energ ía geot érmica superficial – estado de la t écnica e … · desarrollo de un mejor...
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EnergEnergíía geota geotéérmica superficial rmica superficial ––estado de la testado de la téécnica e investigacicnica e investigacióón n en Alemaniaen Alemania
15 de Octubre 2008 15 de Octubre 2008 ·· Madrid, EspaMadrid, Españñaa
Prof. Dr.-Ing. Rolf KatzenbachDirector del Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia
Dipl.-Ing. Isabel M. Wagner, Dipl.-Ing. Frithjof Cl auss, Dipl.-Ing. Thomas WaberseckAsistentes cientificos del Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia
Instituto y Laboratorio de Ensayos de Geotecnia Technische Universität DarmstadtPetersenstr. 1364287 Darmstadt, AlemaniaFijo: (+49) 61 51 – 16 21 49Fax: (+49) 61 51 – 16 66 83E-Mail: [email protected]: www.geotechnik.tu-darmstadt.de
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Prof. Dr.Prof. Dr. --Ing. Rolf Katzenbach Ing. Rolf Katzenbach •• Dipl.Dipl. --Ing. Isabel M. Wagner Ing. Isabel M. Wagner •• Instituto y Instituto y Laboratorio de Ensayos de GeotecniaLaboratorio de Ensayos de Geotecnia
DistribuciDistribuci óón del personal del Instituto y Laboratorion del personal del Instituto y Laboratorio
pagados por el Estado pagados mediante proyectos
soporte mediante industria, ministerios de investigación etc.
12 asistentes cient12 asistentes cient ííficosficos
11 administrativos11 administrativos
3 aprendices3 aprendices
1 profesor1 profesor
3 asistentes cient3 asistentes cient ííficosficos
8,5 administrativos8,5 administrativos
3
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Consumo de energConsumo de energ íía en Alemania en el 2006a en Alemania en el 2006
industria27%
movilidad29%
edificios(sector residencial, comercio, servicio)
44%
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industriaindustria movilidadmovilidad residenciasresidencias
comerciocomercio
ppéérdidardida
I I NNVVEESSTTIIGGAACCIIÓÓNN
Consumo de energConsumo de energ íía primaria en Alemania 2007a primaria en Alemania 2007
10%10%
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DistribuciDistribuci óón del consumo de energn del consumo de energ íía en el a en el sector residencial en Alemaniasector residencial en Alemania
iluminación1%
cocina4%
otros7%
calefacción77%
agua caliente11%
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La utilizaciLa utilizaci óón tn t éérmica del suelormica del suelo
La utilización térmica del suelo ocurre de dos mane ras:
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 sue lo
almacenador térmico temporal
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UtilizaciUtilizaci óón tn t éérmica del suelormica del suelo
Def.: El almacenador térmico temporal es una zona del suelo equipada con varios intercambiadores de calor. El cuerpo puede r eservar energía térmica con el objeto de calentar y enfriar por la inercia termodinámica del suelo. funcionamiento en invierno funcionamiento en verano
calefacción techos fríos
edificio
bomba de calor
almacenador térmico
temporal
suministro de calor
verano
sustracción de calor
invierno
suministro de calor
verano
temperatura delalmacenador térmico
tiempo
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Sistemas geotSistemas geot éérmicosrmicos
− uso térmico del agua subterránea con pozos
− colectores geotérmicos
− sondas geotérmicas
− sondas geotérmicas de evaporación directa (CO 2)
− pilotes energéticos
− sondas geotérmicas usadas en zonas de mejora del su elo
(p.ej. Jet-Grouting)
cabeza de la sonda
sonda
CO2
CO2
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115 mm
25 mm
Beispiel:
Doppel-U-Sonde25 x 2,3 mm
Verfüllrohr
Bohrlochwand
Verfüllmaterial
Abstandhalter
Sondas geotSondas geot éérmicas rmicas -- estructuraestructura
rellenotubo para relleno
separador
sonda de U doble 25 x 2,3mm
ejemplo:
agujero de perforación
sonda de U doblesonda de U singular sonda coaxial sonda coaxial compleja
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distribución como almacenador térmico
distribución para sustracción de calor o frío
Sondas geotSondas geot éérmicas rmicas –– distribucidistribuci óónn
almacenador térmico
uso directo de calor o frío
relación superficie/volumen minimizar maximizar
geometría compacta extendida
gran corriente del agua subterránea
negativo positivo
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Sondas geotSondas geot éérmicasrmicas-- ejemplo proyecto cientejemplo proyecto cient íífico QuaWiDiS fico QuaWiDiS --
Desarrollo de un mejor sistema de servicio en invie rno QuaWiDiS para zonas de circulación de personas mediante geotermia
intercambiadores de calor (sondas geotérmicas)
almacenador de calor
sistema de medida
tubos en la placa del andén
Temperatura de la sonda
Temperatura de la placa
Temperatura del aire
Temperatura [°C]
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Tubos tTubos t éérmicos (Heat Pipes)rmicos (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)
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Principio de una sonda de evaporaciPrincipio de una sonda de evaporaci óón directan directa
q
q q
q condensador
zona adiabática
evaporador
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Ventajas: 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:Desventajas:
• inversiones más altas
• más complicadas por la technología
• no pueden ser usados para suministro de energía(non reversibles)
Sondas de evaporaciSondas de evaporaci óón directan directa
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La funciLa funci óón doble de un pilote energn doble de un pilote energ ééticotico
intercambiadores de calor
pilote energético
armadura
pilotes energéticos
función térmicafunción resistente
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La funciLa funci óón doble de un pilote energn doble de un pilote energ ééticotico
intercambiadores de calor
pilote energético
armadura
- intercambiadores de calor son
montados en la zona del suelo
- transferencia de energía
mediante el fluido circulando en
los intercambiadores de calor
pilotes energéticos
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instalación de los intercambiadores de calor a la a rmadura
FabricaciFabricaci óón de un pilote energn de un pilote energ éético tico -- pilote inpilote in --situ situ --
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FabricaciFabricaci óón de un pilote energn de un pilote energ éético tico -- pilote prefabricado pilote prefabricado --
− pilotes de hormigón armado de sección completa
− pilotes de hormigón armado de sección hueca
− pilotes de acero
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Factores para dimensionarFactores 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)
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InvestigaciInvestigaci óón geotn geot éérmicarmica
Partes principales de la investigación geotérmica:
• ensayos de laboratorio
• ensayos in-situ
• los ensayos de laboratorio ofrecen informacion sobr e 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 λλλλ y factor de resistencia del agujero R b). Considera la mayoría de los factores influyentes co mo agua corriente, materiales del relleno y de la sonda etc.
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• Calorimetro para medir la capacidad térmica
• “Darmstadt thermal conductivity testing device”(media poroso y solido)
• “Thermoscanner” para medir la conductividad térmica (media solido, roca)
InvestigaciInvestigaci óón geotn geot éérmica (laboratorio)rmica (laboratorio)
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Geothermal Response TestGeothermal 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 r ecoger energía
− instalación de una sonda
geotérmica que puede ser
reutilizada en la
construcción final (edificio…)
− marcha durante aprox. 48 horas
para resultados reales
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λ⋅π⋅ ⋅
&
eff
Q=
4 H k
Análisis: „linesource theory“(fuente de línea) de KELVIN
Evaluación de la conductividad térmica effeciva λλλλeff [W/(m ·K)] del suelo
Proyecto de investigaciProyecto de investigaci óón n -- Desarollo del GRT Desarollo del GRT --
flujo de calor [W]H longitud de la sonda [m]k inclinación de la curva
(temperatura sobre log tiempo)
&Q
media temperatura del fluido [°C]
hora
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Proyecto de investigaciProyecto de investigaci óón n -- Desarollo del GRT Desarollo del GRT --
Los procedimientos nuevos son examinados mediante i nvestigaciones de campo y estudios numéricos
reducción del tiempo de ensayoreducción de los costosuso económico para proyectos pequeños
Temperatura
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Dimensionamiento mediante VDI 4640Dimensionamiento mediante VDI 4640
VDI 4640 consta de 4 partes sobre la utilización té rmica 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)
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Dimensionar mediante VDI 4640Dimensionar 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
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Dimensionar mediante VDI 4640Dimensionar mediante VDI 4640
valores para estimar la conductividad y la capacida d térmica:
suelo conductividad térmica[W/(m ⋅⋅⋅⋅K)]
capacidad volumétrica [J/(m³ ⋅⋅⋅⋅K)]
valores típicos
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
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Proyectos con pilotes energProyectos con pilotes energ ééticos ticos -- ejemplos, Frankfurt am Main ejemplos, Frankfurt am Main --
refrigeración y calentamiento geotérmico de edifici os
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Proyectos con pilotes energProyectos con pilotes energ ééticos ticos -- ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main --
pilotes de cimentación:262 pilotes Dmax= 1,86 m Lmax = 27 m
pantalla de pilotes secantes armados:130 pilotes, D = 1,5 m, L ≤ 38 m
marcha en invierno: 2.350 MWhmarcha en verano: 2.410 MWhmax. potencia: 913 kW
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Proyectos con pilotes energProyectos con pilotes energ ééticos ticos -- ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main --
Distribución de la temperatura despues de operar en invierno
0 50 100 150 200 250-50
0
50
100
150
200
250
8.5
9.5
10.5
11.5
12.5
13.5
14.5
15.5
16.5
17.5
[°C]
Distribución de la temperatura despues de operar en verano
0 50 100 150 200 250-50
0
50
100
150
200
250 [°C]
15.5
16.5
17.5
18.5
19.5
20.5
21.5
22.5
23.5
24.5
25.5
26.5
Grandes valores de influencia térmica en las áreas con alta densidad de pilotes de energía
Gran distribución de influencia térmica en direcció n del agua subterránea
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sección transversal A-A
sección transversal B-B
flujo natural del agua subterránea
situación en otoño
Proyectos con pilotes energProyectos con pilotes energ ééticos ticos -- ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main ejemplo PalaisQuartier, Frankfurt am Main --
A
A
B B
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comparación de los sistemas de calefacción:
• gas natural
• sondas geotérmicas con una bomba de color
(coeficiente de rendimiento = 4)
• residencia unifamiliar de 150 m² para calentar con u n sístema de
calefacción del suelo
• demanda de energía específica: 100 kWh/(m² ⋅⋅⋅⋅a)
• demanda de energía: 15.000 kWh/a
• demanda de poténcia para 1.800 h/a de carga máxima: 8,3 kW
ejemplo:
Estudio econEstudio econ óómicomico
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sonda geotsonda geot éérmica rmica –– 5% incremento del precio gas natural 5% incremento del precio gas natural –– 5% incremento del precio5% incremento del precio
sonda geotsonda geot éérmica rmica –– 10% incremento del precio gas natural 10% incremento del precio gas natural –– 10% incremento del precio10% incremento del precio
año año año año año añoañoaño
Estudio econEstudio econ óómicomico
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7,5 a7,5 aññosos 8,5 a8,5 aññosos
sonda geotsonda geot éérmica rmica –– 5% incremento del precio gas natural 5% incremento del precio gas natural –– 5% incremento del precio5% incremento del precio
sonda geotsonda geot éérmica rmica –– 10% incremento del precio gas natural 10% incremento del precio gas natural –– 10% incremento del precio10% incremento del precio
5. año 10. año 15. año
Estudio econEstudio econ óómicomico
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Prof. Dr.Prof. Dr. --Ing. Rolf Katzenbach Ing. Rolf Katzenbach •• Dipl.Dipl. --Ing. Isabel M. Wagner Ing. Isabel M. Wagner •• Instituto y Instituto y Laboratorio de Ensayos de GeotecniaLaboratorio de Ensayos de Geotecnia
• 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 deshiel o,
• la conductividad térmica
• uso de energía geotérmica en túneles (Austria)
• uso de energía geotérmica en anclajes (Austria)
Investigaciones actualesInvestigaciones actualesen Alemania / Austriaen Alemania / Austria
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Prof. Dr.Prof. Dr. --Ing. Rolf Katzenbach Ing. Rolf Katzenbach •• Dipl.Dipl. --Ing. Isabel M. Wagner Ing. Isabel M. Wagner •• Instituto y Instituto y Laboratorio de Ensayos de GeotecniaLaboratorio de Ensayos de Geotecnia
• investigacíon de un nuevo “Geothermal Response Test ” (GRT) para un
análisis no estacionario
• modificación del “Darmstadt thermal conductivity te st apparatus” para
suelos cohesivos y suelos con presencia de agua (sa turados)
• 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 geoté rmicas
(VBI, DIN sondas geotérmicas etc.)
Investigaciones actuales del nuestro InstitutoInvestigaciones actuales del nuestro Instituto
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Prof. Dr.Prof. Dr. --Ing. Rolf Katzenbach Ing. Rolf Katzenbach •• Dipl.Dipl. --Ing. Isabel M. Wagner Ing. Isabel M. Wagner •• Instituto y Instituto y Laboratorio de Ensayos de GeotecniaLaboratorio de Ensayos de Geotecnia
• expertos científicos en campos de tecnología energética
• aproximación multidisciplinaria
TU Darmstadt Energy CenterTU Darmstadt Energy Center
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Prof. Dr.Prof. Dr. --Ing. Rolf Katzenbach Ing. Rolf Katzenbach •• Dipl.Dipl. --Ing. Isabel M. Wagner Ing. Isabel M. Wagner •• Instituto y Instituto y Laboratorio de Ensayos de GeotecniaLaboratorio de Ensayos de Geotecnia
¡¡Muchas graciasMuchas gracias
por su atencipor su atenci óón!n!