En el proyecto P14 del Centro Mexicano de Innovación en Energía Geotérmica (Cemie-Geo), un equipo de investigadores del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL) desarrolla el software GeoSteam.NET, un simulador web de transporte de vapor en plantas geotérmicas.
El programa será de utilidad para optimizar (i) diseño y construcción, (ii) monitoreo y operación, y (iii) toma de decisiones en la actualización y modificación de plantas de energía geotérmica. Los resultados del simulador son tan importantes en geotermia como los “planos arquitectónicos en la construcción de un edificio”.
En los sistemas geotérmicos, el vapor es el recurso primario para la generación de energía eléctrica. Con él es que se produce el movimiento de las turbinas. En la mayoría de los campos geotérmicos, el fluido producido es una mezcla de agua y vapor. Para obtener solamente vapor útil para las turbinas se usan distintos sistemas de separación en el cabezal de cada pozo.
Una vez obtenido el vapor separado, se transporta hacia la turbina a través de una red de vapor-ductos que consta de tubos, codos, válvulas, expansiones, reducciones, etcétera. El flujo de vapor (fluido) en las redes de vapor-ductos de sistemas geotérmicos es más complejo que en cualquier otro tipo de sistema, debido a que la presión, la temperatura y el flujo en los pozos geotérmicos dependen de las características naturales del yacimiento.
“Nuestro primer objetivo es crear el simulador como una herramienta eficiente para obtener, en tiempo real, los valores de todos los parámetros, temperatura, presión, tasa de flujo, entalpia de vapor, etcétera, en cada punto de la red de vapor-ductos de una planta geotermia.»
Además, las distancias grandes entre los pozos y la configuración topográfica de un campo geotérmico influyen negativamente en la caracterización del flujo. Las condiciones de cabezal de pozo (es decir, el control de su presión y flujo en la boca del pozo) producen problemas de incrustación (que consisten principalmente en depósitos de sílice y calcita) tanto en el yacimiento geotérmico, como en las redes de vapor-ductos. De la misma manera, se ha observado inestabilidad en forma de fluctuación de la presión en la red de tuberías geotérmicas (incluso, a veces, en los pozos), si la apertura de los pozos no está sincronizada. Todo esto afecta la capacidad de producción de un sistema geotérmico.
Normalmente este problema se llega a resolver produciendo un exceso de vapor (es decir, vapor sin ningún tipo de uso) y descargándolo a la atmósfera, lo que tiene impactos económicos y ambientales. De ahí la importancia de comprender la complejidad del flujo de vapor en las redes de los sistemas geotérmicos.
“Nuestro primer objetivo es crear el simulador como una herramienta eficiente para obtener, en tiempo real, los valores de todos los parámetros, temperatura, presión, tasa de flujo, entalpia de vapor, etcétera, en cada punto de la red de vapor-ductos de una planta geotermia. Dichos parámetros son fundamentales para la toma de decisión de los ingenieros de campo”, explica, en entrevista, el doctor Mahendra P. Verma, investigador del INEEL y líder técnico del proyecto.
El segundo objetivo es la actualización de las tablas de vapor, las cuales son de vital importancia para los ingenieros dedicados a la generación de energía eléctrica, así como para el algoritmo del simulador del transporte de vapor. Actualmente, varios parámetros de las tablas de vapor, tales como la entalpia, tienen valores múltiples, lo que no es congruente con la definición básica de una función de estado.
¿Qué son las tablas de vapor?
Las tablas de vapor son las formulaciones (relaciones) empíricas que han sido generadas a través de las mediciones experimentales de las propiedades del agua, presión (P), volumen (V), temperatura (T) y calor especifico (Cp y/o Cv) del agua en los últimos 100 años o más. En el INEEL, el grupo del doctor Mahendra P. Verma ha identificado las limitaciones de las mediciones de Cp y/o Cv del agua, en la literatura existente. Debido a eso, en el laboratorio del INEEL se está desarrollando un “calorímetro diferencial de barrido” para medir las propiedades PVT y Cv del agua hasta 700 K y 50 MPa.
Para ilustrar la aplicación del GeoSteam.Net, se ha escrito un programa de demostración para resolver el problema clásico de tres reservorios en la mecánica de fluidos, mismo que se puede descargar desde ese sitio y funciona como una herramienta didáctica para la enseñanza de mecánica de fluido.
En resumen, el software GeoSteam.Net es una herramienta que sirve de apoyo en el proceso para la generación de energía eléctrica por las plantas geotérmicas, de manera eficiente y confiable, reduciendo el costo y mejorando el tiempo de construcción.