O que é energia geotérmica, sistemas de ar condicionado e o futuro

Certamente você sabe o que é energia geotérmica em termos gerais, mas Você conhece todos os fundamentos desta energia?

De uma forma muito geral, dizemos que a energia geotérmica é energia térmica de dentro da Terra.

Em outras palavras, a energia geotérmica é o único recurso de energia renovável que não deriva do sol.

Além disso, podemos dizer que esta energia não é uma energia renovável como tal, uma vez que sua renovação não é infinita, não obstante é inesgotável em escala humana, por isso é considerado renovável para fins práticos.

Origem do calor dentro da Terra

A principal causa do calor dentro da Terra é o decadência contínua de alguns elementos radioativos como Urânio 238, Tório 232 e Potássio 40.

Outro dos origens da energia geotérmica são colisões de placas tectônicas.

Em certas regiões, no entanto, o calor geotérmico é mais concentrado, como ocorre nas proximidades de vulcões, correntes de magma, gêiseres e fontes termais.

Uso de energia geotérmica

Essa energia está em uso há, no mínimo, 2.000 anos.

Os romanos usavam as fontes termais para banheiros e, mais recentemente, esta energia tem sido usada para o aquecimento de edifícios e estufas e para a geração de energia elétrica.

Atualmente, existem 3 tipos de depósitos dos quais podemos obter energia geotérmica:

• Reservatórios de alta temperatura
• Reservatórios de baixa temperatura
• Reservatórios de rocha quente seca

Reservatórios de alta temperatura

Dizemos que existe um depósito de alta temperatura quando a água do reservatório atinge temperaturas acima de 100ºC devido à presença de uma fonte de calor ativa.

Para que o calor geotérmico crie energia geotérmica utilizável, as condições geológicas devem possibilitar a formação de um reservatório geotérmico, semelhantes aos contidos no petróleo ou gás natural, consistindo em um rocha permeável, arenitos ou calcário, por exemplo, encimado por um camada impermeável, como argila.

A água subterrânea aquecida pelas rochas passa para cima para o reservatório, onde permanecem presos sob a camada impermeável.

Quando existem rachaduras na referida camada impermeável, o escape de vapor ou água para a superfície é possível, aparecendo na forma de fontes termais ou gêiseres.

Essas fontes termais são utilizadas desde a antiguidade e podem ser facilmente utilizadas para aquecimento e processos industriais.

Reservatórios de baixa temperatura

Reservatórios de baixa temperatura são aqueles em que a temperatura da água, que vamos usar, está localizado entre 60 e 100ºC.

Nestes depósitos, o valor do fluxo de calor é o normal da crosta terrestre, portanto, a existência de 2 das condições anteriores é desnecessária: existência de uma fonte de calor ativa e isolamento do armazenamento de fluido.

Apenas o presença de um armazém em profundidade adequada para que, com o gradiente geotérmico existente na referida área, haja temperaturas que tornem econômica sua exploração.

Reservatórios de rocha quente seca

O potencial de energia geotérmica es mucho maior se o calor for extraído de rochas quentes e secas, que não contêm água naturalmente.

Eles estão em um temperatura entre 250 e 300ºC já um profundidade entre 2.000 e 3.000 metros.

Para a sua exploração é necessário quebrar rochas quentes e secas, para torná-los porosos.

Depois água fria é introduzida da superfície através de um tubo, deixando-o passar pela rocha quente fraturada, de modo que se aqueça e então, vapor de água é extraído através de outro tubo para usar sua pressão para acionar uma turbina e gerar energia elétrica.

O problema desse tipo de exploração são as técnicas de fraturamento das rochas nessa profundidade e de perfuração.

Embora muito progresso tenha sido feito nessas áreas usando técnicas de perfuração de petróleo.

Energia geotérmica de temperatura muito baixa

Podemos considerar o subsolo a pequenas profundidades como um fonte de calor a 15ºC, totalmente renovável e inesgotável.

Por meio de um sistema de captação adequado e de uma bomba de calor, o calor pode ser transferido desta fonte a 15ºC para um sistema que chega a 50ºC, sendo este último utilizado para aquecimento e obtenção de água quente sanitária para uso doméstico.

Além disso, a mesma bomba de calor pode absorver calor do ambiente a 40ºC e entregá-lo ao subsolo com o mesmo sistema de capturaPortanto, o sistema que resolve o aquecimento doméstico também resolve o resfriamento, ou seja, a casa possui uma única instalação para o seu ar condicionado integral.

A principal desvantagem deste tipo de energia é a precisa de uma superfície de sepultamento muito grande do circuito externoNo entanto, sua principal vantagem é o pPossibilidade de utilizá-lo como sistema de aquecimento e refrigeração a um custo muito baixo.

No diagrama a seguir você pode ver diferentes formas de captar ou transferir calor para o solo para uso posterior no aquecimento, resfriamento e obtenção de água quente sanitária. Vou explicar o procedimento abaixo.

Ar condicionado de uma casa, um bloco de apartamentos, um hospital, etc. pode ser alcançado individualmente, uma vez que não requer grandes investimentos para o sistema, ao contrário das instalações geotérmicas de alta e média temperatura.

Este sistema de aproveitamento da energia solar absorvida pela superfície da Terra é baseado em 3 elementos principais:

1. bomba de calor
2. Circuito de troca com a Terra
   1. Troca de calor com águas superficiais
   2. Troca com o solo
3. Circuito de troca com a casa

Bomba de calor

A bomba de calor é uma máquina termodinâmica que é baseado no ciclo de Carnot realizado por um gás.

Esta máquina absorve calor de uma fonte para entregá-lo a outra que está em uma temperatura mais alta.

O exemplo mais típico são os refrigeradoresEstes possuem uma máquina que extrai o calor do interior e o expele para o exterior, que fica a uma temperatura mais elevada.

Outros exemplos de bombas de calor são condicionadores de ar e condicionadores de ar para residências e automóveis.

Neste esquema, você pode ver que o O bulbo frio absorve calor do solo em uma troca e o líquido que circula pelo circuito do bulbo frio absorve o calor até evaporar.

O circuito que carrega a água com o calor do solo esfria e retorna ao solo, a recuperação da temperatura do solo é muito rápida.

Por outro lado, a lâmpada quente, dentro de casa, aquece o ar dando-lhe calor.

A bomba de calor está “bombeando” calor da lâmpada fria para a lâmpada quente.

O rendimento (energia fornecida / energia absorvida) depende da temperatura da fonte que fornece o calor evaporado.

Sistemas convencionais de ar condicionado absorver calor da atmosfera, que no inverno pode atingir temperaturas abaixo -2 ° C.

Nessas temperaturas, o evaporador pode capturar praticamente nenhum calor e o o desempenho da bomba é muito baixo.

No verão, quando está mais quente, a bomba tem que ceder o calor da atmosfera que pode estar 40ºC, com o que o o desempenho não é tão bom quanto você poderia esperar.

No entanto, o sistema de captação geotérmica, por ter uma fonte para temperatura constante, o desempenho é sempre ideal independentemente das condições de temperatura atmosférica. Portanto, este sistema é muito mais eficiente do que uma bomba de calor convencional.

Trocar circuitos com a Terra

Troca de calor com águas superficiais

Este sistema é baseado em colocar água em contato térmico proveniente de uma fonte superficial com o evaporador / condensador, conforme as necessidades, para a absorção ou transferência de calor para as referidas águas.

Vantagem: o presente é que tem um baixo custo

Recua:  nem sempre há uma fonte de água disponível.

Troca com o solo

Esta pode ser direto quando a troca entre o solo e o evaporador / condensador da bomba de calor é realizada por meio de um tubo de cobre enterrado.

Para uma casa, podem ser necessários entre 100 e 150 metros de tubulação.

• Vantagens: baixo custo, simplicidade e bom desempenho.
• Desvantagens: possibilidade de vazamentos de gás e congelamento de áreas do terreno.

Ou também pode ser um circuito auxiliar quando possui um conjunto de tubulações enterradas, por onde circula água, que por sua vez troca calor com o evaporador / condensador.

Para uma casa, podem ser necessários entre 100 e 200 metros de tubulação.

• Vantagens: baixa pressão no circuito, evitando grandes diferenças de temperatura
• Desvantagens: alto custo.

Trocar circuitos com a casa

Esses circuitos pode estar com uma troca direta ou com uma distribuição de água quente e fria.

Troca direta Baseia-se na circulação de um fluxo de ar sobre a superfície do evaporador / condensador na lateral da casa para troca de calor e distribuição desse ar quente / frio por toda a casa, através de tubos termicamente isolados.

Com um único sistema de distribuição, resolve-se a distribuição de quente e frio na casa.

• Vantagens: costumam ter baixo custo e muita simplicidade.
• Desvantagens: baixo rendimento, conforto moderado e aplica-se apenas a habitações recém-construídas ou com sistema de aquecimento por convecção de ar.

O sistema de distribuição de água quente e fria Baseia-se na circulação de um fluxo de água sobre a superfície do evaporador / condensador na lateral da casa para troca de calor.

A água geralmente é resfriada a 10ºC no verão e aquecida a 45ºC no inverno para ser usada como meio de ar condicionado.

O aquecimento por piso radiante é o método com melhor desempenho e mais confortável para resolver o aquecimento, porém, não pode ser utilizado para resfriamento, portanto, se for utilizado este método ou o de radiadores de água quente, deverá ser instalado outro sistema para poder utilizar o resfriamento.

• Vantagens: alto conforto e desempenho.
• Desvantagens: alto custo.

Desempenho dos sistemas de ar condicionado

Eficiência energética de um sistema de ar condicionado usando como fonte de calor o subsolo a 15ºC é pelo menos de 400% no aquecimento e 500% no resfriamento.

Quando está esquentando há apenas uma contribuição de energia elétrica de 25% da energia total necessária. E quando é usado para resfriar o desempenho é mais do que o dobro de uma bomba de calor trocando com o ar a 40 graus, então neste caso também há um economia de energia de mais de 50% em comparação com um ar condicionado convencional.

Isso significa que para bombear do pólo frio para o pólo quente 4 unidades de energia (por exemplo 4 calorias), apenas 1 unidade de energia é necessária.

Na refrigeração, para cada 5 unidades bombeadas, é necessária 1 unidade para bombeá-las.

Isso é possível porque não gera todo o calorMas a maior parte é apenas transferida de uma fonte para outra.

As unidades de energia que fornecemos à bomba de calor são na forma de energia elétrica, portanto, basicamente, estamos produzindo CO2 na planta de produção de energia elétrica, embora em quantidades muito menores.

Não obstante, poderíamos usar bombas de calor não elétricas, mas que sua fonte de energia era térmica solar, mas eles ainda estão em fase experimental.

Si comparamos este sistema com um sistema de aquecimento por captura de energia solar através dos painéis, podemos ver que apresenta uma grande vantagemComo não requer grandes acumuladores para compensar as horas de falta de radiação solar.

O grande acumulador é a própria massa da Terra isso nos faz ter uma fonte de energia em temperatura constante, que no âmbito desta aplicação se comporta como infinita.

No entanto, aquele que faz A melhor opção de aproveitamento dessa fonte de energia é combiná-la com a energia solar térmica., para não mover a bomba de calor conforme mencionado acima (que também), mas para adicionar calor ao sistema, dado que em aplicações de aquecimento e produção de água quente sanitária, a água pode ser levada a 15ºC usando energia geotérmica para mais tarde, aumente a temperatura da água com energia solar.

Neste caso a eficiência da bomba de calor aumenta exponencialmente.

Distribuição de energia geotérmica

A energia geotérmica está espalhada por todo o planeta, especialmente na forma de rochas quentes e secas, mas existem áreas em que se estende talvez mais de 10% da superfície do planeta e eles têm condições especiais para desenvolver este tipo de energia.

Quero dizer o áreas em que mais manifestam os efeitos de terremotos e vulcões e que, em geral, coincidem com falhas tectônicas importante

Entre eles estão:

• A costa do Pacífico do continente americano, do Alasca ao Chile.
• Pacífico ocidental, da Nova Zelândia, passando pelas Filipinas e Indonésia, ao sul da China e Japão.
• O vale do deslocamento do Quênia, Uganda, Zaire e Etiópia.
• Os arredores do Mediterrâneo.

Vantagens e desvantagens da energia geotérmica

Essa energia, como tudo o que existe, tem suas partes boas e também suas partes ruins.

Como vantagem Nós podemos dizer que:

• Encontra-se distribuído por todo o planeta.
• As fontes geotérmicas mais baratas são encontradas no áreas vulcânicas principalmente localizados em países em desenvolvimento, que podem ser muito útil para melhorar sua situação.
• É um fonte inesgotável de energia em uma escala humana.
• É a energia mais barata isso é conhecido.

Seu desvantagens pelo contrário, são:

• O uso de energia geotérmica apresenta alguns problemas ambientais, em particular, o liberação de gases sulfurosos na atmosfera, junto com Descargas de água quente para rios, que geralmente contém um alto nível de sólidos.

Embora em geral as águas residuais possam ser reinjetadas na terra, após a extração, em alguns casos, de sais de potássio comercialmente aproveitáveis.

• Em geral, a transmissão de calor geotérmico em longas distâncias não é viável. Água quente ou vapor deve ser usado nas proximidades de sua fonte, antes que ele esfrie.
• A maioria das águas geotérmicas são encontradas temperaturas abaixo de 150ºC então, em geral, não é quente o suficiente para a geração de eletricidade.

Estas águas só podem ser utilizadas para banhos, aquecimento de edifícios e estufas e culturas ao ar livre, ou como água pré-aquecida para caldeiras.

• Os reservatórios de rocha quente seca têm vida curtaConforme as superfícies rachadas esfriam rapidamente, sua eficiência energética cai rapidamente.
• Os os custos de instalação são muito altos.

O futuro da energia geotérmica

Até agora, apenas perfuração e extrair calor a profundidades de cerca de 3 km, embora se espere que seja capaz de atingir maiores profundidades, com as quais a energia geotérmica poderia ser utilizada de forma mais ampla.

A energia total disponívelna forma de água quente, vapor ou pedras quentes, até uma profundidade de 10 km, aproxima-se de 3.10¹⁷ Pulso. 30 milhões de vezes o atual consumo mundial de energia. O que indica que a energia geotérmica pode ser uma alternativa interessante a curto prazo.

As técnicas aperfeiçoadas para o desenvolvimento de recursos geotérmicos são muito semelhantes às utilizadas no setor de petróleo. No entanto, desde o teor de energia da água a 300ºC é mil vezes menor que o do petróleo, o capital pode ser economicamente investido em exploração e perfuração é muito menor.

No entanto, a escassez de petróleo pode alimentar o uso crescente de energia geotérmica.

Por outro lado, sempre foi possível uso de fontes geotérmicas para geração de eletricidade em turbo-geradores de médio porte (10-100MW) localizado próximo aos locais dos poços, mas a temperatura geotérmica mínima utilizável para geração de eletricidade era 150ºC.

Recentemente turbinas sem pás foram desenvolvidas para água geotérmica e vapor até 100ºC apenas, o que permite expandir o campo de utilização desta energia.

Além disso, pode ser usado em processos industriais como o processamento de metais, o aquecimento de processos industriais de todos os tipos, o aquecimento de estufas, etc.

Mas provavelmente o maior futuro da energia geotérmica reside na utilização de energia geotérmica de temperatura muito baixa, devido à sua versatilidade, simplicidade, baixo custo econômico e ambiental e possibilidade de use-o como sistema de aquecimento e resfriamento.