la geotermia en la minería subterránea: un problema hoy, un
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II CONGRESO DE ENERGÍA GEOTÉRMICA EN LA EDIFICACIÓN Y LA INDUSTRIA
LA GEOTERMIA EN LA MINERÍA SUBTERRÁNEA:
UN PROBLEMA HOY, UN RECURSO ENERGÉTICO MAÑANA
Universidad de Oviedo
Rafael Rodríguez Díez Mª Belarmina Díaz Aguado
Equipo investigación GEMMA
(Grupo sobre Energía, Minería y Medio Ambiente)
Clúster “Energía, Medio Ambiente y Cambio Climático”
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Índice
11 MINERÍA Y GEOTERMIA
22 LA GEOTERMIA Y LAS MINAS SUBTERRÁNEAS
33 TEMPERATURA EN LAS GALERÍAS DE MINA
44 EVALUACIÓN DEL POTENCIAL GEOTÉRMICO DE UNA GALERÍA
55 DISEÑO DE SISTEMA APROVECHAMIENTO (caldera geotérmica)
66 ANÁLISIS DE SU APLICACIÓN A UN NÚCLEO HABITADO
77 COMPARACIÓN CON OTRAS ENERGÍAS
88 VENTAJAS
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Minería y Geotermia
Los Ingenieros de Minas, competentes en Geotermia
La Geotermia es un recurso minero(Ley 22/1973, de Minas, BOE nº 176)
Es un recurso mineral energético de la Sección D(Ley 54/1980, modificación de la 22/1973, BOE nº 280)
[…] pasan a constituir una nueva sección, denominada D, los
carbones, los minerales radiactivos, los recursos geotérmicos, las rocas bituminosas y cualesquiera otros yacimientos minerales o recursos geológicos de interés energético que el Gobierno acuerde incluir en esta sección […]
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Minería y Geotermia
En la explotación de recursos geotérmicos es de aplicación la legislación en materia de Seguridad Minera:
Normativa estatal (Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera)
Artículo 107. Antes de iniciar cualquier trabajo de investigación de
un recurso geotérmico se precisará autorización mediante la aprobación previa del proyecto correspondiente
Normativa autonómica (Instrucción ASM-25, Asturias Seguridad Minera)
1. Prescripciones generales. La presente Instrucción regula todas las
explotaciones minerales de recursos geotérmicos, tanto del calor natural de la tierra presente en el subsuelo, como de todos los minerales en solución a partir de fluidos naturales calientes […]
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La Geotermia y las minas subterráneas
¿Cómo se ve la “geotermia” en la mina?
Geotermia = Calor de la Tierra
Calor en las labores = Trabajo más penoso
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La Geotermia y las minas subterráneas
Fuentes de calor en la mina subterránea:
Equipos eléctricos
Gases calientes (voladuras, humos de vehículos Diesel)
Fricción metal-roca durante el arranque
El macizo rocoso
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La Geotermia y las minas subterráneas
El calor del macizo rocoso
El macizo rocoso puede alcanzar altas temperaturas
Es necesario el control de la temperatura en los tajos
Pueden necesitarse sistemas de refrigeración (5-10 MW)
Pozo/Mina País Referencia Profundidad T roca T max
Stillingfleet R. Unido Lowndes et al. 1.000 m 40º C 28º C
Ibbenburen Alemania Heinz 1.450 m 45º C 28º C
Leshotho Sudafrica Glenn-Bluhm 3.000 m 48º C 28º C
Leshotho Sudafrica Glenn-Bluhm 4.500 m 65º C 28º C
Ost Alemania Mantwill-Baumer
1.500 m 64º C 30º C
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Temperatura en las galerías de mina
La legislación española (RGNBSM, ITC 04.7.02, ASM 13) limita la temperatura equivalente a 33º C
Temperatura, humedad relativa, velocidad del aire
Ejemplo:
T. macizo rocoso = 35º C
Humedad relativa = 90%
Velocidad = 0.20 m/s
T. equivalente = 34º C
Es necesario reducir la temperatura en ese punto
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Temperatura en las galerías de mina
La ventilación es el sistema más habitual para controlar la temperatura en la mina
1. El aire del exterior, más frío, entra y recorre las galerías de la mina
2. Hay un intercambio de calor: el aire se calienta y el entorno se enfría
3. Se llega a una temperatura de equilibrio aceptable para el personal que trabaja
Para dimensionar la ventilación esnecesario conocer el aporte de calor del macizo rocoso (Geotermia)
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Evaluación del potencial geotérmico de una galería
Problema minero (original): ¿Qué caudal de aire frio se ha de introducir para enfriar el macizo rocoso?
Planteamiento geotérmico (nuevo): ¿Qué calor se puede extraer del macizo rocoso mediante un fluido frío (agua)?
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Evaluación del potencial geotérmico de una galería
Se desarrolla un método de cálculo para estimar el intercambio de calor de un fluido con el macizo rocoso:
Diseño de la ventilación en la mina
Evaluación del potencial geotérmico de una galería
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Evaluación del potencial geotérmico de una galería
Método iterativo:
Conocida la temperatura de entrada de una sección Tei
Se estima la de salida Tsi mediante las expresiones:43.0
fi
fiefifi80.0
fi
fifi
i
crv2021.0
r2h
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r
r
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Evaluación del potencial geotérmico de una galería
Validación del método:
Ventilación en galerías de mina (fluido: aire)
Se midieron y se estimaron temperaturas
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22
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0 100 200 300 400 500
Longitud (m)
Tem
pera
tura
seca (
ºC)
Medido
Calculado
Medido
Calculado
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Evaluación del potencial geotérmico de una galería
Consecuencias deducidas del método:
Se puede estimar la cantidad de calor cedido por el macizo rocoso
- Ventilación: Se puede diseñar un sistema de ventilación
- Geotermia: Se puede estimar el calor que se extrae de una mina
El calor que cede el macizo rocoso tiene un límite (no es infinito)
- Ventilación: Existe una solución (si es viable económicamente)
- Geotermia: Existe un límite al aprovechamiento geotérmico
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IADiseño de un sistema de aprovechamiento (caldera geotérmica)
¿Cómo evaluar el potencial de una mina entendiéndola como yacimiento de energía geotérmica?
¿Es posible el aprovechamiento incluso con la mina en actividad?
¿Qué ventajas existen?
MÉTODO
DE
CÁLCULO
Fluido Macizorocoso
Describir el intercambio
Establecer un límite al calor que se puede extraer de la tierra
Realizar estimaciones
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Similar al esquema de ventilación de una mina
Desarrollo de proyectos mundiales en minas
Esquema tipo
Diseño de un sistema de aprovechamiento (caldera geotérmica)
(Ehrenfriedersdorf, Sajonia , Alemania, 1996)
Minas en Springhill, Canadá (1990)
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Esquema tipo
2008: Primera central de Agua de mina Herleen (Holanda)
Similar al esquema de ventilación de una mina
Desarrollo de proyectos mundiales en minas
Diseño de un sistema de aprovechamiento (caldera geotérmica)
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Actuaciones después del cierre de minas: solo extracción agua de la mina desde pozos o sondeos.
Actuación antes del cierre de la mina
• CONOCIMIENTO DEL RECURSO
• POSIBILIDAD DE REALIZAR TRABAJOS NECESARIOS Y APROVECHAR AL MÁXIMO GALERÍAS DE MINA
•APROVECHAMIENTO DE ESA ENERGÍA GEOTÉRMICA CON MINA EN ACTIVO
Esquema tipo
Galerías: 10- 15 m2
Diámetro sondeo: 220 mmP agua 500 m.c.a
Diseño de un sistema de aprovechamiento (caldera geotérmica)
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Análisis de su aplicación a núcleo habitado
170 viviendas(300 habitantes)
Distancia al “potencial usuario”
Temperatura y composición agua de mina
Extensión de la explotación minera
Profundidad y geometría de las galerías
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Rendimiento y capacidad del sistema
Análisis de su aplicación a núcleo habitado
350 m
650 m
450 m
550 m500 m
Recorrido por galerías: 1000 m
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Análisis de su aplicación a núcleo habitadoAnálisis del sistema
Temperatura inyección
Temperatura exterior invierno= 7 ºC T macizo a 500 m 28 ºC
Bombas de calor: aceptables con T= 5 ºC
T extracción de la caldera:
al menos 12 ºC
T final agua sistema calefacción: 50º C
T agua sale del sondeo: 12 ºC
COEF. REND. Bombas calor:
COP=4
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Análisis de su aplicación a núcleo habitado
Potencia térmica
para diferentes caudales
de agua inyectados
(explotación 30 años)
0
25
50
75
100
125
150
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0 10 20 30 40 50
Caudal (m3/h)
Pote
ncia
media
extr
aid
a (
kW
)
0
5
10
15
20
0 5 10 15 20
Caudal (m3/h)
Incre
mento
de tem
pera
tura
(ºC
)
Potencia obtenida del sistema:
Incremento de temperatura del agua:
Caudal máx. por galería:10 m3/h
20 m3/h
T min= 5 ºC
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Análisis de su aplicación a núcleo habitado
Agotamiento de la caldera geotérmica
Análisis del sistema
Funcionamiento continuo del sistema
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150
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0 10 20 30 40 50
Tiempo (años)
Pote
ncia
media
extr
aid
a (
kW
)
195 kWt
125 kWt
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Análisis de su aplicación a núcleo habitadoOtras posibilidades
Caudal = 10 m3/h65 kWh/1000 m galería
Obtención distintas potencias caloríficas
65 Wt /m (Aumento lineal)
Separación galerías: 120 m
Múltiples galerías:evitar interferencia
r0/r= 30
r= 2 m
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Análisis de su aplicación a núcleo habitadoOptimización del sistema
Sistema óptimo para macizos rocosos “calientes”
Sistema aprovechable en macizos de menor temperatura, pero con minas existentes
Aumento de potencia límite extraída regiones de clima suave
Sin aire acondicionadoUtilización sistema solo en invierno
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Tiempo (años)
Pote
ncia
media
extr
aid
a (
kW
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m=2
m=4
m=6
m=12
185 kWt: 0-10 años
160 kWt: 0-50 años
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Análisis de su aplicación a núcleo habitadoOptimización del sistema
Demanda térmica cubierta: 160 kWt de potencia calorífica y coeficiente de rendimiento COP=4
Potencia térmica en las viviendas a L.P. 215 kWt
Necesidades térmicas totales: 35 viviendas unifamiliares o 150 viviendas bloques edificios
C.T.E. (30% energía renovable):25 viviendas unifamiliares o 125 viviendas bloques edificios
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Ventajas
Contribuye a reducción de emisiones de CO2: favorecida por la actual legislación
Coste competitivo frente a otras energías
alternativas; rentabilidad aumenta a largo plazo
Recursos energéticos propios de un país: no dependencia
Independiente de las condiciones climáticas y con flujoconstante de energía a lo largo del año
Área de terreno requerido por plantas geotérmicas menor queotras centrales de producción energética
No contaminan entorno próximo: ubicación en zonas residenciales, campos, bosques …etc.
Múltiples aplicaciones de uso directo: viviendas unifamiliares, urbanizaciones, piscifactorías, naves ,…etc.
Energía geotérmica
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Ventajas
Conocimiento previo sobre: macizo rocoso e hidrogeología; caldera y el circuito del agua predecir mejor resultados
Funcionamiento como sistema abierto, pero sin riesgo de contaminación térmica al acuífero
A igual longitud perforada, menor superficie ocupada.
Eficiencia de la bomba de calor agua-agua superior a bombas aire debido a uniformidad de temperatura terreno (y fluido)
Estabilidad de galerías (comprobable y mejorable)
Calderas geotérmicas en galerías de mina
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Resultados de esta investigación
Renewable Energy, vol 34 (2009), pp. 1716–1725
Analysis of the utilization of mine galleries as geothermal heat exchangers by means a semi-empiricalprediction method (Rafael Rodríguez, María B. Díaz)
Muchas gracias
Muchas gracias
II CONGRESO DE ENERGÍA GEOTÉRMICA EN LA EDIFICACIÓN Y LA INDUSTRIA
GRACIAS POR SU ATENCIÓN
Universidad de Oviedo