ENERGIA GEOTÉRMICA POTENCIAL E OPORTUNIDADES...

ENERGIA GEOTÉRMICA –

POTENCIAL E OPORTUNIDADES

PARA USO NO SETOR INDUSTRIAL PAINEL: ENERGIA – SOLUÇÕES PARA A PROMOÇÃO DA EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA INDÚSTRIA

XVIII SIMAI

SEMINÁRIO INTERNACIONAL DE MEIO AMBIENTE INDUSTRIAL E SUSTENTABILIDADE

São Paulo, 4-6 Outubro 2016

Prof. Ing. Roberto BRUNO

Conselheiro Cientifico da Embaixada da Itália em Brasilia

Prof. da Universidade de Bolonha 5/10/2016 Energia Geotérmica – Potencial e oportunidades para uso no setor industrial– ECOMONDO Brasil, São Paulo

ÍNDICE

1. Introdução à exploração da energia

geotérmica

2. Principais utilizações da energia

geotérmica

3. Algumas utilizações industriais

5/10/2016 Energia Geotérmica – Potencial e oportunidades para uso no setor industrial– ECOMONDO Brasil, São Paulo

1) INTRODUÇÃO À EXPLORAÇÃO DA

ENERGIA GEOTÉRMICA

A energia geotérmica

As temperaturas

Alta / Media / Baixa entalpia

Os gradientes

O fluido termo-vetor

5/10/2016

Energia Geotérmica – Potencial e oportunidades para uso no setor industrial– ECOMONDO Brasil, São Paulo

A ENERGIA GEOTERMICA

Origina no núcleo da terra

O fluxo de calor atravessa manto e

crosta, até chegar à superfície

Cada material, sólido e fluido, tem

caraterísticas térmicas própria

(capacidade térmica, condutividade

térmica, ..),

As caraterísticas variam no espaço 5/10/2016 Energia Geotérmica – Potencial e oportunidades para uso no setor industrial– ECOMONDO Brasil, São Paulo

OS GRADIENTES GEOTERMICOS


3 km

Os gradientes

geotérmicos são

diferentes nas

diferentes regiões

CLASSIFICAÇÃO DOS RECURSOS

GEOTERMICOS

O recurso geotérmico tem diferentes valores e

utilizações conforme a temperatura

As normas EU estabelecem:

Alta entalpia : T > 120 °C

Media entalpia : 80<T<120 °C

Baixa entalpia: T<80 °C

5/10/2016


A EXPLORAÇÃO DA GEOTERMIA

Conforme o tipo de energia geotérmica,

é possível :

Produzir energia elétrica

Explorar diretamente o calor da terra

Trocar calor com o subsolo

5/10/2016


O FLUIDO TERMO-VETOR

A utilização da energia geotérmica precisa

dum fluido que leva, naturalmente o

artificialmente, o calor até o equipamento

especifico (trocador, bomba de calor,

turbina, ...)

Normalmente é agua (vapor), de formação,

do lençol ou injetada

5/10/2016


2) PRINCIPAIS UTILIZAÇÕES DA

ENERGIA GEOTÉRMICA

Modalidades de exploração

Produção de energia elétrica

Turbinas a vapor, ...

Uso direto do calor

DHC, ...

Troca de energia por bombas

de calor


Altics et al., EGC 2016

PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

O utilizador não é o produtor

Normalmente precisa de altas

temperaturas

Precisa de grandes investimentos e

grande especialização


A EXPLORAÇÃO DA GEOTERMIA A

ALTA ENTALPIA

A produção de energia elétrica se realiza:

por turbinas a vapor, alimentadas por fluidos a

alta temperatura e pressão

Não é uma energia disponível em qualquer lugar

os gradientes geotérmicos são diferentes nas

diferentes regiões

5/10/2016



ALTA ENTALPIA

Produção de

energia elétrica

por turbinas a

vapor

5/10/2016


A PRODUÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

POR GEOTERMIA COM ALTA ENTALPIA

Não é uma energia disponível em qualquer lugar

5/10/2016


1 km 2 km

ITALIA E’ LEADER HISTORICO MUNDIAL

E LEADER EUROPEU

Por capacidade elétrica

instalada

Por produção de energia

elétrica

Desde 1904 na Itália, 1°

produtor mundial até os

últimos anos



POR GEOTERMIA A ALTA ENTALPIA

5/10/2016

Larderello,

Italia

Kamojang,

Indonesia Geysers,

USA

Matsukawa,

Japao


Produção de energia elétrica com

turbinas ORC (Organic Rankine Cycle)

O ciclo binário precisa de temperaturas

até < de 100 °C

5/10/2016


POR GEOTERMIA A MEDIA ENTALPIA


A EXPLORAÇÃO DA GEOTERMIA A MEDIA

ENTALPIA PARA A ENERGIA ELÉTRICA

Não é uma energia

disponível em

qualquer lugar

porem ...

Os EGS (Enhanced

Geothermal Systems)

5/10/2016



POR EGS

Aspectos ambientais dos EGS

5/10/2016


USO DIRETO DA ENERGIA

GEOTÉRMICA

5/10/2016




GEOTÉRMICA

5/10/2016

Evoluçao mundial da potencia

geotérmica instalada para usos

diretos e da energia annual

produzida entre 1995 e 2015 (Lund, J.W. & Bloyd,T.L., WGC

Melbourne 2015)



GEOTÉRMICA

5/10/2016

Comparação do uso direto da

energia geotérmica no mundo (Lund, J.W. & Bloyd,T.L., WGC

Melbourne 2015)

1) Bombas de calor geotérmicas

2) Aquecimento espaços

3) Aquecimento estufas 4) Aquecimento lagoas

aguacultura 5) Secagem agrícola 6) Utilizações industriais 7) Banhos e piscinas 8) Resfriamento / derretimento

de neve

9) Outros



GEOTÉRMICA A MEDIA ENTALPIA

Aquecimento de espaços

DHC (District Heating and Cooling –

aquecimento urbano)

Turquia, USA, Itália, Eslováquia e Rússia são os

principais utilizadores in termos de energia

per capita

Uso civil, portanto interessa também o setor

produtivo 5/10/2016 Energia Geotérmica – Potencial e oportunidades para uso no setor industrial– ECOMONDO Brasil, São Paulo

USO DIRETO DA ENERGIA GEOTERMICA

CAPACIDADE INSTALADA NA UE




GEOTERMICA NA ITALIA




GEOTÉRMICA A MEDIA ENTALPIA

O exemplo da Emilia-Romagna (Itália)

5/10/2016 A exploração da energia geotérmica no setor produtivo – ECOMONDO Brasil, São Paulo


GEOTÉRMICA: AS ESTUFAS

Aquecimento estufas

31 países fazem, primeiros Turquia, Rússia,

Hungria, China e Holanda.

Não distinguem entre estufas cobertas e

terreno descoberto aquecido

Principais culturas : hortaliças e flores;

também plântulas arbóreas e fruta, ex.

bananas na Islândia. 5/10/2016 Energia Geotérmica – Potencial e oportunidades para uso no setor industrial– ECOMONDO Brasil, São Paulo



GEOTÉRMICA: AGUACULTURA Aquecimento lagoas para aguacultura

21 países utilizam, primeiros USA,

China, Islândia, Itália e Israel

Precisa muito trabalho especializado

Espécies mais comuns: tilapia,

salmão e truta.

Também peixe tropical, lagostas,

camarões e gambas.

E … aligátores 5/10/2016

http://www.google.com.br/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=0CAcQjRxqFQoTCIiCwYSJickCFcODkAodOowAJg&url=http://aquafind.com/info/TilapiaLinks.php&psig=AFQjCNEUiX7oyhPQQHgtUh3lS9G6DFG2cw&ust=1447355363491089


GEOTÉRMICA: PROCESSOS TÉRMICOS

Processos térmicos industriais

Em 15 países Cura do concreto (Guatemala e Eslovênia)

Engarrafamento de agua e bebidas carbonadas (Bulgária, Servia e USA)

Pasteurização do leite (România e Nova Zelândia)

Industria da pele (Servia e Eslovênia)

Extração química (Bulgária, Polônia e Rússia)

Extração da CO2 (Islândia e Turquia)

Processamento da celulose e do papel (Nova Zelândia)

Extração de iodo e sal (Vietnam)

Produção de borato e acido bórico (Itália).. 5/10/2016


USO DIRETO DA ENERGIA GEOTÉRMICA:

SPAS E AQUECIMENTO AGUAS

Banhos e piscinas

Todos países têm spas e resorts com piscinas

aquecidas por aguas geotérmicas

Valores altos de consumo porque a torneira fica

sempre aberta, sendo ou não

a agua utilizada

70 Países atuam esta exploração

Os principais são China, Japão,

Turquia, Brasil e México. 5/10/2016


USO DIRETO DA ENERGIA GEOTÉRMICA

PARA BANHOS E PISCINAS NO BRASIL

Os dados são do Laboratório Geotérmico do

Observatório Nacional, Rio de Janeiro.

Sistemas explorados comercialmente:

BRT (Bathing, Recreations and Tourism)

PIS (Potential for Industrial Use &

Space Heating)

TDB (Therapeutic, Drinking and Bathing).

Concentração das aguas termais

no Sul e Centro-Sul do Brasil

5/10/2016


A EXPLORAÇÃO DA GEOTERMIA A BAIXA

ENTALPIA POR BOMBAS DE CALOR

As bombas de calor

geotérmicas

Representam

71 % da capacidade

instalada e 55 % da

energia geotérmica

utilizada

5/10/2016




Bombas de calor geotérmicas

Exemplificando são bombas de calor

agua-agua (fluido termo-vetor)

Os 2 circuitos da bomba trocam calor

um com o terreno/agua, outro com o

espaço para climatizar

5/10/2016




Sistema a circuito aberto o fechado




O exemplo da IKEA

5/10/2016



BAIXA ENTALPIA: ARMAZENAMENTO

A climatização muitas vezes é

aquecimento e esfriamento, alternados

O sistema já não é uma exploração da

energia geotérmica, porem uma troca

de calor com o terreno que constitui um

reservatório onde a energia térmica é

temporariamente armazenada 5/10/2016


O PROBLEMA DO ARMAZENAMENTO DE

ENERGIA: AS TECNICAS DE

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA (TES)

5/10/2016


UTES (Armazenamento de Energia Térmica

em subterrâneo)

WT (Reservatórios de agua)

Estratificação natural

Estratificação melhorada

PCM (Material que muda de fase)

Gelo e neve

Parafinas e ácidos gordos

Sal hidratos e misturas eutéticas

Outros materiais

CR (Reações Termoquímicas)

Estruturas de construção

Paksoy, H – Annex

22, IEA-ECES,

Halifax 2009)

CONCEITOS DE ARMAZENAMENTO

.

5/10/2016


ATES BTES CTES

Thermal

Energy

Storage

Heat from

TES

Cooling

Load

22 8 18 22

Thermal

Energy

Storage

Heat from

TES

Cooling

Load

22 8 18 22

Longo prazo

Nivelamento de carga

anual / semestral

Fontes de energia renováveis e naturais

Curto prazo Nivelamento de carga diário

Deslocamento de picos Controle da temperatura

Agua, Gelo, PCM,

Termoquímicas,

Estruturas de construção

O GRANDE PROBLEMA DO

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA

O armazenamento de energia térmica:

Exemplos

A eficiência do reservatório geotérmico

a baixa entalpia

O caso limite, pouco eficiente, do

armazenamento de energia elétrica por

reservatório geotérmico 5/10/2016


3) AS UTILIZAÇÕES INDUSTRIAIS

Classificação

Setor agrícola (estufas)

Aguacultura

Spas

Outros usos industriais


GEOTERMIA E SETOR PRODUTIVO:

AS ESTUFAS ESQUENTADAS POR

GEOTERMIA


AS ESTUFAS ESQUENTADAS POR

GEOTERMIA

Otimizam o crescimento

Baixam os custos operacionais

(até 35%)

Permitem a produção em climas frios

Utilizam baixas temperaturas (25°-90°C)

Permitem um melhor controle da

humidade, a prevenção da

condensação e redução das doenças



O POTENCIAL DAS ESTUFAS NA

TURQUIA

A Turquia é o quinto produtor mundial em estufas

(~50,000 ha)

As estufas atuais utilizam combustíveis fosseis

(carvão) para aquecimento; esfriamento não se faz

Acrescentando a produção das estufas

Obtendo o máximo rendimento por terras agrícolas

Importância da produção local para evitar o

transporte

A agricultura biológica

Fornecendo alimentação a uma população em

crescimento 5/10/2016

05

1015202530354045

0 720 1440 2160 2880 3600 4320 5040 5760 6480 7200 7920 8640 9360

Zaman (Saat)

Thava(o

C)

5/10/2016

ARMAZENAMENTO DE ENERGIA TÉRMICA

POR AQUÍFERO (ATES)

Fontes de energia para

aquecimento no inverno

o Calor residual na estufa:

A temperatura no interior

chega até 40-60°C aprox.

6 horas/dia, para 5 meses

no clima mediterrâneo

SICAKLIK (C)

ZAMAN(h)

25

43

47

37

34

31

28

08:0020:0018:0016:0014:0012:0010:00

Td

Ti

Fontes de energia para

esfriamento no verão

o Ar externa a noite

Quando as temperaturas

são menor de 10 0C

Paksoy, H – Annex

22, IEA-ECES,

Halifax 2009)


5/10/2016

DESCRIÇÃO DO SISTEMA ATES VISTA ESQUEMÁTICA

Paksoy, H – Annex

22, IEA-ECES,

Halifax 2009)



5/10/2016

EXEMPLO: PROJETO DE ESTUFA

COM SISTEMA ATES

Requisitos de aquecimento Área das estufas: 360 m2

Produção: tomate e berinjelas

10 °C < temperatura interna < 30 °C

Carga térmica: 150 W/m2

Parâmetros ATES Dois furos de 80 m, 1 frio + 1 quente

Velocidade do aquífero: 1.2 l/s

Distancia entre os 2 furos: 108 m


5/10/2016

ESTUFA COM SISTEMA ATES

PRODUÇÃO DE PLANTAS

Plantação (Outubro de 2005)

Estufa ATES (Novembro de 2005)

Estufa ATES (Fevereiro de 2006)

ESTUFA COM SISTEMA ATES

Armazenamento de calor no verão de

2005 (27 de julho – 2 de Outubro de 2005)

Energy Storage

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Running Day

En

erg

y (J

)

70 Dias de

armazenamento de

calor

Energia total

armazenada nos

furos quentes

103.9 GJ

Incremento da

temperatura do

aquífero de 18-

19ºC até 33-35º C

Paksoy, H –

Annex 22,

IEA-ECES,

Halifax 2009)

5/10/2016


ESTUFA COM SISTEMA ATES RECUPERAÇÃO DO CALOR PARA AQUECIMENTO DA ESTUFA (30/1/2006)

138 dias de

recuperação de calor

Temperatura de

recuperação do calor

24-25ºC

Energia total

armazenada no furo

frio 76 GJ

Paksoy, H –

Annex 22,

IEA-ECES,

Halifax 2009)


ESTUFA COM SISTEMA ATES RECUPERAÇÃO DO FRIO PARA

ESFRIAR A ESTUFA (18/4/2006)

All Environment Temperature

0

10

20

30

40

0 500 1000 1500 2000

Time (minutes)

Tem

pera

ture

Tout

Tin1

Tin2

32 dias de

recuperação de frio

Temperatura de

recuperação do

aquífero 16-18ºC

Temperatura interna

da estufa, mantida

sob 30 ºC

Paksoy, H –

Annex 22,

IEA-ECES,

Halifax 2009)


ESTUFA COM SISTEMA ATES COMPARAÇÃO DA PRODUÇÃO

AGRÍCOLA (TOMATE – MARÇO DE 2006)

Estufa ATES Estufa

Convencional

Diferença (%)

Altura das prantas

(cm) 155 138 12

Numero de

doenças por

pranta

22.1 22.1 0

Peso fresco das

prantas (g/pranta) 1405 1258 12

Peso fresco das

bananas (g/pranta) 659 463 40

Paksoy, H –

Annex 22,

IEA-ECES,

Halifax 2009)

5/10/2016


ESTUFA SISTEMA ATES COMPARAÇÃO ECONOMICA

Estufa ATES Estufa

Convencional

Custo da

Energia

(YTL**/ano)

550 1600

Custo do

Investimento

(YTL/m2)

25 20

Custos

operativos 4.9 11.5

** 1 YTL = 1.5 USD

Paksoy, H –

Annex 22,

IEA-ECES,

Halifax 2009)

5/10/2016


68% conservação de energia

Incremento da produção até 40%

Consumo “0” dei combustíveis fosseis

Período de plantação mais cumprido com

esfriamento

Competitividade acrescentada no mercado

Potencial elevado para aplicações ATES nas

estufas no clima Mediterrâneo

Necessidade de mais pesquisa sobre diferentes

variedades de prantas.

ESTUFA COM SISTEMA ATES CONCLUSÕES

5/10/2016


OUTROS USOS INDUSTRIAIS

Produção particular

de energia elétrica

por um reservatório

a media entalpia:

o projeto do hospital

de CONA (Ferrara, IT)


OUTROS USOS INDUSTRIAIS

Shallow geothermal energy use in

industry in Germany Mands et al. EGC 2016

“It took rather long to convince industry in

Europe to try shallow geothermal

technologies”

5/10/2016


SHALLOW GEOTHERMAL ENERGY USE

IN INDUSTRY IN GERMANY

A procura industrial de calor na UE: é

preciso sempre aquecer o espaço

5/10/2016


Mands et al. EGC 2016

USO DA ENERGIA GEOTERMICA

SUPERFICIAL NA INDUSTRIA ALEMÃ

As baixas temperaturas servem à

indústria para lavar, secar e preparar

alimentos

Necessidade de frio

5/10/2016


USO DA ENERGIA GEOTERMICA SUPERFICIAL:

O EXEMPLO DO PROJETO IGEIA

O projeto IGEIA “Integration of

Geothermal Energy into Industrial

Application” (suportado pelo

programa Intelligent Energy Europe)

“We want to convince the industry that

the geothermal energy could offer

solutions to its energy problems ”

5/10/2016


IGEIA: A PLANTA PILOTO ALEMA

Os recursos térmicos (frio, calor,

climatização)

Os utilizadores são conectados

a um sistema intermediário

conectado ao BHE

Redação do consumo

energético final do 45 %

Redução das emissões de CO2

do 28% 5/10/2016

Energia Geotérmica – Potencial e oportunidades para uso no setor industrial– ECOMONDO Brasil, São Paulo Mands et al. EGC 2016

IGEIA: O ESTUDO DE VIABILIDADE

SUECO

Objetivo: incrementar a

eficiência da recuperação de

calor rejeitado utilizando BTES

O calor no verão é

armazenado até 60°C, para ser

recuperado no inverno com

40°C

5/10/2016



IGEIA: A PLANTA PILOTO SUECA

O caso da fabrica de

bombas de Emmaboda: a

fundição.

140 BHE de 150 m (600.000

m3 de rocha)

O armazenamento eleva a

temperatura de 8 para 37 °C

Redução do consumo de

energia de 2600 kWh

5/10/2016



O ESFRIAMENTO NA INDUSTRIA

Necessidade de esfriar

maquinas, moinhos,

estrusoras, produtos

para fundição, ...

Verolum Schwalbach

fibra de vidro

5/10/2016


• 8 BHE de 50m para fundição de vidro e extrusão

• Armazenamento do calor rejeitado pelo esfriamento



Feig Electronic, Weilburg

fibra de vidro

Baixa temperatura

media anua e baixo

gradiente

5/10/2016


• 15 BHE de 250m para aquecer os

espaços e esfriar os processos de

produção



Automotive supply

manufacturer, Regensburg

5/10/2016




ALGUNS EXEMPLOS

Shallow geothermal energy for industrial applications:

a case study.

Focaccia S.a, Tinti F.a, Monti F.b, Bruno R.a,c a. DICAM - Department of Civil, Chemical, Environmental and Materials Engineering, University

of Bologna, Bologna, Italy

b. Nuovo Pignone S.p.A.- GE Oil&Gas, Firenze, Italy

c. CINIGEO - Italian National Interuniversity Consortium of Georesources Engineering, Rome,

Italy

Energia Geotérmica – Potencial e oportunidades para uso no setor industrial– ECOMONDO Brasil, São Paulo 5/10/2016

GEOTERMIA E SETOR PRODUTIVO

SHALLOW GEOTHERMAL ENERGY FOR

INDUSTRIAL APPLICATIONS: A CASE STUDY

Objetivo: fornecer com uma bomba de calor trans-

critica hibrida Geotérmica – Ar, o preaquecimento

requerido para o processo inovador “Transformação

da expansão do gás em energia” (EGPT) para o

aproveitamento da expansão de gás por um gerador

turboexpander.

5/10/2016






5/10/2016




No caso de estudo, a temperatura ambiente não

permite o uso de bombas de calor a ar para tudo o

ano porque para 25% do tempo, a temperatura é

inferior ao limite da maquina (Ta < 8°C). Os seja a

bomba de calor trans-critica só com a energia aero

térmica não funciona ¼ do tempo.


5/10/2016




Por outro lado a solução bomba de calor terra-ar

com a instalação de 200 furos de 150 m que garante

temperaturas de volta de 8 °C sem interrupção para

5 meses requere investimentos de 1.5-1.8 M€

A conveniência sobe quando baixa a temperatura

ambiente do ar


5/10/2016




O estudo focaliza a modelização geotérmica

vinculada as temperaturas de trabalho da bomba de

calor trans-critica.

A metodologia integra simulação geoestatística dos

parâmetros espaciais e simulação numérica dos

fluxos de calor e agua.


5/10/2016

O caso de estudo apresenta uma maneira

inovadora para usar campos de BHE para fins

industriais

Se trata de uma particular aplicação energética

pela General Electric Oil & Gas : the Expanding Gas Power Transformation (EGPT) process.

SHALLOW GEOTHERMAL ENERGY FOR INDUSTRIAL

APPLICATIONS: A CASE STUDY

CONCLUSÕES

5/10/2016


O Sistema se torna rentável quando combinado

com um armazenamento de energia térmica.

SHALLOW GEOTHERMAL ENERGY FOR INDUSTRIAL

APPLICATIONS: A CASE STUDY

CONCLUSÕES

5/10/2016



OUTROS EXEMPLOS

Caves de envelhecimento do vinho:

o controle da climatização


5/10/2016

ENERGIA GEOTÉRMICA – POTENCIAL E

OPORTUNIDADES PARA USO NO SETOR INDUSTRIAL– PAINEL: ENERGIAS ALTERNATIVAS – CONSTRUINDO A SEGURANÇA

ENERGÉTICA NO SETOR PRODUTIVO

Obrigado pela atenção Prof. Ing. Roberto BRUNO

Adido Cientifico da Embaixada da Italia em Brasilia

Prof. da Universidade de Bolonha


5/10/2016

ENERGIA GEOTÉRMICA POTENCIAL E OPORTUNIDADES...

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