades de 3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5, 8.5 y 9.5 km

Si la profundidad X (m) se encuentra en el sedimento

TX=T0+[((Q0×X))⁄KS ]-AS×[(X)^2⁄((2×KS ))]

 

Para las profundidades de 3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5, 8.5 y 9.5 km



Computar el calor disponible en cada bloque

Calor disponible en cada bloque

 Condiciones

Ecuación

Descripción

 

H=ρ×Cp×Vc×(TX-Tr)×10-18

H (EJ) es la energía de cada bloque;

ρ (kg/m3), densidad de la roca;

Cp (J/kg K), calor específico de la roca;

Vc (m3), el volumen del bloque;

TX, la temperatura del bloque (°C), y

Tr (= T0 + 80 °C), la temperatura base, definida como el valor hasta el cual la temperatura de la corteza puede teóricamente disminuir al utilizarse su calor geotérmico.



Nuestra estimación del potencial teórico define el límite superior de la energía teóricamente disponible (Beardsmore et al., 2010). Su cálculo consistió en determinar la energía térmica disponible en la corteza terrestre bajo el territorio continental nacional hasta una profundidad de 10 km, bajo los siguientes supuestos: (a) toda energía térmica (H) con temperatura mayor que la temperatura base (Tr) es teóricamente recuperable en todas las locaciones, (b) la vida económica de la generación eléctrica es de 30 años (9.46 × 108 s) y (c) la eficiencia térmica del ciclo (ηth) depende de la temperatura del recurso. La eficiencia térmica la estimamos mediante (MIT, 2006):


Potencial teórico

 Condiciones

Ecuación

Descripción

 

ηth=0.00052×T+0.032

T=((TX+T0+80℃))⁄2

P=(H×1012×ηth)⁄9.46×108

T la temperatura media entre la inicial del fluido, TX, y la temperatura base.

El potencial teórico (P, en MWe) de generación de energía eléctrica, para un bloque de roca de 5’ × 5’ con un espesor de 1,000 m, con calor disponible H,


Estimar el potencial técnico.
De manera previa al cálculo del potencial técnico, se excluyeron de este proceso las zonas del territorio continental nacional cuyo acceso se encuentra restringido debido a consideraciones de tipo geográfico, ambiental, legal-regulatorio, social, político, económico, etc., las cuales no permiten el desarrollo de los SGM. A continuación, se presenta la lista de las zonas que fueron descartadas del cálculo del potencial técnico SGM y el mapa correspondiente.

·         Áreas naturales protegidas (ANP federal, estatal, municipal).

·         Cuerpos de agua.

·         Áreas densamente pobladas (localidades urbanas).

·         Aeropuertos principales.

·         Zonas arqueológicas.

·         Altitudes mayores a 3,000 msnm.

·         Humedales de importancia internacional (sitios Ramsar).

·         Localidades rurales con más de 500 habitantes.

·         Zonas de monumentos históricos.

·         Volcanes activos y zonas aledañas dentro de un perímetro de 10 km.


El potencial técnico (PT, en MWe) de generación eléctrica de los SGM se determinó en cada bloque del modelo geológico de la República Mexicana mediante la siguiente ecuación:


Potencial técnico

 Condiciones

Ecuación

Descripción

 

 

PT=P×Rav×R×RTD

P (MWe) es el potencial teórico estimado en el bloque;

Rav (adimensional) es la fracción (entre 0 y 1) de volumen técnicamente disponible del bloque;

R es el factor (adimensional) de recuperación por el tipo de roca, generalmente considerado igual a 0.14,

y RTD (= 10 / [TX – Tr]) es el factor (adimensional) de recuperación por caída de temperatura.


La estimación del potencial técnico se realizó únicamente en el intervalo comprendido entre 3,000 y 7,000 m de profundidad. Por debajo de esas profundidades, el potencial técnico asignado es igual a cero.


Clasificar el nivel de confianza para cada localización.
Siguiendo la recomendación de Beardsmore et al. (2010), definimos un nivel de confianza para cada localización en la que se estimó el Potencial Técnico. Para el caso de México, no existe un código nacional que regule la clasificación de las estimaciones o recursos geotérmicos, por lo cual usamos la clasificación de los Códigos de Información de Australia (AGEA-AGEG, 2010) y Canadá (CanGEA, 2010).

Referencias

 

AGEA-AGEG, 2010. The Geothermal Reporting Code, 2da. ed., publicado por el Comité del Código de Información Geotérmica Australiano de la Asociación Australiana de Energía Geotérmica (AGEA) y el Grupo de Energía Geotérmica Australiano (AGEG), 34 p., Adelaide.

Beardsmore, G.R.; Rybach, L.; Blackwell, D.; Baron, C.; 2010. A Protocol for Estimating and Mapping Global EGS Potential. GRC Transactions, 34, 301-312.

CanGEA, 2010. The Canadian Reporting Code for Geothermal Reporting, publicado por el Comité del Código de Información Canadiense de la Asociación Canadiense de Energía Geotérmica, 34 p., Calgary.

Rybach, L., 1981. Geothermal Systems, Conductive Heat Flow, Geothermal Anomalies. In: Geothermal Systems: Principles and Case Histories, editado por L. Rybach y L.J.P. Muffler, John Wiley & Sons Ltd, pp. 3-36.

Secretaría de Energía (SENER), 2016. Atlas Nacional de Zonas con Alto Potencial de Energías Limpias (AZEL). Consultado en: https://dgel.energia.gob.mx/AZEL/

MIT (Massachusetts Institute of Technology), 2006. The Future of Geothermal Energy: Impact of enhanced geothermal systems (EGS) on the United States in the 21st century. MIT Press.

Vosteen, H.D.; Schellschmidt, R.; 2003. Influence of temperature on thermal conductivity, thermal capacity and thermal diffusivity for different types of rock. Physics and Chemistry of the Earth, 28 (9-11), 499-509.





GLOSARIO DE TÉRMINOS


Áreas Naturales Protegidas (ANP).-
Son áreas determinadas por el Estado, sujetas a un marco legal e institucional definido para garantizar la conservación de sus particularidades y riquezas medioambientales y culturales.

Bloque.-
Unidad volumétrica del modelo geológico de la República Mexicana de 5’ de latitud × 5’ de longitud × 1 km de profundidad a la cual se le asigna una litología representativa y propiedades termofísicas tomadas de fuentes de información o criterios técnicos apropiados.

Comisión Federal de Electricidad (CFE).-
Empresa del gobierno federal mexicano encargada de generar, transmitir, distribuir y comercializar la energía eléctrica.

Energía Renovable.-
Es la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre estas fuentes de energía están la hidráulica, la solar, la eólica, la geotérmica, la oceánica y la de biomasa. Estas provienen de la energía de la radiación solar, el calor interno de la Tierra y la atracción gravitacional de la luna y el sol.

Energía Geotérmica.-
El calor es una forma de energía y la energía geotérmica es, estrictamente, el calor contenido en la Tierra. Frecuentemente, “energía geotérmica” se utiliza para referirse a la fracción del calor contenido en la Tierra que puede o podría ser utilizada por la humanidad.

Flujo de Calor.-
Energía térmica que atraviesa una unidad de superficie por unidad de tiempo.

Flujo de Calor en la Interfaz.-
Flujo térmico que atraviesa la frontera entre basamento y sedimento.

Gigawatt hora (GWh).-
Es una medida de energía equivalente a la potencia suministrada por un gigavatio en una hora; esta unidad de medida es utilizada para expresar la cantidad de energía eléctrica generada o consumida en una hora.

Instituto Nacional de Estadística, y Geografía e Informática (INEGI).-
Instituto del gobierno mexicano que ofrece acceso a la información estadística y geográfica de una gran diversidad temática y con distintos niveles de desagregación a través de productos impresos y digitales, tanto en forma gratuita como en venta.

Litología.-
El término litología se refiere a la composición o tipo de roca; a la naturaleza macroscópica del contenido mineral, tamaño de grano, textura y color de las rocas. La litología puede ser una descripción detallada o una descripción resumida de las características físicas de la roca. Se utiliza como una identificación gruesa para una capa de roca en el subsuelo.

Megawatt (MW).-
Es una unidad de potencia en el Sistema Internacional. Esta unidad de medida es utilizada, entre otras cosas, para expresar la capacidad instalada de una central de generación eléctrica.

Modelo geológico (MW).-
Representación espacial de la litoestratigrafía de un volumen del subsuelo. Nuestro modelo geológico de la República Mexicana de 0 a 10 km de profundidad está dividido en 262,150 bloques volumétricos.

Potencial Técnico. -
Describe la fracción del Potencial Teórico que podría ser utilizado después de considerar las limitaciones técnicas actuales, las restricciones estructurales y ecológicas así como las condiciones legales y regulatorias.

Potencial Teórico.-
Estimación de la energía utilizable físicamente en un periodo de tiempo y en una región geográfica. Está definido solamente por los límites físicos de su utilización y por lo tanto define la cota superior de la potencia eléctrica teóricamente utilizable.

Roca Ígnea.-
Todas aquellas que se han formado por solidificación de un material rocoso, caliente y móvil denominado magma. Este proceso, llamado cristalización, resulta del enfriamiento de los minerales y del entrelazamiento de sus partículas.

Secretaria de Energía (SENER).-
Secretaría del gobierno federal mexicano que se encarga de conducir la política energética del país, dentro del marco constitucional vigente, para garantizar el suministro competitivo, suficiente, de alta calidad, económicamente viable y ambientalmente sustentable de energéticos que requiere el desarrollo de la vida nacional.

Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales (SEMARNAT).-
Secretaría del gobierno federal mexicano encargada de fomentar la protección, restauración y conservación de los ecosistemas, recursos naturales y bienes y servicios ambientales, con el fin de propiciar su aprovechamiento y desarrollo sustentable.

Sistema de Información Geográfica (SIG).-
Integración organizada de hardware, software y datos geográficos diseñada para capturar, almacenar, manipular, analizar y desplegar en todas sus formas la información geográficamente referenciada con el fin de resolver problemas complejos de planificación y gestión.

Sistemas Geotérmicos Mejorados (SGM).-
A profundidades típicamente mayores que 3 km existen formaciones rocosas de baja permeabilidad con temperaturas de interés para la generación eléctrica. A estos recursos se los denomina recursos de roca seca caliente (RSC). Para aprovechar estos recursos se desarrolló el concepto de SGMs. Estos consisten en un sistema de fracturas abiertas interconectadas a profundidad interceptado por al menos dos pozos. Por uno de ellos se inyecta agua que se calienta por contacto con la roca y se extrae por los pozos de producción. El agua caliente y el vapor recuperado en superficie se utilizan en una planta geotérmica convencional. El agua extraída se reinyecta en el yacimiento formando un ciclo cerrado.

Yacimiento.-
Lugar en el que se encuentran de forma natural minerales, rocas o fósiles, especialmente cuando puede ser objeto de explotación.         

SIGLAS


ANP.-
Áreas Naturales Protegidas
CeMIEGeo. -
Centro Mexicano de Innovación en Energía Geotérmica
CFE.-
Comisión Federal de Electricidad
INEEL.-
Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias
INEGI.-
Instituto Nacional de Estadística y Geografía
SEMARNAT.-
Secretaría del Medio Ambiente y Recursos Naturales
SENER.-
Secretaria de Energía
SIG.-
Sistema de Información Geográfica
UNAM.-
Universidad Nacional Autónoma de México