Ciclo binario

El fluido caliente in situ (o geofluido) del yacimiento geotérmico se extrae a la superficie mediante un pozo , con la ayuda de una bomba si es necesario. En la superficie, el geofluido caliente transfiere parte de su calor al ciclo secundario mediante un intercambiador de calor , enfriándose así en el proceso. El geofluido frío se reinyecta en el yacimiento geotérmico mediante un pozo independiente, donde se recalienta. El ciclo primario se considera un ciclo "abierto". ^{[ 1 ]}

El fluido de trabajo frío a alta presión se calienta y vaporiza en un intercambiador de calor mediante el geofluido caliente. El vapor caliente a alta presión se expande en una turbina antes de enfriarse y condensarse en un condensador . Para cerrar el circuito, el líquido frío a baja presión se vuelve a presurizar mediante una bomba de alimentación . El ciclo secundario es un ciclo cerrado.

Las dos configuraciones principales de ciclo secundario son los ciclos Rankine orgánicos (ORC) o los ciclos Kalina , cuya principal diferencia radica en la elección del fluido de trabajo: un fluido orgánico (generalmente un hidrocarburo o refrigerante ) o una mezcla de agua y amoníaco , respectivamente. ^{[ 1 ]}

El fluido de trabajo se evapora a dos niveles de presión y, por lo tanto, de temperatura diferentes. Esto mejora la eficiencia al reducir las pérdidas exergéticas en el intercambiador de calor primario, manteniendo una mayor coincidencia entre la curva de enfriamiento del geofluido y la curva de calentamiento del fluido de trabajo. ^{[ 5 ]}

Se operan dos ciclos secundarios en tándem, cada uno con un fluido de trabajo y un punto de ebullición distintos. Esto mejora la eficiencia al reducir las pérdidas exergéticas del proceso de introducción de calor, al asegurar una mayor coincidencia entre la curva de enfriamiento del geofluido y las curvas de calentamiento de los fluidos de trabajo. ^{[ 6 ]}

${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{turbina}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*\eta _{\text{turbina}}*(h_{1}-h_{\text{2s}})}$

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{turbina}}}$es la tasa de trabajo realizado por la turbina, en kW
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{wf}}}$es el caudal másico del fluido de trabajo, en kg/s
• ${\displaystyle \eta _{\text{turbina}}}$es la eficiencia de la turbina, adimensional
• ${\displaystyle h_{1}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo a la entrada de la turbina, en kJ/kg
• ${\displaystyle h_{\text{2s}}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo a la salida de la turbina, suponiendo una expansión isoentrópica en la turbina, en kJ/kg

La siguiente ecuación se puede utilizar para determinar la carga del condensador y el caudal másico de refrigerante necesario.

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{condensador}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{2}-h_{3})={\dot {m}}_{\text{refrigerante}}*(h_{y}-h_{x})}$

• ${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{condensador}}}$es la tasa de calor extraído del fluido de trabajo en el condensador, en kW.
• ${\displaystyle h_{2}}$y${\displaystyle h_{3}}$son las entalpías específicas del fluido de trabajo a la entrada y salida del condensador, respectivamente, en kJ/kg
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{refrigerante}}}$es el caudal másico del refrigerante, en kg/s
• ${\displaystyle h_{x}}$y${\displaystyle h_{y}}$son las entalpías específicas del refrigerante a la entrada y salida del condensador, respectivamente, en kJ/kg

${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{bomba}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{\text{4s}}-h_{3})/\eta _{\text{bomba}}}$

• ${\displaystyle {\dot {W}}_{\text{bomba}}}$es la tasa de trabajo realizado por la bomba para volver a presurizar el fluido de trabajo, en kW.
• ${\displaystyle h_{\text{4s}}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo a la salida de la bomba de alimentación, suponiendo compresión isoentrópica, en kJ/kg
• ${\displaystyle h_{3}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo en la entrada de la bomba de alimentación, en kJ/kg
• ${\displaystyle \eta _{\text{bomba}}}$es la eficiencia de la bomba, adimensional

La siguiente ecuación se puede utilizar para determinar la carga térmica del intercambiador de calor primario y el caudal másico del geofluido necesario.

${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{PHX}}={\dot {m}}_{\text{wf}}*(h_{1}-h_{4})={\dot {m}}_{\text{geofluid}}*(h_{a}-h_{c})}$

• ${\displaystyle {\dot {Q}}_{\text{PHX}}}$es la tasa de calor añadido al fluido de trabajo dentro del intercambiador de calor primario, kW
• ${\displaystyle h_{4}}$es la entalpía específica del fluido de trabajo a la entrada del intercambiador de calor primario, en kJ/kg
• ${\displaystyle {\dot {m}}_{\text{geofluido}}}$es el caudal másico del geofluido, en kg/s
• ${\displaystyle h_{a}}$y${\displaystyle h_{c}}$son las entalpías específicas del geofluido a la entrada y salida del intercambiador de calor primario, respectivamente, en kJ/kg

La eficiencia de la primera ley (de la primera ley de la termodinámica ) es una medida de la conversión del calor suministrado al ciclo en trabajo útil. Al considerar las pérdidas e ineficiencias reales, las centrales geotérmicas de ciclo binario reales tienen una eficiencia de la primera ley de entre el 10 y el 13 %. ^{[ 1 ]}

${\displaystyle \eta _{\text{I}}^{\text{th}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{net}}}{{\dot {Q}}_{\text{PHE}}}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turbina}}-{\dot {W}}_{\text{bomba}}}{{\dot {Q}}_{\text{PHE}}}}}$

La eficiencia de la segunda ley (de la segunda ley de la termodinámica ) es una medida de la utilización del trabajo idealmente máximo disponible y su conversión en trabajo útil. ^{[ 1 ]}

${\displaystyle \eta _{\text{II}}^{\text{util}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{net}}}{{\dot {E}}_{\text{geofluid}}}}={\frac {{\dot {W}}_{\text{turbine}}-{\dot {W}}_{\text{pump}}}{{\dot {m}}_{\text{geofluid}}*[(h_{a}-h_{0})-T_{0}*(s_{a}-s_{0})]}}}$

• ${\displaystyle {\dot {E}}_{\text{geofluido}}}$es la tasa de exergía del geofluido, en kW.
• ${\displaystyle h_{0}}$,${\displaystyle s_{0}}$y${\displaystyle T_{0}}$son la entalpía específica, en kJ/kg, la entropía específica , en kJ/kg/K y la temperatura absoluta, en K, del geofluido en la condición de referencia local. Estas podrían ser las condiciones ambientales locales, de bulbo húmedo o de reinyección.

• Olkaria III , Kenia ^{[ 8 ]}
• Mammoth Lakes , California, Estados Unidos ^{[ 9 ]}
• Steamboat Springs (Nevada) , Estados Unidos ^{[ 10 ]}
• Central eléctrica de Te Huka , Nueva Zelanda ^{[ 11 ]}
• Kirchstockach (Múnich), Alemania ^{[ 12 ]}
• Traunreut, Alemania ^{[ 12 ]}

• Central eléctrica de Husavik
• Geotermia Unterhaching