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El Ciclo Binario
Aprovechando el agua geotérmica residual
Ricardo Castro
February 24, 2024 • Tiempo de lectura: 10 minutos
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El Ciclo Binario
El Doble Flasheo extrae vapor del agua residual, el Ciclo Binario es extraer calor del agua residual.
Para el primero necesitamos algunos equipos adicionales y una turbina que tenga dos entradas de vapor a dos presiones distintas
Para el segundo necesitamos una planta entera…
La última vez… Hablamos de una de las manera para aprovechar el agua geotérmica residual haciendo una segunda vaporización o flasheo. Ahora veremos otra forma de aprovechamiento… El Ciclo Binario.
El principio de funcionamiento
Las unidades a ciclo binario, también conocidas como unidades de ciclo Rankine Orgánico (ORC, por sus siglas en inglés) aprovechan el calor residual del agua.
No solo se utilizan para aprovechar el calor residual del agua separada, si no también para aprovechar los reservorios de mediana entalpía.
El concepto detrás es sencillo…
¿Qué tal si le “robamos” calor al agua geotérmcia y se lo transferimos a otro fluido que pueda vaporizarse a baja temperatura y este segundo fluido lo expandimos en una turbina?
Así nace el Ciclo Binario o Rankine Orgánico.
Utiliza intercambiadores de calor para vaporizar un segundo fluido que suele ser isopentano o n-pentano, y luego se expande en una turbina.
¿A caso el isopentano no es inflamable?
Me alegra que lo preguntes… Sí, si es inflamable. Es un hidrocarburo… más denso que el gas natural y que el propano, y menos denso que los componentes que forman las gasolinas… Se encuentra ahí, en el medio…
Por eso una planta de ciclo binario que funciona con isopentano o n-pentano tiene medidas de seguridad muy estrictas, así como equipos especiales para funcionar en áreas clasificación I, División 1… 🔍
En su forma más básica, los intercambiadores de calor vaporizan el fluido, después el fluido pasa através de la turbina donde la energía térmica se transforma a energía mecánica, y después de salir de la turbina, el fluido de trabajo pasa al condensador, donde se vuelve líquido y ahora puede ser bombeado de nuevo hacia los intrecambiadores de calor para repetir el ciclo… Aquí lo puedes ver…
Sencillo, ¿verdad?
Bueno, ese es el concepto… Pero para un mejor aprovechamiento, suelen usarse otros equipos que optimizan el ciclo, como por ejemplo precalentadores y recuperadores. Un esquema típico lo podemos ver en la siguiente sección
Esquema típico de un Ciclo Binario
Como ves, tiene un par de equipos más para hacer un mejor aprovechamiento del calor del agua geotérmica.
El agua geotérmica a alta temperatura ingresa primero al vaporizador. Este es un intercambiador de calor que sobrecalienta el isopentano, o el fluido de trabajo.
A la salida, el agua ha perdido calor, pero todavía puede ceder un excedente. Este excedente lo cede en el precalentador.
En el precalentador, el fluido de trabajo se calienta sin llevarse a la fase gaseosa. A su salida el agua tiene la tempratura más baja y está lista para su reinyección final.
El fluido de trabajo, por su parte, se dirige del precalentador al vaporizador. Al salir del vaporizador tiene alta presión y temperatura en fase gaseosa, y está listo para ingresar a la turbina.
Las turbinas de ciclo binario las he visto con turboexpansores, con entradas radiales y salida axial, y con rotores de flujo completamente axial.
Los expansores tienen una geometría como esta:
Y las turbinas de flujo axial tienen geometrías como esta:
Solo que con un tamaño reducido y menos etapas.
Una de las particularidades de estas turbinas es el sello mecánico.
Normalmente la salida de la turbina es a una presión mayor que la atmosférica, en este caso, el sello mecánico debe evitar la salida del fluido de trabajo al ambiente y con mucha más relevancia si es inflamable.
Cuando tenemos una bomba centrífuga es relativamente sencillo conseguir un sello mecánico que propocione una exelente estanqueidad al líquido. Pero ¿qué soluciones tenemos cuando el fluido es inflamable y gaseoso?…
A la salida de la turbina el fluido que todavía está en fase gas cede una parte del calor residual al fluido de trabajo en fase líquida que entrará al precalentador.
Este intercambiador de calor es llamado "Recuperador”
A la salida del recuperador, el fluido de trabajo en fase gas entra al condensador.
Usando agua de enfriamiento el gas se vuelve a la fase líquida.
El agua de enfriamiento suele venir de una torre de enfriamiento que dependiendo de las facilidades, espacio y condiciones atmosféricas puede ser seca o húmeda 🔍…
A la salida del condensador, el fluido de trabajo en fase líquida se dirige a las bombas que elevan la presión lo mantienen en circulación.
Después pasa por el recuperador para ganar un poco de calor del fluido que sale de la turbina…
A la salida del recuperador entra al precalentador y se repite el ciclo…
Cabe mencionar que ninguno de los intercambiadores de calor es de contacto directo. Es decir, ninguno de los fluidos se mezcla en los intercambios de calor.
Entre otras cosas, esto provoca que los equipos sean de grandes dimensiones…
El Doble flasheo y el ciclo binario
Ahora que ya vimos cómo funciona el doble flasheo, y ya sabemos cómo funciona el ciclo binario podemos hacer una comparativa.
Es posible que no coincida en varios puntos con otras personas, dado que esto depende de la experiencia de cada quien. Personalmente he podido trabajar en centrales geotermoeléctricas con ambas tecnologías, pero en los últimos años, las centrales de ciclo binario han tenido grandes avances, y quizás difieran mucho con las que conozco.
Complejidad y costos
Las centrales con doble flasheo suelen tener menos equipos asociados al doble flasheo, y suelen ser equipos a presión, por lo que el mantenimiento es bajo.
Las centrales de ciclo binario, como lo dije al inicio, son una central completa, con todos los equipos que hemos mencionado, además de usar un fluido secundario que en muchos casos suele ser inflamable, por lo que las medidas de seguridad deben extremarse.
En este sentido usar un doble flasheo es más económico que un ciclo binario, pero el primero no siempre puede implementarse.
Versatilidad
En muchos casos en las que el agua geotérmica tiene alto contenido de sales con alta probabilidad precipitación no es posible usar un doble flasheo.
La opción es una planta de ciclo binario, aunque también hay que establecer un límite para la temperatura de salida del agua. Bajar la temperatura de agua geotérmica con alta concentración de sales también facilita la precipitación e incrustación de tuberías y equipos.
Un ciclo binario también puede usarse en campos geotérmicos de baja entalpía, incluso en los que los pozos no pueden fluir por si mismos y se requiere un sistema de bombeo para extraer el agua caliente.
Una Planta de doble flasheo.
Esta es la Central Geotérmica Ahuachapán de LaGeo, el video explica el ciclo del proceso completo y también el doble flasheo:
Una Planta con ciclo Binario
En este otro video de la Central Geotérmica Berlín que es similar al anterior se explica brevemente el funcionamiento del Ciclo Binario.
Creo que con eso tienes rato para repasar.
Algunas referencias
Te dejo algunos enlaces por si quieres profundizar un poco más en el tema.
Este es un trabajo de graduación de un diseño conceptual de una central eléctrica híbrida flash-binaria.
En este paper se hace una comparativa entre un ciclo binario convenciaonal y uno modificado. Se pueden ver también presiones y temperaturas de trabajo, además de hacer la selección del fluido de trabajo, algo de lo que no hemos hablado…
Y si quieres información más completa acerca de la geotermia, este libro es de los mejores para empezar: Geothermal Power Plants: Principles, Applications, Case Studies and Environmental Impact
El avance tecnológico ha permitido mejoras sustanciales en cuanto a la eficiencia y confiabilidad en las máquinas.
Como ves, las tecnologías de doble flasheo y ciclo binario tienen cada una sus particularidades y aplicaciones, pero al final su objetivo es el mismo…
Aprovechar el recurso geotérmico de la mejor manera.
¿Has visto operar centrales eléctricas con alguna de estas tecnologías? ¿Te ha parecido sorprendente?
Gracias por leer.
Espero te haya aportado algo de valor. No olvides que si tienes dudas puedes hacerlas respondiendo este correo.
Sin más, me despido.
Ricardo,
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