IMPACTUL SISTEMELOR DE UTILIZARE A ENERGIEI GEOTERMALE DE MICĂ ADÂNCIME ASUPRA REGIMULUI TERMIC SUBTERAN [307772]
IMPACTUL SISTEMELOR DE UTILIZARE A ENERGIEI GEOTERMALE DE MICĂ ADÂNCIME ASUPRA REGIMULUI TERMIC SUBTERAN
Teza destinata obținerii titlului științific de doctor inginer la Universitatea Politehnica din Timișoara în domeniul INGINERIE CIVILĂ
de către
ing. MIRCEA VIȘESCU
Conducător științific: prof. univ. dr. ing. DAVID IOAN
Referenți științifici: prof. univ. dr. ing. BICA IOAN
prof. univ. dr. ing. BARTHA IOSIF
prof. univ. dr. ing. EUGEN TEODOR MAN
Ziua susținerii tezei: 29.09.2011
CUPRINS
Capitolul I Introducere 5
1.1 Situația energetică mondială 5
1.2 Perspective 6
1.3 Strategia energetică națională și europeană 8
1.3.1 Contextul internațional 8
1.3.2 Contextul național 10
1.4 Locul și rolul energiei geotermale in sistemul energetic ( național și european ) 14
Capitolul II Sisteme de utilizare a energiei geotermale 16
2.1 Sursa de energie geotermală/geotermică 16
2.2 Tipuri de resurse geotermale 17
2.3 Sisteme de utilizare a energiei geotermale/geotermice 21
2.3.1 Tipuri de utilizări ale energiei geotermale 21
2.3.1.1 Producere de energie electrică 23
2.3.1.2 Folosințele directe ale energiei geotermale 23
2.3.1.3 Utilizarea energiei geotermice 24
2.3.2 Descrierea sistemelor de utilizare a energiei geotermice (sau de mică adâncime) 26
2.4 Aspecte economice 31
2.5 Impactul asupra mediului 34
2.6 Obiectivele cercetării doctorale 35
Capitolul III Estimarea potențialului resurselor geotermale 37
3.1 Potențialul energetic geotermal din Romania 37
3.2 Estimarea potențialului geotermal de adâncime din județul Timiș 40
3.2.1 Parametrii caracteristici ai energiei geotermale din județul Timiș 40
3.2.2 Estimarea potențialului energiei geotermale de adâncime din județul Timiș 42
3.3 Evaluarea potențialului geotermic (de mica adâncime) din județul Timiș 44
3.3.1 Parametrii caracteristici ai energiei geotermice din județul Timiș 44
3.3.2 Estimarea potențialului energiei geotermice din județul Timiș 47
[anonimizat], formularea matematică a problemelor pentru câmpul temperaturilor în modelarea sistemelor geotermale 50
4.1 Parametrii caracteristici în cadrul proceselor de transfer de căldură în medii poroase 50
4.2 Procese de transfer de căldură în medii poroase 51
4.2.1 Conducția termică 52
4.2.2 Convecția termică 52
4.2.3 Dispersia termică 52
4.3 Ecuații de bază ale transferului de căldură în medii poroase 54
4.3.1 Derivarea ecuației generale a transferului de căldură 54
4.3.2 Forme particulare al ecuației generale 57
4.3.3 Ecuații simplificate, depinzând de importanța proceselor conductive/convective 59
4.3.4 Evaluarea dispersiei pentru probleme practice 59
Capitolul V. Metode de rezolvare și soluții ale modelului matematic 62
5.1 Aspecte generale 62
5.1 Metoda analitica 63
5.2 Metoda numerica 73
5.3 Estimarea influenței mișcării apei subterane asupra puțului de extracție/injecție al unui sistem de utilizare a energiei geotermale de mică adâncime 77
Capitolul VI Studiu de caz: modelarea matematică/numerică a câmpului geotermic pe stația pilot – Merkapt, Debrecen 83
6.1 Perimetrul zonei de amenajare a stației pilot 83
6.2 Parametrii caracteristici ai zonei de amplasare a stației pilot 85
6.3 Modelarea analitică a temperaturii în funcție de spațiu și timp 88
6. 3.1 Un ciclu de funcționare 88
6.3.1.1 Temperatura pe mantaua sondei r = rs 88
6.3.1.2 Temperatura la r= 2m 92
6.3.1.3 Temperatura la r= 3m 96
6.3.1.4 Temperatura la r =5m 99
6.3.2 Cazul pentru „n” cicluri de funcționare ( prognoza scăderii temperaturii după „n” cicluri de funcționare) 102
6.4 Modelarea numerică (ASMWIN) a temperaturii în funcție de spațiu și timp 103
Capitolul VII Concluzii generale 109
7.1 Conținutul tezei 109
7.2 Contribuții 110
7.3 Concluzii și recomandări 111
Bibliografie 113
CAPITOLUL I INTRODUCERE
1.1 Situația energetică mondială
Consumul de energie este strâns legat de anumiți parametrii. Unul dintre acești parametrii este populația. Populația globului este în continua creștere, îmbunătățirea standardului de viață, industrializarea, au influențat fără echivoc și consumul de energie În anul 8000 î.e.n. populația este estimată a fi în jurul a 5 mil. de oameni. În urma examinărilor arheologice a rămășițelor se estimează, că în vremea lui Hristos, trăiau 250 mil persoane, iar până în anul 1650 e.n. s-a ajuns la 500 mil oameni. Consecință a revoluției industriale, culturale, medicale, timpul în care populația globului se dublează, se reduce de la aproximativ 1500 de ani la 45. În tabelul 1 avem prezentată, în cifre, populația globului începând cu anul 8000 î, e. n. până în 2010 e. n
Tabel 1.1 Populația globală
Ca un efect direct al creșterii populației este explozia consumului de energie, care a fost, cel puțin, la fel de dramatică ca și explozia numărului populației. Între 1980 – 2005 s-a înregistrat un salt de peste 50% în consumul de energiei globală, pe de-o parte datorită creșterii de 68% a populației, iar pe de altă parte, îmbunătățirea standardului de viață în țările dezvoltate și în curs de dezvoltare
Tabel 1.2. Populația globală, producția si consumul total de energie primara
În tabelul 2 avem datele privind producția și consumul de energie globală și per individ, începând cu anul 1980 până în 2005. Se poate observa creșterea continua a populației globului și în același timp o creștere a consumului de energiei totala. Conform Națiunilor Unite, varianta moderată, în anul 2015 populația globului va ajunge la 7,28 miliarde, iar in 2025 la 8 miliarde în ciuda prognozei de scădere a ratei de fertilitate. Creșterea prognozată a populație este atribuită în mare măsură țărilor cel mai puțin dezvoltate, și mai puțin țărilor în curs de dezvoltate. În aceste regiuni se așteaptă ca cererea de energiei să crească exponențial datorită creșterii economice, populației și a standardului de viață. Pe plan global consumul de energie este prognozat sa crească cu 57% până în 2025
În situația de față în care, cererea de energie la nivel global este în continuă creștere, creșterea rapidă a prețurilor la energie, măsuri tot mai dure de contracarare a încălzirii globale, energia rezultată din resurse regenerabile a luat prim planul.
De asemenea suportul guvernelor pentru energiile regenerabile a crescut în principal datorită eforturilor de reducere a emisiilor de CO2 și a diversificării surselor de energie. Aceste stimulente, împreună cu prețurile ridicate a combustibililor fosili, au convins mulți investitori să se îndrepte către energia regenerabilă. În efortul de a aborda efectul de seră a gazelor emise în urma arderilor combustibililor fosili și a diversificării surselor de energie tot mai multe guverne adoptă ținte și i-au măsuri pentru a mării ponderea energiilor regenerabile. Totodată prin intermediul regenerabilelor se creează noi locuri de muncă, un lucru extrem de important pentru readucere pe creștere economică a țărilor afectate de criza economică și nu numai. Energia primară totală, furnizată din resurse regenerabile, incluzând și biomasa, a crescut de la 1 319 milioane tone echivalent petrol (tep) în 2000 la 1 590 tep în 2008, însă ponderea în energia totală furnizată a rămas constantă la aproximativ 13%. Biomasa este de departe cea mai importantă sursă de energie regenerabilă. În 2008 biomasa folosită era de 1 225 tep, din care majoritatea era folosită în mod tradițional de 2,7 miliarde de oameni din țările în curs de dezvoltare. O cantitate mult mai mică 478 tep, este folosită pentru producere de energie electrică și materie primă pentru producerea de combustibili pentru transport. Hidroenergia este pe locul al doilea ca și sursă de energie regenerabilă (276 tep) și pe locul întâi ca sursa regenerabilă pentru producerea de curent electric. Energia eoliană, geotermala și energia valurilor au crescut foarte rapid în ultimii ani dar contribuția lor totală la energia primară totală furnizată rămâne modestă. Producerea de energie electrică bazată pe resurse regenerabile a crescut cu o treime din 2000 până în 2008, hidroenergia având cea mai mare creștere (900 TWh). Alte forme de resurse regenerabile au crescut foarte rapid, în special energia eoliană, care a crescut de 7 ori, iar energia fotovoltaică de 16 ori. O creștere de 5 ori din 2000 până în 2008 a avuto și biocombustibili, folosiți aproape exclusiv în transportul rutier, asigurând aproape 3% din cerere. Biomasa și energia geotermală au crescut si ele deși într-un ritm moderat. În schimb creșterea utilizării resurselor regenerabile pentru producția de căldură a fost mult mai modestă. Acest fapt se datorează în mare măsură politicii guvernelor care sunt axate mai mult pe producția de electricitate și transport. [97]
1.2 Perspective
Deși creșterea producției de energie din resurse regenerabile, din ultimii ani, a fost impresionantă, cea mai mare parte din cererea de energie pe glob, este îndeplinită de către combustibilii fosili. În anul 2008, conform IEA, circa 19% din energia electrică produsă, la nivel global, din resurse regenerabile. În timp ce ponderea cărbunelui și a gazelor naturale creșteau cu 2 și 3,6 procente, din anul 200 până în 2008, cota energiei regenerabile a rămas aproximativ aceeași. Ca exemplu luam transportul rutier, unde petrol are o cota de 50 de ori mai mare decât cea a biocombustibilului, iar pentru încălzire folosim de 10 ori mai mult combustibil fosil decât energie regenerabilă. Resursele regenerabile pot îndeplinii amplu o mare proporție din cererea de energie, dar cu toate acestea, nu au costuri competitive și au nevoie de stimulente. Prin urmare, existența unor programe guvernamentale pentru a face energiile regenerabile atractive pentru investitori, creând astfel o piață pentru acestea, este cel mai important factor care afectează expansiunea energiilor regenerabile. Stimulentele sunt oferite, deja, in multe țări iar acest lucru se reflectă în rata de creștere a utilizării energiei regenerabile. Câteva țări au combinat suportul pentru energii regenerabile cu cerința către furnizori, de a crește cota energiilor regenerabile în producția de energie electrică sau a combustibililor utilizați în transport. Politicile pentru înlesnirea integrării surselor de energie regenerabilă în rețele (cum ar fi energia eoliană) sunt de asemenea importante. Aceste politici pot varia de la o mai bună planificare a proiectelor de transport până la dezvoltarea rețelelor inteligente, crearea unor mecanisme de cerere și răspuns și promovarea tehnologiilor de înmagazinare. Strategia si suportul pentru dezvoltarea unor centrale hidroelectrice diferă, dar nu sunt lipsite de importanță, ele având un costuri competitive aproape oriunde în lume. Însă noile aplicații necesită o abordare mai atentă la efectele adverse ale acestor construcții asupra mediului, incluzând reabilitarea populației care este strămutată ca rezultat a construcției barajelor și de asemenea adoptarea unor practici de gospodărire a apelor.
Tehnologiile prin care putem utiliza energiile regenerabile au costuri de capital foarte mari necesitând investiții semnificative în avans, iar majoritatea acestora nu pot concura la preț cu tehnologiile convenționale. Astfel reducerea costului este esențială pentru dezvoltarea la scară mare a energiilor regenerabile. Desigur prețurile au scăzut pentru multe din energiile regenerabile, dar scopul este de a le reduce și mai mult deoarece prețurile combustibililor fosili vor crește în perioada următoare, datorită scăderii resurselor subterane ale Pământului pe când cererea pentru energie este tot mai mare. Un alt potențial obstacol sau rampă de lansare, pot fi băncile. Datorită capitalului mare care trebuie investit în aceste tehnologii, multe proiecte depind de împrumuturi. Politicile băncilor de a stimula aceste proiecte va influența dezvoltarea tehnologiilor de producție a energiilor regenerabile. . Conform World Energy Outlook 2010 producția de energie electrică globală din resurse regenerabile va crește de la 3800 TWh la 11200 TWh, iar cota în generarea totală de energie electrică crește de la 19% la 32% în 2035. Utilizarea regenerabilelor în generarea de căldură crește și aceasta de la o pondere de 10% în 2008 la 16% în 2035. Scenariul de creștere a utilizării energiilor regenerabile pe sectoare și regiuni este prezentat mai jos în tabelul 3
Tabel 1.3. Scenariu actual și viitor al ponderii energiilor regenerabile în producția de energie electrică, căldură și combustibili
Geotermia de suprafață oferă un potențial de dezvoltare mare. Pentru aceasta este nevoie de colaborarea inter-disciplinară a specialiștilor din domeniul ingineriei construcțiilor și a geologilor, precum și din domeniul echipării tehnice a clădirilor. Este de asemenea necesar o cercetare amplă și creșterea siguranței măsurătorilor. O importanță deosebită o are aici, cercetarea conducției termice și a dependenței anizotropice a acesteia, precum și testările în laborator cât și cele de sondare. Analog, conform regulilor de măsurare cunoscute din inginerie, ar trebui introduse reguli unitare pentru lucrările geotermale.
1.3 Strategia energetică națională și europeană
1.3.1 Contextul internațional
In conformitate cu Noua Politica Energetica a Uniunii Europene (UE) elaborată în anul 2007, energia este un element esențial al dezvoltării la nivelul Uniunii Europene. Dar, in aceeași măsura este o provocare in ceea ce privește impactul sectorului energetic asupra schimbărilor climatice, a creșterii dependentei de importul de resurse energetice precum și a creșterii prețului energiei. Pentru depășirea acestor provocări, Comisia Europeana (CE) considera absolut necesar ca UE sa promoveze o politica energetica comuna, bazata pe securitate energetica, dezvoltare durabila si competitivitate.
In ceea ce privește securitatea alimentarii cu resurse energetice, UE se așteaptă ca dependenta de importul de gaze naturale să crească de la 57% la ora actuala, la 84% in anul 2030 iar pentru petrol, de la 82% la 93% pentru aceeași perioadă.
In ceea ce privește dezvoltarea durabilă, trebuie remarcat faptul că, în anul 2007, sectorul energetic este, la nivelul UE, unul din principalii producători de gaze cu efect de seră.
In cazul neluării unor masuri drastice la nivelul UE, in ritmul actual de evoluție a consumului de energie si la tehnologiile existente în anul 2007, emisiile de gaze cu efect de sera vor creste la nivelul UE cu circa 5% și la nivel global cu circa 55% pana in anul 2030. Energia nucleara reprezintă in acest moment in Europa una dintre cele mai mari surse de energie fără emisii de CO2. Centralele nucleare asigură in anul 2007 o treime din producția de electricitate din Uniunea Europeana, având astfel o contribuție reală la dezvoltarea durabilă.
In ceea ce privește competitivitatea, piața internă de energie a UE asigură stabilirea unor prețuri corecte și competitive la energie, stimulează economisirea de energie și atrage investiții în sector.
Comisia Europeană propune în setul de documente care reprezintă Noua Politica Energetica a UE următoarele obiective:
reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră cu 20% până în anul 2020, în comparație cu cele din anul 1990.
creșterea ponderii surselor regenerabile de energie în totalul mixului energetic de la mai puțin de 7% în anul 2006, la 20% din totalul consumului de energie al UE până în 2020;creșterea ponderii biocarburanților la cel puțin 10% din totalul conținutului energetic al carburanților utilizați în transport în anul 2020;
reducerea consumului global de energie primară cu 20% până în anul 2020.
Tabel 1.4 Surse si tehnologii disponibile pentru producția de energie electrică
Evaluarea CE realizată în 2007 privind progresele făcute în dezvoltarea SRE a ajuns la
următoarele concluzii:
La nivel comunitar, s-a stabilit ca, până în 2010, un procent de 21% energie electrică produsă în statele membre UE să provină din surse regenerabile de energie. Acest obiectiv a fost prevăzut de Directiva nr. 2001/77/EC privind promovarea energiei electrice produse din surse regenerabile de energie, care stabilește obiective naționale diferențiate. Având în vedere politicile actuale și eforturile realizate, se așteaptă atingerea unei ponderi de 19% până în anul 2010. În acest context, UE, după toate probabilitățile, își va atinge obiectivele privind energia regenerabilă stabilite pentru anul 2010.
Hidrocentralele de mică și mare capacitate reprezintă încă cea mai importantă sursă de producere de energie electrică din surse regenerabile, contribuind cu 10% la consumul total de energie electrică în anul 2005.
UE rămâne liderul mondial în ceea ce privește energia eoliană, deținând 60% din producția mondială de energie electrică din această sursă. Din anul 2000 până în anul 2007, capacitatea de producere a energiei electrice din sursă eoliană a crescut cu mai mult de 150% în UE.
Energia din biomasă constituie 2% din consumul total de energie electrică al UE. Producția totală de biomasa a crescut cu 18% în 2002, 13% în 2003, 19% în 2004 și 23% în 2005.
Puterea fotovoltaică totală instalată în UE a înregistrat o continuă creștere în ultimii cinci ani, cu o rată de creștere anuală medie de 70%.
În privința progreselor înregistrate de Statele – Membre (UE 25) în utilizarea surselor regenerabile de energie, 9 State-Membre au înregistrat progrese semnificative în domeniu iar 11 State-Membre nu au realizat țintele propuse.
aplicațiile solar-termice progresează. Noile reglementări pentru clădiri au adus un plus de interes în privința utilizării acestor surse.
utilizarea energiei geotermale și cea bazată pe biogaz se dezvoltă lent.
Cu excepția centralelor hidroelectrice mari, costurile de producere a energiei electrice în unități ce utilizează surse regenerabile sunt în prezent superioare celor aferente utilizării combustibililor fosili, conform Comunicării Comisiei Europene privind promovarea surselor regenerabile de energie, publicată în decembrie 2005
Stimularea utilizării acestor surse și atragerea investițiilor în unități energetice ce utilizează surse regenerabile se realizează prin mecanisme de susținere, în conformitate cu practica europeană.
Fig 1.1 Costurile de producție a energiei electrice din SRE (UE 2007)
(Premise: 6,5% rata dobânzii,15 ani perioada de recuperare)
1.3.2 Contextul național
Intr-o economie din ce in ce mai globalizată, strategia energetică a unei țări se realizează in contextul evoluțiilor si schimbărilor care au loc pe plan mondial.
Conform reglementărilor de la nivelul Uniunii Europene România a fost nevoită să contribuie la atingerea țintelor stabilite de către Comisia Europeană din domeniul energiilor regenerabile. Astfel a fost concepută Strategia energetică a României care este conformă direcțiilor politice stabilite la nivelul Uniunii Europene și contribuie la atingerea țintelor stabilite de Comisia Europeană pentru ansamblul statelor comunitare. Strategia energetică pentru valorificarea potențialului resurselor regenerabile geotermale reprezintă un pas important pentru dezvoltarea energetică a României pe termen mediu și lung oferind cadrul adecvat pentru adoptarea celor mai bune decizii și respectarea măsurilor convenite cu Uniunea Europeană.
Obiective strategice, in concordanta cu cele ale Uniunii Europene sunt:
siguranța energetică prin asigurarea necesarului de resurse energetice si limitarea dependentei de import, diversificarea surselor de import si a rutelor de transport ale acestora, creșterea nivelului de adecvanță a rețelelor naționale de transport a energie electrice, gazelor naturale si petrol.
dezvoltare durabilă prin creșterea eficienței energetice pe întregul lanț: resurse naturale – producție – transport – distribuție – utilizare finala (reducerea cu 3% pe an a intensității energetice pe economie), promovarea producerii energiei pe bază de resurse regenerabile (SRE), reducerea impactului negativ al sectorului energetic asupra mediului utilizarea rațională si eficientă a resurselor energetice primare. competitivitate prin dezvoltarea piețelor concurențiale de energie electrica, gaze naturale, certificate verzi, liberalizarea tranzitului de energie, dezvoltarea interconexiunilor internaționale, continuarea procesului de restructurare si privatizare in sectoarele energiei electrice, termice si gazelor naturale
reducerea emisiilor cu efect de seră cu 20% până în anul 2020, în comparație cu cele din 1990
creșterea ponderii energiilor regenerabile de la mai puțin de 7% în anul 2006, la 20% din totalul surselor de energie până in anul 2020
creșterea ponderii biocombustibililor în transporturi la 5,75% si la cel puțin 10% din totalul combustibililor utilizați în anul 2020
reducerea consumului global de energie primară cu 20% până în anul 2020.
Îmbunătățirea eficienței energetice reprezintă unul din cele mai importante obiective strategice pentru România. Sectorul energetic reprezintă o sursa de poluare importantă, ca urmare a extracției, prelucrării și arderii combustibililor fosili. În anul 2005, din arderea combustibilului pentru producerea de energie au rezultat circa 88% din emisiile totale la nivel național de NOx, 90% din cele de SO2 și 72% din cantitatea de pulberi în suspensie evacuate în atmosferă.
Resursele interne de energie primară sunt limitate, pe fondul unui declin al producției interne și in condițiile in care nu au mai fost identificate noi resurse cu potențial important.
Tabel 1.5 Resurselor interne de energie primară epuizabilă
Evoluția rezervelor naționale de țiței și gaze naturale este în scădere continuă. In tabelul 1.6. este prezentata estimarea evoluției rezervelor naționale de țiței si gaze naturale in perioada 2006 – 2020. Sunt luate în considerare exclusiv rezervele cunoscute și economic a fi valorificate utilizând tehnologiile actuale. Este de așteptat ca identificarea de noi zăcăminte și dezvoltarea tehnologică să se manifeste în timp în sensul creșterii valorilor din tabel.
Premise avute in vedere in cadrul estimării:
Datorita depletarii zăcămintelor, producția de țiței poate înregistra scăderi anuale de 2-4%. Gradul de înlocuire a rezervelor exploatate nu va depăși 15-20%.
Datorita depletării zăcămintelor, producția de gaze poate înregistra scăderi anuale de 2-5%. Gradul de inlocuire a rezervelor exploatate se va situa intre 15-30
Tabel 1.6 Evoluția rezervelor naționale de țiței și gaze naturale
Potențialul teoretic al Surselor Regenerabile de Energie – SRE din România este prezentat in tabelul 1.7. Potențialul utilizabil al acestor surse este mult mai mic, datorită limitărilor tehnologice, eficienței economice și a restricțiilor de mediu.
Tabel 1.7 Potențialul național al surselor regenerabile
Figura 1.2 Harta resurselor regenerabile disponibile pe regiuni
Legenda:
I. Delta Dunării (energie solară-S);
II. Dobrogea (energie solară-S și eoliană-E);
III. Moldova (câmpie si podiș – microhidro-H, energie eoliană-E și biomasă-B);
IV. Munții Carpați(biomasă-B, microhidro-H);
V. Podișul Transilvaniei (microhidro-H);
VI. Câmpia de Vest (energie geotermală);
VII. Subcarpații(biomasă-B, microhidro-H);
VIII. Câmpia de Sud (biomasă-B, energie geotermală-GT și solară-E).
1.4 Locul și rolul energiei geotermale în sistemul energetic
Energia termică a Pământului este imensă, dar numai o fracțiune poate fi utilizată de om. Până acum utilizarea acestui tip de energie regenerabilă a fost limitată în zone unde condițiile geologice permit un purtător (apa în formă lichidă sau gazoasă) care transferă căldura din adâncime spre suprafață. Producția de energie electrică provenită din resurse geotermale a avut un start modest în 1904 la Larderello, un oraș din regiunea Toscana din Italia. La acel moment se produceau 10kW. Acum, această formă de energie regenerabilă ajunge 8771 MW în 21 de țări și o producție estimată la 54793 GWh/an. Această producție de electricitate deservește ~60 de milioane de persoane în întreaga lume. Dezvoltarea globală a producției de energie electrică din energiile geotermale poate fi urmărită în figura 1.3.
Fig. 1.3 Producția de electricitate globală din 1904- 2006
În SUA, manifestațiile geotermale de la suprafața câmpului geotermal „The Geysers” din nordul Californiei au fost folosite de indieni pentru gătire și băi. La mijlocul anilor 1980 coloniștii europeni au descoperit zona transformând-o mai apoi în zona turistică. La începutul anilor 1920 resursa a fost luată în considerare pentru producere de energie electrică. Mai târziu, în 1930 prima centrala geotermală a fost construită având 35kW.
În Japonia în 1925 și 1926 centrale experimentale au fost construite în Beppu și Otake, situate în sudul insului Kyushu. Însă testele nu au dat roade. Prima centrală comercială a fost pornită în 1966 la Honshu, având 23MW. În momentul de față Japonia are 535MW putere instalată din energie geotermală distribuită pe 14 câmpuri producând 3470GWh/an (1999-2000)
Fig 1.4 Prima centrală 23MW
În ceea ce privește aplicațiile directe capacitatea globală instalată de 15 145 MWe, iar utilizarea de energie este de 190 699 TJ/an pentru anul 2000. În acel an 58 de țări au raportat utilizarea directă a energiei geotermale, față de 28 în anul 1995. Cele mai comune utilizări directe ale energiei geotermale este prin intermediul pompelor de căldură (34,8%), băilor termale (26,2%), încălzirea clădirilor (21,62%), sere (8,22%) și procese industriale (3,13%)
În România, explorarea resurselor geotermale a început la începutul anilor 1960, care dezvoltându-se dintr-un program de cercetare de hidrocarburi, care,ca a adus beneficii neașteptate, identificând, de asemenea, opt promițătoare zone geotermale. În cadrul acestor zone, peste 200 de fântâni au fost forate la adâncimi între 800 și 3.500 de metri, arătând prezența unor resurse geotermale de entalpie scăzută (40-120 C). Finalizarea și exploatare a peste 100 de foraje în ultimii 25 de ani au condus la evaluarea energiei termice ce poate fii exploatată Rezervele geotermale, dovedite, din România sunt de aproximativ 200000 TJ pentru 20 de ani.
România, ca și alte țări din Europa Centrală și de Est au resurse geotermale de entalpie mică. Aceste resurse fiind convenabile pentru a fi folosite direct la încălzirea spațiilor, apă caldă menajeră, piscicultură, piscină, etc.
Dezvoltarea utilizărilor directe ale energiei geotermale a fost împiedicată de tranziția către economia de piață, mai mult de atât, cunoștințele inadecvate, accesul restricționat la ultimele tehnologii în domeniu lipsa de pricepere în a identifica și pregăti proiecte complexe a încetinit dezvoltarea resurselor geotermale mai mult decât se aștepta, având în vedere resursele substanțiale derivând din utilizarea geotermiei. Astfel producția curentă din energia geotermală este mult sub potențialul demonstrat al țării.
În prezent, cu excepția hidroenergiei, toate celelalte resurse regenerabile au contribuții minore la producția de energie a țării. Principala sursă rămâne combustibilii fosili.
CAPITOLUL II – SISTEME DE UTILIZARE A ENERGIEI GEOTERMALE DE MICĂ ADÂMCIME
2.1 Sursa de energie geotermală/geotermică
Pământul este cea mai mare planetă format din roci din sistemul nostru solar. Celelalte planete sunt mai mici sau sunt formate, ca de exemplu Jupiter din gaze care se află într-o stare foarte comprimată.
Pământul s-a format cu aproximativ 4,6 miliarde de ani în urmă. În primii circa 100 de milioane de ani din istoria pământului acesta a fost încălzit, până la topirea totală de către energia cinetică a meteoriților care au lovit pământul și de producerea de căldură din descompunerea radioactivă. Ca o urmare a gravitației metalele grele (in principal fier și nichel) s-au “îmbogățit” (depus) în interiorul globului, pe când componentele ușoare (cum ar fi silicații) s-au atașat la suprafață. În Fig.2.1 avem detaliat structura subterană a Pământului unde putem deosebi:
Fig. 2.1 Zonele principale ale subsolului Pământului
1 – Crusta (oceanica si continentală 0 – 80 km)
2 – Mantaua (mantaua superioară, incluzând astenosfera, mantaua inferioară)
3 – Nucleul (3a – nucleul exterior, 3b – nucleul interior )
4 – Litosfera (crusta si mantaua superioara solidificată)
5 – Astenosfera
6 – Nucleul exterior lichid
7 Nucleul interior lichid
Astfel cu cât adâncimea este mai mare cu atât mai ridicată este temperatura, căldura fiind transferată din interior către exterior, în cea mai mare parte prin procesul de conducție.
În figura 2.2 avem prezentată variația aproximativă a temperaturii în interiorul Pământului.
Fig.2.2 Variația temperaturii dinspre scoarță spre suprafață
Remarcăm faptul ca 99% din interiorul Pământului se găsește la o temperatură de peste 1000°C, iar 99% din restul de 1%, se găsește la o temperatură de peste 100°C.
Aceste elemente sugerează că subteranul Pământului reprezintă o sursă regenerabilă de căldură, care merită toată atenția și care trebuie exploatată într-o măsură cât mai mare.
Putem astfel afirma că energia termică poate fi găsită în regiuni cu gradient geotermal normal sau puțin peste normal, mai ales în zonele din jurul plăcilor tectonice și zonele vulcanic active. Dar ce este energia geotermală și gradientul geotermal?
Energia geotermală este căldura conținută în interiorul Pământului Gradientul geotermal exprimă creșterea temperaturii cu adâncimea în crusta Pământului. La adâncimea accesibilă prin forare (ex. 10 000 m) gradientul geotermal mediu este de aproximativ de 2,5 – 3 °C/100m. De exemplu, dacă temperatura, din primi metrii din subteran corespunde cu temperatura medie anuală a aerului, ex. 15°C, atunci putem asuma că temperatura la 2000 m, va fi de ~65°–75°C, 90°-105°C la 3000 m și așa mai departe pentru câțiva mii de metri. Există însă zone unde gradientul geotermal nu corespunde cu valoarea medie, zone unde gradientul geotermal poate ajunge și mai jos de 1°C din cauza sedimentelor „tinere”. Desigur există și zone unde gradientul geotermal este de 10 ori mai mare decât valoarea medie. Diferența de temperatură dintre zonele adânci calde și zonele de suprafață reci, generează un transfer de căldură conductiv dinspre zona caldă spre cea rece, cu o tendință de creare a unor condiții uniforme, deși nu se atinge această situație.
2.2 Tipuri de resurse geotermale
Criteriul de clasificare a resurselor geotermale, cel mai des întâlnit, este bazat pe entalpie. Această entalpie poate fi considerată proporțională cu temperatura și exprima cantitatea de căldură conținută în fluide. Resursele geotermale mai pot fi clasificate și după tipul de resursă. În tabelul 2.1 sunt enumerate tipuri de resurse geotermale existente în sol și gama de temperaturi la care le găsim (modelate de White și Williams (1975))
Tabel 2.1 Tipuri de resurse geotermale
În general resursele peste 150°C (considerate cu entalpie ridicată) sunt utilizate pentru generarea de curent electric, deși recent în Alaska s-a folosit o resursă de 74°C pentru a genera electricitate. Resursele sub 150°C (considerate cu entalpie scăzută) sunt folosite de obicei pentru utilizare directă, la încălzire și răcire. Temperaturi cu variație între 5° – 30°C sunt folosite de către sistemele de utilizare a geotermiei de mică adâncime pentru încălzire și răcire a imobilelor.
Resursele convective hidrotermale apar unde avem transfer de căldură convectiv. Căldura Pământului este transportată în sus prin transferul convectiv al apei fierbinți sau al aburilor. Pentru a sublinia temperaturile înalte ale acestor resurse dăm un exemplu în care avem pătrunderi ale magmei în roci recent solidificate, temperaturile sunt de 500° – 1000°C. Temperaturile mai scăzute sunt rezultatul circulației apelor subterane de mare adâncime de-a lungul fisurilor din roci.
Resursele dominate de ape calde (abur umed) sunt produse ale mișcării apelor subterane care au circulat la adâncimi, care mai apoi urcă în rezervoare permeabile care au o temperatură uniformă în volume mari. Manifestațiile de la suprafață sunt de regulă izvoare geotermale, gheizere, roci chimic alterate. În unele cazuri nu sunt manifestații la suprafață (sunt denumite resursă oarbă).
Resursele dominate de vapori (aburi uscați) sunt produse ale apelor saline subterane care fierb în roci cu permeabilitate scăzută. Aceste rezervoare sunt exploatate pentru a produce energie electrică (ex. The Geysers in nordul Californiei, Larderello în Italia, Matsukawa în Japonia).
Resursele geopresurizate apar la adâncimi mari unde energia termică a fluidului conținut în roci poroase este mărită de presiunea litostatică mare, datorită adâncimii. Aceste resurse nu atractive din punct de vedere economic.
Resursele din roci fierbinți sunt definite a fi căldura înmagazinată în roci aflat la ~10km adâncime din care nu se poate extrage economic energia termică prin apă caldă naturală sau aburi. Aceste roci nu prezintă puține fracturi s-u pori prin care poate intra apa. Pentru a se extrage această energie s-a folosit presiunea hidraulică pentru a fractura aceste roci, iar prin intermediul unui puț s-a introdus apă rece, iar prin alt foraj se extrage apa caldă Primul proiect de extragere a energiei din roci fierbinți (hot dry rock HDR) s-a desfășurat în SUA, la Los Alamos, unde apă sub presiune înaltă a fost pompată printr-un puț special forat într-o zonă cu roci compacte, fierbinți cauzând fracturi hidraulice. Apa pătrunde in aceste fisuri artificiale preluând căldura din rocile din jur comportându-se ca un rezervor natural geotermal. Un al doilea puț este forat pentru a extrage apa încălzită.
Fig. 2.3 Schema unui sistem de utilizare a resurselor geotermale din roci fierbinți
Marea majoritate a resurselor geotermale sunt localizate în zonele de contact dintre plăcile tectonice. Resursele geotermale cu entalpie ridicată sunt regăsite în regiunile tectonice și vulcanice active din spatele munților de încrețire formați în urma ciocnirilor dintre plăcile tectonice. În aceste zone este facilitată ieșirea magmei la suprafață. Figura 2.4 avem reprezentat marginile plăcilor tectonice și zonele geotermale asociate marginilor plăcilor tectonice. De asemenea avem reprezentate centralele electrice geotermale existente în lume.
Resursele geotermale cu entalpie scăzută sunt localizate în bazine sedimentare cu grosimi relativ mici ale scoarței, din apropierea marginilor plăcilor tectonice. Schema de principiu a unui rezervor geotermal localizat intr-un bazin sedimentar este prezentat în figura 2.5.
Aceste resurse au un potențial energetic ridicat deși temperaturile sunt în general mici, datorită cantităților foarte mari de apă geotermală conținută în rocile sedimentare poroase.
Fig 2.4 Locațiile resurselor geotermale majore
Fig 2.5 Rezervor geotermal în bazin sedimentar
Resursele geotermale cu entalpie scăzută mai pot fi întâlnite fi în zone vulcanice cu vechime mare, inactive, având ca sursă de căldură intruziuni magmatice de mai adâncime. Însă aceste zăcăminte sunt răspândite pe zone mici în roci vulcanice cu porozitate mică, rezultând un potențial energetic redus.
Rezervoarele geotermale cu entalpie ridicată sunt întâlnite în regiunile vulcanice active și în regiunile de contact între plăcile tectonice au ca sursă de căldură intruziunile magmatice tinere, aflate la adâncimi relativ mici. Transferul căldurii efectuându-se prin intermediul convecției. În figura 2.6 avem schematizat un rezervor geotermal cu entalpie ridicată
Fig. 2.6 Schema rezervor geotermal cu entalpie rdicată
2.3 Sisteme de utilizare a energiei geotermale/geotermice
2.3.1 Tipuri de utilizări ale energiei geotermale
Multe tehnologii au fost dezvoltate pentru a utiliza energia geotermală/geotermică precum:
producția de energie electrică
folosințe directe ale energiei geotermale
extragerea energiei geotermale/geotermice
Producția de energie electrică este cea mai importantă formă de utilizare a resurselor de energie geotermală cu entalpie ridicată. (>150°C). Entalpia scăzută (<150°C) este potrivită pentru multe tipuri de aplicații, dar poate fi și ea folosită la producerea de curent electric. În Alaska cu energie geotermală având 74°C s-a produs energie electrică. (2010 survey of energy ). Diagrama clasică Lindal ( fig. 2.7este încă valabilă prezentând posibilele utilizări ale apelor geotermale , la diferite temperaturi.
Fig. 2.7 Digrama Lindal cu tipuri de utilizări ale apelor geotermale
Sintetizând sistemele de utilizare a energiei geotermale după adâncime, entalpie și modul de utilizare putem spune că până la 100 m adâncime avem sisteme de utilizare a energiei geotermice cu colectori sau sonde de mică adâncime (în apropierea suprafeței solului, iar până la 4000 m avem energia geotermală de adâncime unde putem folosi direct energia geotermală sau producție de energie electrică. În figura 2.8 avem prezentate tipurile de energie geotermală.
Fig. 2.8 Tipuri de resurse geotermale
2.3.1.1 Producere de energie electrică
Producerea de energie electrică are loc în centrale de diferite tipuri: abur uscat (dry steam), abur umed (flash steam), ciclu binar (binary cicle), depinzând de caracteristicile resursei geotermale.
Centralele electrice ce utilizează abur uscat utilizează abur din resursele geotermale. Acest abur este captat printr-un puț direct în centrală unde este direcționat către o turbină.
Centralele electrice cu abur umed (flash steam), utilizează apa geotermală. Această apă geotermală este captată printr-un puț. Însă, în timp apa urcă spre centrală, sub presiune proprie presiunea scade iar o parte din această apă trece în stare gazoasă. În centrală apa este separată de abur, care este folosit de generatorul de curent. Restul de apă și abur nefolosit este injectat înapoi în rezervor.
Centralele electrice cu ciclu binar operează cu resurse cu entalpie scăzută (<150°C). Aceste centrale folosesc căldura din apa geotermală pentru încălzi un fluid de lucru care are un punct de fierbere scăzut. Fluidul de lucru trece din stare lichidă în stare gazoasă intr-un schimbător de căldură și este folosit pentru turbina care generează energie electrică. Apa geotermală este apoi injectată înapoi în pământ. Apa și fluidul de lucru nu intră în contact direct pe toată durata procesului.
2.3.1.2 Folosințele directe ale energiei geotermale sunt unele din cele mai vechi, multilateral dezvoltate forme de utilizare a energiei geotermale. Sistemele de utilizare directă a energiei geotermale folosesc puțuri forate în rezervorul geotermal pentru aprovizionarea cu un debit constant de apă geotermală. Apa geotermală este folosită pentru bai, încălzirea spațiilor de locuit, agricultură, industrie.
Sistemele de încălzire a districtelor au costuri inițiale de construcție mari. Costurile de funcționare sunt, însă mai mici, comparând cu sistemele convenționale de încălzire.
Fig. 2.9 Schemă sistem de încălzire a districtului
În agricultură apa geotermală poate fi folosită pentru irigații sau încălzirea solului. Problema constă în faptul că pentru a obține o variația a temperaturi din sol este nevoie de o cantitate foarte mare de apă care pot inunda terenul. O soluție posibilă ar fi adoptarea unui sistem de irigație sub suprafața solului cuplat la o conductă îngropată folosită pentru încălzirea solului. Compoziția chimică a apei geotermale trebuie sa fie monitorizată pentru a evita efecte adverse asupra plantelor. În cadrul agriculturii, încălzirea serelor este utilizarea cel mai frecvent întâlnită. Motivele alegerii acestui tip de energie sunt:
serele necesită instalații simple de încălzire
costuri reduse de utilizare a energiei geotermale
serele sunt amplasate în zone cu resurse geotermale de entalpie scăzută
În industrie energia geotermală este folosită în general pentru deshidratarea legumelor, fructelor, uscarea cerealelor, a peștelui și a lemnului, procesarea celulozei, a hârtiei, conservarea alimentelor. Procesele tehnologice și instalațiile industriale care folosesc energie geotermală nu diferă față de cele care utilizează alte surse de energie, însă aparatele și rețelele termice trebuie adaptate pentru utilizarea fluidului geotermal.
2.3.1.3 Utilizarea energiei geotermice este fezabilă aproape oriunde deoarece la adâncimi mai mari 6 m temperatura solului este aproximativ constantă. În figura 2.9 avem reprezentată variația temperaturi din sol pe anotimpuri, unde se poate observa că temperatura solului numai variază foarte puțin la adâncimi de mai mari de 6 m
Fig 2.10 Variația temperaturii în sol, în zona de la suprafața scoarței terestre (www.viessmann.com)
– La 1m temperatura solului variază între 5…15°C;
– La 1,5…3m temperatura solului variază între 7…13°C;
– La 4,5m temperatura solului variază între 8…12°C;
– La 6…10m temperatura solului variază între 9…11°C;
– La 10…18m temperatura solului variază cu mai puțin de 1°C în jurul valorii de 10°C;
– La peste 18m temperatura solului este constantă, având valoarea de 10°C.
Sistemele de utilizare a geotermiei de mica adâncime (denumite si sisteme energetice ale pământului, sau sisteme de geoschimb ) au primit o atenție considerabila in ultimele decenii ca si surse de energie alternativă pentru încălzirea/răcirea spațiilor de locuit rezidențiale și comerciale. Sistemele se bazează pe faptul că temperatura este relativ constantă după intre 6,1 și 45,7 m adâncime . Aceste valori constante din subteran sunt rezultatul unor interacțiuni complexe intre fluxul de căldură provenit de la soare, atmosferă și fluxul de căldură provenit din interiorul Pământului.
Sistemele de utilizarea a energiei geotermice absorb căldura din sol, de la diferite adâncimi, din apa freatică, din apele de suprafață (dar numai cu condiția să nu existe pericolul ca apa să înghețe), sau chiar din aer (dar numai în perioadele în care temperatura aerului este suficient de mare, pentru a permite funcționarea pompelor de căldură, cu o eficiență ridicată). Indiferent de sursa de căldură, sistemele utilizează indirect o anumită cantitate din energia solară acumulată în sol, apă sau aer. Câteva dintre condițiile pe care trebuie să le îndeplinească sursa de căldură, pentru a putea fi utilizată de către sistemele de utilizarea a energiei geotermice sunt următoarele:
– Disponibilitate în cantitate suficientă;
– Capacitate cât mai mare de a acumula căldură;
– Nivel cât mai ridicat de temperatură;
– Capacitate de regenerare suficient de mare;
– Posibilitate de captare în condiții cât mai economice.
2.3.2 Descrierea sistemelor de utilizare a energiei geotermice (de mică adâncime)
Sistemele de utilizarea a energiei geotermice sunt realizate după principiul de funcționare al frigiderelor. Pentru funcționare avem o sursă de energie (apă, sol), care trece prin vaporizatorul pompei de căldură transferând energia termică agentului frigorific din instalație. Acest agent frigorific are proprietatea de a trece in stare gazoasă la temperaturi foarte joase (ex. -2°C). Agentul frigorific in stare gazoasă va fi comprimat acumulând energie termică care este transferată agentului termic. După ce acest transfer are loc, agentul frigorific trece, din nou, în stare lichidă trecând printr-un ventil de expansiune unde presiunea îi scade reintrând în condensator, unde ciclul va începe din nou.(termo cluj
Sistemele de utilizarea a energiei geotermice au trei componente principale:
rețeaua de sonde îngropate în sol (schimbătoare de căldură). Această rețea este compusă din conducte îngropate în sol, fie într-un foraj fie într-un șanț orizontal. Conducta poate fi cu circuit închis, caz în care prin interiorul acesteia curge un amestec de antigel cu apă care este pompat prin conducte pentru a absorbi căldura din sol. În cazul în care conducta este cu circuit deschis prin conductă va circula apa subterană, din care se va extrage energie termică. În acest caz, pe lângă forajul de unde se extrage apă din acvifer va exista și un puț de injecție, unde va ajunge apa folosită. ]
pompa de căldură compusă din
evaporatorul
compresorul
condensatorul
ventil de expansiune
Sistemul de distribuire a căldurii
Conform ASHRAE sistemele de utilizarea a energiei geotermice sunt împărțite în trei categorii după tipul de resursă folosit:
sisteme ce utilizează apa freatică ca sursă de energie
sisteme ce utilizează solul ca sursă de energie
sisteme ce utilizează apa de suprafață ca sursă de energie
a. Sisteme ce utilizează apa freatică
Schema de principiu a acestui tip de sistem este prezentată în figura 2.11. Un sistem care utilizează apa freatică ca sursă de energie folosește un puț de captare și unul de injectare, de aceea sunt considerate sisteme cu circuit deschis. Apa folosită este reinjectată în acvifer într-o zonă nesaturată, sau intr-un canal, râu. Condițiile de proiectare sunt bine cunoscute, tehnologii de forat și metode de testare sunt cunoscute de zeci de ani. Condițiile de proiectare includ: necesitatea unui acvifer, calitate chimică, bună a apei, o metodă de a elimina apă uzată.
Avantajul acestor sisteme constă în simplitatea, costul redus și spațiul relativ mic, de care este nevoie comparând cu alte sisteme de utilizare a energiei geotermale și sisteme convenționale.
Dezavantajele constau în faptul că există o disponibilitate mică de apă subterană care să aibă debitul necesar funcționării în condiții reale și compoziția chimică neconformă cu cerințele. Creșterea preocupărilor asupra mediului au ridicat multe aspecte legale din vina captării sau injecției apei subterane.
Fig. 2.11 Schema sistemului ce utilizează apa freatică
b. Sisteme care utilizează solul ca sursă de energie
Sisteme care utilizează solul ca sursă de energie sunt diferite față de cele care utilizează apa freatică prin faptul că folosesc schimbătoare de căldură orizontal așezate în sol sau vertical așezate în sol eliminând problemele asociate calității apei și disponibilității. Din acest motiv sunt considerate sisteme cu circuit închis pompele de căldură cu sistem închis. De asemenea au nevoie de mai puțină energie pentru pompare și pot fi instalate aproape în orice locație unde crearea de foraje sau șanțuri este posibilă.
Extragerea/injecția de căldură are loc prin circulația fluidului compus din apă și antigel prin schimbătoarele de căldură.
b1. Schimbătoare de căldură vertical așezate în sol
Schimbătoarele de căldură verticale sunt montate intr-unul până la zeci de foraje, fiecare conținând o conductă, prin care este circulat fluidul. Forajul este de obicei acoperit cu un material care previne contaminarea acviferului.
Fig. 2.12 Schimbătoare de căldură verticale
La începuturile dezvoltării acestor sisteme, sarcina de dimensionare a schimbătoarelor de căldură era îndeplinită prin reguli generalizat, modificate foarte puțin , de la caz la caz, folosind estimări ale conductivității termice sau folosind experiența din montări anterioare ale sistemului. Totuși costul adițional pentru testare sau calculare în detaliu a parametrilor a fost considerat compenseze costurile unei dimensionări conservative. Această abordare a dovedit a fi folositoare în majoritatea aplicațiilor rezidențiale sau alte aplicații mici. În cazul unor aplicații comerciale sau instituționale la scară mare unele schimbătoare de căldură nu au îndeplinit cerințele după câțiva ani de folosință. Desigur dacă se consideră adoptarea unei dimensionări mai mari decât necesitatea aplicației, costurile inițiale ale sistemului sunt mult mai mari decât cele ale unui sistem convențional. De aceea este nevoie de a simula temperaturile din jurul schimbătoarelor de căldură.
În figura 2.13 avem secțiunile prin schimbătoarele de căldură cel mai des folosite. Sonde U simplu sau dublu U sunt formate din două sau patru conducte care sunt conectate la capătul sondei permițând circulația fluidului de lucru să coboare pe o conductă și să urce pe celălalt. În configurația coaxială de bază extragerea de căldură din sol are pe o singură secțiune de curgere. Materialul folosit pentru sonde este polietilena de înaltă densitate (HDPE)
Fig. 2.13 Secțiunea prin diferite tipuri de schimbătoare de căldură vertical așezate în sol
b2. Schimbătoare de căldură orizontal așezate în sol
Schimbătoarele de căldură orizontale au o configurație tipică, care constă într-o serie de conducte așezate paralel în șanțuri săpate la ~0.9 – 1.8 m.
Caracteristicile termice ale pompelor de căldură cu schimbătoare de căldură orizontal așezate în sol sunt aceleași cu cele ale schimbătoarelor de căldură verticale. Principalul dezavantaj constă în faptul că schimbătoarele de căldură orizontale sunt mult mai afectate de către factorii climatici datorită apropierii de suprafața solului. Asta va însemna fluctuații mai mari ale temperaturilor din rețea, rezultând în eficiență mai scăzută.
Fig. 2.14 Schema schimbătoarelor de căldură așezate orizontal în sol
c. Sisteme care utilizează apă de suprafață ca sursă de energie
Acest tip de sisteme pot fi cu circuit închis sau deschis. În mod uzual configurațiile cu circuit închis se folosesc, cu diferite tipuri de aranjament ale schimbătoarelor de căldură.
Schimbătorul de căldură este așezat la adâncimea adecvată în lacul iaz, sau alt canal adecvat. Configurațiile cu circuit deschis pompează apă din corpul de apă de suprafață printr-o admisie filtrată și evacuată într-un receptor adecvat. Dimensionarea rețelei schimbătorului de căldură constă în selectarea lungimii suficiente a conductei bobinate, specificând diametrul conductei și numărul de bucle paralele și localizând bobina, la adâncimea corespunzătoare într-un corp de apă cu o conductivitate termică adecvată.
Fig. 2.15 Schema schimbătoare de căldură la suprafață
Regimuri de funcționare sistemelor de utilizare a energiei geotermice trebuie adaptat la tipul sistemului de încălzire al obiectivului pe care îl deservesc, dacă acesta este deja realizat, iar sistemul înlocuiește echipamente existente funcționând cu combustibili clasici. În aceste situații, o restricție importantă este reprezentată de faptul că temperatura maximă pe care o pot realiza pe tur pompele de căldură este de 55°C, iar peste această temperatură sistemele pot funcționa doar în cuplaj cu alte surse de încălzire.
În clădirile noi, sistemul de încălzire va fi special proiectat pentru aceste echipamente și va fi caracterizat prin nivelul redus al temperaturii agentului de încălzire. În cazul încălzirii prin pardoseală și/sau pereții laterali, temperatura agentului de încălzire, poate coborî până la valori de cca. 35°C pe tur, sau chiar sub această valoare.
Din punct de vedere al soluțiilor tehnice utilizate pentru încălzire și preparare a apei calde menajere, există mai multe regimuri posibile de funcționare:
Regim de funcționare monovalent – sistemul de utilizare a energiei geotermice este unica sursă de căldură. În cazul în care sistemul este oprit temporar din cauza unei pene de curent sau din alte cauze trebuie montat un rezervor tampon care să asigure energia necesară. O rezistență electrică poate fi montată de asemenea pentru a furniza energia necesară în perioadele de sarcină maximă.
Regim de funcționare bivalent –sistemul de utilizare a energiei geotermice este utilizat în combinație cu o altă sursă de căldură care funcționează cu combustibil solid, lichid sau gazos, echipamente de captare a energiei solare, etc;
Regim de funcționare bivalent alternativ sau paralel – sistemul este utilizat în combinație cu un alt sistem de încălzire Sistemul va asigura temperatura necesară până la un anumit punct, după care un alt sistem ( ex. un cazan) va asigura energia termică. În timpul funcționării bivalente alternative sistemul de utilizare a energiei geotermice funcționează împreună cu un alt sistem de încălzire pentru a asigura cererea de la o anumită temperatură.
2.4 Aspecte economice
Unul din punctele cheie pentru orice oportunitate de a produce energie este costul. În acest sens se va lua în considerare trei case unifamiliale (CU) cu cereri diferite de căldură. Acestea vor fi caracterizate în funcție de cererea de apă caldă menajeră și încălzirea a spațiului. Clădirile analizate reprezintă cererea de căldură pentru o casă unifamilială cu o izolație necorespunzătoare (CU-I), o casă izolată cu ultimele tehnologii în domeniu (CU-II) și o casă cu izolare tipică pentru Europa Centrală (CU-III).
Tabel 2.2 Cifrele cheie pentru cele trei tipuri de case
Pierderile în cazul distribuției căldurii în clădiri, consumul de energie a pompelor de circulare pentru sistemul de încălzire și cel al apei calde menajere nu au fost luate în considerare. Aceste sisteme au fost asumate pentru sisteme bazate pe combustibili fosili și pentru energiei regenerabilă pentru a permite o comparație directă între rezultatele.
Costurile specifice furnizării de energie sunt calculate pe valoarea monetara din anul 2005 cu o inflație de 4,5%
Un parametru important este prețul energiei care descrie disponibilitatea energiei din combustibili fosili.
Tabel 2.3 Prețul combustibililor fosili în funcție de folosință
În 2006 prețul plătit de către operatorii centralelor electrice pentru gaze naturale și cărbuni era de aproximativ 2,2 și 6 €/GJ, dar pentru consumatorul final prețurile sunt mult mai mari.
Pentru asigurarea căldurii în cele trei tipuri de clădiri s-au luat în considerare aplicarea unei centrale pe gaz natural și una pe ulei. În tabelul 2.4 sunt reprezentate parametrii bazați pe sisteme care utilizează combustibilii fosili pentru generare de energie termică. Apa caldă menajeră este asigurată de către schimbătoare de căldură interne.
Tabel 2.4 Parametrii sistemelor de generare a căldurii bazate pe combustibili fosili
Pentru determinarea costului de investiției în calcul au fost introduse costuri pentru cazan, arzător, rezervor de apă caldă, structuri precum camera tehnică, coșul de fum, rezervorul de ulei, precum și costuri de manoperă. Costurile privind operarea includ, printre altele, prestări de servici (reparații, mentenanță), energie electrică consumată. În tabelul 2.5 avem prezentate aceste costuri în funcție de cerere, capacitatea cazanului, tehnologia pe baza căruia funcționează sistemul de încălzire.
Tabel 2.5 Costurile de furnizare a energiei termice pe baza combustibililor fosili
Putem observa că sistemele bazate pe ulei au un cost de furnizare a energiei termice de aproximativ 23 €/GJ, în schimb cele gaz sunt puțin mai mari ajungând la 24 €/GJ. În ambele cazuri costurile sunt generate de cheltuieli pe combustibil și funcționarea sistemului. }n acela;i timp putem observa costul de furnizare a energiei termice care este mai mare cu scăderea capacității termice instalate. (ex. CU-I unde avem un cost de furnizare a energiei termice de 40/ €/GJ, comparativ cu CU-II unde avem un cost 28 – 31 €/GJ).
În cazul sistemelor de utilizare a energiei geotermice vom lua pentru comparație trei tipuri de sisteme:
sistemul de utilizare a energiei geotermice cu schimbătoare de căldură orizontale
sistemul de utilizare a energiei geotermice cu schimbătoare de căldură verticale
sistemul de utilizare a energiei geotermice folosind apa freatică
Pentru a estima costurile pentru furnizarea energiei din surse geotermice folosind sistemele de mai sus se va prezenta valoarea investiției, costul funcționării plus costurile de furnizare a căldurii. În funcție de condițiile geologice specifice locației alese pentru amplasarea sistemului geotermic, apar diferențe semnificative în sistemul de captare a energiei, implicând astfel și costuri diferite. Astfel costurile prezentate în continuare pot fi considerate ca valori medii de referință. În cazuri individuale, costurile pot fi mai mari sau mai mici funcție de condițiile locale.
Tabel 2.6 Configurația de referință a sistemelor de utilizare a energiei geotermice
Sistemele de utilizare a geotermiei cu schimbătoare de căldură orizontal așezate în sol folosesc conducte din HDPE îngropate la 1,2 m adâncime. Fluidul de lucru este un amestec de propilen-glicol 30%, apă 70%,
Pentru sistemele cu schimbătoare de căldură orizontal așezate în sol cu evaporare directă tuburi din cupru, având un înveliș protector de plastic sunt îngropate în sol pe un strat de nisip la 1,2 m adâncime.
Sistemele de utilizare a energiei geotermice cu schimbătoare de căldură vertical așezate în sol considerate a extrage un flux de50 W/m din sol se vor folosi sonde 2 x 60 m pentru CU-I iar pentru CU-II 3 x 90 m. Sondele HDPE sunt în formă de dublu U și instalate în foraje care apoi sunt umplute cu o suspensie din bentonită ciment si apă.
Investițiile în sistemele de utilizare a energiei geotermice sunt influențate de mărimea sistemului și tipul de tehnologie aplicat.
Tabel 2.7 Costurile de investiției și funcționare a sistemelor de utilizarea a energiei geotermice
Costurile de investiție, funcționare și mentenanță a sistemelor de utilizare a energiei geotermice sunt în general mai mari decât ale sistemelor de încălzire pe combustibili fosili. Pentru exemplificare s-au luat în considerare trei spații de locuit cu diferite grade de izolație în care s-au propus sisteme de încălzire bazate pe energie regenerabilă (geotermică) și sisteme de încălzire pe combustibili fosili.
Astfel pentru sisteme ce funcționează pe combustibili fosili avem costuri totale de investiției între 6030 – 7150 €. În schimb în cazul sistemelor de utilizare a energiei geotermice costurile inițiale se încadrează între 9726 – 24684 €. Costul final pentru un kWh energie termică furnizată din sisteme regenerabilă variază între 0,092 – 0,158 €/kWh iar pentru sisteme pe combustibili fosili 0,082 – 0,144 €/kWh.
2.5 Impactul asupra mediului
Nu există posibilitatea de a produce sau a transforma o formă de energie pentru a putea fi utilizată de om fără a exista un impact direct sau indirect asupra mediului. Exploatarea energiei geotermale are un impact asupra mediului înconjurător dar putem spune că este una dintre cele mai puțin poluante forme de energie.
În ceea ce privește efectul asupra mediului, când exploatăm energia geotermală, el este proporțional cu dimensiunea exploatării lui. În tabelul 2.3 este evidențiată probabilitatea și severitatea relativă a efectelor asupra mediului a proiectelor de utilizare directă a energiei geotermale.
Tabel 2.3 Probabilitatea și severitatea potențialului impact asupra mediului în utilizării directe a energiei geotermale
Modificarea mediului trebuie evaluată atent deoarece orice schimbare poate declanșa o reacție în lanț a căror impact este greu de anticipat. O creștere cu 2° – 3°C a temperaturii unui corp de apă, rezultată din descărcarea apelor uzate de la o centrală geotermală poate afecta acel ecosistem. Plantele și animalele sensibile la variațiile de temperatură pot sa dispară gradual lăsând peștii fără sursa de hrană.
Primul efect perceptibil asupra mediului este cel al forării. Operațiile necesare procesului de forare va modifica morfologia solului putând vătăma fauna și vegetația locală.
Instalarea conductelor care vor transporta fluidul geotermal, construcția și utilizarea centralelor va afecta de asemenea vegetația, fauna și morfologia solului.
În timpul funcționării centralelor geotermale, fluidele geotermale (abur sau lichid) conțin gaze și chimicale dizolvate cum ar fi dioxidul de carbon (CO2), hidrogen sulfurat (H2S), clorură de sodiu (NaCl), arseniu (As), mercur (Hg) care sunt surse de poluare în cazul în care sunt eliberate în mediul ambiant. Există fluide geotermale care sunt inofensive pentru mediu cum ar fi cele din Islanda, dar acestea sunt foarte rare.
Poluarea aerului cu hidrogen sulfurat este principalul poluant în cazul producerii de curent electric folosind energia geotermală. Există și emisii de dioxid de carbon la centralele geotermale dar sunt mult mai mici decât cele pe combustibili fosili. Pentru fiecare kWh de electricitate produsă avem 13 – 380 g emisii de CO2 în cazul centralelor geotermale, pentru centrale pe cărbune avem 1042 g/kWh, iar pentru gaze naturale avem 453 g/kWh emisii de dioxid de carbon.
Deversarea de ape uzate provenite de la utilizarea energiei geotermale poate produce efecte negative din cauza concentrațiilor de substanțe chimice toxice cum ar fi borul, fluorul, arsenic, etc. Extragerea unor cantități mari de fluide geotermale poate duce la efectul de surpare. În multe cazuri acest efect poate fii redus prin reinjectarea apei uzate geotermale.
În cazul folosirii sistemelor de utilizare a energiei geotermice care extrage sau introduce căldură putem avea efecte care nu se limitează la terenurile învecinate. În cazul în care vecinii sunt împiedicați să folosească sisteme de utilizare a energiei geotermice proprii din cauza efectului pe care îl are propriul sistem, putem vorbi de „furt de căldură/frig”. Există dreptul, în țări dezvoltate în domeniul exploatării energiei geotermice ,precum Germania, de a acționa în instanță și a cere daune beneficiarului instalației. Dacă utilizatorul instalației geotermice posedă aprobare de exploatare și autorizație de utilizare a apei atunci vecinii nu pot apela la dreptul de respingere a acesteia. De aceea este foarte important ca la acordarea aprobărilor să se ia în calcul și interesele potențiale opuse
2.6 Obiectivele cercetării doctorale
Obiectivul principal urmărit în teza este analiza impactului utilizării sistemelor de exploatare a energiei geotermice de mică adâncime asupra regimului termic subteran, cu implicații asupra randamentului propriu si asupra mediului subteran prin scăderea/creșterea temperaturii pe mantaua schimbătoarelor de căldura, respectiv in vecinătatea acestora. Analiza se refera la următoarele aspecte:
Identificarea parametrilor fizici reprezentativi pentru energia geotermică de mică adâncime din județul Timiș.
Estimarea potențialului energiei geotermale de mică adâncime din județul Timiș, bazata pe valorile parametrilor geotermici caracteristici di regiune.
Modelarea proceselor de transfer de căldură în domeniul exterior schimbătoarelor de căldură: procese de transfer si parametri specifici, ecuații generale, formularea matematică a problemelor de transfer specifice sistemelor de captare, soluții analitice reprezentative si metode numerice de rezolvare.
Dezvoltarea unor metode matematice/numerice de prognoză a regimului temperaturii subterane in zonele limitrofe schimbătoarelor de căldura si implicit a impactului sistemelor de utilizare a geotermiei de mică adâncime pentru încălzire, respectiv răcire, asupra regimului termic al subteranului si prin aceasta asupra randamentului sistemului.
Verificarea metodelor de modelare si a soluțiilor propuse prin compararea rezultatelor teoretice cu cele măsurate pe un sistem pilot cu sonde verticale.
CAPITOLUL III – ESTIMAREA POTENTIALULUI RESURSELOR GEOTERMALE
3.1 Potențialul geotermal din Romania
Conform [68] atunci când ne referim la resursele geotermale, ne referim, de obicei, la o bază de resurse accesibile. Aceasta resursă este de fapt energia termică înmagazinată în subteran până la o adâncime specifică dintr-o zonă anume, cu măsurători locale ale mediei anuale a temperaturii. Baza de resurse accesibile include resursele accesibile – care reprezintă resursele ce pot fi extrase economic și legal o anumită perioadă de timp (mai puțin de 100 ani). În această categorie regăsim resursele identificate intr-o anumită zonă ce pot fi extrase legal, competitiv economic, cu alte surse comerciale de energiei fiind cunoscute și caracterizate prin foraje, probe geochimice, geofizice sau geologice.
Figura 3.1 Diagrama resurse geotermale
Astfel pentru a evalua resursele geotermale trebuie sa estimăm, la un moment dat, energia termică conținută în subteran într-o anumită regiune și condițiile economice, legislative și tehnologice prin care putem utiliza aceasta energie. Această evaluare are scopul principal de a compara formele de energie existente exploatării.
Evaluarea potențialului geotermal în România s-a bazat pe existența unui număr de peste 200 foraje pentru hidrocarburi cu adâncimi situate intre 800 si 3500 m unde au fost găsite resurse geotermale de joasa si medie entalpie (40-120 °C). În decurs de 25 de ani circa 100 de foraje au fost analizate, permițând o estimare a potențialului energetic al acestui tip de resursă regenerabilă.
Utilizarea energiei geotermice extrase este folosita in proporție de 37% pentru încălzire, 30% pentru agricultura (sere), 23% in procese industriale, 7% in alte scopuri. Dintr-un numai de 14 sonde geotermale săpate in intervalul 1995-2000 la adâncimi de 1500-3000 m, numai doua sonde au fost neproductive, înregistrându-se o rata de succes de 86%.
Tabel 3.1 Sinteza parametrilor din perimetrele geotermale din România
Notă* – calculată considerând că apa geotermală se răcește până la 30°C
Măsurătorile temperaturilor din foraje au permis elaborarea unor hărți geotermice pentru întregul teritoriu al României arătând distribuția temperaturilor la diferite adâncimi, 1,2,3 și 5km. Hărțile indică zone favorabile exploatării energiei geotermale cu temperaturi intre 60 – 140 °C. În Câmpia de Vest sunt caracteristice temperaturi între 60 -120°C, iar în Carpații Orientali: Oaș-Gutâi-Țibleș și Călimani-Grughiu-Harghita găsim resurse de 140°C.
Figura 3.2: Harta geotermală cu temperaturi de la 60°C la 120°C
Zonele reprezintă pot fi utilizate pentru diferite tipuri de utilizări directe ale energiei geotermale cât și pentru sisteme de utilizare a energiei geotermice de mică adâncime.
În figura 3.3 sunt reprezentate zonele cu temperaturi mai mari de 140°C unde se pot lua în considerare aplicații electroenergetice.
Figura 3.3: Harta geotermală cu temperaturi de 140°C la 3km adâncime
Sintetizând potențialul energetic geotermal al României rezultă tabelul 3.2
Tabel 3.2 Potențial energetic geotermal din România [109]
3.2 Estimarea potențialului geotermal de mare adâncime în județul Timiș
Studiul evaluării potențialului energiei geotermale din județul Timiș a fost realizat în cadrul unui proiect „Studiul potențialului de energie din surse regenerabile la nivelul județului Timiș” implementat de Consiliul Local Jimbolia, realizat de către Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) Stuttgart, în care au fost stabilite mai multe obiective:
identificarea resurselor regenerabile de energie la nivelul județului Timiș
stabilirea potențialului energetic teoretic din surse regenerabile
stabilirea potențialului energetic tehnic care să țină seama de performanța tehnologiilor de conversie și de alte criterii
clarificarea detaliilor privind amplasarea instalațiilor de producere de energie alternativă, punerea în conformitate cu normele europene precum și stabilirea unor condiții și recomandări:
criterii de alegere a zonei de interes pe baza evaluărilor experților
identificarea locațiilor cele mai interesante, care să prezinte avantaje precum infrastructura rutieră, energetică
aspecte privind evaluarea impactului asupra mediului înconjurător
aspecte privind identificarea reglementărilor legale în vigoare privitor la posibilitățile de racordare și furnizare a energiei.
Studiul a fost menit să rezolve anumite nevoi și constrângeri existent în județul Timiș.
Nevoi:
politică energetică deschisă spre cerere și dezvoltarea producției descentralizate
scăderea gradului de dependență față de importurile de energie
diminuarea efectelor negative ale procesului de producție a energiei asupra mediului
promovarea energiilor regenerabile și creșterea investițiilor în energie regenerabilă
Constrângeri:
inexistența studiilor la nivel județean care să confere o bază pentru conceperea unei strategii energetice
lipsa unei legislații complete pentru încurajarea investițiilor în domeniu
lipsa unor stimulente de susținere a utilizării resurselor energetice regenerabile
Astfel din studiul potențialului de energie din surse regenerabile la nivelul județului Timiș a fost prezentată doar partea estimării potențialului de energie geotermală din județul Timiș
3.2.1 Parametrii caracteristici ai energiei geotermale din județul Timis
Pentru a analiza potențialul energiei geotermale din Timiș s-au folosit hărțile geotermale de la IGR (Institutul Român de Geologie), ICEMENERG și BERD (Banca Europeană de Dezvoltare). Din hartă rezultă că temperaturile sunt peste 100°C la 3000 m adâncime. Harta ICEMENERG fig. 3.2, arată o temperatură de 60 – 120°C pentru 3000 m adâncime pentru zona vestică a județului Timiș. Circa 10% din județul Timiș are un potențial de 140°C. Harta BERD, (fig. 3.4) în schimb, arată temperaturi de la 70 – 120°C pentru județul Timiș
Harta prezentată de IGR (fig. 3.5) are cele mai multe detalii și estimează o temperatură de peste 100°C pentru mai mult de 50% din județ. Figura 3.6 prezintă focalizat harta geotermală a județului Timiș ă Tipul predominant de roci este molasa, alcătuită din gresii, șisturi și conglomerate. Harta conține și informații despre fluxul geotermal. În partea de est a județului Timiș se înregistrează un flux de 80 – 90 W/m, iar în partea de vest 90 – 100 W/m.
Figura 3.4 Harta energiei geotermale din România studiu BERD
Fig 3.5 Harta geotermală a României (IGR 1985)
Fig 3.6 Harta geotermală a județului Timiș (IGR 1985)
3.2.2 Estimarea potențialului energiei geotermale de adâncime din județul Timiș
Pentru a estima potențialul geotermal din Timiș au fost considerate anumite ipoteze simplificatoare.
Au fost utilizate doua temperaturi a resursei geotermale, 100°C și 130°C iar, temperatura de suprafață a fost considerată a fi 30°C. Temperatura de 100°C este considerată a fi prezentă în circa 50% din suprafața județului, în schimb temperatura de 130°C este prezentă în 15% din județ. Utilizând ecuația 3.1 s-a estimat potențialul geotermal din Județul Timiș
s-au folosit următori parametrii:
capacitatea specifică a rocii
densitatea rocii
volumul rocii
km2
km2
m
temperatura rocii
temperatura rocii
temperatura de la suprafață
Grosimea rezervorului geotermal nu este stabilită astfel că energia potențială a fost calculată pentru o înălțime (adâncime ) de la 0 la 100 în pași de 1 m. Potențialul energiei geotermale de mare adâncime din județul Timiș este de circa ~65 PJ în cazul temperaturii de 100°C a resursei geotermale și ~28 PJ în cazul temperaturii de 130°C.
Potențialul geotermal din Municipiul Timișoara este prezentat în figura 3.8. Potențialul energiei geotermale de mare adâncime (3000m) disponibil în Timișoara este de 55,5 *TJ. Conform literaturii de specialitate se poate utiliza între 15 și 30% din potențial. Acest lucru însemnând ca se poate folosi între 8,325 – 16,65 TJ din potențialul geotermal total. [109]
Timpul de utilizare al resursei geotermale până la epuizare depinde de mai mulți factori dintre care enumerăm fluxul de căldură, instalațiile de exploatare, debitul resursei geotermale. Fără acești parametrii nu se poate da o durata a duratei de viață a rezervorului geotermal.
Fig. 3.7 potențialul geotermal în județul Timiș pentru roci tip gresie
Fig. 3.8 Potențial geotermal din Timișoara pentru roci de tip gresie
3.3 Evaluarea potențialului geotermic (de mică adâncime) din județul Timiș
În studiul de evaluare a energiilor regenerabile din județul Timiș, realizat de către Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) Stuttgart nu a fost analizată și potențialul energiei geotermice de mică adâncime. Astfel în cele ce urmează se va estima potențialul energiei geotermice utilizănd parametrii identificați caracteristici zonei.
3.3.1 Parametrii caracteristici ai energiei geotermice din județul Timiș
Pentru a putea calcula eficient potențialul energiei geotermice de mică adâncime din județul Timiș trebuie să avem, mai întâi parametrii specifici energiei geotermice de mică adâncime, ai acestei zone.
Conform harți geologice a României, in zona județului Timiș avem mai multe tipuri de soluri. Astfel regăsim roci magmatice (bazalt, granodiorit, aplit, etc), roci metamorfice (filite, micașisturi si paragnaise, etc), marne, nisipuri, etc. La adâncimi de pana in 100 de m, pe teritoriul județului Timiș se întâlnesc marne, nisipuri, pietrișuri, argile, depozite loessoide, bazalt, granodiorit, micașisturi, paragnaise, calcare, conglomerate, gresii, etc. Predominant pentru zona Timișului fiind pietrișurile, nisipurile si argilele.
In Municipiul Timișoara, in cadrul programului NUCELU s-au efectuat doua foraje,
Datele geotehnice din aceste foraje sunt considerate caracteristice pentru întregul județ Timiș deoarece alte date nu sunt disponibile. Forajul F1 este amplasat în sudul orașului Timișoara în incinta INCERC. Forajul F2 a fost amplasat în nordul orașului, în incinta Institutului Agronomic Timișoara.
Fig. 3.9 Profile geotehnice caracteristice pentru Timișoara
Studiul geotehnic al celor două amplasamente relevă, prin încercări de laborator, stratificațiile. Pentru cele două amplasamente au rezultat următoarele stratificații:
Foraj F1
Amplasament : zona de sud a municipiului Timișoara în incinta INCERC Timișoara
Sol vegetal și umplutură
Praf argilos maroniu
Nisip prăfos gri
Argilă plastic gri
Nisip mare și mijlociu cu pietriș gri
Argilă vârtoasă gri maronie
Nisip prăfos mijlociu și mare cu pietriș gri
Nisip argilos gri
Nisip prăfos gri
Praf nisipos argilos gălbui
Foraj F2
Amplasament: zona de nord a municipiului Timișoara în incinta Institutului Agronomic Timișoara
Teren vegetal
Argilă prăfoasă neagră
Argilă prăfoasă maronie-gri cu intercalații de calcar
Argilă prăfoasă gri – cărămizie
Argilă prăfoasă gri
Argilă plastic vârtoasă maro cu calcar la -9.30 m
Nisip prăfos gri maroniu
Nisip fin maro
Nisip cu pietriș gri
Praf argilos plastic vârtos gri maroniu cu intercalații de calcar
Nisip prăfos gri maro
Argilă plastic tare gri maronie
Argilă plastic vârtoasă gri
Argilă plastic vârtoasă neagră-maro
Argilă plastic vârtoasă gri maronie
Argilă plastic tare cărămizie gri
Argilă prăfoasă nisipoasă maronie
Argilă nisipoasă cărămizie
Nisip mijlociu și fin gri
Argilă prăfoasă maro
Argilă nisipoasă gri cu concrețiuni calcaroase
Argilă prăfoasă maronie-gri
Putem sintetiza faptul că aceste stratificația la o adâncime de 100 de m este constituită din argilă și nisip în diferite procentaje. Conform acestor foraje in Timișoara, pana la o adâncime de 100 de m avem, argila 86% si nisip 14% sau 32% argila si 68% nisip.
În tabelul 3.3 sunt prezentați valorile parametrilor specifici energiei geotermice. Luând valorile acestor parametrii și procentajul fiecărui tip de sol se va stabili densitatea și capacitatea specifică de căldură specifică județului Timiș.
Tabel 3.3 Valori ai unor parametrii caracteristici energiei geotermice
Notă: capacitatea termica specifica
– capacitate termica volumetrica
– densitate
Astfel pentru soluri umede vom avea:
argila umedă avem
nisip umed
pentru forajul cu 86% argilă și 14% nisip vom avea:
pentru forajul cu 32% argilă și 68% nisip vom avea:
rezultă că
unde este capacitatea căldurii specifice a mediului ( argila și nisip)
pentru apă avem
astfel pentru mediul rocă plus apă, unde np este 0,2:
Conductivitatea termică este :
pentru argilă
pentru nisip
pentru forajul cu 86% argilă și 14% nisip vom avea:
pentru forajul cu 32% argilă și 68% nisip vom avea:
rezultă că
unde λM reprezintă conductivitatea termică a mediului (argilă + nisip).
Temperatura din sol la o adâncime de 50 m este considerată a fi 13°C iar la 100 m 15°C. Temperatura medie anuală din județul Timiș este ~11°C
3.3.2 Estimarea potențialului energiei geotermice din județul Timiș
Pentru estimarea potențialului energiei geotermice (de mică adâncime) vom folosi următoarea relație
unde:
– potențialul energetic
– capacitatea de căldură specifică a mediului (rocă plus apă)
V – [m3 ] volumul resursei
volumul resursei
km2
m
temperatura subteranului în timpul injecției de căldură
temperatura subteranului nemodificată
reprezintă diferența dintre temperatura subteranului nemodificată și temperatura la care ajunge solul în timpul funcționării unui sistem de utilizare a energiei geotermice. Este cantitatea de căldură care poate fii extrasă/introdusă din sol. În cazul de față a fost introdusă o cantitate energie termică.
Valorile potențialului energiei geotermice din județul Timiș sunt prezentate în figurile 3.10 și 3.11.
Fig. 3.10 Potențialul geotermic din județul Timiș
Fig. 3.10 Potențialul energetic al energiei geotermice din județul Timiș
În figura 3.10 este prezentat potențialul energetic al geotermiei de la 10 până la 100 de m când ts = 15 °C, iar în figura 3.11 reiese potențialul pentru ts = 17°C.
Observăm ca pentru o temperatura de 17 °C avem un potențial de 2 TJ de la 10 m adâncime. Pentru o adâncime de 40 m potențialul crește la 8,02 TJ. Acest lucru înseamnă ca nu trebuie avem foraje adânci, scumpe pentru a putea utiliza eficient energia geotermică prin sistemele de utilizare geotermice prezentate în capitolul anterior.
Desigur potențialul energetic din subteran nu poate fi extras integral. La o rată de extragere de 15 – 30 % avem circa 0,3 *1012 J sau 2,4 * 1012 J energie geotermică, disponibilă.
CAPITOLUL IV BAZELE MODELARII MATEMATICE, ECUAȚII GENERALE, FORMULAREA MATEMATICĂ A PROBLEMELOR PENTRU CÂMPUL TEMPERATURILOR ÎN MODELAREA SISTEMELOR GEOTERMALE
4.1 Parametrii caracteristici în cadrul proceselor de transfer de căldură în medii poroase
Descrierea proceselor de transfer de căldură în medii poroase impune prezentarea unor noțiuni de bază și parametrii.
Temperatura (Ө) reflectă media energiei cinetice totale a particulelor din materie (energie termică, căldură). Aceasta se măsoară în Kelvin (K) sau Celsius (°C). Transferul de căldură este energie termică care ”curge” din regiuni cu temperatură mai ridicată către regiuni cu temperatură mai scăzută. În mediul poros, considerat ca mediu continuu ocupând spațiul tridimensional temperatura Ө ca funcție variabilă, va fi reprezentată ca fiind o funcție de spațiu x,y,z și de timp t:
Conductivitatea termică (λ) este proprietatea materialelor care descrie capacitatea lor de a conduce energia termică. Conductivitatea termică este măsurată în watt per kelvin-metru (W K-1 m-1; W/Km). Înmulțit cu o diferență de temperatură (în K) si o arie (în m2) și împărțit cu o grosime (în m), conductivitatea termică prezice rata pierderii de energie (în W) printr-o secțiune de material
Capacitatea specifică de căldură (C), este cantitatea măsurabilă fizic ce caracterizează cantitatea de căldură necesară pentru a schimba temperatura unui corp cu o anumită valoare exprimată în Joule (J) per masa (kg) și Kelvin (K) (J/kgK). Pentru anumite aplicații se folosește căldura specifică volumetrică (ρC), care reprezintă capacitatea specifică de căldură pe unitatea volum (J/m3K). Unde ρ reprezintă densitatea corpului (kg/m3).
Difuzivitatea termică (α) reprezintă raportul dintre conductivitatea termică și căldura specifică volumetrică. Unitatea de măsură este (m2/s)
Substanțele cu difuzivitate termică ridicată își ajustează rapid temperatura cu cea a mediului din jurul lor deoarece conduc căldura mai rapid și nu au nevoie de multă energie din vecinătatea lor, pentru a atinge echilibrul termic.
Mărimile caracteristice ale mediului subteran se calculează în funcție de cele două componente ale mediului subteran (fluid și solid). Astfel pentru o mărime oarecare avem:
unde indicele ”w„ reprezintă apa, iar indicele ”R„ reprezintă roca; Ф reprezintă variabila (ex. conductivitatea termică λ).
Unele valori ale parametrului, difuzivitate termică (α) pentru un sol cu porozitatea n=0,2
– Bazalt α= (5,5 – 9,0)x10-7 m2/s
– Calcar α= (10,0 – 11,0)x10-7m2/s
–Gresie α= (6,7 – 11,5)x10-7 m2/s
Putem nota faptul ca o valoare de α= 8×10-7 m2/s acoperă relativ bine toate tipurile de soluri pentru calcule estimative a problemelor de transfer de căldură în subteran
Tabel 4.1 Valori orientative pentru parametrii principale ai transferului de căldură din sol
4.2 Procese de transfer de căldură în medii poroase
Considerând ipoteza curgerii laminare și monofazice, prin analogie cu transferul de masă putem distinge 3 fenomene de transfer de căldură: conducția, convecția, dispersia.
4.2.1 Conducția termică
Conducția termică poate fi definită ca fiind transportul de căldură intr-un mediu staționar prin difuziune datorită existenței unui gradient termic.
Transferul de energie se face în ambele medii, solid si lichid. Pentru calcul putem astfel lua în considerare ambele medii ca unul unitar, sau calculăm separat fiecare mediu în parte. Ecuația fluxului de căldură este dată de legea lui Fourier.[david raport II, manrinov 2007]
Astfel, pentru mediu solid avem:
iar pentru mediul fluid:
într-un mediu poros apă-rocă:
unde
= tensorul conductivității termice solului (mediul poros M, matrice rocă-apă) ;
np = porozitatea rocii ( considerata de obicei constantă)
ӨM = temperatura mediului poros M (matrice rocă-apă) [°C]
4.2.2 Convecția termică
Convecția termică este definită ca fiind transferul căldură intr-un mediu poros având ca mediu de transport un fluid în mișcare. Fluxul de căldură prin procesul de convecție se poate calcula cu ajutorul vitezei Darcy:
unde :
= vectorul fluxului de căldură prin convecție [J/m2s]
(ρC)w = căldura specifică volumetrică a fluidului [J/m3K]
= viteza de mișcare apei în pori, unde:
[m/s]
= viteza de infiltrație Darcy
4.2.3 Dispersia termică
Prin analogie cu dispersia cinematică a transferului de masă, numită și macrodispersie, dispersia termică este consecința eterogenității mediului și a prezenței porilor.(marinov 2007) Pentru reprezentarea matematică a fluxului de căldură prin dispersie, o relație similara cu legea Difuziei Fick se poate presupune (BEAR 1972,1991)
unde:
= vectorul fluxului de căldură dispersiv [J/m2s]
= tensorul de dispersie [m2/s]
np = porozitatea
În general în cadrul curgere acviferul în spațiu 3D tensorul de dispersie are 9 componente:
Componentele coeficienților de dispersie pot fi exprimate utilizând componentele vitezei în pori (Vpx, Vpy, Vpz), dispersivitatea longitudinală (αL) și respectiv, dispersivitatea transversală (αT):
Cazuri practice de transfer de căldura prin dispersie:
mișcare apei subterane în plan unidimensional ()și dispersie bidimensională () când tensorul de dispersie are numai doua componente:
DLds și DTds reprezintă coeficientul longitudinal și transversal de dispersie:
mișcarea apei subterane în plan bidimensional () și dispersie bidimensională () când tensorul de dispersie are următoarele componente:
Aceste componentele pot fi exprimate după cum urmează:
Fig. 4.1 Mișcarea apei subterane 2D (Vp = Vp(x,y)), dispersia căldurii 2D
Ө = Ө (x,y,t)
Variabilele introduse, denumite coeficient de dispersivitate (αL și αT) depind de caracteristicile acviferului și de mărimea ariei de transfer de căldură. Următoarele valori pentru dispersivitatea longitudinală αL sunt orientative și pot fi folosite în funcție scara de lungime la care se vrea stabilirea dispersiei:
Tabel 4.2 Valori ale dispersivității longitudinale
Dispersivitatea transversală se calculează în general dupa
Astfel fluxul total de căldură care include fluxul convectiv de căldură, fluxul de căldură al conductivității termice și fluxul de căldură dispersiv este exprimat prin următoarea relație:
Ecuațiile de mai sus, descriu procesele de transport de căldură, iar în continuare vor fi folosite pentru a deduce ecuația de bază.
4.3 Ecuații de bază ale transferului de căldură în medii poroase
4.3.1 Derivarea ecuației generale a transferului de căldură
Considerăm un material intr-un mediu poros care corespunde volumului V funcție de timpul t care este limita la suprafața A funcție de timpul t:;
Se consideră următoarele funcții:
cantitatea de căldura totală dintr-o unitate de volum compusă din o matrice rocă-apă eH(x,y,z,t) [J/m3]
sursa de energie termică per unitate de volum si unitate de timp în [J/m3s]
fluxul de căldură total
Fig. 4.2 Schiță de principiu a derivării ecuației transferului de căldură în medii poroase. raport David
Aplicabile sunt: principiul generalizat al conservării energiei termice pentru materialul V(t) limitat de aria A(t):
teorema transportului pentru „eH” ca funcție generalizată a densității
Vectorul fluxului de căldură poate fi exprimat astfel:
Aplicând aceste relații putem obține:
Folosind teorema lui Gauss pentru termenul al doilea în ecuația (4.20) rezultă:
Din moment ce V(t) este un volum arbitrar, rezultă că integrantul este nul:
Aceasta este forma generală a ecuației transferului de căldură într-o matrice rocă-apă în cazul în care matricea este imobilă.
Înlocuind eH din (4.16) și vectorul fluxului total de căldură din (4.15) vom obține următoarea formă explicită a ecuației transferului de căldură:
Ө(x,y,z,t) este funcția de bază a transferului de căldură (în general necunoscută) și reprezintă temperatura din mediul poros (ex. subteranul).
Pentru a simplifica versiunea de bază a ecuației, pentru a rezolva probleme practice de transfer de căldură, avem nevoie de ipoteze și notații suplimentare
Este, de obicei, acceptată ipoteza că pentru a modela practic probleme geotermice, parametrii cei mai importanți ( cum ar fi căldura specifică, conductivitatea termica) sunt constanți.
Distribuția temperaturii are următoarele proprietăți:
Factorul de retardare termic este definit ca fiind:
Difuzia termică aparentă datorită conducției:
Tensorul dispersie/difuziei totale conține și efectul conducției și al dispersiei:
unde este tensorul unitate, pentru tensorul dispersiei Dds
Este de asemenea considerată ecuația de continuitate pentru mișcarea apei incompresibilă :
Cu aceste ipoteze și notații ecuația generală care guvernează transferul de căldură în medii poroase se poate scrie sub următoarea formă:
Această ecuație reprezintă distribuția temperaturii într-un rezervor geotermal luând în considerare toate procesele importante de transfer de căldură: conducție, convecție și dispersie datorită mișcării apei subterane. Este important de notat că determinarea distribuției temperaturii Ө(x,y,z,t) este principalul obiectiv al unei modelări de transfer de căldură. Pentru aceasta est necesar ca primul pas sa fie aflarea vitezei mișcării apei subterane (x,y,z,t) apoi rezolvarea scenariilor ecuației transferului de căldură (4.30) care trebuie sa fie cuplată cu ecuațiile mișcării apei subterane. Pentru probleme practice, de cele mai multe ori, este suficient sa considerăm mișcarea liniară, datorită faptului că mișcarea apei subterane este neliniară doar în perioade foarte scurte (la începutul perioade și la sfârșitul perioadei de exploatare a rezervorului geotermal). În aceste condiții, în continuare se va folosi următoarea ecuație a mișcării apei subterane:
în cazul general de mediu poros anizotropic, sau
în cazul mediului poros omogen
unde :
este tensorul conductivității hidraulice în cazul mediului poros anizotropic
k = k(x,y,z) în cazul mediului poros izotropic și neomogen;
k = constant în cazul mediului poros izotropic și omogen
– sursa apei subterane
h(x.y.z) este funcția înălțimii piezometrice;
4.3.2 Forme particulare al ecuației generale
Rezolvarea problemelor în aplicațiile de exploatare a rezervoarelor de energie geotermală impune utilizarea unor forme particulare (forme particulare ale mișcării și transferului de căldură) ale ecuației generale (4.30) care vor fi prezentate mai jos.
Mișcarea bidimensionala (2D) a acviferului și mișcarea bidimensională (2D) a transferului de căldură ne interesează în cadrul rezervoarelor geotermale.
În acest caz ecuația de bază a transferului de căldură (4.30) poate fi scrisă utilizând notații scalare de forma:
Pentru mișcarea bidimensională a acviferului, avem următoarea ecuație de bază obținută din (4.31*):
cu fiind transmisivitatea acviferului, având conductivitatea hidraulică k și medie a adâncimii
h(x.y) fiind înălțimea piezometrică
În cazul mișcării unidimensionale (1D) a acviferului și bidimensionale (2D) a transferului de căldură următoarele înlocuiri au loc:
Rezultă că ecuația transferului de căldură ia următoarea formă:
Pentru a rezolva probleme ale aplicațiilor de exploatare a energiei geotermice este necesar să folosim ecuații în coordonate polare, mai ales când modelăm puțuri de extracție și reinjecție a apei subterane.
În acest caz ecuația (4.30) devine:
Vrpw este viteza în pori având o direcție radială
4.3.3 Ecuații simplificate, depinzând de importanța proceselor conductive/convective
În modelarea proceselor de transfer de căldură, pentru rezolva probleme practice ale utilizării energiei geotermale putem neglija anumite forme de transfer de căldură. Astfel putem deosebi doua cazuri.
Cazul 1: Transportul convectiv este neglijabil în comparație cu transportul conductiv. Acest lucru se întâmplă când mișcarea apei subterane este neglijabilă în comparație cu transferul de căldură conductiv.
Cazul 2: Transportul conductiv de căldură este neglijabil în comparație cu transportul convectiv. Situația se întâlnește când acviferul este extras ca furnizor de energie termică.
Daca dispersia convectivă este neglijabilă ecuația de bază devine:
4.3.4 Evaluarea dispersiei pentru probleme practice
Dispersia (aparentă) termică (Dc) datorită conducției poate fi calculată utilizând relația (4.27) Pentru aceasta avem nevoie de valorile conductivității termice din tabelul 4.1 pentru roci și sol ( bazalt, calcar, gresie, nisip umed, argilă). Din tabel luăm valoarea medie a conductivității termice a acestor roci, λM = 2,2 W/mK. Având conductivitatea termică a apei λw = 0,6 W/mK și porozitatea np = 0,2 obținem media conductivității termice a matricei saturate rocă-apă:
Pentru a evalua magnitudinea dispersiei mecanice (Dds) datorită mișcării apei subterane se consideră trei scări de lungimi, 1m, 10m și 100m. Aceste pot lungimii corespunde cu zona învecinată unui puț de extracție/injecție (1m), aria învecinată unui foraj (10m) și o arie distantă (100m). Conform acestor distanțe se consideră câteva valori realiste diferite ale înălțimii piezometrice: 1/5 la o arie de 1m, 1/50 la 10m și 1/500 la arie de 100m. Conductivitatea hidraulica este (k=10-5m/s) iar porozitatea np = 0,2. Utilizând aceste valori, în
tabelul 4.3 valorile calculate ale ambelor dispersii. S-a folosit valori ale dispersivității din tabelul 4.2 și legea lui Darcy, formula dispersiei (4.12a) și (4.27).
Tabel 4.3 Valori ale coeficientului de dispersiei
Din aceste evaluări ale coeficienților de dispersie putem vedea, că, pentru valorile medii ale parametrilor-cheie care apar în aplicații practice, dispersia mecanică Dds este de aproximativ 10 ori mai mic decât Dc dispersie termica aparentă.
Chiar și cu viteze mai mari în pori, când Dds atinge o valoare mai mare, rămâne relativ mic. Cu toate acestea, se recomandă întotdeauna să se estimeze atât dispersia mecanică, cât și cea aparentă și să se i-a în considerare parametrii câmpului reală și condițiile reale de curgere.
Pentru factorul de întârziere R putem lua valorile din tabelul 4.1.
Valoarea medie a căldurii specifice pentru rocă , pentru apă, iar pentru porozitate np = 0,2.
Astfel factorul de întârziere R este:
Se poate observa că există similarități între ecuația transferului de căldură în medii poroase și ecuația transportului de poluant în medii poroase. Ecuația (4.30) este similară cu ecuația transportului poluantului în acvifer, doar sensul fizic la simbolurilor este diferit:
Prin similaritatea acestor două ecuații putem utiliza aceleași soluții de bază și aceleași metode, incluzând produse software cu precizarea că este necesar notarea corectă a corespondenței parametrului și sensul lui fizic.
CAPITOLUL V – METODE DE REZOLVARE ȘI SOLUȚII ALE MODELULUI MATEMATIC
5.1 Aspecte generale
Analogie/echivalența dintre procesul mișcării apei prin mediile poroase si transferul de căldură prin mediile poroase ne permite să folosim soluții analitice si numerice (programe de calcul) dintr-un domeniu pentru a studia procese din alt domeniu. Astfel ca exemplu se pot folosi programe de calcul cunoscute si aplicate în cadrul modelării mișcării în medii poroase pentru studiul (modelarea) proceselor de transfer conductiv de căldură. Această analogie a fost aplicată în cadrul tezei.
Fig. 5.1 Metode de rezolvare a modelului matematic
Pentru a rezolva un model matematic avem la dispoziție doua metode:
metoda analitică, care permite o simplificare a sistemului real și o rezolvare rapidă, în cazul în care parametrii din zona studiată nu variază sau condițiile de margine, complexe;
metoda numerică permite variația parametrilor și a condițiilor de margine astfel încât modelul numeric să corespundă cât mai bine cu sistemul real;
Există mai multe tipuri de metode analitice și numerice pentru a rezolva un model analitic:
Fiecare dintre cele două metode are avantaje și dezavantaje. Metoda analitică permite rezolvarea unor domenii mici, omogene permițând simplificarea majoră a sistemului real obținând rezultate exacte. În schimb, când sistemul real conține parametrii variabili ce nu pot fi neglijați sau considerați constați metoda analitică nu poate fi folosită.
Metoda numerică permite modelarea unui sistem cât mai apropiat de cel real (parametrii variabili din sistem, geometria sistemului, condițiile de margine) dar rezultatul obținut nu poate fii considerat exact, ci doar o aproximare a răspunsului real al sistemului.
5.2 Metoda analitică, soluții
Pentru a obține o soluție a procesului de transfer de căldură dintr-un rezervor geotermal (ex. distribuția temporală și spațială a temperaturii) trebuie definită problema urmărind puncte cheie, specifice procesului care urmează a fi studiat. Acestea sunt:
Schematizarea ariei luate în calcul
Stabilirea proprietăților acviferului caracteristice transferului de căldură (ex. porozitatea nP, conductivitatea termică λ, capacitatea specifică volumetrică (ρC))
Condițiile inițiale și la limită (ex cunoașterea condițiilor de la începutul procesului la t = 0 și la marginea ariei schematizate unde are loc procesul de transfer de căldură)
Forma particulară a ecuației de bază a proceselor de transfer de căldură în concordanță cu problema schematizată.
Având aceste puncte specifice stabilite, obținem ecuații cu derivate parțiale care rezolvă procesul de transfer de căldură considerat.
Precum spuneam mai sus avem nevoie de a stabili domeniul de discretizare. În cazul tezei a fost luat ca domeniu de discretizare perimetrul din jurul unui schimbător de căldură din incinta firmei Merkapt.
În continuare se prezintă parametrii caracteristici acestui domeniu. Acești parametrii se calculează în funcție de cele două componente ale mediului subteran: solid și fluid.
Capacitatea specifică de căldură (C)
Difuzivitatea termică (α)
Conductivitatea termică (λ)
Densitatea (ρ)
De exemplu pentru pământ umed ce conține proporții diferite de nisip argilă, argilă nisip avem un coeficient al conductivității termice care variază intre iar astfel din relația (4.2)
Dacă există apă subterană efectul acesteia va apărea prin intermediul porozității.
astfel o porozitatea de 20% va însemna că:
sau
iar
Pentru capacitatea de căldură specifică volumetrică a mediului (rocă + apă) devine:
iar
unde reprezintă difuzivitatea termică a mediului (rocă + apă)
reprezintă conductivitatea termică a mediului (rocă + apă)
reprezintă capacitatea termică specifică volumetrică a mediului (rocă + apă).
Pentru modelarea câmpului de temperatură în zona sistemelor geotermice cu schimbătoare de căldură cu sistem închis este suficient să se ia în considerare ecuația transferului de căldură prin conducție într-un mediu cu caracteristici termice constante (mișcarea apei și dispersia lipsește):
unde câmpul de temperatură
Neglijând gradientul de căldură de-a lungul sondei și considerând un mediu omogen, ecuația (5.1) se poate scrie, în coordonate polare, sub forma:
unde câmpul de temperatură este o funcție de poziția punctului , temperatura ;
Pentru determinarea soluției fundamentale corespunzătoare unei sonde se iau în considerare următoarele condiții la limită și de margine.
Condiții inițiale:
Condiții la limită
unde tF = timpul de funcționare (extracție/injecție căldură)
adică din sondă se extrage un ”debit” Q în [W]de căldură pe unitatea de lungime de sondă (Q in lungime sondă).
O alta formulare a condiției la limită cu funcția Dirac
când este dat
condiția de tip Neumann
Când avem extragere de căldura
Când avem injecție de căldură
Obs. Cu ajutorul unui schimb de variabilă:
Problema la limita se poate reformula in ”ξ”
Astfel având condițiile inițiale:
și condițiile la limită:
Fig 5.1 Câmpul termic exterior sondelor
unde:
Qθ – ”debitul” de căldură extras [J/s]
rs – raza sondei
θ(r,t) – temperatura [°C] la distanța r și timpul t
r – distanța dintre dintre sondă și un punct oarecare
θ0 – temperatura neperturbată a mediului
În figura 5.1 avem reprezentat un foraj din care extragem energie termică. Figura schematizează fenomenul de transfer de căldură când extragem energie termică
Soluția fundamentală a ecuației (5.3) având condițiile inițiale și condițiile la limită, pentru o sondă, este de forma:
unde:
– temperatura in punctul oarecare M situat la distanta r de sondă, în timpul funcționării/staționării sistemului, la momentul t;
λ – coeficientul de conductivitate termică a mediului;
Q – ”debitul„ de căldură pe unitatea de lungime a sondei;
λ – conductivitatea termica.
Semnul se refera la sistemele de încălzire (–) respectiv de răcire (+)
Notând cu
fiind integrala exponențială:
Relația (5.5), este dată în grafice sau tabele destul de complicate.
În literatură găsim aproximări pentru această integrală [Luckner pg259]
unde γ = 1,781 – constanta lui Euler
În literatură găsim aproximări pentru
valabil doar în cazul în care:
Pentru s-a stabilit o aproximație proprie, pentru :
In aproximarea (5.8) funcția logaritmică este propusă pentru a obține o acoperire bună a celor exacte (erori sub 3%). Această aproximație ne permite folosirea logaritmului pe o variație mai mare de valori (condiția fiind ca față de ). Pentru
verificarea aproximației s-a realizat o comparație a valorilor exacte cu cele calculate. Rezultatul se poate urmări in Fig.5.2 si 5.3.
Tabel 5.1 Comparație funcție cu funcția exactă
Tabel 5.2 Comparație funcție cu funcția exactă
Fig. 5.2 Comparația valorilor exacte cu funcția
Fig. 5.3 Comparația valorilor exacte cu funcția
Se poate observa că erorile funcției , în comparație cu exact (luate din tabel) sunt foarte mici confirmând faptul că relația de calcul poate fi utilizată, erorile fiind acceptabile.
În timpul utilizării practice un sistem de utilizare a energiei geotermice, are o funcționarea ciclică. Astfel se pune problema de a stabili temperatura într-un punct oarecare la timpul t, în urma realizării a n cicluri de funcționare. Astfel în figurile (5.4, 5.5, 5.6) se prezintă o schema de principiu a funcționării în regim de trei cicluri a unui sistem de utilizare a energiei geotermice folosind schimbătoare de căldură vertical așezate în sol. Folosind aceste scheme se vor prezenta soluțiile analitice pentru calculului regimului termic din jurul schimbătoarelor de căldură în cicluri de funcționare-staționare.
În figura 5.4 avem reprezentat schema reală a variației regimului termic subteran S0, în urma a trei cicluri de funcționare.
În figura 5.5 regăsim schema reală So echivalând transferul de căldură cu mișcarea apei (cu debite) (Sechiv)- modelul de calcul exact al temperaturii din subteran în urma a trei cicluri de funcționare
În figura 5.6 schema reală a sistemului S0 ( trei cicluri de funcționare) este redusă la un singur ciclu de funcționare Ss, pentru un calcul simplificat al sistemului real S0.
Fig. 5.4 Schema reală (So) regimului termic subteran în timpul funcționării sistemului în cicluri (3 cicluri).
Q – ”debitul” de căldură extras;
tF1, tF2, tF3 – este timpul de funcționare (când se extrage/introduce căldură în sol)
tR1, tR2, tR3 – timpul de staționare al sistemului
– este diferența de temperatură dintre valorea temperaturii inițiale θ0 și valoarea temperaturii din subteran în urma a trei cicluri de funcționare.
Figura 5.5 chema reală So echivalând transferul de căldură cu mișcarea apei (cu debite) (Sechiv)
Fig. 5.6 schema simplificată a sistemului SS
Soluția exactă pentru distribuția spațială si temporală a sistemului este relația (5.4):
Folosind relația pentru cele trei scheme vom avea următoarele soluții.
Soluția pentru sistemul real S0
Pentru S0 la sfârșitul celor trei cicluri de funcționare, vom avea următoarea soluție:
soluția pentru So având 3 cicluri
soluția pentru So având n cicluri
:
pentru Sechiv la sfârșitul celor 3 cicluri vom avea:
Soluția prin schema simplificată Ss
soluția pentru So având 3 cicluri
soluția pentru Ss având n cicluri
Generalizând pentru n x T cicluri, cu același timp de funcționare tF în fiecare perioadă putem evalua influența numărului de cicluri ”n” și stabili eroare de evaluare prin soluționarea distribuției temperaturii a sistemului real S0 cu sistemul simplificat Ss.
În situația în care aproximația este adevărată vom folosi putem
relația soluției S0 (5.9) va deveni:
unde:
notăm cu :
astfel soluția S0 va deveni:
unde Fn este coeficientul de influență a numărului de cicluri.
5.3 Metoda numerică, soluții
Din multitudinea de programe software existente pentru modelare numerică a fost folosit programul de calcul ASMWIN (Aquifer Simulation Model For Windows). ASMWIN este un program de modelare subterană 2-D a mișcării apei subterane și a transportului de poluanți, gratuit. Acest program de calcul include mai multe unelte de pentru modelarea numerică, dintre care amintim:
ASMSIM1, modul care rezolvă ecuații liniare ale curgerii folosind metoda gradienților conjugați sau metoda iterativa Cholesky;
ASMOPTI, acest modul ajuta la calibrarea modelului;
ASMPATH oferă metode de interpolare și integrare
ASMT2SIM și ASMWALK, sunt utilizate pentru simularea transportului poluanților folosindu-se metoda diferențelor finite sau metoda drumului aleator
Modelul de curgere utilizează datele de intrare și condițiile la limită pentru a obține ca rezultate: înălțimile piezometrice și implicit câmpul de viteze.
Pentru crearea unui model de curgere este necesară introducerea datelor de intrare după o tehnică secvențială.
Pașii care se urmează în program sunt:
încadrarea domeniului de curgere într-un domeniu spațial: definirea lungimii și lățimii și a numărului de celule pe verticală și pe orizontală.
precizarea tipului de acvifer (sub presiune sau cu nivel liber)
precizarea condițiilor la limita și de margine ale domeniului prin specificarea unui cod aferent nivelelor constante (-1), și a celor cunoscute ce urmează a fi determinate (1), sau a celulelor care nu fac parte din domeniu (0)
introducerea grosimii stratului acvifer prin indicarea unei cote superioare a acviferului și a unei cote inferioare
precizarea caracteristicilor fizice ale acviferului: conductivitate/transmisivitate hidraulică și porozitate efectivă
precizarea valorilor debitelor pompate / injectate din domeniul modelat
După ce toți parametrii au fost introduși se poate rula programul, stabilindu-se metoda de rezolvare a sistemului de ecuații rezultat.
După cum se precizează mai sus ASMWIN rezolvă probleme de transport de poluanți și mișcare ale apei subterane. Rezultă că softul lucrează cu alte tipuri de parametrii decât cei necesari rezolvării problemelor de transfer termic.
Fig. 5.7 Parametrii disponibili în ASMWIN
Apare astfel nevoia de a echivala parametrii utilizați în mișcarea apei și transportului de poluanți cu parametrii transferului de căldură.
Astfel în tabelul 5.1, de mai jos, sunt prezentați parametrii echivalenți utilizați. Unde debitul de apă extras Qw reprezintă cantitatea de căldură extrasă, înălțimea piezometrică h(r,t) este ξ(r,t), h0 – nivelul acviferului neperturbat devine θ0 (temperatura mediului neperturbat), coeficientul de permeabilitate k devine conductivitatea termică λ.
Tabel 5.3 Echivalența parametrilor de intrare
În figura 5.8 este reprezentată schema unui puț de extracție al apei subterane folosit pentru a exemplifica parametrii din hidraulică echivalați cu cei din transportul de căldură.
Pentru a stabili conductivitatea hidraulică folosim condiția:
unde kfθ coeficientul de conductivitate hidraulică echivalent
n – porozitatea
m – grosimea stratului acvifer
Pentru modelul numeric avem nevoie de a stabili transmisivitatea echivalentă T* care rezultă din condiția ca fluxul calculat cu volumul finit QN să fie identic, la același ∆h, cu cel analitic QA.
Astfel din
și
rezultă:
unde:
k* – este conductivitatea hidraulică echivalentă
rs – raza puțului
∆h înălțimea piezometrică
Pentru transmisivitate echivalentă Tθ folosim relația
pentru transmitivitatea echivalentă T* avem relația:
Pentru introducere parametrului ”debit de injecție/extragere” avem:
Notând cu coeficientul de transformare a debitului
unde
rezultă parametrul ce trebuie introdus ca debit în modelul programului ASMWIN:
În figura 5.9 este reprezentat modul de introducere a parametrilor echivalenți în rețeaua modelului numeric
Având parametrii fixați și integrați în model putem rula și obține rezultatele.
Figura 5.9 Rețeaua de dicretizare a modelului și introducerea parametrilor echivalenți.
5.4 Estimarea influenței mișcării apei subterane asupra puțului de extracție/injecție al unui sistem de utilizare a energiei geotermale de mică adâncime
Sistemele de utilizare a energiei geotermale cu circuit deschis care sunt compuse dintr-un puț de extracție și unul de injecție sunt de obicei aplicate în cazul exploatării energiei geotermale dar și în cazul geotermiei de mică adâncime. Apa răcită și injectată în subteran schimbă distribuția temperaturii din sol în zona puțului de injecție. Această încălzire/răcire poate să se extindă și pe o zonă mai mare reducând sau chiar limitând performanța sistemului, de asemenea prin încălzirea/răcirea subteranului pot apărea efecte negative asupra mediului.
Planificarea și execuția unor sisteme de acest gen necesită modele matematice-numerice complexe a mișcării și transportului căldurii din subteran. Metoda analitică, în comparație cu cea complexă numerică permite o analiză directă a influenței diverșilor parametrii, fapt ce reprezintă un avantaj al aceste metode față de cea numerică.
Ecuația de bază a transferului de căldură 2D în medii poroase pentru sisteme care exploatează energia geotermală are următoarea formă:
unde
θ(x,y,t) este câmpul de temperatură
– este viteza în pori a apei freatice
–
– viteza apei freatice Darcy
R – factorul de retardare ca rezultat a transferului de căldură apă rocă.
(ρC)R and (ρC)w reprezintă capacitatea de căldură specifică pentru rocă și respectiv apă
– tensorul de dispersie globală
ne – porozitatea efectivă
Primii doi termeni ai ecuației 5.17 reprezintă transportul convectiv luând în considerare factorul de retardare. Asta pentru că de-a lungul acestui front:
Acest lucru înseamnă că temperatura de-a lungul acestui front rămâne constantă.
Pentru deducerea ecuației 5.20 s-a folosit următoarele expresii ale componenților vectorilor de viteza:
Aceștia reprezentând componenții vitezei de propagare a frontului de temperatură. rezultă că frontul de propagare al temperaturii poate fi determinat utilizând modelarea mișcării apei freatice. Un prim pas este găsirea soluțiilor pentru mișcarea apei freatice și apoi din relația 5.21 putem determina intervalul de timp al propagării frontului de căldură. În acest sens este foarte productiv să găsești soluții analitice deoarece ele iți dau posibilitatea unei analize rapide a influenței diverșilor parametrii.
Pentru exploatări geotermale relevante se consideră mișcare a apei freatice generată de două puțuri, unul de extracție și unul de injecție. Acest tip de sistem este folosit atât în exploatarea energiei geotermale cât și a geotermiei de mică adâncime. Pentru un asemenea sistem se va analiza influența unei mișcări a apei freatice existente în subteran cu viteza Darcy uniformă VD, produce un unghi ∝ cu axa Ox (fig 5.10)
Cu presupunerea că ambele puțuri au același debit avem:
Viteza V0 este exprimată utilizând gradientul I0 a mișcării apei freatice paralele existente.
z este o variabila complexă ( ex. z = x+iy) iar kf este coeficientul de conductivitate al stratului de apă freatică.
Funcția potențial φ și funcția liniei mișcării ψ pot fi scrise:
Fig. 5.10 Schița sistemului de exploatare energiei geotermale compusă din puț de exploatare și injecție
Din funcția potențial 5.24 putem afla componentele vitezei Darcy a apei freatice după cum urmează:
Presupunând că următoarea relație între înălțimile piezometrice ale celor două puțuri este validă
din:
rezultă că
Rezultă, deci, că pentru un debit Q putem calcula ambele înălțimi piezometrice pentru puțul de injecție și cel de extracție.
Notă, în cazul în care funcția potențial (5.24) devine
Cu aceste relații matematice este posibilă analiza influenței direcției mișcării apei freatice asupra funcționării celor doua puțuri, în cazul în care .
Principala problemă este determinarea influenței existenței unei mișcări a apei subterane asupra performanței sistemului. Deoarece există posibilitatea ca apa răcită de la puțul de injecție să ajungă la puțul de extracție.
Pentru exemplificare s-a analizat câteva cazuri reprezentative.
În cazul 1 apa freatică are o mișcare paralelă cu linia celor două puțuri (axa OX) înspre puțul de extracție (∝=0): Acesta este cel mai important caz. În figura (5.11) avem reprezentat acest caz folosind programul ASMWIN.
Fig. 5.11 Exemplu a influenței dintre cele două puțuri de extracție/injecție cazul 1
În cazul a). puțul de extracție W1 interceptează mișcarea paralelă a apei geotermale și apa răcită ce provine de la puțul de injectare W2 dar nu afectează puțul de extracție.
În cazul b). Apa răcită afectează puțul de exploatare.
Cazul 2. presupune o mișcare paralelă cu linia celor două puțuri (axa OX) înspre puțul de injecție ( fig 5.12)
Fig. 5.12 Exemplu a influenței dintre cele două puțuri de extracție/injecție cazul 2
În cazul 2 puțul de extracție și cel de injecție sunt cuplate formând un circuit închis eliptic.
Cazul 3 presupune o mișcare perpendiculară liniei celor două puțuri (Ox) rezultând unghiul ∝=π/2. În acest caz puțul de injecție nu influențează puțul de producție.
Fig. 5.12 Exemplu a influenței dintre cele două puțuri de extracție/injecție cazul 3
Modelul matematic și soluțiile analitice propuse permit estimarea rapidă a mișcării apei subterane în cazul unui sistem geotermal compus dintr-un puț de injecție și unul de extracție. Modelul numeric bazat pe analogia dintre ecuația transferului de căldură și ecuațiile curgerii apei freatice, a permis modelarea sistemului geotermal printr-un software specializat în mișcarea apei subterane și transportul poluanților în medii poroase. Această analogie permite valorificarea unor soluții cunoscute din modelarea proceselor de transport al poluanților.
STUDIU DE CAZ MODELARE MATEMATICA/NUMERICA CAMPULUI GEOTERMIC PE STAȚIA PILOT-MERKAPT DEBRECEN
6.1 Perimetrul zonei de amenajare a stației pilot
Studiul de caz s-a desfășurat in baza unei colaborări cu firma Merkapt și Universitatea din Debrecen. Clădirea firmei este situată la periferia orașului Debrecen.
Fig 6.1 Clădirea firmei Merkapt
În fig. 6.1 avem ilustrată clădirea firmei Merkapt unde, pentru încălzire, electricitate și apă menajeră s-a utilizat energia geotermică, eoliană și solară. Clădirea deservește ca spațiu de depozitare, birouri și stand experimental pentru cercetarea energiei geotermale mică adâncime.
Fig. 6.2 Repartizarea spațiului util al clădirii (sursă Merkapt)
Costurile inițiale de instalare a sistemelor de utilizare a energiei regenerabile au fost suportate împreună cu ajutorul Uniunii Europene ajungând la suma de 1 800 000 HUF. Pentru monitorizare și control au fost instalate mai multe sisteme.
În studiul de caz am folosit, sistemul de utilizare a energiei geotermice (de mică adâncime). Acest sistem de încălzire este unul bivalent în care se combină energia geotermală, solară si combustibilii fosili.
Sistemul de utilizare a energiei geotermale de mică adâncime este compus din:
două pompe de căldură Stiebel Eltron model WPF 13 M;
centrală termică pe combustibili fosili;
două rezervoare tampon (pentru încălzire/răcire);
un rezervor tampon pentru apă caldă menajeră;
doua cisterne tampon îngropate în pământ pentru încălzire;
16 schimbătoare de căldură verticale PE100 SDR11;
schimbătoare de căldură așezate orizontal în sol la circa 2 m adâncime (2047,5 m);
2 colectori solari din tuburi vidate
4 colectori solari ficși plus încă 2 mobili
colectoare solare KPE
116 senzori de temperatura
33 contoare de energie termică Ray 451
Obiectivul urmărit a constat în stabilirea regimului termic din jurul schimbătoarelor de căldură instalate în jurul clădirii Merkapt, prin metoda analitică și prin metoda numerica (la mantaua forajului și la distanța r, funcție de timp), prezentate în capitolul V. Rezultatele vor fi comparate cu temperaturile obținute în timpul testului de răspuns termic desfășurat pe acest sistem.
Testul de răspuns termic (numit și Test de Răspuns geotermal, TRT) reprezintă o metodă de determinare a conductivității termice a subteranului și a rezistenței termice a forajului, pentru a putea determina cu acuratețe proprietățile termice ale subteranului. Avantajul TRT, în cazul site-ului de la firma Merkapt constă în faptul că datele provenite din acest experiment pot fi utilizate pentru a verifica modelul matematic elaborat pentru soluționarea distribuției temperaturii în timp și spațiu. [5]
Fig. 6. 3 Schema de instalare a TRT[5]
În figura 6.3 avem schițată un model de instalare a echipamentului de testare. Echipamentul este compus dintr-o pompă, o rezistență care încălzește fluidul, senzori care transmit datele unui computer cu software specializat pentru înregistrarea datelor.
Modul de funcționare al TRT-ului constă în introducere unei cantități cunoscute de energie termică într-un schimbător de căldură, (lichidul de lucru, este încălzit și recirculat în sondă), forat în terenul ce urmează a fi folosit pentru extragere/injecție de energie termică. În tot acest timp se înregistrează mai mulți parametrii cum ar fi energia introdusă în sondă, debitul fluidului, temperatura de intrare și ieșire a fluidului din sondă, temperatura exterioară, temperaturile de pe mantaua sondei și din jurul acesteia.
Pentru rezultate cât mai bune este esențial să se seteze sistemul corect și să se reducă influențele externe la minim. Testul durează în mediu 2–3 zile, însă pentru a avea date cât mai corecte, un test mai lung va îmbunătății influențele externe asupra sistemului și fluctuațiile de energie introduse în timpul experimentului.
Experimentul de la Debrecen s-a desfășurat în luna aprilie 2011. Între 4–12 aprilie unitatea de test a fost pornită introducând în sol, în medie 2200 W energie termică pe sonda 10 a sistemului existent.
Fig. 6.4 Variația temperaturii în sonda 10 pe mantaua sondei în timpul TRT (sursa Merkapt)
. După data de 12.04 instalația a fost oprită înregistrându-se în continuare evoluția temperaturilor din subteran. Astfel s-au acumulat ~180 h de funcționare și ~480 h de staționare.
Utilizând datele înregistrate în urma testului se vor pune în practica metoda analitică și numerică (capitolul V), pentru modelarea evoluției în timp a temperaturi la distanța r funcție de t a temperaturii din jurul schimbătorului de căldură.
6.2 Parametrii caracteristici ai zonei de amplasare a stației de pilot
În zona amplasamentului clădirii Merkapt este estimată o temperatura medie a subteranului de:
14°C la o adâncime de 50m adâncime
16°C la 100 m adâncime
În figura 3 avem ilustrată temperatura estimată pentru adâncimea de 50 m și 100 m
Fig. 6.5 Temperatura estimată la 50 și 100 m adâncime (sursa Merkapt)
Temperaturile măsurate cu senzorii de pe schimbătoarele de căldură de la Merkapt sunt mai mici cu ~2-4°C.
Tabel 6.1 Temperaturi înregistrate la Debrecen (sursa Merkapt)
În zona amplasări sondelor de colectare a energiei termice s-a efectuat un foraj până la adâncimea de 100 m pentru a stabili tipurile de sol și a parametrii caracteristici zonei. În figura 6.6 este reprezentat forajul efectuat la Debrecen pentru stabilirea stratificației solului.
Se poate observa că solul este compus din diferite rapoarte de argilă-nisip asemănător terenului din județul Timiș.
Fig. 6.6 Stratigrafia solului din Debrecen (sursa Merkapt)
Conform literaturii de specialitate avem următoarele valori pentru parametrii principali ai transferului termic:
Tabel 6.1 Parametrii principali ai transferului de energie termică
Se observă că pentru pământ umed ce conține proporții diferite de argilă și nisip avem următoarele valori estimate:
Daca există apă subterană efectul acesteia va apărea prin intermediul porozității.
Așadar pentru mediul rocă plus apă vom avea următorii parametrii:
iar
iar
Pe baza stratificației solului se considerat următorii parametrii caracteristici ai solului:
unde ,, reprezintă conductivitatea termică a mediului rocă – apă, capacitatea termică specifică a mediului roc – apă și respectiv difuzivitatea termică a mediului rocă – apă.
6.3 Modelarea analitică a temperaturii în funcție de spațiu și timp
6.3.1 Un ciclu de funcționare
6.3.1.1 Temperatura pe mantaua sondei (r= rs)
Pentru a calcula distribuția temperaturi în funcție de spațiu și timp s-au folosit următorii parametrii:
Observație: Datorită unor măsurători eronate, perioadele de 280 și 300 h din datele din măsurători și modelul analitic nu sunt introduse.
Cu acești parametrii, prin intermediul ecuației (5.4) s-a calculat distribuția temperaturii în timp și spațiu
Deoarece vom putea utiliza aproximarea (5.8)
Tabel 6.2 Măsurători ale valorilor temperaturii la r = rs
Fig. 6.7 Variația temperaturiila la r = rs
În figura 6.7 se prezintă graficul distribuției temperaturilor din subteran pe mantaua sondei numărul zece la diferite adâncimi și media acestora).
Tabel 6.3 Comparație temperatură medie măsurate cu cele calculate
Fig. 6.8 Comparație a temperaturii măsurate cu cea calculată analitic
În figura 6.8 este reprezentat graficul mediei temperaturilor măsurate în subteran și temperaturile calculate cu soluția analitică propusă
Tabel 6.4 Comparație temperaturi măsurate medii cu cele analitice
Fig. 6.9 Comparație a temperaturii măsurate cu cea calculată analitic
În figura 6.9 a fost comparată media măsurătorilor din teren cu rezultatele modelului analitic fără utilizarea temperaturilor de la 10 și 15 m adâncime.
Concluzii referitoare la distribuția temperaturii pentru un ciclu de funcționare, cazul r=rs
Observând rezultatele din tabelele și graficele acestora, expuse mai sus, putem spune că soluția modelului analitic dezvoltat este buna.
Se poate observa o diferență de ~1°C la tF max și ~0,1°C. la T. Scoțând din calcul valorile temperaturilor la adâncimi de 10 și 15 m, a rezultat diferența dintre valoarea medie măsurată și valoarea calculată analitic, la tF max, a scăzut la~0,5°C.
6.3.1.2 Temperatura la r= 2m
Parametrii pentru calcul:
La fel ca și în cazul r= rs vom folosim ecuația (5.4) , cu diferența că pentru vom folosi aproximarea a doua a ecuației (5.8)
Tabel 6.5 Măsurători ale valorilor temperaturii la r = 2m
Fig. 6.10 Graficul măsurătorilor temperaturii la r=2m
În figura 6.10 avem graficul distribuției temperaturilor din subteran la sonda numărul zece la diferite adâncimi și media acestora.
Tabel 6.6 Comparație temperaturi măsurate cu cele calculate pentru r = 2m
Fig. 6.11 Comparație temperaturi măsurate și cele analitice r = 2 m
În figura 6.11 putem observa comparația dintre media valorilor măsurate și rezultatul soluției analitice
Tabel 6.6 Comparație temperaturi medii măsurate cu cele calculate pentru r = 2m
Fig. 6.12 Comparație temperaturi medii măsurate cu cele analitice la r =2m
În figura 6.12 găsim graficul comparației dintre media temperaturii la r= 2m și valoarea calculată analitic, fără valorile la adâncimi de 10 și 25 m.
Concluzii referitoare la distribuția temperaturii pentru un ciclu de funcționare, cazul r=2m
Diferența dintre temperatura medie și cea calculată, T este de ~0,14°C în cazul mediei tuturor valorilor măsurate ale temperaturii și 0,14°C în cazul nefolosirii valorilor adâncimilor de 10 și 25 m
6.3.1.3 Temperatura la r= 3m
Parametrii pentru calcul:
Pentru r = 3m însemnând că vom folosi a doua aproximație a ecuației
Tabel 6.7 Măsurători ale valorilor temperaturi la r = 3m
Fig. 6.13 Valorile temperaturilor măsurate și media lor
În figura 6.12 avem temperaturile măsurate în la 3m depărtare de sondă și media acestora
Tabel 6.8 Comparație valori medii măsurători cu cele calculate analitic
Fig. 6.14 Comparație valorilor medii măsurate cu cele calculate analitic la r=3m
În figura 6.14 este reprezentat graficul comparației dintre valorile măsurate medii și valorile calculate analitic pentru r=3m
Tabelul 6.9 Comparație valori medii măsurători cu cele calculate analitic
Fig. 6.15 Comparație valorilor medii măsurate cu cele calculate analitic la r=3m
În figura 6.15 este reprezentat graficul comparației dintre valorile măsurate medii și valorile calculate analitic fără valorile la adâncimi de 10 și 25 m pentru r=3m
Concluzii referitoare la distribuția temperaturii pentru un ciclu de funcționare, cazul
r = 3m
Măsurătorile arată faptul că variația temperaturi la 3 m față de forajul 10 este de maxim 0,01 °C. între valorile măsurate și cele calculate
6.3.1.4 Temperatura la r= 5m
Parametrii pentru calcul:
Pentru r = 3m însemnând că vom folosi a doua aproximație a ecuației (5.8).
Tabelul 6.10 Măsurători ale valorilor temperaturi la r = 5m
Fig. 6.14 Valorile temperaturilor măsurate pe diferite adâncimi
Tabelul 6.11 Comparație valori medii măsurători cu cele calculate analitic
Fig. 6.15 Comparație valori medie măsurători cu cele calculate analitic
Concluzii referitoare la distribuția temperaturii pentru un ciclu de funcționare, cazul
r = 5m
Măsurătorile arată faptul că variația temperaturi la 5m față de forajul 10 este de maxim 0,15 °C. Acest lucru însemnând că influența funcționării sistemului este relativ mică. În figura 6.15 avem graficul. distribuției temperaturilor medii măsurate la r = 5m și valorile calculate analitic. Diferența dintre temperatura medie și cea calculată, este practic 0°C.
Sintetizând aceste rezultate putem concluziona faptul că soluția analitică propusă dă rezultate satisfăcătoare, în limita a 3 – 4%, necesitând un timp scurt de calcul.
6.3.2 Cazul pentru „n” cicluri de funcționare (prognoza scăderii temperaturii după „n” cicluri de funcționare)
Parametrii de intrare :
Tabel 6.11 Prognoza scăderii de temperatura la sfârșitul a n cicluri când r = rs
Fig. 6.16 Scăderea de temperatură în urma a n cicluri de funcționare când r = rs
Concluzii referitoare la distribuția temperaturii pentru „n” cicluri de funcționare.
După cum se poate observa modelarea analitică arată faptul că după 30 de ani de utilizare conform parametrilor de intrare temperatura la mantaua forajului va scădea cu ~4,5°C, afectând în acest mod performanța sistemului și implicit costuri mai mari de utilizare.
6.4 Modelarea numerică (ASMWIN) a temperaturii în funcție de spațiu și timp
Modelarea numerică a analizat variația temperaturii în funcție de spațiu și timp având ca date de intrare parametrii echivalenți stabiliți în capitolul V.
Pentru început se introduce domeniul de discretizare.
După care se introduce tipul de acvifer, se alege acviferul sub presiune (confined)
Următorul pas este stabilirea condițiilor la limită ale modelului.
Continuăm cu grosimea stratului acvifer. Aquifer top se introduce 100, buttom 0.
Următorul parametru este pasul de timp. Acesta este stabilit la 20h. pentru înălțimea piezometrică inițială a acviferului ( temperatura din sol inițială).
Se va lua în funcție de temperatura înregistrată la sonda 10 din campul geotermic Debrecen:
θ0 – 13.04;12,82;12,63;12,13 °C
Transmisivitatea echivalentă este introdusă pe tot modelul, în puț va fi considerată a fi 1, iar în apropierea forajului va fi calculată:
dacă
și dacă
Introducere parametrului de trasnmisivitate se va realiza precum este descris în figura 6.17
Fig. 6.17 introducerea parametrului de transmisivitate
În continuare se va introduce porozitatea și coeficientul de înmgazinare considerate 0,2.
În meniul packages avem opțiunea de puțuri. Aici trebuie introdus debitul extras sau introdus în puț. În cazul de față debitul introdus.
Pentru debitul echivalent avem:
de unde rezultă rezultă :
După acest pas alegem din meniul rulare modul de rezolvare al modelului.
Figura 6.18 Metode rezolvare a modelului echivalent de transfer de căldură
Rezultatele modelării numerice:
Cazul în care r = rs
Tabel 6.11 Comparație valori măsurate cu valori calculate analitic și numeric
Fig. 6.19 Compararea valorilor obținute prin măsurări numeric și analitic
Cazul în care r = 2m
Tabel 6.12 Comparație valori măsurate cu valori calculate analitic și numeric
Fig. 6.20. Compararea valorilor obținute prin măsurări numeric și analitic
Cazul în care r = 3m
Tabel 6.13 Comparație valori măsurate cu valori calculate analitic și numeric
Fig. 6.21. Compararea valorilor obținute prin măsurări numeric și analitic
Cazul în care r = 5m
Tabel 6.14 Comparație valori măsurate cu valori calculate analitic și numeric
Fig. 6.22 Compararea valorilor obținute prin măsurări numeric și analitic
Concluzii.
Metoda numerică prin echivalența parametrilor, folosită pentru stabilirea distribuției temperaturii în spațiu și timp ne permite să stabilim temperatura într-un punct oarecare din spațiul la timpul folosind un software dedicat mișcării apelor subterane și transportului de poluanți. Graficele prezentate în figurile 6.19, 6.30, 6.21, 6.22 prezintă distribuția temperaturii în subteran funcție de spațiu și timp în comparație cu valorile măsurate și analitice. Se confirmă că modelul dă rezultate bune în comparație cu soluția analitică exactă și măsurătorile din teren.
CAPITOLUL VII CONCLUZII GENERALE
7.1 Conținutul tezei
Lucrarea este structurată pe șapte capitole și cuprinde 120 de pagini, 50 de relații de calcul, 40 de tabele, 80 de figuri. Lista bibliografică cuprinzând 109 titluri.
Teza conține următoarele capitole rezumate pe scurt:
În capitolul I intitulat Introducere, cuprinde o scurtă prezentare a situației energetice mondiale si naționale, marcând rolul si respectiv perspectiva utilizării surselor de energie regenerabile si în cadrul acestora a energiei geotermale de mica adâncime. Se prezintă strategia energetică națională și europeană care urmărește atingerea unor obiective pentru reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră.
În capitolul II, intitulat Sisteme de utilizare a energiei geotermale este prezentată energia geotermală/geotermică, tipuri de resurse geotermale unde s-au descris tehnologiile dezvoltate pentru a utiliza energia geotermală/geotermică. După care au fost prezentate sistemele de utilizare a energiei geotermice cu diferite tipuri de resurse geotermice folosite Pe lângă acestea s-au prezentat costuri estimative ale implementării și funcționării sistemelor de utilizare a energiei geotermice. În final au fost prezentate aspecte de poluare a mediului și obiectivele cercetării doctorale.
Capitolul III, intitulat Estimarea potențialului resurselor geotermale cuprinde descrierea potențialului geotermal pe teritoriul României. Potențialului geotermal al României este prezentat prin prospecțiunea geotermică realizată prin măsurători ale temperaturii ce a permis elaborarea unor hărți geotermale pe acest teritoriu. Sunt prezentate de asemenea rezultatele estimării potențialului energiei geotermale de mare adâncime în județul Timiș în urma studiului efectuat în cadrul unui proiect al Consiliului Local Jimbolia.
Datele furnizate din profilele geotehnice ale unor foraje din zonă municipiului Timișoara permit evaluarea principalilor parametri geotermici cum sunt conductivitatea termica, căldura specifică, densitatea, reprezintă parametri indispensabili pentru analiza interacțiunii termice a schimbătoarelor de căldură cu mediul subteran. și în final permit calcularea potențialul energetic al energiei geotermice din Județul Timiș.
În Capitolul IV, intitulat Bazele modelarii matematice, ecuații generale, formularea matematică a problemelor pentru câmpul temperaturilor în modelarea sistemelor geotermale sunt descriși parametrii caracteristici din cadrul proceselor de transfer de căldură în mediul subteran, considerat un mediu bifazic, apă si solid, care formează mediul poros saturat. Se prezintă o sinteza a ecuațiilor fundamentale a transferului de căldura în medii poroase, luând în considerare principalele procese de transfer: conducția, convecția și dispersia, evidențiind fiecare proces prin reprezentări matematice adecvate. Se pornește de la ecuațiile conducției convecției și dispersiei și se ajunge la ecuația de bază a transferului de căldură în medii poroase o ecuație cu derivate parțiala neliniara.
Capitolul cuprinde și o evaluare numerica a parametrilor caracteristici, in mod deosebit a dispersiei, pentru probleme practice. Se, prezintă in detaliu analogia existenta între ecuația transferului de căldură în medii poroase și ecuația transportului de poluanți în medii poroase, analogie deosebit de utila în modelarea proceselor de transfer de căldura, cu ajutorul (prin intermediul) proceselor de transport a poluanților si a mișcării apelor subterane, existând posibilitatea de a valorifica programe de calcul (software) si soluții cunoscute din modelarea acestor procese (ex. ASMWIN, PMWIN).
În Capitolul V, intitulat Metode de rezolvare și soluții: metode analitice, metode numerice, sunt descrise principalele metode de rezolvare, analitice și numerice pentru soluționarea problemelor practice de transport specifice schimbătoarelor de căldura verticale. Soluțiile analitice și numerice sunt prezentate prin intermediul unor ecuații și formule de calcul direct aplicabile pentru determinarea câmpului de temperaturi din vecinătatea sondelor-schimbătoare de căldură.
La finalul capitolului sunt prezentate rezultate obținute prin aplicarea modelor matematice-numerice prin aplicarea software-ului ASMWIN, bazat pe analogia dintre ecuația transferului de căldura, respectiv ecuația curgerii apei subterane în regim nestaționar.
În capitolul VI intitulat Studiu de caz: Modelarea matematică/numerică a câmpului geotermic la stația plot Merkapt, Debrecen, este prezentată cercetarea efectuată în baza unei colaborări cu Universitatea din Debrecen. Obiectivul urmărit în acest capitol este verificarea modelelor matematice elaborate constând din soluții analitice ale ecuațiilor de transfer de căldura în vecinătatea schimbătoarelor de căldura verticale, prin compararea rezultatelor calculelor cu cele ale maturatorilor experimentale efectuate pe un sistem geotermic realizat la Universitatea Debrecen. Experimentul a constat în punerea în funcțiune controlata a sistemului cu schimbătoare de căldura verticale (sonde verticale de 100m adâncime) cu o durata a injecției de căldura de 180 h, urmata de o perioada de revenire (injecție oprita) de 180h, iar ciclul complet fiind de 400h. Pe toata perioada ciclului au fost măsurate temperaturile la diferite adâncimi si distante explorând astfel în mod sistematic regimul termic în domeniul subteran limitrof schimbătoarelor de căldură.
Rezultatele obținute prin calcul, comparate cu cele măsurate sunt în foarte buna concordanta, confirmând corectitudinea modelelor si soluțiilor analitice propuse.
În capitolul VII intitulat Concluzii, generale sunt sintetizate principalele contribuții aduse în cadrul cercetărilor desfășurate de doctorand. În acest cadru se remarca în mod deosebit soluțiile analitice propuse care constituie o metoda rapida de evaluare a temperaturii pe mantaua schimbătorului de căldura, respectiv în vecinătatea acestuia, în condițiile de funcționare reala, în regim nestaționar real, ciclic, al sistemului geotermic. Formulele stabilite permit evaluarea rapida si prognoza regimului temperaturilor, evoluția acestora pe o perioada ciclica îndelungata de decenii, permițând astfel aprecierea impactului sistemului asupra mediului și asupra sistemului de utilizare a energiei geotermice
Se fac unele recomandări utile și interesante pentru continuarea studiilor unor probleme complexe, încă insuficient elucidate cum ar fi cele legate de problema evoluției interferenței între schimbătoarele de căldură pe o perioada de funcționare îndelungată.
7.2 Contribuții personale
Pe baza unei sinteze bibliografice privind stadiul actual al cercetării și fundamentarea teoretică a problemelor legate de distribuția temperaturi spațial și temporal la mantaua schimbătorului de căldură, asupra rezultatelor simulării se aduc o serie de contribuții dintre care se menționează în mod deosebit:
sintetizarea unui material bibliografic la zi în vederea stabilirii stadiului actual al utilizărilor energiilor regenerabile și în special al celor geotermale în context național și european
identificarea parametrilor fizici reprezentativi pentru sistemele tehnice de exploatare a energiei geotermice de mică adâncime din județul Timiș si estimarea pe aceasta baza a potențialului energiei geotermale de mică adâncime
Dezvoltarea unor soluții analitice pentru evaluarea rapidă a evoluției câmpului de temperatură în spațiu și timp in zona schimbătoarelor de căldură verticale, în regim nepermanent, ciclic, pe mantaua sondelor verticale, respectiv la diferite distante
Propunerea unor aproximări simplificate pentru soluția analitica, care permite evaluarea rapida a modificării temperaturii in timp (prognoza), după un număr arbitrar de mare de cicluri alternative de funcționare, caracteristic sistemelor geotermice de mica adâncime,
Modelarea numerică a variației temperaturii în spațiu și timp in zona sondelor, prin folosirea unor software-uri cunoscute din modelarea mișcării apei subterane (ASMWIN, respectiv PMWIN), folosind o metoda de bazata pe analogia (echivalenta) parametrilor caracteristici din domeniul hidraulicii subterane cu cele caracteristice transferului termic, din mediile subterane unde sunt amplasate schimbătoarelor de căldură
Efectuarea unor măsurători experimentale pe o stație de pilot cu schimbătoare de căldura verticale realizat la Universitatea Debrecen, prin punerea în funcțiune controlata a sistemului cu schimbătoare de căldura verticale (sonde verticale de 100m adâncime) cu o durata a injecției de căldura de 180 h, urmata de o perioada de revenire (injecție oprita) de 180h, iar ciclul complet fiind de 400h; pe toata perioada ciclului au fost măsurate temperaturile la diferite adâncimi si distante explorând astfel în mod sistematic regimul termic în domeniul subteran limitrof schimbătoarelor de căldură.
Verificarea soluțiilor teoretice propuse prin compararea rezultatelor calculelor cu cele ale maturatorilor experimentale constatând o foarte buna concordanta, confirmându-se astfel corectitudinea modelelor si soluțiilor analitice propuse.
7.3 Concluzii și recomandări
Sistemele de utilizare a energiei geotermice de mică adâncime extrag sau introduc căldură în subteran modificând regimul temperaturilor. Această modificare a regimului termic subteran poate duce la efecte nedorite în cazul utilizării necorespunzătoare a acestor sisteme, afectându-le totodată performanțele proprii. În cadrul tezei s-a propus o soluție analitica aproximativă simplificată, care permite calculul distribuției temperaturilor în spațiu și timp și a prognozei temperaturilor la mantaua schimbătoarelor de căldură vertical așezate în sol, in condițiile de funcționare reala a acestor sisteme, in regim nestaționar ciclic. Metoda eficientă și ușor de utilizat a fost testata prin compararea rezultatelor calculate cu temperaturile măsurate la stația pilot, de la firma Merkapt – Debrecen, Ungaria.
Ca si probleme de perspectiva se recomanda:
– Studiul sistematic a problemei interferenței schimbătoarelor de căldură verticale așezate în grupuri (4, 6, 9), pe o perioadă de funcționare îndelungată, urmărindu-se stabilirea distantelor optime pe baza științifica, la ora actuala existând doar recomandări empirice
– Studiul influentei curentului subteran asupra regimului temperaturilor, mai ales in ceea ce privește evoluția spațiala si temporala in zonele limitrofe, sau chiar mai îndepărtate
– Elaborarea unui ghid de calcul pentru proiectarea, implementare și exploatarea sistemelor de utilizare a energiei geotermice pentru încălzire/răcire la gospodarii mici si mijlocii, respectiv mari sau chiar la scara industriala.
BIBLIOGRAFIE
A.T. Constantin., Daivd I., Chebutiu A., Nicoara S.V., Visescu M., The possibility of fitting a pumped storage plant within the complex water development on upper Barzava, Romania, Proc. of the 25th IAHR Symposium on Hydraulic Machinery and Systems, Timisoara, Romania, ISB: 978-606-554-136-8, vol 2, septembrie 2010, pp 863-870. http://iopscience.iop.org/1755-1315/12/1/012109
Abdeen Mustafa Omer_Ground-source heat pumps systems and applications Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 344–371]
Anderson, A., Tannehill, J., Pletcher, R., H., Computational fluid mechanics and heat transfer, Series in Computational methods in mechanics, Taylor&Francis (1984),
Andrew D Chiasson, Advances in modeling of ground-source heat pump systems Faculty of the Graduate College of the Oklahoma State University in partial fulfillment of the requirements for the degree of MASTER of SCIENCE December 1999,
B. Sanner, E. Mands, M. K. Sauer, E. Grundmann, Thermal response test, a routine method to determine thermal ground properties for gshp design, International IEA Heat Pump Conference Zurich, Elveția, 2008
Baliga D., Vișescu M., Ștefanescu C „Natural attenuation – amethod for aquifers rehabilitation” Buletinul stiintific al Universitatii „Politehnica” din Timisoara, seria Hidrotehnica, ISSN: 1224-6042, Ed. Politehnica, Timisoara, Romania, vol 55, nr. 69, septembrie, 2010, pp 303-306
Baumann, M., Laue, H. J., Muller, P., Inormationspaket, Warmepumpen, heizen mit Ümweltenergie, Solarpraxis AG, Berlin, 2008
Bear, J.,(1972), Dynamics of fluids in porous media, American Elsevier. New York, London, Amsterdam
Bear, J.; Bachmat, Ye.: (1992), Indroduction to Modelling of Transport Phenomena in Porous Media. Dordrecht, Boston, London: Kluwer Academic Publishers
Beims, U.: (1983) Planung, Durchführung und Auswertung von Gütepumpversuchen: Angew. Geologie 29 (10), , S. 484 – 492
Brebbia, C. A., Telles, J. C. F., Wrobel, L. C. (1984): “Boundary Element Techniques”, Springer 1984
Brebbia, C.A.; (1989), Dominiquez, I.: Boundary Elements. New York: Introductory Course Mc GRAW-Hill Book Company,
Busch, K.H.; Luckner, L.; Tiemer, K.: (1993), Geohydraulik. Berlin, Stuttgart: Gebrüder Borntraeger,
Chiang W.H, Kinzelbach W , R. Rausch „ASMWIN, Groundwater flow and transport modeling, an integrated program” Berlin / Stuttgart, 1998
Chiang, W. H., Kinzelbach, W., 3D Groundwater modeling with PMWIN, Springer, Berlin, 2001
Chiang, W.H., Kinzelbach, W.: (2005) Groundwater Modelling with PMWIN, Springer, Berlin-Heidelberg
Chung, T. J.: (2005) Finite Element Analysis in fluid Dynamics. New York: Mc Graw-Hill, Inc, 1978
Cohen, M., R., Mercer, W., J, Greenwald, M., R. &Beljin, M.,: (1997), Design Guidelines for Conventional Pump-and- Treat Systems, EPA Ground Water Issue, 540/S-97/504, September
Commission of the European Communities – Communication From The Commission to the European Council and the European Parliament – An Energy Policy For Europe {Sec(2007) 12}Brussels, 10.1.2007
David I., Mathematical- numerical modelling of flow and heat transfer in geothermal reservoir
David, I, A short overview of some results relating the modeling of flow- and transport processes in porous media. Scientific Buletin of th “PPOLITEHNICA” University of Timisoara, Romania, Transaction on HYDROTECHNICS, Tom 55(69), Fasc.1,2, ISSN 124-6042, pg.9-17
David, I. „Grundwasserhydraulik- Strömung und Transportvorgange“, pag 157-173, Ed. Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden, 1998
David, I., Analytical and Boundary Elements based Integral Representation for Numerical Solution of 3-D Potential Problems in Heterogeneous Media Containing Singularities. Proceedings of the 12th WSEAS International Conference on MATHEMATICAL and COMPUTATIONAL METHODS in SCIENCE and ENGINEERING (MACMESE '10), University of Algarve, Faro, Portugal, November 3-5, 2010
David, I., & H, Gerdes, (1998) Coupling Analytical, Boundary, and Finite Element Methods to Develop a Model for Groundwater Flow with singularities, Computational Mechanics Publication, computational Methods in Water Resources, Vol.1, 362-370
David, I., (1998), Analytical Methods to Model the Vacuum Induced Air and Groundwater Flow Using Horizontal Drains for Aquifer Remediation, Computational Mechanics Publication, Advances in Ecological Sciences (ECOSUD-1997), Vol.1., pp.561-570
David, I., Gerdes H., Incorporation of the local three-dimensional flow in the plane BEM to model complex groundwater supply-systems. Madison, Wisconsin, USA: Proceeding of the 17th International Conference BEM, 1995
David, I., M. Vișescu, Ștefănescu, C., Baliga, D., “An approximate method for rapid estimation of the interference of vertical heat exchangers in a near surface geothermal installation”, Proc. of the 34th Annual Congress of the American Romania Academy of Arts and Science, pp 495-499,București, Mai, 2010
David, I., Pisleaga, M., Visescu, M., Stefanescu, C.: (2010), Numerical experiment to determine the influence of the particle number of the random walk simulation method for heat and pollutant transport in the aquifer. International workshop “Global and regional in environmental protection”, Balkan Environmental Association (B.EN.A.) , 26-28 November, Timisoara – ROMANIA 2010
David, I., Vișescu, M., “Analytical solution for estimating the influence of a pre-existing uniform ground water flow on a geothermal heat production-injection well system”, I nternational Review of Applied Sciences and Engineering, Budapesta, Ungaria, Vol. 2, nr 1 ian. 2011, pp 13-17
David, I., A mathematical method to calculate stratified immiscible fluid flows for aquifer remediation, Computational Mechanics Publication, Vol.1,2002 pp. 305-312
David, I., Grundwasserhydraulik. Strömungs- und Transportvorgänge. Vieweg Verlag, Wiesbaden 1998
David, I., Grundwasserfassungsanlagen mit Filterrohren. Technische Berichte. Institut für Hydraulik und Hydrologie der TH Darmstadt, 1977, Nr. 19
David, I.: (1982) Numerische Verfahren und ihre Anwendungen in der GW Hydraulik. Manuskript zur Vorlesung SS 1992. Institut für Wasserbau TH Darmstadt, 1992
David, I. Numerische Modelle zur Simulation der Grundwasserströmung (Die Randelemente-Methode für 1-D Grundwasserströmungen). Academia Romana: Studii si ceretari de mecanica aplicata, 1989, tom 48
David, I., Analytical Element Method for Modeling Coupled Internal and External Ground Water Flow in horizontal drains and Partially Penetrating Recharge Wells. In: Proceedings of the International Conference on the Analytical Element Method for the modelling of groundwater flow and applications in environmental sciences, Saint Etienne, France, 2003
David I., Mathematical- numerical modelling of flow and heat transfer in geothermal reservoir, Tamop – 4.4.4-08/1-2008-0017, Geotermikus rendszerek fenntarthatosaganak integralt modellezese.
De Marsily, G.: (1986) Quantitative hydrology-Groundwater hydrology for engineers. Orlando, San Diego, New York: Academic Press, 1986
Ene, H. I.; Gogonea, S.: (1973) Probleme in teoria filtratiei. Bucuresti: Editura Academiei, 1973
European Council and the European Parliament – An Energy Policy For Europe {Sec(2007) 12}
Fisher, H. et al: (1979), Mixing in Inland and Coastal Waters. New York: Academic Press, 1979
Fried, J.: (1975) Groundwater pollution. Development in Water Science, Vol. 4, Elsevier Scientific Publishing Co., New York (3305), 1975
Gaba, A., Transferul de căldură în instalații industriale, Editura Bibliotheca, Târgoviște, 2003
Gheorghita, St. I.: (1966) Metode matematice in hidrogazodinamica subterana. Bucuresti: editura Academiei, 1966
Gupta, H., Roy, S., Geothermal energy, an alternative resource for the 21th century, Ed. Elsevier, 2007,
Häfner, F.; Sames, D.; Voigt, H-D.: (1992) Wärme- und Stofftransport. Mathematische Methoden. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag, 1992
Hennicke, P., Fischedick, M.,. Erneuerbare Energien, mit Energieeffizienz zur Energiewende, C.H.Beck oHG, Munchen, 2007
Hirsch, C.,: (2000), Numerical Computation of internal and external Flows, Vol. 1 andVol. 2 John Wiley&Sons, New York
Hölting, B.: Hydrogeologie: Ferdinand Enke Verlag Stuttgart, 1992
Institut für Geotechnik, Universität Stuttgart Dipl.-Geol. Marcus Schneider PSP Beratende Ingenieure, München, Institut für Geotechnik, Universität Stuttgart
Kaltschmitt, M., Huenges, E., Wolff, H., Energie aus Erdwarme, Geologie, Technik und Energiewirtschaft, Spektrum Akademischer, Germania, 2009
Kaltschmitt, M., Streicher, W., Wiese, A.,: (2007), Renewable Energy, Technology,Economics and Environment 2007, Ed Springer
Kinzelbach, W.: (1987) Numerische Methoden zur Modellierung des Transportes von Schadstoffen im Grundwasser. München: R. Oldenburg Verlag
Kinzelbach, W.; Rausch, R.: (1995), Grundwassermodellierung. Berlin-Stuttgart: Gebrüder Borntraeger
Kobus, H.: (1992), Schadstoff im Grundwasser. DFG. Deutsche Forschungsgemeinschaft. Band 1. Wärme und Schadstofftransport im Grundwasser. VCH. Weinheim, Basel, Cambridge, New York,
Kobus, H.: (1993), Versuchseinrichtung zur Grundwasser- und Altlastensanierung VEGAS- Konzeption und Programmrahmen. Heft 82. Mitteilungen des Instituts für Wasserbau. Universität Stuttgart
Kobus, H.: (1995), Grundwasserhydraulik. Arbeitsunterlagen zur Vertiefervorlesung. Institut für Wasserbau, Universität Stuttgart
Kohlsch O. Oberflachennache geotermie, Erdwarmedonden – systeme unde wirtscheftlichkeit anhand von Praxisbeispielen, 2007
Konikow, L.; Bredehoeff, J., D.: (1984), Computer model of two-dimensional solute transport and dispersion in ground water. Technique of Water-Resources Investigation of the United States Geological Survey. Book 7. United States Gouvernment Printing Office, Washington
Ligett, I.; Liu, Ph.: (1983), The Boundary Integral Equation Method for Porous Media Flow. London: George Allen & UNWIN
Loose P., Erdwarme-nutzung, Versorgungstechnische Planung und Berechnung, C.F. Muller, Germania 2007
Lund, J. W., 100 years of geothermal power production, GHC Bulletin, 2004
M. Rosca, M. Antics: Curent status of geothermal energy utilization in Romania International Geothermal days, Polonia 2004
M. Rosca1, M. Antics2, M. Sferle3 Geothermal Energy in Romania: Country Update 2000-2004 Proceedings World Geothermal Congress 2005 Antalya, Turkey, 24-29 April 2005
Marcel Rosca, Geotermalism și centrale geotermale
Marinov, Anca Marina, Dispersia poluantilor in apele subterane, Ed. Printech, 2005, ISBN 973-718-366-5
Mary H. Dickson and Mario Fanelli What is Geothermal Energy Istituto di Geoscienze e Georisorse, CNR , Pisa, Italy Prepared on February 2004
Michopoulos,A., Kyriakis, N.,: (2009), Predicting the fluid temperature at the exit of the vertical ground heat exchangers. Applied Energy 86, pg 2065 – 2070
Muffler, P. and Cataldi, R., 1978. Methods for regional assessment of geothermal resources. Geothermics 7 (2-4)pp (53-89)
Mugur Balan, Energii regenerabile, Universitatea Tehnica din Cluj Napoca 2007
Muskat, M.: (1937), The Flow of Homogeneous Fluids through Porous Media. McGraw-Hill, Ann Arbor, Michigan
Nichici,A. Lucrări științifice, concepere, redactare, comunicare, Editura Politehnica, Timișoara, 2008
Pinder, F.G.; Gray, W.: (1977), Finite Element Simulation in Surface and Subsurface Hydrology. New York, London: Academic Press
Polubarinova-Kochina, P., Ja.: (1962), Theory of groundwatermovement: Princeton University Press
Pozrikidis, C., “Boundary integral and singularity methods for linearized viscous flow”, Cambridge University Press, 1992
Rogobete, Gh., Țărău, D., Solurile și ameliorarea lor: Harta solurilor Banatului, Editura Marineasa, Timișoara, 1997
Roman Octavian Chiriac. Cercetari privind unele particularitati ale proiectarii geotehnice in conditiile seismice din zona banat-timisoara. Timisoara : Politehnica, 2009.
Rosca M, Geotermalism și centrale geotermale curs
Rosca, M., Antics, M., Curent status of geothermal energy utilization in romania International Geothermal days, Polonia 2004
Rosca, M., Antics, M., Sferle, M., Geothermal Energy in Romania: Country Update 2000-2004 Proceedings World Geothermal Congress 2005 Antalya, Turkey, 24-29 April 2005
Sârbu, I., Kalmár,F., Cinca, M., Instalații termice interioare, optimizare și modernizare energetică, Editura Politehnica, Timișoara, 2007
Schwarz, R. H.: (1991), Methoden der finiten Elemente: B. G. Teubner Stuttgart,
Spitz, K. H.: (1985), Einfluss von Inhomogenität und Dichteunterschieden, Mitteilungen des Instituts für Wasserbau, Universität Stuttgart
Strack, O.: (1989), Groundwater Mechanics, New Jersey: Prentice Hall
Șumălan, I., David, I., (2007): A Simplified Method to Represent Singularity Conditions for Groundwater Flow by Finite Volume Method (Case Study MODFLOW), Buletinul Științific al Universității "Politehnica" din Timișoara, Transactions on Hydrotechnics, Tom 52(66), Fascicola 1
Unger, J., Alternative Energietechnik, Vieweg+Teubner, Wiesbaden, 2009
Vermeer, P., Schneider, M., Einführung in die oberflächennahe Geothermie, Institut für Geotechnik, Universität Stuttgart, München, Institut für Geotechnik, Universität Stuttgart
Verruijt, A.: (1970), Theory of Groundwater Flow. London: McMillan Press
Viczai, J.: (2008), Geothermal energy mining, Peridica Politechnica, Mechanical Engineering, 52/2 (2008) 103-106
Warmeklau durch Geothermie – technische unde rechtliche Aspekte Wasser und Abfall 9/2009
Witte HJL, Gelder GJ van, Spitler JD. (2002). In-situ measurement of ground thermal conductivity: The Dutch perspective. Ashrae Transactions 108(1)
Zang, M., David, I.,: (2005), A Multi-Object Singularity Method for Potential Problems in heterogeneous Continuum Media, Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, 03200, 2005, SRef-ID: 1607-7962/gra/EGU05-A-03200
Zang, M.,: (2005), Numerische Integralobiekte. Eine Methode zur Modellierung von Strömungsvorgängen in porösen Medien. Dissertation, Shaker Verlag
Zienkiewicz, O.C.; Taylor, R.L.: (1989), The Finite Element Method Vol I and II. London, New York: McGraw Hill Book Company
**** http://ro.wikipedia.org/wiki/Litosfer%C4%83
****2007 Survey of Energy Resources World Energy Council 2007, World Energy Council,.http://www.worldenergy.org/publications/survey_of_energ_resources_2007/default.asp „Used by permission of the World Energy Council, London, www.worldenergy.org”
****2010 Survey of Energy Resources World Energy Council 2010, http://www.worldenergy.org/publications/3040.asp „Used by permission of the World Energy Council, London, www.worldenergy.org”
****EAS-ERIA Biodiesel Fuel Trade Handbook: 2010 http://www.eria.org/pdf/Publication/Others/EAS- RIA%20BFTH2010/ENERGY_SITUATION_IN_THE_WORLD.pdf
****Energy Information Agency, International Energy Statistics, http://www.eia.gov/cfapps/ipdbproject/iedindex3.cfm?tid=44&pid=44&aid=1&cid=ww,&syid=2004&eyid=2008&unit=QBTU
****http://en.wikipedia.org/wiki/geothermal_energy
****http://iga.igg.cnr.it/geo/geoenergy.php 2011
****http://www.energetica-oradea.ro/cursuri/geotermalism-si-centrale-geotermale/index.php
****http://www.gov.ns.ca/nse/water/docs/droponwaterFAQ_SurfaceWater-HeatPumps.pdf
****http://www.hvac.okstate.edu/research/Documents/chiasson_thesis.pdf
****Population Division of the Department of Economic and Social Affairs of the United Nations Secretariat, World Population Prospects: The 2010 Revision, http://esa.un.org/unpd/wpp/index.htm, Monday, June 2011
****www.geothermal-energy.org/files-31.html
Commission of the European Communities – Communication From The Commission to the European Council and the European Parliament – An Energy Policy For Europe {Sec(2007) 12} Brussels, 10.1.2007 Com(2007) 1 Final
Fraunhofer, Suport la dezvoltarea unui concept durabil pentru valorificarea energiilor regenerabile din județul Timiș, http://www.jimbolia.ro/documents/publicatii/2009/20091218_Studiu_EnergiiRegenerabile_EficientaEnergetica.pdf
Strategia energetică a româniei si programe de realizare pentru perioada 2007 – 2020
Studiu privind evaluarea potențialului energetic actual al surselor regenerabile de energie în romania (solar, vânt, biomasă, microhidro, geotermie), identificarea celor mai bune locații pentru dezvoltarea investițiilor în producerea de energie electrică neconvențională http://www.minind.ro/domenii_sectoare/energie/studii/potential_energetic.pdf
World Energy Outlook 2010 © OECD/IEA,
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: IMPACTUL SISTEMELOR DE UTILIZARE A ENERGIEI GEOTERMALE DE MICĂ ADÂNCIME ASUPRA REGIMULUI TERMIC SUBTERAN [307772] (ID: 307772)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.