Evaluación del potencial energético y optimización de sistemas geotérmicos de muy baja entalpia asociados a agua de mina
- Autores: Covadonga Loredo Martinez
- Directores de la Tesis: Nieves Roqueñí Gutiérrez (dir. tes.), Almudena Ordóñez Alonso (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Oviedo ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Beatriz Yolanda Moratilla Soria (presid.), Francisco Javier de Cos Juez (secret.), Amin Al Habaibeh (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Energía y Control de Procesos por la Universidad de Oviedo
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: RUO
- Resumen
En las últimas décadas un gran número de minas han sido clausuradas. Una vez abandonadas las labores subterráneas tienden a inundarse debido al llamado “rebote” del nivel piezométrico. Esto provoca diversos problemas de índole económica y medioambiental que se suman a la problemática social asociada al cese de actividad. Bajo determinadas circunstancias el agua que anega las labores mineras puede ser utilizada como fuente de energía geotérmica. De esta manera se compensa el coste de bombeo perpetuo que conlleva la protección medioambiental del entorno y se crea una nueva oportunidad de negocio para las empresas propietarias de las minas.
Esta nueva utilización de los sistemas mineros, si bien cuenta con algunos ejemplos de aplicación a escala mundial, se encuentra aún lejos de alcanzar un desarrollo proporcional a su potencial. Esto ocurre debido a diversas incertidumbres asociadas a la tecnología, como son las referidas a la sostenibilidad térmica e hidráulica del sistema subterráneo, la calidad del agua utilizada, la viabilidad económica, el marco legal y el modelo empresarial aplicables a su aprovechamiento.
La presente tesis se centra en estas cuestiones, desarrollando y aplicando metodologías que pueden ser utilizadas como herramientas en la evaluación de proyectos de energía geotérmica con agua de mina.
Así, se desarrolla un modelo analítico que basado en las características físicas e hidrodinámicas del embalse minero, permite estimar la temperatura del recurso y su evolución temporal en función del caudal de agua extraído. Este modelo se ha aplicado al acuífero generado en el sistema Barredo-Figaredo de la Cuenca Carbonífera Central Asturiana, en Mieres, demostrando la estabilidad térmica del sistema hídrico.
Se desarrolla también, una metodología que permite estimar el volumen de agua disponible, la geometría del acuífero formado y su funcionamiento hidrodinámico, a partir de datos de bombeo. Esta metodología se aplica al sistema Barredo-Figaredo arrojando resultados que son contrastados con trabajos previos realizados en el área de estudio.
La viabilidad del uso del agua de mina como recurso geotérmico puede verse comprometida por sus características físicoquímicas, que son dependientes de la procedencia del agua, de las propiedades del macizo rocoso subterráneo que la alberga y de los cambios que el agua haya podido sufrir durante su circulación por las labores mineras y una vez extraída del sistema. En la tesis se realizan análisis del agua del sistema Barredo-Figaredo, que permiten atribuir a los cambios que ha sufrido el agua en el embalse minero la actual calidad del agua bombeada y la presencia de contenidos de hierro de la misma.
Derivado de la calidad del agua de mina, uno de los mayores riesgos técnicos de su aplicación en geotermia es la posible obturación de los elementos de la instalación, en concreto de los intercambiadores de calor. Este fenómeno se analiza mediante el estudio de la instalación ubicada en un edificio de la Universidad de Oviedo en el Campus de Mieres, demostrándose una relación directa entre la formación de precipitados de óxidos de hierro y el empeoramiento del rendimiento del sistema energético. Para mitigar la formación de precipitados, se propone una metodología que inhibe la oxidación del hierro y se evalúa su eficiencia mediante ensayos de laboratorio.
La nueva utilización de las minas como fuente de energía geotérmica, excede el alcance de la normativa existente. Por este motivo, se realiza un estudio del marco legal aplicable en el que confluyen normas relacionadas con el cierre de minas y normas relacionadas con sistemas de energía renovable. En base a esto, se analizan las posibilidades del modelo de negocio que hace posible el despliegue en el mercado de esta tecnología, y se evalúa la rentabilidad económica de un proyecto de este tipo mediante el estudio de distintos escenarios de implementación.
RESUMEN (en Inglés) In the last decades, a large number of mines have been closed. Once abandoned, underground works tend to flood due to the so-called “groundwater rebound”, causing economic and environmental problems in addition to the social issues associated with the closure of mines.
Under certain conditions, the water flooding these mines can be used as a sustainable source of geothermal energy. This contributes to compensate the perpetual cost of the pumping for environmental protection and fosters a new business opportunity for the mine owners.
This new application of the mining systems, has some examples of global implementation. However, this technology is still far from achieving a development in proportion to its potential. This occurs due to several uncertainties associated with the technology such as the lack of knowledge about the reservoir thermal and hydro sustainability, the influence of the mine water quality on the performance of the system, the economic viability and the applicable legal framework and business model.
This thesis focuses on these issues, developing and applying methodologies that can be used for the overall assessment of a mine water geothermal energy project.
Thus, an analytical model based on the physical and hydrodynamical conditions of the mine reservoir is created in order to estimate the resource temperature and its evolution according to the extraction flowrate. This model is able to calculate the mine water thermal evolution at a specific mining site and is applied to Barredo-Figaredo system in the Carboniferous Central Basin at Mieres, Spain, giving evidence of the thermal stability in this particular case.
A methodology is developed to estimate the volume of water available, the geometry of the created aquifer and its hydrodynamic performance, based on pumping data. This methodology is applied to Barredo-Figaredo system yielding results that are contrasted by previous work done in the study area.
The viability of the mine water use as a geothermal resource can be compromised by its physicochemical characteristics. Those are depending on its origin, on the properties of the massif that hosts it and on the changes, that the water may suffer during its circulation along the mine and once out of it. In this thesis Barredo-Figaredo water is analysed, allowing to attribute to the changes that the water has undergone in the mining reservoir the current quality of the pumped water and the presence of iron contents in it.
One of the major technical risks of the mine water geothermal application is the occurrence of precipitates and incrustations in the elements of the facility, particularly in the heat exchangers. This phenomenon, linked with the mine water quality, is analysed through the practical case of the University of Oviedo geothermal system. A direct relationship between the iron precipitates and the performance decrease at the energy system is demonstrated. Therefore, a methodology that inhibits the formation of these precipitates is stablished and its efficiency is avaluated via laboratory tests.
The use of mines as a geothermal energy source exceeds the scope of existing regulation in Spain. For this reason, a study on the applicable legal framework is done, paying particular attention to the legislation related to the closure of mines and to water and renewable energy systems. Based on this, the business model that makes possible the deployment of this technology into the market and the risks associated are analysed. Finally, a scenario analysis is conducted in order to assess the economic profitability of this type of projects.
