en Alemania 15 de Octubre 2008 Madrid, España

Transcripción

1 Energía a geotérmica superficial estado de la técnica t e investigación en Alemania 15 de Octubre 2008 Madrid, España Prof. Dr.-Ing. Rolf Katzenbach Director del Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia Dipl.-Ing. Isabel M. Wagner, Dipl.-Ing. Frithjof Clauss, Dipl.-Ing. Thomas Waberseck Asistentes cientificos del Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia Technische Universität Darmstadt Petersenstr Darmstadt, Alemania Fijo: (+49) Fax: (+49) katzenbach@geotechnik.tu-darmstadt.de Internet:

2 Distribución n del personal del Instituto y Laboratorio pagados por el Estado pagados mediante proyectos 1 profesor 3 asistentes científicos 8,5 administrativos 12 asistentes científicos 11 administrativos 3 aprendices soporte mediante industria, ministerios de investigación etc. 2

3 Consumo de energía a en Alemania en el 2006 edificios (sector residencial, comercio, servicio) 44% industria 27% movilidad 29% 3

4 Consumo de energía a primaria en Alemania 2007 pérdida industria movilidad residencias comercio 10% I N V E S T I G A C I Ó N 4

5 Distribución n del consumo de energía a en el sector residencial en Alemania iluminación 1% cocina 4% otros 7% agua caliente 11% calefacción 77% 5

6 La utilización n térmica t del suelo La utilización térmica del suelo ocurre de dos maneras: fuente de calor y de frío - sustracción de calor (para calentar el edificio) - suministro de calor (para enfriar el edificio) condición: suficiente regeneración térmica del suelo almacenador térmico temporal 6

7 Utilización n térmica t del suelo Def.: El almacenador térmico temporal es una zona del suelo equipada con varios intercambiadores de calor. El cuerpo puede reservar energía térmica con el objeto de calentar y enfriar por la inercia termodinámica del suelo. funcionamiento en invierno funcionamiento en verano calefacción techos fríos temperatura del almacenador térmico edificio bomba de calor suministro de calor sustracción de calor suministro de calor almacenador térmico temporal verano invierno verano tiempo 7

8 Sistemas geotérmicos uso térmico del agua subterránea con pozos colectores geotérmicos cabeza de la sonda sondas geotérmicas sondas geotérmicas de evaporación directa (CO 2 ) CO 2 CO 2 pilotes energéticos sonda sondas geotérmicas usadas en zonas de mejora del suelo (p.ej. Jet-Grouting) 8

9 Sondas geotérmicas - estructura 115 mm 25 mm ejemplo: Beispiel: sonda Doppel-U-Sonde U doble x 2,3mm relleno tubo para relleno Verfüllmaterial Verfüllrohr agujero de perforación Bohrlochwand Abstandhalter separador sonda de U singular sonda de U doble sonda coaxial sonda coaxial compleja 9

10 Sondas geotérmicas distribución almacenador térmico uso directo de calor o frío relación superficie/volumen minimizar maximizar geometría compacta extendida gran corriente del agua subterránea negativo positivo distribución para sustracción de calor o frío distribución como almacenador térmico 10

11 Sondas geotérmicas - ejemplo proyecto científico QuaWiDiS - Temperatura [ C] tubos en la placa del andén sistema de medida Temperatura de la sonda Temperatura de la placa Temperatura del aire almacenador de calor intercambiadores de calor (sondas geotérmicas) Desarrollo de un mejor sistema de servicio en invierno QuaWiDiS para zonas de circulación de personas mediante geotermia 11

12 Tubos térmicos t (Heat Pipes) p.ej. gas carbónico como medio de transporte de calor sistemas cerrados a presión tubos de cobre recubiertos con plástico (protección contra la corrosión) 12

13 Principio de una sonda de evaporación n directa q q condensador zona adiabática q q evaporador 13

14 Sondas de evaporación n directa Ventajas: renuncia de una bomba de circulación altas coeficientes de rendimiento muy económicas casi no mantenimiento sondas automáticas por el cambio de la phase Desventajas: inversiones más altas más complicadas por la technología no pueden ser usados para suministro de energía (non reversibles) 14

15 La función n doble de un pilote energético pilotes energéticos pilote energético función resistente función térmica armadura intercambiadores de calor 15

16 La función n doble de un pilote energético pilotes energéticos pilote energético armadura intercambiadores de calor - intercambiadores de calor son montados en la zona del suelo - transferencia de energía mediante el fluido circulando en los intercambiadores de calor 16

17 Fabricación n de un pilote energético - pilote in-situ - instalación de los intercambiadores de calor a la armadura 17

18 Fabricación n de un pilote energético - pilote prefabricado - pilotes de hormigón armado de sección completa pilotes de hormigón armado de sección hueca pilotes de acero 18

19 Factores para dimensionar VDI 4640 (guía Alemana) estudio con elementos finitos (p.ej.: FEFLOW) para simular las condiciones lo más real posible - incluida la corriente de agua subterránea estudio mediante otros programas comerciales (p.e.: EED - Earth Energy Designer) guías de las provincias de Alemania además dentro de poco tiempo será publicada la norma DIN Geothermiesonden (sondas geotérmicas) 19

20 Investigación n geotérmica Partes principales de la investigación geotérmica: ensayos de laboratorio ensayos in-situ los ensayos de laboratorio ofrecen informacion sobre las propiedades de una muestra. No consideran todos los factores influyentes. el ensayo in-situ Geothermal Response Test ofrece los parametros necesarios para el dimensionamiento (conductividad térmica λ y factor de resistencia del agujero R b ). Considera la mayoría de los factores influyentes como agua corriente, materiales del relleno y de la sonda etc. 20

21 Investigación n geotérmica (laboratorio) Darmstadt thermal conductivity testing device (media poroso y solido) Thermoscanner para medir la conductividad térmica (media solido, roca) Calorimetro para medir la capacidad térmica 21

22 Geothermal Response Test GRT: aparato portátil para ensayos in-situ simulación de la marcha de la sonda análisis de la capacidad que ofrece el suelo para recoger energía instalación de una sonda geotérmica que puede ser reutilizada en la construcción final (edificio ) marcha durante aprox. 48 horas para resultados reales 22

23 Proyecto de investigación - Desarollo del GRT - Evaluación de la conductividad térmica effeciva λ eff [W/(m K)] del suelo Análisis: linesource theory (fuente de línea) de KELVIN λ eff Q& = 4 π H k media temperatura del fluido [ C] &Q H k flujo de calor [W] longitud de la sonda [m] inclinación de la curva (temperatura sobre log tiempo) hora 23

24 Proyecto de investigación - Desarollo del GRT - Los procedimientos nuevos son examinados mediante investigaciones de campo y estudios numéricos reducción del tiempo de ensayo reducción de los costos uso económico para proyectos pequeños Temperatura 24

25 Dimensionamiento mediante VDI 4640 VDI 4640 consta de 4 partes sobre la utilización térmica del suelo: 1. fundamentos, permisos, aspectos ambientales 2. sistemas geotérmicos 3. almacenamiento de energía en el subsuelo 4. utilizaciones directas publicado por el Verein Deutscher Ingenieure (VDI) (asociación de ingenieros Alemanes) 25

26 Dimensionar mediante VDI 4640 VDI 4640 ofrece informacion sobre: sistemas geotérmicos diferentes (colectores, sondas ) instalación de los sistemas dimensionamiento de los sistemas bomba de calor formas de almacenamientos térmicos valores para estimar las propiedades de suelos como conductividad y capacidad térmica 26

27 Dimensionar mediante VDI 4640 valores para estimar la conductividad y la capacidad térmica: suelo conductividad térmica [W/(m K)] valores típicos capacidad volumétrica [J/(m³ K)] grava seca 0,4 0,5 0,4 1,4 1,6 grava húmeda aprox. 1,8 1,8 aprox. 2,4 arena seca 0,3 0,8 0,4 1,3 1,6 arena húmeda 1,7 5,0 2,4 2,2 2,9 arcilla seca 0,4 1,0 0,5 1,5 1,6 arcilla húmeda 0,9 2,3 1,7 1,6 3,4 27

28 Proyectos con pilotes energéticos - ejemplos, Frankfurt am Main - refrigeración y calentamiento geotérmico de edificios 28

29 Proyectos con pilotes energéticos - ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main - pilotes de cimentación: 262 pilotes D max = 1,86 m L max = 27 m pantalla de pilotes secantes armados: 130 pilotes, D = 1,5 m, L 38 m marcha en invierno: MWh marcha en verano: MWh max. potencia: 913 kw 29

30 Proyectos con pilotes energéticos - ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main [ C] Distribución de la temperatura despues de operar en verano Distribución de la temperatura despues de operar en invierno Grandes valores de influencia térmica en las áreas con alta densidad de pilotes de energía Gran distribución de influencia térmica en dirección del agua subterránea [ C]

31 Proyectos con pilotes energéticos - ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main - situación en otoño sección transversal A-A flujo natural del agua subterránea sección transversal B-B B A B A 31

32 Estudio económico comparación de los sistemas de calefacción: gas natural sondas geotérmicas con una bomba de color (coeficiente de rendimiento = 4) ejemplo: residencia unifamiliar de 150 m² para calentar con un sístema de calefacción del suelo demanda de energía específica: 100 kwh/(m² a) demanda de energía: kwh/a demanda de poténcia para h/a de carga máxima: 8,3 kw 32

33 Estudio económico año año año año año año año año sonda geotérmica 5% incremento del precio gas natural 5% incremento del precio sonda geotérmica 10% incremento del precio gas natural 10% incremento del precio 33

34 Estudio económico 7,5 añosa 8,5 añosa 5. año 10. año 15. año sonda geotérmica 5% incremento del precio gas natural 5% incremento del precio sonda geotérmica 10% incremento del precio gas natural 10% incremento del precio 34

35 Investigaciones actuales en Alemania / Austria base de datos de parametros térmicos del suelo para el dimensionamiento mejoramiento del material del relleno con respecto a la durabilidad en el ciclo de congelación y deshielo, la conductividad térmica uso de energía geotérmica en túneles (Austria) uso de energía geotérmica en anclajes (Austria) 35

36 Investigaciones actuales del nuestro Instituto investigacíon de un nuevo Geothermal Response Test (GRT) para un análisis no estacionario modificación del Darmstadt thermal conductivity test apparatus para suelos cohesivos y suelos con presencia de agua (saturados) simulación numérica de las sondas desarollo de nuevos tipos de sondas análisis de sensitividad de las condiciones previas a la decisión de la realización de sistemas geotérmicos superficiales (economico, riesgo ) colaboración para la implementación de normas geotérmicas (VBI, DIN sondas geotérmicas etc.) 36

37 TU Darmstadt Energy Center expertos científicos en campos de tecnología energética aproximación multidisciplinaria 37

38 Muchas gracias por su atención! n! 38