• Imprimeix

Geoíndex - Geotèrmia superficial

Potencial d'explotació d'energia geotèrmica de molt baixa temperatura a Catalunya

La geotèrmia de molt baixa temperatura (<30 ºC) o geotèrmia superficial és una energia renovable, no contaminant i disponible arreu del territori, que es troba emmagatzemada en els primers centenars de metres del subsol. S’utilitza en climatització per a tot tipus d’edificis per produir calefacció, refrigeració i aigua calenta sanitària (ACS) mitjançant sistemes d’intercanvi de calor amb bomba geotèrmica. Pot ser utilitzada en habitatges, hospitals, oficines, centres lúdics i esportius, piscines, hivernacles i edificis públics. El seu aprofitament genera un estalvi important en el consum d’energia elèctrica i/o procedent de recursos fòssils i una disminució de les emissions de CO2 a l’atmosfera.

El visualitzador Geoíndex - Geotèrmia superficial de molt baixa temperatura està format per una col·lecció de mapes temàtics que aglutina informació de diverses disciplines com ara la geologia, l’edafologia, la geofísica, la climatologia i la hidrogeologia, i que permet conèixer els factors que condicionen el potencial geotèrmic d’una zona en relació a les característiques del subsol i al seu règim climàtic.

El visualitzador s’ha concebut com una eina de divulgació sobre els aprofitaments de recursos geotèrmics superficials (<200 m) per donar a conèixer l’energia geotèrmica, el seu estat d’implementació a Catalunya i la seva projecció de futur mitjançant una aproximació al càlcul del potencial geotèrmic de molt baixa temperatura arreu del territori.

La informació presentada no pot i no ha de substituir els estudis de viabilitat i projectes executius d’instal·lacions d’intercanvi de calor geotèrmiques a realitzar per les empreses competents en aquesta matèria.


Llegenda del visualitzador Geoíndex Geotèrmia superfical [PDF, 247 kB]

WMS

Aquesta informació també es pot utilitzar en línia en les teves aplicacions compatibles amb el protocol WMS

(*) NOTA

El visualitzador representa els elements en 2D amb una resolució màxima a escala 1:50.000

• Per al disseny de sistemes d’intercanvi de calor mitjançant bomba de calor geotèrmica, es recomana la realització d’estudis de detall a l’emplaçament i d’una anàlisi 3D

• En el cas de sistemes d’intercanvi de calor de circuit vertical tancat mitjançant bomba de calor geotèrmica, es recomana seguir els procediments de la norma UNE 100715-1

Objectius

El disseny d’un sistema d’intercanvi de calor amb bomba de calor geotèrmica depèn de les característiques de tres grans elements que, a l’hora, estan relacionats entre si:

- El subsol. Les característiques tèrmiques del terreny en l’emplaçament escollit determinen el disseny del camp de captació i la quantitat de calor que és possible intercanviar amb el subsol.

- La bomba de calor. La potència i les temperatures de treball de la bomba escollida condicionen les dimensions i característiques del camp de captació i el disseny del sistema de climatització i producció d’ACS.

- La demanda de calor, refrigeració i ACS. Les característiques de l’edifici, el tipus d’ús, el tipus de sistema de climatització escollit i la climatologia de l’emplaçament determinen quanta calor caldrà intercanviar amb el subsol en època de calefacció, refrigeració i/o producció d’ACS.

El Geoíndex de geotèrmia superficial està enfocat a la caracterització del subsol per a l’aprofitament del recurs geotèrmic de molt baixa temperatura (<30 ºC) en els primers 100 a 200 m de profunditat.

El visualitzador es concep com un projecte transversal que aglutina informació de disciplines diverses com ara la geologia, l’edafologia, la geofísica, la climatologia i la hidrogeologia, entre d’altres, i pretén:

a) Donar a conèixer l’energia geotèrmica de molt baixa temperatura, el seu estat d’implementació i la seva projecció de futur, mitjançant l’estimació del potencial geotèrmic de molt baixa temperatura de Catalunya.

b) Donar a conèixer els paràmetres del subsol que intervenen en el disseny d’un sistema d’intercanvi de calor.

c) Posar a disposició dels usuaris la informació puntual recopilada i aquella de nova creació sobre els paràmetres tèrmics i de distribució de temperatures en el subsol, i facilitar, així, les valoracions preliminars de viabilitat d’instal·lacions verticals tancades (closed-loop), obertes (open-loop) i horitzontals.

La informació que s’hi inclou no pretén, en cap cas, substituir els estudis de detall que són indispensables en la fase de disseny constructiu del sistema d’intercanvi de calor i que cal que dugin a terme les empreses competents en aquest camp.

El visualitzador Geoíndex - Geotèrmia superficial es publica en format digital a una resolució màxima de la informació equivalent a l’escala gràfica d’1:50 000 i mitjançant la representació dels elements en 2D. Els paràmetres que s’hi presenten han estat aproximats utilitzant diverses metodologies que parteixen de models teòrics sobre el comportament del terreny. Aquests no tenen en compte les particularitats d’una determinada zona on, degut a l'heterogeneïtat del territori, poden existir anomalies i, per tant, desviacions respecte dels models teòrics suposats.

Per a la planificació, el disseny i el dimensionament de sistemes d’intercanvi de calor mitjançant bomba de calor geotèrmica, es recomana la realització d’estudis de detall en l’emplaçament escollit, la recollida de dades en el seu entorn proper i la realització d’una anàlisi tridimensional de les característiques del terreny.

En el cas concret dels sistemes d’intercanvi de calor de circuit vertical tancat mitjançant bomba de calor geotèrmica, es recomana seguir els procediments de la norma UNE 100715-1 “Diseño, ejecución y seguimiento de una instalación geotérmica somera. Parte 1: Sistemas de circuito cerrado vertical” (maig de 2014).

Estructura

Actualment, el visualitzador conté 20 capes d’informació a diferents escales i està estructurat en 7 conjunts d’informació. 

Prognosi de la dificultat de la perforació

Un dels paràmetres que condiciona el cost i l’execució d’un sistema d’intercanvi de calor és el tipus de perforació que caldrà fer per a la instal·lació de les sondes geotèrmiques i la dificultat de perforació dels materials geològics per permetre aquesta instal·lació.

Inclou dues capes d’informació que pretenen donar informació fins als 100 m de profunditat sobre la dificultat de perforar un sondeig vertical en un emplaçament determinat, tenint en compte les característiques dels materials a perforar i les possibles dificultats afegides per la possible existència de carstificació en els materials perforats.

S’inclouen les següents capes d’informació:

  • Mapa de dificultat potencial de perforació
  • Zones amb possible presència de carstificació en el subsol

Informació edafològica

La informació edafològica és necessària en el cas del disseny i dimensionament d’un sistema d’intercanvi de calor horitzontal, en què l’existència de suficient gruix de sòl i la seva conductivitat tèrmica, entre d’altres, condicionaran les dimensions i la disposició del camp de captació.

S’inclouen les següents capes d’informació:

  • Mapa de profunditat del sòl edàfic (m)
  • Mapa de conductivitat tèrmica del sòl (W/mK)

Propietats tèrmiques del subsol

Les propietats tèrmiques del subsol determinen, mitjançant diferents paràmetres, com es propaga la calor a través dels materials.

- La conductivitat tèrmica (W/mK) és la capacitat d’una roca o sòl per transmetre calor. Aquest paràmetre és característic per a cada litologia i són especialment determinants l’existència de porositat, la presència d’aigua i la composició i distribució dels cristalls i/o components d’una roca.

- La difusivitat tèrmica (mm2/s) defineix la capacitat d’una roca o sòl per dissipar la calor i depèn de la conductivitat tèrmica, de la densitat i de la calor específica dels materials.- La capacitat tèrmica volumètrica (MJ/m3K) es defineix com la quantitat de calor que s’obté d’una unitat de volum de roca o sòl com a resultat de disminuir la seva temperatura 1 ºK.

S’inclouen les següents capes d’informació:

  • Mapa de conductivitat tèrmica superficial (W/mK)
  • Mapa de difusivitat tèrmica superficial (mm2/s)
  • Mapa de capacitat tèrmica volumètrica superficial (MJ/m3K)
  • Distribució vertical de paràmetres tèrmics

La distribució vertical de paràmetres tèrmics es mostra a partir de la localització de columnes litològiques i la visualització de les dades en format PDF.

Temperatures superficials i oscil·lacions tèrmiques

En el subsol, la temperatura mitjana de l’aire d’un indret s’assoleix a una profunditat d’entre 5 i 15 m. L’estabilitat de la temperatura en el subsol és la clau que permet l’aprofitament del recurs geotèrmic de molt baixa temperatura. Conté informació sobre les temperatures mitjanes superficials de l’aire (anual, del mes més fred i del mes més càlid).

S’inclouen les següents capes d’informació:

  • Temperatura mitjana anual superficial (°C)
  • Temperatura mitjana superficial del mes més fred (°C)
  • Temperatura mitjana superficial del mes més càlid (°C)
  • Semiamplitud tèrmica superficial (°C)

Aquestes capes d’informació han estat elaborades pel grup de recerca Grumets del Departament de Biologia Animal, Biologia Vegetal i Ecologia de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), amb la col·laboració de l’ICGC.

Temperatures subsuperficials en el subsol

En els primers metres del subsol, la temperatura en el medi pateix oscil·lacions diàries i estacionals relacionades amb l’evolució de la temperatura de l’aire al llarg de l’any. En el cas de les instal·lacions horitzontals d’intercanvi de calor, és necessari conèixer la magnitud d’aquestes oscil·lacions per preveure un correcte dimensionament del camp de captació.

S’inclouen les següents capes d’informació:

  • Temperatura mínima a 1,5 m de profunditat (°C)
  • Temperatura màxima a 1,5 m de profunditat (°C)
  • Amplitud tèrmica a 1,5 m de profunditat (°C)
  • Profunditat on l'amplitud tèrmica tendeix a 0°C (m)

Temperatures del subsol en profunditat

La distribució vertical de temperatures en el subsol condiciona el gradient tèrmic entre les sondes geotèrmiques i el medi i, per tant, la capacitat d’intercanvi de calor entre la instal·lació i el terreny.

  • Perfils verticals de temperatura en el subsol

S’inclou la localització de perfils de temperatura mesurats en pous i sondeigs i la visualització de les dades en format PDF, procedents de les bases de dades disponibles a l’ICGC.

Potencial geotèrmic

El potencial geotèrmic permet tenir una primera estimació aproximada del nombre i la longitud de les sondes d’intercanvi de calor i, per tant, té un impacte directe en l’estimació del cost d’execució del camp de captació.

En el cas dels sistemes d’intercanvi de calor tancats (closed-loop), s’inclouen dues capes d’informació:

- El potencial geotèrmic expressat com la càrrega tèrmica anual (energia) que pot ser intercanviada amb el subsol per una sonda geotèrmica de 100 m de longitud i un diàmetre de 150 mm, amb una resistència tèrmica de la perforació de 0.095 mK/W. En aquest cas el potencial geotèrmic s’expressa amb les unitats MWh/any.

- El potencial geotèrmic expressat en termes de potència (W) d’una sonda geotèrmica de 100 m de longitud i un diàmetre de 150 mm, amb una resistència tèrmica de la perforació de 0.095 mK/W.

  • Potencial geotèrmic per a sistemes verticals tancats (MWh/any)
  • Potencial geotèrmic per a sistemes verticals tancats (W)

El mètode de càlcul utilitzat ha estat G.POT (Casasso, 2016), desenvolupat per la DIATI (DIATI – Politecnico di Torino, Itàlia).

Referències

ACA (2013). Cartografia d’aqüífers de Catalunya. Versió 2013. Agència Catalana de l'Aigua. Generalitat de Catalunya [http://aca-web.gencat.cat/]
AENOR (2014). UNE 100715-1:2014. Diseño, ejecución y seguimiento de una instalación geotérmica somera. Parte 1: Sistemas de circuito cerrado vertical.
Bertermann, D. (2013). ThermoMap – Area mapping of superficial geothermic resources by soil and groundwater data. EGC. Pisa, Itàlia.
Casasso, A.; Sethi R. (2016). G.POT: A quantitative method for the assessment and mapping of the shallow geothermal potential. Energy. vol. 106: 765-773. DOI: 10.1016/j.energy.2016.03.091
Casasso A.; Sethi R. (2016). Assessment and mapping of the shallow geothermal potential in the province of Cuneo (Piedmont, NW Italy). Renewable Energy. vol. 102 (B): 306-315. Març 2017.
Dehner, U. (2007). Bestimmung der thermischen Eigenschaften von Böden als Grundlage für die Erdwärmenutzung. Mainzer geowissenschaftliche Mitteilungen, 35: 159-186. Mainz.
Fernández, M.; Banda, E. (1986). Heat pulse line-source method to determine thermal conductivity of consolidated rocks. Rev. Sci. Instrum.. 57 (11): 2832-2836.
Horai, K. & Baldridge, S. (1972). Thermal conductivity of nineteen igneous rocks, I application of the needle probe method to the measurement of the thermal conductivity of rock. Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol. 5: 151-156.
IGC (2011). Categorització i unificació geomecànica de les unitats del mapa geològic 1:50.000 en relació als criteris emprats per a la classificació EC-8 modificada. Informes tècnics de l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya, GS-005/11, 107 pàg., Generalitat de Catalunya.
IGC (2013). Mapa de mesozonació sísmica de Catalunya (1:100.000), adaptat a la classificació EC-8 (versió febrer 2013). Informes tècnics de l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya, GS-001/13, 148 pàg., Generalitat de Catalunya.
Kersten, M. (1949). Thermal Properties of Soil. – Univ. Minnesota Bull., 28 L11/21, Minnesota.
Kusuda, T. Achenbach, P.R. (1965). Earth temperature and thermal diffusivity at selected stations in the United States. Summary of research report 8972. National Bureau of Standards Building Research Division. Washington, D.C.
Manger, E. (1963). Porosity and bulk density of sedimentary rocks. USGS Bulletin, 1144-E. 60 pàg.
Marzán, I. (2000). Régimen térmico en la Península Ibérica. Estructura litosférica a través del Macizo Ibérico y el Margen Surportugués. Tesi doctoral. Departament de Geodinàmica i Geofísica. Universitat de Barcelona.
Ninyerola, M.; Pons, X.; Roure, J.M. (2000). A methodological approach of climatological modelling of air temperature and precipitation through GIS techniques, International Journal of Climatology, 20: 1823-1841.
Peña, D. (2013). Evaluation of conductive heat transport in potential high enthalpy geothermal reservoirs. MSc. UB-UAB., 37 pàg.
Robertson, E.C. (1988). Thermal Properties of Rocks. USGS Open-File Report, 88-441. 106 pàg.
Waples, D.; Waples, J. (2004). A Review and Evaluation of Specific Heat Capacities of Rocks, Minerals and Subsurface Fluids. Part 1: Minerals and Nonporous Rocks, Natural Resources Research, vol. 13(2): 97-122.