Como capítulo final de esta parte, trataremos uno de los retos más comunes en el diseño de campos de perforación geotérmicos: el desequilibrio. ¿Qué herramientas tenemos a nuestra disposición los diseñadores para modificar el diseño del campo de sondeo de forma que podamos afrontarlo manteniendo un coste de inversión razonable?
Desequilibrio y diseño del campo de perforación
El desequilibrio, es decir, la diferencia entre la demanda de extracción y la demanda de inyección del yacimiento, es una realidad para un diseñador de yacimientos. Siempre que se diseña un proyecto, esto suele ser un hecho, ya que está directamente relacionado con la demanda del edificio y, por tanto, con las opciones arquitectónicas. Aunque a veces es posible cambiar ciertos aspectos del diseño del edificio, por lo general es algo a lo que los diseñadores geotérmicos tienen que enfrentarse.
El desequilibrio ejerce presión sobre las temperaturas a largo plazo del campo de perforación. Si las temperaturas deben mantenerse dentro de ciertos límites, una desviación de la temperatura influirá, por supuesto, en el diseño y aumentará normalmente el coste de la inversión.
En las secciones siguientes, se analizan varias opciones de diseño que influyen en la forma en que un campo de sondeo gestiona el desequilibrio. Estas opciones se dividen en soluciones que siempre funcionan y soluciones que a veces funcionan.
Siempre beneficioso para el desequilibrio
Como se ha explicado en la Parte 2, la respuesta térmica de un campo de sondeo puede dividirse en dos escalas temporales: efectos a largo plazo y efectos a corto plazo.
Dado que el desequilibrio es un fenómeno que causa problemas a largo plazo, modificar el diseño para mejorar estos efectos a largo plazo es un primer paso lógico. Lo que puede sorprender al principio es que los efectos a corto plazo también pueden tener un impacto positivo en el problema del desequilibrio. Las opciones de diseño que influyen en el comportamiento a largo y corto plazo del campo de sondeo se analizarán en las dos secciones siguientes. Una tercera sección...
Mejor comportamiento a largo plazo
El efecto a largo plazo describe cómo cambia la temperatura de la pared del pozo a lo largo de los años y es donde se hace visible el impacto directo del desequilibrio. Cuanta más energía se extraiga anualmente, más baja será la temperatura de la pared del pozo a largo plazo, y viceversa para los sistemas en los que predomina la inyección.
Como se indica en Parte 2.3, Este efecto a largo plazo se rige por las funciones g, que encarnan la interacción térmica entre los distintos pozos del yacimiento y entre el yacimiento y su entorno. Para minimizar la desviación de la temperatura de la pared del pozo, el diseño debe adaptarse para lograr la función g más baja posible.
Como puede verse en la figura anterior, hay varias formas de influir en las funciones g. Una opción, mostrada a la izquierda, es ajustar la separación entre los sondeos. Cuanto más separadas estén las perforaciones, mejor podrán intercambiar energía con el terreno circundante, menor será su interferencia térmica mutua y, en consecuencia, menor será el impacto del desequilibrio en el sistema.
El mismo razonamiento se aplica al ejemplo de la derecha. Si se cambia la configuración de la perforación por una disposición más abierta, como una línea o una forma de L en lugar de un rectángulo, el campo de perforación puede intercambiar energía con el suelo de forma más eficaz, reduciendo así la influencia del desequilibrio. Este efecto también se observó en el capítulo anterior, al hablar de la importancia de trabajar con coordenadas de perforación.
Perforaciones inclinadas
Otra forma de aumentar artificialmente la distancia entre perforaciones es inclinándolas. Este planteamiento ya es habitual en los países escandinavos y ha dado lugar a conceptos como Energía Celsius‘s Pirámide energética y el Concepto Geostar desarrollado por Fraunhofer IEG.
Además de tener la ventaja de requerir una huella más pequeña, facilitando así la instalación de sistemas geotérmicos más grandes en zonas densamente edificadas, si las perforaciones son suficientemente profundas, su espaciado medio se hace mayor, reduciendo la interacción térmica entre las perforaciones y disminuyendo el impacto del desequilibrio en el diseño final.
Mejor comportamiento a corto plazo
El comportamiento a corto plazo, como se Parte 2.2, se describe mediante la resistencia térmica efectiva de la perforación, que expresa la relación entre la temperatura de la pared de la perforación, determinada por las funciones g antes mencionadas, y la temperatura del fluido, que debe mantenerse dentro de ciertos límites. Es precisamente esta relación la que hace que la resistencia del pozo sea importante a la hora de tratar el desequilibrio.
Para entenderlo, veamos a continuación el perfil de temperatura de un campo de sondeo formado por 5 perforaciones de 113 m de profundidad cada una.
Como puede verse en la figura anterior, la diferencia entre la temperatura del fluido durante el pico de calentamiento y la temperatura de la pared de la perforación, que apenas es visible en este caso, es bastante grande debido a una resistencia térmica efectiva de la perforación relativamente pobre de 0,1820 mK/W durante la extracción. El campo de sondeo anterior podría soportar un desequilibrio geotérmico de 15,2 MWh/año en extracción.
Cuando el campo de perforación se mantiene sin cambios y la resistencia de la perforación se mejora hasta un valor de 0,0718 mK/W, las temperaturas de los fluidos se acercan mucho más a la temperatura de la pared de la perforación. Esto significa que la temperatura de la pared de la perforación podría disminuir algo más con el tiempo, manteniendo las temperaturas de los fluidos dentro de sus límites. Resulta que, en este caso, el mismo campo de perforación con 5 perforaciones podría gestionar un desequilibrio de 32,0 MWh/año en la extracción con esta resistencia de perforación mejorada.
En otras palabras, cuando la resistencia de la perforación es baja, un desequilibrio mayor puede gestionarse con mayor eficacia porque la energía puede transferirse más fácilmente entre el fluido y el suelo.
A veces beneficioso para el desequilibrio
Además de las opciones de diseño anteriores, que suelen ser beneficiosas cuando se trata de desequilibrios, hay otras opciones de diseño que también pueden ser beneficiosas en determinados casos.
Perforaciones adicionales
Una solución que se suele proponer para hacer frente al desequilibrio es perforar más pozos. El razonamiento es muy sencillo: con más perforaciones se puede intercambiar más energía con el suelo. Este razonamiento se basa en la misma lógica expuesta anteriormente en relación con el espaciado y la configuración de las perforaciones. Sin embargo, hay un matiz importante relacionado con la resistencia de la perforación.
Un parámetro clave que influye en la resistencia térmica efectiva de la perforación es el régimen de flujo, ya sea laminar o turbulento. Cuando cambia el número de perforaciones del sistema, el caudal total se distribuye entre un mayor número de perforaciones, lo que se traduce en un menor caudal por perforación. En el gráfico siguiente, esto corresponde a un desplazamiento hacia números de Reynolds más bajos.
Cuando un campo de sondeos funciona en la zona transitoria, entre Re = 2300 y Re = 4000, reducir el caudal por sondeo puede aumentar significativamente la resistencia del sondeo y, a su vez, reducir la capacidad del campo de sondeos para hacer frente al desequilibrio, como se ha comentado en la sección anterior. Esto significa que, aunque el comportamiento a largo plazo mejore debido a una mayor transferencia de calor con el terreno circundante, este beneficio puede verse compensado por una peor transferencia de calor dentro del propio campo de sondeo.
Por lo tanto, al añadir más perforaciones, siempre es importante controlar la resistencia de la perforación y, siempre que sea posible, aumentar el caudal o ajustar la configuración de la perforación, como elegir entre un tubo en U simple o doble o modificar el diámetro de la tubería, para mantener la resistencia lo más baja posible.
Perforaciones más profundas
Un último recurso de los diseñadores geotérmicos para hacer frente al desequilibrio es perforar pozos más profundos. Esto modifica ligeramente las funciones g y, por tanto, el comportamiento a largo plazo, ya que las perforaciones más profundas también proporcionan más superficie para el intercambio de calor con el suelo. Además, una perforación más profunda implica generalmente una mayor temperatura media del suelo. Esta temperatura más elevada desplaza hacia arriba todas las líneas del gráfico de temperatura anterior, lo que facilita la aparición de desequilibrios.
Cabe señalar que esta solución sólo es eficaz para los yacimientos en los que predomina la extracción. Cuando un yacimiento experimenta problemas relacionados con la temperatura media máxima del fluido, perforar a mayor profundidad no suele ser una buena solución, ya que las temperaturas más elevadas del suelo crearán problemas adicionales.
Conclusión
En este capítulo se han analizado diferentes estrategias para hacer frente al desequilibrio en el diseño de campos de sondeo geotérmicos. Se demostró que el desequilibrio afecta principalmente al comportamiento a largo plazo del campo de sondeo al provocar una desviación de las temperaturas, lo que puede aumentar el tamaño necesario del campo de sondeo y el coste de la inversión.
Se presentaron varias soluciones. La mejora del comportamiento a largo plazo mediante una mayor separación entre perforaciones, configuraciones más abiertas o perforaciones inclinadas ayuda a reducir las interferencias térmicas, mientras que la mejora del comportamiento a corto plazo mediante una menor resistencia térmica efectiva de la perforación permite al sistema gestionar desequilibrios mayores con mayor eficacia. Las perforaciones adicionales o más profundas también pueden ayudar, aunque estas soluciones no siempre son beneficiosas y dependen en gran medida de las condiciones específicas del proyecto.
La principal conclusión es que no existe una solución universal al desequilibrio. Cada proyecto requiere un cuidadoso equilibrio entre rendimiento térmico, comportamiento hidráulico y coste de inversión.