Analysis and Development of New Techniques and Possibilities of Using Geothermal Energy

Abstract

Las energías renovables juegan un papel imprescindible en la lucha contante contra el cambio climático. La sociedad de hoy en día requiere la implementación de fuentes de energías limpias con el objeto de reducir la utilización de combustibles fósiles. Dentro del amplio espectro de energías renovables, la energía geotérmica constituye un pilar importante en el futuro desarrollo sostenible. En función de su caracterización térmica y geológica, el uso de esta energía está directamente relacionado con la producción de agua caliente sanitaria o la climatización de un determinado espacio. La generación eléctrica puede también incluirse en las aplicaciones de la energía geotérmica si las condiciones geológicas del recurso lo permiten. Existen un gran número de ventajas que definen esta clase de recurso renovable (como por ejemplo; uso continuo, emisión de gases de efecto invernadero reducida, costes operativos mínimos, independencia geológica en aplicaciones de climatización, etc.). Sin embargo, la elevada inversión inicial que estas instalaciones requieren y la carencia de conocimiento en el ámbito, limitan el uso de esta energía en ciertas ocasiones. La presente Tesis Doctoral se enmarca en el análisis y evaluación de los principales parámetros y componentes que directa o indirectamente influyen en el desarrollo de los sistemas geotérmicos de baja entalpía. En particular, el principal propósito de este trabajo es definir el esquema de funcionamiento geotérmico óptimo con el fin de contribuir a un uso más extensivo de esta tecnología renovable. Las líneas de investigación incluyen un extenso proceso de trabajo de campo y ensayos de laboratorio, así como el procesamiento y análisis de los datos experimentales y de simulación. El punto de partida del trabajo de investigación dio comienzo con la identificación de los puntos débiles de los recursos geotérmicos de baja entalpía. Tras esta primera evaluación, los esfuerzos se centraron en la realización de diferentes ensayos sobre los parámetros detectados como esenciales en la etapa anterior. El trabajo experimental se complementó con el uso de software especializado en el dimensionamiento de sistemas geotérmicos, simulación y modelado energético además de la realización de los correspondientes estudios teóricos y numéricos. Las conclusiones extraídas de todo el desarrollo práctico y teórico han permitido establecer la metodología geotérmica más adecuada. En resumen, la presente Tesis Doctoral está compuesta por información muy relevante para el campo geotérmico, que ha sido recogida en forma de artículos científicos donde se compila todo el conocimiento y experiencia adquiridos a lo largo de la etapa investigadora.

[EN] Renewable energies have got an essential role in the continuous climate change mitigation. The present-day society requires the implementation of green energy sources with the principal aim of reducing the fossil’s fuels use. Within the broad spectrum of renewable energies, geothermal energy constitutes an important part for a future sustainable development. Depending on its thermal and geological characterization, the use of this energy is directly related to the generation of domestic hot water and/or heating/cooling purposes. Electricity production could be also included as a geothermal application if the geological conditions of the resource allowed it. There is a large number of advantages that define this kind of renewable source (e.g. continuous use, reduced greenhouse gases emissions, minimum operational costs, geological independence for heating and cooling uses, etc.). However, the high initial investment commonly required for domestic installations and the lack of knowledge in the field, make the use of this energy limited in certain occasions. The present Doctoral Thesis is framed within the analysis and evaluation of the principal parameters and components that, directly or indirectly, influence the development of low enthalpy geothermal systems. Specifically, the main goal of this research work is to define the most optimal schema of geothermal operation that helps to contribute in a more extensive use of this renewable technology. The research lines include extensive field work and laboratory tests, in addition to the computing processing and analysis of the experimental and simulation data. The starting point of the research work was the identification of the weaknesses that characterize low enthalpy geothermal resources. After this first evaluation, efforts were focused on the realization of different tests on the parameters detected as essential in the previous stage. Experimental work was complemented with the use of specific software on the basis of the geothermal systems dimensioning, energy simulation and modelling apart from the corresponding numerical and theoretical studies. Conclusions obtained from the whole practical and theoretical work allowed establishing the most optimal geothermal methodology. In summary, the present Doctoral Thesis contains valuable information that has been compiled in numerous scientific works in which all the know-how and expertise arising during this research stage have been compiled.