geotèrmia, conceptes bàsics i tipus

Jornada sobre exploració i aprofitaments d'energia geotèrmica de - molt-baixa temperatura24 de novembre de 2015

Organitza:

Participants: Patrocinador: Col·laborador:

JORNADA SOBRE EXPLORACIÓ I APROFITAMENTS D'ENERGIA GEOTÈRMICA DE - MOLT- BAIXA TEMPERATURA24 de novembre de 2015

Organitza:

Participants: Patrocinador: Col·laborador:

GEOTÈRMIATIPUS I CONCEPTES BÀSICS

Ferran GinetteENVIRO ENGINEERINGComissió de Geotèrmia del COLGEOCAT

GEOTÈRMIACONCEPTES BÀSICS

TERMOGEOLOGIAESTUDI DE LA OCURRÈNCIA, MOVIMENT I EXPLOTACIÓ DE LACALOR DE BAIXA ENTALPIA A LA SUPERFÍCIE DE L’ESCORÇA

ENTALPIAMESURA DE LA CALOR CONTINGUDA EN UN COS PER UNITATDE MASSA

GEOTÈRMIA DE MOLT BAIXA ENTALPIACALOR AMB TEMPERATURES NO SUPERIORS A 30º

SUPERFÍCIE DE L’ESCORÇAFONDÀRIES NO SUPERIORS A 400 m

• ÉS UBIQUA, APROFITABLE, EN TEMPERATURES “NORMALS”,A QUALSEVOL EMPLAÇAMENT

• TÉ UN COMPONENT D’ENERGIA DE L’INTERIOR DE LATERRA I UN D’ENERGIA SOLAR ABSORBIDA IEMMAGATZEMADA

GEOTÈRMIACONCEPTES BÀSICS

ORIGEN DE LA CALOR

GEOTÈRMIACONCEPTES BÀSICS

MOVIMENT DE LA CALOR

LLEI DE FOURIER

Q = - λ (dθ / dx)

Q= flux de calor (J s- 1)λ = Conductivitat tèrmica (W /mK)Θ =Temperatura (ºC)X = Distància en la direcció del flux (m)

GEOTÈRMIACONCEPTES BÀSICS

MOVIMENT DE LA CALOR

CONDUCTIVITAT TÈRMICADEFINEIX COM ÉS DE BÓ UN MATERIAL CONDUINT LA CALORÉs el flux calorífic generat per una diferència d’1 K/m, en un materialhomogeni , sota condicions estables (W/mK)

CAPACITAT TÈRMICA (VOLUMÈTRICA ) ESPECÍFICADEFINEIX COM ÉS DE BÓ UN MATERIAL EMMAGATZEMANTCALOR PER UNITAT DE MASSA (VOLUM)Quantitat de calor emès per unitat de massa (volum) en augmentarla temperatura 1 K (MJ/ kg(m3)K

DIFUSSIVITAT TÈRMICARELACIÓ ENTRE LA CONDUCTIVITAT TÈRMICA I LACAPACITAT TÈRMICA DEL TERRENY (m2/s)

GEOTÈRMIACONCEPTES BÀSICS

GEOTÈRMIACONCEPTES BÀSICS

GEOTÈRMIACONCEPTES BÀSICS

EXPLOTACIÓ DE LA CALOR

GEOTÈRMIATIPUS

ANALOGIES ENTRE HIDROGEOLOGIA I TERMOGEOLOGIA

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES OBERTS

SÓN AQUELLS QUE APROFITEN L’ENERGIA CONTINGUDA AL’AIGUA

G = Z · ∆θ · SVCa

G: Quantitat de calorZ: Flux d’aigua l/s∆θ: Diferencial de temperatura KSVCa: capacitat calorífica específica de l’aigua 4.180J/lK

Tipus :• Aigua subterrània• Rius, llacs, mar• Mines, túnels, etc

TEMPERATURA CONSTANT

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES OBERTS

Informació bàsica:• Litologia de l’aqüífer• Disseny de la fondària del pou• Disseny del diàmetre del pou• Disseny del cabal a bombar

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES OBERTS

HIDROGEOQUÍMICA

• Desgassificació de CO2 Increment de pH i precipitació decarbonats

• Dissolució d’O2 Oxidació de Mn++ i Fe++ a òxids pocsolubles i precipitació

• Corrosió per H2CO3, H2S, etc

• Formació de biofilms per acumulació de bacteris

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES OBERTS

AVANTATGES:• Recurs natural, a temperatura constant, amb una capacitat tèrmica específicaelevada• Permet obtenir més calor per pou que un sistema tancat• Pot ser un subministrament d’aigua potable• És independent de la qualitat de l’aigua

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES OBERTS

DESAVANTATGES:

• És dependent de la geologia, l’aigua subterrània no és ubiqua, i requereixpoder explotar un cabal adequat i constant

•Requereix d’un disseny expert per un hidrogeòleg

• El pous han de ser construïts amb criteris de durabilitat (alta inversió)

•Cal controlar la hidroquímica amb cura

• Cost de bombament i injecció alt

• Cost de manteniment alt. Prevenció de obturació per precipitació, perbiofilms, corrosió

• L’aigua “residual“ ha de ser abocada d’acord amb la normativa

• Autoritzacions administratives complexes. Aqüífers protegits

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATS

La calor del subsòl s’aprofita mitjançant un circuit pel que circula un fluid que labescanvia (Llei de Fourier)

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATS

Descripció generalBomba de calor: Màquina que transfereix la calor des d’un focus freda una altra calent utilitzant una quantitat de treball relativament petitaCOP: relació entre la potència tèrmica produïda per la bomba decalor i la potencia elèctrica consumida per a subministrar-la

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS HORITZONTALS

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS HORITZONTALS

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS HORITZONTALS• És molt econòmic• Requereix d’una gran superfície• Oscil·lacions tèrmiques importants• Sols és aplicable a subministraments domèstics petits

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS HORITZONTALS

Dimensionament en base a aproximacions

VDI: escalfament 1.800hores 20-30 W/m2escalfament 2.400hores 16-24 W/m2extracció anual < 50/70 W/m2

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALSCriteris de dimensionament bàsic

• Definició de les demandes tèrmiques de l’edifici/procés a climatitzar

• Temperatura del terreny: a 15 m de fondària, mitjana anual de la temperaturade l’aire

• Conductivitat tèrmica del subsòl: mitja ponderada de les λ dels materialstravessats o TRT

• Fondària de l’intercanviador

• Diàmetre de l’intercanviador

• Distància entre intercanviadors

• Geometria dels intercanviadors

• Resistència tèrmica de l’intercanviador: Σ resistències tèrmiques rebliment dela perforació i de les canonades

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALSCriteris de dimensionament bàsic

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALSCriteris de dimensionament bàsics• Geometria dels intercanviadors

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALSCriteris de dimensionament bàsic (potència < 30KW):• Geometria dels intercanviadors

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALSCriteris de dimensionament bàsics• Geometria dels intercanviadors

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALS COMPLEXESExemple: Instal·lació de 10 KW calefacció i 2100 hores de càrrega Conductivitat tèrmica del sòl λ= 2,5 W/m/kTIPUS DE TUB

Doble U-BCG 165 m de longitudSimple U-BCG 195 m de longitudUn tub Doble U té un 10-15% mes d’eficiència que u n tub simple

LONGITUD DE LA PERFORACIÓ Un intercanviador únic = 165 m de longitudDos intercanviadors = 82 x 2 = 184 m de longitudPer a un ús de, exclusivament, calefacció, un inter canviador es mes eficient que dos mes curts

DIÀMETRE Diàmetre de 152mm = 165m de longitudDiàmetre de 180mm = 178 m de longitudEl diàmetre mes petit és un 10% mes eficient

SEGELLATReblert de ciment -bentonita = 165 m de longitudReblerts tèrmics especials = 128 m de longitudLos reblerts tèrmics especials tenen un 15% mes de eficiència

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALSCriteris de dimensionament bàsic

ABSORCIÓ TÈRMICA ESPECÍFICACalor màxima transmesa entre el subsòl i l’intercanviador dividida entre lalongitud de l’intercanviador (W/m)

• USA: 68 – 82 W/m

•Suïssa: SIA <75W/m

•Àustria: de 30W/m per a sediments secs fins a 70W/m per a granit

•Alemanya: VDI

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALSCriteris de dimensionament bàsic

•Alemanya: VDI

GEOTÈRMIATIPUS

APROFITAMENT: SISTEMES TANCATSDISPOSITIUS VERTICALSCriteris de dimensionament complex

Quan el dispositiu d’intercanvi implica calefacció i refrigeració i/o lainstal·lació te una potència >30KW, les aproximacions de les normesVDI, etc., no es poden emprar, atès que hi ha un elevat risc deinfradimensionament de l’intercanviador.

Les mateixes normes estableixen la obligatorietat de definiracuradament els paràmetres termogeològics del subsòl (TRT) irecomanen emprar model numèrics pel disseny.

Els programaris de disseny més populars són. EED, GLHEPRO,GAIA, GLD