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 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.

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:

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.