Geoíndex - Geotèrmia superficial

Objectius

El disseny d’un sistema d’intercanvi de calor amb bomba de calor geotèrmica depèn de les característiques de tres grans elements que, alhora, estan relacionats entre si:

• El subsol. Les característiques tèrmiques del terreny en l’emplaçament escollit determinen el disseny del camp de captació i la quantitat de calor que és possible intercanviar amb el subsol.
• La bomba de calor. La potència i les temperatures de treball de la bomba escollida condicionen les dimensions i característiques del camp de captació i el disseny del sistema de climatització i producció d’ACS.
• La demanda de calor, refrigeració i ACS. Les característiques de l’edifici, el tipus d’ús, el tipus de sistema de climatització escollit i la climatologia de l’emplaçament determinen quanta calor caldrà intercanviar amb el subsol en època de calefacció, refrigeració i/o producció d’ACS.

El visor Geoíndex Geotèrmia superficial està enfocat a la caracterització del subsol per a l’aprofitament del recurs geotèrmic de molt baixa temperatura (<30 ºC) en els primers 100 a 200 m de profunditat.

El visualitzador es concep com un projecte transversal que aglutina informació de disciplines diverses com ara la geologia, l’edafologia, la geofísica, la climatologia i la hidrogeologia, entre d’altres, i pretén:

1. Donar a conèixer l’energia geotèrmica de molt baixa temperatura, el seu estat d’implementació i la seva projecció de futur, mitjançant l’estimació del potencial geotèrmic de molt baixa temperatura de Catalunya.
2. Donar a conèixer els paràmetres del subsol que intervenen en el disseny d’un sistema d’intercanvi de calor.
3. Posar a disposició dels usuaris la informació puntual recopilada i aquella de nova creació sobre els paràmetres tèrmics i de distribució de temperatures en el subsol, i facilitar, així, les valoracions preliminars de viabilitat d’instal·lacions verticals tancades (closed-loop), obertes (open-loop) i horitzontals.

La informació que s’hi inclou no pretén, en cap cas, substituir els estudis de detall, que són indispensables en la fase de disseny constructiu del sistema d’intercanvi de calor i que cal que dugin a terme les empreses competents en aquest camp.

El visualitzador Geoíndex Geotèrmia superficial es publica en format digital, amb una resolució màxima de la informació equivalent a l’escala gràfica d'1:50.000 i mitjançant la representació dels elements en 2D. Els paràmetres que s’hi presenten han estat obtinguts utilitzant diverses metodologies que parteixen de models teòrics sobre el comportament del terreny. Aquests models no tenen en compte les particularitats d’una determinada zona on, degut a l'heterogeneïtat del territori, hi pot haver anomalies i, per tant, desviacions respecte dels models teòrics suposats.

Per a la planificació, el disseny i el dimensionament de sistemes d’intercanvi de calor mitjançant bomba de calor geotèrmica, es recomana la realització d’estudis de detall en l’emplaçament escollit, la recollida de dades en el seu entorn proper i la realització d’una anàlisi tridimensional de les característiques del terreny.

En el cas concret dels sistemes d’intercanvi de calor de circuit vertical tancat mitjançant bomba de calor geotèrmica, es recomana seguir els procediments de la norma UNE 100715-1 “Diseño, ejecución y seguimiento de una instalación geotérmica somera. Parte 1: Sistemas de circuito cerrado vertical” (maig de 2014).

Estructura

Actualment, el visualitzador conté 29 capes d’informació a diferents escales i està estructurat en 10 conjunts d’informació. 

Potencial geotèrmic

El potencial geotèrmic permet realitzar una primera estimació aproximada del nombre i la longitud de les sondes d’intercanvi de calor i, per tant, té un impacte directe en l’estimació del cost d’execució del camp de captació.

En el cas dels sistemes d’intercanvi de calor tancats (closed-loop), s’inclouen dues capes d’informació:

• El potencial geotèrmic expressat com la quantitat d’energia que pot ser bescanviada amb el subsol durant l’època de calefacció per un intercanviador geotèrmic de 100 m de longitud i un diàmetre de 150 mm, amb una resistència tèrmica de 0.095 mK/W. En aquest cas, el potencial geotèrmic s’expressa amb les unitats MWh/any.

• El potencial geotèrmic expressat en termes de potència (W) d’un intercanviador geotèrmic durant l’època de calefacció, de 100 m de longitud i un diàmetre de 150 mm, amb una resistència tèrmica de 0.095 mK/W.

El mètode de càlcul utilitzat ha estat G.POT (Casasso, 2016), desenvolupat pel Dipartimento di Ingegneria dell'Ambiente, del Territorio e delle Infrastrutture (DIATI – Politecnico di Torino, Itàlia).

Instal·lacions geotèrmiques

L’ICGC ha realitzat un recull de la informació disponible facilitada per l’ICAEN i la consulta d’altres fonts d’informació d’accés públic sobre l’existència d’instal·lacions geotèrmiques superficials a Catalunya. La informació recopilada ha estat incorporada a la Base de dades d’Instal·lacions de Geotèrmia Superficial (BdIGSCat). 

En concret, s’han elaborat dues capes d’informació:

• Localització d'instal·lacions geotèrmiques promogudes pel sector públic: Inclou un recull d’instal·lacions d’intercanvi de calor amb bomba de calor geotèrmica promogudes pel sector públic. La major part es corresponen amb edificis i equipaments de l’Administració local o general. Per a cadascuna d’elles, en funció de les dades disponibles, és possible consultar la potència i la longitud d’intercanviadors totals instal·lats.

• Nombre d’instal·lacions geotèrmiques per municipi promogudes pel sector privat: Recull el nombre mínim per municipi d’edificacions que disposen d’una instal·lació geotèrmica en funcionament. S’hi indica la potència mínima total instal·lada per municipi.

Dificultat de perforació

Un dels paràmetres que condiciona el cost i l’execució d’un sistema d’intercanvi de calor, és el tipus de perforació que caldrà realitzar per a la instal·lació de les sondes geotèrmiques i la dificultat de perforació dels materials geològics per permetre aquesta instal·lació.

Inclou dues capes d’informació que pretenen donar informació, fins als 100 m de profunditat, sobre la dificultat de perforar un sondeig vertical (habitualment perforat per rotopercussió i/o rotació amb circulació directa) en un emplaçament determinat, tenint en compte les característiques dels materials a perforar i les possibles dificultats afegides per la possible existència de carstificació en els materials perforats.

S’inclouen les següents capes d’informació:

• Mapa de dificultat potencial de perforació.
• Zones amb possible presència de carstificació en el subsol.

Informació edafològica

La informació edafològica és necessària en el cas del disseny i dimensionament d’un sistema d’intercanvi de calor horitzontal, on l’existència de suficient gruix de sòl i la seva conductivitat tèrmica, entre d’altres, condicionaran les dimensions i la disposició del camp de captació.

S’inclouen les següents capes d’informació:

• Mapa de profunditat del sòl edàfic (m).
• Mapa de conductivitat tèrmica del sòl (W/mK).

Informació hidrogeològica

El visualitzador inclou un recull de punts amb indicis d'aigües especials i/o termals. Es tracta de surgències o captacions subterrànies que capten aigües termals amb una temperatura superior a 4 ºC a la temperatura mitjana anual de l’aire en aquest indret i/o aigües amb caràcter picant (aigua carbònica), sulfurós o salí. En alguns casos es corresponen amb la localització d’establiments balnearis que exploten l’aigua amb finalitats mineromedicinals. En d’altres, el punt ha estat recollit únicament pel seu topònim, indicatiu d’algun tret mineral especial o bé indicatiu d’un possible caràcter termal (per ex.: font de la Puda, font Calenta, etc.). També s’hi inclouen perforacions fetes els anys 1970 i 1980 per la investigació dels recursos geotèrmics a Catalunya en què es van mesurar gradients geotèrmics elevats superiors a 5 ºC/100m.

Les coordenades de localització dels punts no han estat verificades en tots els casos per l’ICGC i es corresponen amb les citades a la font original de la informació.

La capa inclosa en el visualitzador s’anomena:

• Punts amb indicis d'aigües especials i/o termals.

Propietats tèrmiques del subsol

Les propietats tèrmiques del subsol determinen, mitjançant diferents paràmetres, com es propaga la calor a través dels materials.

- La conductivitat tèrmica (W/mK) és la capacitat d’una roca o sòl per transmetre calor. Aquest paràmetre és característic per a cada litologia, i són especialment determinants l’existència de porositat, la presència d’aigua i la composició i distribució dels cristalls i/o components d’una roca.

- La difusivitat tèrmica (mm²/s) defineix la capacitat d’una roca o sòl per dissipar la calor i depèn de la conductivitat tèrmica, de la densitat i de la calor específica dels materials.

- La capacitat tèrmica volumètrica (MJ/m³K) es defineix com la quantitat de calor que s’obté d’una unitat de volum de roca o sòl com a resultat de disminuir la seva temperatura 1 ºK.

S’inclouen les següents capes d’informació:

• Mapa de conductivitat tèrmica superficial (W/mK).
• Mapa de difusivitat tèrmica superficial (mm²/s).
• Mapa de capacitat tèrmica volumètrica superficial (MJ/m³K).
• Distribució vertical de paràmetres tèrmics.

La distribució vertical de paràmetres tèrmics es mostra a partir de la localització de columnes litològiques i la visualització de les dades en format PDF.

Temperatures superficials i oscil·lacions tèrmiques

En el subsol, la temperatura mitjana de l’aire d’un indret s’assoleix a una profunditat d’entre 5 i 15 m. L’estabilitat de la temperatura en el subsol és la clau que permet l’aprofitament del recurs geotèrmic de molt baixa temperatura. Conté informació sobre les temperatures mitjanes superficials de l’aire (anual, del mes més fred i del mes més càlid).

S’inclouen les següents capes d’informació:

• Temperatura mitjana anual superficial (°C).
• Temperatura mitjana superficial del mes més fred (°C).
• Temperatura mitjana superficial del mes més càlid (°C).
• Semiamplitud tèrmica superficial (°C).

Aquestes capes d’informació han estat elaborades pel grup de recerca Grumets del Departament de Biologia Animal, Biologia Vegetal i Ecologia de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), amb la col·laboració de l’ICGC.

Severitat del clima

Per caracteritzar les demandes energètiques d’un edifici i el potencial geotèrmic en un indret concret, és necessari conèixer paràmetres climàtics que ens informen sobre la severitat del clima en un emplaçament. Aquests són:

• Graus-dia de calefacció (GDC 15/15) - Heating Degree Days - HDD: paràmetre que mesura quants graus i durant quant de temps al llarg d’un any la temperatura de l'aire exterior és inferior a una temperatura llindar o de base establerta per a l’interior dels edificis, a partir de la qual es preveu utilitzar un sistema de climatització per generar calor. S’expressa en ºC*dia/any i la temperatura llindar prefixada per calcular aquesta capa ha estat de 15 ºC.

• Graus-dia de refrigeració (GDR 23/23) - Cooling Degree Days - CDD: paràmetre que mesura quants graus i durant quant de temps al llarg d’un any la temperatura de l'aire exterior és superior a una temperatura llindar o de base establerta per a l’interior dels edificis, a partir de la qual es preveu utilitzar un sistema de climatització per generar fred. S’expressa en ºC*dia/any i la temperatura llindar prefixada per calcular aquesta capa ha estat de 23 ºC.

• Durada de l’època de calefacció: nombre total mitjà de dies a l'any en què la temperatura mitjana de l’aire ha estat inferior a la temperatura llindar establerta per a l’interior dels edificis, a partir de la qual es preveu utilitzar un sistema de climatització per generar calor. S’expressa en dies i la temperatura llindar prefixada per calcular aquesta capa ha estat de 15ºC.  

• Durada de l’època de refrigeració: nombre total mitjà de dies a l'any en què la temperatura mitjana de l’aire ha estat superior a la temperatura llindar establerta per a l’interior dels edificis, a partir de la qual es preveu utilitzar un sistema de climatització per generar fred. S’expressa en dies i la temperatura llindar prefixada per calcular aquesta capa ha estat de 23 ºC.

La informació ha estat generada pel Servei Meteorològic de Catalunya amb la col·laboració de l’ICGC, a partir de dades de temperatura semihoràries del període 2013-2017. Aquestes provenen d’un model teòric calculat mitjançant regressió múltiple, corregit mitjançant la interpolació dels errors entre les dades reals (obtingudes de més de 200 estacions meteorològiques) i els valors teòrics calculats pel model.

Temperatures subsuperficials en el subsol

En els primers metres del subsol, la temperatura en el medi pateix oscil·lacions diàries i estacionals relacionades amb l’evolució de la temperatura de l’aire al llarg de l’any. En el cas de les instal·lacions d’intercanvi de calor horitzontals, és necessari conèixer la magnitud d’aquestes oscil·lacions per preveure un correcte dimensionament del camp de captació.

S’inclouen les següents capes d’informació:

• Temperatura mínima a 1,5 m de profunditat (°C).
• Temperatura màxima a 1,5 m de profunditat (°C).
• Amplitud tèrmica a 1,5 m de profunditat (°C).
• Profunditat on l'amplitud tèrmica tendeix a 0 °C (m).

Temperatures del subsol en profunditat

La distribució vertical de temperatures en el subsol condiciona el gradient tèrmic entre les sondes geotèrmiques i el medi i, per tant, la capacitat d’intercanvi de calor entre la instal·lació i el terreny.

El visualitzador inclou perfils verticals de temperatura en el subsol mesurats en pous i sondeigs, i la visualització de les dades en format PDF procedents de les bases de dades disponibles a l’ICGC.

També es presenten tres mapes de temperatura teòrica del subsol a diferents profunditats (50, 100 i 150 m). Aquestes capa s’ha realitzat mitjançant el càlcul del gradient geotèrmic superficial teòric de Catalunya a partir del flux de calor i la distribució de conductivitats tèrmiques superficials, i ajustant el resultat amb dades reals mitjançant la interpolació d’errors entre aquestes i els valors teòrics inicialment estimats. Els perfils verticals de temperatura en el subsol són els següents:

• Temperatura del subsol a 50 m de profunditat (°C).
• Temperatura del subsol a 100 m de profunditat (°C).
• Temperatura del subsol a 150 m de profunditat (°C).

Referències

• ACA (2013). Cartografia d’aqüífers de Catalunya. Versió 2013. Agència Catalana de l'Aigua. Generalitat de Catalunya [http://aca-web.gencat.cat/].
• ACA (2018). Sol·licituds d’autorització d’instal·lació de sistemes de geotèrmia (H0397): Tancats (sense captació d’aigua) i Oberts (amb captació d’aigua). Agència Catalana de l'Aigua. Generalitat de Catalunya [http://aca.gencat.cat/ca/tramits/tramits-temes/Installacio-dun-sistema-de-geotermia]
• AENOR (1988). Norma UNE 100002:1988 Climatización. Grados-día base 15 grados centígrados.
• AENOR (2014). UNE 100715-1:2014. Diseño, ejecución y seguimiento de una instalación geotérmica somera. Parte 1: Sistemas de circuito cerrado vertical.
• AENOR (2017). UNE-EN ISO 17628:2017. Investigación y ensayos geotécnicos. Ensayos geotérmicos. Determinación de la conductividad térmica de suelos y rocas utilizando una sonda geotérmica instalada en un sondeo (ISO 17628:2015). 
• Arnó, G.; Veciana, R.; Casasso, A.; Herms, I.; Amaro, J.; Prohom, M. (2019). “Assessment of closed-loop shallow geothermal potential in Catalonia using GIS tools”. European Geothermal Congress. Den Haag, The Netherlands, 11-14 June 2019, pp. 1-8.
• Bertermann, D. (2013). ThermoMap – Area mapping of superficial geothermic resources by soil and groundwater data. EGC. Pisa, Italia.
• Casasso, A.; Sethi R. (2016). G.POT: A quantitative method for the assessment and mapping of the shallow geothermal potential. Energy. vol. 106: 765-773. DOI: 10.1016/j.energy.2016.03.091
• Casasso A.; Sethi R. (2016). Assessment and mapping of the shallow geothermal potential in the province of Cuneo (Piedmont, NW Italy). Renewable Energy. vol. 102 (B): 306-315. Marzo 2017.
• Dehner, U. (2007). Bestimmung der thermischen Eigenschaften von Böden als Grundlage für die Erdwärmenutzung. Mainzer geowissenschaftliche Mitteilungen, 35: 159-186. Mainz.
• Fernández, M.; Banda, E. (1986). Heat pulse line-source method to determine thermal conductivity of consolidated rocks. Rev. Sci. Instrum., 57 (11): 2832-2836.
• Horai, K.; Baldridge, S. (1972). Thermal conductivity of nineteen igneous rocks, the application of the needle probe method to the measurement of the thermal conductivity of rock. Physics of the Earth and Planetary Interiors, vol. 5: 151-156.
• IDAE - ATECYR (2012). Guía técnica nº 14. Diseño de sistemas de intercambio geotérmico de circuito cerrado. 52 pp. ISBN 978-84-96680-29-6. Colección: Guías técnicas de ahorro y eficiencia energética en climatización.
• IGC (2011). Categorització i unificació geomecànica de les unitats del mapa geològic 1:50.000 en relació als criteris emprats per a la classificació EC-8 modificada. Informes tècnics de l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya, GS-005/11, 107 pàg., Generalitat de Catalunya.
• IGC (2013). Mapa de mesozonació sísmica de Catalunya (1:100.000), adaptat a la classificació EC-8 (versió febrer 2013). Informes tècnics de l'Institut Cartogràfic i Geològic de Catalunya, GS-001/13, 148 pàg., Generalitat de Catalunya.
• Kersten, M. (1949). Thermal Properties of Soil. – Univ. Minnesota Bull., 28 L11/21, Minnesota.
• Kusuda, T.; Achenbach, P.R. (1965). Earth temperature and thermal diffusivity at selected stations in the United States. Summary of research report 8972. National Bureau of Standards Building Research Division. Washington, D.C.
• Manger, E. (1963). Porosity and bulk density of sedimentary rocks. USGS Bulletin, 1144-E. 60 p.
• Margarit i Roset, J.; Vilalta i Juvanteny, Ll.; Escobar i Mariné, M.A. (2003). Els graus-dia de calefacció i refrigeració de Catalunya: resultats a nivell municipal. Estudis monogràfics: 14, Institut Català d’Energia, Departament de Treball, Indústria, Comerç i Turisme, Generalitat de Catalunya.
• Marzán, I. (2000). Régimen térmico en la Península Ibérica. Estructura litosférica a través del Macizo Ibérico y el Margen Surportugués. Tesi doctoral. Departament de Geodinàmica i Geofísica. Universitat de Barcelona.
• Ninyerola, M.; Pons, X.; Roure, J.M. (2000). A methodological approach of climatological modelling of air temperature and precipitation through GIS techniques, International Journal of Climatology, 20: 1823-1841.
• Peña, D. (2013). Evaluation of conductive heat transport in potential high enthalpy geothermal reservoirs. MSc. UB-UAB, 37 p.
• Robertson, E.C. (1988). Thermal Properties of Rocks. USGS Open-File Report, 88-441. 106 p.
• Waples, D.; Waples, J. (2004). A Review and Evaluation of Specific Heat Capacities of Rocks, Minerals and Subsurface Fluids. Part 1: Minerals and Nonporous Rocks, Natural Resources Research, vol. 13 (2): 97-122.