ENERGÍA GEOTÉRMICA DE BAJA ENTALPÍA EN ROCAS: UTILI DAD DE LA

TERMOGRAFÍA ACTIVA EN EL ESTUDIO DE SU COMPORTAMIEN TO TÉRMICO

Micaela N. Pleitavino1, Magalí E. Carro Pérez1,2, Marcela A. Cioccale1

1 Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales, Universidad Nacional de Córdoba. 2 Instituto de Estudios Avanzados en Ingeniería y Tecnología (IDIT), Universidad Nacional de Córdoba (UNC) – Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET).

C.P. 5000 – Córdoba Tel. +54 351-5353800 int 18 e-mail: mcarroperez@unc.edu.ar

Recibido 16/08/19, aceptado 22/10/19

RESUMEN: La creciente demanda energética mundial, sumada a las altas tasas de contaminación actuales, sugiere el uso de alternativas limpias y renovables. La energía geotérmica es la energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie terrestre. Grandes avances a nivel mundial en torno al conocimiento y uso de este recurso se observan en diferentes países. Sin embargo, suele ser complejo estudiar el recurso en macizos rocosos, por la dificultad que acompaña la determinación de la conductividad térmica, tanto por sus características anisotrópicas y variantes, así como por su grado de dureza para la aplicación de técnicas tradicionales (por ejemplo, aguja térmica), lo que sugiere la búsqueda de alternativas que den indicios su comportamiento térmico. En este sentido, se propone la utilización de la técnica conocida como termografía activa sobre testigos de roca, a fin de evaluar el comportamiento del material rocoso durante la etapa de transferencia de calor hacia el ambiente del entorno y hacia el mismo material. Los resultados alcanzados permitieron determinar tasas de enfriamiento en distintas porciones de los testigos, y una tasa de enfriamiento promedio para cada uno. La termografía como técnica de no contacto, no destructiva, de fácil manejo, rápida ejecución y accesibilidad, permite obtener una primera caracterización térmica de los materiales y ofrece un modelo semi-cualitativo del comportamiento. Palabras clave: geotermia de baja entalpía, macizo rocoso, termografía activa, tasa de enfriamiento. INTRODUCCIÓN Históricamente, las principales fuentes de energía utilizadas por la humanidad han derivado de recursos no renovables, tales como combustibles fósiles. La creciente demanda energética de éstos ha alcanzado niveles de extracción inusitados, y ha aumentado el grado de contaminación del ambiente de manera progresiva. Bajo este panorama, todos los esfuerzos se dirigen hoy a la búsqueda y fomento de consumo de energías alternativas y limpias (Glassley, 2013). En este sentido, la energía geotérmica aparece como una fuente particularmente atractiva, ya que su utilización se asocia a bajas tasas de emisión de gases contaminantes, y no presenta problemas de disponibilidad (de La Bernardie et al., 2017). Además, no requiere de combustión ni mecanismos de implementación que puedan llegar a incurrir en peligros, y es autosuficiente, siendo independiente de otras fuentes energéticas al momento de su utilización (Sigal et al., 2015). Se entiende por energía geotérmica a aquella energía que se obtiene del calor interno que emana la tierra, el cual se transfiere principalmente por conducción y convección hacia la superficie. Los yacimientos de energía geotérmica se clasifican, según la temperatura que presenten, en yacimientos de alta entalpía con temperaturas superiores a los 150°C, son yacimientos que se encuentran en las zonas más activas del planeta, con presencia de actividad magmática reciente o residual, caracterizados por un gradiente geotérmico muy alto; yacimientos de media entalpía, con temperaturas

ASADES Acta de la XLII Reunión de Trabajo de la Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente

Vol. 7, pp. 04.13-04.21, 2019. Impreso en la Argentina. ISBN 978-987-29873-1-2

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entre los 100°C y 150°C, se localizan en áreas con existencia de un gradiente también superior a la media, pero con un rendimiento menor a los de alta entalpía; yacimientos de baja entalpía, alcanzan temperaturas entre los 30°C y 100°C, se encuentran generalmente en un contexto geológico favorable, con presencia o no de acuíferos profundos, y asociados a un gradiente térmico próximo a la media; y yacimientos de muy baja entalpía, que corresponden a los de temperaturas inferiores a los 30°C, y se encuentran muy próximos a la superficie terrestre. Estos últimos se pueden localizar en cualquier punto, ya que el gradiente geotérmico sólo condiciona la eficiencia del sistema de climatización para el que se considere su uso. Grandes avances a nivel mundial respecto al aprovechamiento de calor de la Tierra, han sido desarrollados en los últimos años, ya sea en roca, tal como proponen autores como Brown et al. (2012), Förster et al. (2018), Wagner et al. (2015), y otros, como así también en materiales no consolidados (Bidarmaghz et al., 2015). En Argentina, a pesar de contar con un alto potencial de generación de energía a partir de recursos renovables y limpios, y de haber implementado diferentes políticas y programas de estado en las últimas décadas, existe en la actualidad un muy bajo grado de desarrollo de las mismas (Recalde et al., 2015), conformándose éstas en un porcentaje menor al 12% de la matriz energética total (referida a la última matriz actualizada del país, correspondiente al año 2015). Particularmente, la obtención de datos de conductividad térmica es necesaria para estimar potenciales sistemas geotérmicos en áreas de interés (Tester et al., 2006), ya que representa el flujo de calor, controlando la distribución de temperatura en el interior de la Tierra (Schilling, 1999; Balkan et al., 2017). El conocimiento de la conductividad térmica (Clauser & Huenges, 1995; Horai, 1971), así como de otras propiedades térmicas, y su análisis estadístico (Shim et al., 2010), es esencial para resolver muchos problemas de diseño respecto a la utilización de esta energía (Schilling, 1999). En macizos rocosos, la dificultad que acompaña el estudio de la conductividad térmica, tanto por sus características anisotrópicas y variantes, así como por su grado de dureza para la aplicación de técnicas tradicionales (por ejemplo, aguja térmica), sugiere la búsqueda de alternativas que den indicios del comportamiento térmico de estos cuerpos. En este trabajo, se muestran resultados preliminares de la utilización de la técnica de termografía activa sobre porciones de testigos de roca, a los fines de evaluar cómo se comporta el material rocoso durante la etapa de transferencia de calor hacia el ambiente externo y hacia el mismo material, determinando a partir de la información obtenida una tasa de enfriamiento para cada testigo. Los registros de temperatura se utilizaron para la reconstrucción de la tendencia de enfriamiento de los testigos de roca, describiendo la disminución de temperatura durante el tiempo de medición. MATERIALES Y MÉTODOS La termografía infrarroja (TIR) es una técnica semi-cualitativa no destructiva que permite determinar temperaturas de una superficie a cierta distancia, sin necesidad de contacto con el objeto, a partir de la radiación infrarroja que el cuerpo emite, ofreciendo imágenes radiométricas o termogramas. El dispositivo que se utiliza es una cámara termográfica, que genera una imagen de temperaturas escalada en un rango de colores. Cada imagen consiste en una matriz de píxeles cuyos valores son analizados por un software que permite, entre otras cosas, el aislamiento de rangos de temperatura específicos, la detección de anomalías térmicas, la medición de una diferencia de temperatura entre dos o más puntos/píxeles, la elección de la paleta de colores más adecuada. La termografía activa implica la utilización de una fuente de calentamiento para estimular el flujo en un material, y observar así la respuesta que presenta ante el estímulo y su posterior comportamiento en la etapa de enfriamiento. Se realizó un ensayo de TIR activa sobre tres muestras de roca pertenecientes al sector serrano de la provincia, correspondientes a una arenisca, un granito y una migmatita (figura 1).

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Figura 1: Muestras de roca. De izquierda a derecha: arenisca, granito y migmatita.

La arenisca está conformada por granos de arena fina a muy fina, presentando una coloración marrón-rojiza. La estratificación aparece poco marcada. El granito corresponde a un granito de dos micas, formado principalmente por Qtz, Kfs, Pl, Ms y Bt; leucocrático, equigranular de tamaño de grano medio, no foliado, de fábrica isótropa, con un grado de meteorización media a avanzada. La migmatita está formada principalmente por Pl, Qtz, Kfs y de forma secundaria Bt. De coloración mesocrática, con tamaño de grano muy grueso, de estructura bandeada curva. No presenta signos de meteorización. Las muestras fueron ensayadas en laboratorio, artificialmente calentadas sobre una placa calefactora a 50°C, apoyando una de las caras planas del testigo sobre la placa. Luego de un lapso de dos horas, se dejaron enfriar naturalmente a temperatura ambiente. Se tomaron termogramas durante el estadio de enfriamiento, hasta que las muestras alcanzaron valores próximos a la temperatura ambiente (20°C). La adquisición de las imágenes se llevó a cabo mediante una cámara termográfica marca TESTO modelo 871, con precisión de temperatura calibrada en ±2°C o ±2% del valor medido, con un rango de medición entre -30°C y +100°C, un campo de visión (FOV) de 35°x26°, y una sensibilidad térmica (NETD) de 90 mK. La resolución es de 240x180 píxeles. Se utilizó un trípode para asegurar la captación de las imágenes desde un mismo punto. Para el análisis de la información obtenida, se seleccionaron los termogramas correspondientes a los siguientes tiempos luego de quitar las muestras de la placa calefactora: en el instante 0, a los 5 minutos, 10 minutos, 20 minutos, 30 minutos, 40 minutos, una hora, y dos horas. Posterior a la adquisición de las imágenes, éstas se procesaron mediante el software testo IRSoft, el cual está diseñado para editar las imágenes térmicas y ajustar parámetros tales como la emisividad del material considerado y la temperatura reflejada. Además, permite obtener temperaturas en un punto, una línea de perfil o área elegida, seleccionar el rango de temperaturas específico para escalar las imágenes, y elegir la forma más representativa de lo que se pretende mostrar. En el presente trabajo, se trazaron perfiles de temperatura en la dirección vertical de cada testigo (figura 2), desde la parte inferior a la superior, para obtener los perfiles de temperatura de cada muestra durante toda la etapa de enfriamiento.

Figura 2: Traza de perfiles estudiados en cada una de las muestras. P1 corresponde al perfil de enfriamiento de la arenisca, P2 del granito y P3 de la migmatita. El termograma corresponde al

tiempo igual a 0 minutos de enfriamiento.

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Para el análisis de la secuencia temporal de los perfiles obtenidos, se tomaron datos de temperatura en cada tiempo, en las partes inferior, media y superior de cada testigo, además del promedio de temperatura en cada estadio para cada una de las muestras. RESULTADOS OBTENIDOS Los perfiles obtenidos para cada roca se observan en la figura 3, ordenados según su secuencia de enfriamiento. Las líneas horizontales trazadas en cada secuencia representan las secciones de toma de datos para la generación de gráficos de temperatura vs. tiempo y de tasa de enfriamiento para las partes inferior, media y superior de cada testigo.

(a)

(b)

(c)

Figura 3: (a) Secuencia de enfriamiento de arenisca (b) Secuencia de enfriamiento de granito. (c)Secuencia de enfriamiento de migmatita.

Debido a que los especímenes se calentaron desde una de sus caras, las secciones de estudio, como es de esperar, muestran un comportamiento diferencial. En la figura 4 se exponen los gráficos de temperatura vs. tiempo para la arenisca, granito y migmatita respectivamente. En cada una de las gráficas se generó un perfil de variación de temperatura para las tres secciones referidas previamente, y un perfil con los valores promedio de temperatura de la muestra para cada estadio considerado.

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(a)

(b)

(c)

Figura 4: Gráficos de Temperatura vs. Tiempo (a) muestra de arenisca (b) muestra de granito (c) muestra de migmatita.

Una primera interpretación de estas curvas permite establecer que la transferencia de calor no sólo sucede desde el testigo hacia el exterior, sino también existe dentro del mismo material. Esto se ve reflejado en las pendientes de las curvas de los extremos más calientes y más fríos durante los primeros minutos de enfriamiento. Las curvas reflejan el comportamiento asociado a dos componentes de transferencia de calor: el flujo de calor interno, que se produce desde las zonas más calientes a las más frías del mismo testigo, y el flujo hacia el ambiente exterior, que ocurre en el contacto testigo-aire. En los primeros estadios de enfriamiento, la fuerte disminución de temperatura que se observa en la base de cada testigo, está controlada principalmente por la transferencia de calor que se produce dentro del mismo material. Al alcanzar ésta la temperatura promedio del testigo, se observa un cambio de pendiente en la curva ajustándose posteriormente a la tasa de enfriamiento promedio para el material. Esto sucede aproximadamente en los minutos 7, 8 y 5 para arenisca, granito y migmatita respectivamente. De manera análoga, las curvas representativas del extremo superior de cada probeta, muestra un lento enfriamiento, que se refleja en una pendiente escasa, hasta la convergencia con la curva promedio de disminución de temperatura, siguiendo a partir de ahí una disminución uniforme para toda la muestra. Alcanzado este punto, comienza a predominar la componente de flujo de calor entre la roca y el ambiente circundante. Esta situación también se puede apreciar en la figura 5, con gráficas referentes a la variación de la tasa de enfriamiento en función del tiempo de cada sección considerada y de la muestra en su totalidad (promedio).

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(a)

(b)

(c)

Figura 5: Gráfico mostrando la tasa de enfriamiento (a) muestra de arenisca (b) muestra de granito (c) muestra de migmatita.

Por último, se comparan los valores promedio de cada muestra en las figuras 6 y 7. Ambas gráficas permiten diferenciar entre las muestras, la velocidad de intercambio de calor de cada una con el exterior. En la figura 6 se aprecia que la migmatita alcanzó mayor temperatura luego del estímulo (38,4°C), y disipó mayor cantidad de calor luego del periodo contemplado (luego de las dos horas de ensayo, la temperatura promedio alcanzada fue de 22,8°C). Por su parte, el granito alcanzó la menor temperatura promedio luego de aplicado el estímulo (36,7°C), llegando, luego del lapso de dos horas, a tener una temperatura promedio de 23,1°C, es decir que el calor contenido se disipó más lentamente al exterior. La muestra de arenisca presentó valores intermedios, con una temperatura inicial de 37,6°C y una final de 22,9°C. Esta caracterización térmica permite rápidamente obtener conclusiones en cuanto a valores relativos de conductividad térmica de cada muestra, siendo en este caso granito<arenisca<migmatita.

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Figura 6: Comparativo de temperatura vs. tiempo para las muestras consideradas.

En la figura 7 se puede ver cómo varía velocidad de transferencia de calor desde cada una de las muestras hacia el exterior. La mayor inercia térmica se presenta en el granito, lo que, en este caso, está asociado no sólo a su composición, sino al mayor grado de alteración. La presencia de mayor porosidad (ocupada por aire), se ve reflejada en los valores obtenidos.

Figura 7: Comparativo de las tasas de enfriamiento para las muestras consideradas.

USO POTENCIAL DE LA TÉCNICA En base a los resultados obtenidos y el análisis de las curvas, es posible afirmar que la termografía como técnica de no contacto, no destructiva, de fácil manejo, rápida ejecución y accesibilidad, permite obtener una primera caracterización térmica de los materiales evaluados. Debido a la variedad composicional que puede presentar un tipo de roca, y a la dificultad que eventualmente se presenta en la medición directa de la conductividad térmica de las mismas, la determinación de las curvas de enfriamiento mediante TIR puede consolidarse como una alternativa alentadora, particularmente en el estudio de grandes volúmenes de material, donde las medidas puntuales no suelen ser representativas del conjunto. En este sentido, la técnica presenta un gran potencial de aplicación al no tener limitaciones en relación a las dimensiones de la muestra, y permitir obtener tanto medidas puntuales como valores medios de enfriamiento de la superficie considerada. En vista de los resultados obtenidos mediante la aplicación de la técnica en laboratorio, se plantea la posibilidad de realizar mediciones in situ, para evaluar la interacción entre la radiación solar, el material rocoso y el ambiente. Estas mediciones permitirían obtener de manera directa y en un corto

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plazo datos semi-cualitativos de gran relevancia para avanzar en la caracterización de los recursos energéticos de la provincia de Córdoba. CONSIDERACIONES FINALES La geotermia de baja entalpia en macizos rocosos es una línea relativamente nueva de investigación dentro de la Provincia de Córdoba. Los avances en el relevamiento de los recursos geotérmicos han estado vinculados principalmente a la presencia de manifestaciones hidrotermales (Chiodi et al., 2014), y particularmente direccionados a estudios en materiales loéssicos. Esto puede deberse a que perforar en roca para obtener una energía térmica relativamente baja es marginalmente económico hoy en día. De momento, el aprovechamiento del recurso energético de baja y muy baja entalpía en terrenos loéssicos ofrece hoy una alternativa económicamente accesible y rentable a largo plazo, para su utilización en climatización y en agua caliente sanitaria. Sin embargo, no hay que dejar fuera de consideración que los recursos geotérmicos vinculados a rocas podrían desarrollarse a largo plazo con el avance de nuevas técnicas de perforación y rotura que permitan disminuir los costos. En la provincia de Córdoba se pueden diferenciar dos regiones geomorfológicas de primer orden con marcadas diferencias de ambientes y materiales presentes: las Sierras Pampeanas y la Llanura Chacopampeana. Las Sierras Pampeanas están representadas por una serie de cordones serranos compuestos principalmente por rocas ígneas y metamórficas, mientras que la Llanura Chacopampeana se caracteriza por una extensa área de deposición de sedimentos, principalmente loéssicos. Ambos ambientes ofrecen entonces distintos panoramas al momento de analizar las características geotérmicas existentes e inventariar los recursos geotérmicos. En este sentido, un correcto conocimiento del contexto geológico y de su modelado teórico es fundamentalmente necesario para el desarrollo de un plan de investigación energético que integre todas las posibilidades de explotación. Los resultados obtenidos en este trabajo si bien son preliminares, son un primer paso en el desarrollo la información necesaria para estas futuras modelaciones. REFERENCIAS Balkan, E., Erkan, K., y Şalk, M. (2017). Thermal conductivity of major rock types in western and

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LOW ENTHALPY GEOTHERMAL ENERGY IN ROCKS: USEFULNESS OF ACTIVE THERMOGRAPHY IN THE STUDY OF THEIR THERMAL B EHAVIOUR ABSTRACT: The growing global energy demand, coupled with today's high pollution rates, suggests the use of clean and renewable alternatives. Geothermal energy is energy stored in the form of heat below the earth's surface. Great advances worldwide in the knowledge and use of this resource are observed in different countries. However, it is usually difficult to study the resource in rock massifs, due to the complexity in the determination of thermal conductivity, both for its anisotropic characteristics, as well as for its degree of hardness for the application of traditional techniques (for example, thermal needle probe), which suggests the use of alternatives that indicate its thermal behavior. In this sense, the use of the technique known as active thermography on rock cores is proposed, in order to evaluate the behavior of the rock material during the heat transfer towards the environment and into the same material. The results obtained allowed to determine cooling rates in different portions of the cores, and an average cooling rate for each one. Thermography as a non-contact technique, non-destructive, easy to handle, fast execution and accessibility, allows to obtain a first thermal characterization of the materials and offers a semi-qualitative model of the behavior. Keywords: low enthalpy geothermal energy, rock mass, active thermography, cooling rate.

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