Energia Geotérmica

Trabalho realizado por:
Carina Castanheta
Henrique Marto

Data:
fevereiro de 2019

Energia Geotérmica

Entende-se por energia geotérmica a energia térmica proveniente do interior do planeta. A elevada temperatura do núcleo terrestre faz com que exista um fluxo de calor entre este e a superfície do planeta, sendo que a temperatura aumenta com o aumento da profundidade. A energia geotérmica é observável em alguns fenômenos naturais, como os vulcões e os geysers.

Figura 1 - Central geotérmica

Este recurso pode ser utilizado para aquecimento e arrefecimento ou para a produção de eletricidade, sendo que esta última aplicação necessita de temperaturas mais elevadas. Por isso, uma central geotérmica deverá ser construída próxima de um local ativo, onde haverá mais energia térmica disponível.

Figura 2 - Temperaturas das camadas do planeta Terra

Mercado

A energia geotérmica é uma fonte relativamente pouco explorada mundialmente, sendo o maior produtor os Estados Unidos da América, por uma larga margem, seguidos das Filipinas e da Indonésia. Portugal encontra-se no top 20 dos produtores mundiais. A maior exploração geotérmica do mundo está situada na Califórnia, e corresponde aos geysers de San Francisco. [3,4]

Há vários países onde este tipo de energia satisfaz uma parte significativa das necessidades energéticas, de entre os quais se destacam a Nova Zelândia, Quênia, Filipinas, El Salvador e Islândia. Neste último caso, cerca de 90% das necessidades de aquecimento são satisfeitas por este recurso, que abunda devido à grande atividade vulcânica presente nesta região.

Sendo esta tecnologia ainda pouco desenvolvida, é expectável que o mercado venha a crescer nos próximos anos, com o aumento da procura de recursos energéticos renováveis. [3,4]

Figura 3 - Capacidade de produção de energia geotérmica por país

Aplicações

A principal aplicação dos equipamentos que aproveito a energia geotérmica é para aquecimento ou arrefecimento de espaços e fluidos, como por exemplo as bombas de calor. No entanto, devido à alta possibilidade de utilização desta energia renovável, existe um crescente número de instalações que produzem eletricidade através de recursos geotérmicos, como por exemplo centrais geotérmicas e sistemas geotérmicos reforçados.

Bombas de calor geotérmicas

As bombas de calor geotérmicas são aplicadas diretamente em edifícios podendo ser utilizadas para arrefecimento ou aquecimento. Este equipamento aproveita o gradiente natural de temperatura entre o solo e o ambiente à superfície. [6]

De forma genérica o seu modelo de operação consiste no envio de um fluído quente ou frio através de uma tubagem até ao subsolo, onde o último absorve ou liberta calor, seguindo o fluído de volta para o interior do edifício. Podem funcionar como o tradicional ar condicionado, sendo cerca de 65% mais eficientes, e apresentam um tempo de vida de cerca de 25 anos para componentes à superfície e de 50 anos para componentes no solo.

Ao custo de aquisição deste equipamento acresce o custo de manutenção, neste caso eletricidade. Sendo a parcela de fontes renováveis da eletricidade variável de país para país, também as emissões, exclusivamente indiretas, deste equipamento variam. [6]

Estes equipamentos podem ser distinguidos pelo tipo de circuito, sendo aberto ou fechado. A escolha do tipo de sistema deve ter em conta o clima, o tipo de solo, terreno disponível e custos associados ao local. [6]

Circuito fechado

Neste tipo de sistemas faz-se circular um fluído anticongelante ou água nas tubagens que devem ser de plástico, como por exemplo polietileno, de forma a que os químicos presentes no fluído ou no solo não reajam. Estas tubagens podem ser submersas em água ou no solo, consoante a configuração e o local. O comprimento do circuito irá depender da diferença de temperatura desejada. [8,9]

Existe regulamentação que proíbe a utilização deste tipo de sistemas em alguns locais, devido à utilização de fluídos refrigerantes no solo. [9]

Um circuito fechado pode ainda apresentar configuração vertical, horizontal ou localizar-se no fundo de um lago ou lagoa. [8,9]

Figura 4 - Esquema dos tipos de circuitos fechados

Circuito fechado vertical

Estes sistemas são compostos por diversos tubos em forma de U, dispostos verticalmente no solo podendo alcançar profundidades de cerca de 120 metros. Uma tubagem horizontal a cerca de 2 metros de profundidade une os tubos. [10]

Apesar desta ser a opção mais cara de todos os tipos de circuito fechado, é muitas vezes a única alternativa, pois a exploração de grandes áreas na horizontal afeta mais a paisagem, e pode mesmo ser proibida. [10]

Circuito fechado horizontal

A configuração é semelhante ao vertical, sendo a grande diferença a disposição dos tubos em formato de U na horizontal. A profundidade a que o sistema é instalado é muito inferior e por isso é possível contornar os custos de perfurar material rochoso. Outra vantagem deste arranjo é que pode ser construído nas bases de outras estruturas. [10]

Circuito em lago ou lagoa

O circuito inclui um conjunto de tubagens em espiral que se encontra no fundo de um lago ou lagoa, a uma profundidade mínima de cerca de 2,4 metros. Nenhum impacto na flora aquática é conhecido, sendo esta configuração uma das mais baratas. [11]

Circuito aberto

Esta configuração permite a extração de água através de poços diretamente para uso. Após utilização esta água é descarregada por outro tubo para um local próprio. Esta água pode ser armazenada num lago para esse propósito, despejada noutros cursos de água se cumprir os requisitos ou ainda ser injetada de novo no solo. Uma das principais vantagens é um custo de aquisição inferior. [10]

Centrais geotérmicas

As centrais geotérmicas extraem vapor ou água quente do solo através de perfurações. Existem três tipos, e a sua utilização vai depender da fonte de energia, quanto mais quente a água menor será a quantidade de fluído a circular. [12]

As centrais requerem temperaturas elevadas, entre 150°C e 370°C. [12]

Centrais geotérmicas a vapor seco

Este é o tipo de central mais antiga, usada pela primeira vez em Itália no início do século XX, numa zona onde existiam geysers naturais. [13,14]

O fluído térmico utilizado é vapor retirado de um poço previamente perfurado, sobe até à turbina onde transfere energia e condensa. A rotação da turbina acoplada a um gerador produz eletricidade. [13,14]

Figura 5 - Esquema de uma central geotérmica a vapor seco

Centrais geotérmicas Flash

Do poço é extraído um fluído cuja temperatura é no mínimo 182°C e a elevada pressão permite o seu escoamento ascendente. O fluído é pulverizado para um tanque cuja pressão é inferior à do fluído levando a que este vaporize. O passo seguinte é a injeção do vapor na turbina, sendo que nestas centrais o vapor condensado é injetado de novo no solo. [13,15,16]

O custo associado a uma central Flash é mais elevado devido ao aumento de complexidade dos equipamentos.

Figura 6 - Esquema de uma central geotérmica flash

Centrais geotérmicas binárias

Ao contrário dos outros tipos, este inclui um segundo fluído, sendo este o que passa pelas mudanças de estado. [15,16]

A temperatura do fluído que advém do solo não é tão elevada como a utilizada nos dois tipos acima descritos. Este ascende até um permutador de calor onde liberta calor para outro fluído térmico com menor ponto de ebulição, como por exemplo pentano ou butano. Quando este vaporiza é injetado na turbina e o restante procedimento é igual. [15,16]

Figura 7 - Esquema de uma central geotérmica binária

Sistemas geotérmicos reforçado

As centrais acima descritas utilizam reservatórios aquíferos existentes na crusta terrestre, e por esta razão a sua localização é limitada. Os sistemas reforçados permitem recuperar o calor através de fraturas impostas no solo onde é injetada água. É, no entanto, necessário a permeabilização dos solos. A água injetada, em contacto com as rochas quentes é aquecida e volta a subir para a superfície através de poços de produção. [17]

Estes sistemas permitem colmatar o uso excessivo e o esgotamento dos reservatórios utilizados pelas centrais. [18]

Figura 8 - Esquema de um sistema geotérmico reforçado

Vantagens [4,19,20]

• Fonte renovável;
• Pouco poluente;
• Não necessita de combustíveis fósseis;
• Baixa produção de CO₂;
• Está sempre disponível;
• Exploração com baixos custos acrescidos;
• Capacidade 80% superior à dos combustíveis fósseis.

Desvantagens [4,19]

• O potencial deste recurso depende da localização;
• Requer um investimento inicial elevado, apesar dos custos de exploração reduzidos;
• Pode libertar pequenas concentrações de H₂S, que tem um odor desagradável (cheiro a ovos podres);
• Podem ocorrer pequenas deposições de materiais tóxicos.

Bibliografia

1. Geothermal energy explained. Boulder weekly.
2. Temperature, composition, and depth of Earth's layers. The geosphere.
3. Geothermal energy. IRENA.
4. Geothermal Energy. National Geographic.
5. Goldstein, B., G. Hiriart, R. Bertani, C. Bromley, L. Gutiérrez-Negrín, E. Huenges, H. Muraoka, A. Ragnarsson, J. Tester, V. Zui, 2011: Geothermal Energy. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation [O. Edenhofer, R. Pichs-Madruga, Y. Sokona, K. Seyboth, P. Matschoss, S. Kadner, T. Zwickel, P. Eickemeier, G. Hansen, S. Schlömer, C. von Stechow (eds)], Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. Disponible en: https://www.ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/03/Chapter-4-Geothermal-Energy-1.pdf
6. Geothermal Heat Pumps. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy.
7. Geothermal Heating and Cooling Technologies. United States Environmental Protection Agency.
8. Closed Loop System. G.H.P. Systems, Inc.
9. Geothermal Heat Pump.
10. Geothermal Loop Options. Minnesota Geothermal Heat Pump Association.
11. Pond or Lake Loop. G.H.P. Systems, Inc.
12. Geothermal power plants. Energy Education.
13. Types of Geothermal Power Plants. California Energy comission.
14. Geothermal power plants. Energy Education.
15. Geothermal explained. U.S. Energy Information Administration.
16. Geothermal power plants. Energy Education.
17. How an Enhanced Geothermal System Works. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy.
18. Geothermal Technologies Program. Office of Energy Efficiency & Renewable Energy.
19. Geothermal Energy Pros and Cons. Energy informative.
20. 10 Myths About Geothermal Heating and Cooling. National Geographic.

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