Estudio de los rellenos geotérmicos. Diseño, construcción, validación y calibración de un equipo para la medida de la conductividad térmica y desarrollo de un mortero geotérmico

Resumen

Debido al incremento del precio de los combustibles fósiles, al rechazo social de la energía nuclear y a los efectos del calentamiento global, muchos países han empezado a buscar nuevas fuentes de energía renovable que contribuyan a paliar el cambio climático. En esa búsqueda, la energía geotérmica se ha convertido, desde hace unos años, en un protagonista indiscutible, especialmente la conocida como energía geotérmica de muy baja temperatura. La ventaja más destacable de los recursos geotérmicos de muy baja temperatura es que las condiciones geológicas para su aprovechamiento son muy poco exigentes, y por tanto pueden ser explotados, mediante sondeos geotérmicos, en prácticamente la totalidad del territorio. Además, se trata de una tecnología sostenible y muy eficiente, con unos destacados ahorros energéticos. El elemento más importante de un sondeo geotérmico es el relleno geotérmico, ya que cumple una serie de funciones fundamentales. Sin embargo, tradicionalmente, no se le ha prestado la suficiente atención. A su vez, la conductividad térmica es el parámetro más importante que caracteriza a los rellenos geotérmicos, y por tanto conocer con precisión su valor posibilita el correcto diseño de la instalación geotérmica de muy baja temperatura. Por todo ello, se antoja necesaria una correcta selección de los componentes y dosificaciones utilizados en el relleno geotérmico, así como una completa caracterización del mismo, pues el uso de un relleno geotérmico adecuado puede suponer un importante ahorro económico y energético durante la vida útil de la instalación geotérmica. Por otro lado, el empleo de residuos o subproductos industriales se plantea como una vía para obtener un relleno geotérmico más sostenible. El aprovechamiento de estos materiales reduce el volumen depositado en los vertederos y la necesidad de explotar nuevos recursos minerales. Esta tesis doctoral describe el diseño, construcción, validación y calibración de un equipo de medida de la conductividad térmica de los rellenos geotérmicos en el rango 0,13-2,80 W/m·K. El equipo desarrollado, denominado equipo MCT, está basado en el método del Hilo Caliente Transitorio (THW), cuyo fundamento matemático es el modelo de la Fuente Lineal Infinita (ILS), según el cual, a partir de una fuente de calor lineal de longitud infinita y flujo radial, el calor se transmite por conducción en un medio infinito, homogéneo e isótropo. El equipo MCT consta, principalmente, de un hilo de calentamiento de nicromo, una fuente de alimentación regulable, un sensor de temperatura (termopar tipo K) y un registrador de datos. El equipo MCT destaca por que permite medir materiales conformados y disgregados y por ser un equipo de fácil construcción y manejo, fiable, económico y ligero. Para la validación y calibración del equipo MCT desarrollado se han utilizado 4 muestras-patrón con conductividad térmica conocida. También se midió la conductividad térmica de 4 rellenos geotérmicos de uso común (bentonita, pasta de cemento, mortero de cemento con arena y mortero de cemento con bentonita), utilizando el equipo MCT y el equipo comercial Shotherm QTM-F1, también basado en el método THW. Finalmente, se ha determinado que, en las condiciones y rango de conductividades térmicas estudiadas, el equipo MCT tiene una precisión relativa del 5 % y una exactitud relativa del 3 %. Se puede concluir que dicho equipo presenta una precisión y exactitud similares a las de los equipos comerciales, pero con un peso y coste económico mucho menor. Por otra parte, también se describe en esta tesis el desarrollo de un mortero geotérmico, denominado MG 7. Se trata de un mortero seco (predosificado) de base cemento, con una conductividad térmica de 2,01 ± 0,08 W/m∙K (K=2) y en el cual el 30 % de los áridos procede de residuos industriales, tales como colas de lavadero, escoria blanca, cenizas volantes y microsílice. El mortero MG 7 también lleva un 2 % de nanopartículas de sílice. En la caracterización del mortero MG 7 se han utilizado las técnicas de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM), Difracción de Rayos X (XRD), Espectrometría de Fluorescencia de rayos X (XRF), Espectrometría de Emisión Óptica con Plasma de Acoplamiento Inductivo (ICP-OES) y Espectrometría de Absorción Atómica (AAS), así como ensayos de turbidez, conductividad eléctrica, pH, densidad aparente, exudación, granulometría, porosidad abierta, resistencia mecánica, adherencia, permeabilidad, retracción, conductividad térmica, consistencia, tiempo de fraguado y durabilidad. Los resultados obtenidos demuestran que el mortero MG 7 presenta, en general, mejores propiedades que los morteros geotérmicos comerciales.