Sistema Geotérmico

1.4.2 Características e utilização dos sistemas geotérmicos

Os sistemas geotérmicos são constituídos por três componentes principais: uma fonte de calor, um dissipador de calor e um permutador de calor. Tipicamente a fonte de calor é o solo enquanto o dissipador de calor é um ambiente construído (em geral, uma estrutura). Contudo, o oposto também pode ocorrer, ou seja, a fonte de calor é um ambiente construído enquanto que o dissipador de calor é o solo. O permutador de calor é geralmente constituído por um ou mais elementos contendo um fluido que transfere o calor entre a fonte de calor e o dissipador de calor.

O emprego do solo como reservatório de calor, que é uma fonte de calor ou um dissipador, é o resultado de longos desenvolvimentos históricos que muitas vezes só podem ser abordados com base em considerações indirectas (Cataldi, 1999). Alguns exemplos de desenvolvimento inicial do seu tipo são listados a seguir. No início dos tempos sumério e acádio, o solo era utilizado como dissipador de calor para armazenar gelo (e alimentos) nas chamadas “casas de gelo” construídas parcial ou completamente subterrâneas (por exemplo, Dalley, 2002), com base na afeição limitada desses ambientes às condições térmicas de superfície. No paleolítico e na época romana antiga, o solo era utilizado como fonte de calor para banhos e aquecimento do espaço (por exemplo, Armstead, 1973), com base na presença de fontes de água quente no subsolo (por exemplo, fontes termais). Em 1904 o solo foi utilizado como fonte de calor para a produção de energia eléctrica através da construção da primeira central geotérmica pelo Príncipe Piero Ginori Conti em Itália (e.g. Lungonelli, 2003).

Uma característica chave dos sistemas geotérmicos é a forma como a energia térmica que é colhida do solo é utilizada através de tais sistemas. Em sistemas geotérmicos pouco profundos, uma utilização indirecta da energia geotérmica é tipicamente feita. Máquinas ou dispositivos que modificam (aumentam ou diminuem) a entrada de energia transferida entre o solo e o ambiente alvo, além de máquinas ou dispositivos que forçam o fluxo (troca de calor) de um fluido portador de calor entre eles, são empregados em tais casos. Em sistemas geotérmicos profundos pode ser feita uma utilização directa da energia geotérmica quando uma utilização indirecta não é visada. Ao contrário do caso anterior, máquinas que modificam a energia transferida entre o solo e o ambiente alvo podem ser evitadas nesta circunstância e apenas máquinas que forçam um fluido portador de calor a fluir entre o solo e o ambiente alvo são necessárias.

Sistemas geotérmicos superficiais podem ser utilizados para fornecer aquecimento, arrefecimento e água quente, utilizando temperaturas disponíveis no subsolo inferiores a 25ºC. Estes sistemas são adequados para uso doméstico e em pequena escala em quase todas as localizações geográficas. Os sistemas geotérmicos profundos podem ser utilizados para fornecer aquecimento e água quente, bem como energia eléctrica, utilizando temperaturas disponíveis no subsolo superiores a 25ºC e até 200ºC . Estes sistemas são adequados para utilizações de média a grande escala, mas podem ser aplicados em locais mais específicos do que os sistemas geotérmicos pouco profundos.

Além da classificação anteriormente proposta para os sistemas geotérmicos, um critério adicional é frequentemente utilizado para caracterizar estes sistemas e está relacionado com a presença de laços fechados ou abertos no permutador de calor. Com base neste critério, os sistemas geotérmicos podem ser classificados na maioria dos casos como sistemas em ciclo fechado ou em ciclo aberto. Os sistemas de ciclo fechado utilizam uma mistura à base de água que circula através de tubos selados para transferir o calor do solo para a superestrutura ou vice-versa. Os sistemas de ciclo aberto utilizam directamente água subterrânea extraída ou injectada em aquíferos através de poços no processo de troca de calor considerado.

A diferença crucial entre os sistemas de ciclo fechado e os de ciclo aberto é que nos últimos ocorre troca de massa, em contraste com os primeiros, e a transferência de calor é mais favorável. No entanto, embora forneçam o maior rendimento energético, os sistemas de ciclo aberto requerem um maior contributo financeiro e apresentam riscos técnicos relacionados, por exemplo, com a poluição subterrânea (Boënnec, 2008). Como não há troca de massa com o solo, os sistemas de ciclo fechado minimizam os riscos ambientais e os problemas de precipitação mineral e não exigem a necessidade de obter licenciamento extractivo (Narsilio et al., 2014). Os sistemas geotérmicos superficiais podem ser de ciclo aberto ou fechado. Os sistemas geotérmicos profundos são de ciclo aberto.

Fig. 1.11 apresenta exemplos típicos de sistemas geotérmicos rasos e profundos. Os sistemas geotérmicos rasos típicos são furos geotérmicos horizontais, cestos geotérmicos, sistemas de captação de águas subterrâneas, furos geotérmicos verticais e geoestruturas energéticas. Os sistemas geotérmicos profundos típicos são fontes termais, hidrotermais e petrotermais.

Figure 1.11. Classificação dos sistemas geotérmicos.

Modificado após Geothermie Schweiz.

Furos geotérmicos horizontais são os sistemas geotérmicos de tipo mais raso. Estes sistemas consistem tipicamente em tubos de polietileno fechados lavrados ou escavados horizontalmente no solo junto a edifícios a poucos metros de profundidade (de uma profundidade de z= 2-5 m). Nos tubos um fluido transportador de calor circulante permite a troca do calor presente no solo (predominantemente como consequência da radiação solar), especialmente para fins de aquecimento em aplicações residenciais, agrícolas, ou de aquacultura. No entanto, os objectivos de armazenamento também podem ser alcançados nas situações em que os furos são colocados debaixo dos edifícios.

Cestos geotérmicos representam um sistema mais compacto que os furos geotérmicos horizontais e podem ser utilizados para fins semelhantes. Estes sistemas são tipicamente enterrados no solo a poucos metros de profundidade (de uma profundidade de z= 2-10 m) e consistem em tubos fechados de polietileno fixados numa geometria espiral na qual flui um fluido portador de calor. Aplicações onde as espirais estão localizadas em reservatórios de água de superfície próximos a edifícios também são possíveis, desde que tais reservatórios estejam localizados em profundidade suficiente para evitar condições problemáticas para o funcionamento do sistema, por exemplo, o congelamento da água do reservatório e, portanto, do fluido transportador de calor circulante nos tubos.

Sistemas de captação de água subterrânea empregam poços abertos rodeados por reservatórios de água subterrânea localizados em profundidades rasas (a partir de uma profundidade de z= 5-20 m). Estes sistemas podem ser aplicados quando não existem restrições hidrológicas, geológicas e ambientais. Eles são tipicamente utilizados para fins de aquecimento extraindo a energia térmica presente na água subterrânea. Para pequenas construções, podem ser utilizados poços únicos. As construções maiores geralmente requerem poços duplos. Os poços de extracção e injecção podem ser utilizados para assegurar um campo térmico subterrâneo equilibrado, essencial para o desempenho e, em alguns casos, preocupações ambientais.

Poços geotérmicos verticais consistem em tubos de polietileno fechados que estão embutidos verticalmente no solo abaixo ou junto a edifícios a profundidades maiores do que as aplicações anteriores (a partir de uma profundidade de z= 50-300 m). Um material de enchimento (por exemplo, bentonite) é normalmente colocado no furo para melhorar a troca de calor entre o solo e os tubos. Um fluido transportador de calor que circula nos tubos permite a troca de calor para aquecimento, arrefecimento, armazenamento e produção de água quente nos mais diversos tipos de construção. Os furos individuais podem abastecer pequenas construções residenciais. Os furos de sondagem são necessários quando se pretende abastecer com energia térmica construções de maior dimensão. Entradas de energia superiores às transferidas através de sistemas geotérmicos rasos podem ser obtidas através de furos geotérmicos verticais, devido aos níveis de temperatura mais elevados que caracterizam o solo nas profundidades consideradas.

As geo-estruturas energéticas são novos sistemas geotérmicos que acoplam (a partir de uma profundidade de z=10-50 m) o papel de suporte estrutural de qualquer estrutura em contacto com o solo com o papel de permutador de calor de sistemas geotérmicos rasos com resultados comparáveis e ainda mais favoráveis do que os sistemas anteriormente descritos.

Molas térmicas podem geralmente ser classificadas como sistemas geotérmicos profundos, embora também possam ser encontradas em profundidades características dos sistemas geotérmicos rasos. Estes sistemas utilizam poços abertos rodeados por reservatórios de água quente subterrânea que se encontram relativamente profundos no subsolo (de uma profundidade de z= 500-1000 m). São tipicamente utilizados para fins balneares e médicos extraindo a energia térmica presente na água subterrânea.

Sistemas geotérmicos extraem águas subterrâneas através de poços abertos a partir de profundidades que permitem que a temperatura e a energia térmica presentes sejam suficientemente elevadas para realizar aplicações de aquecimento em larga escala (a partir de uma profundidade de z= 1000-4000 m). Os usos típicos destes sistemas são para aquecimento distrital, mas o aquecimento de grandes construções industriais ou agrícolas também pode ser convenientemente alcançado.

Sistemas retrotérmicos também extraem águas subterrâneas através de poços abertos, mas de profundidades mais profundas que os sistemas hidrotérmicos (a partir de uma profundidade de z= 4000-6000 m). A temperatura e energia térmica presente na água a estas profundidades pode ser utilizada para a produção e fornecimento de energia eléctrica em larga escala.