Energia geotérmica apresenta um espectro de pesquisa e métodos de usos em diferentes fases de desenvolvimento na engenharia e na economia. Amplamente, os recursos acontecem naturalmente nas formas de vapor, água quente (aquifers) e pedras quentes e a fase de desenvolvimento é ditada pela disponibilidade natural e o custo de extração. A temperatura da água quente pode ser maior que 200 C.
Todos os recursos geotérmicos são estritamente não renováveis porque o fluxo de calor comum do centro da terra é tão pequeno (0.04 a 0.06 W/m2) comparado com a taxa de extração requerida vai operação econômica. Até mesmo em áreas excepcionais onde o fluxo de calor pode ser centenas de vezes este valor, a taxa de extração exigida para suportar a usina de algumas centenas de quilowatts levará a um gradual esgotamento do campo. O tempo de vida de um campo geotérmico é algumas décadas enquanto que a recuperação pode levar séculos. Porém, campos geotérmicos podem ser extensos e podem prover trabalho fixo por muitos anos. Em geral, custos capitais são importantes e custos correntes são tão pequenos que a energia que é usada vai para aplicações de carga básicas.
Nos últimos trinta anos, a ciência da geofísica avançou rapidamente e o nosso conhecimento da estrutura do planeta tem crescido enormemente. Em particular, a teoria das placas tectônicas permitiu uma compreensão do porque de certas regiões têm maior atividade vulcânica e sísmica do que outras. Técnicas também melhoraram. Embora as minas mais fundas estão só a alguns quilômetros de profundidade e os buracos são geralmente perfurados à profundidade de até 10Km (e geralmente muito menos), técnicas sismológicas , junto com evidencias indiretas permitiram um conhecimento maior da forma da estrutura da terra..
Os gradientes de temperatura variam amplamente em cima da superfície da terra. Isto é o resultado do derretimento local devido a pressão e fricção e aos movimentos de placas vizinhas uma contra a outra. Sendo assim, um fluxo de magma debaixo pode acontecer. A localização das placas vizinhas também corresponde a regiões onde atividades vulcânicas são encontradas.
O calor medido perto da superfície surge do magma, mas outros fatores também podem afetar o fluxo de calor e gradiente térmico. Em alguns casos, convecção de fonte de água natural perturba o padrão de fluxo de calor e em outros casos é pensado que o lançamento de gases quentes de pedra funda pode aumentar o fluxo. Outro mecanismo importante é geração de calor de isótopos radioativos de elementos tal como urânio, tório e potássio. Este mecanismo não é completamente compreendido, mas certas áreas da crosta sofreram derretimento sucessivo e recristalização com o tempo e isso conduziu à concentração destes elementos a certos níveis da crosta. Em uma menor extensão, reações químicas exotérmicas também podem contribuir para o aquecimento local.
Áreas classificadas como hipertérmicas exibem gradientes muito altos (muitas vezes tão grande quanto as áreas não térmicas) e estão normalmente perto das placas vizinhas. Áreas semi-térmicas com gradientes de 40-70 C/km podem ter anomalias na grossura da crosta em caso contrário regiões estáveis ou devido a efeitos locais como radioatividade.
ENERGIA GEOTÉRMICA DOS AQUÍFEROS
A palavra aquífero tem sido utilizada para indicar algumas fontes de água do solo, um sistema profundo de água quente ou campo de vapor ou como um gêiser ou fumarole que quebra a superfície. Depois de discutir em alguns detalhes as tecnologias que tem sido desenvolvidas, uma breve descrição será feita para as técnicas que já estão sendo feitas.
O primeiro esforço para gerar eletricidade de fontes geotérmicas ocorreu em 1904 em Lardarello na Tuscania. Contudo, esforços para produzir uma máquina para aproveitar tais fontes foram mal sucedidos por causa dos ataques químicos que as máquina sofriam.
Em 1913 um estação de 250 kW foi produzida com sucesso e por volta da Segunda Guerra Mundial 100 MW estavam sendo produzidos , porém foram destruidos na guerra.
Na Nova Zelandia o campo de gases de Wairakei nas ilhas do Norte foram desenvolvidos por volta de 1950 e em 1964, 192 MW estavam sendo produzidos. Este campo está agora acabando.
Os campos de geysers na California estavam produzindo 500 MW de eletricidade em 1970. A exploração desse campo foi dramática, pois em 1960 somente 12 MW eram produzidos e em 1963 somente 25 MW.
Mexico, Japão, Filipinas, Kenia e Islandia são alguns países que tem expandido a produção de eletricidade por meio geotérmico.
ESTRUTURA TÍPICA DE UM AQUÍFERO
A existencia de um grande gradiente de temperatura não é o único critério para julgar a utilidade de uma área geotérmica . A presença de fontes de agua quente ou gases é também exigida e a associação da água com um alto gradiente depende de condições geotérmicas. A existência de campos dominados por água ou por gases tem um importante papel na escolha da fabrica utizada. Em geral campos semitérmicos contém água a mais de 100 C e nenhum vapor, mas campos hipertérmicos variam na proporção de água ou gás.
Campos hipertérmicos molhados contém água pressurizada por volta de 100 C, e quando na superfície ocorre uma despressurização ocorre uma mistura de gases e água fervendo. Campos hipertérmicos secos contém gás saturado ou superaquecido.
Se o campo é seco ou molhado depende de algumas propriedade e formatos dos aquíferos.
TRABALHO DE EXTRAÇÃO DO FLUIDO
É interessante notar em que condições um aquífero irá fluir espontaneamente se conectado com a superfície natural ou artificialmente por meio de uma perfuração.
Se um buraco geotérmico ou uma fissura natural conectando o campo com a superfície e cheio de água é idealizado na forma de um longo tubo com paredes isolantes, aquecido por água fervente no fundo, é possível ver porque campos hipertérmicos algumas vezes fluem espontaneamente com a emissão de vapores.
Se na parte mais baixa do tubo a água está fervendo, um pouco de vapor irá subir e encontrar um nível de coluna d’água mais fria. Por condensação o calor latente produzido irá aumentar a temperatura da água nesse nível, mas por causa da pressão hidrostática da água nesse nível ser um pouco menor, a água irá ferver a uma temperatura menor. Em principio esse processo ocorreria progressivamente. Se o vapor no topo da coluna de liquido pode ser somente ejetada através de uma superfície estreita, o vapor deve expelir para a atmosfera com alguma força.
Em situações reais, convecção ocorreria na coluna, existiria transferência de calor nas paredes e o aquecimento no fundo da coluna não se manteria.
Campos geotérmicos secos fluiriam geralmente sem estímulos por causa da pressão do vapor adicionada com a pressão da água. Isso tem sido observado tanto nos geysers da Califórnia quanto em Lardarello que o vapor emitido é superaquecido (de 10 C nos geysers e muito mais de 70 C em Lardarello).
A taxa de extração de um campo geotérmico influencia na sua vida útil. Os campos são geralmente explorados cautelosamente no inicio.
Um método que em principio assegura que água no campo não irá esgotar rapidamente é a re-injeção de água dentro do aquífero. Esse método é caro e pode levar a uma diminuição da temperatura dentro do aqüífero. Por outro lado tem a vantagem de minimizar o efeito ambiental.
Ainda há duvidas técnicas a respeito da possibilidade de re-injeção, particularmente em aquíferos pressurizados. Os problemas dependem muito das condições locais, mas está crescendo a evidencia de que a re-injeção pode ser realizada pelos efeitos da gravidade. Re- injeções bem sucedida foram realizadas na Califórnia, França, Japão e em El Salvador.
PERFURAÇÃO
Apesar das informações geológicas, medições de fluxo de calor, e uso de ferramentas geofísicas como estimações geoquímicas são importantes na exploração de áreas com potencial geotérmico. Buracos devem ser muitas vezes perfurados para confirmar evidencias indiretas para começar a produção.
A profundidade de perfuração do buraco depende da natureza do campo geotérmico. Em campos hipertérmicos, é geralmente necessário perfurar a uma profundidade de 500 a 2000m e nos campos semitérmicos um pouco além desse valor. O custo da perfuração é um dos fatores determinantes na construção das usinas geotérmicas. A medida ótima é difícil de ser encontrada, pois se for muito estreito irá diminuir o fluxo, se for muito largo o custo aumenta muito. Os buracos se estreitam com a profundidade, desta forma o diâmetro da superfície depende da profundidade do campo.
As técnicas empregadas são geralmente aquelas usadas na extração de óleos e gases. Altas temperaturas e processos corrosivos requerem componentes especiais.
O espaço entre os buracos na superfície depende de muitos fatores. Separações pequenas reduzem a quantidade de conexões. Por outro lado se são muito pertos pode haver interferências entre eles. A relação exata da separação depende do sistema de fissuras do aquíferos, mas separações de 100 a 500m e de 300 a 2000m são assumidas.
O sucesso da perfuração depende de alguns fatores como: boa temperatura e pressão como função da taxa de calor; entalpia do fluido; composição química.
SUPERFÍCIE DA USINA
Nesta seção, nenhuma menção será feita com detalhes de engenharia como conexões de tubos, silenciadores, separadores e outras partes típicas de usina geotérmica.
Antes, podemos considerar como o rendimento de um aquífero pode ser otimizado para fornecer o máximo de potência elétrica. Usando aquíferos para aquecimento direto implica no uso da pressão da nascente de água onde o máximo calor pode ser obtido. Gerando eletricidade, entretanto, leva a diferentes pressões de otimização. O máximo reflete o fato que o aumento da pressão reduz a quantidade de vapor útil, mas que claramente aumenta o calor útil numa massa de vapor dada.
A pressão que otimiza a potência do buraco não é necessariamente a pressão mais econômica que pode ser usada. Entretanto a produção da potência máxima reduzirá o número de cavidade requerida, outros fatores também são importantes. Por exemplo, baixas pressões tendem a exigir tubos volumosos para o transporte do vapor e altas pressões exigem encaixes mais caros como válvulas, isolações mais espessas e tendem a levar construções químicas na folha de planta da turbina.
O desenho de um sistema de potência depende de muitos fatores. Certamente a pressão e a temperatura do aquífero são as mais importantes, mas corrosão do fluido de trabalho e os materiais do meio ambiente interessam tanto quanto os dispositivos de rejeição de calor.
EFICIÊNCIA E TAMANHO DA FÁBRICA
A energia útil de um reservatório depende da taxa do fluxo, temperatura, e calor latente específico do fluido.
O tamanho da fábrica é então limitado pela saída termal e pela eficiência.
O USO DO CALOR
Vamos restringir nossa atenção na produção de energia elétrica, mas é interessante perguntar em que condições o calor geotérmico deve ser usado para geração direta ou melhoria na eficiência de algumas estações pelo pré aquecimento da água. Não se tem reposta certa ainda.
ECONOMIA DA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE DE FONTES HIDROTERMAIS
Geralmente falando em países desenvolvidos as fontes mais importantes economicamente já foram desenvolvidas. Nesses casos por causa da alta temperatura e da taxa de fluxo e da proximidade da superfície (baixo custo de perfuração) a energia gerada deve custar pouco.A economia da exploração de um particular campo depende de vários fatores incluindo custo de exploração, desenvolvimento de reservatórios, pureza e temperatura da água, taxa de fluxo, o tipo da fábrica, o grau de proteção ambiental exigida.
Todos os recursos geotérmicos são estritamente não renováveis porque o fluxo de calor comum do centro da terra é tão pequeno (0.04 a 0.06 W/m2) comparado com a taxa de extração requerida vai operação econômica. Até mesmo em áreas excepcionais onde o fluxo de calor pode ser centenas de vezes este valor, a taxa de extração exigida para suportar a usina de algumas centenas de quilowatts levará a um gradual esgotamento do campo. O tempo de vida de um campo geotérmico é algumas décadas enquanto que a recuperação pode levar séculos. Porém, campos geotérmicos podem ser extensos e podem prover trabalho fixo por muitos anos. Em geral, custos capitais são importantes e custos correntes são tão pequenos que a energia que é usada vai para aplicações de carga básicas.
Nos últimos trinta anos, a ciência da geofísica avançou rapidamente e o nosso conhecimento da estrutura do planeta tem crescido enormemente. Em particular, a teoria das placas tectônicas permitiu uma compreensão do porque de certas regiões têm maior atividade vulcânica e sísmica do que outras. Técnicas também melhoraram. Embora as minas mais fundas estão só a alguns quilômetros de profundidade e os buracos são geralmente perfurados à profundidade de até 10Km (e geralmente muito menos), técnicas sismológicas , junto com evidencias indiretas permitiram um conhecimento maior da forma da estrutura da terra..
Os gradientes de temperatura variam amplamente em cima da superfície da terra. Isto é o resultado do derretimento local devido a pressão e fricção e aos movimentos de placas vizinhas uma contra a outra. Sendo assim, um fluxo de magma debaixo pode acontecer. A localização das placas vizinhas também corresponde a regiões onde atividades vulcânicas são encontradas.
O calor medido perto da superfície surge do magma, mas outros fatores também podem afetar o fluxo de calor e gradiente térmico. Em alguns casos, convecção de fonte de água natural perturba o padrão de fluxo de calor e em outros casos é pensado que o lançamento de gases quentes de pedra funda pode aumentar o fluxo. Outro mecanismo importante é geração de calor de isótopos radioativos de elementos tal como urânio, tório e potássio. Este mecanismo não é completamente compreendido, mas certas áreas da crosta sofreram derretimento sucessivo e recristalização com o tempo e isso conduziu à concentração destes elementos a certos níveis da crosta. Em uma menor extensão, reações químicas exotérmicas também podem contribuir para o aquecimento local.
Áreas classificadas como hipertérmicas exibem gradientes muito altos (muitas vezes tão grande quanto as áreas não térmicas) e estão normalmente perto das placas vizinhas. Áreas semi-térmicas com gradientes de 40-70 C/km podem ter anomalias na grossura da crosta em caso contrário regiões estáveis ou devido a efeitos locais como radioatividade.
ENERGIA GEOTÉRMICA DOS AQUÍFEROS
A palavra aquífero tem sido utilizada para indicar algumas fontes de água do solo, um sistema profundo de água quente ou campo de vapor ou como um gêiser ou fumarole que quebra a superfície. Depois de discutir em alguns detalhes as tecnologias que tem sido desenvolvidas, uma breve descrição será feita para as técnicas que já estão sendo feitas.
O primeiro esforço para gerar eletricidade de fontes geotérmicas ocorreu em 1904 em Lardarello na Tuscania. Contudo, esforços para produzir uma máquina para aproveitar tais fontes foram mal sucedidos por causa dos ataques químicos que as máquina sofriam.
Em 1913 um estação de 250 kW foi produzida com sucesso e por volta da Segunda Guerra Mundial 100 MW estavam sendo produzidos , porém foram destruidos na guerra.
Na Nova Zelandia o campo de gases de Wairakei nas ilhas do Norte foram desenvolvidos por volta de 1950 e em 1964, 192 MW estavam sendo produzidos. Este campo está agora acabando.
Os campos de geysers na California estavam produzindo 500 MW de eletricidade em 1970. A exploração desse campo foi dramática, pois em 1960 somente 12 MW eram produzidos e em 1963 somente 25 MW.
Mexico, Japão, Filipinas, Kenia e Islandia são alguns países que tem expandido a produção de eletricidade por meio geotérmico.
ESTRUTURA TÍPICA DE UM AQUÍFERO
A existencia de um grande gradiente de temperatura não é o único critério para julgar a utilidade de uma área geotérmica . A presença de fontes de agua quente ou gases é também exigida e a associação da água com um alto gradiente depende de condições geotérmicas. A existência de campos dominados por água ou por gases tem um importante papel na escolha da fabrica utizada. Em geral campos semitérmicos contém água a mais de 100 C e nenhum vapor, mas campos hipertérmicos variam na proporção de água ou gás.
Campos hipertérmicos molhados contém água pressurizada por volta de 100 C, e quando na superfície ocorre uma despressurização ocorre uma mistura de gases e água fervendo. Campos hipertérmicos secos contém gás saturado ou superaquecido.
Se o campo é seco ou molhado depende de algumas propriedade e formatos dos aquíferos.
TRABALHO DE EXTRAÇÃO DO FLUIDO
É interessante notar em que condições um aquífero irá fluir espontaneamente se conectado com a superfície natural ou artificialmente por meio de uma perfuração.
Se um buraco geotérmico ou uma fissura natural conectando o campo com a superfície e cheio de água é idealizado na forma de um longo tubo com paredes isolantes, aquecido por água fervente no fundo, é possível ver porque campos hipertérmicos algumas vezes fluem espontaneamente com a emissão de vapores.
Se na parte mais baixa do tubo a água está fervendo, um pouco de vapor irá subir e encontrar um nível de coluna d’água mais fria. Por condensação o calor latente produzido irá aumentar a temperatura da água nesse nível, mas por causa da pressão hidrostática da água nesse nível ser um pouco menor, a água irá ferver a uma temperatura menor. Em principio esse processo ocorreria progressivamente. Se o vapor no topo da coluna de liquido pode ser somente ejetada através de uma superfície estreita, o vapor deve expelir para a atmosfera com alguma força.
Em situações reais, convecção ocorreria na coluna, existiria transferência de calor nas paredes e o aquecimento no fundo da coluna não se manteria.
Campos geotérmicos secos fluiriam geralmente sem estímulos por causa da pressão do vapor adicionada com a pressão da água. Isso tem sido observado tanto nos geysers da Califórnia quanto em Lardarello que o vapor emitido é superaquecido (de 10 C nos geysers e muito mais de 70 C em Lardarello).
A taxa de extração de um campo geotérmico influencia na sua vida útil. Os campos são geralmente explorados cautelosamente no inicio.
Um método que em principio assegura que água no campo não irá esgotar rapidamente é a re-injeção de água dentro do aquífero. Esse método é caro e pode levar a uma diminuição da temperatura dentro do aqüífero. Por outro lado tem a vantagem de minimizar o efeito ambiental.
Ainda há duvidas técnicas a respeito da possibilidade de re-injeção, particularmente em aquíferos pressurizados. Os problemas dependem muito das condições locais, mas está crescendo a evidencia de que a re-injeção pode ser realizada pelos efeitos da gravidade. Re- injeções bem sucedida foram realizadas na Califórnia, França, Japão e em El Salvador.
PERFURAÇÃO
Apesar das informações geológicas, medições de fluxo de calor, e uso de ferramentas geofísicas como estimações geoquímicas são importantes na exploração de áreas com potencial geotérmico. Buracos devem ser muitas vezes perfurados para confirmar evidencias indiretas para começar a produção.
A profundidade de perfuração do buraco depende da natureza do campo geotérmico. Em campos hipertérmicos, é geralmente necessário perfurar a uma profundidade de 500 a 2000m e nos campos semitérmicos um pouco além desse valor. O custo da perfuração é um dos fatores determinantes na construção das usinas geotérmicas. A medida ótima é difícil de ser encontrada, pois se for muito estreito irá diminuir o fluxo, se for muito largo o custo aumenta muito. Os buracos se estreitam com a profundidade, desta forma o diâmetro da superfície depende da profundidade do campo.
As técnicas empregadas são geralmente aquelas usadas na extração de óleos e gases. Altas temperaturas e processos corrosivos requerem componentes especiais.
O espaço entre os buracos na superfície depende de muitos fatores. Separações pequenas reduzem a quantidade de conexões. Por outro lado se são muito pertos pode haver interferências entre eles. A relação exata da separação depende do sistema de fissuras do aquíferos, mas separações de 100 a 500m e de 300 a 2000m são assumidas.
O sucesso da perfuração depende de alguns fatores como: boa temperatura e pressão como função da taxa de calor; entalpia do fluido; composição química.
SUPERFÍCIE DA USINA
Nesta seção, nenhuma menção será feita com detalhes de engenharia como conexões de tubos, silenciadores, separadores e outras partes típicas de usina geotérmica.
Antes, podemos considerar como o rendimento de um aquífero pode ser otimizado para fornecer o máximo de potência elétrica. Usando aquíferos para aquecimento direto implica no uso da pressão da nascente de água onde o máximo calor pode ser obtido. Gerando eletricidade, entretanto, leva a diferentes pressões de otimização. O máximo reflete o fato que o aumento da pressão reduz a quantidade de vapor útil, mas que claramente aumenta o calor útil numa massa de vapor dada.
A pressão que otimiza a potência do buraco não é necessariamente a pressão mais econômica que pode ser usada. Entretanto a produção da potência máxima reduzirá o número de cavidade requerida, outros fatores também são importantes. Por exemplo, baixas pressões tendem a exigir tubos volumosos para o transporte do vapor e altas pressões exigem encaixes mais caros como válvulas, isolações mais espessas e tendem a levar construções químicas na folha de planta da turbina.
O desenho de um sistema de potência depende de muitos fatores. Certamente a pressão e a temperatura do aquífero são as mais importantes, mas corrosão do fluido de trabalho e os materiais do meio ambiente interessam tanto quanto os dispositivos de rejeição de calor.
EFICIÊNCIA E TAMANHO DA FÁBRICA
A energia útil de um reservatório depende da taxa do fluxo, temperatura, e calor latente específico do fluido.
O tamanho da fábrica é então limitado pela saída termal e pela eficiência.
O USO DO CALOR
Vamos restringir nossa atenção na produção de energia elétrica, mas é interessante perguntar em que condições o calor geotérmico deve ser usado para geração direta ou melhoria na eficiência de algumas estações pelo pré aquecimento da água. Não se tem reposta certa ainda.
ECONOMIA DA GERAÇÃO DE ELETRICIDADE DE FONTES HIDROTERMAIS
Geralmente falando em países desenvolvidos as fontes mais importantes economicamente já foram desenvolvidas. Nesses casos por causa da alta temperatura e da taxa de fluxo e da proximidade da superfície (baixo custo de perfuração) a energia gerada deve custar pouco.A economia da exploração de um particular campo depende de vários fatores incluindo custo de exploração, desenvolvimento de reservatórios, pureza e temperatura da água, taxa de fluxo, o tipo da fábrica, o grau de proteção ambiental exigida.
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