Presentación de PowerPoint · - las diferencias entre las propiedades térmicas de las rocas...
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Arquitectura de reservorios y calidad
del agua en la geotermia de baja
entalpía30 mayo 2018
Dra. Linda DanieleDepartamento de Geología-CEGA
Tercera Jornada Técnica ALHSUDGeotermia de baja entalpia en Chile
Heat flow in South America
(from Hamza et al, 2005)
Tolhuaca Geothermal Field (S Chile, MRP) El Tatio Geothermal Field (N Chile)
• Estrecha relación entre volcanismo reciente y sistemasgeotermales de alta entalpia
• Gran potencial geotérmico no explotado
• Los recursos de baja entalpia representan un potencialfácilmente explotable
• Es necesario avanzar en el conocimiento geológico ehidrogeológico ya que los sistemas no son exactamenteiguales entre ellos.
CHILE: UN PAIS GEOTERMICO
HEAT-WATER-ROCK
INTERACTION
STRUCTURE,
TECTONICS
& GEOPHYSICS
FLUID
GEOCHEMISTRY
RESERVOIR
ARCHITECTURE
& FLUID DYNAMICS
SURFACE
PROCESSES
& ENVIRONMENT
MAGMATIC
SYSTEMS
GEOTHERMAL
KNOWLEDGE
Dynamics of
convectionHeat transfer
Hydrothermal alteration
Clay mineralogy
Fossil
geothermal
systems
Fracture systems
and structural control
Geodynamic evolution
3D
imaging
Isotopes
Reactive modeling
Thermometry
Tracers
Porosity & Permeability
Groundwater dynamics
3D
structure
Geologic
hazards
Climate &
Paleoclimate Impact
Natural
Contamination
El territorio al centro de nuestras investigaciones
Centro Excelencia Geotermia de los Andes
Geotermia de baja temperatura apunta al uso del calor en la parte más cercana a la superficie terrestre.
Generalmente a partir de los 10-15m de profundidadla Tº ya no depende de factores externos y esregulada por el gradiente geotérmico terrestre.
GEOTERMIA DE BAJA TEMPERATURA
Factores regionales:- contexto geológico y estructural condiciona la distribución deTº
Factores locales:- las diferencias entre las propiedades térmicas de las rocas
producen variaciones laterales y verticales de Tº.
- la circulación subterránea de agua: en zonas de recarga elgradiente geotérmico disminuye, mientras que en las zonasde descarga sucede lo contrario.
- las estructuras geológicas pueden condicionar localmenteya que el agua subterránea puede ascender desde zonasprofundas a través de fracturas, produciendo así anomalíastérmicas muy intensas.
GRADIENTE GEOTERMICO
(DENA, 2013)
• Climatización (calor/frío) de edificios, viviendas, oficinas y procesos industriales
• Ahorro energético convencional y de CO2 hasta el 90%
• Periodo corto de amortización
• Temperatura agua “suficiente” 5-15 oC
• Profundidad pozos entre 20 y 300 m
• No produce olores, ni ruidos, el impacto ambiental es mínimo
• No existen efectos secundarios en los sistemas acuíferos …si bien ejecutados
GEOTERMIA DE BAJA TEMPERATURA
“El intercambio geotérmico es la tecnología de climatización de edificiosenergéticamente más eficiente y menos contaminante”. EPA (1993)
Algunos hechos:
VERANO INVIERNO
LA IDEA….
Sistema abierto al acuífero Sistema cerrado al acuífero
Sistema horizontal
Cattin, S., 2002
¿Existe un acuífero?
¿Tiene las caractristicas adecuadas?
¿La calidad del agua es la adecuada?
¿Existen restricciones legales?
- Derechos de agua, declaraciones de sobreexplotación, etc.etc.
Alcalinidad, condiciones redox, Fe, O2, salinidad
No. Valorar implementación tecnicas disponibles
- Caudal ( 1,5 o 50 m³/h marca la diferencia)
- Prof. Min. del acuífero (influencia Tº diaria y estacional)
- ´Tª maxima del agua subterránea (10, 15 o 20 °C no es lo mismo)
No. Valorar implementación tecnicas disponibles
ALGUNAS PREGUNTAS (necesarias)
Limberger et al., 2018
Limberger et al., 2018
- Estratigrafía- Tamaño y distribución de los materiales - Fracturas y estructuras- Tipo acuífero (confinados, semiconfinados , libres y sus conexiones)- Geometría y profundidad del acuífero- Coeficiente almacenamiento- Conductividad hidráulica y almacenamiento - Consolidación de las litologías - Gradiente térmico- Nivel estático- Flujos locales y regionales (variaciones de T y salinidad vertical y lateral)- Dirección del flujo- Hidrogeoquímica (presencia de Fe y Mn, gases, material en suspensión, salinidad)
QUÉ CONSIDERAR…
Site Geothermie - Perspectives de l’ADEME et du BRGM
LOS SISTEMAS ACUÍFEROS
El modelo conceptual del acuífero esimportante para un proyecto exitoso.
LOS SISTEMAS ACUÍFEROS
El carácter SUSTENTABLE de este recurso es tal SOLO si la extracción de flujo y calor no genera desequilibrios importantes
Toda utilización que no provoque un desequilibrio en elbalance puede ser considerada sustentable (Stefansson, 2000).
GEOTERMIA y SUSTENTABILIDAD
Conocer al detalle el acuífero
La extracción de flujo y/o calor crea “desequilibrios” hidráulicos y/o de calor cuyotiempo de recuperación (retorno al estado inicial) deben ser considerados.
• En el caso de reservorios de alta entalpia se reportan edades (obtenidas en simulaciones) de hasta 250 años en función de las condiciones locales y de la recarga.
• En la calefacción distrital se reportan entre 100–200 (Megel and Rybach, 2000).
• En el uso directo de sistemas de calefacción se hanobtenido edades iguales al tiempo de funcionamiento.
• El mismo sistema usado para climatización (calor/frío) elsistema se recupera durante el ciclo de funcionamiento.
(Rybach, 2003)
TEMPERATURA un factor fundamental
GEOTERMIA y SUSTENTABILIDAD
¿Cuales pueden ser los impactos de los cambios de Tº en la calidad del agua?
Bonte, 2013
POSIBLES IMPACTOS EN EL MEDIO
Bonte, 2013
POSIBLES IMPACTOS EN EL MEDIO
Proyectos con intercambiadores horizontales
Proyecto Ubicación Inversión estimada (MM$) Potencia eléctrica instalada (kW)
Casas Los Angeles Colina, RM 6 - 12 14
Particular Chillán, VIII Región 7 5
Piscina temperada Chiguayante, VIII Región 7 8
Particular 2 Concepción, VIII Región 8 5
Casa familia Silva Colina, RM 14 18
Casa familia Salazar Chicureo, RM 15 16
condominio Las Tortolas Pirque, RM 15 12
Secador Geotérmico Sta. Juana, VIII Región 20 4
Unifrutti San Felipe Michimalongo, V Región 20 20
Hotel Quelen Lago Lanalhue, Cañete 30 40
Viveros bosques Arauco Viveros Laraqueto, VIII Región 45 10
Hogar hermita de los pobres Concepción, VIII Región 130 100
Arauco Horcones Arauco, VIII Región 450 700
(Oñate, 2017)
• Temperatura
• Nivel estático
• Conductividad eléctrica del agua subterránea
• Propiedades térmicas del suelo y de las rocas
El tipo de solución a elegir depende fuertemente de estas variables
CEGA, 2017. Estimación y valorización del potencial geotérmico en la Región de Aysén (BIP 30346723-0)
CHILE: NECESIDAD DE DATOS
En general, existe poca información de terreno y/o mediciones en continuo.
CHILE: NECESIDAD DE DATOS
Morales (2002)
Lorca (2018)
CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO
CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO
Lorca (2018)San Juan (2015)
Expedientes Pruebas de Bombeo de la DGA
Temperatura agua subterránea
Evolución del nivel estático
(últimos 30 años )
Conductividad hidráulica
Prueba de bombeo
CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO
A partir de los datosdisponibles hemosproducido informaciónque ayude al desarrollo dela geotermia de bajatemperatura
Dirección de flujo y máxima profundidad nivel estático
CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO
(Oñate, 2017)
Subcuenca Caudal (l/s)
Río Maipo Medio 0,34Río Maipo Bajo 0,3Río Mapocho Alto 0,8Río Mapocho Bajo 0,42
(Oñate, 2017)
Subcuenca Caudal (l/s)
Río Maipo Medio 0,8Río Maipo Bajo 0,65Río Mapocho Alto 2,5Río Mapocho Bajo 1,57
Subcuenca Caudal (l/s)
Río Maipo Medio 3Río Maipo Bajo 2,1Río Mapocho Alto 10,5Río Mapocho Bajo 8
Caudal mínimo con el que bombea el 90% de
los pozos
Caudal mínimo con el que bombea el 75% de
los pozos
Caudal mínimo con el que bombea el 50% de
los pozos
CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO
Subcuenca Caudal (l/s)
Río Maipo Medio 0,34Río Maipo Bajo 0,3Río Mapocho Alto 0,8Río Mapocho Bajo 0,42
Profundidad estimada pozos
FUENTE: Elaboración propia
Subcuenca Caudal (l/s)
Río Maipo Medio 0,8Río Maipo Bajo 0,65Río Mapocho Alto 2,5Río Mapocho Bajo 1,57
Subcuenca Caudal (l/s)
Río Maipo Medio 3Río Maipo Bajo 2,1Río Mapocho Alto 10,5Río Mapocho Bajo 8
Caudal mínimo con el que bombea el 90% de
los pozos
Caudal mínimo con el que bombea el 75% de
los pozos
Caudal mínimo con el que bombea el 50% de
los pozos
CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO
(Alvarez, 2017)
SIMULACIONES
Datos basados en Sanders (1998), Morales (2002) y Parera (2014)
T agua
(°C)
Densidad
(kg/m3)
Calor
específico
(J/kg*K)
Conductividad
térmica (W/m*°C)
Capacidad
Calorífica
Volumétrica
[J/m3*K]
Difusividad
térmica (α)
[m2/s]
0 999,9 4226 0,558 4225577,4 1,32053E-07
20 998,2 4182 0,597 4174472,4 1,43012E-07
16 998,54 4190,8 0,5892 4184681,432 1,40799E-07
Unidad
hidrogeológica
Conductividad
termal(λ)[W/m*K]
CapacidadCalórica
Volumétrica(Scv)[MJ/m3*K]
Difusividadtérmica
(α)
[m2/s]
Seco 0,388 1,783 2,17611E-07
Saturado 1,541 2,441 6,31299E-07
Seco 0,327 1,460 2,23973E-07
Saturado 1,417 2,728 5,19428E-07
Material
Arena en matriz de
limo/arcilla
Unidad B
Unidad A
Grava gruesa en
matriz de arena
MaterialUnidad
hidrogeológica
Porosidad
efectiva
Permeabilidad
[m/s]
0,13
0,08
Grava gruesa en matriz
de arena
Arena en matriz de
limo/arcilla
Unidad B
Unidad A
1*10-4
1*10-7
N
E
S
W
SIMULACIONES
(Alvarez, 2017)
1 Abierto 1/1 5 957,2/ 1169,9 -957,2/-1169,9 67m
2 Abierto 1/1 5 957,2/ 1169,9 -957,2/-1169,9 124m
3 Abierto 1/1 3 1595,3/1949,9 -1595,3/-1949,9 124m
4 Abierto 1/2 5 957,2/1169,9 -478,6/-584,9Pozo de bombeo a 67m a pozo de inyección Sur y a 106m a pozo
de inyección Norte
5 Abierto 1/2 5 957,2/1169,9 -478,6/-584,9Pozo de bombeo a 124m a pozo de inyección Sur y a 76m a pozo
de inyección Norte
6 Abierto 2/2 5 478,6/584,9 -478,6/-584,9
Pozo de bombeo Sur: a 67m y 106m de pozo de inyección Sur y
Norte, respectivamente
Pozo de bombeo Norte: a 124m y 76m de pozo de inyección Sur y
Norte, respectivamente
7 Abierto 2/1 5 478,6/584,9 -957,2/-1169,9Pozo de inyección a 67m a pozo de bombeo Sur y a 124m de pozo
de bombeo Norte
8 Cerrado
Tipo de
sistemaCaso
Evaluación de calcúlo simple a partir de modelo de 1 pozo de 100m de profundidad
Distancia entre pozos Caudal de inyección
(Calor/Frío) [m3/d]
Caudal de bombeo
(Calor/Frío) [m3/d]
Diferencia de
temperatura en pozo
de inyección [°C]
Nro de pozos
(Bombeo/Inyección)
SIMULACIONES
(Alvarez, 2017)
CASO 1
Fin período de veranoFin período sin caudalInicios período inviernoFin período inviernoFin período sin caudal
Fin período veranoFin período invierno
(Alvarez, 2017)
SIMULACIONES
El uso de la geotermia de baja temperatura es viable y representa una
oportunidad para incrementar la sustentabilidad en Chile
ALGUNAS REFLEXIONES
Sistemas abiertos mejores resultados que sistemas cerrados (en las
simulaciones realizadas)
•La variación de temperatura no supera los 0,5ºC , es decir que tendríamos 16±0.5 ºC del acuífero.
•Los parámetros relevantes son:
Caudales de pozos (caudal de inyección > caudal de bombeo)
- Demanda térmica (Diseño del edificio, clima)
- Delta de temperatura en el pozo de inyección con respecto a la temperatura bombeada.
Distancia entre los pozos
Flujo de aguas subterráneas
Parámetros hidráulicos y termales de las unidades litológicas influyen
en los resultados
Se necesitan más estudios de detalle.
ALGUNAS REFLEXIONES