Aquecimento geotérmico - Geothermal heating

O aquecimento geotérmico é o uso direto da energia geotérmica para algumas aplicações de aquecimento. Os humanos têm aproveitado o calor geotérmico dessa forma desde o Paleolítico. Aproximadamente setenta países fizeram uso direto de um total de 270 PJ de aquecimento geotérmico em 2004. Em 2007, 28 GW de capacidade de aquecimento geotérmico foram instalados em todo o mundo, atendendo a 0,07% do consumo global de energia primária. A eficiência térmica é alta, uma vez que nenhuma conversão de energia é necessária, mas os fatores de capacidade tendem a ser baixos (cerca de 20%), uma vez que o calor é mais necessário no inverno.

A energia geotérmica se origina do calor retido na Terra desde a formação original do planeta, da decomposição radioativa dos minerais e da energia solar absorvida na superfície. A maior parte do calor geotérmico de alta temperatura é coletado em regiões próximas aos limites das placas tectônicas, onde a atividade vulcânica aumenta perto da superfície da Terra. Nessas áreas, o solo e a água subterrânea podem ser encontrados com temperaturas superiores à temperatura alvo da aplicação. No entanto, mesmo o solo frio contém calor, abaixo de 6 metros (20 pés) a temperatura do solo não perturbada está consistentemente na temperatura média anual do ar e pode ser extraída com uma bomba de calor de fonte no solo .

Formulários

Principais países que usaram o maior aquecimento geotérmico em 2005
País Produção
PJ / ano
Capacidade
GW

Fator de capacidade

Aplicações dominantes
China 45,38 3,69 39% tomando banho
Suécia 43,2 4,2 33% bombas de calor
EUA 31,24 7,82 13% bombas de calor
Peru 24,84 1,5 53% aquecimento urbano
Islândia 24,5 1,84 42% aquecimento urbano
Japão 10,3 0,82 40% banho ( onsens )
Hungria 7,94 0,69 36% spas / estufas
Itália 7,55 0,61 39% spas / aquecimento ambiente
Nova Zelândia 7,09 0,31 73% usos industriais
63 outros 71 6,8
Total 273 28 31% aquecedor de ambiente
Uso direto de calor geotérmico por categoria em 2015, adaptado de John W. Lund
Categoria GWh / ano
Bombas de calor geotérmicas 90.293
Tomar banho e nadar 33.164
Aquecedor de ambiente 24.508
Aquecimento de estufa 7.407
Aquecimento de tanques de aquicultura 3.322
Usos industriais 2.904
Resfriamento / derretimento de neve 722
Secagem de agricultura 564
Outras 403
Total 163.287

Há uma grande variedade de aplicações para o calor geotérmico barato, incluindo aquecimento de casas, estufas, banho e natação ou usos industriais. A maioria das aplicações usa geotérmico na forma de fluidos quentes entre 50 ° C (122 ° F) e 150 ° C (302 ° F). A temperatura adequada varia para as diferentes aplicações. Para o uso direto do calor geotérmico, a faixa de temperatura para o setor agrícola está entre 25 ° C (77 ° F) e 90 ° C (194 ° F), para o aquecimento ambiente fica entre 50 ° C (122 ° F) e 100 ° C (212 ° F). Os tubos de calor estendem a faixa de temperatura até 5 ° C (41 ° F) à medida que extraem e "amplificam" o calor. O calor geotérmico superior a 150 ° C (302 ° F) é normalmente usado para geração de energia geotérmica .

Em 2004, mais da metade do calor geotérmico direto foi usado para aquecimento de ambientes e um terço foi usado para spas. O restante foi usado para uma variedade de processos industriais, dessalinização, água quente sanitária e aplicações agrícolas. As cidades de Reykjavík e Akureyri canalizam água quente de usinas geotérmicas sob estradas e calçadas para derreter a neve. A dessalinização geotérmica foi demonstrada.

Os sistemas geotérmicos tendem a se beneficiar de economias de escala, então a energia do aquecimento ambiente é frequentemente distribuída para vários edifícios, às vezes comunidades inteiras. Essa técnica, há muito praticada em todo o mundo em locais como Reykjavík , Islândia ; Boise , Idaho ; e Klamath Falls , Oregon ; é conhecido como aquecimento urbano .

Somente na Europa, 280 usinas de aquecimento geotérmico distrital estavam em operação em 2016, de acordo com o Conselho Europeu de Energia Geotérmica (EGEC), com uma capacidade total de aproximadamente 4,9 GWth.

Extração

Algumas partes do mundo, incluindo porções substanciais do oeste dos EUA, são sustentadas por recursos geotérmicos relativamente rasos. Condições semelhantes existem na Islândia, em partes do Japão e em outros pontos geotérmicos em todo o mundo. Nessas áreas, a água ou o vapor podem ser capturados de fontes termais naturais e canalizados diretamente para radiadores ou trocadores de calor . Alternativamente, o calor pode vir do calor residual fornecido pela cogeração de uma usina elétrica geotérmica ou de poços profundos em aquíferos quentes. O aquecimento geotérmico direto é muito mais eficiente do que a geração de eletricidade geotérmica e tem requisitos de temperatura menos exigentes, por isso é viável em uma ampla faixa geográfica. Se o solo raso estiver quente, mas seco, o ar ou a água podem ser circulados através de tubos de terra ou trocadores de calor de fundo de poço que atuam como trocadores de calor com o solo.

O vapor sob pressão de recursos geotérmicos profundos também é usado para gerar eletricidade a partir da energia geotérmica. O Projeto de Perfuração Profunda da Islândia atingiu um bolsão de magma a 2.100 m. Uma caixa de aço cimentada foi construída no orifício com uma perfuração no fundo próximo ao magma. As altas temperaturas e pressão do vapor de magma foram usadas para gerar 36 MW de eletricidade, tornando o IDDP-1 o primeiro sistema geotérmico aprimorado por magma do mundo.

Em áreas onde o solo raso é muito frio para fornecer conforto direto, ainda é mais quente do que o ar de inverno. A inércia térmica do solo raso retém a energia solar acumulada no verão e as variações sazonais da temperatura do solo desaparecem completamente abaixo dos 10m de profundidade. Esse calor pode ser extraído com uma bomba de calor geotérmica com mais eficiência do que pode ser gerado por fornos convencionais. As bombas de calor geotérmicas são economicamente viáveis, essencialmente em qualquer lugar do mundo.

Em teoria, a energia geotérmica (geralmente resfriamento) também pode ser extraída da infraestrutura existente, como encanamentos de água municipais.

Bombas de calor de origem subterrânea

Em regiões sem recursos geotérmicos de alta temperatura, uma bomba de calor de fonte subterrânea (GSHP) pode fornecer aquecimento e resfriamento. Como uma geladeira ou ar condicionado, esses sistemas usam uma bomba de calor para forçar a transferência de calor do solo para o prédio. O calor pode ser extraído de qualquer fonte, não importa o quão frio seja, mas uma fonte mais quente permite maior eficiência. Uma bomba de calor de fonte subterrânea usa o solo raso ou água subterrânea (normalmente começando em 10–12 ° C ou 50–54 ° F) como uma fonte de calor, tirando vantagem de suas temperaturas sazonalmente moderadas. Em contraste, uma bomba de calor de fonte de ar extrai calor do ar (ar externo mais frio) e, portanto, requer mais energia.

GSHPs circulam um fluido transportador (geralmente uma mistura de água e pequenas quantidades de anticongelante) através de circuitos de tubos fechados enterrados no solo. Os sistemas de residência única podem ser sistemas de "campo de loop vertical" com furos de 50-400 pés (15-120 m) de profundidade ou, se houver terreno adequado para valas extensas, um "campo de loop horizontal" é instalado aproximadamente seis pés abaixo da superfície. Conforme o fluido circula no subsolo, ele absorve o calor do solo e, no seu retorno, o fluido aquecido passa pela bomba de calor que usa eletricidade para extrair o calor do fluido. O fluido resfriado é enviado de volta ao solo, continuando assim o ciclo. O calor extraído e o gerado pelo eletrodoméstico da bomba de calor como subproduto é utilizado para aquecer a casa. A adição do circuito de aquecimento do solo na equação de energia significa que significativamente mais calor pode ser transferido para um edifício do que se apenas eletricidade tivesse sido usada diretamente para aquecimento.

Mudando a direção do fluxo de calor, o mesmo sistema pode ser usado para circular a água resfriada pela casa para resfriamento nos meses de verão. O calor é exaurido para o solo relativamente mais frio (ou para as águas subterrâneas), em vez de distribuí-lo para o ar quente externo como um ar condicionado faz. Como resultado, o calor é bombeado através de uma diferença de temperatura maior e isso leva a uma maior eficiência e menor uso de energia.

Esta tecnologia torna o aquecimento do solo economicamente viável em qualquer localização geográfica. Em 2004, estima-se que um milhão de bombas de calor de fonte subterrânea com uma capacidade total de 15 GW extraíram 88 PJ de energia térmica para aquecimento de ambientes. A capacidade global da bomba de calor de fonte subterrânea está crescendo 10% ao ano.

História

A piscina mais antiga conhecida alimentada por uma fonte termal, construída na dinastia Qin no século 3 a.C.

As fontes termais têm sido usadas para banhos pelo menos desde os tempos do Paleolítico. O spa mais antigo conhecido é uma piscina de pedra no Monte Li, na China , construída na dinastia Qin no século 3 aC, no mesmo local onde o palácio Huaqing Chi foi posteriormente construído. Energia geotérmica fornecida por aquecimento urbano canalizado para banhos e casas em Pompéia por volta de 0 DC. No primeiro século DC, os romanos conquistaram Aquae Sulis na Inglaterra e usaram as fontes termais para alimentar os banhos públicos e o piso aquecido . As taxas de admissão para esses banhos provavelmente representam o primeiro uso comercial da energia geotérmica. Uma banheira de hidromassagem de 1.000 anos foi localizada na Islândia , onde foi construída por um dos colonos originais da ilha. O sistema geotérmico de aquecimento urbano mais antigo do mundo em Chaudes-Aigues , França, está em operação desde o século XIV. A mais antiga exploração industrial começou em 1827 com o uso de vapor de gêiser para extrair ácido bórico da lama vulcânica em Larderello , Itália.

Em 1892, o primeiro sistema de aquecimento distrital da América em Boise, Idaho , foi alimentado diretamente por energia geotérmica e logo foi copiado em Klamath Falls, Oregon em 1900. Um poço geotérmico profundo foi usado para aquecer estufas em Boise em 1926, e gêiseres foram usados para aquecer estufas na Islândia e na Toscana quase ao mesmo tempo. Charlie Lieb desenvolveu o primeiro trocador de calor de fundo de poço em 1930 para aquecer sua casa. O vapor e a água quente dos gêiseres começaram a ser usados ​​para aquecer casas na Islândia em 1943.

Por esta altura, Lord Kelvin já tinha inventado a bomba de calor em 1852, e Heinrich Zoelly tinha patenteado a ideia de usá-la para extrair calor do solo em 1912. Mas foi só no final dos anos 1940 que a bomba de calor geotérmica foi implementada com sucesso . O mais antigo foi provavelmente o sistema de troca direta de 2,2 kW feito em casa, de Robert C. Webber, mas as fontes discordam quanto ao cronograma exato de sua invenção. J. Donald Kroeker projetou a primeira bomba de calor geotérmica comercial para aquecer o prédio da Commonwealth (Portland, Oregon) e a demonstrou em 1946. O professor Carl Nielsen, da Ohio State University, construiu a primeira versão residencial de loop aberto em sua casa em 1948. A tecnologia tornou-se popular na Suécia como resultado da crise do petróleo de 1973 , e tem crescido lentamente em aceitação mundial desde então. O desenvolvimento de tubos de polibutileno em 1979 aumentou muito a viabilidade econômica da bomba de calor. Em 2004, havia mais de um milhão de bombas de calor geotérmicas instaladas em todo o mundo, fornecendo 12 GW de capacidade térmica. A cada ano, cerca de 80.000 unidades são instaladas nos Estados Unidos e 27.000 na Suécia.

Economia

Máquina de perfuração geotérmica

A energia geotérmica é um tipo de energia renovável que estimula a conservação dos recursos naturais. De acordo com a Agência de Proteção Ambiental dos Estados Unidos , os sistemas de troca geográfica economizam aos proprietários de residências de 30 a 70% em custos de aquecimento e de 20 a 50% em custos de refrigeração, em comparação com os sistemas convencionais. Os sistemas de geo-câmbio também economizam dinheiro porque exigem muito menos manutenção. Além de serem altamente confiáveis, eles são construídos para durar décadas.

Algumas concessionárias, como Kansas City Power and Light , oferecem tarifas especiais de inverno mais baixas para clientes geotérmicos, oferecendo ainda mais economia.

Riscos de perfuração geotérmica

Rachaduras na histórica Prefeitura de Staufen im Breisgau devido a danos causados ​​pela perfuração geotérmica

Em projetos de aquecimento geotérmico, o subsolo é penetrado por trincheiras ou furos de sondagem. Como acontece com todos os trabalhos subterrâneos, os projetos podem causar problemas se a geologia da área for mal compreendida.

Na primavera de 2007, uma operação de perfuração geotérmica exploratória foi conduzida para fornecer calor geotérmico à prefeitura de Staufen im Breisgau . Depois de inicialmente afundar alguns milímetros, um processo denominado subsidência , o centro da cidade começou a subir gradualmente causando danos consideráveis ​​aos edifícios no centro da cidade, afetando inúmeras casas históricas, incluindo a prefeitura. A hipótese é que a perfuração perfurou uma camada de anidrita fazendo com que a água subterrânea em alta pressão entrasse em contato com a anidrita, que então começou a se expandir. Atualmente, não há fim à vista para o processo de ascensão. Os dados do satélite radar TerraSAR-X antes e depois das mudanças confirmaram a natureza localizada da situação:

Um processo geoquímico chamado inchaço da anidrita foi confirmado como a causa dessas elevações . Esta é uma transformação do mineral anidrita (sulfato de cálcio anidro) em gesso (sulfato de cálcio hidratado). Uma pré-condição para essa transformação é que a anidrita entre em contato com a água, que é então armazenada em sua estrutura cristalina. Existem outras fontes de riscos potenciais, ou seja: alargamento da caverna ou piora das condições de estabilidade, degradação da qualidade ou quantidade dos recursos hídricos subterrâneos, Piora de perigo específico no caso de áreas sujeitas a deslizamentos, agravamento das características mecânicas rochosas, poluição do solo e da água (ou seja devido a aditivos anticongelantes ou materiais poluentes construtivos e enfadonhos). O projeto definido com base no conhecimento geológico, hidrogeológico e ambiental específico do local evita todos esses riscos potenciais.

Veja também

Referências

links externos