Análisis de transferencia de calor en un intercambiador geotérmico para aplicaciones energéticas

Resumen

El objetivo fundamental de este trabajo ha sido estudiar el aprovechamiento de la energía geotérmica de baja/media entalpía para la cogeneración de energía térmica y eléctrica mediante un sistema sustentable. Las áreas previstas para la aplicación de este proyecto son las de explotación geotérmica de alta entalpía donde el recurso de baja o media entalpía no está siendo utilizado, que puede localizarse entre 150 y 500 m de profundidad. El sistema podría instalarse como complemento de pozos ya perforados o zonas aledañas al desarrollo donde la entalpía declina, con un esfuerzo de perforacio¿n e instalacio¿n bajo, para utilizarlo en pequen¿os emprendimientos. Para desarrollar el estudio se ha pensado en un sistema de intercambiadores en el lecho geotérmico utilizando como fluido caloportador agua; con objeto de hacerlo sostenible se han diseñado dispositivos TEG, tanto en los tubos de subida como de bajada, así como intercambiadores de calor en superficie para aprovechar la energía calorífica restante. La potencia y energía necesaria para alimentar la bomba que permitirá la circulación del fluido caloportador se obtiene de los dispositivos TEG, de modo que no es necesario el aporte de energía eléctrica externa. La investigación se ha basado en un proceso de simulación mediante la utilización de un modelo a escala para resolver el problema de la transferencia de calor entre el lecho geotérmico y el fluido caloportador, analizar las condiciones hidrodinámicas del fluido, y estudiar el proceso de conversión termoeléctrica, de manera que la transferencia de energía térmica en superficie pueda ser caracterizada en profundidad. El modelo consistió en un recipiente paralelepipédico de 40 cm de ancho, 30 cm de profundidad y 18 cm de altura, fabricado en madera de densidad media (DIM), herméticamente sellado, y aislado térmicamente mediante una capa de espuma de poliuretano de 20 mm de espesor; el interior del recipiente fue rellenado de arena tamizada, con tamaño de grano entre 0.75 y 1.25 mm de diámetro, que simula el lecho geotérmico de baja entalpía. La fuente de calor geotérmico es una resistencia situada en la parte inferior del recipiente cuya potencia puede ser controlada. El aprovechamiento de la energía térmica se realiza mediante un intercambiador situado en la zona central del recipiente y rodeado de arena por todas partes. El intercambiador está conectado a un circuito hidráulico por el que circula el fluido caloportador que incluye un sistema de control del flujo, así como los dispositivos TEG para la conversión termoeléctrica. El control de la temperatura, tanto en el lecho como en el fluido, se realiza por medio de sensores de temperatura ubicados a la entrada y salida del intercambiador y próximos a cada una de las paredes del recipiente según las tres direcciones del espacio, dos por cada eje coordenado, quedando la temperatura registrada por un sistema de adquisición de datos a intervalos regulares. El sistema ha proporcionado un valor real de eficiencia del 24%, si bien el proceso de simulación predice que, en condiciones reales de operación, optimizando el diseño y eliminando las pérdidas térmicas, como ocurre en un prototipo real, dicho rendimiento puede alcanzar un valor del 52%. Asimismo, se ha obtenido un COP de 1.7, lo que indica que el sistema es energéticamente viable desde un punto de vista operacional. El desarrollo del proyecto ha permitido concluir que es factible diseñar un sistema real que permita el abastecimiento de energía térmica, tanto para agua caliente sanitaria como calefacción y electricidad para un grupo de siete viviendas. Igualmente, se ha podido constatar que el sistema es sostenible no solo térmica sino eléctricamente. Palabras claves: Generación Térmica y Termoeléctrica, Energía geotérmica poco profunda, Cogeneración, Conversión termoeléctrica.