Estudio experimental de las propiedades térmicas, hidráulicas y mecánicas de rellenos geotérmicos sometidos a diferentes condiciones de operación y propuesta de alternativas

Resumen

La preocupación por el uso masivo de combustibles fósiles, no renovables y limitados, junto con el aumento del conocimiento y la concienciación respecto a los efectos provocados por el calentamiento global, están conduciendo a un uso más responsable de la energía y al aumento del consumo de energías renovables. Dentro de este último grupo está la energía geotérmica de baja entalpía o, lo que es lo mismo, las instalaciones de bomba de calor geotérmica. Sin embargo, para que el consumo de energías renovables siga una tendencia creciente es necesario aumentar la eficiencia, reducir los costes y minimizar sus posibles riesgos. En este sentido, el material de relleno que se coloca en la perforación entre las tuberías y el terreno desempeña un papel crucial en la explotación eficiente y segura de los recursos geotérmicos superficiales. Así, por una parte, el relleno geotérmico debe tener unas eficaces propiedades térmicas para proporcionar una transferencia de calor efectiva entre el fluido caloportador y el terreno, pero, además, debe crear un sellado óptimo de la perforación que evite riesgos medioambientales por la contaminación de las capas del subsuelo. Por otra parte, la aparición en algunos países de gran tradición en el uso de la energía geotérmica de graves problemas geológicos relacionados con instalaciones de bombas de calor geotérmicas ha generado dudas respecto a la tecnología en general y, en especial, sobre la idoneidad de los materiales de relleno existentes, así como la posible degradación de sus propiedades a lo largo de la vida útil de la instalación. La investigación que se presenta en esta tesis doctoral tiene como eje central la caracterización de rellenos geotérmicos del tipo de los usados habitualmente, al objeto de generar conocimiento acerca de sus diferentes tipologías, de la influencia de sus diferentes materiales y aditivos en sus propiedades y, sobre todo, de la evolución de estas propiedades con el tiempo, en condiciones normales y extremas de operación. Conocido el comportamiento de estos rellenos, se propone además la caracterización de un tipo de relleno menos convencional en el campo de la geotermia, un mortero fluido, con el objetivo de soportar las condiciones que darían lugar a los problemas antes referidos. Así, en una primera fase se evaluó la idoneidad del uso de rellenos geotérmicos convencionales. Estos materiales se caracterizan por su alta relación agua/sólido y son ampliamente utilizados en instalaciones de bomba de calor geotérmica por su facilidad de bombeo y eficiencia en el rellenado de la perforación. Se determinaron la conductividad térmica, la resistencia mecánica y la permeabilidad de cinco rellenos con diferentes cantidades de agua, cemento, arena y bentonita. Además, estas formulaciones fueron sometidas a ciclos de calor-frío, hielo-deshielo y humedad-sequedad para evaluar su durabilidad, teniendo en cuenta el deterioro de las propiedades del material y la pérdida de calidad de la unión entre el relleno y la tubería. Según los resultados obtenidos, los ciclos de calentamiento-enfriamiento provocan un aumento importante de la conductividad hidráulica en la unión del relleno con la tubería en todos los rellenos, aunque la capacidad sellante residual confirma que serían adecuados para su utilización en suelos con características hidrogeológicas de bajo riesgo. Por otra parte, los resultados obtenidos tras la aplicación de los ciclos hielo-deshielo y humedad-sequedad demuestran el efecto negativo del alto contenido de agua en la conductividad hidráulica de los rellenos sometidos a este tipo de cargas extremas. Es por tanto recomendable limitar su uso a instalaciones en las que el riesgo medioambiental asociado a las condiciones hidrogeológicas del terreno sea muy bajo o nulo. En la segunda fase de la investigación se propusieron y caracterizaron rellenos geotérmicos de tipo mortero fluido, con menor contenido de agua que los anteriores, y para cuya composición se emplearon diferentes adiciones y aditivos con el objetivo de mejorar sus propiedades térmicas, mecánicas e hidráulicas. Así, en este estudio se fabricaron y caracterizaron nueve rellenos geotérmicos con diferentes cantidades de cemento, dos tipos de arena (caliza y sílice), superplastificante y 2 tipos de aditivos: grafito en escamas y grafito expandido. Los rellenos se caracterizaron ampliamente en su estado inicial e igualmente tras ser sometidos a ciclos de humedad-sequedad. Entre las conclusiones de este estudio destaca la mejora en las propiedades térmicas, mecánicas e hidráulicas al reducir la relación agua/sólido, abriendo la posibilidad al uso de este tipo de materiales en aplicaciones de mayor exigencia mecánica y medioambiental, así como la capacidad de las diferentes formas de grafito de mejorar las propiedades térmicas del relleno incluso en bajas concentraciones. Una menor trabajabilidad respecto a los rellenos convencionales y el mayor coste de alguno de ellos son los principales inconvenientes a tener en cuenta.