Nuevo estudio evalúa el rendimiento de diferentes diseños de pozos geotérmicos
Plataforma de perforación geotérmica Eden (fuente: Exeter Science Centre, captura de pantalla de YouTube)
Oscar Llamosa Ardila
6 Apr 2024
Un estudio de la Universidad de Glasgow compara el rendimiento térmico e hidráulico de diferentes sistemas de intercambiadores de calor de pozo único.
Un artículo publicado recientemente por Christopher S. Brown, Isa Kolo, David Banks y Gioia Falcone de la Escuela de Ingeniería James Watt de la Universidad de Glasgow compara el rendimiento térmico e hidráulico de los diferentes tipos de pozos de un solo pozo y de profundidad media. Diseños de intercambiadores de calor.
El artículo completo, “Comparación del rendimiento térmico e hidráulico de intercambiadores de calor de pozo medio a profundo de tubo en U simple, tubo en U doble y coaxiales”, se publicó en la revista Geothermics (https://doi.org /10.1016/j.geotermia.2023.102888)
Comparación de diseños
Los tres diseños que se comparan en este estudio son todos sistemas de circuito cerrado de un solo pozo. Estos diseños se implementan con mucha frecuencia en diferentes partes de Europa y Estados Unidos. El estudio afirma que la profundidad típica de los intercambiadores de calor de pozo (BHE) de circuito cerrado en muchos países europeos ha ido aumentando constantemente. Para los fines de este estudio, se considera que el rango de profundidad media está entre 500 y 1000 metros de profundidad.
En un DBHE coaxial, el fluido se calienta mediante el gradiente geotérmico natural a medida que fluye hacia abajo a través del espacio anual. Luego, el calor se extrae bombeando el fluido de regreso a la superficie a través de la tubería central, generalmente a una velocidad más rápida para minimizar la pérdida de calor.
Los tubos en U y los tubos en U dobles hacen circular un fluido de transferencia de calor hacia abajo y hacia arriba por el orificio a través de tuberías completamente cerradas, generalmente hechas de polietileno reticulado o de alta densidad. Los tubos en U pueden suspenderse dentro de la columna de agua subterránea natural o sellarse en su lugar mediante una lechada de baja permeabilidad y alta conductividad térmica. El diámetro exterior estándar de los tubos en U puede variar para cada aplicación.
Método y comparación con las pruebas de respuesta térmica.
Las simulaciones se realizaron utilizando el módulo de transporte de calor del intercambiador de calor de pozo del software de código abierto OpenGeoSys. Los modelos consideran la transferencia de calor en la formación rocosa, la región de lechada y las tuberías de entrada y salida.
La validación de los modelos se realizó comparando los valores de salida con los obtenidos mediante pruebas de respuesta térmica reales. Los datos modelados para los sistemas de tubo en U tienen un error de solo el 0,4% en comparación con los valores del mundo real, mientras que los de los sistemas coaxiales tuvieron un error similar de ~0,6%.
Respuesta del modelo a los parámetros de diseño.
Luego se evaluaron los modelos individuales en función de diferentes parámetros de diseño del sistema para evaluar la extracción de calor, la caída de presión y las pérdidas parásitas.
- Extracción de calor
El sistema coaxial mostró mejores tasas de extracción de calor, probablemente debido al aumento del área de contrato entre el espacio anual y la roca sólida/lechada circundante. En términos de eficiencia térmica, el sistema coaxial fue sólo marginalmente mejor que el tubo en U doble debido a otras consideraciones como el costo, la practicidad de la ingeniería y las posibles pérdidas de presión.
La caída de presión en el sistema es mucho menor en el sistema coaxial, de 85 kPa, en comparación con las configuraciones de tubo en U simple y tubo en U doble, de 1,46 MPa y 423 kPa, respectivamente. Esto luego se traduce en una menor potencia necesaria para que la bomba de circulación haga funcionar el sistema para la configuración coaxial, dados caudales similares.
- Profundidad
Aumentar la profundidad del pozo aumenta la temperatura de salida y la potencia térmica para todas las configuraciones del pozo. También hay un aumento lineal en la caída de presión con la profundidad, lo que resulta en un aumento de la potencia de bombeo.
- Tasa de flujo
El caudal tuvo un efecto significativo tanto en la potencia térmica como en la caída de presión. Mayores caudales (> 3 L/s) conducen a un aumento en las tasas de extracción de calor para todas las configuraciones, y el coaxial proporciona la mayor potencia térmica alcanzable. El aumento de los caudales se correlaciona con un aumento desproporcionado en la caída de presión para todos los tipos de configuración MDBHE, lo que indica que la pérdida de presión es proporcional al cuadrado del caudal.
Curiosamente, la mayor potencia térmica registrada fue para el modelo de configuración de tubo en U con el caudal más bajo (1 L/s). Esto se debió a mayores velocidades del fluido en la tubería estrecha, lo que resultó en una mayor extracción de calor.
Conductividad térmica de la roca
Tanto la temperatura de salida como la potencia térmica tienen correlaciones positivas casi lineales con la conductividad térmica de la roca, observándose la mayor tasa de aumento en los sistemas coaxiales.
Conclusiones
El estudio concluye que el intercambio de calor de pozo coaxial funciona mejor en términos de optimizar la extracción de calor geotérmico y minimizar las pérdidas de presión hidráulica en BHE de media a profundidad. La recomendación es entonces adoptar dicho diseño cuando se construyan pozos a profundidades superiores a 500 metros.
Los tubos en U individuales son viables en escenarios con caudales de 1 L/s. Sin embargo, proporcionan una baja producción térmica en profundidad y pueden tener mayores pérdidas por bombeo parásito a profundidades superiores a los 500 metros.
Fuente de referencia vía nuestra plataforma global ThinkGeoEnergy / Brown et al., 2024
