Artículo Académico/ Academic Paper
Recibido: 11-01-2024, Aprobado tras revisión: 08-01-2025
Forma sugerida de citación: Nina, I; Mendoza, D. (2025). “Análisis de una Planta Piloto Geotérmica con Ciclo Binario de Media
Entalpia, Ubinas, Moquegua”. Revista Técnica “energía”. No. 21, Issue II, Pp. 28-38
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
Doi: https://doi.org/10.37116/revistaenergia.v21.n2.2025.622
© 2025 Autores Esta publicación está bajo una licencia internacional Creative Commons Reconocimiento –
No Comercial 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/)
Análisis de una Planta Piloto Geotérmica con Ciclo Binario de Media
Entalpia, Ubinas, Moquegua
Analysis of a Geothermal Pilot Plant with a Medium-Enthalpy Binary Cycle,
Ubinas, Moquegua
D.T. Mendoza1
0009-0001-6571-5096
I.S. Nina1
0009-0004-3328-422X
E.H. Cuadros1
0000-0001-5478-8130
1 Universidad César Vallejo, Perú
E-mail: secretaria_general@ucv.edu.pe; izai_sk8@hotmail.com; jorgevillaverde3612@gmail.com
Abstract
In a social scenario of energy deficit, the need emerge to
propose alternatives for generating clean, sustainable and
environmentally friendly energy. Whitin this framework,
the study proposed the analysis of a 10MW geothermal
power plant using a Medium-Enthalpy Binary Cycle, in
Ubinas, Moquegua. Three fluids were used: n-pentane,
isopentane and isobutane. It corresponds to applied, non-
experimental research. In the data collection process,
values of pressure, temperature, and heat conversion rate
were collected; as well as estimates of the proposed
design considering calculated and observed powers. It
was found that it was not possible to reach a power of 10
MW, though it is possible to size geothermal plants with
the three fluids considered, of lower power, but with
differences between them in favor of isobutane, which
reached values of 8,566 MW as calculated power. and
7,281 MW as real power. In conclusion, with none of the
fluids the required power of 10 MW could be reached,
although lower powers were achieved, useful for partial
needs of the surrounding population.
Index terms— Geothermal power plant, enthalpy, binary
cycle, calculated power, isobutane
Resumen
En un escenario social de déficit energético, se plantea la
necesidad de proponer alternativas de generación de
energía limpia, sostenible y amigable con el ambiente. En
ese marco, el estudio se planteó el efectuar el análisis de
una central geotérmica de 10MW de potencia usando un
Ciclo Binario de Media Entalpia, en Ubinas, Moquegua.
Se utilizaron tres fluidos: n-pentano, isopentano e
isobutano. Corresponde a una investigación aplicada, de
tipo no experimental. En el proceso de recolección de
datos, se recogieron valores sobre presión, temperatura,
y tasa de conversión de calor; así como estimaciones del
diseño propuesto considerando potencias calculada y
observada. Se encontró que no fue posible alcanzar una
potencia de 10 MW, aunque sí es posible dimensionar
centrales geotérmicas con los tres fluidos considerados,
de menor potencia, pero con diferencias entre estos en
favor del isobutano, que alcanzó valores de 8,566 MW
como potencia calculada, y 7,281 MW como potencia
real. En conclusión, con ninguno de los fluidos se pudo
alcanzar la potencia requerida de 10 MW, aunque se
alcanzaron potencias menores, útiles para necesidades
parciales de la población aledaña.
Palabras clave— Central geotérmica, entalpía, ciclo
binario, potencia calculada, isobutano
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Edición No. 21, Issue II, Enero 2025
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, existe una preocupación por
investigar las posibilidades de uso de las diferentes
fuentes de energías renovables [1]. En ese marco, se ha
empezado a investigar las posibilidades de uso de la
energía solar [2], la energía geotérmica [3] y la energía
eólica; en el caso del Perú, ese interés se ha enfocado en
aquellas regiones del país que cuentan con la presencia
favorable de este tipo de recursos renovables, entre ellas
Moquegua [4]. En los últimos años, también se ha
empezado a evaluar el potencial en energía geotérmica,
considerando los dos volcanes de la región y varias zonas
geotermales (Titire – Puente Bello; Jesús María, Ichuña
y Tolapalca; Calacoa; Ullucán – Omate; Ubinas; y
Crucero) [5].
Esa es una zona geotermal donde las temperaturas
registradas por los geotermómetros la caracterizan como
de media entalpía, con valores que varían entre las
proximidades de los 100°C y los casi 200°C,
dependiendo del lugar específico donde se toma la
muestra [6]. Esto hace que se considere el uso directo
como la forma más apropiada de aprovechar este recurso
[1]. Pero se deja inquietud abierta en torno a la
posibilidad de su uso en la generación de energía
eléctrica, finalidad mayormente asumida en zonas
geotermales de alta entalpía.
Esa preocupación se manifiesta en algunos trabajos
que ubican la posibilidad de aprovechamiento de la
energía geotérmica mediante la puesta en marcha de
centrales geotérmicas de diferente potencia en la región,
como el de Bulnes [7], el de Gamarra [6], o el de Trujillo
y Pérez [8]. Considerando que este interés es
relativamente reciente e incipiente, las zonas en las que
se ha empezado a examinar las posibilidades de
dimensionamiento de una central geotérmica para la
generación de energía eléctrica son todavía sólo las de
Calacoa – Putina [8] y Jesús María [7] por ello e se
seleccionó la zona de Ubinas en la cual no se hizo una
primera estimación de su potencial de generación
geotérmica como se ve en el Anexo 2.
Se entiende la energía geotérmica como la parte o
porción del calor producido por la tierra en forma
continua por el decaimiento de los isótopos radiactivos
de duración extensa, que es susceptible de ser recuperado
y utilizado por el ser humano en los propósitos que
considera convenientes [7]. Así, una zona geotermal es
aquella parte de la litósfera que está sometida a tensiones
que producen presiones intensas y una cantidad grande
de calor, lo que deriva en la aparición de fracturas y fallas
por las cuales tienden a ascender desde el manto diversos
materiales, entre magma, rocas incandescentes, agua o
ácido clorhídrico o sulfhídrico. Y se entiende el ciclo
binario como un tipo de sistema en el cual el agua
geotérmica se hace pasar a través de in intercambiador de
calor, de modo tal que su calor se transfiere a otro líquido
cuyo punto de ebullición es menor que el que caracteriza
al agua; por lo general, ese otro líquido es isobutano o
pentano y, en algunos casos isopentano [8].
En ese marco, se entiende la central geotérmica como
aquel tipo de instalación cuyo propósito es la generación
de energía eléctrica sobre la base del aprovechamiento de
la energía geotérmica, es decir, el calor que se produce en
el interior de la tierra. Y se entiende la media entalpía
como aquella categoría de clasificación de la capacidad
calorífica de un recurso geotérmico que se identifica
cuando la temperatura del recurso se ubica entre los
150°C y los 220°C, mediante el uso de lo que se conoce
como ciclo binario se puede utilizar directamente el
recurso geotérmico para generar energía.
En cuanto al isobutano, conocido también como
metilpropano, se trata de un compuesto de carácter
orgánico que se agrupa dentro de los así llamados alcanos
[9]. Su fórmula es C4H10. En cuanto al isopentano,
también se le conoce por su nombre químico,
metilbutano, e incluso como 2-metilbutano. Se trata
también de un compuesto de carácter orgánico que se
incluye dentro de los alcanos; en este caso, se caracteriza
por su cadena ramificada de cinco átomos de carbono [9].
La fórmula que lo identifica es C5H12. Y en cuanto al n-
pentano, se le conoce comúnmente como pentano. Se
trata también de un hidrocarburo de constitución saturada
(alcano) que, a diferencia de los otros alcanos que se
presentan en estado gaseoso, este lo hace como líquido
considerando la temperatura del ambiente [9]. Estos
fluidos de trabajo determinan la eficiencia de la central
en base a su comportamiento termodinámico ya que su
principal característica es su presión crítica y temperatura
de ebullición son menores a los del agua, tanto el
isobutano, n-pentano y isopentano son fluidos secos es
decir que a la salida de una turbina solo tiene una sola
fase (vapor) por ello son recurrentemente usados en
geotermia [19].
Esta investigación se justifica, primero, desde una
perspectiva teórico científica. Así, se investiga la
posibilidad de analizar una central geotérmica para la
generación de energía eléctrica en base a un ciclo binario
de temperaturas medias, el que normalmente se enfoca en
el uso directo del recurso [10]. Segundo, desde una
perspectiva socioeconómica, este estudio contribuye a
proporcionar información para autoridades del sector
energético y autoridades locales, respecto de la
posibilidad de aprovechamiento de los recursos que se
generan en esta zona geotermal, en beneficio de la
población [11]. Y tercero, desde una perspectiva
ambiental, el planteamiento de uso de recursos
geotermales en reemplazo de los combustibles fósiles,
representa la posibilidad de incorporar una fuente de
energía absolutamente renovable con un muy bajo nivel
de contaminación ambiental, en comparación con sus
equivalentes en base a gas u otros combustibles fósiles
[12].
Finalmente, se plantea como objetivo analizar y
dimensionar una central geotérmica de 10MW de
Potencia usando un Ciclo Binario de Media Entalpia, en
la zona de Ubinas, Moquegua. Por consiguiente, la etapa
a seguir es:A) Determinar la potencia de una central
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Mendoza et al. / Análisis de una Central Geotérmica con ciclo binario de media entalpía
geotérmica usando un Ciclo Binario de Media Entalpia,
en base a n-pentano.
B) Determinar la potencia de una central geotérmica
usando un Ciclo Binario de Media Entalpia, en base a
isopentano.
C) Determinar la potencia de una central geotérmica
usando un Ciclo Binario de Media Entalpia, en base a
isobutano.
En función de lo señalado, se sostiene como hipótesis la
siguiente: Usando un Ciclo Binario de Media Entalpia, es
factible desarrollar el análisis técnico de una central
geotérmica de 10MW de Potencia, en la zona de Ubinas,
Moquegua.
2. MATERIALES Y MÉTODO
2.1. Tipificación del estudio
Este estudio corresponde a la investigación aplicada
con diseños no experimentales, y diseño descriptivo.
2.2. Muestra
Para efectos del análisis de la central geotérmica, se
considera como muestra los resultados suministrados por
el Instituto Geológico, Minero y Metalúrgico
(INGEMMET) para la zona geográfica del proyecto en el
Anexo 1.
2.3. Modelo de la central geotérmica
En la Fig. 1 se identifica el diseño general de la central
geotérmica donde el punto 5 y 6 pasan a ser a y b
respectivamente para el uso de los cálculos y poder
diferenciar fácilmente los fluidos utilizados (fluidos de
trabajo y fluido geotermal).
Figura 1: Diseño general de la central geotérmica (Y. Cengel & M.
Boles 8va edición)
2.4. Acerca del software utilizado
Para el análisis y resolución de los balances
energéticos, se utilizó el software Engineering Equation
Solver Professional V9.944-3D (EES). Se tomaron en
cuenta ecuaciones que vinculan el comportamiento
termodinámico en función de los ciclos que corresponden
a cada configuración. El software alcanza una solución
para un grupo de ecuaciones algebraicas y resolución de
ecuaciones diferenciales. Asimismo, proporciona valores
optimizados de los parámetros sobre la base de
variaciones y cambios multivariantes. En ese sentido, se
le puede utilizar para trabajar con fluidos susceptibles de
ser utilizados en ciclos binarios, considerando incluso
gases comunes.
2.5. Respecto de la turbina
La turbina SST-400 GEO es un modelo que se deriva
de la SST-400, aunque con un diseño interior que
privilegia la optimización de sus parámetros, para
responder a condiciones de uso poco favorables, más
acordes con los ciclos de expulsión de vapor geotérmico.
Así, esta turbina se pone en uso proyectos geotérmicos
donde se trabaja con vapor directo que se lleva a
sobrecalentamiento, aunque también con vapor flash o
ciclo combinado. Además, de ello la Turbina SST-400
GEO se instala en la carcasa de su similar Siemens y hace
uso de los accesorios de tipo turboset de vapor, que
consta de engranajes, generador y bastidor de soporte.
Las condiciones y características primordiales de la
Turbina SST-400 GEO son:
Vapor de entrada: hasta 250 °C (482 °F) / 15 bar
Condiciones del vapor de escape:
Condensación: hasta 0.4 bar.
Sin Condensación: hasta 1.4 bar.
2.6. Análisis de datos
Para el análisis, se consideraron las siguientes
relaciones y procedimientos de cálculo:
Donde:
hn= entalpia en el punto n
n= punto o etapa del ciclo termodinámico del fluido
ṁFgeo= flujo másico del fluido geotérmico
ṁFtra= flujo másico del fluido de trabajo
ղturb= eficiencia de la turbina
ղbom= eficiencia de la bomba
ղint= eficiencia del intercambiador de vapor
P= potencia teórica producida
Preal= potencia real producida
Fórmulas de cálculo
= 
󰡂 +
= - 󰡂 ( - )
Balance térmico en el evaporador
󰡂* 󰇗  ( - ) = 󰇗  ( - )
󰇗  = 󰡂* 󰇗  󰇛󰇜
󰇛󰇜
Potencia teórica producida
P = 󰇗 [( - ) - ( - )]
Potencia real producida
 = 󰡂 * P
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Edición No. 21, Issue II, Enero 2025
3. RESULTADOS
3.1. Parámetros iniciales para el dimensionamiento de
la central geotérmica
En las siguientes tablas se presenta información
respecto de la Zona Geotermal en función de la cual se
hizo el análisis y dimensionamiento de una central
geotérmica. En la Tabla 1 se presentan características
generales, como la información geográfica que la
identifica, las propiedades que corresponden a la zona, y
los valores recurrentes de los parámetros en la zona.
Los parámetros, propiedades e información
geográfica de la zona geotermal de Ubinas-Yuracmocco-
Picina fueron tomados del INGEMMET donde se hizo un
estudio primario de hidrogeología [20].
Así como los primeros parámetros con los cuales
poder calcular con ayuda del software Engineering
Equation Solver (EES) la entalpia (h) y entropía (s) del
fluido geotérmico de la zona tal y como se observa en la
parte inferior de la Tabla 1.
Tabla 1: Caracterización de la fuente geotermal
Datos geográficos de la Zona Geotermal de Ubinas
Altura
3376 m.s.n.m
Extensión
874.571,12 Km²
Propiedades de la zona geotermal de Ubinas-Yuracmocco-
Picina
Reservorio Geotermal
Liquido Dominante
Temp. Reservorio
229.24°C
Temp. Exterior
28°C
Ph
6.2
Datos iniciales de la zona geotermal
Símbolo
(Unidad)
Valor
adoptado
Descripción
Rango
recomendado
T (°C)
229
Temperatura del
recurso
-
X (%)
0
Calidad del
recurso
-
󰇗 (kg/s)
60
Caudal extraíble
42-70

1
Numero de pozos
de producción
-
T (°C)
70
Temperatura de
reinyección
70-100
P (bar)
27.44
Presión de
reinyección
Fluido
geotérmico
T(ºC)
P (bar)
X
h(kJ/kg)
s(kJ/kg-
K)
a (inyección)
229
0
b (reinyección)
70
=
Fluido
geotérmico
T(ºC)
P (bar)
X
h(kJ/kg)
s(kJ/kg-
K)
a (inyección)
229
27.44
0
985.3
2.601
b (reinyección)
70
27.44
295.2
0.9533
Símbolo
(Unidad)
Valor adoptado
Descripción
ha (kJ/kg)
985.3
Entalpia de inyección
sa (kJ/kg-K)
2.601
Entropía de inyección
hb (kJ/kg)
295.2
Entalpia de reinyección
sb (kJ/kg-K)
0.9533
Entropía de reinyección
En esta tabla se presentan los valores válidos en la
práctica internacional para el diseño de prácticas
geotermales. Se tomó como referencia los rangos
recomendados por el IGME.
Y en la Tabla 2 se presentan los valores iniciales con
los cuales se dio inicio al dimensionamiento de la central
geotérmica, considerando presión tanto de entrada como
de salida de la turbina, la temperatura del fluido, datos
mecánicos de la turbina y la bomba, así como datos
propios del fluido utilizado.
Tabla 2: Datos iniciales de dimensionamiento de la central
geotérmica
Símbolo
(unidad)
Valor
adoptado
Descripción
Rango
recomendado
P (bar)
15
Presión a la entrada
de la turbina
Hasta 15 bar
P (bar)
0.4
Presión a la salida
de la turbina
Hasta 0,4 bar
T (°C)
229
Temperatura del
fluido geotérmico
-
󰡂(%)
94
Eficiencia del
intercambiador
-
󰡂(%)
85
Eficiencia de la
turbina
-
󰡂(%)
90
Eficiencia de la
bomba
-
󰇗  (kg/s)
60
Flujo másico
42 – 70
X (%)
0
Calidad
-
En esta tabla se presenta información que
corresponden a las presiones máxima y mínima que
soportan las turbinas de vapor SST-400 GEO. Se han
tomado valores referenciales reales de desempeño según
los fabricantes (específicamente de SIEMENS). Las
eficiencias de los equipos se han tomado según los
promedios usuales más altos de desempeño que la
bibliografía académica recomienda tales como
Transferencia de Calor (Hollmann), Mecánica de fluidos
(Shames), Termodinámica (Cengel). Por recomendación
de otros estudios y con el propósito de no elevar los
cálculos de potencia, se adoptaron valores que se
sustentan en la premisa de que el fluido geotérmico es
aprovechado a alta temperatura, pero en su fase líquida,
es decir, con una calidad igual a cero.
Los valores adoptados corresponden a una presión de
entrada en la turbina de 15 bar y de salida de 0,4 bar. La
temperatura corresponde a la temperatura del recurso
geotermal que, para el caso, es 229°C obtenido de la
Tabla 1. en cuanto a las eficiencias de los equipos se han
tomado según los promedios usuales más altos de
desempeño que la bibliografía académica recomienda;
fueron útiles los textos de Transferencia de Calor
(Hollmann), Mecánica de fluidos (Shames),
Termodinámica (Cengel) y se tomaron los siguientes
valores: 94% para el intercambiador; 85% para la turbina;
y 90% para la bomba.
31
Mendoza et al. / Análisis de una Central Geotérmica con ciclo binario de media entalpía
3.2. Potencia de la central geotérmica con Ciclo
Binario de Media Entalpia, en base a n-pentano
En la Tabla 3 se presentan los resultados del análisis
efectuado considerando como fluido de trabajo el n-
pentano, y tomando en cuenta el cálculo teórico del
comportamiento de la potencia, y el cálculo en base a los
datos empíricos.
Los datos consideran las dos propiedades
termodinámicas relevantes para el caso. Las cuatro
primeras corresponden al ciclo teórico; el punto 1 es el de
baja presión con fase totalmente líquida; el punto 2s
corresponde a la salida de la bomba en un proceso
adiabático reversible o con entropía constante. El punto
3 corresponde a la más alta presión en condición de vapor
sobrecalentado para evitar daños a la salida de la turbina;
la temperatura de ingreso a la turbina se ha previsto en
20°C sobre la condición de vapor saturado. El punto 4s
corresponde a la salida de la turbina antes de su ingreso
al condensador y, teóricamente, supone un proceso
isoentrópico o adiabático reversible.
Tabla 3: Determinación de la potencia teórica y real con n-
pentano
n-
pentano
P
(bar)
T(ºC)
X
h(kJ/kg)
s(kJ/kg-K)
1
0.4
11.09
0
-33.91
-0.1151
2s
15
11.53
-31.62
-0.1151
3
15
166.7
100
607.3
1.568
4s
0.4
75.4
100
456.2
1.568
1
0.4
11.09
0
-33.91
-0.1151
2
15
11.64
-31.36
-0.1142
3
15
166.7
100
607.3
1.568
4
0.4
87.19
100
478.9
1.632
En las últimas cuatro filas, los estados 1 y 3 coinciden
con los valores teóricos de alta y baja presión.
Considerando las irreversibilidades de los procesos tanto
en la bomba como en la turbina, se han estimado las
entalpías correspondientes con los rendimientos
isoentrópicos según la secuencia detallada en el
procedimiento 3.6. En el primer caso, se estima una
potencia de 7,669 MW, mientras que en el segundo se
consigue una potencia de 6,519 MW, lo que supone una
diferencia de 1,15 KW entre ambas cifras.
Figura 2: Determinación de la potencia teórica y real con n-
pentano
Figura 3: Determinación de la potencia teórica y real con n-
pentano. Detalle 2,2
Figura 4: Determinación de la potencia teórica y real con n-
pentano. Detalle 3,3
En la Fig. 2 se observa el ciclo teórico (rojo) y real
(azul). La Fig. 3 muestra el pequeño salto entálpico entre
1 y 2, así como la leve variación de entropía, al pasar por
la bomba; esto se refleja en un bajo o mínimo consumo
energético con calentamientos mínimos en la bomba que
se prevén en condiciones de diseño reales y óptimas.
La Fig4 confirma que el proceso real de la turbina
termina en la región de vapor sobrecalentado y a baja
presión. La primera condición garantiza una operación de
turbina en ausencia de cavitación, pues no hay
posibilidades de presencia de fases liquidas que
implosionen o erosionen los alabes del rotor de la turbina.
32
Edición No. 21, Issue II, Enero 2025
3.3. Potencia de la central geotérmica con Ciclo
Binario de Media Entalpia, en base a isopentano
En la Tabla 4 se presentan los resultados del análisis
efectuado para el dimensionamiento de la central
geotérmica considerando como fluido de trabajo el
isopentano. Como en el caso anterior, también se toman
en cuenta la estimación del valor teórico del
comportamiento de la potencia, así como el cálculo en
base a los datos empíricos.
Tabla 4: Determinación de la potencia teórica y real con
isopentano
n-
pentano
P
(bar)
T(ºC)
X
h(kJ/kg)
s(kJ/kg-K)
1
0.4
3.445
0
-397.7
-1.855
2s
15
3.89
-395.4
-1.855
3
15
157.4
100
220.7
-0.1956
4s
0.4
67.47
100
72.78
-0.1956
1
0.4
3.445
0
-397.7
-1.855
2
15
4.009
-395.1
-1.855
3
15
157.4
100
220.7
-0.1956
4
0.4
79.22
100
94.97
-0.1316
Se prosigue el mismo procedimiento que para el n-
pentano: todos los datos se han obtenido en función de
las dos propiedades termodinámicas: h(kJ/kg) y s(kJ/kg-
K). Las cuatro primeras filas se han tomado para el ciclo
teórico; el punto 1corresponde a baja presión con fase
totalmente líquida; el punto 2s corresponde a la salida de
la bomba en un proceso adiabático reversible (entropía
constante). El punto 3 corresponde a la más alta presión
en condición de vapor sobrecalentado para evitar daños a
la salida de la turbina; la temperatura de ingreso a la
turbina se ha previsto en 20°C sobre la condición de
vapor saturado. El punto 4s corresponde a la salida de la
turbina antes de su ingreso al condensador y,
teóricamente, supone un proceso isoentrópico o
adiabático reversible. En las últimas cuatro filas, los
estados 1 y 3 coinciden con los valores teóricos de alta y
baja presión. Considerando las irreversibilidades de los
procesos tanto en la bomba como en la turbina, se han
estimado las entalpías correspondientes con los
rendimientos isoentrópicos según la secuencia detallada
en el procedimiento 3.6. En el primer caso, se estima una
potencia de 7,669 MW, mientras que en el segundo se
consigue una potencia de 6,519 MW, lo que supone una
diferencia de 1,15 KW entre ambas cifras.
Figura 5: Determinación de la potencia teórica y real con
isopentano
Figura 6: Determinación de la potencia teórica y real con
isopentano. Detalle 2,2
Figura 7: Determinación de la potencia teórica y real con
isopentano. Detalle 3,3
Como se observó anteriormente, en la Fig. 5 se
observa el ciclo teórico (rojo) y real (azul) con el
isopentano como fluido. La Fig. 6 muestra el salto
entálpico entre 1 y 2, así como la leve variación de
entropía, al pasar por la bomba; esto se refleja en un bajo
o mínimo consumo energético con calentamientos
mínimos en la bomba que se prevén en condiciones de
diseño reales y óptimas. La Fig. 7 confirma que el
proceso real de la turbina termina en la región de vapor
sobrecalentado y a baja presión. La primera condición
garantiza una operación de turbina en ausencia de
cavitación, pues no hay posibilidades de presencia de
fases liquidas que implosionen o erosionen los alabes del
rotor de la turbina.
33
Mendoza et al. / Análisis de una Central Geotérmica con ciclo binario de media entalpía
Por otro lado, en la Fig. 3 también se presenta en
forma gráfica el comportamiento de la variable, con una
presentación general del mismo (Fig. 5); detalle del
momento inicial (1,1) y del momento en que se produce
inflexión en la curva (2,2) (Fig. 6); y detalle del momento
final (3,3) con inflexión en la curva (2,2) (Fig. 7), que se
alcanza cuando la temperatura empieza a caer desde el
máximo alcanzado en 157,4°.
3.4. Potencia de la central geotérmica con Ciclo
Binario de Media Entalpia, en base a isobutano
En la Tabla 5 se presentan los resultados del análisis
efectuado para el dimensionamiento de la central
geotérmica considerando como fluido de trabajo el
isobutano.
Como en los casos anteriores, también se toman en
cuenta la estimación del valor teórico del
comportamiento de la potencia, así como el cálculo en
base a los datos empíricos.
Tabla 5: Determinación de la potencia teórica y real con isobutano
Isobutano
P
(bar)
T(ºC)
X
h(kJ/kg)
s(kJ/kg-K)
1
1.4
-33.14
0
126.6
0.7145
2s
15
-32.68
129
0.7145
3
15
105.5
100
713
2.503
4s
1.4
-1.225
100
558.8
2.503
1
1.4
-33.14
0
126.6
0.7145
2
15
-32.56
129.2
0.7156
3
15
105.5
100
713
2.503
4
1.4
13.32
100
581.9
2.586
Se prosigue el mismo procedimiento descrito para los
fluidos utilizados anteriormente (n-pentano e
isopentano): todos los datos se obtenido de las dos
propiedades termodinámicas. Las cuatro primeras filas se
han tomado para el ciclo teórico; el punto 1corresponde
a baja presión con fase totalmente líquida; el punto 2s
corresponde a la salida de la bomba en un proceso
adiabático reversible (entropía constante). El punto 3
corresponde a la más alta presión en condición de vapor
sobrecalentado para evitar daños a la salida de la turbina;
la temperatura de ingreso a la turbina se ha previsto en
20°C sobre la condición de vapor saturado. El punto 4s
corresponde a la salida de la turbina antes de su ingreso
al condensador y, teóricamente, supone un proceso
isoentrópico o adiabático reversible. En las últimas
cuatro filas, los estados 1 y 3 coinciden con los valores
teóricos de alta y baja presión. Considerando las
irreversibilidades de los procesos tanto en la bomba como
en la turbina, se han estimado las entalpías
correspondientes con los rendimientos isoentrópicos
según la secuencia detallada en el procedimiento 3.6. En
el primer caso, se estima una potencia de 8,566 MW,
mientras que en el segundo se consigue una potencia de
7,216 MW, lo que supone una diferencia de 1,273 KW
entre ambas cifras.
Figura 8: Determinación de la potencia teórica y real con
isobutano
Figura 9: Determinación de la potencia teórica y real con
isobutano. Detalle 2,2
Figura 10: Determinación de la potencia teórica y real con
isobutano. Detalle 3,3
En la Fig. 8 se observa el ciclo teórico (Color rojo) y
real (Azul) con el isopentano como fluido. La Fig. 9
muestra el salto entálpico entre 1 y 2, así como la leve
variación de entropía, al pasar por la bomba; esto se
refleja en un bajo o mínimo consumo energético con
calentamientos mínimos en la bomba que se prevén en
condiciones de diseño reales y óptimas. La Fig. 4c
confirma que el proceso real de la turbina termina en la
34
Edición No. 21, Issue II, Enero 2025
región de vapor sobrecalentado y a baja presión. La
primera condición garantiza una operación de turbina en
ausencia de cavitación, pues no hay posibilidades de
presencia de fases liquidas que implosionen o erosionen
los alabes del rotor de la turbina.
Por otro lado, se presenta en forma gráfica el
comportamiento de la variable, con una presentación
general del mismo (Fig. 8); detalle del momento inicial
(1,1) y del momento en que se produce inflexión en la
curva (2,2) (Fig. 9); y detalle del momento final (3,3) con
inflexión en la curva (2,2) (Fig. 10), que se alcanza
cuando la temperatura empieza a caer desde el máximo
alcanzado en 105,5°.
4. DISCUSIÓN
Los resultados en una perspectiva teórica
Conforme se señala en la teoría general de recursos
geotérmicos para aprovechamiento geotérmico, en zonas
próximas a volcanes, una determinada cantidad de
magma arrojado a superficie, implica un volumen hasta
10 veces mayor que permanece en el subsuelo [13]
Franco y Vaccaro, 2020). Estos recursos proveen una alta
posibilidad de diseñar y dimensionar centrales
geotérmicas de media entalpía eficaces, aunque los
valores encontrados no se correspondan con los valores
esperados. La discrepancia de casi un 20% menor que lo
esperado también se observó en Franco y Vaccaro [13],
que trabajaron una central de solo ocho MW, e incluso en
Trujillo y Pérez [8], salvando las diferencias de potencia
esperada para cada caso. Eso sugiere que los resultados
encontrados se ubican en una línea de hallazgos
extendida que identifica una discrepancia de una quinta
parte entre el valor esperado y el valor efectivo.
Explicando por qué no se llegó a la potencia estimada
(10MW) y logrando alcanzar los 8MW estando en
condiciones de estudio similares considerando que se
tomó 10MW de potencia como objetivo al tomar de
referencia el estudio realizado en las demás zonas
geotermales de la zona por el INGEMMET[21] como la
zona Jesús María en la cual se realizó una estimación de
potencial geotérmico en base a un solo pozo usando así
este como referencia de una primera estimación del
posible potencial de generación (10MW) de la zona
Ubinas en la cual no se realizo una estimación.
Los resultados en una perspectiva de los antecedentes
Tres líneas de análisis se examinan al amparo de los
resultados encontrados: primero, diferencias entre valor
hipotético (o potencia hipotética, Ph) y valores estimados
(potencia teórica, Pt) para cada fluido; segundo,
diferencias entre valor hipotético (Ph) y valores
obtenidos (Pr) para cada fluido; y diferencias entre
valores estimados (potencia teórica, Pt) y valores
obtenidos (Pr) para cada fluido utilizado.
Tabla 6: Resumen de estimaciones y medidas considerando fluidos
y diferencias
Fluido
Ph
(MW)
Pt
(MW)
Pr
(MW)
Dif
(Ph-Pt)
Dif
(Ph-Pr)
Dif
(Pt-Pr)
n-pentano
10
7.669
6.519
2.331
3.481
1.15
Isopentano
10
7.787
6.619
2.213
3.381
1.168
Isobutano
10
8.566
7.281
1.434
2.719
1.285
Dos hallazgos importantes se derivan de estos
valores: primero, tanto los valores calculados como los
valores obtenidos para cada fluido analizado son menores
que el valor hipotético; y segundo, el isobutano se
impone como el fluido que alcanzó mayores valores tanto
para la potencia teórica como para la potencia efectiva,
aun cuando no haya alcanzado las cifras esperadas
(potencia hipotética), estos resultados son también
representado a pesar de la diferencia de escala en una
línea reconocida también en Trujillo y Pérez [8].
Sin embargo, los valores calculados y obtenidos con
el isobutano se encuentran más cerca de los 8 MW, que
se corresponden con la pretensión y hallazgos de
Gamarra [6] o Bulnes [7] que, de los 10 MW que se
habían considerado inicialmente. Estas discrepancias
pueden explicarse a partir de las condiciones
meteorológicas que caracterizan la zona (altura sobre el
nivel del mar y bajas temperaturas ambientales), que
también fueron responsables de las diferencias
reconocidas por Trujillo y Pérez [8] en el
dimensionamiento de una central que aspiraba a 100
MW, donde obtuvieron potencias menores que las
esperadas, también en proporciones aproximadas al 20%
considerando la escalabilidad con nuestro estudio al
trabajar con algunos de los mismos fluidos de trabajo y
estar en la misma región el estudio de Trujillo y Pérez [8]
muestra por proporcionilanidad que la potencia obtenida
(8MW) y el 20% aproximadamente de variación entre la
potencia estimada y la alcanzada no es un caso aislado
ya que se ve una tendencia a la variación de un quinto
entre la potencia esperada y la potencia real en
condiciones parecidas de estudio.
Por otro lado, dados los datos utilizados como insumo
y el caudal de fluido de trabajo que corresponde al
entorno se recolectaron utilizando evidencia empírica así
como datos en base a recomendaciones de estudios
hechos en campos de estudio similares al no haberse
realizado un estudio más exhaustivo en la zona geotermal
Seleccionada (Ubinas) por el INGEMMET [21], los
resultados se distancian de los hallazgos de Trujillo y
Pérez [8] en el ámbito nacional, o Predovan y Blecich
[14], en el ámbito internacional, que dimensionaron
centrales de mayor balance masa-energía y, por lo tanto,
de mucho mayor potencia esperada.
En contraste, al analizar la diferencia entre potencia
requerida (10 MW) y potencia estimada, entre los tres
fluidos de prueba, el n-pentano registra la mayor
diferencia (2,331MW). Y al analizar la diferencia entre
potencia requerida (10 MW) y potencia obtenida (8,566
MW).
35
Mendoza et al. / Análisis de una Central Geotérmica con ciclo binario de media entalpía
En ese sentido, este resultado se corresponde con lo
encontrado por Herianto y Rini Ratnaningsih [15], en
tanto reconocen que el n-pentano constituye un fluido
que se ajusta mejor a su uso en centrales eléctricas de
pequeña escala.
Limitaciones del estudio
La mayor debilidad de este estudio radica en las
dificultades de hecho para acceder al terreno en repetidas
ocasiones y efectuar suficiente número de mediciones
que permitan reducir de forma sensible el error de
muestreo inherente a la recolección de muestras [21],
especialmente cuando se trata de determinar los valores
iniciales para el dimensionamiento de la central haciendo
que las muestras solo puedan servir de punto de partida
teniendo que apoyarnos en las propiedades y evidencia
empírica de estudios con parámetros similares así como
propiedades respectivas de la rama de estudio. Una
segunda limitación, también vinculada a la poca
practicidad de efectuar en el sitio observaciones
experimentales del funcionamiento de la central, limita la
identificación de elementos o factores de hecho que
contribuye a la reducción de los valores de potencia, en
relación con los valores esperados. Una tercera limitación
es que no existen modelos experimentales de centrales
geotérmicas que se hayan llevado a la práctica, con las
que se posible evaluar su eficacia en condiciones reales o
de campo. Esta limitación puede seguir siendo óbice para
que esta línea de investigación y propuesta de
intervención social se desarrolle eficazmente.
Relevancia de la investigación en relación con el
contexto científico social
Las contribuciones que supone la culminación de este
estudio superan sus solas pretensiones mecánico –
energéticas, que constituyen su punto de partida y la
premisa fundamental de su desarrollo, sino que se
constituyen por sí mismas en alcances que abren
posibilidades de impactar positivamente en aspectos del
comportamiento social de las poblaciones con carencias
de servicios. Ese reconocimiento abre espacio para
aproximarse a estos escenarios sobre la base de la
posibilidad de incrementar también la reflexión a esta
perspectiva de valoración de los hallazgos efectuados.
Así, un hallazgo relevante radica en la posibilidad de
dimensionar una central de generación de energía con
altísimas perspectivas de sostenibilidad debido a la casi
nula probabilidad de agotamiento del recurso,
amparándose en la teoría de las energías limpias. Esta
posibilidad es válida incluso considerando una
perspectiva de largo plazo dado que una planta de
generación geotérmica de 8MW si bien esta potencia es
suficiente para cubrir la demanda de las comunidades en
la zona estudiada (Ubinas) también deja plazo a poder
ampliar el estudio y la potencia utilizando más pozos y/o
otros métodos de ciclo binario como regenerativo ,ciclo
mixto o doble ciclo binario así como los demás estudios
que continúan para la realización de la planta geotérmica
es decir todo el estudio de factibilidad , lo que responde
a un escenario que demanda insistentemente el viraje
hacia las energías renovables, como exponen Başoğul et
al. [16], Bret-Rouzaut [17] o Zapata [18], entre otros.
5. CONCLUSIONES
1) Como conclusión general del estudio, se encontró
que, el mejor resultado se obtuvo cuando se usó como
fluido el isobutano, que para efectos de cálculo arroja
una potencia de 8,566 MW y una potencia efectiva de
7,281 MW.
2) En una fuente geotermal de Ciclo Binario de Media
Entalpia en la zona de Ubinas, Moquegua, al usar n-
pentano en una central geotérmica se alcanzó una
potencia estimada de 7,669 MW y una potencia
efectiva de 6,519 MW. Esto supone una diferencia de
1,15 MW entre ambas estimaciones (teórica y real), y
una diferencia de 3,481 MW por debajo de los 10
MW que se habían considerado como requerimiento.
3) En una fuente geotermal de Ciclo Binario de Media
Entalpia en la zona de Ubinas, Moquegua, al usar
isopentano en una central geotérmica se alcanzó una
potencia estimada de 7,787 MW y una potencia
efectiva de 6,619 MW, con el uso de isopentano. Esto
supone una diferencia de 1,168 MW entre ambas
estimaciones (teórica y real), y una diferencia de
3,381 MW por debajo de los 10 MW que se habían
considerado como requerimiento.
4) En una fuente geotermal de Ciclo Binario de Media
Entalpia en la zona de Ubinas, Moquegua, al usar
isobutano en una central geotérmica se alcanzó una
potencia estimada de 8,489 MW y una potencia
efectiva de 7,216 MW. Esto supone una diferencia de
1,273 MW entre ambas estimaciones (teórica y real),
y una diferencia de 2,719 MW por debajo de los 10
MW que se habían considerado como requerimiento.
5) Una central geotérmica con un potencial de 8 MW da
paso a nuevos estudios que lleven a su creación tales
como su distribución y factibilidad económica cabe
recalcar que se puede aumentar la potencia de dicha
central utilizando como central piloto el estudio
realizado a pesar de que esta abastece la demanda de
la zona.
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INGEMMET. 2014.
Isaí Samuel Nina Huiza.- Nació en
Moquegua, Perú en 1995. Recibió
su grado de Bachiller en Ingeniería
Mecánica Eléctrica de la
Universidad de José Carlos
Mariátegui en 2021; Su campo de
investigación está relacionado al
desarrollo sostenible y adaptación al
cambio climático mediante una planta piloto geotérmica
con ciclo binario para la generación de energía.
37
Mendoza et al. / Análisis de una Central Geotérmica con ciclo binario de media entalpía
Daniels Theo Mendoza
Villaverde.- Nació en Moquegua,
Perú en 1999. Recibió su bachiller
de Ingeniera Mecánica Eléctrica de
la Universidad de José Carlos
Mariátegui en 2022. Actualmente,
se encuentra esperando su titulación
en la Universidad Cesar Vallejo; Su
campo de investigación está relacionado al desarrollo
sostenible y adaptación al cambio climático mediante una
planta piloto geotérmica con ciclo binario para la
generación de energía.
ANEXOS
Anexo 1: Mapa situacional de la Zona Ubinas (INDECI 2023)
Anexo 2: Mapa geotérmico de la región Moquegua, donde se
muestra el potencial geotérmico de cada zona geotérmica
(INGEMMET, Boletín Serie C: Geodinámica e Ingeniería
Geológica N° 58). [21]
38