Arquitectura de reservorios y calidad

del agua en la geotermia de baja

entalpía30 mayo 2018

Dra. Linda DanieleDepartamento de Geología-CEGA

Tercera Jornada Técnica ALHSUDGeotermia de baja entalpia en Chile

Heat flow in South America

(from Hamza et al, 2005)

Tolhuaca Geothermal Field (S Chile, MRP) El Tatio Geothermal Field (N Chile)

• Estrecha relación entre volcanismo reciente y sistemasgeotermales de alta entalpia

• Gran potencial geotérmico no explotado

• Los recursos de baja entalpia representan un potencialfácilmente explotable

• Es necesario avanzar en el conocimiento geológico ehidrogeológico ya que los sistemas no son exactamenteiguales entre ellos.

CHILE: UN PAIS GEOTERMICO

HEAT-WATER-ROCK

INTERACTION

STRUCTURE,

TECTONICS

& GEOPHYSICS

FLUID

GEOCHEMISTRY

RESERVOIR

ARCHITECTURE

& FLUID DYNAMICS

SURFACE

PROCESSES

& ENVIRONMENT

MAGMATIC

SYSTEMS

GEOTHERMAL

KNOWLEDGE

Dynamics of

convectionHeat transfer

Hydrothermal alteration

Clay mineralogy

Fossil

geothermal

systems

Fracture systems

and structural control

Geodynamic evolution

3D

imaging

Isotopes

Reactive modeling

Thermometry

Tracers

Porosity & Permeability

Groundwater dynamics

3D

structure

Geologic

hazards

Climate &

Paleoclimate Impact

Natural

Contamination

El territorio al centro de nuestras investigaciones

Centro Excelencia Geotermia de los Andes

Geotermia de baja temperatura apunta al uso del calor en la parte más cercana a la superficie terrestre.

Generalmente a partir de los 10-15m de profundidadla Tº ya no depende de factores externos y esregulada por el gradiente geotérmico terrestre.

GEOTERMIA DE BAJA TEMPERATURA

Factores regionales:- contexto geológico y estructural condiciona la distribución deTº

Factores locales:- las diferencias entre las propiedades térmicas de las rocas

producen variaciones laterales y verticales de Tº.

- la circulación subterránea de agua: en zonas de recarga elgradiente geotérmico disminuye, mientras que en las zonasde descarga sucede lo contrario.

- las estructuras geológicas pueden condicionar localmenteya que el agua subterránea puede ascender desde zonasprofundas a través de fracturas, produciendo así anomalíastérmicas muy intensas.

GRADIENTE GEOTERMICO

(DENA, 2013)

• Climatización (calor/frío) de edificios, viviendas, oficinas y procesos industriales

• Ahorro energético convencional y de CO2 hasta el 90%

• Periodo corto de amortización

• Temperatura agua “suficiente” 5-15 oC

• Profundidad pozos entre 20 y 300 m

• No produce olores, ni ruidos, el impacto ambiental es mínimo

• No existen efectos secundarios en los sistemas acuíferos …si bien ejecutados

GEOTERMIA DE BAJA TEMPERATURA

“El intercambio geotérmico es la tecnología de climatización de edificiosenergéticamente más eficiente y menos contaminante”. EPA (1993)

Algunos hechos:

VERANO INVIERNO

LA IDEA….

Sistema abierto al acuífero Sistema cerrado al acuífero

Sistema horizontal

Cattin, S., 2002

¿Existe un acuífero?

¿Tiene las caractristicas adecuadas?

¿La calidad del agua es la adecuada?

¿Existen restricciones legales?

- Derechos de agua, declaraciones de sobreexplotación, etc.etc.

Alcalinidad, condiciones redox, Fe, O2, salinidad

No. Valorar implementación tecnicas disponibles

- Caudal ( 1,5 o 50 m³/h marca la diferencia)

- Prof. Min. del acuífero (influencia Tº diaria y estacional)

- ´Tª maxima del agua subterránea (10, 15 o 20 °C no es lo mismo)

No. Valorar implementación tecnicas disponibles

ALGUNAS PREGUNTAS (necesarias)

Limberger et al., 2018

Limberger et al., 2018

- Estratigrafía- Tamaño y distribución de los materiales - Fracturas y estructuras- Tipo acuífero (confinados, semiconfinados , libres y sus conexiones)- Geometría y profundidad del acuífero- Coeficiente almacenamiento- Conductividad hidráulica y almacenamiento - Consolidación de las litologías - Gradiente térmico- Nivel estático- Flujos locales y regionales (variaciones de T y salinidad vertical y lateral)- Dirección del flujo- Hidrogeoquímica (presencia de Fe y Mn, gases, material en suspensión, salinidad)

QUÉ CONSIDERAR…

Site Geothermie - Perspectives de l’ADEME et du BRGM

LOS SISTEMAS ACUÍFEROS

El modelo conceptual del acuífero esimportante para un proyecto exitoso.

LOS SISTEMAS ACUÍFEROS

El carácter SUSTENTABLE de este recurso es tal SOLO si la extracción de flujo y calor no genera desequilibrios importantes

Toda utilización que no provoque un desequilibrio en elbalance puede ser considerada sustentable (Stefansson, 2000).

GEOTERMIA y SUSTENTABILIDAD

Conocer al detalle el acuífero

La extracción de flujo y/o calor crea “desequilibrios” hidráulicos y/o de calor cuyotiempo de recuperación (retorno al estado inicial) deben ser considerados.

• En el caso de reservorios de alta entalpia se reportan edades (obtenidas en simulaciones) de hasta 250 años en función de las condiciones locales y de la recarga.

• En la calefacción distrital se reportan entre 100–200 (Megel and Rybach, 2000).

• En el uso directo de sistemas de calefacción se hanobtenido edades iguales al tiempo de funcionamiento.

• El mismo sistema usado para climatización (calor/frío) elsistema se recupera durante el ciclo de funcionamiento.

(Rybach, 2003)

TEMPERATURA un factor fundamental

GEOTERMIA y SUSTENTABILIDAD

¿Cuales pueden ser los impactos de los cambios de Tº en la calidad del agua?

Bonte, 2013

POSIBLES IMPACTOS EN EL MEDIO

Bonte, 2013

POSIBLES IMPACTOS EN EL MEDIO

Proyectos con intercambiadores horizontales

Proyecto Ubicación Inversión estimada (MM$) Potencia eléctrica instalada (kW)

Casas Los Angeles Colina, RM 6 - 12 14

Particular Chillán, VIII Región 7 5

Piscina temperada Chiguayante, VIII Región 7 8

Particular 2 Concepción, VIII Región 8 5

Casa familia Silva Colina, RM 14 18

Casa familia Salazar Chicureo, RM 15 16

condominio Las Tortolas Pirque, RM 15 12

Secador Geotérmico Sta. Juana, VIII Región 20 4

Unifrutti San Felipe Michimalongo, V Región 20 20

Hotel Quelen Lago Lanalhue, Cañete 30 40

Viveros bosques Arauco Viveros Laraqueto, VIII Región 45 10

Hogar hermita de los pobres Concepción, VIII Región 130 100

Arauco Horcones Arauco, VIII Región 450 700

(Oñate, 2017)

• Temperatura

• Nivel estático

• Conductividad eléctrica del agua subterránea

• Propiedades térmicas del suelo y de las rocas

El tipo de solución a elegir depende fuertemente de estas variables

CEGA, 2017. Estimación y valorización del potencial geotérmico en la Región de Aysén (BIP 30346723-0)

CHILE: NECESIDAD DE DATOS

En general, existe poca información de terreno y/o mediciones en continuo.

CHILE: NECESIDAD DE DATOS

Morales (2002)

Lorca (2018)

CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO

CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO

Lorca (2018)San Juan (2015)

Expedientes Pruebas de Bombeo de la DGA

Temperatura agua subterránea

Evolución del nivel estático

(últimos 30 años )

Conductividad hidráulica

Prueba de bombeo

CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO

A partir de los datosdisponibles hemosproducido informaciónque ayude al desarrollo dela geotermia de bajatemperatura

Dirección de flujo y máxima profundidad nivel estático

CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO

(Oñate, 2017)

Subcuenca Caudal (l/s)

Río Maipo Medio 0,34Río Maipo Bajo 0,3Río Mapocho Alto 0,8Río Mapocho Bajo 0,42

(Oñate, 2017)

Subcuenca Caudal (l/s)

Río Maipo Medio 0,8Río Maipo Bajo 0,65Río Mapocho Alto 2,5Río Mapocho Bajo 1,57

Subcuenca Caudal (l/s)

Río Maipo Medio 3Río Maipo Bajo 2,1Río Mapocho Alto 10,5Río Mapocho Bajo 8

Caudal mínimo con el que bombea el 90% de

los pozos

Caudal mínimo con el que bombea el 75% de

los pozos

Caudal mínimo con el que bombea el 50% de

los pozos

CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO

Subcuenca Caudal (l/s)

Río Maipo Medio 0,34Río Maipo Bajo 0,3Río Mapocho Alto 0,8Río Mapocho Bajo 0,42

Profundidad estimada pozos

FUENTE: Elaboración propia

Subcuenca Caudal (l/s)

Río Maipo Medio 0,8Río Maipo Bajo 0,65Río Mapocho Alto 2,5Río Mapocho Bajo 1,57

Subcuenca Caudal (l/s)

Río Maipo Medio 3Río Maipo Bajo 2,1Río Mapocho Alto 10,5Río Mapocho Bajo 8

Caudal mínimo con el que bombea el 90% de

los pozos

Caudal mínimo con el que bombea el 75% de

los pozos

Caudal mínimo con el que bombea el 50% de

los pozos

CONOCER EL SISTEMA ACUÍFERO

(Alvarez, 2017)

SIMULACIONES

Datos basados en Sanders (1998), Morales (2002) y Parera (2014)

T agua

(°C)

Densidad

(kg/m3)

Calor

específico

(J/kg*K)

Conductividad

térmica (W/m*°C)

Capacidad

Calorífica

Volumétrica

[J/m3*K]

Difusividad

térmica (α)

[m2/s]

0 999,9 4226 0,558 4225577,4 1,32053E-07

20 998,2 4182 0,597 4174472,4 1,43012E-07

16 998,54 4190,8 0,5892 4184681,432 1,40799E-07

Unidad

hidrogeológica

Conductividad

termal(λ)[W/m*K]

CapacidadCalórica

Volumétrica(Scv)[MJ/m3*K]

Difusividadtérmica

(α)

[m2/s]

Seco 0,388 1,783 2,17611E-07

Saturado 1,541 2,441 6,31299E-07

Seco 0,327 1,460 2,23973E-07

Saturado 1,417 2,728 5,19428E-07

Material

Arena en matriz de

limo/arcilla

Unidad B

Unidad A

Grava gruesa en

matriz de arena

MaterialUnidad

hidrogeológica

Porosidad

efectiva

Permeabilidad

[m/s]

0,13

0,08

Grava gruesa en matriz

de arena

Arena en matriz de

limo/arcilla

Unidad B

Unidad A

1*10-4

1*10-7

N

E

S

W

SIMULACIONES

(Alvarez, 2017)

1 Abierto 1/1 5 957,2/ 1169,9 -957,2/-1169,9 67m

2 Abierto 1/1 5 957,2/ 1169,9 -957,2/-1169,9 124m

3 Abierto 1/1 3 1595,3/1949,9 -1595,3/-1949,9 124m

4 Abierto 1/2 5 957,2/1169,9 -478,6/-584,9Pozo de bombeo a 67m a pozo de inyección Sur y a 106m a pozo

de inyección Norte

5 Abierto 1/2 5 957,2/1169,9 -478,6/-584,9Pozo de bombeo a 124m a pozo de inyección Sur y a 76m a pozo

de inyección Norte

6 Abierto 2/2 5 478,6/584,9 -478,6/-584,9

Pozo de bombeo Sur: a 67m y 106m de pozo de inyección Sur y

Norte, respectivamente

Pozo de bombeo Norte: a 124m y 76m de pozo de inyección Sur y

Norte, respectivamente

7 Abierto 2/1 5 478,6/584,9 -957,2/-1169,9Pozo de inyección a 67m a pozo de bombeo Sur y a 124m de pozo

de bombeo Norte

8 Cerrado

Tipo de

sistemaCaso

Evaluación de calcúlo simple a partir de modelo de 1 pozo de 100m de profundidad

Distancia entre pozos Caudal de inyección

(Calor/Frío) [m3/d]

Caudal de bombeo

(Calor/Frío) [m3/d]

Diferencia de

temperatura en pozo

de inyección [°C]

Nro de pozos

(Bombeo/Inyección)

SIMULACIONES

(Alvarez, 2017)

CASO 1

Fin período de veranoFin período sin caudalInicios período inviernoFin período inviernoFin período sin caudal

Fin período veranoFin período invierno

(Alvarez, 2017)

SIMULACIONES

El uso de la geotermia de baja temperatura es viable y representa una

oportunidad para incrementar la sustentabilidad en Chile

ALGUNAS REFLEXIONES

Sistemas abiertos mejores resultados que sistemas cerrados (en las

simulaciones realizadas)

•La variación de temperatura no supera los 0,5ºC , es decir que tendríamos 16±0.5 ºC del acuífero.

•Los parámetros relevantes son:

Caudales de pozos (caudal de inyección > caudal de bombeo)

- Demanda térmica (Diseño del edificio, clima)

- Delta de temperatura en el pozo de inyección con respecto a la temperatura bombeada.

Distancia entre los pozos

Flujo de aguas subterráneas

Parámetros hidráulicos y termales de las unidades litológicas influyen

en los resultados

Se necesitan más estudios de detalle.

ALGUNAS REFLEXIONES