LA GEOTERMIA EN LA MINERÍA SUBTERRÁNEA: UN PROBLEMA HOY, UN RECURSO ENERGÉTICO MAÑANA

Transcripción

1 II CONGRESO DE ENERGÍA GEOTÉRMICA EN LA LA GEOTERMIA EN LA MINERÍA SUBTERRÁNEA: UN PROBLEMA HOY, UN RECURSO ENERGÉTICO MAÑANA Rafael Rodríguez Díez Mª Belarmina Díaz Aguado Equipo investigación GEMMA (Grupo sobre Energía, Minería y Medio Ambiente) Clúster Energía, Medio Ambiente y Cambio Climático Universidad de Oviedo

2 Índice 1 MINERÍA Y GEOTERMIA 2 LA GEOTERMIA Y LAS MINAS SUBTERRÁNEAS 3 TEMPERATURA EN LAS GALERÍAS DE MINA 4 EVALUACIÓN DEL POTENCIAL GEOTÉRMICO DE UNA GALERÍA 5 DISEÑO DE SISTEMA APROVECHAMIENTO (caldera geotérmica) 6 ANÁLISIS DE SU APLICACIÓN A UN NÚCLEO HABITADO 7 COMPARACIÓN CON OTRAS ENERGÍAS 8 VENTAJAS

3 Minería y Geotermia Los Ingenieros de Minas, competentes en Geotermia La Geotermia es un recurso minero (Ley 22/1973, de Minas, BOE nº 176) Es un recurso mineral energético de la Sección D (Ley 54/1980, modificación de la 22/1973, BOE nº 280) [ ] pasan a constituir una nueva sección, denominada D, los carbones, los minerales radiactivos, los recursos geotérmicos, las rocas bituminosas y cualesquiera otros yacimientos minerales o recursos geológicos de interés energético que el Gobierno acuerde incluir en esta sección [ ]

4 Minería y Geotermia En la explotación de recursos geotérmicos es de aplicación la legislación en materia de Seguridad Minera: Normativa estatal (Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera) Artículo 107. Antes de iniciar cualquier trabajo de investigación de un recurso geotérmico se precisará autorización mediante la aprobación previa del proyecto correspondiente Normativa autonómica (Instrucción ASM-25, Asturias Seguridad Minera) 1. Prescripciones generales. La presente Instrucción regula todas las explotaciones minerales de recursos geotérmicos, tanto del calor natural de la tierra presente en el subsuelo, como de todos los minerales en solución a partir de fluidos naturales calientes [ ]

5 La Geotermia y las minas subterráneas Cómo se ve la geotermia en la mina? Geotermia = Calor de la Tierra Calor en las labores = Trabajo más penoso

6 La Geotermia y las minas subterráneas Fuentes de calor en la mina subterránea: Equipos eléctricos Gases calientes (voladuras, humos de vehículos Diesel) Fricción metal-roca durante el arranque El macizo rocoso

7 La Geotermia y las minas subterráneas El calor del macizo rocoso El macizo rocoso puede alcanzar altas temperaturas Es necesario el control de la temperatura en los tajos Pueden necesitarse sistemas de refrigeración (5-10 MW) Pozo/Mina País Referencia Profundidad T roca T max Stillingfleet R. Unido Lowndes et al m 40º C 28º C Ibbenburen Alemania Heinz m 45º C 28º C Leshotho Sudafrica Glenn-Bluhm m 48º C 28º C Leshotho Sudafrica Glenn-Bluhm m 65º C 28º C Ost Alemania Mantwill- Baumer m 64º C 30º C

8 Temperatura en las galerías de mina La legislación española (RGNBSM, ITC , ASM 13) limita la temperatura equivalente a 33º C Temperatura, humedad relativa, velocidad del aire Ejemplo: T. macizo rocoso = 35º C Humedad relativa = 90% Velocidad = 0.20 m/s T. equivalente = 34º C Es necesario reducir la temperatura en ese punto

9 Temperatura en las galerías de mina La ventilación es el sistema más habitual para controlar la temperatura en la mina 1. El aire del exterior, más frío, entra y recorre las galerías de la mina 2. Hay un intercambio de calor: el aire se calienta y el entorno se enfría 3. Se llega a una temperatura de equilibrio aceptable para el personal que trabaja Para dimensionar la ventilación es necesario conocer el aporte de calor del macizo rocoso (Geotermia)

10 Evaluación del potencial geotérmico de una galería Problema minero (original): Qué caudal de aire frio se ha de introducir para enfriar el macizo rocoso? Planteamiento geotérmico (nuevo): Qué calor se puede extraer del macizo rocoso mediante un fluido frío (agua)?

11 Evaluación del potencial geotérmico de una galería Se desarrolla un método de cálculo para estimar el intercambio de calor de un fluido con el macizo rocoso: Diseño de la ventilación en la mina Evaluación del potencial geotérmico de una galería

12 Evaluación del potencial geotérmico de una galería Método iterativo: Conocida la temperatura de entrada de una sección T ei Se estima la de salida T si mediante las expresiones: h r i r U T 0i i si 2 1 h i 2 fi r 2 v hi 1 c r r r r 1 r l er Ln r i U 0i i t /r T 0 fi C fi fi fi c fi r efi C fi 0.80 c efi r l i fi U c i efi fi r l i U fi i 0.43 T ei T ei1 T si

13 Evaluación del potencial geotérmico de una galería Validación del método: Ventilación en galerías de mina (fluido: aire) Se midieron y se estimaron temperaturas Temperatura seca (ºC) 24 Medido Calculado 23 Medido Calculado Longitud (m)

14 Evaluación del potencial geotérmico de una galería Consecuencias deducidas del método: Se puede estimar la cantidad de calor cedido por el macizo rocoso - Ventilación: Se puede diseñar un sistema de ventilación - Geotermia: Se puede estimar el calor que se extrae de una mina El calor que cede el macizo rocoso tiene un límite (no es infinito) - Ventilación: Existe una solución (si es viable económicamente) - Geotermia: Existe un límite al aprovechamiento geotérmico

15 Diseño de un sistema de aprovechamiento (caldera geotérmica) Cómo evaluar el potencial de una mina entendiéndola como yacimiento de energía geotérmica? Es posible el aprovechamiento incluso con la mina en actividad? Qué ventajas existen? Describir el intercambio Fluido Macizo rocoso MÉTODO DE CÁLCULO Establecer un límite al calor que se puede extraer de la tierra Realizar estimaciones

16 Diseño de un sistema de aprovechamiento (caldera geotérmica) Similar al esquema de ventilación de una mina Desarrollo de proyectos mundiales en minas Esquema tipo (Ehrenfriedersdorf, Sajonia, Alemania, 1996) Minas en Springhill, Canadá (1990)

17 Diseño de un sistema de aprovechamiento (caldera geotérmica) Similar al esquema de ventilación de una mina Desarrollo de proyectos mundiales en minas 2008: Primera central de Agua de mina Herleen (Holanda) Esquema tipo

18 Diseño de un sistema de aprovechamiento (caldera geotérmica) Actuaciones después del cierre de minas: solo extracción agua de la mina desde pozos o sondeos. CONOCIMIENTO DEL RECURSO Actuación antes del cierre de la mina POSIBILIDAD DE REALIZAR TRABAJOS NECESARIOS Y APROVECHAR AL MÁXIMO GALERÍAS DE MINA APROVECHAMIENTO DE ESA ENERGÍA GEOTÉRMICA CON MINA EN ACTIVO Diámetro sondeo: 220 mm Esquema tipo P agua 500 m.c.a Galerías: m 2

19 Análisis de su aplicación a núcleo habitado 170 viviendas (300 habitantes) Distancia al potencial usuario Temperatura y composición agua de mina Extensión de la explotación minera Profundidad y geometría de las galerías

20 Análisis de su aplicación a núcleo habitado Rendimiento y capacidad del sistema 500 m Recorrido por galerías: 1000 m 350 m 450 m 550 m 650 m

21 Análisis de su aplicación a núcleo habitado Análisis del sistema Temperatura exterior invierno= 7 ºC T macizo a 500 m 28 ºC Temperatura inyección T extracción de la caldera: Bombas de calor: aceptables con T= 5 ºC al menos 12 ºC T final agua sistema calefacción: 50º C COEF. REND. Bombas calor: T agua sale del sondeo: 12 ºC COP=4

22 Análisis de su aplicación a núcleo habitado Potencia térmica para diferentes caudales de agua inyectados (explotación 30 años) T min= 5 ºC Potencia media extraida (kw) Incremento de temperatura (ºC) Potencia obtenida del sistema: Caudal (m 3 /h) Incremento de temperatura del agua: Caudal máx. por galería: 10 m 3 /h 20 m 3 /h

23 Análisis de su aplicación a núcleo habitado Agotamiento de la caldera geotérmica Funcionamiento continuo del sistema Análisis del sistema 195 kw t 125 kw t Potencia media extraida (kw) Tiempo (años)

24 Análisis de su aplicación a núcleo habitado Otras posibilidades Caudal = 10 m 3 /h 65 kwh/1000 m galería 65 W t /m (Aumento lineal) Obtención distintas potencias caloríficas Múltiples galerías: evitar interferencia r 0 /r= 30 r= 2 m Separación galerías: 120 m

25 Análisis de su aplicación a núcleo habitado Optimización del sistema Sistema óptimo para macizos rocosos calientes Sistema aprovechable en macizos de menor temperatura, pero con minas existentes Aumento de potencia límite extraída regiones de clima suave Sin aire acondicionado Utilización sistema solo en invierno Potencia media extraida (kw) m=2 m=4 m=6 m= kw t : 0-10 años 160 kw t : 0-50 años

26 Análisis de su aplicación a núcleo habitado Optimización del sistema Demanda térmica cubierta: 160 kw t de potencia calorífica y coeficiente de rendimiento COP=4 Potencia térmica en las viviendas a L.P. 215 kw t Necesidades térmicas totales: 35 viviendas unifamiliares o 150 viviendas bloques edificios C.T.E. (30% energía renovable): 25 viviendas unifamiliares o 125 viviendas bloques edificios

27 Ventajas Energía geotérmica Contribuye a reducción de emisiones de CO 2 : favorecida por la actual legislación Coste competitivo frente a otras energías alternativas; rentabilidad aumenta a largo plazo Recursos energéticos propios de un país: no dependencia Independiente de las condiciones climáticas y con flujo constante de energía a lo largo del año Área de terreno requerido por plantas geotérmicas menor que otras centrales de producción energética No contaminan entorno próximo: ubicación en zonas residenciales, campos, bosques etc. Múltiples aplicaciones de uso directo: viviendas unifamiliares, urbanizaciones, piscifactorías, naves, etc.

28 Ventajas Calderas geotérmicas en galerías de mina Conocimiento previo sobre: macizo rocoso e hidrogeología; caldera y el circuito del agua predecir mejor resultados Funcionamiento como sistema abierto, pero sin riesgo de contaminación térmica al acuífero A igual longitud perforada, menor superficie ocupada. Eficiencia de la bomba de calor agua-agua superior a bombas aire debido a uniformidad de temperatura terreno (y fluido) Estabilidad de galerías (comprobable y mejorable)

29 Resultados de esta investigación Renewable Energy, vol 34 (2009), pp Analysis of the utilization of mine galleries as geothermal heat exchangers by means a semi-empirical prediction method (Rafael Rodríguez, María B. Díaz) Muchas gracias

30 II CONGRESO DE ENERGÍA GEOTÉRMICA EN LA GRACIAS POR SU ATENCIÓN Universidad de Oviedo