Diseño conceptual para una planta binaria geotérmica en el departamento de Nariño
Contenido principal del artículo
Resumen
La energía es vital para el progreso, y la geotermia emerge como una alternativa sostenible, aprovechando el calor interno de la Tierra. Esta investigación propuso una red de intercambio de calor para una planta geotérmica binaria de 5 MW en Nariño, Colombia. El estudio se estructuró en cinco fases clave: selección del fluido geotérmico, definición del tipo y características de la planta, elección del fluido de trabajo, simulación con ASPEN PLUS y diseño de la red de intercambio. Se utilizó salmuera a 423.15 K de los reservorios de Azufral y Chiles como recurso geotérmico. El isopentano fue seleccionado como fluido de trabajo por su eficiencia del 16.89 %. La red diseñada consta de veintidós intercambiadores de tubos y coraza: seis precalentadores, seis evaporadores y diez condensadores. El sistema opera con presiones entre 1.5 y 10.5 bares, y temperaturas de 289.15 K a 423.15 K. Se resalta la necesidad de ampliar los estudios de prospección geotérmica. Las plantas binarias son una opción viable, pero requieren diseños específicos para la limpieza debido a las características del fluido geotérmico, lo que impacta también la estabilidad estructural.
Detalles del artículo
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
Citas
Abid, K., Sharma, A., Ahmed, S., Srivastava, S., Toledo Velazco, A., & Teodoriu, C. (2022). A review on geothermal energy and HPHT packers for geothermal applications. Energies, 15(19), 7357.
Agencia_Nacional_de_Hidrocarburos (ANH). (2023). Datos y estadísticas, Reservas probadas de Petróleo y Gas. https://www.anh.gov.co/es/operaciones-y-regalías/datos-y-estadisticas/
Alfaro, C. (2001). Geoquímica del sistema geotérmico del volcán Azufral. Ingeominas, Bogotá. https://catalogo.sgc.gov.co/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber=48662&shelfbrowse_itemnumber=48009
Alfaro, Claudia, Ponce, P., Monsalve, M. L., Ortiz, I., Franco, J. V., Ortega, A., Torres, R., & Gómez, D. (2015). A preliminary conceptual model of Azufral geothermal system, Colombia. Proceedings World Geothermal Congress, 10p-10p.
Algarin, C. R., & Álvarez, O. R. (2018). Un panorama de las energías renovables en el Mundo, Latinoamérica y Colombia. Espacios, 39(10).
Alimonti, C., Conti, P., & Soldo, E. (2019). A comprehensive exergy evaluation of a deep borehole heat exchanger coupled with a ORC plant: the case study of Campi Flegrei. Energy, 189, 116100.
Arango, M. A. (2019). Panorama energético de Colombia. https://www.bancolombia.com/empresas/capital-inteligente/especiales/especial-energia-2019/panomara-energetico-colombia
Ashwood, A., & Bharathan, D. (2011). Hybrid cooling systems for low-temperature geothermal power production.
Benderitter, Y., & Cormy, G. (1990). Possible approach to geothermal research and relative cost estimate. Small Geothermal Resources. UNITAR/UNDP Centre for Small Energy Resources, 61–71.
Budisulistyo, D., Krumdieck, S., & Southon, M. (2014). The effect of heat exchanger design on the return on investment of a geothermal power plant.
Cengel, Y. A., & Ghajar, A. J. (2020). Transferencia de calor y masa: fundamentos y aplicaciones. McGraw-Hill.
Céspedes, S., Cano, N. A., Foo, G., Jaramillo, D., Martinez, D., Gutiérrez, M., Pataquiba, J., Rojas, J., Cortés, F. B., & Franco, C. A. (2022). Technical and Environmental Feasibility Study of the Co-Production of Crude Oil and Electrical Energy from Geothermal Resources: First Field Trial in Colombia. Processes, 10(3), 568.
Corte_Constitucional_de_Colombia. (n.d.). Sentencia T-367/20. Retrieved November 25, 2024, from https://www.corteconstitucional.gov.co/Relatoria/2020/T-367-20.htm
Corte_Constitucional_de_Colombia. (2015). Sentencia T-761/15. https://www.corteconstitucional.gov.co/relatoria/2015/T-761-15.htm
Coviello, M. (2000). Estudio para la evaluación del entorno del Proyecto Geotérmico Binacional" Tufiño-Chiles-Cerro Negro". https://repositorio.cepal.org/bitstream/handle/11362/31473/S006540_es.pdf?sequence=1
Dickson, M. H., & Fanelli, M. (2004). ¿ Qué es la energía geotérmica. Pisa: Istituto Di Geoscienze e Georisorse, CNR.
DiPippo, R. (2012). Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact (BUTTERWORT). https://www.egu.eu/newsletter/geoq/08/books4.pdf
El_Tiempo. (2023). Los lugares que aún viven sin energía eléctrica en Colombia - Otras Ciudades - Colombia. https://www.eltiempo.com/colombia/otras-ciudades/los-lugares-que-aun-viven-sin-energia-electrica-en-colombia-325892
Frick, S., Kranz, S., Kupfermann, G., Saadat, A., & Huenges, E. (2019). Making use of geothermal brine in Indonesia: binary demonstration power plant Lahendong/Pangolombian. Geothermal Energy, 7(1), 1–19.
Galashov, N., Tsibulskiy, S., & Serova, T. (2016). Analysis of the Properties of Working Substances for the Organic Rankine Cycle Based Database “REFPROP.” EPJ Web of Conferences, 110, 1068.
Ghazvini, M., Sadeghzadeh, M., Ahmadi, M. H., Moosavi, S., & Pourfayaz, F. (2019). Geothermal energy use in hydrogen production: A review. International Journal of Energy Research, 43(14), 7823–7851.
Gómez-González, D. A., Méndez-Duran, L. A., & Milquez-Sanabria, H. A. (2024). Exergoeconomic evaluation of fuel production from rice husk residue through the pyrolysis process. Journal of Renewable and Sustainable Energy, 16(1).
Gudmundsson, J.-S. (1988). The elements of direct uses. Geothermics, 17(1), 119–136.
Harfoot, M. B. J., Tittensor, D. P., Knight, S., Arnell, A. P., Blyth, S., Brooks, S., Butchart, S. H. M., Hutton, J., Jones, M. I., & Kapos, V. (2018). Present and future biodiversity risks from fossil fuel exploitation. Conservation Letters, 11(4), e12448.
Hochstein, M. P. (1988). Assessment and modelling of geothermal reservoirs (small utilization schemes). Geothermics, 17(1), 15–49.
IRENA. (2022). Powering Agri-food Value Chains with Geothermal Heat: A Guidebook for Policy Makers.
https://www.irena.org/Publications/2022/Jun/Powering-Agri-food-Value-Chains-with-Geothermal-Heat
Janaun, J., Kamin, N. H., Wong, K. H., Tham, H. J., Kong, V. V, & Farajpourlar, M. (2016). Design and simulation of heat exchangers using Aspen HYSYS, and Aspen exchanger design and rating for paddy drying application. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 36(1), 12056.
Kaya, T., & Hoshan, P. (2005). Corrosion and material selection for geothermal systems. Proceedings World Geothermal Congress, 2005, 24–29.
La_Republica. (2021). Empieza el primer piloto para la generación de energía eléctrica mediante geotermia.
Lund, J. W., & Toth, A. N. (2021). Direct utilization of geothermal energy 2020 worldwide review. Geothermics, 90, 101915.
Malyshenko, S. P., & Schastlivtsev, A. I. (2010). Thermodynamic efficiency of geothermal plants with hydrogen steam superheating.
Marzolf, N. C. (2014). Emprendimiento de la energía geotérmica en Colombia.
Mikhaylov, A. (2020). Geothermal energy development in Iceland. International Journal of Energy Economics and Policy, 10(4), 31–35.
Muffler, P., & Cataldi, R. (1978). Methods for regional assessment of geothermal resources. Geothermics, 7(2–4), 53–89.
Musharavati, F., Khanmohammadi, S., & Pakseresht, A. (2021). Proposed a new geothermal based poly-generation energy system including Kalina cycle, reverse osmosis desalination, elecrolyzer amplified with thermoelectric: 3E analysis and optimization. Applied Thermal Engineering, 187, 116596.
Neupane, G., & Wendt, D. S. (2017). Assessment of mineral resources in geothermal brines in the US. Proceedings of the 42nd Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford, CA, USA, 13–15.
New_Zealand_Foreing_Affairs_&_Trade. (2024). Iceland: green transition & renewable energy - September 2024. https://www.mfat.govt.nz/en/trade/mfat-market-reports/iceland-green-transition-and-renewable-energy-september-2024
None, N. (2019). GeoVision: Harnessing the heat beneath our feet. US Department of Energy, Washington, DC (United States).
Ohji, A., & Haraguchi, M. (2017). Steam turbine cycles and cycle design optimization: the Rankine cycle, thermal power cycles, and IGCC power plants. In Advances in steam turbines for modern power plants (pp. 11–40). Elsevier.
Pereyra, M. S., Ortega, A. M., Blancas, A. E. B., Leyte, R. L., & Méndez, H. D. L. (2017). Parametric analysis of the geothermal power: Dry-steam, flash steam and hybrid cycle. DYNA: Revista de La Facultad de Minas. Universidad Nacional de Colombia. Sede Medellín, 84(203), 273–282.
Periódico_UNAL. (2021). Energía geotérmica: ¿qué es y cuáles son sus beneficios? https://periodico.unal.edu.co/articulos/energia-geotermica-que-es-y-cuales-son-sus-beneficios/
Ramírez Fonseca, J. A. (2021). Diseño de un ciclo binario para una planta geotérmica en la Región del Magdalena Medio [Universidad Santo Tomás]. https://repository.usta.edu.co/bitstream/11634/34954/1/2021julianramirezfonseca.pdf
Reyes-Rodríguez, M. B., Moya-Rodríguez, J. L., & Goytisolo-Espinosa, R. (2014). Simplified calculation of vibrations in shell and tube heat exchangers with liquids. Dyna, 81(186), 28–34.
Riley, J. R. (1987). Heber geothermal binary demonstration plant: Design, construction, and early startup: Topical report. Burns and McDonnell Engineering Co., Kansas City, MO (United States ….
Rohit, R. V, Kiplangat, D. C., Veena, R., Jose, R., Pradeepkumar, A. P., & Kumar, K. S. (2023). Tracing the evolution and charting the future of geothermal energy research and development. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 184, 113531.
Salman, M., Hennessy, J., & Li, H. (2017). Evaluating the Organic Rankine Cycle (Orc) for Heat to Power. Book, Publication: Malardalens Universitet.
Servicio Geológico Colombiano. (2019). Geotermia en Colombia. https://www2.sgc.gov.co/Publicaciones/Cientificas/NoSeriadas/Documents/geotermia-en-colombia.pdf
Sharmin, T., Khan, N. R., Akram, M. S., & Ehsan, M. M. (2023). A state-of-the-art review on geothermal energy extraction, utilization, and improvement strategies: conventional, hybridized, and enhanced geothermal systems. International Journal of Thermofluids, 18, 100323.
Thulukkanam, K. (2024). Heat Exchangers: Mechanical Design, Materials Selection, Nondestructive Testing, and Manufacturing Methods. CRC Press.
Toffolo, A., Lazzaretto, A., Manente, G., & Paci, M. (2014). A multi-criteria approach for the optimal selection of working fluid and design parameters in Organic Rankine Cycle systems. Applied Energy, 121, 219–232.
Tomarov, G. V, & Shipkov, A. A. (2017). Modern geothermal power: Binary cycle geothermal power plants. Thermal Engineering, 64(4), 243–250.
Toshiba. (2022). Toshiba to Survey on Hydrogen Production Using Unused Geothermal Energy | News Release. https://www.global.toshiba/ww/news/energy/2022/06/news-20220630-01.html
UPME. (2019). PLAN ENERGÉTICO NACIONAL 2020- 2050. https://www1.upme.gov.co/DemandaEnergetica/PEN_documento_para_consulta.pdf
Vallack, H. W., & Rypdal, K. (2019). EMEP/EEA air pollutant emission inventory guidebook 2019c. York.
Xiangyun, L. (2020). The Design of Shell-and-tube Heat Exchanger in the Project of the Coal Bed Methane Electrical Power Generation. Journal of Chemical, Environmental and Biological Engineering, 4(2), 53–59. https://www.sciencepublishinggroup.com/article/10.11648/j.jcebe.20200402.14
Yu, H., Helland, H., Yu, X., Gundersen, T., & Sin, G. (2021). Optimal design and operation of an Organic Rankine Cycle (ORC) system driven by solar energy with sensible thermal energy storage. Energy Conversion and Management, 244, 114494.
Yuan, W., Chen, Z., Grasby, S. E., & Little, E. (2021). Closed-loop geothermal energy recovery from deep high enthalpy systems. Renewable Energy, 177, 976–991.
Zarrouk, S. J., Woodhurst, B. C., & Morris, C. (2014). Silica scaling in geothermal heat exchangers and its impact on pressure drop and performance: Wairakei binary plant, New Zealand. Geothermics, 51, 445–459.