Geotermia. Perímetros de Protección Geotérmico

Perímetros de Protección Geotérmico

(Artículo publicado en la Revista Obras Urbanas número 52)
Benito E. RIVERA; DGM Riarga S.L. Sevilla 
Manuel REGUEIRO; IGME

La geotermia es un recurso energético que se encuentra en un claro proceso de implantación con formas diferentes de aplicación y escala. Como tal recurso requiere de medidas de gestión y protección que aseguren la viabilidad del recurso a lo largo de la vida de la instalación. El establecimiento de perímetros de protección en base a las características geológicas e hidrogeológicas de cada emplazamiento se hace necesario para el correcto funcionamiento de cada una de las instalaciones.

Introducción

Toda instalación geotérmica debe tener en cuenta de partida dos parámetros fundamentales, la demanda de energía del edificio a climatizar y el comportamiento térmico del subsuelo. El cálculo de la demanda térmica del edificio, no es algo complicado de determinar pero la conductividad térmica del terreno es hasta ahora complicada debido a diferentes factores dentro de los que destaca:

  • Propiedades físicas del terreno
  • Caudal y velocidad de flujo del agua subterránea
  • Propiedades de los intercambiadores geotérmicos
  • Condiciones climatológicas

Conductividad Térmica-TRT

Actualmente la Conductividad térmica (λ) de un emplazamiento se determina mediante dos formas o métodos. Hay que tener presente que en una perforación lo habitual es que nos encontremos con diferentes tipos de materiales  (arenas, arcillas, rocas, etc) y con agua presente en diferentes formas y cantidad. Por tanto un primer método para conocer el valor de λ es, en el momento de la perforación, ir tomando muestras de los diferentes estratos o materiales que nos vamos encontrando y medir su conductividad térmica en laboratorio. Este método se ha venido considerando laborioso, complicado y de un coste adicional alto y que en principio no va a proporcionar información de la influencia del agua subterránea presente en la zona y que puede hacer variar, y mucho, el valor real de λ.

En los años 90 se desarrolló en diferentes países como Suecia o EE.UU. un método sencillo que proporciona el valor real de la conductividad térmica de toda la perforación o más exactamente de todo el material que rodea la perforación teniendo en cuenta además otros parámetros que a la postre son sumamente importantes como pueda ser la presencia de agua subterránea o la propia conductividad del material de relleno de las perforaciones. Dicho método es el Test de Respuesta Térmica del Terreno (Thermal Response Test). El Test de Respuesta Térmica es un método que nos permite conocer el valor de la conductividad térmica efectiva del terreno, así como la resistividad térmica.

Una vez determinada la conductividad térmica se dimensiona la longitud total de perforación que será necesario realizar para optimizar el campo de captación energética necesario en función de la demanda energética de la instalación y precisar la bomba de calor que ha de llevar la instalación.

Para instalaciones pequeñas que requieran poca perforación bastaría con hacer un estudio de la geología presente en la zona y en función de ella hacer una estimación del valor de λ según la bibliografía existente, al menos desde el punto de vista teórico, por que en la realidad las instalaciones se ejecutan con dimensionamientos estándar con los famosos 50 W/m, obviando las variables geológicas e incurriendo en la asunción de errores o fallos de dimensión.

Para instalaciones donde es necesario un gran número de perforaciones, el conocimiento exacto de la conductividad térmica (media ponderada) del terreno se suele obtener de forma directa mediante las pruebas TRT, con ello se dimensiona de forma más precisa el campo de captación energético (longitud total de captación), de esta forma se estima el correcto funcionamiento del sistema de climatización. En estos proyectos, son muchos los casos en los que tampoco se entra a valorar de forma detallada las variables geológicas y como las condiciones particulares del emplazamiento pueden influir en el comportamiento de la instalación.

Geología y geotermia

Los parámetros estrictamente geológicos que condicionan la conductividad térmica del terreno son:

  • Naturaleza litológica de los materiales
  • Porosidad
  • Contenido en agua

Cada uno de estos parámetros merece un análisis detallado que determine la influencia que ejerce en la explotación geotérmica y a su vez la combinación de estos entre sí, con sus múltiples variables, lo que implica necesariamente variaciones en el comportamiento térmico de cualquier campo geotérmico, desde el punto de vista del rendimiento y desde el punto de vista espacial en cuanto a la zona de afección.

Como hemos visto el parámetro más relevante en una explotación geotérmica es la conductividad térmica, que determina la cantidad de energía que pasa por unidad de tiempo y por una superficie de 1 m2 a una distancia de un metro para crear un aumento de temperatura de 1 K. Sus unidades en el S.I. λ [W/(m.K)]. Es también un patrón para el conocimiento de la velocidad con la que se va a realizar tanto la extracción o transmisión de calor así como disipación energética en el terreno a través del intercambiador geotérmico.

Naturaleza litológica de los materiales

Es fácil asumir que los diferentes materiales que encontremos en el corte vertical de un sondeo geotérmico van a presentar valores de Conductividad Térmica diferentes por su propia estructura y composición. Este hecho debería llevarnos de forma lógica al planteamiento de que en todo sondeo de una instalación geotérmica debería realizarse con un levantamiento detallado de la columna litoestratigráfica de los materiales que atraviesa dicha perforación, y no de un sondeo piloto, si no de la totalidad de sondeos de un campo geotérmico. Dada la variabilidad geológica vertical de un emplazamiento, como la variación horizontal de la arquitectura geológica del mismo.

Habitualmente para proyectos pequeños de extracción o aporte de calor con una carga menor a 30 kW, se acostumbra a usar una estimación de los parámetros térmicos. Existen tablas de los valores medios de las diferentes litologías, como por ejemplo los valores de la potencia promedio de extracción mencionados en la guía Alemana VDI 4640.

En instalaciones mayores se recurre a la aplicación de programas analíticos. Por ejemplo el programa Earth Energy Designer (EED) que es usado a nivel mundial y permite el dimensionamiento de instalaciones geotérmicas compuestas por varias sondas en base a las llamadas “g-funciones”. Si no existen informaciones detalladas sobre los parámetros térmicos del suelo el programa ofrece el uso de los parámetros listados en el VDI 4640. La presencia del agua freática está considerada por medio de la utilización de una conductividad térmica más alta del suelo saturado en comparación con el suelo seco. Sin embargo el efecto de la corriente del agua freática no es tenido en cuenta ni en la guía VDI 4640 ni en los mencionados programas analíticos.

Como se ha comentado con anterioridad, el uso de TRT para la construcción de una instalación es un dato que se basa en el valor de la media ponderada de los diferentes valores de Conductividad Térmica del conjunto de  materiales presentes y el agua existente, pero la casuística nos lleva a que en no pocas ocasiones este dato puede no ser suficiente para la optimización del sistema geotérmico. Esto nos lleva a plantear que en todos los casos los informes deben ir con levantamiento detallado de la columna litoestratigráfica y en proyectos de dimensiones significativas realizar TRT asociados a registro de la temperatura en el tiempo a diferentes profundidades del sondeo. Para llevar a cabo estas medidas se han ideado sistemas de sondas conectados a un registrador de datos con almacenamiento de temperatura a las distintas profundidades o como el ensayo Enhanced Geothermal Response Test (EGRT), modalidad desarrollada del TRT clásico y que sirve para obtener informaciones sobre el comportamiento térmico del suelo a lo largo de la sonda usando un cable híbrido que consiste en un cable de cobre y una fibra de vidrio, de  esta forma se puede establecer una correlación entre los materiales y las conductividades térmicas efectivas de las diferentes capas del suelo.

Otras posibilidades de mejorar los resultados de los estudio previos para una instalación geotérmica es realizar medidas de conductividad térmica del testigo de sondeo.

Porosidad

La Conductividad Térmica es diferente si el medio es sólido, líquido o gaseoso. Cuando referenciamos un material presente en una columna litoestratigráfica, va siempre, en mayor o menor medida, asociado a una porosidad, y entendemos que un sistema de fracturación constituye también un elemento de porosidad para determinados materiales. Simplificando podemos hablar de porosidad eficaz y porosidad no eficaz, aquella que presenta los diferentes poros conectados entre si  o en la que no existe conexión entre los diferentes poros. En uno y otro caso y en función del nivel que nos encontremos de la vertical, los valores de Conductividad Térmica variaran por que se transmitirá por aire o agua, siendo mayor en el agua que en el aire. Con lo que se hace necesario determinar estas características en cada zona y nivel.

Desde el punto de vista hidrogeológico la porosidad incide directamente en parámetros como la conductividad hidráulica y la permeabilidad y estos a su vez condicionan sobremanera los valores de Conductividad Térmica y la eficiencia de un sondeo.

Contenido en agua

Actualmente la presencia del agua freática está considerada por medio de la utilización de una conductividad térmica más alta del suelo saturado en comparación con el suelo seco. Sin embargo el efecto de la corriente del agua freática no es tenido en cuenta ni en la guía VDI 4640 ni en los programas analíticos.

Desde el punto de vista teórico se ha demostrado que la presencia del flujo de aguas subterráneas incide de forma clara en el comportamiento térmico de un sondeo, con variaciones de rango significativos en función de que se establezcan diferentes condiciones de partida.

Una modelación con programas numéricos basándose en una combinación del transporte de calor y la corriente del agua permite un dimensionamiento detallado y la consideración del flujo del agua freática. Los cálculos con los elementos finitos son muy usados para investigaciones sobre el comportamiento térmico al largo plazo, la influencia del agua freática, la influencia térmica entre las sondas y la influencia térmica a los vecinos a causa del funcionamiento de la sonda.

El conocer los parámetros hidrogeológicos del emplazamiento: como velocidad de flujo, dirección de flujo, transmisividad, niveles acuíferos, etc nos permiten realizar un dimensionamiento detallado y eficiente y una distribución del campo de sondeos térmicos con una mayor eficacia.

Conclusiones

La información adicional que aporta la consideración de las variables geológicas de un emplazamiento constituye una poderosa herramienta a la hora de diseñar de forma optimizada un campo de sondeos geotérmicos. La información suministrada puede completar los datos obtenidos con el método convencional del test de respuesta térmica a la vez que aportar información valiosa para la modelización del comportamiento del suelo. Por otro lado esta información puede emplearse conjuntamente con las tecnologías de optimización de pozos para de esta forma diseñar los rellenos de sondeos adaptados para la máxima eficiencia de los sistemas. La correlación de parámetros geofísicos tales como la resistencia/conductividad eléctrica del terreno, la velocidad de las ondas mecánicas en los mismos, etc. con los valores de conductividad térmica de los mismos puede ser una línea de trabajo a desarrollar y completar los estudios previos.

De forma general la zona próxima las zonas las zonas próximas al nivel freático presentan mayor conductividad térmica. Este hecho hace importante que en los sondeos se establezcan exactamente el nivel freático y que en los modelos se tenga en cuenta estos aumentos de conductividad.

Estos datos, correlacionados con los datos de climatización de cada instalación, nos van a permitir determinar la profundidad óptima para cada sondeo.

Perímetro de Protección Geotérmico

Un paso más

La construcción de las instalaciones geotérmicas, además de eficientes, deben ser ecológicas, durante la construcción y durante su funcionamiento. Con la utilización de los materiales adecuados y los controles pertinentes. También a de considerarse los factores presentes en el medio como por ejemplo la presencia de niveles del agua subterránea susceptibles de ser contaminados. La protección del agua subterránea contra contaminación a través del fluido evacuado se asegura mediante la impermeabilización del relleno de la sonda geotérmica que a su vez la protege contra la infiltración del agua. Para garantizar esta propiedad, los materiales del relleno deben ser resistentes al ciclo de hielo-deshielo que genera fisuras en el relleno. A los fabricantes de los materiales se les obliga a garantizar la conformidad de los materiales.

Estas son las premisas establecidas en las instalaciones actuales. Desde esta documentación planteamos la creación de la figura del “Perímetro de Protección Geotérmico”.

Los Perímetros de Protección de captaciones de abastecimiento urbano “tienen por finalidad la protección de captaciones de agua para el abastecimiento a poblaciones o de zonas de especial interés ecológico, paisajístico, cultural o económico”. En esta figura se limitan las actuaciones que puedan perjudicar la calidad y el recurso que supone un pozo de abastecimiento, estableciendo una zonación en base a la vulnerabilidad que se establezca para cada zona a delimitar y la potencialidad contaminante de las diferentes actividades. Todo ello valorado a partir de índices de vulnerabilidad de la naturaleza del acuífero, las zonas de recarga, el desarrollo del suelo, los estrato ubicados sobre el acuífero, la litología, porosidad, fracturación, etc. Estableciendo diferentes metodologías en función de la naturaleza de cada emplazamiento.

Los parámetros sobre los que se fundamentan los perímetros de protección son:

  • Conductividad hidráulica
  • Porosidad eficaz
  • Gradiente hidráulico
  • Velocidad de flujo
  • Tiempo de tránsito
  • Espesor zona saturada
  • Caudales de bombeo
  • Transmisividad del acuífero
  • Coeficiente de almacenamiento

En definitiva todos aquellos parámetros que van a determinar el comportamiento del acuífero frente a un contaminante.

Si tenemos en cuenta, a modo de ejemplo, las siguientes afirmaciones realizadas para la valoración de la calidad del agua en diferentes estudios:

“La contaminación del agua puede definirse como la modificación de las propiedades físicas, químicas o biológicas que restringen su uso. Las sustancias que modifican la calidad del agua de los acuíferos se dividen en: las presentes en la naturaleza y en aquellas producidas por las actividades del hombre (antropogénicas). Dentro de las primeras se encuentran: arsénico, flúor y elementos radiactivos, entre otros (Nielsen, 1991); mientras que en las segundas se incluyen bacterias, virus, nitratos, orgánicos sintéticos e hidrocarburos (solventes, pesticidas, etc.) y materiales pesados”.

“La interacción del agua y el medio sólido es intensa y cambiante, espacial y temporalmente; depende de la naturaleza del medio, de la composición del agua original, de las características de la zona no saturada, de la temperatura, de las afecciones antrópicas, de los mecanismos de recarga y descarga y de tantos otros parámetros que no se puede hablar de metodologías de estudio de aplicación universal sino que cada caso concreto, cada acuífero, debe abordarse con metodología propia y específica”.

“Los factores que influyen en la disolución de sales solubles son:

  • superficie de contacto
  • longitud del trayecto recorrido
  • concentración de sales en la roca
  • tiempo de contacto
  • temperatura
  • presión

“El agua termal que circula por el medio volcánico fracturado presenta valores de fluoruro muy por arriba del límite máximo establecido por la Secretaría se Salud. En contraste el agua subterránea de menor temperatura que circula por el medio poroso no manifiesta problemas asociados con al concentración de fluoruros”.

No se puede establecer una relación lineal entre los “Perímetros de Protección para abastecimiento de agua” y los “Perímetros de Protección Geotérmicos (PPG)” si bien hay aspectos que se pueden relacionar de forma directa, los PPG tienen sus particularidades y deben tener como punto de partida las premisas que planteamos a continuación:

  • Preservación del recurso energético: de forma interna en el diseño de su campo geotérmico y de forma externa en la posible afección de instalaciones anexas.
  • No alterar la calidad de otros recursos de la zona: pozos de abastecimiento, alteraciones químicas de las aguas,…
  • Delimitación de su zona de influencia: la temperatura es una alteración de las propiedades fisico-química de las aguas y el sustrato litológico, pero con una limitación espacial y temporal diferente y en la mayoría de los casos menor que la de otros elementos contaminantes. Su alcance a de ser calculado y reflejado para el establecimiento de un PPG.
  • Delimitación del PPG por vertidos accidentales de liquido caloportador: los sondeos geotérmico funcionan con las sondas llenas de liquido caloportador, estos suelen ser de toxicidad muy baja y su movilidad baja. Pero se deben marcar el establecimiento de controles sistematizados y valoración de afecciones y distribución espacial frente a un posible vertido.
  • Establecimiento de niveles energéticos de extracción que garanticen el rendimiento presente y futuro de cada zona: frente a una única instalación y en planificación de múltiples instalaciones.

Conclusiones y sugerencias

Han de definirse de forma clara la modelación del sistema que constituye una instalación geotérmica, con valoración y consideración de todos los parámetros geológicos e hidrogeológicos con su distribución espacial bien definida, así como el tipo de explotación geotérmica que se usa.

El comportamiento térmico de la instalación debe quedar perfectamente definido y justificado, con programas numéricos basados en una combinación del transporte de calor y la corriente del agua, esto permitirá un dimensionamiento detallado y la consideración de los parámetros hidrogeológicos que justifican el comportamiento hidráulico del emplazamiento.

Desde el punto de vista normativo se deben definir los rangos de instalaciones que han de llevar asociados un estudio que defina su perímetro de protección. Un nivel de partida puede ser el de 30 KW como limite de carga significativo para instalaciones que han de ser definidos sus impactos térmicos del terreno.

Los perímetros de protección geotérmicos deberán llevar definidas una zonación que permita una protección adecuada y suficiente del recurso y la protección de actividades o recursos que se exploten en la zona. Esta zonación vendrá definida en función de la naturaleza de los materiales  y sus parámetros de funcionamiento. El análisis de comportamiento nos debe llevar a definir la afección espacial en las tres dimensiones, los tiempos de transito de la alteración generada y poder autodepurador del terreno.

La doble vertiente que presentan los sondeos geotérmicos, desde el punto de vista de alteración del medio, como es la alteración térmica del terreno y la alteración frente a posibles vertidos debe conllevar su consideración dentro del informe de PPG.

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