ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINASTitulación: INGENIERO GEÓLOGO PROYECTO FIN DE CARRERA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA GEOLÓGICA SIMULACIÓN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA EVA RIVAS POZO DICIEMBRE 2012 TITULACIÓN: INGENIERO GEÓLOGO Autorizo la presentación del proyecto SIMULACIÓN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA Realizado por Eva Rivas Pozo Dirigido por Francisco Javier Elorza Tenreiro Firmado: Francisco Javier Elorza Tenreiro Fecha:…………. ÍNDICE RESUMEN Y ABSTRACT…………………………………………………..…………….VI DOCUMENTO 1 MEMORIA 1 2 OBJETIVOS Y ALCANCE ................................................................................... 2 ANTECEDENTES .................................................................................................. 3 2.1 SITUACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LA REGIÓN DE ESTUDIO ................. 4 2.1.1 Situación de la región de estudio.................................................................. 4 2.1.2 Marco Geológico ............................................................................................ 5 2.1.3 Características Hidrogeológicas................................................................... 7 2.2 ESTUDIOS ANTERIORES ................................................................................. 8 3 GEOTERMIA........................................................................................................ 10 3.1 DEFINICIÓN ...................................................................................................... 10 3.2 CLASIFICACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA ................................ 10 3.2.1 Clasificación de la energía geotérmica ...................................................... 11 3.3 GEOTERMIA DE MUY BAJA ENTALPÍA O MUY BAJA TEMPERATURA ...................................................................................................... 11 3.2.1 Generalidades y conceptos importantes .................................................... 12 3.2.1 Sistemas cerrados ........................................................................................ 13 3.2.1 Sistemas abiertos ......................................................................................... 15 3.4 ENERGÍA GEOTÉRMICA EN EL MUNDO Y EN ESPAÑA ...................... 19 3.5 MARCO LEGAL Y NORMATIVA APLICABLE ......................................... 21 4 EL PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLÓGICO ....................................... 23 4.1 CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS ....................... 23 4.2 FORMULACIÓN PROBLEMA DE FLUJo HIDROGEOLÓGICO ............ 24 4.2.1 Ley de Darcy ................................................................................................ 25 4.2.2 Principio de continuidad............................................................................. 26 4.2.3 La ecuación fundamental del flujo ............................................................ 26 4.3 RESOLUCIÓN MATEMÁTICA: MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS 26 5 MODELO DE TRANSPORTE DE CALOR ...................................................... 30 5.1 TRANSFERENCIA DE CALOR ...................................................................... 30 5.1.1 Propiedades térmicas del suelo .................................................................. 30 I .....3..........................3........................................................ 35 6. 32 5....... 54 6............................................. 41 6................... 85 1............. 88 1............................5 TRANSPORTE DE CALOR ....... 58 6............ 35 6............... 63 6......3 DATOS DE ENTRADA DEL MODELO .......................2 Material fungible ...............................................................................1 Condiciones iniciales .....2..................................................................5................5..1 EL PROGRAMA ......................................6....................................................... 48 6................................................................8 SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO Y TRANSPORTE DE CALOR ..... 74 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................................................................5 COSTE TOTAL DEL PROYECTO .... 58 6................... 88 1........................................3 Gastos varios ......................................................... 37 6.........7 DATOS DE REFERENCIA: CALIBRACIÓN ...........................2................. 58 6.......................................4 SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO ..........2 COSTE DE RECURSOS MATERIALES ...............1......... 58 6.....................................2 Configuración del problema ......................................................................................................... 61 6.........................4 COSTES GENERALES Y GASTOS TOTALES ...................................... 89 II ........... 67 7 8 CONCLUSIONES ...................... 85 1...............6 DATOS DE ENTRADA EN TRANSPORTE DE CALOR ............................................................................................................................3 Parámetros del modelo ................................................. 31 5........1 Geometría y mallado .... 86 1.3 COSTES PARCIALES .6.........3..............2 Condiciones de contorno....................................... 61 6... 87 1. 78 DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONÓMICO 1 COSTES DE EJECUCIÓN DEL PROYECTO ....2 MODELO CONCEPTUAL..............................................................2 Mecanismo de transferencia del calor ........................... 47 6..............................1 Configuración del problema ...................... 87 1................................. 41 6..............................3 Propiedades de los materiales ...6........................1 COSTE DE PERSONAL ....1 Material informático .........................2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA DE TRANSPORTE DE CALOR ..................................3 RESOLUCIÓN MATEMÁTICA: MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS 33 6 MODELO DE FLUJO CON EL PROGRAMA FEFLOW® ...............................................................................................2................................... 86 1............................................................ ÍNDICE DE FIGURAS DOCUMENTO 1: MEMORIA Figura 1: Distribución del comienzo de la explotación geotérmica en Zaragoza (Garrido Schneider, E.2010). ....................................................................................................................... 3 Figura 2: Plano de la ciudad de Zaragoza (modificado de http://www.mapasespana.com/espana/zaragoza/). ....................................................................... 5 Figura 3: Cuenca del Ebro (Fuente: http://conomene6a.wordpress.com/page/8/). ..................... 5 Figura 4: Distribución de líneas isopiezas (m.s.n.m) en aguas altas (septiembre) deducidas de un modelo de flujo. (Fuente: elaboración propia). ....................................................................... 7 Figura 5: Variación del gradiente geotérmico en el subsuelo. (Fuente: efitek geotermia). ....... 12 Figura 6: Captación horizontal y vertical (Fuente: Hala Gerodur/CHYN. Géothermie. L´Utilisation de la chaleur terrestre.Suisse énergie). ................................................................. 14 Figura 7 Cimentaciones termoactivas (Fuente: Groen energy y www.Gquierosereco.com). .... 14 Figura 8: Esquema de un sistema ASET-A (Fuente: Guía Técnica de Sistemas Geotérmicos Abiertos). ..................................................................................................................................... 16 Figura 9: Esquema de un sistema geotérmico abierto de recirculación (Fuente: Guía Técnica de Sistemas Geotérmicos Abierto). ............................................................................................. 17 Figura 10: Producción de calor año 2000 (Fuente: Site Geothermie-Perspectives de l´ADEME et du BRGM) ............................................................................................................................... 19 Figura 11: Mapa de zonas geotérmicas en España (Fuente: IGME). ........................................ 20 Figura 12: Esquema de la discretización espacial que realiza el programa Feflow® (Fuente: White papper 1) ........................................................................................................................... 27 Figura 13: Aprovechamientos geotérmico y piezómetros en la ciudad de Zaragoza. (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 37 Figura 14: Región de estudio (en rojo) (Fuente: elaboración propia). ...................................... 38 Figura 15: Sistema geotérmico Aragonia e isopiezas. (Fuente: elaboración propia). ............... 38 Figura 16: Esquema fronteras de flujo de la región de estudio (Fuente: elaboración propia).. 39 Figura 17 Esquema de las unidades hidro-estratigráficas (Fuente: elaboración propia). ........ 40 Figura 18: Imagen inicial de los archivos importados desde ArcGIS en Feflow®. (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 42 Figura 19: “Supermesh” (Fuente: elaboración propia)............................................................. 42 Figura 20: Propiedades del generador de malla Gridbuilder (Fuente: elaboración propia).r . 43 Figura 21: Malla realizada en Feflow® de 1000 elementos (Fuente: elaboración propia). ..... 44 Figura 22: Detalle de la malla realizada (Fuente: elaboración propia). ................................... 45 Figura 23: Ventana del configurador 3D (Fuente: elaboración propia). .................................. 45 Figura 24: Vista en 3D del bloque de 32 capas (Fuente: elaboración propia). ......................... 46 Figura 25: Bloque de 32 capas con relieve topográfico (Fuente: elaboración propia). ............ 47 Figura 26: Panel de Datos “Data Panel” (Fuente: elaboración propia). ................................. 48 Figura 27: Piezometría inicial (Fuente: elaboración propia). ................................................... 49 Figura 28: Condiciones de contorno de flujo (Fuente: elaboración propia). ............................ 50 Figura 29: Pozos de captación e inyección en funcionamiento (Fuente: elaboración propia). . 51 Figura 30: Recarga (Fuente: elaboración propia). .................................................................... 52 Figura 31: Conductividad hidráulica o Permeabilidad (Fuente: elaboración propia). ............. 53 III Figura 32: Porosidad eficaz (Fuente: elaboración propia). ...................................................... 53 Figura 33: Diagrama error e iteraciones (Fuente: elaboración propia). .................................. 54 Figura 34: Corte transversal del nivel piezométrico (Fuente: elaboración propia). ................. 55 Figura 35: Nivel piezométrico en 3D (Fuente: elaboración propia). ......................................... 55 Figura 36: Presión (Fuente: elaboración propia). ..................................................................... 56 Figura 37: Balance hídrico (Fuente: elaboración propia). ........................................................ 57 Figura 38: Temperatura inicial (Fuente: elaboración propia). ................................................. 59 Figura 39: Diagrama de serie temporal (Fuente: elaboración propia). .................................... 60 Figura 40: Detalle de temperatura en los pozos (Fuente: elaboración propia). ........................ 60 Figura 41: Condiciones de contorno de temperatura (Fuente: elaboración propia). ................ 61 Figura 42: porosidad (calor) (Fuente: elaboración propia). ..................................................... 62 Figura 43: Dispersión longitudinal (Fuente: elaboración propia). ........................................... 62 Figura 44: Dispersividad transversal (Fuente: elaboración propia). ........................................ 63 Figura 45: Situación del piezómetro del IGME (Fuente: elaboración propia) .......................... 63 Figura 46: Diagrama de temperatura tras simulación en el piezómetro. (Fuente: elaboración propia). ........................................................................................................................................ 64 Figura 47: Gráfico de comparación de las temperaturas medidas frente a las simuladas. (Fuente: elaboración propia) ...................................................................................................... 65 Figura 48: Diagrama temperatura tiempo transcurrido en los pozos de inyección. (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 67 Figura 49: Diagrama longitud de paso de tiempo-tiempo transcurrido. (Fuente: elaboración propia) ......................................................................................................................................... 68 Figura 50: Temperatura en 3D. (Fuente: elaboración propia) .................................................. 68 Figura 51: Corte transversal temperatura de los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 70 Figura 52: Corte transversal temperatura de los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 71 Figura 53: Corte transversal temperatura de los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 71 Figura 54: Corte transversal temperatura de los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 72 Figura 55: Corte transversal temperatura de los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 72 Figura 56: Corte transversal temperatura de los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). ..................................................................... ¡Error! Marcador no definido. Figura 57: Corte transversal temperatura de los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). ................................................................................................................... 73 Figura 58: Gráfico de temperatura y de nivel piezométrico medidos en el piezómetro. (Fuente: Eduardo Garrido). ...................................................................................................................... 76 IV ÍNDICE DE TABLAS DOCUMENTO 1: MEMORIA Tabla 1: Parámetros hidrogeológicos considerados en el proyecto. (Fuente: elaboración propia). ........................................................................................................................................ 24 Tabla 2: Propiedades materiales para el calor (Fuente: elaboración propia). ......................... 31 Tabla 3: Caudales de captación o extracción (Fuente: elaboración propia). ............................ 50 Tabla 4: Caudales de inyección o vertido (Fuente: elaboración propia). .................................. 51 Tabla 5: Parámetros hidrogeológicos considerados en el proyecto (Fuente: elaboración propia). ........................................................................................................................................ 52 Tabla 6: Propiedades térmicas. (Fuente: elaboración propia) ................................................. 61 Tabla 7: Costes de Personal (Fuente: elaboración propia). ...................................................... 85 Tabla 8: Amortización y coste de los equipos informáticos (Fuente: elaboración propia). ....... 86 Tabla 9: Amortización y coste del software (Fuente: elaboración propia). ............................... 86 Tabla 10: Costes material informático (Fuente: elaboración propia). ...................................... 87 Tabla 11: Costes material fungible (Fuente: elaboración propia). ............................................ 87 Tabla 12: Costes recursos materiales (Fuente: elaboración propia). ........................................ 87 Tabla 13: Costes recursos materiales (Fuente: elaboración propia). ........................................ 88 Tabla 14: Costes parciales (Fuente: elaboración propia). ........................................................ 88 Tabla 15: Costes generales y gastos totales (Fuente: elaboración propia). .............................. 88 Tabla: 16 Coste total (Fuente: elaboración propia). .................................................................. 89 V VI . así como recomendaciones de seguimiento y control con el fin de asegurar y alargar la vida de los aprovechamientos geotérmicos instalados. as this has suffered an increase in temperature due to the various geothermal exploitation that exist in the city. solve the problem of flow in stationary regime and "a posteriori" and on this to solve the problem of heat transport. Its application aims to support the design and implementation of remediation for the current problematic techniques and recommendations of monitoring and control to ensure and extend the life of installed geothermal exploitation. Con su aplicación se pretende apoyar el diseño y la implementación de técnicas de remediación para la problemática actual. tanto el problema de flujo como de transporte se resuelven mediante el método de elementos finitos. The code that is used for this purpose is Feflow®. Mathematically. El código que se emplea para este fin es el Feflow®.RESUMEN Y ABSTRACT Resumen El proyecto aquí presentado realiza un estudio de los problemas de flujo y transporte por aguas subterráneas. First. Abstract The project presented here made a study of the problems of flow and transport by groundwater. This project stems from the need to study the thermal evolution of the urban alluvial aquifer in Zaragoza. Este programa proporciona una serie de representaciones gráficas y numéricas del problema. Este proyecto nace de la necesidad de estudiar la evolución térmica del acuífero aluvial urbano en Zaragoza. both the problem of flow and transport are solved by the finite element method. Primero se resuelve el problema de flujo en régimen estacionario y “a posteriori”. y sobre éste. Matemáticamente. pues éste ha sufrido un aumento de su temperatura debido a los distintos aprovechamientos geotérmicos que existen en la ciudad. se resuelve el problema de transporte de calor. This program provides a number of graphical and numerical representations of the problem. Mención especial a mis padres y a mi hermana. por todo. por el cariño… y una lista tan larga que no cabe en esta hoja. segundo porque a pesar de estar muy ocupado siempre ha sacado un hueco para atenderme y ayudarme y tercero. por el apoyo. VII . muchas gracias a todos. Me gustaría agradecer también a todo el personal del IGME. En esta última etapa ha habido tres personas que especialmente me han animado. a los muchos y buenos amigos que me llevo de la Escuela. por el soporte. en concreto al departamento de aguas. muchísimas gracias chicas.AGRADECIMIENTOS En primer lugar me gustaría darle mi más sincero agradecimiento a Patxi. Ana. y sobre todo. por los muchos ánimos y consejos. por los ánimos. a Ricardo. También dar las gracias. no hubiera llegado hasta aquí. a Eduardo Garrido y a Lola. Por último. y por los que. sin ellos. a Leticia. primero por confiar en mí. siempre os estaré agradecida. mi familia. y especialmente. A José Antonio de la Orden. y Marga. gracias por todo. a Antonio Azcón. consolado y ayudado. por la confianza. son Laura. SIMULACIÓN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA DOCUMENTO 1: MEMORIA . Con ello se obtiene. se ha empleado el código Feflow®. se podrá determinar las afecciones entre aprovechamientos y las zonas que son viables o aprovechamientos geotérmicos. Constituyendo una herramienta que nos muestra tanto la problemática actual: la interferencia térmica. Se podrán establecer así medidas de control y seguimiento para que no disminuya el rendimiento de los aprovechamientos. Así mismo. donde existen numerosos aprovechamientos geotérmicos. principalmente en cuanto a la refrigeración (el uso principal) y alargando de esta forma su vida útil. Este programa permite la simulación del flujo agua subterránea y del transporte de calor en un acuífero mediante el método de elementos finitos. En el presente proyecto se llevó a cabo el estudio de un modelo de escala reducida en un aprovechamiento geotérmico especialmente conflictivo desde el punto de vista térmico. del modo en el que el código los asimila y trata. como su evolución en un futuro próximo. además de lo citado anteriormente. y del manejo del propio programa. de albergar nuevos . Para llevar a cabo el estudio del comportamiento y evolución del acuífero y su relación con los aprovechamientos geotérmicos allí implantados. no. la autointerferencia y el aumento de temperatura del acuífero. Con esto se quiere crear la base para una posterior ampliación de la simulación del aprovechamiento geotérmico del acuífero aluvial urbano de Zaragoza.2 1 OBJETIVOS Y ALCANCE El objetivo de la simulación matemática es analizar y obtener una representación espacial y temporal del comportamiento del flujo y de la trasferencia de calor en el acuífero aluvial urbano de la ciudad de Zaragoza. una mejor compresión de los datos necesarios. Precisamente éste último punto es el de mayor demanda del agua del acuífero. Durante el invierno. En este caso los sistemas geotérmicos de climatización son de tipo abierto. sulfatos y sodio) y en ocasiones algunos minoritarios. unos 15-20 metros. prevención de incendios…etc. y en los últimos años ha experimentado una gran expansión. y posteriormente se devuelve al acuífero. La temperatura en el subsuelo a cierta profundidad. Sistemas geotérmicos de climatización de edificios. lavado de coches. Regadío y abastecimiento urbano: riego de parques.3 2 ANTECEDENTES La ciudad de Zaragoza se ubica sobre un acuífero aluvial que por la mala calidad del agua y la presencia en su composición de ciertos elementos mayoritarios (cloruros. procesos industriales…etc. lo que significa que se extrae el agua directamente del acuífero. Por lo que el agua del acuífero se emplea en la actualidad para: Uso industrial: lavanderías. zonas verdes. se mantiene constante a lo largo de todo el año y por lo tanto también la temperatura del agua que contiene. Figura 1: Distribución del comienzo de la explotación geotérmica en Zaragoza (Garrido Schneider. E.2010). [1]. [2]. se pasa por un intercambiador de calor. de esta situación térmica se sirven los aprovechamientos geotérmicos. en sistema de calefacción. . resulta imposible su uso para consumo humano. tanto desde la variación del nivel piezométrico. en sistema de refrigeración. Por el contrario. Es por ello. y el agua que se inyecta de vuelta al acuífero está a menor temperatura que la que se extrajo inicialmente. la modelización está adquiriendo cada día más importancia.1 Situación de la región de estudio La ciudad de Zaragoza es la capital de la provincia homónima y de la Comunidad Autónoma de Aragón. . durante el verano. 2. Es la quinta ciudad española en población y concentra el 50% de la población de la Comunidad Autónoma de Aragón. por lo que tras pasar por el intercambiador de calor. no sólo para el estudio del flujo y el transporte de calor. como es el presente.1 SITUACIÓN Y DESCRIPCIÓN DE LA REGIÓN DE ESTUDIO 2. También discurre por la ciudad el Canal Imperial de Aragón.1. la reinyección del agua que se introduce en el acuífero se produce a una mayor temperatura de la que existía en el acuífero en el momento de la extracción. El intercambiador de calor. Está situada en el centro de la depresión del río Ebro y donde desembocan dos de sus afluentes: el Gállego y el Huerva. que actualmente. que durante la explotación de un aprovechamiento geotérmico de tipo abierto. como desde el punto de vista térmico. se extrae agua a una menor temperatura que la del exterior. De lo anterior se explica. sino también como una herramienta de control y seguimiento. exista una gran variación de la temperatura del acuífero.4 se capta el agua a una temperatura inferior a la que se encuentra en el exterior. próxima al Canal Imperial de Aragón. y se entiende la necesidad de estudiar y comprender el comportamiento del acuífero. Por tanto. extrae el calor del agua. la simulación numérica sirve. La región de estudio se encuentra en la margen derecha del río Ebro. La actividad tectónica se propició en varios episodios.5 Figura 2: Plano de la ciudad de Zaragoza (modificado de http://www.2 Marco Geológico La ciudad de Zaragoza pertenece a la parte central de la cuenca del río Ebro. Primero se fueron intercalando etapas de sedimentación y subsidencia de la cuenca con otros periodos erosivos.1. Se originó debido a la colisión de las placas Euroasiática y Africana con la Ibérica. lo que causó la elevación de los Pirineos y la formación de la cuenca en el Terciario. La cuenca se originó durante el plegamiento alpino y su forma se aproxima a un triángulo.mapasespana. 2. otro la cordillera Costero-Catalana y el otro lado la Cordillera Ibérica.com/espana/zaragoza/). Tras . donde un lado representaría los Pirineos. La erosión de los nuevos relieves originó la deposición de los mismos en la cuenca.wordpress.com/page/8/). Figura 3: Cuenca del Ebro (Fuente: http://conomene6a. Pero la litología predominante son: gravas. por lo que el espesor de la formación detrítica no es homogéneo. La alternancia de periodos de acumulación de sedimentos con otros de denudación. del Gállego y principalmente del Ebro. Cantos sub-redondeados a redondeados con dos modas: una de entre 1-5 cm y la otra de 7-12cm. La sedimentación de la cuenca del Ebro durante el Cuaternario hasta la actualidad. y debido a la evaporación se acumularon grandes potencias de materiales evaporíticos (yesos y sales) y carbonatos. causó el desarrollo de varios niveles de terrazas y glacis en la cuenca. la cuenca pasó a ser de tipo endorreico. El valle que forman los ríos Gállego. entre la cuenca y el mar. eliminando los materiales terciarios depositados anteriormente. Huerva y Ebro a su paso por la ciudad de Zaragoza. La acumulación de gravas. Estas terrazas son las que constituyen el acuífero aluvial urbano de Zaragoza. en la margen derecha las terrazas se han escalonado. se produjo una gran actividad erosiva. y sobre éste sustrato se apoya una cobertera muy irregular. donde el ambiente sedimentario dominante era de tipo lacustre. Posteriormente la Cuenca se abrió hacia el mar Mediterráneo. intercalando etapas de sedimentación de materiales detríticos y etapas de erosión a lo largo del Cuaternario. en distintos episodios de erosión y depósito durante el Cuaternario. han dado lugar a las terrazas aluviales del Huerva. que en este caso se trata de los depósitos Cuaternarios y techo del Terciario y la interacción entre ellos. arenas. el sustrato de la cuenca es paleozoico. Las terrazas del Cuaternario presentan características litológicas y granulométricas comunes. [3] El presente proyecto se centra en la formación acuífera. limos y lutitas. La matriz es mayoritariamente arenosa y en ocasiones cementada con carbonato. produce el asentamiento de una potencia importante de materiales detríticos sobre la cobertera Terciaria.6 esos episodios. Las distintas transiciones Terciario-Cuaternario en los límites de la cuenca producen: . Desde entonces y hasta la actualidad se instala el sistema fluvial del Ebro y sus afluentes (Gállego y Huerva). se encuentra “encajado” entre relieves terciarios. [3] En conclusión. mayoritariamente Terciaria (aunque también se observan depósitos Mesozoicos). arenas. y en los depósitos más antiguos llegan a constituirse una costra de caliche. Las dimensiones del conjunto de las terrazas son muy variables. y debido a la diferencia de altura. limos y arcillas. y la margen izquierda se ha erosionado. halitas y lutitas del terciario.s. . Enlaces imperceptibles con los niveles de terrazas del Cuaternario. de 23 de octubre de 2000). ya que existe una estrecha conexión entre ambos acuíferos y técnicamente es conveniente definirlos como uno solo.n. Zonas Terciarias elevadas. según la terminología de la Directiva Marco del Agua (Directiva 2000/60/CE.n. La circulación de flujo por el contacto cuaternarioterciario favorece la karstificación y por tanto la disolución.s. Figura 4: Distribución de líneas isopiezas (m.7 El desarrollo de extensos glacis al pie de los relieves Terciarios.3 Características Hidrogeológicas La ciudad de Zaragoza.m con diferencias mínimas entre la piezometría de aguas alta y aguas bajas [5]. 2. (Fuente: elaboración propia). El límite impermeable sobre el que se disponen las terrazas son formaciones de yesos. el hundimiento y colapso de los depósitos de terraza. [3] El nivel freático se encuentra entre cotas de 188 y 200 m. Éste es un límite de carácter administrativo. se asienta sobre dos masas de agua subterránea: el aluvial de Ebro y el aluvial del Gállego.m) en aguas altas (septiembre) deducidas de un modelo de flujo. la subsidencia.1. barrancos de dimensiones variables que frecuentemente dan lugar a la formación de vales o valles de fondo. Estos datos son relativos a todo el acuífero y deducidos de ensayos de bombeo [3]. en la margen derecha del río Ebro. La transmisividad es un valor que integra el espesor saturado del acuífero y la permeabilidad. y en el acuífero aluvial urbano de Zaragoza toma valores entre los 2. por lo tanto. El Canal Imperial de Aragón situado al sur de la ciudad se comporta como un límite impermeable. además del estudio de la calidad . el río Ebro es un río ganador ya que recibe una importante transferencia subterránea en el tramo de intersección con el Gállego. Por lo que. que. y la otra zona. A. En general el espesor del acuífero es de 20m. El río Huerva se encuentra colgado. Por este motivo se realiza un seguimiento y control del agua subterránea. [2]. si bien se describirán mejor más adelante.500 m2/día. destacan valores altos de transmisividad. es un río perdedor.) han permitido observar que la base o sustrato del acuífero cuaternario es muy irregular. Una de ellas está próxima al río Gállego. En cuanto a los parámetros hidrogeológicos más importantes. el uso del agua que demanda más agua del acuífero es su aprovechamiento en sistemas geotérmicos. Moreno Merino. donde se puede llegar a profundidades de 80m. [3] 2. estudios del IGME (Garrido Schneider. situada al suroeste de la ciudad donde el espesor llega a 40m.2 ESTUDIOS ANTERIORES El acuífero aluvial urbano de Zaragoza ha sido objeto de numerosos estudios.8 Desde el punto de vista hidráulico. Azcón González De Aguilar.500-3. pero existen dos zonas donde se supera esta potencia de cuaternario.. [5] Actualmente. Se han realizado estudios de composición química y calidad del agua subterránea [5] donde se ha visto un nivel elevado de afección por nitratos y altas concentraciones de elementos mayoritarios que limitan y/o imposibilitan el uso del agua subterránea para riego o para consumo humano. ya que presenta un nivel piezométrico poco profundo y proporcionan caudales considerables. En cuanto a la geometría del acuífero.. El acuífero es de tipo detrítico lo que resulta muy interesante desde el punto de vista hidrogeológico. E. en la margen izquierda del río Ebro. pues está canalizado en la mayor parte de la ciudad. caudal. la variación de temperaturas del acuífero y la posibilidad de afección térmica del acuífero.. Se trata de un programa informático que resuelve problemas de transporte de energía en un medio poroso de saturación variable. A. diseño de los pozos.L. En este proyecto se realizó la simulación de flujo y de transporte de calor de dos pozos pertenecientes a un sistema geotérmico concreto.S.9 y composición química. este programa emplea el método de elementos finitos. Con el presente proyecto se pretende avanzar un paso más en el conocimiento del correcto funcionamiento del programa de modo que se aproxime lo más posible a la realidad actual del acuífero. Matemáticamente. E.V. La conclusión tras el análisis y control de la temperatura es el aumento de la temperatura en el acuífero y su relación directa con los sistemas geotérmicos. para Ibercaja. [6]. no llevan a un resultado realista del modelo. Arce Montejo. W. Para la resolución matemática emplea el método de diferencias finitas. Matemáticamente el código Modflow resuelve el problema de flujo mediante el método de diferencias finitas. En ambos casos se estudió la simulación únicamente del flujo. Luego se ejecutaron dos modelizaciones con el programa Modflow®. Realizados por Garrido Schneider. Van Ellen. profundidad. recientemente se ha realizado una simulación de flujo y transporte de calor mediante el código Feflow®. Llevado a cabo por la empresa EGA2002. La valoración del impacto térmico [1] precisó de la catalogación e inventariado de todas las características de los sistemas geotérmicos. De esta manera este proyecto permitirá seguir avanzando en el estudio y evolución de las afecciones térmicas que se producen debido a los aprovechamientos geotérmicos. Desarrollado por García Gil. realizándose mapas de temperatura del agua. M. . [6]. La conclusión a la que se llegó en este caso fue que la pluma térmica se estabiliza a unos 300m y a los 5 años. Para la concesión de explotación de un sistema geotérmico. temperaturas…etc. El primer estudio abarcó la totalidad del aluvial del Ebro. El segundo estudio se llevó a cabo dentro del proyecto de la construcción del azud de la ciudad de Zaragoza. Complementando a lo anterior se realizó la primera modelización mediante el código VS2DHI®. Las simplificaciones y la falta de datos. se han llevado a cabo estudios para conocer el comportamiento del flujo. en este caso. geotermia se entiende como: calor de la tierra. La desintegración de isótopos radiactivos de larga vida. que quiere decir tierra.10 3 GEOTERMIA 3. .2 CLASIFICACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA Las aplicaciones que se pueden dar a un fluido geotermal dependen de su contenido en calor. Especialmente en la zona de transición al núcleo interno (y sólido). geotermia. La cristalización de la parte externa (líquida) del núcleo. presentes tanto en la corteza terrestre como en el manto. El calor inicial liberado en la formación del planeta (datado en unos 4600 millones de años) y que aún se está liberando y llegando a la superficie. tanto la ciencia que estudia los fenómenos térmicos internos del planeta. 2. 3. 4. Los orígenes de este calor interno terrestre son de diversa naturaleza. Los más significativos son 282 235 U. 238 U. Por lo tanto. 40K. como al conjunto de procesos industriales que intentan explotar ese calor en la producción eléctrica. Los movimientos diferenciales entre las capas principales que constituyen el globo terráqueo. de su entalpía. siendo las de mayor importancia las producidas entre manto y núcleo 3. o lo que es lo mismo. proceso en el cual se libera continuadamente calor.1 DEFINICIÓN Etimológicamente hablando. deriva de “geos”. sistemas de climatización. Th. [7] El término geotermia se emplea indistintamente para designar. palabra de origen griego. cuyo significado es calor. balnearios…etc. Las grandes diferencias de temperatura entre la superficie de la tierra y la existente en su interior originan un flujo continuo de calor hacia la superficie. y de “thermos”. siendo los más representativos: 1. tintorerías…etc. pero es necesario el uso de bombas de calor. que es el que alimenta a las centrales. puede intercambiar con su entorno. o un objeto. del mismo modo sus aplicaciones. pero hay que utilizar un fluido de intercambio.3 GEOTERMIA DE MUY BAJA ENTALPÍA O MUY BAJA TEMPERATURA El presente proyecto se encuadra dentro del grupo de los denominados aprovechamientos geotérmicos de muy baja entalpía o muy baja temperatura. [8]. La correcta clasificación teórica de la energía geotérmica se basa en la entalpía.2. climatización y producción de agua caliente sanitaria de edificios. ya que temperatura y entalpía pueden considerarse proporcionales 3.1 Clasificación de la energía geotérmica a) Alta entalpía o alta temperatura (más de 150ºC). refrigeración. c) Baja entalpía o baja temperatura (entre 30ºC y 90ºC). agua caliente sanitaria y también en procesos agrícolas e industriales. d) Muy baja entalpía o muy baja temperatura (menos de 30ºC). Con éstas temperatura se transforma directamente el vapor de agua en energía eléctrica b) Media entalpía o media temperatura (entre 90ºC y 150ºC). secado de diferentes productos. pues es posible . Se emplea en calefacción. Su empleo se dirige a la generación de electricidad.11 Entalpía es la cantidad de energía térmica que un fluido. Se emplea también en procesos agrícolas e industriales como: fabricación de pasta de papel. 3. Los recursos geotérmicos de muy baja entalpía se encuentran disponibles en la totalidad de la corteza terrestre y en principio. Se expresa en KJ/kg o en Kcal/Kg. Dado que la entalpía es una magnitud física difícilmente medible se emplea la temperatura para la clasificación de la energía geotérmica. de energía eléctrica pero tiene aplicación en la No es viable para la producción calefacción de edificios. Curva roja: en el periodo estival ocurre a la inversa. pues aunque en temperatura sea favorable. y permite realizar un intercambio térmico con el terreno. en la figura 5(10ºC). Curvas amarilla y verde: el resto del año (otoño y primavera) existen menos variaciones pero finalmente se vuelven a alcanzar los 10ºC.2.1 Generalidades y conceptos importantes Las variaciones diarias de la temperatura ambiente no influyen más allá del primer metro de profundidad. En la realidad.12 captar el calor almacenado en las capas superficiales del subsuelo o que se encuentran relativamente a pocos metros de profundidad. a medida que se profundiza la temperatura desciende a 10ºC. El valor de esta temperatura de estabilización. son en realidad los parámetros técnicos y/o económicos los definitivos sobre la viabilidad del proyecto geotérmico. se obtiene el gráfico de la figura 5. . Figura 5: Variación del gradiente geotérmico en el subsuelo. que eleva los rendimientos de las instalaciones de climatización al disminuir los saltos térmicos en las bombas de calor. [8] 3. de la zona en cuestión. Pero si hacemos un estudio de la temperatura que tiene el subsuelo a medida que profundizamos en distintas épocas del año. suele ser ligeramente superior a la media anual en superficie. (Fuente: efitek geotermia). [8]. en el que se observan cuatro curvas [8]: Curva azul: representa el invierno donde a medida que profundizamos la temperatura aumenta hasta un valor constante de 10ºC. la aplicabilidad de proyectos geotérmicos de muy baja entalpía no es tan alta. las variaciones estacionarias pueden influir en los primeros diez metros de terreno. Si este equilibrio no se produce de esta forma. El presente proyecto se centra en los sistemas abiertos.1 Sistemas cerrados Son los métodos más empleados. De esta manera no será posible realizar intercambio térmico. Son dos circuitos independientes. entonces se corre el riesgo de saturar el terreno. La longitud del circuito depende de la demanda de calor/frío que requiere el edificio y la conductividad del suelo de disipar el calor/frío. lo que significa el fracaso de la instalación geotérmica. es decir. el del sistema geotérmico y otro. En su interior contiene una mezcla líquida de agua y anticongelante que absorbe el calor del subsuelo y lo transfiere al interior del edificio. [9] Según el tipo de instalación pueden ser: Captación vertical: Consiste en la ejecución de una o varias perforaciones en las que se introducirán los captadores de energía. . si bien también se realiza una breve descripción de los otros tipos existentes en el mercado para que quede clara la diferencia entre unos y otros 3. de colapsar el terreno térmicamente. el del sistema de climatización y/o el sistema de ACS del edificio.2.13 Es muy importante el correcto dimensionamiento en el proyecto geotérmico pues el intercambio de calor con el subsuelo ha de ser cíclico en el tiempo. o mediante disipación y/o aportación natural de calor por corrientes de aguas subterráneas. uno. Ocupan poco espacio y proporcionan una gran estabilidad de las temperaturas. al sistema de climatización y/o sistema de agua caliente sanitaria (ACS) del edificio. [10] Para la extracción de energía geotérmica es necesaria la instalación de una serie de colectores (“un circuito”) que se encargan de captar la energía térmica y transmitirla del fluido de los colectores. Se ha de producir un equilibrio entre el calor captado del subsuelo en la época invernal (necesidades de calefacción por parte del sistema) y el calor cedido al subsuelo en las épocas estivales (necesidades de refrigeración por parte del sistema). pero su ejecución es más cara. Se trata de una tubería de plástico resistente de tipo PVC que se entierra bajo tierra. Estructuras de cimentación termoactivas: Se trata de convertir la estructura resistente de cimentación en sistemas geotérmicos. Géothermie. . pero requiere de bastante superficie de terreno. con un ahorro de trabajo y espacio al incluir la climatización en el proyecto de construcción. Es un sistema económico. Figura 7 Cimentaciones termoactivas (Fuente: Groen energy y www.Gquierosereco.com). L´Utilisation de la chaleur terrestre. en los que el propio pilote de la cimentación actúa de sistema geotérmico. Figura 6: Captación horizontal y vertical (Fuente: Hala Gerodur/CHYN.14 Captación horizontal: Se ejecutan una serie de zanjas en las cuales se colocan los colectores de energía.Suisse énergie). por ello en la ciudad de Zaragoza se encuentran principalmente en edificios de oficinas. Las explotaciones geotérmicas abiertas se consideran económicamente interesantes para aquellos proyectos en los que la potencia requerida se corresponde con la de un edificio o bloques de vivienda de envergadura considerable. pues toda el agua extraída desde un pozo es reinyectada de nuevo al acuífero mediante otro pozo. El intercambio térmico es el inverso que el .15 3.2.3. la inyección se produce en el pozo “frío” y el agua inyectada estará a una menor temperatura que la captada. centros comerciales.1 Sistemas abiertos Un sistema geotérmico abierto realiza el intercambio de calor directamente con un acuífero. Sistemas ASET-A (Almacenamiento Subterráneo de Energía Térmica en Acuíferos).. [11] Según su funcionamiento hay dos tipos de sistemas abiertos: Sistemas Geotérmicos Abiertos de Recirculación. para que quede clara la 3. que cumplen con ese requisito. pues se extrae agua a menor temperatura que en el exterior. hospitales. almacenándose así. La captación durante la época estival se realiza en el pozo “frío”.3. empleándose en la refrigeración del edificio. Esto implica que la extracción neta de agua subterránea sea cero. mediante la perforación de pozos de extracción y de inyección en el terreno. El presente proyecto se centra en los Sistemas Abiertos de Recirculación. y edificios de dimensiones simulares. si bien se realiza una breve descripción de los Sistemas ASET-A diferencia entre unos y otros. se almacena energía térmica a una menor temperatura que la exterior (pozo “frío”) y en verano se almacena energía térmica a mayor temperatura (pozo “caliente”). En invierno.1 Sistemas ASET-A Consiste en el almacenamiento estacional de energía térmica en un acuífero. Como en el intercambio de calor se extrae calor del agua. energía térmica en el agua. hoteles. Los sistemas abiertos no consumen agua subterránea. El agua funciona de fluido caloportador. se disipa. se almacena energía térmica en el agua. e inyectando el agua en el pozo “caliente” a una mayor temperatura de la captada. el acuífero no es capaz de almacenar la energía térmica. [11] 3. aprovechando así mejor la diferencia térmica alrededor de los pozos. Este sistema presenta un mayor rendimiento que los sistemas de recirculación. Como ya se ha explicado anteriormente.3. Figura 8: Esquema de un sistema ASET-A (Fuente: Guía Técnica de Sistemas Geotérmicos Abiertos). pero exigen dos condiciones: el acuífero ha de ser capaz de almacenar la energía térmica y el proyecto debe tener una envergadura suficiente. pues debido al flujo existente la energía térmica. [11] La diferencia con un sistema de recirculación es que en sistemas ASET-A se cambia la dirección del flujo. por lo que el nuestro es un sistema abierto de recirculación.16 del invierno. a partir de una capacidad de 300 kW. En el proyecto que nos ocupa. entonces se . que se aprovechará en el invierno.2 Sistemas Abiertos de Recirculación El funcionamiento de este tipo de aprovechamientos reside en emplear la temperatura natural del agua subterránea del acuífero. la temperatura en el subsuelo suele mantenerse constante a lo largo de todo el año. De modo que. Durante el invierno la temperatura ambiental es inferior a la del acuífero.3. Los condicionantes que permiten una adecuada explotación de este tipo de aprovechamientos son: Caudales relativamente altos. a partir de 200m de profundidad no compensa económicamente. ésta tendrá una menor temperatura que será a la que se inyecta en el acuífero. Los sistemas geotérmicos abiertos de recirculación emplean como mínimo dos pozos. el agua que se capta se encuentra a menor temperatura que la exterior. De forma inversa ocurrirá en verano. es mono-direccional. uno de captación o explotación y otro de vertido o inyección.17 extrae el agua del acuífero a mayor temperatura que la del exterior. se pasa por una bomba de calor y extrae ese calor que se empleará en la calefacción del edificio. Acuíferos poco profundos. y se inyectará de nuevo en el acuífero a una mayor temperatura. Espesores saturados grandes. Como resultado de extraer calor del agua. tanto en calefacción como en refrigeración. a diferencia de los sistemas ASET-A que cambian su sentido. La circulación del agua subterránea siempre tiene el sentido y dirección de flujo desde el pozo de captación hacia el pozo de inyección. . [11] Figura 9: Esquema de un sistema geotérmico abierto de recirculación (Fuente: Guía Técnica de Sistemas Geotérmicos Abierto). es decir. calor extraído/disipado por el acuífero. o sólo para refrigeración se producirá un desequilibrio. calentar o enfriar el agua hasta la temperatura natural del acuífero antes de la inyección del agua. El correcto dimensionamiento del pozo. Por lo tanto. es imprescindible un estudio de detalle riguroso a escala local y una revisión exhaustiva de la información existente de estudios previos relativos al subsuelo. pues determina la eficiencia del pozo. Tanto para los estudios. como para la adecuada gestión y control del aprovechamiento. es decir. el requisito para la concesión es presentar un balance energético óptimo. Una permeabilidad alta permite un caudal importante produciendo descensos poco significativos. Si sólo se aplica para calefacción. Todos los estudios que se realicen deben ir acompañados de modelización numérica como apoyo en el diseño del sistema. estudio del balance y evaluación del impacto térmico asociado a su funcionamiento. . Es muy importante para aumentar la vida útil del sistema y para no producir un impacto térmico del acuífero mantener el equilibrio entre el calor extraído y el calor disipado por el mismo. La mejor opción para conseguir el equilibrio térmico es aplicar el sistema tanto en refrigeración como en calefacción. mejora del aprovechamiento. He aquí la importancia de este proyecto.18 Permeabilidades medias-altas. en algunos países europeos con normativas específicas para sistemas geotérmicos. se recomienda como mínimo tener registros de: Caudal del sistema Temperaturas de extracción e inyección Presión del sistema Niveles de los pozos Cantidad de agua bombeada Cantidad de energía suministrada por el sistema geotérmico abierto. [10] De hecho. y habrá que restaurar el balance energético. pero este . sino también la forma de alargar la vida útil del sistema. Desde entonces se produce una gran expansión. De esta forma se podrán estudiar las soluciones para la interferencia de calor o para el aumento de temperatura como ocurre en este caso. 3. la URSS. Nueva Zelanda y Japón.19 Con el control y seguimiento adecuados del aprovechamiento. Turquía y EEUU. Por último. En 1950 empieza la explotación de la energía geotérmica de baja temperatura en Islandia. Francia. Su expansión en la década de los 80 es posterior a otros tipos de aprovechamientos geotérmicos. XX. 58 países con aprovechamientos geotérmicos de cierta entidad. inicialmente en aguas termales en balneoterapia.4 ENERGÍA GEOTÉRMICA EN EL MUNDO Y EN ESPAÑA Desde la antigüedad se ha empleado la geotermia. alcanzando en el año 2000. la explotación de la energía geotérmica para la producción de electricidad eclosionó en la década de los setenta continuando hasta la actualidad. no sólo tenemos una herramienta para advertir los problemas que puedan surgir. Filipinas. se produjo en las primeras décadas del S. Islandia mediante el uso de la geotermia comienza a calefactar invernaderos y suministrar calor en viviendas. y a principios de los setenta se incorporan Hungría. Pero el desarrollo de la geotermia actual. [8] Figura 10: Producción de calor año 2000 (Fuente: Site Geothermie-Perspectives de l´ADEME et du BRGM) En cuanto al desarrollo de la geotermia de muy baja temperatura se produjo gracias la evolución de la bomba de calor. Debido al traspaso de competencias a las comunidades autónomas. Actualmente realiza investigaciones puntuales en este campo. Como se observa en el Mapa de zonas geotérmicas en España. En España el Instituto Geológico y Minero de España (IGME) de 1970 -1983 realizó investigaciones con el objetivo de determinar la viabilidad de diferentes tipos de explotación geotérmica. la falta de promoción y de interés por el alto coste . la actividad investigadora del IGME relativa a la geotermia ha ido disminuyendo. Figura 11: Mapa de zonas geotérmicas en España (Fuente: IGME). El poco desarrollo de este tipo de energía puede deberse a factores climáticos (ya que existen regiones donde la variación de temperatura es suave).20 aprovechamiento geotérmico presenta una mayor dificultad para su desarrollo ya que requiere de áreas geotérmicas de altas temperaturas. y más si la comparamos con el resto de países Europeos. no se consideraron los aprovechamientos geotérmicos de muy baja temperatura (menos de 30ºC). La implantación de la energía geotérmica de muy baja temperatura en España es escasa. Los resultados de las investigaciones mostraron que existe posibilidad y expectativas de emplear la geotermia en España. ya que el desarrollo de este tipo de explotación comenzó cuando ya se había empezado a menguar la investigación. la ausencia de la reglamentación específica y el propio desconocimiento por parte de la gran mayoría de la población. la falta de apoyo institucional. aprobado por el Real Decreto 2857/1978. o normativa específica estatal para la energía geotérmica y sus distintos tipos de aprovechamientos. [12] Los recursos geotérmicos en España se regulan por las disposiciones estatales: Ley 22/1973. 3. especialmente la de muy baja temperatura. de Minas [13] y el Reglamento General para el Régimen de la Minería. Estas iniciativas permitirán definir reglas claras y eficaces que mejoren el desarrollo tecnológico de la geotermia.21 de ejecución. puesto que no existe legislación.5 MARCO LEGAL Y NORMATIVA APLICABLE La regulación existente en España sobre sistemas geotérmicos es deficitaria. Recientemente se ha creado una plataforma (GeoPlat) que se adhiere a la Plataforma Europea de Energías Renovables y que cuenta con una parte dedicada a la geotermia. Será el responsable de autorizar los proyectos de aprovechamiento. de 21 de julio. Autoridad minera de la correspondiente comunidad autónoma. [12] Se encargará de trasladar el expediente al organismo Autónomo competente en materia . [8] En este sentido el estudio del aprovechamiento geotérmico de muy baja temperatura que se lleva a cabo en la ciudad de Zaragoza es muy interesante. Es el órgano sustantivo. pues puede servir de modelo para el desarrollo de este tipo de energía en España. reglamentación. Por otra parte es compleja al tener que adaptarse la reglamentación general en distintos organismos. En España la energía geotérmica está llamada a ocupar un papel importante dentro de las energías renovables. y es donde se debe iniciar los trámites. de 25 de agosto [14]. En la práctica y desde el punto de vista normativo-administrativo los recursos geotérmicos tienen como autoridades competentes: Autoridad competente para la realización de sondeos. en la generación de climatización. y normativas estatales y autonómicas. pues se trata de una fuente de energía que puede contribuir a reducir la dependencia energética exterior. de 2 de abril [16]) y al cual se han de ajustar todas las prácticas mineras utilizadas en la realización de un proyecto geotérmico. una concesión para poder extraer agua y una autorización de vertido. debido al Real Decreto Legislativo 1/2008 [15]. Confederación Hidrográfica correspondiente. que en el caso de sistemas abiertos precisa de dos autorizaciones. Real Decreto Legislativo 1/2001. Autoridad competente en materia de aguas. mediante la cual se fomenta la eficiencia energética de Edificios.C.22 Medioambiental. según el Real Decreto 47/2007 de 19 de enero [21]. Ha de tenerse en cuenta la normativa de aguas. Apoyará la aprobación o denegación del órgano sustantivo y valorará el impacto ambiental que se pueda producir con el aprovechamiento y lo remitirá al órgano sustantivo que será el que decida la aprobación o negación del proyecto.T. . En cuanto a las leyes y normativas de carácter europeo se encuentra la Directiva 2009/28/CE [18]. que en este caso es la del Ebro. y las Leyes de Evaluación Ambiental de la Comunidad autónoma. modificando y derogando así el reglamento vigente en España aprobado en el Real Decreto 1751/1998 de 31 de julio. nacido para llevar a cabo esta directiva europea. por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Evaluación de Impacto Ambiental. en la que la energía geotérmica resulta caracterizada explícitamente como fuente de energía renovable. En términos de calificación energética de edificios. [11] También ha de considerarse el Plan Hidrológico de la Cuenca correspondiente. todas las nuevas edificaciones a partir de 2007 deben secundar la directiva europea 2002/91/CE [20]. El aprovechamiento de los recursos geotérmicos se desarrolla en la práctica a través de Instrucciones Técnicas Complementarias (I. se basa en la necesidad de trasponer la directiva europea 2002/91/CE [20]. por el que se aprueba el Texto Refundido de la Ley de Aguas y el Reglamento del Dominio Público Hidráulico.) del Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera (Real Decreto 863/1985. de 11 de enero. El Reglamento de Instalaciones Térmicas (RITE). de 20 de julio [17]. aprobado mediante el Real Decreto 1027/2007 de 20 de julio [19]. En este caso se midió la transmisividad. esta última es más interesante para estudiar el movimiento de agua en el subsuelo. aunque a una cierta distancia. . [23] La permeabilidad o conductividad hidráulica cuantifica la facilidad del acuífero para dejar pasar agua. es decir. que es la capacidad con que el medio deja pasar el agua a través de su espesor saturado. primero del movimiento del agua en el subsuelo y luego del problema matemático asociado a este movimiento 4. es análogo a la porosidad eficaz. la superficie del agua se encuentra a presión atmosférica. permitiendo el movimiento del agua por gravedad. es un valor adimensional. permeabilidad y coeficiente de almacenamiento en la permeabilidad o conductividad hidráulica y la materiales detríticos dependen de la forma y el tamaño de los granos. El coeficiente de almacenamiento representa el volumen unitario de agua liberado por el acuífero al descender el nivel piezométrico. En las grandes cuencas sedimentarias. La porosidad es la relación entre el volumen de huecos total y el volumen total en un medio poroso. Los huecos pueden estar ocupados con agua o con aire. Un acuífero es una formación geológica capaz de almacenar y transmitir agua. Este acuífero además es libre. recarga. y que en este caso al tratarse de un acuífero libre. es decir. como la que nos ocupa. La porosidad eficaz es la relación entre el volumen de huecos disponible para el flujo de agua y el volumen total. [22] Los parámetros hidrogeológicos más importantes. es frecuente el aumento de porosidad y permeabilidad desde los bordes hacia el centro. la distribución de los granos y de la compactación y/o cementación (ya que el cemento rellena los poros).1 CARACTERIZACIÓN DE LAS AGUAS SUBTERRÁNEAS En el presente proyecto se trabaja en el acuífero aluvial urbano de Zaragoza. Los parámetros de porosidad. es la permeabilidad por el espesor saturado. y que se han cuantificado en este proyecto son: la porosidad eficaz.23 4 EL PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLÓGICO En este apartado se realiza una explicación muy simplificada. 1 Tabla 1: Parámetros hidrogeológicos considerados en el proyecto.24 al disminuir el tamaño de grano si bien aumenta la porosidad disminuye la permeabilidad. se puede despreciar este término. se convirtió a Conductividad Hidráulica. y conocido el espesor saturado. la altura de presión y la altura de velocidad. posteriormente. En este caso la cuantificación de la transmisividad se ha realizado mediante ensayos de bombeo en distintos puntos de la ciudad. (Fuente: elaboración propia). donde la carga o altura hidráulica total (nivel piezométrico) es igual a la suma de tres componentes.10-3 0. 4. [24].608.10-4 22.608.2 FORMULACIÓN PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLÓGICO Partiremos de la ecuación básica de la dinámica de fluidos: la ecuación de Bernoulli. que expresa la energía de un fluido en movimiento en un punto. El dato de la recarga se extrajo de un trabajo realizado anteriormente mediante el programa BALAN. Donde: donde: .05 0.10-4 Porosidad Eficaz Recarga (m/d) 1. Como la velocidad del flujo del subsuelo es muy pequeña.10-3 1.10-3 1.608. la altura geométrica. Para la zona de estudio que nos ocupa los valores considerados se muestran en la siguiente tabla: Conductividad Hidráulica(m/s) Primera unidad hidroestratigráfica Segunda unidad hidroestratigráfica Tercera unidad hidroestratigráfica 15.10-4 20.08 0. por lo que es complejo calcular con mucha precisión estos parámetros. [25] . 2. la pérdida de energía experimentada por unidad de longitud se define como gradiente hidráulico (i). La velocidad del flujo de agua subterránea.1 Ley de Darcy El presente proyecto se desarrolla en un medio poroso. depende del gradiente hidráulico y de la permeabilidad. la velocidad de Darcy. la ecuación que describe las características del movimiento del agua subterránea a través de un medio poroso es la Ley de Darcy. La velocidad real del agua subterránea se define como la velocidad de Darcy dividida por la porosidad. Donde: 4. [22] Donde: .25 El movimiento del agua se produce de zonas de mayor altura piezométrica a zonas de menor altura piezométrica. Para que el sistema de ecuaciones funcione correctamente es importante considerar bien el dominio y las condiciones. o el volumen de lo que entra en un determinado medio poroso debe ser igual a lo que sale.3 RESOLUCIÓN MATEMÁTICA: MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS La resolución de la ecuación fundamental del flujo en un medio poroso. se obtiene la ecuación fundamental del flujo. Donde: ( ) 4.26 4.2.2 Principio de continuidad Por último se ha de considerar la ecuación de continuidad o de conservación de la masa.2. la ecuación de continuidad. Con este método convertimos la ecuación. [11].3 La ecuación fundamental del flujo Considerando la ley de Darcy . y que gracias a los software informáticos se resuelve más rápidamente. como las iniciales en el tiempo. Por lo que se recurre al método de elementos finitos. en derivadas parciales es muy compleja. 4. tanto de contorno del dominio. El lugar donde se intersectan las rectas del mallado se denominan nodos. Lo que nos indica que masa. y la suma de entradas y salidas de agua en un cubo poroso elemental. en un sistema de ecuaciones más sencillas. De . y el área que queda entre las rectas son los elementos. El dominio se discretiza mediante un mallado. particularizándola a un dominio conocido. [27]. tanto en una dimensión.27 esta forma ganamos precisión ya que algunas propiedades se definen en los nodos. [28] . establecer condiciones de contorno e iniciales del problema. [26]. el programa Feflow® es capaz de realizar la discretización espacial. por lo que el problema en este caso se resuelve mediante del programa informático Feflow®. Las ecuaciones siguientes son las que emplea el programa para resolución de los problemas de flujo. ecuación de Richards. ahora brevemente se exponen las ecuaciones fundamentales que emplea el programa para la resolución del problema de flujo. Como se puede deducir para un problema como el que se presenta en este caso. como en dos y tres dimensiones. ecuación que combina la ecuación de Darcy y la ecuación conservación de masas. y trabajar con un sinfín de ecuaciones y algoritmos. Figura 12: Esquema de la discretización espacial que realiza el programa Feflow® (Fuente: White papper 1) En el capítulo 6 se desarrollará más detenidamente la metodología del programa. [28] Ecuación 2-1. se precisan infinidad de datos. mientras que otras se definen en los elementos. Como se puede observar en la figura 12. si Ψ ≤ 0 medio no saturado). ƒ : fase fluida µ: viscosidad dinámica ρƒ : densidad del fluido .28 Ecuación 2-2. [28] Donde: So: coeficiente de almacenamientos sf : saturación de la fase del fluido (0 < Sf ≥ 1) Ψ: presión (Ψ > 0 medio saturado. [28] Ecuación 2-3. es la ecuación del flujo de Darcy. Kr = 1 si está saturado en sf = 1) K: tensor de conductividad hidráulica para medio saturado. ecuación del transporte de masa. ε : porosidad C: concentración h : nivel piezométrico t : tiempo q: vector del flujo de Darcy Qh : sumidero o fuente de fluidos Kr = conductividad hidráulica relativa (0 < Kr ≤ 1. 29 ρ0ƒ: densidad de referencia del fluido e : vector unitario gravitacional Rd: retardo derivado Dd: difusión molecular en el medio poroso I: tensor unidad D: tensor de dispersión mecánica R: retardo ϑ: periodo de descomposición química QC: fuente / sumidero de masa . 30 5 MODELO DE TRANSPORTE DE CALOR 5.1 TRANSFERENCIA DE CALOR El calor es una forma de energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. Por lo tanto, la transferencia de calor es una transferencia de energía, sólo se produce si existe diferencia de temperaturas, y siempre tiene lugar del medio caliente al frío. La temperatura del subsuelo depende del flujo de calor desde el núcleo de la Tierra, de las características geotérmicas del subsuelo, la temperatura media de la superficie, de la presencia de fuentes de calor en el subsuelo, y del flujo de agua subterránea. [26]. 5.1.1 Propiedades térmicas del suelo Las principales características térmicas del suelo son: capacidad calorífica, la conductividad térmica y la difusividad térmica. Se define primeramente el calor específico pues se empleará en las siguientes definiciones. El calor específico es la medida de la capacidad de un material para almacenar energía térmica, es decir, la energía requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. [29] La capacidad calorífica es el producto del calor específico por la densidad. Representa la capacidad de almacenamiento de calor dentro de un material. Dado que en un acuífero existe agua y roca, y que cada uno de ellos presenta su propia capacidad calorífica, la capacidad calorífica del acuífero se expresa en la siguiente ecuación. [11] ( Donde: ( ( ( ( ) ) ) ) ) (( ) ) 31 ( ( ) ) La conductividad térmica es la medida de la capacidad de un material para conducir calor. Nos indica que material conduce el calor, mejor o peor que otros. Dicho de otra forma es la razón de transferencia de calor a través de un espesor unitario del material por unidad de área por unidad de diferencia de temperatura. Un valor bajo de conductividad implica un material aislante desde el punto de vista térmico. Y sus unidades en el sistema internacional son: J.s-1.m-1.K-1. [29] La conductividad térmica en un acuífero es la suma de la conductividad térmica del agua y la conductividad térmica de la roca. [11] ( Donde: ) (( ) ) La difusividad térmica es la razón entre el calor conducido a través del material y el calor almacenado por unidad de volumen. Nos indica cuán rápido se difunde el calor por un material. A mayor difusividad térmica, más rápida es la propagación de calor en el medio. Sus unidades en el Sistema Internacional son m2/s. [29] Para la zona de estudio que nos ocupa los valores considerados se muestran en la siguiente tabla: Dispersividad Longitudinal (m) 5 5 Dispersividad Capacidad Transversal Calorífica (m) (J/m3/K) 2.52106 0.5 0.5 4.2.106 Conductividad Térmica (J/m/s/K) 3 0.65 Porosidad Para el sólido Para el agua 0.3 0.3 Tabla 2: Propiedades materiales para el calor (Fuente: elaboración propia). 5.1.2 Mecanismo de transferencia del calor 32 El transporte de calor se realiza mediante tres mecanismos: convección, conducción y radiación. En el subsuelo el transporte de calor se produce por convección, y por conducción. La radiación no se considera ya que se asume que la temperatura del sólido y del líquido es la misma y que únicamente hay una temperatura en el medio poroso. El transporte convectivo describe la propagación del calor en el seno del agua subterránea y depende de la velocidad del fluido y del gradiente de temperaturas. El transporte conductivo describe la propagación del calor en el medio poroso. Se expresa mediante la ley de la conducción del calor o ley de Fourier, que indica que la velocidad de la transferencia de calor es igual al producto de la conductividad térmica por el gradiente negativo de temperaturas, ya que el flujo de calor se produce de zonas con mayor temperatura a zonas de menor temperatura. [11] También hay que considerar el “almacenamiento” de calor en el medio poroso que atraviesa el fluido, esto se realiza mediante la capacidad calorífica. 5.2 FORMULACIÓN DEL PROBLEMA DE TRANSPORTE DE CALOR Teniendo en cuenta lo explicado anteriormente y la suma de entradas y salidas de calor en el dominio, [11] la ecuación del transporte de calor queda: (( Donde: ( ( ( ( ( ( ) ) ) ) ) ) ) ( ) ) ( ) [25]. y que gracias a los software informáticos se resuelve más rápidamente. particularizándola a un dominio conocido.33 ( ) ( ) 5. si Ψ ≤ 0 medio no saturado). [28] La ecuación que gobierna el transporte de calor en el código Feflow es: Dónde: sf : saturación de la fase del fluido (0 < Sf ≥ 1) Ψ: presión (Ψ > 0 medio saturado. en un sistema de ecuaciones más sencillas. resuelve el problema de transferencia de calor tras haber realizado la simulación del flujo en el acuífero y sobre esta simulación realiza el problema de calor. [27]. ε : porosidad ρƒ : densidad del fluido c ƒ : capacidad calorífica del fluido ρs : densidad del sólido c s : capacidad calorífica del sólido q: vector del flujo de Darcy .3 RESOLUCIÓN MATEMÁTICA: MÉTODO DE ELEMENTOS FINITOS Al igual que en el problema de flujo. Con este método convertimos la ecuación. De hecho el programa Feflow®. por lo que se recurre al método de elementos finitos. [30]. [26]. la ecuación del transporte de calor en derivadas parciales es muy compleja. 34 T: temperatura Λ ƒ: tensor de dispersión térmica hidrodinámica del fluido λs : conductividad térmica del sólido I: tensor unidad T0: temperatura de referencia QT: fuente o sumidero termal . Contiene un manual de instalación con un ejemplo práctico para comprender el manejo del programa. sales. de transporte de calor. y estimar la duración y los tiempos de transporte. muy bien expuesto. no saturación. Feflow® se adapta tanto al sistema operativo Windows. es muy extensa. de transporte de sustancias (por ejemplo. que es el que se ha empleado en este proyecto como. y de cara al uso del programa se echan en falta más tutoriales específicos. contaminantes. [31] La documentación que trae consigo el programa. Un manual de usuario. es uno de los programas más completo. simular. y de ambas situaciones del acuífero. esta versión es mucho más “amigable” que las versiones anteriores. probado y fiable que existe en el mercado para la simulación de flujo y transporte de procesos en aguas subterráneas en un medio poroso. Por ello es una herramienta muy valiosa para planear y diseñar estrategias de remediación. apoyar el diseño de alternativas y esquemas efectivos de monitoreo. [31] El paquete de software permite la resolución de problemas: Tri y bi-dimensionales.0. actualmente. en este caso de temperatura. Es un código muy eficiente para describir la distribución espacial y temporal de las aguas subterráneas.35 6 MODELO DE FLUJO CON EL PROGRAMA FEFLOW® 6.1 EL PROGRAMA El programa informático Feflow®. pero podría ser del transporte de contaminantes. como en éste proyecto.). etc. . Problemas tanto en régimen estacionario como no estacionario. De densidad variable del fluido. a Linux®. Con esta versión se pueden realizar simulación de flujo. La versión que se ha empleado en este proyecto es la 6. especialmente en el problema del transporte de calor. del que no existe ninguna explicación ni ejemplo al respecto. procesos geotérmicos. con tutoriales para comprender mejor y asimilar el funcionamiento del programa. y/o de ambos. De saturación. Este último en ocasiones es muy escueto en explicaciones. o incluso de calor y sustancias simultáneamente. La ubicación y visibilidad de todos los componentes. los diagramas y los paneles se pueden activar y desactivar según se necesite. El programa Feflow® tiene un convenio con la empresa ESRI. ya que. son cinco. Arc-GIS es más sencillo. . • Vista de la FE-rebanada (FE-Slice view). más cómodo y contiene muchas más aplicaciones de tratamiento y representación de mapas. Estos documentos son de carácter muy matemático y quizá no son todo lo prácticos que pudieran. puede ser elegido arbitrariamente. o según sea más cómoda una vista u otra. Éstas se pueden abrir y cerrar según se necesiten. Las barras de herramientas. Estos documentos son los denominados White Papers. • Vista de sección transversal (Cross-section view).36 Finalmente el paquete incluye documentación relativa al funcionamiento desde el punto de vista matemático de programa. La interfaz del programa es totalmente personalizable. aunque en Feflow® es posible el tratamiento y representación de mapas. Lo que es muy cómodo y práctico. pues la interfaz hace que se trabaje de una forma cómoda y eficiente. a excepción del menú principal. o pueden estar flotando como ventanas independientes. Para la visualización se emplean distintas ventanas con distintas vistas. Esto es una clara ventaja. [31] Los distintos tipos de vistas son: • Vista de supermesh (Supermesh view). a partir de la cual se realiza la asignación de datos y la propia simulación. e incluso de refinamiento de archivos. por lo que es capaz de trabajar con todos los archivos derivados del programa de sistema de representación geográfica ArcGIS. Los componentes pueden acoplarse a un determinado lugar de la ventana principal. Por lo que si no se dispone de conocimientos previos en simulación y conocimientos matemáticos avanzados se dificulta mucho la compresión. y abarcan todas las posibles situaciones que es capaz de resolver el programa. . seguimiento y aplicación del programa. • Vista 3D (3D view). Los mapas son por una parte la base para la orientación de la superficie del modelo y por otra define el dominio del modelo y por lo tanto son el soporte geométrico de la malla. principalmente en cuanto a la refrigeración (el uso principal) y alargando de esta forma su vida útil. especialmente conflictivo desde el punto de vista térmico.2 MODELO CONCEPTUAL El objetivo de la simulación matemática es analizar y obtener una representación espacial y temporal del comportamiento del flujo y de la trasferencia de calor en el acuífero aluvial urbano de la ciudad de Zaragoza. . donde existen numerosos aprovechamientos geotérmicos. Constituyendo una herramienta que muestra tanto la problemática actual: la interferencia térmica. Con ello se obtiene. Se podrán establecer así medidas de control y seguimiento para que no disminuya el rendimiento de los aprovechamientos. de albergar nuevos aprovechamientos geotérmicos. Así mismo se podrá determinar las afecciones entre aprovechamientos y las zonas que son viables o no. Figura 13: Aprovechamientos geotérmico y piezómetros en la ciudad de Zaragoza. la autointerferencia y el aumento de temperatura del acuífero. además de lo citado anteriormente. y del manejo del propio programa.37 6. una mejor compresión de los datos necesarios. como su evolución en un futuro próximo. del modo en que el código los asimila y trata. (Fuente: elaboración propia). En el presente proyecto se llevó a cabo el estudio de un modelo de escala reducida en uno de los aprovechamientos geotérmicos. (Fuente: elaboración propia). . Figura 15: Sistema geotérmico Aragonia e isopiezas. El sistema geotérmico en este caso se emplea en la climatización de un centro comercial llamado Aragonia. Actualmente están empleando dos pozos de captación y otros dos de vertido. La región de estudio se ubica en el suroeste de la ciudad. dentro de la margen derecha de la ciudad de Zaragoza.38 Figura 14: Región de estudio (en rojo) (Fuente: elaboración propia). Actualmente los dos restantes (los que se sitúan más al sur) no se emplean. El contorno paralelo a la isopieza situada a la izquierda en la imagen. de tipo aluvial. y por ello. de modo que. tiene un valor de 203. El contorno paralelo a la isopieza situada a la derecha en la imagen. tiene un valor de 205m. establecer con exactitud los distintos niveles de estratos resulta complejo. isopieza aguas abajo. son los cuatro pozos situados más al norte los que se emplean actualmente. En la elaboración de este polígono se obligó a que sus lados fueran paralelos a las isopiezas más próximas y a que los lados restantes fueran lo más perpendiculares posible a las isopiezas. y los lados restantes del polígono al ser líneas perpendiculares a las isopiezas representan líneas de flujo nulo. isopieza aguas arriba. desde un punto de vista estratigráfico.39 La figura 16 muestra seis pozos. Como se ha explicado anteriormente la geología del ámbito del modelo comprende sedimentos cuaternarios. P-5(C-9). Por último el pozo situado más a la derecha es el piezómetro del IGME. Figura 16: Esquema fronteras de flujo de la región de estudio (Fuente: elaboración propia).5m. ya que exigiría . La geometría que representa el área de la región de estudio se realizó mediante un polígono. y P-8(C-8) son los dos pozos de captación y los pozos P-6(I-2) y P-7(I-1) son los pozos de inyección. las líneas del polígono paralelas a las isopiezas se considerarán fronteras naturales de flujo. Por este motivo se llevó a cabo una descripción más esquemática. motivo por el que se incluyeron los conglomerados. Figura 17 Esquema de las unidades hidro-estratigráficas (Fuente: elaboración propia). como se muestra en la figura17. La primera capa y unidad hidro-estratigráfica. a diferencia de las otras capas donde los conglomerados se consideraron capas independientes.40 una descripción muy detallada y en capas de potencia muy escasa. contiene gravas. Desde el punto de vista hidrogeológico las capas tercera y quinta son muy similares por lo que se consideraron como el mismo material. es decir. de la que resultan cinco capas. esta capa forma parte de la zona no saturada del acuífero. se agruparon por su comportamiento hidrogeológico. se llevó a cabo una agrupación de los estratos en unidades hidro-estratigráficas. . Por lo que finalmente. bolos y conglomerados. Resultando tres unidades hidro-estratigráficas que al intercalarse dan lugar a cinco capas. Un archivo Shapefile de puntos. que previamente se realizaron en el software de ESRI. es por ello que se sitúan en esta capa las rejillas de los pozos. y segunda unidad hidro-estratigráfica. El uso empleado fue el de las coordenadas de la ciudad de Zaragoza. fueron todos archivos del tipo Shapefile. Por último. materiales hidrogeológicamente muy interesantes. . se necesitan planos de fondo. y por lo tanto su relación con la superficie del terreno.1 Geometría y mallado Para definir el área del modelo y construir la red. Para definir la región de estudio se importaron los archivos: Un archivo Shapefile de polígono. Otro archivo Shapefile de puntos. 6.3 DATOS DE ENTRADA DEL MODELO El programa requiere de planos de base para crear sobre éstos la red de elementos finitos. las capas tercera y quinta. pues los pozos del aprovechamiento se realizaron en distintas etapas. propios de la zona. por lo que fue complicado conocer con exactitud la nivelación de los pozos. En el caso que nos ocupa. UTM 30 Norte. líneas o puntos. El área del modelo se encuentra en una zona totalmente urbana. son conglomerados. Arc-GIS. unos desde la superficie natural del terreno y otros en sótanos. importantes sobre todo en la captación. esto fue motivo de un mayor esfuerzo. ya que aportan grandes caudales. 6. Los archivos que se necesitaron. y se decidió considerar como unidad hidro-estratigráfica independiente debido a que presentan propiedades hidráulicas ligeramente distintas a las otras capas. tercera y última unidad hidro-estratigráfica son gravas. estos archivos pueden contener polígonos. que define la región de estudio. extender la a tres dimensiones y luego asignarle todos los parámetros requeridos en la simulación. que contiene la situación de los pozos de inyección o vertido.3. Se georreferenciaron todos los archivos de modo que no surgiesen incompatibilidades.41 La segunda y cuarta capas. que contiene la situación de los pozos de captación. todos los archivos anteriores deben convertirse modelo. para que defina las fronteras exteriores.3.42 Figura 18: Imagen inicial de los archivos importados desde ArcGIS en Feflow®. e interiores en el modelo de elementos finitos. la interfaz del programa que proveerá la estructura del Figura 19: “Supermesh” (Fuente: elaboración propia). 6. .1. a “Supermesh”.1 Geometría Después de importar los archivos al programa. (Fuente: elaboración propia). 43 La frontera exterior. también denominada malla. en este caso es el perímetro de la propia región de estudio. como se explicó anteriormente.1. incluso de rehacer el mapa de la región de estudio. líneas y puntos en la “supermesh”. El generador de malla Gridbuilder fue desarrollado por Rob McLaren de la Universidad de Waterloo.2 Mallado Definida la geometría en el programa. ya que se introduce información en ellos. En la parte de flujo. y en la parte de calor. condición de contorno. 6. que se compone. ya que se realizarán más operaciones en ellos. la variación de la temperatura debida a los caudales. [7] En este caso se realizó un refinamiento en el borde del polígono de la región de estudio y en los pozos. Figura 20: Propiedades del generador de malla Gridbuilder (Fuente: elaboración propia).r . Canadá — es un algoritmo de triangulación flexible.3. Es capaz de mallar considerando polígonos. se procede a la realización de la red de elementos finitos. Y las fronteras interiores serán los pozos. El mallado se realizó mediante el mallador Gridbuilder uno de los que presenta Feflow®. así como de realizar mallas locales de refinamiento en puntos. líneas o borde del polígono. se introducen los caudales de captación e inyección. Tras infinidad de pruebas. se obtiene un mallado de 1000 elementos. de elementos y nodos. el mallado realizado. Para que una red de elementos finitos sea matemáticamente correcta ha de cumplir que [32]: La variación de tamaño entre los elementos adyacentes sea progresiva. desde el punto de vista matemático es adecuado. sea más alta. En general. los elementos sean suficientemente regulares. pues cumple con las condiciones antes citadas. que es donde se producen los mayores gradientes. No se observan ángulos obtusos. Como se puede observar en detalle.44 Figura 21: Malla realizada en Feflow® de 1000 elementos (Fuente: elaboración propia). . La densidad de elementos en los pozos. Y por lo tanto. . Figura 23: Ventana del configurador 3D (Fuente: elaboración propia).45 Figura 22: Detalle de la malla realizada (Fuente: elaboración propia). Hasta este punto se ha diseñado la geometría de un modelo bidimensional. siempre el número de “Slices” es una unidad mayor que el de capas. por lo que tendremos que ampliar la malla a tres dimensiones. La simulación se realiza en un modelo tridimensional. Un modelo de elementos finitos tridimensional consiste en un número de planos con nodos. Estas “Slices” generalmente se consideran el techo o el muro de las capas o unidades hidro-estratigráficas consideradas. que denominaremos “Slices” (rebanadas). es preciso introducir el relieve real de las capas y del terreno.46 Primero definiremos el número de capas y “Slices” que se necesitan en este modelo. A partir de los datos del MDT se extrajeron los datos de la elevación de la superficie del terreno. se definieron cinco capas y seis “Slices”. . obteniéndose así los datos de elevación de la capa . pero al llegar al problema del transporte de calor era necesaria una mayor resolución vertical. Para ello se introduce un archivo de puntos. Finalmente y tras numerosos intentos se llegó a la solución actual de treinta y dos capas y treinta y tres “Slices”. y Z es la elevación del terreno y además contiene también otra columna con el número de“Slices” a la que pertenecen los datos anteriores. que proporciona las coordenadas y elevaciones de la superficie del terreno. donde X e Y son las coordenadas georreferenciadas.por lo que hay tantas “Slices” como metros presentes en el pozo de mayor profundidad. y siguiendo el comportamiento hidro-estratigráfico. La realización de este archivo se desarrolló a través de un modelo digital del terrero (MDT) de la región de estudio. Figura 24: Vista en 3D del bloque de 32 capas (Fuente: elaboración propia). y como nos encontramos en un lugar relativamente llano. a los datos de elevación se les restó un metro. Inicialmente. de tipo X Y Z. Una vez conseguido el mallado tridimensional. 2 Configuración del problema Mediante esta interfaz del programa definimos que tipo de modelo vamos a simular. Se decidió que la simulación se realizase en medio saturado. se obtuvieron todos los datos de elevación del modelo tridimensional. “link to parameter”. ya que se supone que el acuífero se encuentra en condiciones de equilibrio hidráulico.47 un metro inferior a la superficie del terreno. de forma que sea lo más coherente posible con la realidad. En diferentes apartados se va ajustando el modelo. . Se selecciona la opción de régimen estacionario. una interfaz propia del programa que facilita la introducción de datos en distintos formatos. El resultado se puede observar en la figura.3. Procediendo consecutivamente con las 32 capas. Figura 25: Bloque de 32 capas con relieve topográfico (Fuente: elaboración propia). ya que aunque no siempre se encuentra el modelo tridimensional totalmente saturado. con esta opción el programa es capaz de considerar las condiciones del nivel freático móvil. A su vez a estos nuevos datos de elevación se les resto un metro. La introducción en el modelo de este archivo se produjo mediante una unión. obteniéndose los datos de elevación de la capa dos metros inferior a la superficie del terreno. 6. Propiedades de los Materiales. lo que genera una gran variación en el nivel piezométrico. (“Material Propeties”). [33] Variables del Proceso (“Process Variables”): condiciones iniciales y variables. Condiciones de Contorno. Las variables del proceso y las condiciones de contorno se introducen o definen en los nodos de la malla.48 En cuanto al modo en que el programa considera la superficie del nivel piezométrico durante la simulación. (“Reference Data”). Datos de Referencia.[33] 6. (“Boundary conditions”). Figura 26: Panel de Datos “Data Panel” (Fuente: elaboración propia). como se puede observar en el panel de Datos (“Data Panel”). ya que durante la simulación se capta y se inyecta agua simultáneamente. mientras que las propiedades de los materiales se definen en los elementos. .3 Parámetros del modelo Feflow® distingue entre cuatro grupos de parámetros. se eligió la opción de situar la capa freática en la superficie del modelo. Los datos de referencia pueden tener lugar en los elementos y/o en los nodos.3. E.1 Condiciones iniciales de flujo Las condiciones iniciales de flujo permiten asignar la superficie de las aguas subterráneas al inicio de la simulación. donde la X y la Y son las coordenadas del piezómetro y la Z es el valor de nivel piezométrico medido.2 Condiciones de contorno o de frontera de flujo Inicialmente se introduce la condición de contorno Aguas Arriba. la de 205m. . (Garrido Scheneider. y realizamos de nuevo una unión de parámetro (“link to parameter”). Se visualiza en ArcGIS. Se trata de un archivo del tipo X. Se realiza el mismo procedimiento con la condición Aguas Abajo. y se le asigna el valor de la isopieza más próxima.3.3. Y. en la parte izquierda del polígono. Se parte de un archivo con datos de la piezometría de los distintos piezómetros de la red que el IGME posee en la ciudad de Zaragoza.3. 6. y se seleccionan únicamente los piezómetros que están en nuestra región de estudio.3. El archivo resultante de esta operación lo importamos a Feflow®. Z. en la parte derecha del polígono. Figura 27: Piezometría inicial (Fuente: elaboración propia).49 6.). Figura 28: Condiciones de contorno de flujo (Fuente: elaboración propia). asumimos que son líneas de flujo nulo. es decir.0084 0. Por lo tanto. tal como se muestra en las tablas. en los pozos de captación y datos de caudal de vertido en los pozos de inyección.0084 0. Las otras dos fronteras.50 asignándole 203.0336 Pozo de captación P-5(C-9) P-8(C-8) CAUDAL TOTAL CAPTACIÓN Tabla 3: Caudales de captación o extracción (Fuente: elaboración propia). A continuación se muestran las tablas 3 y 4. .5m. Los pozos. admiten datos de tasa de descarga constante. en las que observan cuáles y cómo se han introducido los datos relativos a los pozos.0168 Lámina o “Slice” en las que se extrae el caudal “Slice” “Slice” “Slice” “Slice” 31 32 31 32 Caudal de extracción en cada lámina o “Slice” m3/s 0. Para ello se ha de realizar un zoom en los pozos e introducir los datos de caudal en las “Slices” correspondientes a las rejillas de los pozos. Caudal en cada Pozo de captación m3/s 0.0084 0. Como estamos ante un sistema geotérmico abierto el caudal total de extracción será igual al caudal total de inyección. de caudal.0168 0.0084 0. como condición de contorno. por razones de simplicidad. se introducen datos de caudal de extracción. 00336 -0.0168 -0.00336 -0.00336 -0.00336 -0.51 Pozo de inyección Caudal en cada Pozo de inyección m3/s Lámina o “Slice” en las que se inyecta el caudal “Slice”27 “Slice”28 “Slice”29 “Slice”30 “Slice”31 “Slice”27 “Slice”28 “Slice”29 “Slice”30 “Slice”31 CAUDAL TOTAL CAPTACIÓN Caudal de inyección en cada lámina o “Slice” m3/s -0.0168 P-7(I-1) -0.00336 -0. .00336 -0.00336 -0.00336 P-6(I-2) -0.00336 -0.00336 -0.0336 Tabla 4: Caudales de inyección o vertido (Fuente: elaboración propia). Figura 29: Pozos de captación e inyección en funcionamiento (Fuente: elaboración propia). 10-4 22.10-3 0.3. Figura 30: Recarga (Fuente: elaboración propia). Conductividad Hidráulica(m/s) Primera unidad hidroestratigráfica Segunda unidad hidroestratigráfica Tercera unidad hidroestratigráfica 15.10-3 1.608.608. como ya se expuso anteriormente están representados en la tabla.3 Propiedades de los materiales El menú de propiedades de los materiales permite editar los parámetros hidrogeológicos propios del material. Los parámetros considerados. . Una vez asignados estos valores se pueden visualizar independientemente cada uno de ellos.10-4 20.608.10-4 Porosidad Eficaz Recarga (m/d) 1.05 0.3.52 6.10-3 1.08 0.1 Tabla 5: Parámetros hidrogeológicos considerados en el proyecto (Fuente: elaboración propia). Figura 32: Porosidad eficaz (Fuente: elaboración propia). .53 Figura 31: Conductividad hidráulica o Permeabilidad (Fuente: elaboración propia). Figura 33: Diagrama error e iteraciones (Fuente: elaboración propia). y se llevará a cabo la simulación conjunta de flujo y transporte de calor. El método de elementos finitos. se introducirán los datos y condicionantes relativos al transporte de calor.54 6. antes de realizar la simulación.4 SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO Asignados todos los datos que precisa el programa. por ello el programa realiza una estimación del error en función del número de iteraciones empleadas en la simulación . La primera simulación es el resultado de un problema ejecutable de flujo estacionario. se observa que los pozos y el nivel piezométrico se simulan correctamente. las condiciones iniciales y el nivel piezométrico han cambiado. el error satisface una precisión de 0. y luego desde el guardado se añade el transporte de calor. en este problema. que se realiza para verificar que el problema de flujo funciona. y que todo es matemática e hidrogeológicamente correcto. Posteriormente. es una aproximación al problema real. . tras doce iteraciones. por ello es muy importante guardar el modelo previamente. se procede a la primera simulación. Analizando en detalle la solución. Tras la primera simulación.Como se puede observar en el diagrama.001. El programa Feflow® automáticamente genera varias ventanas y diagramas que informan sobre la marcha de los resultados de los pozos y del nivel piezométrico. 55 Como se observa en el corte transversal de la figura. la captación se produce entre los metros 202.5 y 205. . Figura 35: Nivel piezométrico en 3D (Fuente: elaboración propia). correspondiendo con las capas 32 y 31. Figura 34: Corte transversal del nivel piezométrico (Fuente: elaboración propia). que es dónde le indicamos al programa que se produjera la captación. En cuanto a la inyección se produce ligeramente por encima de la captación tal como indicamos al introducir los datos. Esto demuestra el correcto funcionamiento de los pozos y del movimiento del flujo. Y ocurre de forma inversa en los pozos de inyección. En el pozo de captación se observa el cono de influencia propio de una captación. es un pozo de captación y el de la derecha de inyección. hacia aguas abajo. en la parte derecha del bloque. debida a la captación e inyección. en torno a 205.56 En la figura 35 se observa como el nivel piezométrico disminuye gradual y radialmente en dirección hacia el pozo de captación. es menor que en las zonas adyacentes. Figura 36: Presión (Fuente: elaboración propia). sigue siendo así. El pozo situado en la imagen a la izquierda. Esto confirma el correcto funcionamiento de los pozos. pues el valor del nivel piezométrico en los pozos de captación. que en las zonas adyacentes. pues también se observa cómo el flujo que se impuso. que iba de aguas arriba. en la parte izquierda del bloque. . donde gradual y radialmente el nivel piezométrico es mayor. El siguiente corte transversal muestra la presión de pozo en todo el dominio. y como es lógico en el pozo de inyección se invierte esta situación. en torno a 203. fuentes y sumideros (recarga de agua subterránea). Figura 37: Balance hídrico (Fuente: elaboración propia). para los diferentes tipos de condición de frontera. Aunque puede parecer sencillo llegar a este punto.57 En la siguiente figura se observa el diagrama de balance (“budget”) que muestra las entradas en rojo y las salidas en azul. llegar hasta aquí ha supuesto la realización de innumerables pruebas y repeticiones para que la simulación convergiera y la solución fuera correcta. Se verifica una vez más el correcto funcionamiento de la simulación. . tanto desde un punto de vista matemático como desde el punto de vista hidrogeológico. pues el caudal de los pozos (“Wells”) que se observa en el balance (2903.041) es idéntico al que se introdujo en los pozos en las condiciones de contorno. El valor de equilibrio como la suma de todos flujos de agua es suficientemente pequeño para aceptar el estado estacionario de la solución. en realidad. siete mil trescientos días. 6. . ya que se supone que el acuífero se encuentra en condiciones de equilibrio hidráulico y seleccionamos transporte transitorio para el problema de calor para poder evaluar la variación de calor en el tiempo. para ver el comportamiento y evolución del calor tras un periodo importante de tiempo de funcionamiento del aprovechamiento geotérmico.5 TRANSPORTE DE CALOR Una vez realizada la simulación del flujo. y comprobado que todo funciona correctamente. Lo primero. Escogemos una duración de veinte años.58 6. el siguiente paso consiste en introducir las variables y parámetros para el problema de flujo y transporte de calor. es cargar de nuevo el modelo de flujo que se guardó previamente antes de la simulación.5.6. y sólo queda introducir los datos propios de la simulación del calor.6ºC.6 DATOS DE ENTRADA EN TRANSPORTE DE CALOR Como partimos del modelo de flujo todos los datos relativos a la geometría del modelo están ya incluidos. 6. temperatura media del subsuelo en la ciudad de Zaragoza en 2010-2011.1 Condiciones iniciales Partimos de un temperatura constante de 14.1 Configuración del problema Seleccionamos la opción de régimen estacionario. 6. 59 Figura 38: Temperatura inicial (Fuente: elaboración propia). ésta vuelve directamente al acuífero. donde.9ºC y el resto del año a 14. En los pozos de inyección es donde se producen las variaciones de temperatura. el agua se introduce en el acuífero a una mayor temperatura que cuando se extrajo. . de modo que en los periodos de más temperatura en el exterior (verano). se realizó un fichero en Microsoft Excel. de abril a septiembre estimamos que se tiene una temperatura de 20. el agua se introduce a menor temperatura de la que se captó. y en los periodos de menor temperatura en el exterior (invierno).6ºC. Se importó la serie temporal a Feflow® y se introdujo en los pozos de inyección. Esta serie temporal se realizó para un periodo de duración de veinte años. Para reflejar la variación de la temperatura en los meses de verano y en los de invierno. pues una vez empleada el agua en el sistema de climatización. de forma que se obtiene una idea aproximada de cómo se va a comportar térmicamente el acuífero en este aprovechamiento geotérmico. . Figura 40: Detalle de temperatura en los pozos (Fuente: elaboración propia).60 Figura 39: Diagrama de serie temporal (Fuente: elaboración propia). 3 Propiedades de los materiales El menú de propiedades de calor permite editar los parámetros hidrogeológicos propios del material que han de introducirse para que se modele un problema de circulación y transporte de calor en aguas subterráneas.2 Condiciones de contorno Para el problema de flujo se consideró que el flujo se produce desde la condición de contorno aguas arriba. pues por él no se recibe aportación térmica.6ºC.3 0.5 4.65 Porosidad Para el sólido Para el agua 0. luego.106 Conductividad Térmica (J/m/s/K) 3 0.6.6. Dispersividad Longitudinal (m) 5 5 Dispersividad Capacidad Transversal Calorífica (m) (J/m3/K) 2.52106 0. para la temperatura.3 Tabla 6: Propiedades térmicas.5 0.2. (Fuente: elaboración propia) . se considera sólo el borde aguas arriba con la temperatura de 14. 6. Figura 41: Condiciones de contorno de temperatura (Fuente: elaboración propia). hacia la condición de contorno aguas abajo. Los parámetros considerados están representados en la tabla. y se deja libre el borde aguas abajo.61 6. parte izquierda del polígono. en la parte derecha del polígono. . a continuación se muestran algunos de ellos. Figura 42: porosidad (calor) (Fuente: elaboración propia). Figura 43: Dispersión longitudinal (Fuente: elaboración propia).62 Asignados estos valores se pueden visualizar independientemente cada uno de ellos. Figura 45: Situación del piezómetro del IGME (Fuente: elaboración propia) .63 Figura 44: Dispersividad transversal (Fuente: elaboración propia).7 DATOS DE REFERENCIA: CALIBRACIÓN El programa permite que se le definan puntos de observación en la región de estudio para una posterior comparación entre los valores medidos y los calculados durante la simulación. 6. Y. (Fuente: elaboración propia). con el punto de observación.64 En el presente proyecto los datos medidos son los correspondientes al piezómetro de la red del IGME. Como se observa en la figura 45 se localiza próximo a los pozos de inyección. el programa registra en un fichero los valores de temperatura obtenidos a lo largo del tiempo en el piezómetro. Por lo tanto. De esta manera. Se guardan los datos en un archivo tipo X. Para ello. con las coordenadas y a la profundidad de 32 metros del piezómetro del IGME P-7 Aragonia. El diagrama que resulta del registro de la temperatura en el piezómetro tras la simulación con el programa es el de la figura 46 y muestra los valores de temperatura obtenidos en el piezómetro a lo largo de los veinte años de la simulación. será éste el periodo que se empleará en la comparación. y se extraen los datos correspondientes al mismo periodo de tiempo que tenemos en los datos medidos. Figura 46: Diagrama de temperatura tras simulación en el piezómetro. es decir. Los datos que se disponen de temperatura medida en el piezómetro comienzan en septiembre de 2010 y llegan hasta noviembre de 2012. antes de la simulación se introduce en el programa un archivo de tipo Shapefile. . 0 Temperaturas [̊C] 18. y el calentamiento de abril a diciembre.9ºC. o no. Pero tras la comparación entre los medidos y los resultados se vio que no era realista. Específicamente. (Fuente: elaboración propia) . ambos inclusive.6ºC y 22. Comparación de las temperaturas medidas frente a las simuladas con el programa 24.8ºC.0 22. respectivamente. El resultado de la comparación de las temperaturas medidas y las simuladas por el programa en el piezómetro se muestra en la figura 47.6ºC y 20. los reales. a 14.65 Así se podrán comparar los datos medidos en el piezómetro.0 Tmedida 16. Inicialmente se dedujo que el enfriamiento del acuífero se producía de noviembre a marzo. con los valores obtenidos con el programa en el piezómetro.0 Tsimulada Figura 47: Gráfico de comparación de las temperaturas medidas frente a las simuladas. a 14. respectivamente. y que el calentamiento se producía de abril a octubre.0 12. y por tanto la calidad de la misma.0 14. y se concluirá si la simulación es coherente. Y en el caso de haber introducido algún dato deducido se puede repetir la simulación hasta encontrar el dato que mejor se ajuste a la realidad. tras varias pruebas se llegó que el enfriamiento en el acuífero se produce de enero a marzo.0 20. con la realidad. en el presente proyecto se dedujo una serie temporal de temperaturas de inyección. es decir. por lo que. ya que no se dispone de ese dato. o que tuviera una demanda muy baja. no se comprenden esas temperaturas medidas. Una posible explicación. se realizó mediante una serie temporal de elaboración propia. y en la ciudad de Zaragoza se alcanzan temperaturas muy por encima esa temperatura. es que la introducción de los datos.66 Como se ve en la figura durante el año 2010 y la mayoría del 2011 la calibración es aceptable. teniendo en cuenta. . En conclusión. y que se ajusta bastante bien. así se explica que exista mayor variación en las temperaturas medidas. y que el sistema geotérmico se emplea según la demanda. Si se observa más detenidamente. De esto surgen las diferencias entre los datos medidos y los simulados. teniendo en cuenta que la serie temporal es periódica. la simulación es coherente. el sistema geotérmico en ese periodo inyecta a mayor temperatura. En cambio. ya que no se dispone de los datos reales de la temperatura de inyección en el acuífero. en el año 2012 las temperaturas medidas son inferiores a las que resultan del programa. durante los meses de verano las temperaturas medidas están alrededor de 20º. es que el sistema geotérmico no estuviera en funcionamiento durante ese periodo. lo que ocurre. que además. que en el caso de la zona de vertido es de 20. observándose una ligera diferencia térmica entre los pozos de captación. es decir.2ºC. La temperatura media va aumentando hasta llegar a un valor máximo. para los pozos de captación y las letras. c y b que corresponden a los pozos de vertido. (Fuente: elaboración propia). . En cuando a las captaciones. y representan las distintas temperaturas de inyección en el acuífero por los cambios de estación. durante los veinte años. Las oscilaciones se deben a las series temporales de temperaturas del agua de inyección previamente introducidas en el programa.8 SIMULACIÓN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO Y TRANSPORTE DE CALOR El programa Feflow® automáticamente genera varias ventanas y diagramas que informan sobre la marcha de la simulación.3ºC.67 6. la temperatura se estabiliza entre los 17. siendo el pozo de captación situado más al sur el que tiene un mayor aumento de la temperatura media.5ºC y los 17. El diagrama de la figura 48. de ahí. Figura 48: Diagrama temperatura media tiempo transcurrido en los pozos de inyección y captación. las letras a y d. muestra la evolución de la temperatura media en cuatro puntos del dominio con el transcurrir del tiempo. Se representan las series temporales de cada pozo. la relación de crecimiento del paso del tiempo es constante. A partir de ese día se observa una gran oscilación debida a los datos en las series temporales impuestas. Figura 49: Diagrama longitud de paso de tiempo-tiempo transcurrido.68 La figura 46 muestra la variación de la longitud del paso de tiempo utilizado por el programa durante la simulación. (Fuente: elaboración propia) Figura 50: Temperatura en 3D al final del periodo de simulación. Hasta el día 12. (Fuente: elaboración propia) . 6ºC. la oscilación térmica vertical observada está comprendida entre 19 y 16ºC. es decir de la 27 a la 31. presenta una forma aproximadamente radial.9 y 22.6ºC a 19. en la base del modelo trimensional. se extraen varias observaciones. La vista en planta se puede apreciar mucho mejor en la figura en dos dimensiones. . y de 4.6ºC. . La figura 51 muestra la vista en planta de la “slice” 32. la segunda pauta que se observa. ya que el nivel piezométrico se encuentra en la “slice” 31. verticalmente. Entonces. En esta zona. . el salto térmico tras veinte años será de 5º en del pozo C-8.A partir de la “slice” 24.6ºC.La pluma térmica que se produce.En cuanto a los pozos de captación. . tiene lugar en el pozo situado más al sur (C-8). 22.8ºC). (en el otro pozo (C-9) la temperatura máxima es 18. La temperatura máxima en los pozos de captación.6ºC a 18. pues se encuentra ligeramente más próximo a la inyección. donde se aprecia mejor la pluma térmica que se produce tras veinte años de explotación del sistema geotérmico. transcurridos los veinte años de explotación del sistema geotérmico.2ºC en el pozo C-9. figura 50. concretamente en las “slices” donde se introdujo la inyección. se debe a que la pluma se origina en las zonas adyacentes a los pozos de inyección. sino que se ven afectadas las “slices”. La primera. desde la 32 (la base) hasta la 24 (tres metros por encima de la inyección). generándose una especie de cuña de térmica de entre 8 a 10 metros. en las inmediaciones de los pozos de inyección. la temperatura se reduce gradualmente hasta alcanzar 17. con origen en los pozos de inyección y dónde se puede intuir que tiene continuidad aguas abajo del bloque de estudiado.9ºC. . de 14. que es donde se alcanza la temperatura máxima. pues es donde se realiza la captación. vista en planta. siendo este comportamiento de la pluma térmica.69 De la vista en tres dimensiones.Verticalmente el comportamiento de la pluma de calor sigue dos pautas. de 14. 19. no sólo se ven afectadas las “slices” correspondientes a la inyección.8ºC.7ºC en la slice 1 (azul claro). Las temperaturas máximas en la captación se presentan en las “slices” 31 y 32. con lo que. como era de esperar. es donde se alcanzan las temperaturas más altas entre 22. Por otra parte se produce un ascenso gradual y radial de la temperatura en las inmediaciones de los pozos de inyección. Queda por lo tanto demostrado que el acuífero se ve afectado térmicamente y que además se produce interferencia térmica. las temperaturas de la inyección también varían y es por ello por lo que se forman los pulsos. . se producen y repiten periódicamente una serie de pulsos térmicos en el acuífero. A los 126 días (3meses y medio). a lo largo de los veinte años de la simulación. Estos pulsos son debidos a las variaciones térmicas que resultan al inyectar el agua en el acuífero directamente tras el intercambiador de calor. Figura 52: Corte transversal temperatura por los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). Como se puede observar en los distintos cortes transversales para diferentes pasos de tiempo.70 Figura 51: vista en planta de la “slice”32 tras la simulación de 20 años. pues también se llegan a ver afectados térmicamente los pozos de captación. (Fuente: elaboración propia). Como a lo largo del año se producen cambios estacionales. Figura 53: Corte transversal temperatura por los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). A los 1158 días (alrededor de 3 años). Figura 54: Corte transversal temperatura por los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). .71 A los 382 días (trascurrido un año). Figura 56: Corte transversal temperatura por los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). A los 5466 días (cerca de 15 años). . Figura 55: Corte transversal temperatura por los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia).72 A los 2961 días (alrededor de 8 años). 73 A los 7300 días (a los 20 años). . Figura 57: Corte transversal temperatura por los pozos de captación e inyección (Fuente: elaboración propia). sino que afectaría a la propia instalación del sistema geotérmico. un aljibe para que el agua no pase directamente al acuífero y pueda inyectarse de nuevo al acuífero a una menor temperatura. aunque muy exigente en cuanto al número y formato de los datos. El programa Feflow es un programa con una interfaz “amigable”. Una dificultad añadida es que no existe versión . si continúa aumentando el salto térmico podría suponer el fin de la propia instalación. Éstos son saltos térmicos importantes y para los que se han de buscar soluciones. La pluma de calor en dirección a los pozos de captación comienza a estabilizarse transcurridos ocho años de funcionamiento del sistema geotérmico. o incluso. Ya que si se cambia la ubicación de los pozos de captación se soluciona la interferencia. ya que no sólo afectan a la composición química del acuífero. o bien.2ºC para el pozo C-9. sino que además se produce autointerferencia térmica. Además. estudiar la posibilidad de emplear. y 4. o bien. e incluso ver si afecta a otros aprovechamientos de la ciudad de Zaragoza.74 7 CONCLUSIONES Mediante la simulación de flujo y transporte de calor que se ha realizado para este aprovechamiento se llega a la conclusión de que no sólo resulta afectado el acuífero térmicamente. que es 5ºC para el pozo C-8. y aproximadamente a los 71m del pozo de inyección. Por lo que resultaría muy interesante desarrollar una nueva simulación abarcando una mayor superficie y observar la dimensión total de la pluma de calor. teniendo que redimensionar toda la instalación. se observa que se producen pulsos térmicos provocados por la variación de la temperatura de la inyección a lo largo del año. Los resultados de la simulación muestran los saltos térmicos finales en los pozos de captación. La afección térmica del acuífero se produce gradual y radialmente desde los pozos de inyección. alejar los pozos de captación de los de inyección una distancia mínima de cien metros. Prácticamente desde el comienzo de la explotación geotérmica se origina una pluma de calor que afecta a los pozos de captación. pero aguas abajo no se puede estimar hasta donde llega la afección térmica. Se recomienda para este caso concreto. ya que continuaría más allá del modelo tridimensional realizado. Por otra parte. para realizar esta operación. por una parte. [11] Aunque quizá la mejor alternativa sería efectuar una combinación de ambas. pero no la afección térmica del acuífero. para evitar la autointerferencia térmica. emplear una enfriadora. por lo que hay que ser muy cuidadoso con los resultados de la simulación y verificar que la solución es la correcta. ya que se capta agua del acuífero y se inyecta de nuevo en el mismo. el programa solicita este dato según una serie temporal. durante el verano de 2011. En la siguiente figura se muestra las temperaturas medidas y el nivel piezométrico medido en el piezómetro de la red del IGME. es que en ocasiones no da ninguna sugerencia ni indicación del porqué la simulación no converge. pero en las manos de alguien inexperto. e incluso todos los manuales del mismo están en inglés. Por lo tanto.75 en castellano ni de la interfaz. El hecho de que se puedan visualizar distintas vistas (2D o 3D). el registro de datos durante la explotación del caudal y de temperatura tanto de la inyección como de la captación y de todos los datos de parámetro. son excelentes. teniendo en cuenta el registro de estos datos. o el motivo por el cual no funciona adecuadamente. de perfil. cortes transversales e incluso realizar una película de la simulación. el sistema geotérmico se emplea según la demanda de climatización y sin embargo. Como ya se ha indicado anteriormente. y sin considerar lo dicho anteriormente. tanto matemático como hidrogeológico. como se observó en la calibración del programa del presente proyecto. el programa es muy exigente en cuanto a los datos. En general. Al tratarse éste de un aprovechamiento geotérmico de tipo abierto. como matemático e hidrogeológico. Quizá este es un inconveniente que “a priori” no parezca importante. o que no tenga el conocimiento. Se observa un descenso acusado de nivel piezométrico. y que no se ha considerado en la simulación del . es imprescindible exigir el registro de los mismos. Las oscilaciones de la gráfica se deben a la variación del nivel piezométrico. En el caso concreto de los datos de temperatura y caudal de inyección. puede llevar a una interpretación errónea de la simulación. los resultados que se obtienen del programa al realizar una simulación. en planta. parece imprescindible de cara al control y monitorización del sistema y para dar el visto bueno para la concesión. tanto cuantitativa como cualitativamente. hacen que el programa resulte todavía más atractivo. pues generalmente. la simulación se ajustaría mucho mejor a la realidad. Otro inconveniente que se le puede achacar al programa. tanto desde el punto de vista gráfico. para el que no se tiene explicación. exigir como requerimientos: datos de nivel topográfico georreferenciado y de los niveles de las rejillas. ni del programa. y puede resultar un impedimento a la hora de decidir invertir en este tipo de energía. sino que sería importante ampliar la zona de estudio y ver las afecciones de otros sistemas geotérmicos u otras posibles afecciones.m.n. no sólo estudiar el aprovechamiento geotérmico a nivel local. y éstas en ocasiones tienen una normativa energética propia. y así ya desde el inicio se buscarían las soluciones al impacto térmico. Inicialmente incrementaría el coste del proyecto pero se aseguraría una mayor vida útil del sistema. De este modo variarían las condiciones de contorno impuestas en el presente proyecto. como se realizó en este proyecto.] 200 199 18 16 198 Nivel piezo… 14 197 12 jul-10 ago-10 oct-10 dic-10 mar-11may-11 jul-11 sep-11nov-11ene-12mar-12may-12 jul-12 sep-12nov-12ene-13 Figura 58: Gráfico de temperatura y de nivel piezométrico medidos en el piezómetro. También resultaría muy práctica e interesante la exigencia de estimar el balance térmico antes de la concesión. Piezómetro IGME P-7: Aragonia 201 24 22 Cota piezométrica [m s. al realizar un modelo de mayor tamaño. La normativa española es compleja y confusa puesto que no existe una legislación estatal específica para este tipo de aprovechamientos. las condiciones de contorno serían más afines a las reales. sería importante.76 presente proyecto Por ello. que calidad y cantidad de los datos son directamente proporcionales a la calidad de la simulación. De esto se deduce. como ya se realiza en algunos países europeos. Es decir. por lo que en materia legal la Temperatura [ºC] 20 . (Fuente: Eduardo Garrido). La mayor complejidad se produce por que las competencias en materia energética están cedidas a las Comunidades Autónomas. y el órgano competente para la realización de sondeos. Es por ello que la utilización de este tipo de aprovechamientos en la ciudad de Zaragoza es pionera. se debería realizar un esfuerzo por parte del Estado en la creación de un marco regulador específico. Por otra parte han de consultarse dos organismos distintos. En mi opinión. Y por tanto la energía geotérmica de muy baja temperatura jugará un papel clave en el campo de las energías renovables. se encuentran en fase de desarrollo y de mejora de confianza. se estima que en un periodo de cuatro años se habrá recuperado la inversión inicial. el órgano competente en materia de aguas. muy probablemente. y en este sentido. y concretamente los sistemas abiertos. pues simplificaría los trámites. la Administración Pública podría jugar un papel determinante en el establecimiento y difusión de este tipo de instalaciones. . estos sistemas se han de aplicar a inmuebles con un elevado gasto energético. Aunque la puesta en marcha de estos sistemas supone un coste de inversión elevado. aproximadamente el doble de una instalación clásica de calefacción y refrigeración. puesto que para maximizar su rentabilidad. Si además se tiene en cuenta el continuo incremento del precio de la energía eléctrica y de los combustibles fósiles. podemos concluir que la energía geotérmica se situará en una posición claramente ventajosa frente a las convencionales. La inversión en el desarrollo de estudios como el presente. lo que complica aún más todos los trámites burocráticos para la obtención del permiso de explotación. Esta práctica permitiría acercar esta nueva tecnología a la ciudadanía. como podrían ser ministerios y edificios públicos o grandes empresas. al poder extrapolar toda esta información en la implantación de estos sistemas en otros lugares. y establecería las bases para una adecuada explotación de la geotermia. se convierta en un referente nacional de este tipo de energía. Desde mi punto de vista. En España los sistemas geotérmicos de muy baja temperatura.77 tramitación puede variar de unas Comunidades Autónomas a otras. compensa tanto a corto plazo como a largo plazo. dado el bajo coste de mantenimiento asociado a estas instalaciones [9]. GARRIDO SCHNEIDER. Congreso Ibérico de las Aguas Subterráneas.. “Aprovechamiento geotérmico somero del acuífero aluvial urbano de Zaragoza: primeros resultados”. Eduardo... 2008. [4]. AIH-GE. Instituto Geológico y Minero de España. Hidrogeología y Recursos Hidráulicos. GARRIDO SCHNEIDER. Eduardo.2011: desafíos de la gestión para el siglo XXI.. et al. MORENO MERINO. Ángel. El caso de la ciudad de Zaragoza”. 257-266. “Hidrogeología Urbana de Zaragoza”. y AZCÓN Antonio. [2]. XXVIII. I Congreso de Energía Geotérmica en la Edificación y la Industria. Directiva Europea 2000/60/CE de 23 de octubre de 2000 por la que se establece un marco comunitario de actuación en el ámbito de la política de aguas. Luis. GARRIDO SCHNEIDER. .78 8 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1]. GARCÍA DE LA NOCEDA. Eduardo. Eduardo. 2008. 2008. y COLOMA Pablo. GARRIDO SCHNEIDER. Madrid.. [6]. SÁNCHEZ NAVARRO. [5]. Luis et al. 2010 Geogaceta 49.Madrid. “Caracterización del medio hídrico subterráneo en la ciudad de Zaragoza y su entorno”. MORENO MERINO. “Evaluación del impacto térmico de los aprovechamientos geotérmicos someros del acuífero aluvial urbano de Zaragoza”. 119122 [3]. “Implicaciones hidrogeológicas de la utilización de los acuíferos por los pozos de climatización. José. Carlos. 65-74. GARRIDO SCHNEIDER. GARRIDO.M.). IGME. 2009..2008. Hacia un crecimiento sostenible”. Guillermo. Serie Hidrogeología y Aguas Subterráneas . . RODRIGO ANGULO. Proyecto Fin de Carrera. Fundación de la Energía de la Comunidad de Madrid.79 [7]. “Guía Técnica de Sistemas Geotérmicos Abiertos”. 64-69. SÁNCHEZ NAVARRO. [11]. Madrid [10]. [9].P. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid (U. Vicente. RUIZ DELGADO. Adrián. 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Pablo. por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Evaluación de Impacto Ambiental. . [20]. R. 1751/1998 de 31 de julio. R. Directiva Europea 2009/28/CE. Real Decreto 47/2007 de 19 de enero. Directiva Europea 2002/91/CE relativa a la eficiencia energética de los edificios. 1027/2007 de 20 de julio. se basa en la necesidad de trasponer la Directiva Europea 2002/91/CE. R. declarando el recurso geotérmico un recurso de la sección D. Legislativo 1/2001. y las Leyes de Evaluación Ambiental de la Comunidad autónoma. D. R.80 [13]. [18]. de 20 de julio. [15]. por el que se aprueba el Reglamento General de la Minería. [14]. 2857/1978. D. . modificando y derogando así el reglamento vigente en España aprobado en el R. [21]. nacido para llevar a cabo la Directiva Europea 2002/91/CE.D. en la que la energía geotérmica resulta caracterizada explícitamente como fuente de energía renovable. por el que se aprueba el Texto Refundido de la Ley de Aguas y el Reglamento del Dominio Público Hidráulico. de 25 de agosto. [17]. Legislativo 1/2008. [19]. 863/1985. D. Ley 22/1973 de 21 de julio. de 2 de abril. D. R. de 11 de enero. por el que se aprueba el Reglamento General de Normas Básicas de Seguridad Minera. [16]. D. BAQUERO ÚBEDA. “Analysis and modeling of coupled thermohydro-mechanical phenomena in 3D fractured media = Análisis y modelización de fenómenos acoplados termo-hidro-mecánicos en medio fracturado. Primera edición.” Tesis. GmbH. Carlos.P. CAÑAMÓN VALERA. [23].M. Proyecto Fin de Carrera . [24]. “Modelización de flujo y transporte en aguas subterráneas. New York.2006.G.P. DHIWASY Software. HIDALGO LÓPEZ. PERROCHET. S. Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid (U.I”. P. 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SIMULACIÓN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN APROVECHAMIENTO GEOTÉRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONÓMICO . a excepción de los costes de personal.85 1 COSTES DE EJECUCIÓN DEL PROYECTO El estudio económico por tratarse de un proyecto de investigación y aplicación científica se centra en la valoración de los gastos derivados de la realización simulación numérica. teniendo conocimientos en modelización y del software que se utilizará en el proyecto. y que junto con el ingeniero sénior interpretará los resultados obtenidos en el estudio. encargado de la puesta en marcha del código empleado. Administrativo/a: para la formalización de documentos. 1. que están exentos. de la recogida de datos. Coste (€/hora) Ingeniero/a superior sénior Ingeniero superior junior Administrativo 70 14 8 Tiempo(horas) 100 990 5 SUBTOTAL Coste total (€) 7 000 13 800 40 20 840 Tabla 7: Costes de Personal (Fuente: elaboración propia). objetivos a alcanzar. Le corresponden tareas de acotación del trabajo. Ingeniero/a superior junior: será el responsable del proyecto. asesoramiento teórico e interpretación de los resultados obtenidos.1 COSTE DE PERSONAL El personal requerido para la realización del presente proyecto lo compondrán: Ingeniero/a superior sénior: será el encargado de dirigir el proyecto. Todos los costes calculados incluyen el 21% de impuestos de valor añadido (IVA). supervisión. . 2 .25 0.86 1. Evaluando unos costes de software utilizado para una vida útil de 6000 horas: Precio(€) Microsoft office 2010® Feflow® ArcGis® 170 7300 24000 Amortización(h) 0. Con respecto al software empleado. Y el programa empleado en la simulación numérica: Feflow®. Coste(€) 4 805. impresora y el software propio del sistema informático. también es difícil estimar el coste de licencias por la misma causa que los equipos informáticos.2 COSTE DE RECURSOS MATERIALES 1.22 4 Utilización(h) 130 660 200 SUBTOTAL Tabla 9: Amortización y coste del software (Fuente: elaboración propia).2 800 1 609. el sistema operativo Windows 7 y el paquete de programas Microsoft office 2010. También se han empleado programas como de los específicos para la realización de los mapas (ArcGIS®). Estimando unos costes de los equipos para una vida útil de 6000 horas: Precio(€) Ordenador Portátil Impresora 1500 2000 180 Amortización(€/h) Utilización(h) 0.33 0.03 290 700 40 SUBTOTAL Coste(€) 73 231 1 305 Tabla 8: Amortización y coste de los equipos informáticos (Fuente: elaboración propia). El material informático requerido ha sido un ordenador personal.1 Material informático El material informático utilizado fue puesto a disposición del proyecto por parte del IGME (Instituto Geológico y Minero de España).03 1. por lo que la valoración de los costes es complicada.2. es decir. 2. tales como discos.2 Material fungible Se incluyen en este apartado todos los conceptos de papelería y material de utilización en equipos informáticos.2 Tabla 10: Costes material informático (Fuente: elaboración propia). viajes a la zona de estudio. Coste (€) Gastos documentación Viajes Gastos sin justificar SUBTOTAL 40 1 000 20 1 060 Tabla 12: Costes recursos materiales (Fuente: elaboración propia).87 Ascendiendo el coste de material informático total: Coste (€) Equipos informáticos Licencias software SUBTOTAL 305 1 609.2 1 914. . 1.2. etc… Coste (€) Material fungible SUBTOTAL 120 120 Tabla 11: Costes material fungible (Fuente: elaboración propia). 1.3 Gastos varios Se incluyen una serie de gastos como son: obtención de la documentación. y partidas de gastos sin justificar. reparaciones. etc…. .2 23 934.88 El coste de recursos materiales total: Coste (€) Material informático Material fungible Gastos varios SUBTOTAL 1 914.55 5 983. Coste (€) Costes generales y gastos totales SUBTOTAL 5 983. 1.55 Tabla 15: Costes generales y gastos totales (Fuente: elaboración propia). 1. en este proyecto han sido estimados en un 25% de los costes evaluados anteriormente.4 COSTES GENERALES Y GASTOS TOTALES Los costes generales. mantenimiento. que incluyen partidas como suministros.2 Tabla 13: Costes recursos materiales (Fuente: elaboración propia). gastos financieros.2 120 1 060 3 094.2 Tabla 14: Costes parciales (Fuente: elaboración propia).3 COSTES PARCIALES Coste (€) Personal Recursos materiales SUBTOTAL 20 840 3 094. 89 1.55 29 917.75 €.5 COSTE TOTAL DEL PROYECTO Con todas las partidas establecidas hasta el momento se obtiene un coste del proyecto estimado en: Coste (€) Costes Parciales Costes generales y gastos totales TOTAL 23 934. Por tanto.2 5 983. el coste total de este proyecto asciende a 29 917.75 Tabla: 16 Coste total (Fuente: elaboración propia). .