Fundada en 1962

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IEDA

D GEOLOGICA DE CH

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la serena octubre 2015

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Propiedades termales de sedimentos en la cuenca de Coyhaique Diego Aravena N. Karín Garcia S. Mauricio Muñoz M. Rodrigo Maripangui G. Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (CEGA) Departamento de Geología, Universidad de Chile, Plaza Ercilla 803, Santiago, Chile daravena@ing.uchile.cl kgarcia@ing.uchile.cl maumunoz@ing.uchile.cl rodrigomaripangui@gmail.com Resumen El presente trabajo establece las condiciones de borde para implementar Bombas de Calor Geotermales (GHP) en la cuenca de Coyhaique. Adicionalmente, se sugieren alcances y limitaciones en base al coeficiente de rendimiento (COP) esperado para distintas aplicaciones. Temperaturas medidas entre enero y mayo del 2015 sugieren que, a partir de los 145 cm de profundidad la temperatura es relativamente estable, con mínimas sobre 4º C y máximas de hasta a 14º C. El agua subterránea bordea los 9 a 10.7º C. Los usos directos deben incluir procesos con temperaturas máximas de 40º y 60-70º C para proyectos de baja y alta carga termal, respectivamente. Palabras clave: Coyhaique, Bomba de Calor Geotermal,

COP, temperatura. 1 Introducción La ciudad de Coyhaique está emplazada sobre el relleno de la cuenca homónima, ubicada en la confluencia de los ríos Coyhaique y Simpson. Cuenta con una población total de 44.850 habitantes, con precipitaciones entre 800 y 1200 mm anuales con nieves invernales. (Direccion Meteorologica de Chile, 2015). El basamento de la cuenca de Coyhaique, en el área de estudio, está representado principalmente por calizas y conglomerados de la Fm. Toqui (Suarez y De la Cruz, 1994), lutitas negras con intercalaciones de limolitas y areniscas de la Fm. Katterfeld (Ramos, 1976), y areniscas marinas con intercalaciones locales de lutitas de la Fm. Apeleg (Plosziewicz y Ramos, 1997). El relleno de la cuenca es descrito en detalle por Quiroz y Páez (2011) e incluye; i) till compuesto por bloques y gravas inmersas en una matriz de arenas y limo; ii) depósitos glacio-lacustres compuestos por arcillas, limo y arena de grano fino; iii) depósitos glacio-fluviales constituidos por gravas y arenas estratificadas horizontalmente con abundantes bloques de hasta 1 m; iv) depósitos acotados de remoción en masa, coluviales, aluviales y fluviales. Las rocas intrusivas que afloran en el área de estudio incluyen cuerpos hipabisales andesíticos a basálticos, gabros de grano grueso a porfídicos (Gabro Bandurrias) y stocks dacíticos y riolíticos (De la

Cruz et al., 2003). Generalmente, el suelo almacena tanto calor atmosférico como el proveniente del relleno y basamento profundos de la cuenca. La baja difusividad termal de los sedimentos no consolidados reduce la influencia de variaciones diarias y estacionales de temperatura (Chow et al., 2011). Las Bombas de Calor Geotermales (BCG) son una tecnología altamente eficiente para la climatización de ambientes. Para extraer la energía geotermal almacenada en el sub-suelo, se utilizan cañerías colectoras en un sistema cerrado que contiene agua opcionalmente con anticongelante (Self et al., 2013). La utilización de BCG ayuda a reducir el consumo de combustibles fósiles, y genera ahorro económico en el largo plazo (Self et al., 2013) con un alto factor de planta. En particular, para áreas de climas fríos las necesidades de climatización pueden alcanzar hasta un 80% de la energía total consumida en sectores residenciales (Morrone et al., 2014). El presente estudio busca establecer las condiciones de borde a las que estaría sujeta la implementación de intercambiadores subterráneos y GHPs en la cuenca de Coyhaique. En particular, se sugieren alcances y limitaciones en base al coeficiente de rendimiento (COP) esperado para distintas aplicaciones. 2 Metodología La temperatura del suelo se midió con 2 termómetros ANTARES modelo 1854 de Datensysteme GmbH, enterrados a 0,8 y 1,45 m de profundidad en el sector norte del centro de Coyhaique (fig. 3). Se registran valores de temperatura cada 1 hora en una memoria interna. Para el presente trabajo se dispone de las mediciones realizadas entre el 22 de enero y el 30 de mayo de 2015. La temperatura ambiente es la correspondiente a la estación meteorológica Coyhaique (Escuela Agrícola), código 11316003-9. El registro de temperatura, nivel estático y conductividad eléctrica en pozos es realizado con la sonda Solinst 107 TLC, con mediciones cada 30 cm. Para obtener una interpolación de temperatura del agua subterránea, se utiliza

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AT 2 geología económica y recursos naturales

el método kriging ordinario del software ArcGIS, con la temperatura promedio medida en cada pozo. Para cuantificar la eficiencia de una GHP, se utilizará el coeficiente de rendimiento (COP, por sus siglas en inglés) de un ciclo de Carnot, aproximado a la siguiente expresión:

𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑝𝑝𝑝𝑝á𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐𝑐 ≅ ∝ 𝑇𝑇𝑐𝑐𝑇𝑇𝑐𝑐−𝑇𝑇𝑓𝑓

Ecuación 1

Donde Tc y Tf [K] corresponden a las temperaturas absolutas del foco caliente y frío respectivamente. ∝ es un coeficiente de rendimiento que permite estimar un COP práctico. 3 Resultados 3.1 Medición de temperatura del suelo. La fig. 2, muestra la variación de temperatura ambiente máxima, mínima y promedio diario. Al promedio diario se le aplicó un filtro de media móvil con tamaño de ventana 7 días. Estas son comparadas con la temperatura promedio diaria obtenida a 80 y 145 cm de profundidad. En promedio, la temperatura ambiente decrece de 17 a 6 ºC en los 130 días de medición. La temperatura a 80 cm decrece de ca. 17 a 10 ºC y la temperatura a 145 cm decrece de ca. 12,5 a 11 ºC. La fig.3 izq., muestra la variación de temperatura en profundidad cada diez días, para la ventana de tiempo estudiada. La fig. 3 der., muestra la variación de temperatura ambiente, comparada con la variación diaria medida a 80 y 145 cm de profundidad, cada una hora del día 9 de marzo. 3.2 Temperatura del agua subterránea. La fig.4 muestra el borde de la cuenca de Coyhaique, las zonas con potencial hidro-geológico (modificado de Páez, 2011), y la temperatura de agua subterránea esperada en el área de estudio a partir de las temperaturas medidas en pozos. La temperatura del agua subterránea en la cuenca del río Simpson (4 pozos), varía de 9 a 9,4 ºC. La cuenca del valle del río Coyhaique (4 pozos) presenta temperaturas que van de 9,4 a 10,7 ºC. 4 Discusión 4.1 Temperatura del subsuelo y del agua

subterránea La medición de datos abarca 130 días, donde la temperatura ambiente promedio baja 11 grados. La temperatura promedio diaria a 80 cm disminuye 7 grados, mientras que a 145 cm disminuye solo 1,5 ºC (fig. 3, izq). Cuarenta días a partir del comienzo de la medición (22 de enero), la temperatura ambiente pasa a ser menor que la temperatura del suelo a 80 cm, una semana después, lo mismo ocurre a 145 cm (fig. 2). Entre los 85 y 90 días, la temperatura a 80

cm pasa a ser menor que a 145 cm. El comportamiento de la temperatura refleja una baja difusividad termal del suelo, entonces la variabilidad de temperatura a escala diaria es prácticamente nula (fig. 3, der) y a escala de meses es cercana a un 60 y 14%, a 80 y 145 cm respectivamente. Se desprende que las temperaturas esperadas en el suelo durante los meses de enero a mayo superan los 8º y 10º C a 80 y 145 cm respectivamente, valores apropiados para la utilización de BCG. Sin embargo, hasta la fecha no existen datos de temperatura en el subsuelo durante los meses más fríos (Junio-Julio-Agosto), pero la temperatura ambiente alcanza -5 a -10º C los días más fríos del invierno, lo que puede reducir el COP de la Bomba de Calor. De manera conservadora, el análisis en la fig. 1 incluye una temperatura del foco frio de la bomba de 4 a 10º C. La temperatura del agua subterránea esta segmentada en dos dominios hidro-geológicos separados por la bifurcación de los ríos Simpson y Coyhaique; uno cuya temperatura es cercana a los 9 ºC, en el sector sur del valle del río Simpson, y otro dominio con temperaturas que bordean los 10 ºC (pero que alcanzan hasta 10.7º C) en el valle del río Coyhaique. Esta temperatura es levemente menor a los 12.5 a 11 ºC medidos a 145 cm de profundidad en suelo arcilloso y sedimentos glacio-fluviales del río Simpson (fig. 3, izq.), pero también es apropiada para la implementación de GHPs. Adicionalmente, el flujo de agua subterránea aumenta el rendimiento (COP) de las GHPs, pues permite una renovación constante de la temperatura del sub-suelo. 4.1 Bomba de calor geotermal El valor asignado a ∝ depende de una serie de parámetros entre los que se cuenta el arreglo de conexiones con el sub-suelo, el tamaño del sistema y las características hidro-geológicas del sub-suelo, entre otros (Self et al., 2013). Por tanto, este coeficiente es aproximadamente proporcional a la envergadura y carga termal del sistema para un mismo contexto hidro-geológico. La figura 1 muestra el COP práctico que sería posible alcanzar en función de la temperatura esperada en el foco caliente de la Bomba de Calor (Tc), para distintos valores de ∝, y considerando un rango de temperatura del foco frío (Tf) de 4 a 10 ºC. Trabajos experimentales y teóricos sugieren que el valor de α bordea 0,5 (De Swardt y Meyer, 2001), consistente con el COP de 3-6 y 3-4 propuestos por Self et al. (2013) y Mustafa (2006) respectivamente, equivalentes a un α de 0,3-0,6 y 0,3-0,4 con Tc y Tf de 35º y 4º C (fig. 1). Para un proyecto de mayor carga termal (∝ de 0,5 a 0,7) se proyecta un COP práctico entre 7 y 14, valor que en una instalación de menor carga termal (∝ de 0,3 a 0,5) como climatización particular de un hogar o invernadero, baja a un rango de 3 a 7. Asimismo, no es conveniente para un proyecto pequeño buscar temperaturas de foco caliente sobre ca. 40º C (línea punteada; fig. 1), mientras que un proyecto de mayor envergadura puede optar a alcanzar, desde 58 a más de 70º C; útil para aplicaciones como secado de madera, deshidratación de alimentos o procesos

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industriales. El presente análisis y sus conclusiones, están sujetas a una evaluación económica de la implementación de la GHP, a modo de estimar el costo inicial y el tiempo de retorno asociado. Adicionalmente, se debe profundizar el análisis de balance energético de cada aplicación de forma individual, preferentemente mediante una modelación numérica, que tome en consideración la carga termal y la tasa de enfriamiento del subsuelo.

Figura 1. COP practico obtenido con diferentes coeficientes de rendimiento (∝) a partir de la ecuación 1, considerando un rango de temperatura del foco frío (Ts) de 4 a 10 ºC. 5 Conclusiones Las temperaturas medidas en el suelo y en aguas subterráneas de la cuenca de Coyhaique sugieren que, a partir de los 150 cm de profundidad la temperatura debería ser relativamente estable, con mínimas sobre 4º C y máximas de hasta a 14º C. Este régimen de temperaturas es afectado por el flujo de agua subterránea que bordean los 9 a 10,7º C y que está condicionado a la presencia de acuíferos someros. Considerando una temperatura del foco frio de 4 a 10 ºC, es altamente recomendable desarrollar proyectos de Bombas de Calor Geotermal en el contexto hidro-geológico de Coyhaique. La evaluación preliminar del COP teórico y su correlación con el rendimiento real (α) de una Bomba de Calor, sugiere que los usos directos deben incluir procesos con temperaturas máximas de 40º y 60-70º C para proyectos de baja y alta carga termal, respectivamente. Agradecimientos Este trabajo ha sido financiado por los proyectos “Estimación y valorización del potencial geotérmico Aysén” BIP30346723-0 y FONDAP/CONICYT número 15090013 (Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes, CEGA). Los autores agradecen el apoyo e interés de la Seremi de Minería, Dra. Ana Valdés, y el apoyo del

equipo que ayudó en las labores de terreno. Referencias Chow T, Long H, Mok H, Li K., 2011. Estimation of soil temperature

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AT 2 geología económica y recursos naturales

Figura 2: Variación estacional (ene-may) y diaria de temperatura ambiente y del suelo en caso de estudio.

Figura 3. Izq: Variación estacional (ene-may) y der: diaria de temperatura del suelo en la ciudad de Coyhaique.

Figura 4: Relleno de cuenca, zona densamente poblada, ubicación de pozos y temperatura de agua subterránea esperada en el área de estudio; depósitos sedimentarios con potencial hidro-geológico modificado de Páez, 2011.