ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS

Titulacin: INGENIERO GELOGO

PROYECTO FIN DE CARRERA

DEPARTAMENTO DE INGENIERA GEOLGICA

SIMULACIN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN APROVECHAMIENTO GEOTRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA

EVA RIVAS POZO

DICIEMBRE 2012

TITULACIN: INGENIERO GELOGO

Autorizo la presentacin del proyecto SIMULACIN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN APROVECHAMIENTO GEOTRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA

Realizado por Eva Rivas Pozo

Dirigido por Francisco Javier Elorza Tenreiro

Firmado: Francisco Javier Elorza Tenreiro Fecha:.

NDICE
RESUMEN Y ABSTRACT...VI

DOCUMENTO 1 MEMORIA

1 2

OBJETIVOS Y ALCANCE ................................................................................... 2 ANTECEDENTES .................................................................................................. 3 2.1 SITUACIN Y DESCRIPCIN DE LA REGIN DE ESTUDIO ................. 4 2.1.1 Situacin de la regin de estudio.................................................................. 4 2.1.2 Marco Geolgico ............................................................................................ 5 2.1.3 Caractersticas Hidrogeolgicas................................................................... 7 2.2 ESTUDIOS ANTERIORES ................................................................................. 8

GEOTERMIA........................................................................................................ 10 3.1 DEFINICIN ...................................................................................................... 10 3.2 CLASIFICACIN DE LA ENERGA GEOTRMICA ................................ 10 3.2.1 Clasificacin de la energa geotrmica ...................................................... 11 3.3 GEOTERMIA DE MUY BAJA ENTALPA 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 ENERGA GEOTRMICA EN EL MUNDO Y EN ESPAA ...................... 19 3.5 MARCO LEGAL Y NORMATIVA APLICABLE ......................................... 21

EL PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLGICO ....................................... 23 4.1 CARACTERIZACIN DE LAS AGUAS SUBTERRNEAS ....................... 23 4.2 FORMULACIN PROBLEMA DE FLUJo HIDROGEOLGICO ............ 24 4.2.1 Ley de Darcy ................................................................................................ 25 4.2.2 Principio de continuidad............................................................................. 26 4.2.3 La ecuacin fundamental del flujo ............................................................ 26 4.3 RESOLUCIN MATEMTICA: MTODO DE ELEMENTOS FINITOS 26

MODELO DE TRANSPORTE DE CALOR ...................................................... 30 5.1 TRANSFERENCIA DE CALOR ...................................................................... 30 5.1.1 Propiedades trmicas del suelo .................................................................. 30 I

5.1.2 Mecanismo de transferencia del calor ....................................................... 31 5.2 FORMULACIN DEL PROBLEMA DE TRANSPORTE DE CALOR ..... 32 5.3 RESOLUCIN MATEMTICA: MTODO DE ELEMENTOS FINITOS 33 6 MODELO DE FLUJO CON EL PROGRAMA FEFLOW ........................... 35 6.1 EL PROGRAMA ................................................................................................ 35 6.2 MODELO CONCEPTUAL................................................................................ 37 6.3 DATOS DE ENTRADA DEL MODELO ......................................................... 41 6.3.1 Geometra y mallado ................................................................................... 41 6.3.2 Configuracin del problema ....................................................................... 47 6.3.3 Parmetros del modelo ............................................................................... 48 6.4 SIMULACIN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO ................... 54 6.5 TRANSPORTE DE CALOR ............................................................................. 58 6.5.1 Configuracin del problema ....................................................................... 58 6.6 DATOS DE ENTRADA EN TRANSPORTE DE CALOR ............................. 58 6.6.1 Condiciones iniciales ................................................................................... 58 6.6.2 Condiciones de contorno............................................................................. 61 6.6.3 Propiedades de los materiales .................................................................... 61 6.7 DATOS DE REFERENCIA: CALIBRACIN ................................................ 63 6.8 SIMULACIN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO Y TRANSPORTE DE CALOR .................................................................................... 67 7 8 CONCLUSIONES ................................................................................................. 74 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................ 78

DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO 1 COSTES DE EJECUCIN DEL PROYECTO ................................................. 85 1.1 COSTE DE PERSONAL .................................................................................... 85 1.2 COSTE DE RECURSOS MATERIALES ........................................................ 86 1.2.1 Material informtico ................................................................................... 86 1.2.2 Material fungible ......................................................................................... 87 1.2.3 Gastos varios ................................................................................................ 87 1.3 COSTES PARCIALES ....................................................................................... 88 1.4 COSTES GENERALES Y GASTOS TOTALES ............................................ 88 1.5 COSTE TOTAL DEL PROYECTO ................................................................. 89

II

NDICE DE FIGURAS

DOCUMENTO 1: MEMORIA Figura 1: Distribucin del comienzo de la explotacin geotrmica 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: Distribucin de lneas isopiezas (m.s.n.m) en aguas altas (septiembre) deducidas de un modelo de flujo. (Fuente: elaboracin propia). ....................................................................... 7 Figura 5: Variacin del gradiente geotrmico en el subsuelo. (Fuente: efitek geotermia). ....... 12 Figura 6: Captacin horizontal y vertical (Fuente: Hala Gerodur/CHYN. Gothermie. LUtilisation de la chaleur terrestre.Suisse nergie). ................................................................. 14 Figura 7 Cimentaciones termoactivas (Fuente: Groen energy y www.Gquierosereco.com). .... 14 Figura 8: Esquema de un sistema ASET-A (Fuente: Gua Tcnica de Sistemas Geotrmicos Abiertos). ..................................................................................................................................... 16 Figura 9: Esquema de un sistema geotrmico abierto de recirculacin (Fuente: Gua Tcnica de Sistemas Geotrmicos Abierto). ............................................................................................. 17 Figura 10: Produccin de calor ao 2000 (Fuente: Site Geothermie-Perspectives de lADEME et du BRGM) ............................................................................................................................... 19 Figura 11: Mapa de zonas geotrmicas en Espaa (Fuente: IGME). ........................................ 20 Figura 12: Esquema de la discretizacin espacial que realiza el programa Feflow (Fuente: White papper 1) ........................................................................................................................... 27 Figura 13: Aprovechamientos geotrmico y piezmetros en la ciudad de Zaragoza. (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 37 Figura 14: Regin de estudio (en rojo) (Fuente: elaboracin propia). ...................................... 38 Figura 15: Sistema geotrmico Aragonia e isopiezas. (Fuente: elaboracin propia). ............... 38 Figura 16: Esquema fronteras de flujo de la regin de estudio (Fuente: elaboracin propia).. 39 Figura 17 Esquema de las unidades hidro-estratigrficas (Fuente: elaboracin propia). ........ 40 Figura 18: Imagen inicial de los archivos importados desde ArcGIS en Feflow. (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 42 Figura 19: Supermesh (Fuente: elaboracin propia)............................................................. 42 Figura 20: Propiedades del generador de malla Gridbuilder (Fuente: elaboracin propia).r . 43 Figura 21: Malla realizada en Feflow de 1000 elementos (Fuente: elaboracin propia). ..... 44 Figura 22: Detalle de la malla realizada (Fuente: elaboracin propia). ................................... 45 Figura 23: Ventana del configurador 3D (Fuente: elaboracin propia). .................................. 45 Figura 24: Vista en 3D del bloque de 32 capas (Fuente: elaboracin propia). ......................... 46 Figura 25: Bloque de 32 capas con relieve topogrfico (Fuente: elaboracin propia). ............ 47 Figura 26: Panel de Datos Data Panel (Fuente: elaboracin propia). ................................. 48 Figura 27: Piezometra inicial (Fuente: elaboracin propia). ................................................... 49 Figura 28: Condiciones de contorno de flujo (Fuente: elaboracin propia). ............................ 50 Figura 29: Pozos de captacin e inyeccin en funcionamiento (Fuente: elaboracin propia). . 51 Figura 30: Recarga (Fuente: elaboracin propia). .................................................................... 52 Figura 31: Conductividad hidrulica o Permeabilidad (Fuente: elaboracin propia). ............. 53

III

Figura 32: Porosidad eficaz (Fuente: elaboracin propia). ...................................................... 53 Figura 33: Diagrama error e iteraciones (Fuente: elaboracin propia). .................................. 54 Figura 34: Corte transversal del nivel piezomtrico (Fuente: elaboracin propia). ................. 55 Figura 35: Nivel piezomtrico en 3D (Fuente: elaboracin propia). ......................................... 55 Figura 36: Presin (Fuente: elaboracin propia). ..................................................................... 56 Figura 37: Balance hdrico (Fuente: elaboracin propia). ........................................................ 57 Figura 38: Temperatura inicial (Fuente: elaboracin propia). ................................................. 59 Figura 39: Diagrama de serie temporal (Fuente: elaboracin propia). .................................... 60 Figura 40: Detalle de temperatura en los pozos (Fuente: elaboracin propia). ........................ 60 Figura 41: Condiciones de contorno de temperatura (Fuente: elaboracin propia). ................ 61 Figura 42: porosidad (calor) (Fuente: elaboracin propia). ..................................................... 62 Figura 43: Dispersin longitudinal (Fuente: elaboracin propia). ........................................... 62 Figura 44: Dispersividad transversal (Fuente: elaboracin propia). ........................................ 63 Figura 45: Situacin del piezmetro del IGME (Fuente: elaboracin propia) .......................... 63 Figura 46: Diagrama de temperatura tras simulacin en el piezmetro. (Fuente: elaboracin propia). ........................................................................................................................................ 64 Figura 47: Grfico de comparacin de las temperaturas medidas frente a las simuladas. (Fuente: elaboracin propia) ...................................................................................................... 65 Figura 48: Diagrama temperatura tiempo transcurrido en los pozos de inyeccin. (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 67 Figura 49: Diagrama longitud de paso de tiempo-tiempo transcurrido. (Fuente: elaboracin propia) ......................................................................................................................................... 68 Figura 50: Temperatura en 3D. (Fuente: elaboracin propia) .................................................. 68 Figura 51: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 70 Figura 52: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 71 Figura 53: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 71 Figura 54: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 72 Figura 55: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 72 Figura 56: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia). ..................................................................... Error! Marcador no definido. Figura 57: Corte transversal temperatura de los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia). ................................................................................................................... 73 Figura 58: Grfico de temperatura y de nivel piezomtrico medidos en el piezmetro. (Fuente: Eduardo Garrido). ...................................................................................................................... 76

IV

NDICE DE TABLAS

DOCUMENTO 1: MEMORIA Tabla 1: Parmetros hidrogeolgicos considerados en el proyecto. (Fuente: elaboracin propia). ........................................................................................................................................ 24 Tabla 2: Propiedades materiales para el calor (Fuente: elaboracin propia). ......................... 31 Tabla 3: Caudales de captacin o extraccin (Fuente: elaboracin propia). ............................ 50 Tabla 4: Caudales de inyeccin o vertido (Fuente: elaboracin propia). .................................. 51 Tabla 5: Parmetros hidrogeolgicos considerados en el proyecto (Fuente: elaboracin propia). ........................................................................................................................................ 52 Tabla 6: Propiedades trmicas. (Fuente: elaboracin propia) ................................................. 61 Tabla 7: Costes de Personal (Fuente: elaboracin propia). ...................................................... 85 Tabla 8: Amortizacin y coste de los equipos informticos (Fuente: elaboracin propia). ....... 86 Tabla 9: Amortizacin y coste del software (Fuente: elaboracin propia). ............................... 86 Tabla 10: Costes material informtico (Fuente: elaboracin propia). ...................................... 87 Tabla 11: Costes material fungible (Fuente: elaboracin propia). ............................................ 87 Tabla 12: Costes recursos materiales (Fuente: elaboracin propia). ........................................ 87 Tabla 13: Costes recursos materiales (Fuente: elaboracin propia). ........................................ 88 Tabla 14: Costes parciales (Fuente: elaboracin propia). ........................................................ 88 Tabla 15: Costes generales y gastos totales (Fuente: elaboracin propia). .............................. 88 Tabla: 16 Coste total (Fuente: elaboracin propia). .................................................................. 89

RESUMEN Y ABSTRACT

Resumen El proyecto aqu presentado realiza un estudio de los problemas de flujo y transporte por aguas subterrneas. Matemticamente, tanto el problema de flujo como de transporte se resuelven mediante el mtodo de elementos finitos. Primero se resuelve el problema de flujo en rgimen estacionario y a posteriori, y sobre ste, se resuelve el problema de transporte de calor. El cdigo que se emplea para este fin es el Feflow. Este programa proporciona una serie de representaciones grficas y numricas del problema. Este proyecto nace de la necesidad de estudiar la evolucin trmica del acufero aluvial urbano en Zaragoza, pues ste ha sufrido un aumento de su temperatura debido a los distintos aprovechamientos geotrmicos que existen en la ciudad. Con su aplicacin se pretende apoyar el diseo y la implementacin de tcnicas de remediacin para la problemtica actual, as como recomendaciones de seguimiento y control con el fin de asegurar y alargar la vida de los aprovechamientos geotrmicos instalados.

Abstract The project presented here made a study of the problems of flow and transport by groundwater. Mathematically, both the problem of flow and transport are solved by the finite element method. First, solve the problem of flow in stationary regime and "a posteriori" and on this to solve the problem of heat transport. The code that is used for this purpose is Feflow. This program provides a number of graphical and numerical representations of the problem. This project stems from the need to study the thermal evolution of the urban alluvial aquifer in Zaragoza, as this has suffered an increase in temperature due to the various geothermal exploitation that exist in the city. 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.

VI

AGRADECIMIENTOS
En primer lugar me gustara darle mi ms sincero agradecimiento a Patxi, primero por confiar en m, segundo porque a pesar de estar muy ocupado siempre ha sacado un hueco para atenderme y ayudarme y tercero, y sobre todo, por los muchos nimos y consejos. Me gustara agradecer tambin a todo el personal del IGME, en concreto al departamento de aguas. A Jos Antonio de la Orden, a Leticia, a Ricardo, a Antonio Azcn, y especialmente, a Eduardo Garrido y a Lola. En esta ltima etapa ha habido tres personas que especialmente me han animado, consolado y ayudado, son Laura, Ana, y Marga, muchsimas gracias chicas. Tambin dar las gracias, a los muchos y buenos amigos que me llevo de la Escuela. Por ltimo, y por los que, sin ellos, no hubiera llegado hasta aqu, mi familia, muchas gracias a todos. Mencin especial a mis padres y a mi hermana, gracias por todo, por el apoyo, por los nimos, por la confianza, por el soporte, por el cario y una lista tan larga que no cabe en esta hoja, por todo, siempre os estar agradecida.

VII

SIMULACIN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN APROVECHAMIENTO GEOTRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA

DOCUMENTO 1: MEMORIA

OBJETIVOS Y ALCANCE

El objetivo de la simulacin matemtica es analizar y obtener una representacin espacial y temporal del comportamiento del flujo y de la trasferencia de calor en el acufero aluvial urbano de la ciudad de Zaragoza, donde existen numerosos aprovechamientos geotrmicos. Constituyendo una herramienta que nos muestra tanto la problemtica actual: la interferencia trmica, la autointerferencia y el aumento de temperatura del acufero; como su evolucin en un futuro prximo. Se podrn establecer as medidas de control y seguimiento para que no disminuya el rendimiento de los aprovechamientos, principalmente en cuanto a la refrigeracin (el uso principal) y alargando de esta forma su vida til. As mismo, se podr determinar las afecciones entre aprovechamientos y las zonas que son viables o aprovechamientos geotrmicos. Para llevar a cabo el estudio del comportamiento y evolucin del acufero y su relacin con los aprovechamientos geotrmicos all implantados, se ha empleado el cdigo Feflow. Este programa permite la simulacin del flujo agua subterrnea y del transporte de calor en un acufero mediante el mtodo de elementos finitos. En el presente proyecto se llev a cabo el estudio de un modelo de escala reducida en un aprovechamiento geotrmico especialmente conflictivo desde el punto de vista trmico. Con ello se obtiene, adems de lo citado anteriormente, una mejor compresin de los datos necesarios, del modo en el que el cdigo los asimila y trata, y del manejo del propio programa. Con esto se quiere crear la base para una posterior ampliacin de la simulacin del aprovechamiento geotrmico del acufero aluvial urbano de Zaragoza. no, de albergar nuevos

ANTECEDENTES

La ciudad de Zaragoza se ubica sobre un acufero aluvial que por la mala calidad del agua y la presencia en su composicin de ciertos elementos mayoritarios (cloruros, sulfatos y sodio) y en ocasiones algunos minoritarios, resulta imposible su uso para consumo humano. [1]; [2]. Por lo que el agua del acufero se emplea en la actualidad para: Uso industrial: lavanderas, lavado de coches, procesos industrialesetc. Regado y abastecimiento urbano: riego de parques, zonas verdes, prevencin de incendiosetc. Sistemas geotrmicos de climatizacin de edificios.

Precisamente ste ltimo punto es el de mayor demanda del agua del acufero, y en los ltimos aos ha experimentado una gran expansin.

Figura 1: Distribucin del comienzo de la explotacin geotrmica en Zaragoza (Garrido Schneider, E.2010).

La temperatura en el subsuelo a cierta profundidad, unos 15-20 metros, se mantiene constante a lo largo de todo el ao y por lo tanto tambin la temperatura del agua que contiene, de esta situacin trmica se sirven los aprovechamientos geotrmicos. En este caso los sistemas geotrmicos de climatizacin son de tipo abierto, lo que significa que se extrae el agua directamente del acufero, se pasa por un intercambiador de calor, y posteriormente se devuelve al acufero. Durante el invierno, en sistema de calefaccin,

4 se capta el agua a una temperatura inferior a la que se encuentra en el exterior. El intercambiador de calor, extrae el calor del agua, y el agua que se inyecta de vuelta al acufero est a menor temperatura que la que se extrajo inicialmente. Por el contrario, durante el verano, en sistema de refrigeracin, se extrae agua a una menor temperatura que la del exterior, por lo que tras pasar por el intercambiador de calor, la reinyeccin del agua que se introduce en el acufero se produce a una mayor temperatura de la que exista en el acufero en el momento de la extraccin. De lo anterior se explica, que durante la explotacin de un aprovechamiento geotrmico de tipo abierto, como es el presente, exista una gran variacin de la temperatura del acufero, y se entiende la necesidad de estudiar y comprender el comportamiento del acufero, tanto desde la variacin del nivel piezomtrico, como desde el punto de vista trmico. Por tanto, la simulacin numrica sirve, no slo para el estudio del flujo y el transporte de calor, sino tambin como una herramienta de control y seguimiento. Es por ello, que actualmente, la modelizacin est adquiriendo cada da ms importancia.

2.1 SITUACIN Y DESCRIPCIN DE LA REGIN DE ESTUDIO

2.1.1 Situacin de la regin de estudio La ciudad de Zaragoza es la capital de la provincia homnima y de la Comunidad Autnoma de Aragn. Es la quinta ciudad espaola en poblacin y concentra el 50% de la poblacin de la Comunidad Autnoma de Aragn. Est situada en el centro de la depresin del ro Ebro y donde desembocan dos de sus afluentes: el Gllego y el Huerva. Tambin discurre por la ciudad el Canal Imperial de Aragn. La regin de estudio se encuentra en la margen derecha del ro Ebro, prxima al Canal Imperial de Aragn.

Figura 2: Plano de la ciudad de Zaragoza (modificado de http://www.mapasespana.com/espana/zaragoza/).

2.1.2 Marco Geolgico La ciudad de Zaragoza pertenece a la parte central de la cuenca del ro Ebro. La cuenca se origin durante el plegamiento alpino y su forma se aproxima a un tringulo, donde un lado representara los Pirineos, otro la cordillera Costero-Catalana y el otro lado la Cordillera Ibrica.

Figura 3: Cuenca del Ebro (Fuente: http://conomene6a.wordpress.com/page/8/).

Se origin debido a la colisin de las placas Euroasitica y Africana con la Ibrica, lo que caus la elevacin de los Pirineos y la formacin de la cuenca en el Terciario. La erosin de los nuevos relieves origin la deposicin de los mismos en la cuenca. La actividad tectnica se propici en varios episodios. Primero se fueron intercalando etapas de sedimentacin y subsidencia de la cuenca con otros periodos erosivos. Tras

6 esos episodios, la cuenca pas a ser de tipo endorreico, donde el ambiente sedimentario dominante era de tipo lacustre, y debido a la evaporacin se acumularon grandes potencias de materiales evaporticos (yesos y sales) y carbonatos. Posteriormente la Cuenca se abri hacia el mar Mediterrneo, y debido a la diferencia de altura, entre la cuenca y el mar, se produjo una gran actividad erosiva, eliminando los materiales terciarios depositados anteriormente. Desde entonces y hasta la actualidad se instala el sistema fluvial del Ebro y sus afluentes (Gllego y Huerva), intercalando etapas de sedimentacin de materiales detrticos y etapas de erosin a lo largo del Cuaternario. La alternancia de periodos de acumulacin de sedimentos con otros de denudacin, caus el desarrollo de varios niveles de terrazas y glacis en la cuenca. [3] En conclusin, el sustrato de la cuenca es paleozoico, y sobre ste sustrato se apoya una cobertera muy irregular, mayoritariamente Terciaria (aunque tambin se observan depsitos Mesozoicos). La sedimentacin de la cuenca del Ebro durante el Cuaternario hasta la actualidad, produce el asentamiento de una potencia importante de materiales detrticos sobre la cobertera Terciaria. La acumulacin de gravas, arenas, limos y arcillas, en distintos episodios de erosin y depsito durante el Cuaternario, han dado lugar a las terrazas aluviales del Huerva, del Gllego y principalmente del Ebro. Estas terrazas son las que constituyen el acufero aluvial urbano de Zaragoza. Las dimensiones del conjunto de las terrazas son muy variables, en la margen derecha las terrazas se han escalonado, y la margen izquierda se ha erosionado, por lo que el espesor de la formacin detrtica no es homogneo. Las terrazas del Cuaternario presentan caractersticas litolgicas y granulomtricas comunes. Cantos sub-redondeados a redondeados con dos modas: una de entre 1-5 cm y la otra de 7-12cm. La matriz es mayoritariamente arenosa y en ocasiones cementada con carbonato, y en los depsitos ms antiguos llegan a constituirse una costra de caliche. Pero la litologa predominante son: gravas, arenas, limos y lutitas. [3] El presente proyecto se centra en la formacin acufera, que en este caso se trata de los depsitos Cuaternarios y techo del Terciario y la interaccin entre ellos. El valle que forman los ros Gllego, Huerva y Ebro a su paso por la ciudad de Zaragoza, se encuentra encajado entre relieves terciarios. Las distintas transiciones Terciario-Cuaternario en los lmites de la cuenca producen:

7 El desarrollo de extensos glacis al pie de los relieves Terciarios. Enlaces imperceptibles con los niveles de terrazas del Cuaternario. Zonas Terciarias elevadas, barrancos de dimensiones variables que

frecuentemente dan lugar a la formacin de vales o valles de fondo. El lmite impermeable sobre el que se disponen las terrazas son formaciones de yesos, halitas y lutitas del terciario. La circulacin de flujo por el contacto cuaternarioterciario favorece la karstificacin y por tanto la disolucin, la subsidencia, el

hundimiento y colapso de los depsitos de terraza.

2.1.3 Caractersticas Hidrogeolgicas La ciudad de Zaragoza, segn la terminologa de la Directiva Marco del Agua (Directiva 2000/60/CE, de 23 de octubre de 2000), se asienta sobre dos masas de agua subterrnea: el aluvial de Ebro y el aluvial del Gllego. ste es un lmite de carcter administrativo, ya que existe una estrecha conexin entre ambos acuferos y tcnicamente es conveniente definirlos como uno solo. [3] El nivel fretico se encuentra entre cotas de 188 y 200 m.s.n.m con diferencias mnimas entre la piezometra de aguas alta y aguas bajas [5].

Figura 4: Distribucin de lneas isopiezas (m.s.n.m) en aguas altas (septiembre) deducidas de un modelo de flujo. (Fuente: elaboracin propia).

8 Desde el punto de vista hidrulico, el ro Ebro es un ro ganador ya que recibe una importante transferencia subterrnea en el tramo de interseccin con el Gllego, que, por lo tanto, es un ro perdedor. El ro Huerva se encuentra colgado, pues est canalizado en la mayor parte de la ciudad. El Canal Imperial de Aragn situado al sur de la ciudad se comporta como un lmite impermeable. [2]. El acufero es de tipo detrtico lo que resulta muy interesante desde el punto de vista hidrogeolgico, ya que presenta un nivel piezomtrico poco profundo y proporcionan caudales considerables. En cuanto a los parmetros hidrogeolgicos ms importantes, si bien se describirn mejor ms adelante, destacan valores altos de transmisividad. La transmisividad es un valor que integra el espesor saturado del acufero y la permeabilidad, y en el acufero aluvial urbano de Zaragoza toma valores entre los 2.500-3.500 m2/da. Estos datos son relativos a todo el acufero y deducidos de ensayos de bombeo [3]. En cuanto a la geometra del acufero, estudios del IGME (Garrido Schneider, E.; Moreno Merino., Azcn Gonzlez De Aguilar, A.) han permitido observar que la base o sustrato del acufero cuaternario es muy irregular. En general el espesor del acufero es de 20m, pero existen dos zonas donde se supera esta potencia de cuaternario. Una de ellas est prxima al ro Gllego, en la margen izquierda del ro Ebro, donde se puede llegar a profundidades de 80m, y la otra zona, en la margen derecha del ro Ebro, situada al suroeste de la ciudad donde el espesor llega a 40m. [3]

2.2 ESTUDIOS ANTERIORES El acufero aluvial urbano de Zaragoza ha sido objeto de numerosos estudios. Se han realizado estudios de composicin qumica y calidad del agua subterrnea [5] donde se ha visto un nivel elevado de afeccin por nitratos y altas concentraciones de elementos mayoritarios que limitan y/o imposibilitan el uso del agua subterrnea para riego o para consumo humano. Por este motivo se realiza un seguimiento y control del agua subterrnea. [5] Actualmente, el uso del agua que demanda ms agua del acufero es su aprovechamiento en sistemas geotrmicos. Por lo que, adems del estudio de la calidad

9 y composicin qumica, se han llevado a cabo estudios para conocer el comportamiento del flujo, la variacin de temperaturas del acufero y la posibilidad de afeccin trmica del acufero. La valoracin del impacto trmico [1] precis de la catalogacin e inventariado de todas las caractersticas de los sistemas geotrmicos, diseo de los pozos, profundidad, caudal, temperaturasetc. La conclusin tras el anlisis y control de la temperatura es el aumento de la temperatura en el acufero y su relacin directa con los sistemas geotrmicos, realizndose mapas de temperatura del agua. [6]. Complementando a lo anterior se realiz la primera modelizacin mediante el cdigo VS2DHI. Desarrollado por Garca Gil, A. [6]. Se trata de un programa informtico que resuelve problemas de transporte de energa en un medio poroso de saturacin variable. Para la resolucin matemtica emplea el mtodo de diferencias finitas. En este proyecto se realiz la simulacin de flujo y de transporte de calor de dos pozos pertenecientes a un sistema geotrmico concreto. La conclusin a la que se lleg en este caso fue que la pluma trmica se estabiliza a unos 300m y a los 5 aos. Luego se ejecutaron dos modelizaciones con el programa Modflow. Realizados por Garrido Schneider, E; Arce Montejo, M.V.; Van Ellen, W. El primer estudio abarc la totalidad del aluvial del Ebro. El segundo estudio se llev a cabo dentro del proyecto de la construccin del azud de la ciudad de Zaragoza. En ambos casos se estudi la simulacin nicamente del flujo. Matemticamente el cdigo Modflow resuelve el problema de flujo mediante el mtodo de diferencias finitas. Para la concesin de explotacin de un sistema geotrmico, recientemente se ha realizado una simulacin de flujo y transporte de calor mediante el cdigo Feflow, Llevado a cabo por la empresa EGA2002.S.L. para Ibercaja. Matemticamente, este programa emplea el mtodo de elementos finitos. Las simplificaciones y la falta de datos, en este caso, no llevan a un resultado realista del modelo. Con el presente proyecto se pretende avanzar un paso ms en el conocimiento del correcto funcionamiento del programa de modo que se aproxime lo ms posible a la realidad actual del acufero. De esta manera este proyecto permitir seguir avanzando en el estudio y evolucin de las afecciones trmicas que se producen debido a los aprovechamientos geotrmicos.

10

GEOTERMIA
3.1 DEFINICIN

Etimolgicamente hablando, geotermia, palabra de origen griego, deriva de geos, que quiere decir tierra, y de thermos, cuyo significado es calor. Por lo tanto, geotermia se entiende como: calor de la tierra. [7] El trmino geotermia se emplea indistintamente para designar, tanto la ciencia que estudia los fenmenos trmicos internos del planeta, como al conjunto de procesos industriales que intentan explotar ese calor en la produccin elctrica, sistemas de climatizacin, balneariosetc. Los orgenes de este calor interno terrestre son de diversa naturaleza, siendo los ms representativos: 1. La desintegracin de istopos radiactivos de larga vida, presentes tanto en la corteza terrestre como en el manto. Los ms significativos son
282 235

U,

238

U, 40K,

Th.

2. Los movimientos diferenciales entre las capas principales que constituyen el globo terrqueo, siendo las de mayor importancia las producidas entre manto y ncleo 3. El calor inicial liberado en la formacin del planeta (datado en unos 4600 millones de aos) y que an se est liberando y llegando a la superficie. 4. La cristalizacin de la parte externa (lquida) del ncleo, proceso en el cual se libera continuadamente calor. Especialmente en la zona de transicin al ncleo interno (y slido).

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.

3.2 CLASIFICACIN DE LA ENERGA GEOTRMICA Las aplicaciones que se pueden dar a un fluido geotermal dependen de su contenido en calor, o lo que es lo mismo, de su entalpa.

11 Entalpa es la cantidad de energa trmica que un fluido, o un objeto, puede intercambiar con su entorno. Se expresa en KJ/kg o en Kcal/Kg. La correcta clasificacin terica de la energa geotrmica se basa en la entalpa. Dado que la entalpa es una magnitud fsica difcilmente medible se emplea la temperatura para la clasificacin de la energa geotrmica, ya que temperatura y entalpa pueden considerarse proporcionales

3.2.1 Clasificacin de la energa geotrmica a) Alta entalpa o alta temperatura (ms de 150C).

Con stas temperatura se transforma directamente el vapor de agua en energa elctrica b) Media entalpa o media temperatura (entre 90C y 150C).

Su empleo se dirige a la generacin de electricidad, pero hay que utilizar un fluido de intercambio, que es el que alimenta a las centrales. Se emplea tambin en procesos agrcolas e industriales como: fabricacin de pasta de papel, secado de diferentes productos, tintorerasetc. c) Baja entalpa o baja temperatura (entre 30C y 90C). de energa elctrica pero tiene aplicacin en la

No es viable para la produccin

calefaccin de edificios, agua caliente sanitaria y tambin en procesos agrcolas e industriales. d) Muy baja entalpa o muy baja temperatura (menos de 30C).

Se emplea en calefaccin, refrigeracin, climatizacin y produccin de agua caliente sanitaria de edificios, pero es necesario el uso de bombas de calor. [8].

3.3 GEOTERMIA DE MUY BAJA ENTALPA O MUY BAJA TEMPERATURA

El presente proyecto se encuadra dentro del grupo de los denominados aprovechamientos geotrmicos de muy baja entalpa o muy baja temperatura. Los recursos geotrmicos de muy baja entalpa se encuentran disponibles en la totalidad de la corteza terrestre y en principio, del mismo modo sus aplicaciones, pues es posible

12 captar el calor almacenado en las capas superficiales del subsuelo o que se encuentran relativamente a pocos metros de profundidad. En la realidad, la aplicabilidad de

proyectos geotrmicos de muy baja entalpa no es tan alta, pues aunque en temperatura sea favorable, son en realidad los parmetros tcnicos y/o econmicos los definitivos sobre la viabilidad del proyecto geotrmico. [8]

3.2.1 Generalidades y conceptos importantes Las variaciones diarias de la temperatura ambiente no influyen ms all del primer metro de profundidad, las variaciones estacionarias pueden influir en los primeros diez metros de terreno. Pero si hacemos un estudio de la temperatura que tiene el subsuelo a medida que profundizamos en distintas pocas del ao, se obtiene el grfico de la figura 5, 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 10C. Curva roja: en el periodo estival ocurre a la inversa, a medida que se profundiza la temperatura desciende a 10C. Curvas amarilla y verde: el resto del ao (otoo y primavera) existen menos variaciones pero finalmente se vuelven a alcanzar los 10C. [8].

Figura 5: Variacin del gradiente geotrmico en el subsuelo. (Fuente: efitek geotermia).

El valor de esta temperatura de estabilizacin, en la figura 5(10C), suele ser ligeramente superior a la media anual en superficie, de la zona en cuestin, y permite realizar un intercambio trmico con el terreno, que eleva los rendimientos de las instalaciones de climatizacin al disminuir los saltos trmicos en las bombas de calor.

13

Es muy importante el correcto dimensionamiento en el proyecto geotrmico pues el intercambio de calor con el subsuelo ha de ser cclico en el tiempo. Se ha de producir un equilibrio entre el calor captado del subsuelo en la poca invernal (necesidades de calefaccin por parte del sistema) y el calor cedido al subsuelo en las pocas estivales (necesidades de refrigeracin por parte del sistema). Si este equilibrio no se produce de esta forma, o mediante disipacin y/o aportacin natural de calor por corrientes de aguas subterrneas, entonces se corre el riesgo de saturar el terreno, es decir, de colapsar el terreno trmicamente. De esta manera no ser posible realizar intercambio trmico, lo que significa el fracaso de la instalacin geotrmica. [10] Para la extraccin de energa geotrmica es necesaria la instalacin de una serie de colectores (un circuito) que se encargan de captar la energa trmica y transmitirla del fluido de los colectores, al sistema de climatizacin y/o sistema de agua caliente sanitaria (ACS) del edificio. Son dos circuitos independientes, uno, el del sistema geotrmico y otro, el del sistema de climatizacin y/o el sistema de ACS del edificio. El presente proyecto se centra en los sistemas abiertos, si bien tambin se realiza una breve descripcin de los otros tipos existentes en el mercado para que quede clara la diferencia entre unos y otros

3.2.1 Sistemas cerrados Son los mtodos ms empleados. Se trata de una tubera de plstico resistente de tipo PVC que se entierra bajo tierra. En su interior contiene una mezcla lquida de agua y anticongelante que absorbe el calor del subsuelo y lo transfiere al interior del edificio. La longitud del circuito depende de la demanda de calor/fro que requiere el edificio y la conductividad del suelo de disipar el calor/fro. [9] Segn el tipo de instalacin pueden ser: Captacin vertical: Consiste en la ejecucin de una o varias perforaciones en las que se introducirn los captadores de energa. Ocupan poco espacio y proporcionan una gran estabilidad de las temperaturas, pero su ejecucin es ms cara.

14 Captacin horizontal: Se ejecutan una serie de zanjas en las cuales se colocan los colectores de energa. Es un sistema econmico, pero requiere de bastante superficie de terreno.

Figura 6: Captacin horizontal y vertical (Fuente: Hala Gerodur/CHYN. Gothermie. LUtilisation de la chaleur terrestre.Suisse nergie).

Estructuras de cimentacin termoactivas: Se trata de convertir la estructura resistente de cimentacin en sistemas geotrmicos, en los que el propio pilote de la cimentacin acta de sistema geotrmico, con un ahorro de trabajo y espacio al incluir la climatizacin en el proyecto de construccin.

Figura 7 Cimentaciones termoactivas (Fuente: Groen energy y www.Gquierosereco.com).

15 3.2.1 Sistemas abiertos Un sistema geotrmico abierto realiza el intercambio de calor directamente con un acufero, mediante la perforacin de pozos de extraccin y de inyeccin en el terreno. El agua funciona de fluido caloportador. Los sistemas abiertos no consumen agua subterrnea, pues toda el agua extrada desde un pozo es reinyectada de nuevo al acufero mediante otro pozo. Esto implica que la extraccin neta de agua subterrnea sea cero. Las explotaciones geotrmicas abiertas se consideran econmicamente interesantes para aquellos proyectos en los que la potencia requerida se corresponde con la de un edificio o bloques de vivienda de envergadura considerable, por ello en la ciudad de Zaragoza se encuentran principalmente en edificios de oficinas, hospitales, hoteles, centros comerciales, y edificios de dimensiones simulares., que cumplen con ese requisito. [11] Segn su funcionamiento hay dos tipos de sistemas abiertos: Sistemas Geotrmicos Abiertos de Recirculacin. Sistemas ASET-A (Almacenamiento Subterrneo de Energa Trmica en Acuferos). El presente proyecto se centra en los Sistemas Abiertos de Recirculacin, si bien se realiza una breve descripcin de los Sistemas ASET-A diferencia entre unos y otros. para que quede clara la

3.3.3.1 Sistemas ASET-A Consiste en el almacenamiento estacional de energa trmica en un acufero. En invierno, se almacena energa trmica a una menor temperatura que la exterior (pozo fro) y en verano se almacena energa trmica a mayor temperatura (pozo caliente). Como en el intercambio de calor se extrae calor del agua, la inyeccin se produce en el pozo fro y el agua inyectada estar a una menor temperatura que la captada, almacenndose as, energa trmica en el agua. La captacin durante la poca estival se realiza en el pozo fro, emplendose en la refrigeracin del edificio, pues se extrae agua a menor temperatura que en el exterior. El intercambio trmico es el inverso que el

16 del invierno, e inyectando el agua en el pozo caliente a una mayor temperatura de la captada. De modo que, se almacena energa trmica en el agua, que se aprovechar en el invierno. [11] La diferencia con un sistema de recirculacin es que en sistemas ASET-A se cambia la direccin del flujo, aprovechando as mejor la diferencia trmica alrededor de los pozos.

Figura 8: Esquema de un sistema ASET-A (Fuente: Gua Tcnica de Sistemas Geotrmicos Abiertos).

Este sistema presenta un mayor rendimiento que los sistemas de recirculacin, pero exigen dos condiciones: el acufero ha de ser capaz de almacenar la energa trmica y el proyecto debe tener una envergadura suficiente, a partir de una capacidad de 300 kW. En el proyecto que nos ocupa, el acufero no es capaz de almacenar la energa trmica, pues debido al flujo existente la energa trmica, se disipa, por lo que el nuestro es un sistema abierto de recirculacin. [11]

3.3.3.2 Sistemas Abiertos de Recirculacin El funcionamiento de este tipo de aprovechamientos reside en emplear la temperatura natural del agua subterrnea del acufero. Como ya se ha explicado anteriormente, la temperatura en el subsuelo suele mantenerse constante a lo largo de todo el ao. Durante el invierno la temperatura ambiental es inferior a la del acufero, entonces se

17 extrae el agua del acufero a mayor temperatura que la del exterior, se pasa por una bomba de calor y extrae ese calor que se emplear en la calefaccin del edificio. Como resultado de extraer calor del agua, sta tendr una menor temperatura que ser a la que se inyecta en el acufero. De forma inversa ocurrir en verano, el agua que se capta se encuentra a menor temperatura que la exterior, y se inyectar de nuevo en el acufero a una mayor temperatura. Los sistemas geotrmicos abiertos de recirculacin emplean como mnimo dos pozos, uno de captacin o explotacin y otro de vertido o inyeccin. La circulacin del agua subterrnea siempre tiene el sentido y direccin de flujo desde el pozo de captacin hacia el pozo de inyeccin, es mono-direccional, tanto en calefaccin como en refrigeracin, a diferencia de los sistemas ASET-A que cambian su sentido. [11]

Figura 9: Esquema de un sistema geotrmico abierto de recirculacin (Fuente: Gua Tcnica de Sistemas Geotrmicos Abierto).

Los condicionantes que permiten una adecuada explotacin de este tipo de aprovechamientos son: Caudales relativamente altos. Acuferos poco profundos, a partir de 200m de profundidad no compensa econmicamente. Espesores saturados grandes.

18 Permeabilidades medias-altas, pues determina la eficiencia del pozo. Una permeabilidad alta permite un caudal importante produciendo descensos poco significativos. El correcto dimensionamiento del pozo.

Por lo tanto, es imprescindible un estudio de detalle riguroso a escala local y una revisin exhaustiva de la informacin existente de estudios previos relativos al subsuelo. Es muy importante para aumentar la vida til del sistema y para no producir un impacto trmico del acufero mantener el equilibrio entre el calor extrado y el calor disipado por el mismo. La mejor opcin para conseguir el equilibrio trmico es aplicar el sistema tanto en refrigeracin como en calefaccin. Si slo se aplica para calefaccin, o slo para refrigeracin se producir un desequilibrio, y habr que restaurar el balance energtico, es decir, calentar o enfriar el agua hasta la temperatura natural del acufero antes de la inyeccin del agua. [10] De hecho, en algunos pases europeos con normativas especficas para sistemas geotrmicos, el requisito para la concesin es presentar un balance energtico ptimo. Todos los estudios que se realicen deben ir acompaados de modelizacin numrica como apoyo en el diseo del sistema, mejora del aprovechamiento, estudio del balance y evaluacin del impacto trmico asociado a su funcionamiento. He aqu la importancia de este proyecto. Tanto para los estudios, como para la adecuada gestin y control del aprovechamiento, se recomienda como mnimo tener registros de: Caudal del sistema Temperaturas de extraccin e inyeccin Presin del sistema Niveles de los pozos Cantidad de agua bombeada Cantidad de energa suministrada por el sistema geotrmico abierto, es decir, calor extrado/disipado por el acufero.

19 Con el control y seguimiento adecuados del aprovechamiento, no slo tenemos una herramienta para advertir los problemas que puedan surgir, sino tambin la forma de alargar la vida til del sistema. De esta forma se podrn estudiar las soluciones para la interferencia de calor o para el aumento de temperatura como ocurre en este caso. 3.4 ENERGA GEOTRMICA EN EL MUNDO Y EN ESPAA Desde la antigedad se ha empleado la geotermia, inicialmente en aguas termales en balneoterapia. Pero el desarrollo de la geotermia actual, se produjo en las primeras dcadas del S. XX. Islandia mediante el uso de la geotermia comienza a calefactar invernaderos y suministrar calor en viviendas. En 1950 empieza la explotacin de la energa geotrmica de baja temperatura en Islandia, Nueva Zelanda y Japn, y a principios de los setenta se incorporan Hungra, la URSS, Francia, Filipinas, Turqua y EEUU. Desde entonces se produce una gran expansin, alcanzando en el ao 2000, 58 pases con aprovechamientos geotrmicos de cierta entidad. [8]

Figura 10: Produccin de calor ao 2000 (Fuente: Site Geothermie-Perspectives de lADEME et du BRGM)

En cuanto al desarrollo de la geotermia de muy baja temperatura se produjo gracias la evolucin de la bomba de calor. Su expansin en la dcada de los 80 es posterior a otros tipos de aprovechamientos geotrmicos. Por ltimo, la explotacin de la energa geotrmica para la produccin de electricidad eclosion en la dcada de los setenta continuando hasta la actualidad, pero este

20 aprovechamiento geotrmico presenta una mayor dificultad para su desarrollo ya que requiere de reas geotrmicas de altas temperaturas. En Espaa el Instituto Geolgico y Minero de Espaa (IGME) de 1970 -1983 realiz investigaciones con el objetivo de determinar la viabilidad de diferentes tipos de explotacin geotrmica. Los resultados de las investigaciones mostraron que existe posibilidad y expectativas de emplear la geotermia en Espaa.

Figura 11: Mapa de zonas geotrmicas en Espaa (Fuente: IGME).

Debido al traspaso de competencias a las comunidades autnomas, la actividad investigadora del IGME relativa a la geotermia ha ido disminuyendo. Actualmente realiza investigaciones puntuales en este campo. Como se observa en el Mapa de zonas geotrmicas en Espaa, no se consideraron los aprovechamientos geotrmicos de muy baja temperatura (menos de 30C), ya que el desarrollo de este tipo de explotacin comenz cuando ya se haba empezado a

menguar la investigacin. La implantacin de la energa geotrmica de muy baja temperatura en Espaa es escasa, y ms si la comparamos con el resto de pases Europeos. El poco desarrollo de este tipo de energa puede deberse a factores climticos (ya que existen regiones donde la variacin de temperatura es suave), la falta de promocin y de inters por el alto coste

21 de ejecucin, la falta de apoyo institucional, la ausencia de la reglamentacin especfica y el propio desconocimiento por parte de la gran mayora de la poblacin. [8] En este sentido el estudio del aprovechamiento geotrmico de muy baja temperatura que se lleva a cabo en la ciudad de Zaragoza es muy interesante, pues puede servir de modelo para el desarrollo de este tipo de energa en Espaa. En Espaa la energa geotrmica est llamada a ocupar un papel importante dentro de las energas renovables, especialmente la de muy baja temperatura, en la generacin de climatizacin, pues se trata de una fuente de energa que puede contribuir a reducir la dependencia energtica exterior.

3.5 MARCO LEGAL Y NORMATIVA APLICABLE

La regulacin existente en Espaa sobre sistemas geotrmicos es deficitaria, puesto que no existe legislacin, reglamentacin, o normativa especfica estatal para la energa geotrmica y sus distintos tipos de aprovechamientos. Por otra parte es compleja al tener que adaptarse la reglamentacin general en distintos organismos, y normativas estatales y autonmicas. Recientemente se ha creado una plataforma (GeoPlat) que se adhiere a la Plataforma Europea de Energas Renovables y que cuenta con una parte dedicada a la geotermia. Estas iniciativas permitirn definir reglas claras y eficaces que mejoren el desarrollo tecnolgico de la geotermia. [12] Los recursos geotrmicos en Espaa se regulan por las disposiciones estatales: Ley 22/1973, de 21 de julio, de Minas [13] y el Reglamento General para el Rgimen de la Minera, aprobado por el Real Decreto 2857/1978, de 25 de agosto [14]. En la prctica y desde el punto de vista normativo-administrativo los recursos

geotrmicos tienen como autoridades competentes: Autoridad competente para la realizacin de sondeos. Autoridad minera de la correspondiente comunidad autnoma. Es el rgano sustantivo, y es donde se debe iniciar los trmites. Ser el responsable de autorizar los proyectos de aprovechamiento. [12] Se encargar de trasladar el expediente al organismo Autnomo competente en materia

22 Medioambiental, debido al Real Decreto Legislativo 1/2008 [15], de 11 de enero, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Evaluacin de Impacto Ambiental, y las Leyes de Evaluacin Ambiental de la Comunidad autnoma. El aprovechamiento de los recursos geotrmicos se desarrolla en la prctica a travs de Instrucciones Tcnicas Complementarias (I.T.C.) del Reglamento

General de Normas Bsicas de Seguridad Minera (Real Decreto 863/1985, de 2 de abril [16]) y al cual se han de ajustar todas las prcticas mineras utilizadas en la realizacin de un proyecto geotrmico. Autoridad competente en materia de aguas. Confederacin Hidrogrfica correspondiente. Apoyar la aprobacin o denegacin del rgano sustantivo y valorar el impacto ambiental que se pueda producir con el aprovechamiento y lo remitir al rgano sustantivo que ser el que decida la aprobacin o negacin del proyecto. Ha de tenerse en cuenta la normativa de aguas, Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de julio [17], por el que se aprueba el Texto Refundido de la Ley de Aguas y el Reglamento del Dominio Pblico Hidrulico, que en el caso de sistemas abiertos precisa de dos autorizaciones, una concesin para poder extraer agua y una autorizacin de vertido. [11] Tambin ha de considerarse el Plan Hidrolgico de la Cuenca correspondiente, que en este caso es la del Ebro.

En cuanto a las leyes y normativas de carcter europeo se encuentra la Directiva 2009/28/CE [18], en la que la energa geotrmica resulta caracterizada explcitamente como fuente de energa renovable. El Reglamento de Instalaciones Trmicas (RITE), aprobado mediante el Real Decreto 1027/2007 de 20 de julio [19], se basa en la necesidad de trasponer la directiva europea 2002/91/CE [20], modificando y derogando as el reglamento vigente en Espaa aprobado en el Real Decreto 1751/1998 de 31 de julio. En trminos de calificacin energtica de edificios, todas las nuevas edificaciones a partir de 2007 deben secundar la directiva europea 2002/91/CE [20], mediante la cual se fomenta la eficiencia energtica de Edificios, segn el Real Decreto 47/2007 de 19 de enero [21], nacido para llevar a cabo esta directiva europea.

23

4 EL PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLGICO

En este apartado se realiza una explicacin muy simplificada, primero del movimiento del agua en el subsuelo y luego del problema matemtico asociado a este movimiento

4.1 CARACTERIZACIN DE LAS AGUAS SUBTERRNEAS En el presente proyecto se trabaja en el acufero aluvial urbano de Zaragoza. Un acufero es una formacin geolgica capaz de almacenar y transmitir agua, permitiendo el movimiento del agua por gravedad. Este acufero adems es libre, es decir, la superficie del agua se encuentra a presin atmosfrica. [22] Los parmetros hidrogeolgicos ms importantes, y que se han cuantificado en este proyecto son: la porosidad eficaz, recarga. La porosidad es la relacin entre el volumen de huecos total y el volumen total en un medio poroso. Los huecos pueden estar ocupados con agua o con aire. La porosidad eficaz es la relacin entre el volumen de huecos disponible para el flujo de agua y el volumen total, esta ltima es ms interesante para estudiar el movimiento de agua en el subsuelo. El coeficiente de almacenamiento representa el volumen unitario de agua liberado por el acufero al descender el nivel piezomtrico, es un valor adimensional, y que en este caso al tratarse de un acufero libre, es anlogo a la porosidad eficaz. [23] La permeabilidad o conductividad hidrulica cuantifica la facilidad del acufero para dejar pasar agua. En este caso se midi la transmisividad, que es la capacidad con que el medio deja pasar el agua a travs de su espesor saturado, es decir, es la permeabilidad por el espesor saturado. Los parmetros de porosidad, permeabilidad y coeficiente de almacenamiento en la permeabilidad o conductividad hidrulica y la

materiales detrticos dependen de la forma y el tamao de los granos, la distribucin de los granos y de la compactacin y/o cementacin (ya que el cemento rellena los poros). En las grandes cuencas sedimentarias, como la que nos ocupa, es frecuente el aumento de porosidad y permeabilidad desde los bordes hacia el centro, aunque a una cierta distancia,

24 al disminuir el tamao de grano si bien aumenta la porosidad disminuye la permeabilidad, por lo que es complejo calcular con mucha precisin estos parmetros. [24]. En este caso la cuantificacin de la transmisividad se ha realizado mediante ensayos de bombeo en distintos puntos de la ciudad, y conocido el espesor saturado, posteriormente, se convirti a Conductividad Hidrulica. El dato de la recarga se extrajo de un trabajo realizado anteriormente mediante el programa BALAN. Para la zona de estudio que nos ocupa los valores considerados se muestran en la siguiente tabla: Conductividad Hidrulica(m/s) Primera unidad hidroestratigrfica Segunda unidad hidroestratigrfica Tercera unidad hidroestratigrfica 15.10-4 20.10-4 22.10-4 Porosidad Eficaz Recarga (m/d) 1.608.10-3 1.608.10-3 1.608.10-3

0.08

0.05

0.1

Tabla 1: Parmetros hidrogeolgicos considerados en el proyecto. (Fuente: elaboracin propia).

4.2 FORMULACIN PROBLEMA DE FLUJO HIDROGEOLGICO Partiremos de la ecuacin bsica de la dinmica de fluidos: la ecuacin de Bernoulli, que expresa la energa de un fluido en movimiento en un punto, donde la carga o altura hidrulica total (nivel piezomtrico) es igual a la suma de tres componentes, la altura geomtrica, la altura de presin y la altura de velocidad. Como la velocidad del flujo del subsuelo es muy pequea, se puede despreciar este trmino. [25] , Donde: donde:

25

El movimiento del agua se produce de zonas de mayor altura piezomtrica a zonas de menor altura piezomtrica, la prdida de energa experimentada por unidad de longitud se define como gradiente hidrulico (i).

Donde:

4.2.1 Ley de Darcy El presente proyecto se desarrolla en un medio poroso, la ecuacin que describe las caractersticas del movimiento del agua subterrnea a travs de un medio poroso es la Ley de Darcy. La velocidad del flujo de agua subterrnea, la velocidad de Darcy, depende del gradiente hidrulico y de la permeabilidad. La velocidad real del agua subterrnea se define como la velocidad de Darcy dividida por la porosidad. [22]

Donde:

26 4.2.2 Principio de continuidad Por ltimo se ha de considerar la ecuacin de continuidad o de conservacin de la masa. Lo que nos indica que masa, o el volumen de lo que entra en un determinado medio poroso debe ser igual a lo que sale. [11].

4.2.3 La ecuacin fundamental del flujo Considerando la ley de Darcy , la ecuacin de continuidad, y la suma de entradas y salidas de agua en un cubo poroso elemental, se obtiene la ecuacin fundamental del flujo.

Donde:
( )

4.3 RESOLUCIN MATEMTICA: MTODO DE ELEMENTOS FINITOS La resolucin de la ecuacin fundamental del flujo en un medio poroso, en derivadas parciales es muy compleja. Por lo que se recurre al mtodo de elementos finitos. Con este mtodo convertimos la ecuacin, particularizndola a un dominio conocido, en un sistema de ecuaciones ms sencillas, y que gracias a los software informticos se resuelve ms rpidamente. Para que el sistema de ecuaciones funcione correctamente es importante considerar bien el dominio y las condiciones, tanto de contorno del dominio, como las iniciales en el tiempo. El dominio se discretiza mediante un mallado. El lugar donde se intersectan las rectas del mallado se denominan nodos, y el rea que queda entre las rectas son los elementos. De

27 esta forma ganamos precisin ya que algunas propiedades se definen en los nodos, mientras que otras se definen en los elementos. [26];[27]. Como se puede deducir para un problema como el que se presenta en este caso, se precisan infinidad de datos, establecer condiciones de contorno e iniciales del problema, y trabajar con un sinfn de ecuaciones y algoritmos, por lo que el problema en este caso se resuelve mediante del programa informtico Feflow. Como se puede observar en la figura 12, el programa Feflow es capaz de realizar la discretizacin espacial, tanto en una dimensin, como en dos y tres dimensiones.

Figura 12: Esquema de la discretizacin espacial que realiza el programa Feflow (Fuente: White papper 1)

En el captulo 6 se desarrollar ms detenidamente la metodologa del programa, ahora brevemente se exponen las ecuaciones fundamentales que emplea el programa para la resolucin del problema de flujo. Las ecuaciones siguientes son las que emplea el programa para resolucin de los problemas de flujo. [28]

Ecuacin 2-1, ecuacin de Richards, ecuacin que combina la ecuacin de Darcy y la ecuacin conservacin de masas. [28]

28

Ecuacin 2-2, es la ecuacin del flujo de Darcy. [28]

Ecuacin 2-3, ecuacin del transporte de masa. [28]

Donde: So: coeficiente de almacenamientos sf : saturacin de la fase del fluido (0 < Sf 1) : presin ( > 0 medio saturado, si 0 medio no saturado). : porosidad C: concentracin h : nivel piezomtrico t : tiempo q: vector del flujo de Darcy Qh : sumidero o fuente de fluidos Kr = conductividad hidrulica relativa (0 < Kr 1, Kr = 1 si est saturado en sf = 1) K: tensor de conductividad hidrulica para medio saturado. : fase fluida : viscosidad dinmica : densidad del fluido

29 0: densidad de referencia del fluido e : vector unitario gravitacional Rd: retardo derivado Dd: difusin molecular en el medio poroso I: tensor unidad D: tensor de dispersin mecnica R: retardo : periodo de descomposicin qumica QC: fuente / sumidero de masa

30

MODELO DE TRANSPORTE DE CALOR

5.1 TRANSFERENCIA DE CALOR

El calor es una forma de energa 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 energa, slo se produce si existe diferencia de temperaturas, y siempre tiene lugar del medio caliente al fro. La temperatura del subsuelo depende del flujo de calor desde el ncleo de la Tierra, de las caractersticas geotrmicas del subsuelo, la temperatura media de la superficie, de la presencia de fuentes de calor en el subsuelo, y del flujo de agua subterrnea. [26].

5.1.1 Propiedades trmicas del suelo Las principales caractersticas trmicas del suelo son: capacidad calorfica, la conductividad trmica y la difusividad trmica. Se define primeramente el calor especfico pues se emplear en las siguientes definiciones. El calor especfico es la medida de la capacidad de un material para almacenar energa trmica, es decir, la energa requerida para elevar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. [29] La capacidad calorfica es el producto del calor especfico por la densidad. Representa la capacidad de almacenamiento de calor dentro de un material. Dado que en un acufero existe agua y roca, y que cada uno de ellos presenta su propia capacidad calorfica, la capacidad calorfica del acufero se expresa en la siguiente ecuacin. [11] ( Donde:
( ( ( ( ) ) ) )

((

31
( ( ) )

La conductividad trmica 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 razn de transferencia de calor a travs de un espesor unitario del material por unidad de rea por unidad de diferencia de temperatura. Un valor bajo de conductividad implica un material aislante desde el punto de vista trmico. Y sus unidades en el sistema internacional son: J.s-1.m-1.K-1. [29] La conductividad trmica en un acufero es la suma de la conductividad trmica del agua y la conductividad trmica de la roca. [11] ( Donde: ) (( ) )

La difusividad trmica es la razn entre el calor conducido a travs del material y el calor almacenado por unidad de volumen. Nos indica cun rpido se difunde el calor por un material. A mayor difusividad trmica, ms rpida es la propagacin 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 Calorfica (m) (J/m3/K) 2.52106 0.5 0.5 4.2.106 Conductividad Trmica (J/m/s/K) 3 0.65

Porosidad Para el slido Para el agua 0.3 0.3

Tabla 2: Propiedades materiales para el calor (Fuente: elaboracin propia).

5.1.2 Mecanismo de transferencia del calor

32 El transporte de calor se realiza mediante tres mecanismos: conveccin, conduccin y radiacin. En el subsuelo el transporte de calor se produce por conveccin, y por conduccin. La radiacin no se considera ya que se asume que la temperatura del slido y del lquido es la misma y que nicamente hay una temperatura en el medio poroso. El transporte convectivo describe la propagacin del calor en el seno del agua subterrnea y depende de la velocidad del fluido y del gradiente de temperaturas. El transporte conductivo describe la propagacin del calor en el medio poroso. Se expresa mediante la ley de la conduccin del calor o ley de Fourier, que indica que la velocidad de la transferencia de calor es igual al producto de la conductividad trmica 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] Tambin hay que considerar el almacenamiento de calor en el medio poroso que atraviesa el fluido, esto se realiza mediante la capacidad calorfica.

5.2 FORMULACIN 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 ecuacin del transporte de calor queda:

(( Donde:
( ( ( ( ( ( ) ) ) ) )

33
( ) ( )

5.3 RESOLUCIN MATEMTICA: MTODO DE ELEMENTOS FINITOS Al igual que en el problema de flujo, la ecuacin del transporte de calor en derivadas parciales es muy compleja, por lo que se recurre al mtodo de elementos finitos. Con este mtodo convertimos la ecuacin, particularizndola a un dominio conocido, en un sistema de ecuaciones ms sencillas, y que gracias a los software informticos se resuelve ms rpidamente. [25]; [26]; [27]; [30]. De hecho el programa Feflow, resuelve el problema de transferencia de calor tras haber realizado la simulacin del flujo en el acufero y sobre esta simulacin realiza el problema de calor. [28] La ecuacin que gobierna el transporte de calor en el cdigo Feflow es:

Dnde: sf : saturacin de la fase del fluido (0 < Sf 1) : presin ( > 0 medio saturado, si 0 medio no saturado). : porosidad : densidad del fluido c : capacidad calorfica del fluido s : densidad del slido c s : capacidad calorfica del slido q: vector del flujo de Darcy

34 T: temperatura : tensor de dispersin trmica hidrodinmica del fluido s : conductividad trmica del slido I: tensor unidad T0: temperatura de referencia QT: fuente o sumidero termal

35

MODELO DE FLUJO CON EL PROGRAMA FEFLOW

6.1 EL PROGRAMA

El programa informtico Feflow, actualmente, es uno de los programas ms completo, probado y fiable que existe en el mercado para la simulacin de flujo y transporte de procesos en aguas subterrneas en un medio poroso. La versin que se ha empleado en este proyecto es la 6.0, esta versin es mucho ms amigable que las versiones anteriores. Con esta versin se pueden realizar simulacin de flujo, de transporte de sustancias (por ejemplo, contaminantes, sales, etc.), de transporte de calor, o incluso de calor y sustancias simultneamente. [31] El paquete de software permite la resolucin de problemas: Tri y bi-dimensionales. De densidad variable del fluido. De saturacin, no saturacin, y de ambas situaciones del acufero. Problemas tanto en rgimen estacionario como no estacionario. Es un cdigo muy eficiente para describir la distribucin espacial y temporal de las aguas subterrneas, simular, como en ste proyecto, procesos geotrmicos, y estimar la duracin y los tiempos de transporte, en este caso de temperatura, pero podra ser del transporte de contaminantes, y/o de ambos. Por ello es una herramienta muy valiosa para planear y disear estrategias de remediacin, apoyar el diseo de alternativas y esquemas efectivos de monitoreo. Feflow se adapta tanto al sistema operativo Windows, que es el que se ha empleado en este proyecto como, a Linux. [31] La documentacin que trae consigo el programa, es muy extensa. Contiene un manual de instalacin con un ejemplo prctico para comprender el manejo del programa, muy bien expuesto. Un manual de usuario, con tutoriales para comprender mejor y asimilar el funcionamiento del programa. Este ltimo en ocasiones es muy escueto en explicaciones, y de cara al uso del programa se echan en falta ms tutoriales especficos, especialmente en el problema del transporte de calor, del que no existe ninguna explicacin ni ejemplo al respecto.

36 Finalmente el paquete incluye documentacin relativa al funcionamiento desde el punto de vista matemtico de programa. Estos documentos son los denominados White Papers, son cinco, y abarcan todas las posibles situaciones que es capaz de resolver el programa. Estos documentos son de carcter muy matemtico y quiz no son todo lo prcticos que pudieran. Por lo que si no se dispone de conocimientos previos en simulacin y conocimientos matemticos avanzados se dificulta mucho la compresin, seguimiento y aplicacin del programa. La interfaz del programa es totalmente personalizable. La ubicacin y visibilidad de todos los componentes, a excepcin del men principal, puede ser elegido arbitrariamente. Los componentes pueden acoplarse a un determinado lugar de la ventana principal, o pueden estar flotando como ventanas independientes. Las barras de herramientas, los diagramas y los paneles se pueden activar y desactivar segn se necesite. Esto es una clara ventaja, pues la interfaz hace que se trabaje de una forma cmoda y eficiente. Para la visualizacin se emplean distintas ventanas con distintas vistas. stas se pueden abrir y cerrar segn se necesiten, o segn sea ms cmoda una vista u otra. [31] Los distintos tipos de vistas son: Vista de supermesh (Supermesh view). Vista de la FE-rebanada (FE-Slice view). Vista 3D (3D view). Vista de seccin transversal (Cross-section view). Los mapas son por una parte la base para la orientacin de la superficie del modelo y por otra define el dominio del modelo y por lo tanto son el soporte geomtrico de la malla, a partir de la cual se realiza la asignacin de datos y la propia simulacin. El programa Feflow tiene un convenio con la empresa ESRI, por lo que es capaz de trabajar con todos los archivos derivados del programa de sistema de representacin geogrfica ArcGIS. Lo que es muy cmodo y prctico, ya que, aunque en Feflow es posible el tratamiento y representacin de mapas, Arc-GIS es ms sencillo, ms cmodo y contiene muchas ms aplicaciones de tratamiento y representacin de mapas, e incluso de refinamiento de archivos. .

37 6.2 MODELO CONCEPTUAL El objetivo de la simulacin matemtica es analizar y obtener una representacin espacial y temporal del comportamiento del flujo y de la trasferencia de calor en el acufero aluvial urbano de la ciudad de Zaragoza, donde existen numerosos aprovechamientos geotrmicos. Constituyendo una herramienta que muestra tanto la problemtica actual: la interferencia trmica, la autointerferencia y el aumento de temperatura del acufero; como su evolucin en un futuro prximo. Se podrn establecer as medidas de control y seguimiento para que no disminuya el rendimiento de los aprovechamientos, principalmente en cuanto a la refrigeracin (el uso principal) y alargando de esta forma su vida til. As mismo se podr determinar las afecciones entre aprovechamientos y las zonas que son viables o no, de albergar nuevos aprovechamientos geotrmicos.

Figura 13: Aprovechamientos geotrmico y piezmetros en la ciudad de Zaragoza. (Fuente: elaboracin propia).

En el presente proyecto se llev a cabo el estudio de un modelo de escala reducida en uno de los aprovechamientos geotrmicos, especialmente conflictivo desde el punto de vista trmico. Con ello se obtiene, adems de lo citado anteriormente, una mejor compresin de los datos necesarios, del modo en que el cdigo los asimila y trata, y del manejo del propio programa.

38

Figura 14: Regin de estudio (en rojo) (Fuente: elaboracin propia).

La regin de estudio se ubica en el suroeste de la ciudad, dentro de la margen derecha de la ciudad de Zaragoza. El sistema geotrmico en este caso se emplea en la climatizacin de un centro comercial llamado Aragonia. Actualmente estn empleando dos pozos de captacin y otros dos de vertido.

Figura 15: Sistema geotrmico Aragonia e isopiezas. (Fuente: elaboracin propia).

39 La figura 16 muestra seis pozos, son los cuatro pozos situados ms al norte los que se emplean actualmente. P-5(C-9), y P-8(C-8) son los dos pozos de captacin y los pozos P-6(I-2) y P-7(I-1) son los pozos de inyeccin. Actualmente los dos restantes (los que se sitan ms al sur) no se emplean. Por ltimo el pozo situado ms a la derecha es el piezmetro del IGME. La geometra que representa el rea de la regin de estudio se realiz mediante un polgono. En la elaboracin de este polgono se oblig a que sus lados fueran paralelos a las isopiezas ms prximas y a que los lados restantes fueran lo ms perpendiculares posible a las isopiezas, de modo que, las lneas del polgono paralelas a las isopiezas se considerarn fronteras naturales de flujo, y los lados restantes del polgono al ser lneas perpendiculares a las isopiezas representan lneas de flujo nulo. El contorno paralelo a la isopieza situada a la izquierda en la imagen, isopieza aguas arriba, tiene un valor de 205m. El contorno paralelo a la isopieza situada a la derecha en la imagen, isopieza aguas abajo, tiene un valor de 203,5m.

Figura 16: Esquema fronteras de flujo de la regin de estudio (Fuente: elaboracin propia).

Como se ha explicado anteriormente la geologa del mbito del modelo comprende sedimentos cuaternarios, de tipo aluvial, y por ello, desde un punto de vista estratigrfico, establecer con exactitud los distintos niveles de estratos resulta complejo, ya que exigira

40 una descripcin muy detallada y en capas de potencia muy escasa. Por este motivo se llev a cabo una descripcin ms esquemtica, de la que resultan cinco capas.

Figura 17 Esquema de las unidades hidro-estratigrficas (Fuente: elaboracin propia).

Desde el punto de vista hidrogeolgico las capas tercera y quinta son muy similares por lo que se consideraron como el mismo material. Por lo que finalmente, se llev a cabo una agrupacin de los estratos en unidades hidro-estratigrficas, es decir, se agruparon por su comportamiento hidrogeolgico. Resultando tres unidades hidro-estratigrficas que al intercalarse dan lugar a cinco capas, como se muestra en la figura17. La primera capa y unidad hidro-estratigrfica, contiene gravas, bolos y conglomerados, esta capa forma parte de la zona no saturada del acufero, motivo por el que se incluyeron los conglomerados, a diferencia de las otras capas donde los conglomerados se consideraron capas independientes.

41 La segunda y cuarta capas, y segunda unidad hidro-estratigrfica, son conglomerados, propios de la zona, y se decidi considerar como unidad hidro-estratigrfica independiente debido a que presentan propiedades hidrulicas ligeramente distintas a las otras capas. Por ltimo, las capas tercera y quinta, tercera y ltima unidad hidro-estratigrfica son gravas, materiales hidrogeolgicamente muy interesantes, ya que aportan grandes caudales, es por ello que se sitan en esta capa las rejillas de los pozos, importantes sobre todo en la captacin. El rea del modelo se encuentra en una zona totalmente urbana. En el caso que nos ocupa, esto fue motivo de un mayor esfuerzo, pues los pozos del aprovechamiento se realizaron en distintas etapas, unos desde la superficie natural del terreno y otros en stanos, por lo que fue complicado conocer con exactitud la nivelacin de los pozos, y por lo tanto su relacin con la superficie del terreno.

6.3 DATOS DE ENTRADA DEL MODELO El programa requiere de planos de base para crear sobre stos la red de elementos finitos, extender la a tres dimensiones y luego asignarle todos los parmetros requeridos en la simulacin.

6.3.1 Geometra y mallado Para definir el rea del modelo y construir la red, se necesitan planos de fondo, que previamente se realizaron en el software de ESRI, Arc-GIS. Los archivos que se

necesitaron, fueron todos archivos del tipo Shapefile, estos archivos pueden contener polgonos, lneas o puntos. Se georreferenciaron todos los archivos de modo que no surgiesen incompatibilidades. El uso empleado fue el de las coordenadas de la ciudad de Zaragoza, UTM 30 Norte. Para definir la regin de estudio se importaron los archivos: Un archivo Shapefile de polgono, que define la regin de estudio. Un archivo Shapefile de puntos, que contiene la situacin de los pozos de captacin. Otro archivo Shapefile de puntos, que contiene la situacin de los pozos de inyeccin o vertido.

42

Figura 18: Imagen inicial de los archivos importados desde ArcGIS en Feflow. (Fuente: elaboracin propia).

6.3.1.1 Geometra

Despus de importar los archivos al programa, para que defina las fronteras exteriores, e interiores en el modelo de elementos finitos, todos los archivos anteriores deben convertirse modelo. a Supermesh, la interfaz del programa que proveer la estructura del

Figura 19: Supermesh (Fuente: elaboracin propia).

43 La frontera exterior, condicin de contorno, en este caso es el permetro de la propia regin de estudio. Y las fronteras interiores sern los pozos, ya que se introduce informacin en ellos. En la parte de flujo, se introducen los caudales de captacin e inyeccin, y en la parte de calor, la variacin de la temperatura debida a los caudales.

6.3.1.2 Mallado Definida la geometra en el programa, se procede a la realizacin de la red de elementos finitos, tambin denominada malla, que se compone, como se explic anteriormente, de elementos y nodos. Tras infinidad de pruebas, incluso de rehacer el mapa de la regin de estudio, se obtiene un mallado de 1000 elementos. El mallado se realiz mediante el mallador Gridbuilder uno de los que presenta Feflow. El generador de malla Gridbuilder fue desarrollado por Rob McLaren de la Universidad de Waterloo, Canad es un algoritmo de triangulacin flexible. Es capaz de mallar considerando polgonos, lneas y puntos en la supermesh, as como de realizar mallas locales de refinamiento en puntos, lneas o borde del polgono. [7] En este caso se realiz un refinamiento en el borde del polgono de la regin de estudio y en los pozos, ya que se realizarn ms operaciones en ellos.

Figura 20: Propiedades del generador de malla Gridbuilder (Fuente: elaboracin propia).r

44

Figura 21: Malla realizada en Feflow de 1000 elementos (Fuente: elaboracin propia).

Para que una red de elementos finitos sea matemticamente correcta ha de cumplir que [32]:

La variacin de tamao entre los elementos adyacentes sea progresiva. La densidad de elementos en los pozos, que es donde se producen los mayores gradientes, sea ms alta.

No se observan ngulos obtusos. En general, los elementos sean suficientemente regulares.

Como se puede observar en detalle, el mallado realizado, desde el punto de vista matemtico es adecuado, pues cumple con las condiciones antes citadas.

45

Figura 22: Detalle de la malla realizada (Fuente: elaboracin propia).

Hasta este punto se ha diseado la geometra de un modelo bidimensional. La simulacin se realiza en un modelo tridimensional, por lo que tendremos que ampliar la malla a tres dimensiones. Un modelo de elementos finitos tridimensional consiste en un nmero de planos con nodos, que denominaremos Slices (rebanadas). Estas Slices generalmente se consideran el techo o el muro de las capas o unidades hidro-estratigrficas consideradas. Y por lo tanto, siempre el nmero de Slices es una unidad mayor que el de capas.

Figura 23: Ventana del configurador 3D (Fuente: elaboracin propia).

46 Primero definiremos el nmero de capas y Slices que se necesitan en este modelo. Inicialmente, y siguiendo el comportamiento hidro-estratigrfico, se definieron cinco capas y seis Slices. , pero al llegar al problema del transporte de calor era necesaria una mayor resolucin vertical. Finalmente y tras numerosos intentos se lleg a la solucin actual de treinta y dos capas y treinta y tres Slices.por lo que hay tantas Slices como metros presentes en el pozo de mayor profundidad.

Figura 24: Vista en 3D del bloque de 32 capas (Fuente: elaboracin propia).

Una vez conseguido el mallado tridimensional, es preciso introducir el relieve real de las capas y del terreno. Para ello se introduce un archivo de puntos, de tipo X Y Z, donde X e Y son las coordenadas georreferenciadas, y Z es la elevacin del terreno y adems contiene tambin otra columna con el nmero deSlices a la que pertenecen los datos anteriores. La realizacin de este archivo se desarroll a travs de un modelo digital del terrero (MDT) de la regin de estudio, que proporciona las coordenadas y elevaciones de la superficie del terreno. A partir de los datos del MDT se extrajeron los datos de la elevacin de la superficie del terreno, y como nos encontramos en un lugar relativamente llano, a los datos de elevacin se les rest un metro, obtenindose as los datos de elevacin de la capa

47 un metro inferior a la superficie del terreno. A su vez a estos nuevos datos de elevacin se les resto un metro, obtenindose los datos de elevacin de la capa dos metros inferior a la superficie del terreno. Procediendo consecutivamente con las 32 capas, se obtuvieron todos los datos de elevacin del modelo tridimensional. La introduccin en el modelo de este archivo se produjo mediante una unin, link to parameter, una interfaz propia del programa que facilita la introduccin de datos en distintos formatos. El resultado se puede observar en la figura.

Figura 25: Bloque de 32 capas con relieve topogrfico (Fuente: elaboracin propia).

6.3.2 Configuracin del problema Mediante esta interfaz del programa definimos que tipo de modelo vamos a simular. En diferentes apartados se va ajustando el modelo, de forma que sea lo ms coherente posible con la realidad. Se selecciona la opcin de rgimen estacionario, ya que se supone que el acufero se encuentra en condiciones de equilibrio hidrulico. Se decidi que la simulacin se realizase en medio saturado, ya que aunque no siempre se encuentra el modelo tridimensional totalmente saturado, con esta opcin el programa es capaz de considerar las condiciones del nivel fretico mvil.

48 En cuanto al modo en que el programa considera la superficie del nivel piezomtrico durante la simulacin, se eligi la opcin de situar la capa fretica en la superficie del modelo, ya que durante la simulacin se capta y se inyecta agua simultneamente, lo que genera una gran variacin en el nivel piezomtrico.[33]

6.3.3 Parmetros del modelo Feflow distingue entre cuatro grupos de parmetros, como se puede observar en el panel de Datos (Data Panel). [33] Variables del Proceso (Process Variables): condiciones iniciales y variables. Condiciones de Contorno. (Boundary conditions). Propiedades de los Materiales. (Material Propeties). Datos de Referencia. (Reference Data).

Las variables del proceso y las condiciones de contorno se introducen o definen en los nodos de la malla, mientras que las propiedades de los materiales se definen en los elementos. Los datos de referencia pueden tener lugar en los elementos y/o en los nodos.

Figura 26: Panel de Datos Data Panel (Fuente: elaboracin propia).

49 6.3.3.1 Condiciones iniciales de flujo Las condiciones iniciales de flujo permiten asignar la superficie de las aguas subterrneas al inicio de la simulacin. Se parte de un archivo con datos de la piezometra de los distintos piezmetros de la red que el IGME posee en la ciudad de Zaragoza. (Garrido Scheneider, E.). Se trata de un archivo del tipo X; Y; Z, donde la X y la Y son las coordenadas del piezmetro y la Z es el valor de nivel piezomtrico medido. Se visualiza en ArcGIS, y se seleccionan nicamente los piezmetros que estn en nuestra regin de estudio. El archivo resultante de esta operacin lo importamos a Feflow, y realizamos de nuevo una unin de parmetro (link to parameter).

Figura 27: Piezometra inicial (Fuente: elaboracin propia).

6.3.3.2 Condiciones de contorno o de frontera de flujo

Inicialmente se introduce la condicin de contorno Aguas Arriba, en la parte izquierda del polgono, y se le asigna el valor de la isopieza ms prxima, la de 205m. Se realiza el mismo procedimiento con la condicin Aguas Abajo, en la parte derecha del polgono,

50 asignndole 203.5m. Las otras dos fronteras, por razones de simplicidad, asumimos que son lneas de flujo nulo.

Figura 28: Condiciones de contorno de flujo (Fuente: elaboracin propia).

Los pozos, como condicin de contorno, admiten datos de tasa de descarga constante, es decir, de caudal. Por lo tanto, se introducen datos de caudal de extraccin, en los pozos de captacin y datos de caudal de vertido en los pozos de inyeccin. 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, tal como se muestra en las tablas. Como estamos ante un sistema geotrmico abierto el caudal total de extraccin ser igual al caudal total de inyeccin. A continuacin se muestran las tablas 3 y 4, en las que observan cules y cmo se han introducido los datos relativos a los pozos. Caudal en cada Pozo de captacin m3/s 0.0168 0.0168 Lmina o Slice en las que se extrae el caudal Slice Slice Slice Slice 31 32 31 32 Caudal de extraccin en cada lmina o Slice m3/s 0.0084 0.0084 0.0084 0.0084 0.0336

Pozo de captacin P-5(C-9) P-8(C-8)

CAUDAL TOTAL CAPTACIN

Tabla 3: Caudales de captacin o extraccin (Fuente: elaboracin propia).

51

Pozo de inyeccin

Caudal en cada Pozo de inyeccin m3/s

Lmina o Slice en las que se inyecta el caudal Slice27 Slice28 Slice29 Slice30 Slice31 Slice27 Slice28 Slice29 Slice30 Slice31 CAUDAL TOTAL CAPTACIN

Caudal de inyeccin en cada lmina o Slice m3/s

-0.00336 -0.00336 -0.00336 -0.00336 -0.00336 -0.00336 -0.00336 -0.00336 -0.00336 -0.00336

P-6(I-2)

-0.0168

P-7(I-1)

-0.0168

-0.0336

Tabla 4: Caudales de inyeccin o vertido (Fuente: elaboracin propia).

Figura 29: Pozos de captacin e inyeccin en funcionamiento (Fuente: elaboracin propia).

52 6.3.3.3 Propiedades de los materiales El men de propiedades de los materiales permite editar los parmetros hidrogeolgicos propios del material. Los parmetros considerados, como ya se expuso anteriormente estn representados en la tabla. Conductividad Hidrulica(m/s) Primera unidad hidroestratigrfica Segunda unidad hidroestratigrfica Tercera unidad hidroestratigrfica 15.10-4 20.10-4 22.10-4 Porosidad Eficaz Recarga (m/d) 1.608.10-3 1.608.10-3 1.608.10-3

0.08

0.05

0.1

Tabla 5: Parmetros hidrogeolgicos considerados en el proyecto (Fuente: elaboracin propia).

Una vez asignados estos valores se pueden visualizar independientemente cada uno de ellos.

Figura 30: Recarga (Fuente: elaboracin propia).

53

Figura 31: Conductividad hidrulica o Permeabilidad (Fuente: elaboracin propia).

Figura 32: Porosidad eficaz (Fuente: elaboracin propia).

54 6.4 SIMULACIN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO Asignados todos los datos que precisa el programa, se procede a la primera simulacin, que se realiza para verificar que el problema de flujo funciona, y que todo es matemtica e hidrogeolgicamente correcto. Posteriormente, se introducirn los datos y condicionantes relativos al transporte de calor, y se llevar a cabo la simulacin conjunta de flujo y transporte de calor. Tras la primera simulacin, las condiciones iniciales y el nivel piezomtrico han cambiado, por ello es muy importante guardar el modelo previamente, antes de realizar la simulacin, y luego desde el guardado se aade el transporte de calor. El programa Feflow automticamente genera varias ventanas y diagramas que informan sobre la marcha de los resultados de los pozos y del nivel piezomtrico. La primera simulacin es el resultado de un problema ejecutable de flujo estacionario. Analizando en detalle la solucin, se observa que los pozos y el nivel piezomtrico se simulan correctamente. El mtodo de elementos finitos, es una aproximacin al problema real, por ello el programa realiza una estimacin del error en funcin del nmero de iteraciones empleadas en la simulacin .Como se puede observar en el diagrama, en este problema, el error satisface una precisin de 0.001, tras doce iteraciones.

Figura 33: Diagrama error e iteraciones (Fuente: elaboracin propia).

55 Como se observa en el corte transversal de la figura, la captacin se produce entre los metros 202.5 y 205, correspondiendo con las capas 32 y 31, que es dnde le indicamos al programa que se produjera la captacin. En cuanto a la inyeccin se produce ligeramente por encima de la captacin tal como indicamos al introducir los datos.

Figura 34: Corte transversal del nivel piezomtrico (Fuente: elaboracin propia).

Figura 35: Nivel piezomtrico en 3D (Fuente: elaboracin propia).

56 En la figura 35 se observa como el nivel piezomtrico disminuye gradual y radialmente en direccin hacia el pozo de captacin, pues el valor del nivel piezomtrico en los pozos de captacin, en torno a 203, es menor que en las zonas adyacentes. Y ocurre de forma inversa en los pozos de inyeccin, donde gradual y radialmente el nivel piezomtrico es mayor, en torno a 205, que en las zonas adyacentes. Esto demuestra el correcto funcionamiento de los pozos y del movimiento del flujo, pues tambin se observa cmo el flujo que se impuso, que iba de aguas arriba, en la parte izquierda del bloque, hacia aguas abajo, en la parte derecha del bloque, sigue siendo as.

El siguiente corte transversal muestra la presin de pozo en todo el dominio, debida a la captacin e inyeccin. El pozo situado en la imagen a la izquierda, es un pozo de captacin y el de la derecha de inyeccin. En el pozo de captacin se observa el cono de influencia propio de una captacin, y como es lgico en el pozo de inyeccin se invierte esta situacin. Esto confirma el correcto funcionamiento de los pozos.

Figura 36: Presin (Fuente: elaboracin propia).

57 En la siguiente figura se observa el diagrama de balance (budget) que muestra las entradas en rojo y las salidas en azul, para los diferentes tipos de condicin de frontera, fuentes y sumideros (recarga de agua subterrnea). El valor de equilibrio como la suma de todos flujos de agua es suficientemente pequeo para aceptar el estado estacionario de la solucin. Se verifica una vez ms el correcto funcionamiento de la simulacin, pues el caudal de los pozos (Wells) que se observa en el balance (2903,041) es idntico al que se introdujo en los pozos en las condiciones de contorno.

Figura 37: Balance hdrico (Fuente: elaboracin propia).

Aunque puede parecer sencillo llegar a este punto, en realidad, llegar hasta aqu ha supuesto la realizacin de innumerables pruebas y repeticiones para que la simulacin convergiera y la solucin fuera correcta, tanto desde un punto de vista matemtico como desde el punto de vista hidrogeolgico.

58 6.5 TRANSPORTE DE CALOR Una vez realizada la simulacin del flujo, y comprobado que todo funciona correctamente, el siguiente paso consiste en introducir las variables y parmetros para el problema de flujo y transporte de calor. Lo primero, es cargar de nuevo el modelo de flujo que se guard previamente antes de la simulacin. 6.5.1 Configuracin del problema Seleccionamos la opcin de rgimen estacionario, ya que se supone que el acufero se encuentra en condiciones de equilibrio hidrulico y seleccionamos transporte transitorio para el problema de calor para poder evaluar la variacin de calor en el tiempo. Escogemos una duracin de veinte aos, siete mil trescientos das, para ver el comportamiento y evolucin del calor tras un periodo importante de tiempo de funcionamiento del aprovechamiento geotrmico.

6.6 DATOS DE ENTRADA EN TRANSPORTE DE CALOR Como partimos del modelo de flujo todos los datos relativos a la geometra del modelo estn ya incluidos, y slo queda introducir los datos propios de la simulacin del calor.

6.6.1 Condiciones iniciales Partimos de un temperatura constante de 14.6C, temperatura media del subsuelo en la ciudad de Zaragoza en 2010-2011.

59

Figura 38: Temperatura inicial (Fuente: elaboracin propia).

En los pozos de inyeccin es donde se producen las variaciones de temperatura, pues una vez empleada el agua en el sistema de climatizacin, sta vuelve directamente al acufero, de modo que en los periodos de ms temperatura en el exterior (verano), el agua se introduce en el acufero a una mayor temperatura que cuando se extrajo, y en los periodos de menor temperatura en el exterior (invierno), el agua se introduce a menor temperatura de la que se capt. Para reflejar la variacin de la temperatura en los meses de verano y en los de invierno, se realiz un fichero en Microsoft Excel, donde, de abril a septiembre estimamos que se tiene una temperatura de 20,9C y el resto del ao a 14,6C. Esta serie temporal se realiz para un periodo de duracin de veinte aos, de forma que se obtiene una idea aproximada de cmo se va a comportar trmicamente el acufero en este aprovechamiento geotrmico. Se import la serie temporal a Feflow y se introdujo en los pozos de inyeccin.

60

Figura 39: Diagrama de serie temporal (Fuente: elaboracin propia).

Figura 40: Detalle de temperatura en los pozos (Fuente: elaboracin propia).

61 6.6.2 Condiciones de contorno Para el problema de flujo se consider que el flujo se produce desde la condicin de contorno aguas arriba, parte izquierda del polgono, hacia la condicin de contorno aguas abajo, en la parte derecha del polgono, luego, para la temperatura, se considera slo el borde aguas arriba con la temperatura de 14.6C; y se deja libre el borde aguas abajo, pues por l no se recibe aportacin trmica.

Figura 41: Condiciones de contorno de temperatura (Fuente: elaboracin propia).

6.6.3 Propiedades de los materiales El men de propiedades de calor permite editar los parmetros hidrogeolgicos propios del material que han de introducirse para que se modele un problema de circulacin y transporte de calor en aguas subterrneas. Los parmetros considerados estn representados en la tabla. Dispersividad Longitudinal (m) 5 5 Dispersividad Capacidad Transversal Calorfica (m) (J/m3/K) 2.52106 0.5 0.5 4.2.106 Conductividad Trmica (J/m/s/K) 3 0.65

Porosidad Para el slido Para el agua 0.3 0.3

Tabla 6: Propiedades trmicas. (Fuente: elaboracin propia)

62 Asignados estos valores se pueden visualizar independientemente cada uno de ellos, a continuacin se muestran algunos de ellos.

Figura 42: porosidad (calor) (Fuente: elaboracin propia).

Figura 43: Dispersin longitudinal (Fuente: elaboracin propia).

63

Figura 44: Dispersividad transversal (Fuente: elaboracin propia).

6.7 DATOS DE REFERENCIA: CALIBRACIN El programa permite que se le definan puntos de observacin en la regin de estudio para una posterior comparacin entre los valores medidos y los calculados durante la simulacin.

Figura 45: Situacin del piezmetro del IGME (Fuente: elaboracin propia)

64 En el presente proyecto los datos medidos son los correspondientes al piezmetro de la red del IGME. Como se observa en la figura 45 se localiza prximo a los pozos de inyeccin. Para ello, antes de la simulacin se introduce en el programa un archivo de tipo Shapefile, con el punto de observacin, es decir, con las coordenadas y a la profundidad de 32 metros del piezmetro del IGME P-7 Aragonia. De esta manera, el programa registra en un fichero los valores de temperatura obtenidos a lo largo del tiempo en el piezmetro. El diagrama que resulta del registro de la temperatura en el piezmetro tras la simulacin con el programa es el de la figura 46 y muestra los valores de temperatura obtenidos en el piezmetro a lo largo de los veinte aos de la simulacin.

Figura 46: Diagrama de temperatura tras simulacin en el piezmetro. (Fuente: elaboracin propia).

Se guardan los datos en un archivo tipo X, Y, y se extraen los datos correspondientes al mismo periodo de tiempo que tenemos en los datos medidos. Los datos que se disponen de temperatura medida en el piezmetro comienzan en septiembre de 2010 y llegan hasta noviembre de 2012. Por lo tanto, ser ste el periodo que se emplear en la comparacin.

65 As se podrn comparar los datos medidos en el piezmetro, es decir, los reales, con los valores obtenidos con el programa en el piezmetro, y se concluir si la simulacin es coherente, o no, con la realidad, y por tanto la calidad de la misma. Y en el caso de haber introducido algn dato deducido se puede repetir la simulacin hasta encontrar el dato que mejor se ajuste a la realidad. Especficamente, en el presente proyecto se dedujo una serie temporal de temperaturas de inyeccin, ya que no se dispone de ese dato. Inicialmente se dedujo que el enfriamiento del acufero se produca de noviembre a marzo, ambos inclusive, y que el calentamiento se produca de abril a octubre, a 14.6C y 20,9C, respectivamente. Pero tras la comparacin entre los medidos y los resultados se vio que no era realista, por lo que, tras varias pruebas se lleg que el enfriamiento en el acufero se produce de enero a marzo, y el calentamiento de abril a diciembre, a 14.6C y 22.8C, respectivamente. El resultado de la comparacin de las temperaturas medidas y las simuladas por el programa en el piezmetro se muestra en la figura 47.

Comparacin de las temperaturas medidas frente a las simuladas con el programa

24.0 22.0 20.0

Temperaturas [C]

18.0 Tmedida 16.0 14.0 12.0 Tsimulada

Figura 47: Grfico de comparacin de las temperaturas medidas frente a las simuladas. (Fuente: elaboracin propia)

66 Como se ve en la figura durante el ao 2010 y la mayora del 2011 la calibracin es aceptable, y que se ajusta bastante bien; teniendo en cuenta que la serie temporal es peridica, y que el sistema geotrmico se emplea segn la demanda, as se explica que exista mayor variacin en las temperaturas medidas. En cambio, en el ao 2012 las temperaturas medidas son inferiores a las que resultan del programa. Si se observa ms detenidamente, durante los meses de verano las temperaturas medidas estn alrededor de 20, y en la ciudad de Zaragoza se alcanzan temperaturas muy por encima esa temperatura, teniendo en cuenta, que adems, el sistema geotrmico en ese periodo inyecta a mayor temperatura, no se comprenden esas temperaturas medidas. Una posible explicacin, es que el sistema geotrmico no estuviera en funcionamiento durante ese periodo, o que tuviera una demanda muy baja. En conclusin, la simulacin es coherente, lo que ocurre, es que la introduccin de los datos, se realiz mediante una serie temporal de elaboracin propia, ya que no se dispone de los datos reales de la temperatura de inyeccin en el acufero. De esto surgen las diferencias entre los datos medidos y los simulados.

67 6.8 SIMULACIN Y RESULTADOS DEL MODELO DE FLUJO Y

TRANSPORTE DE CALOR

El programa Feflow automticamente genera varias ventanas y diagramas que informan sobre la marcha de la simulacin. El diagrama de la figura 48, muestra la evolucin de la temperatura media en cuatro puntos del dominio con el transcurrir del tiempo, es decir, durante los veinte aos. Se representan las series temporales de cada pozo, de ah, las letras a y d, para los pozos de captacin y las letras, c y b que corresponden a los pozos de vertido. La temperatura media va aumentando hasta llegar a un valor mximo, que en el caso de la zona de vertido es de 20.3C. Las oscilaciones se deben a las series temporales de temperaturas del agua de inyeccin previamente introducidas en el programa, y representan las distintas temperaturas de inyeccin en el acufero por los cambios de estacin. En cuando a las captaciones, la temperatura se estabiliza entre los 17.5C y los 17.2C, observndose una ligera diferencia trmica entre los pozos de captacin, siendo el pozo de captacin situado ms al sur el que tiene un mayor aumento de la temperatura media.

Figura 48: Diagrama temperatura media tiempo transcurrido en los pozos de inyeccin y captacin. (Fuente: elaboracin propia).

68 La figura 46 muestra la variacin de la longitud del paso de tiempo utilizado por el programa durante la simulacin. Hasta el da 12, la relacin de crecimiento del paso del tiempo es constante. A partir de ese da se observa una gran oscilacin debida a los datos en las series temporales impuestas.

Figura 49: Diagrama longitud de paso de tiempo-tiempo transcurrido. (Fuente: elaboracin propia)

Figura 50: Temperatura en 3D al final del periodo de simulacin. (Fuente: elaboracin propia)

69 De la vista en tres dimensiones, figura 50, transcurridos los veinte aos de explotacin del sistema geotrmico, se extraen varias observaciones. - Verticalmente el comportamiento de la pluma de calor sigue dos pautas. La primera, en la base del modelo trimensional, se debe a que la pluma se origina en las zonas adyacentes a los pozos de inyeccin, concretamente en las slices donde se introdujo la inyeccin, es decir de la 27 a la 31, que es donde se alcanza la temperatura mxima, 22.9C. En esta zona, es donde se alcanzan las temperaturas ms altas entre 22.9 y 22.6C, generndose una especie de cua de trmica de entre 8 a 10 metros, con lo que, no slo se ven afectadas las slices correspondientes a la inyeccin, sino que se ven afectadas las slices, desde la 32 (la base) hasta la 24 (tres metros por encima de la inyeccin). - A partir de la slice 24, verticalmente, la temperatura se reduce gradualmente hasta alcanzar 17.7C en la slice 1 (azul claro), en las inmediaciones de los pozos de inyeccin, siendo este comportamiento de la pluma trmica, la segunda pauta que se observa. - En cuanto a los pozos de captacin, la oscilacin trmica vertical observada est comprendida entre 19 y 16C. La temperatura mxima en los pozos de captacin, 19.6C, tiene lugar en el pozo situado ms al sur (C-8), (en el otro pozo (C-9) la temperatura mxima es 18.8C), como era de esperar, pues se encuentra ligeramente ms prximo a la inyeccin. Las temperaturas mximas en la captacin se presentan en las slices 31 y 32, pues es donde se realiza la captacin, ya que el nivel piezomtrico se encuentra en la slice 31. Entonces, el salto trmico tras veinte aos ser de 5 en del pozo C-8, de 14.6C a 19.6C, y de 4.2C en el pozo C-9, de 14.6C a 18.8C. - La pluma trmica que se produce, vista en planta, presenta una forma aproximadamente radial, con origen en los pozos de inyeccin y dnde se puede intuir que tiene continuidad aguas abajo del bloque de estudiado. La vista en planta se puede apreciar mucho mejor en la figura en dos dimensiones. La figura 51 muestra la vista en planta de la slice 32, donde se aprecia mejor la pluma trmica que se produce tras veinte aos de explotacin del sistema geotrmico.

70

Figura 51: vista en planta de la slice32 tras la simulacin de 20 aos. (Fuente: elaboracin propia).

Como se puede observar en los distintos cortes transversales para diferentes pasos de tiempo, a lo largo de los veinte aos de la simulacin, se producen y repiten peridicamente una serie de pulsos trmicos en el acufero. Estos pulsos son debidos a las variaciones trmicas que resultan al inyectar el agua en el acufero directamente tras el intercambiador de calor. Como a lo largo del ao se producen cambios estacionales, las temperaturas de la inyeccin tambin varan y es por ello por lo que se forman los pulsos. Por otra parte se produce un ascenso gradual y radial de la temperatura en las

inmediaciones de los pozos de inyeccin. Queda por lo tanto demostrado que el acufero se ve afectado trmicamente y que adems se produce interferencia trmica, pues tambin se llegan a ver afectados trmicamente los pozos de captacin. A los 126 das (3meses y medio).

Figura 52: Corte transversal temperatura por los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia).

71 A los 382 das (trascurrido un ao).

Figura 53: Corte transversal temperatura por los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia).

A los 1158 das (alrededor de 3 aos).

Figura 54: Corte transversal temperatura por los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia).

72 A los 2961 das (alrededor de 8 aos).

Figura 55: Corte transversal temperatura por los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia).

A los 5466 das (cerca de 15 aos).

Figura 56: Corte transversal temperatura por los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia).

73 A los 7300 das (a los 20 aos).

Figura 57: Corte transversal temperatura por los pozos de captacin e inyeccin (Fuente: elaboracin propia).

74

CONCLUSIONES

Mediante la simulacin de flujo y transporte de calor que se ha realizado para este aprovechamiento se llega a la conclusin de que no slo resulta afectado el acufero trmicamente, sino que adems se produce autointerferencia trmica. Prcticamente desde el comienzo de la explotacin geotrmica se origina una pluma de calor que afecta a los pozos de captacin. Adems, se observa que se producen pulsos trmicos provocados por la variacin de la temperatura de la inyeccin a lo largo del ao. La afeccin trmica del acufero se produce gradual y radialmente desde los pozos de inyeccin. La pluma de calor en direccin a los pozos de captacin comienza a estabilizarse transcurridos ocho aos de funcionamiento del sistema geotrmico, y aproximadamente a los 71m del pozo de inyeccin, pero aguas abajo no se puede estimar hasta donde llega la afeccin trmica, ya que continuara ms all del modelo tridimensional realizado. Por lo que resultara muy interesante desarrollar una nueva simulacin abarcando una mayor superficie y observar la dimensin total de la pluma de calor, e incluso ver si afecta a otros aprovechamientos de la ciudad de Zaragoza. Los resultados de la simulacin muestran los saltos trmicos finales en los pozos de captacin, que es 5C para el pozo C-8, y 4.2C para el pozo C-9. stos son saltos trmicos importantes y para los que se han de buscar soluciones, ya que no slo afectan a la composicin qumica del acufero, sino que afectara a la propia instalacin del sistema geotrmico, teniendo que redimensionar toda la instalacin, o incluso, si contina aumentando el salto trmico podra suponer el fin de la propia instalacin. Se recomienda para este caso concreto, por una parte, alejar los pozos de captacin de los de inyeccin una distancia mnima de cien metros, para evitar la autointerferencia trmica. Por otra parte, estudiar la posibilidad de emplear, o bien, un aljibe para que el agua no pase directamente al acufero y pueda inyectarse de nuevo al acufero a una menor temperatura, o bien, emplear una enfriadora, para realizar esta operacin. [11] Aunque quiz la mejor alternativa sera efectuar una combinacin de ambas. Ya que si se cambia la ubicacin de los pozos de captacin se soluciona la interferencia, pero no la afeccin trmica del acufero. El programa Feflow es un programa con una interfaz amigable, aunque muy exigente en cuanto al nmero y formato de los datos. Una dificultad aadida es que no existe versin

75 en castellano ni de la interfaz, ni del programa, e incluso todos los manuales del mismo estn en ingls. Otro inconveniente que se le puede achacar al programa, es que en ocasiones no da ninguna sugerencia ni indicacin del porqu la simulacin no converge, o el motivo por el cual no funciona adecuadamente, por lo que hay que ser muy cuidadoso con los resultados de la simulacin y verificar que la solucin es la correcta. Quiz este es un inconveniente que a priori no parezca importante, pero en las manos de alguien inexperto, o que no tenga el conocimiento, tanto matemtico como hidrogeolgico, puede llevar a una interpretacin errnea de la simulacin. En general, y sin considerar lo dicho anteriormente, los resultados que se obtienen del programa al realizar una simulacin, son excelentes, tanto desde el punto de vista grfico, como matemtico e hidrogeolgico. El hecho de que se puedan visualizar distintas vistas (2D o 3D), en planta, de perfil, cortes transversales e incluso realizar una pelcula de la simulacin, hacen que el programa resulte todava ms atractivo. Como ya se ha indicado anteriormente, el programa es muy exigente en cuanto a los datos, tanto cuantitativa como cualitativamente. Al tratarse ste de un aprovechamiento geotrmico de tipo abierto, parece imprescindible de cara al control y monitorizacin del sistema y para dar el visto bueno para la concesin, exigir como requerimientos: datos de nivel topogrfico georreferenciado y de los niveles de las rejillas, el registro de datos durante la explotacin del caudal y de temperatura tanto de la inyeccin como de la captacin y de todos los datos de parmetro. En el caso concreto de los datos de temperatura y caudal de inyeccin, es imprescindible exigir el registro de los mismos, pues generalmente, el sistema geotrmico se emplea segn la demanda de climatizacin y sin embargo, el programa solicita este dato segn una serie temporal. Por lo tanto, teniendo en cuenta el registro de estos datos, la simulacin se ajustara mucho mejor a la realidad, como se observ en la calibracin del programa del presente proyecto. En la siguiente figura se muestra las temperaturas medidas y el nivel piezomtrico medido en el piezmetro de la red del IGME. Las oscilaciones de la grfica se deben a la variacin del nivel piezomtrico, ya que se capta agua del acufero y se inyecta de nuevo en el mismo. Se observa un descenso acusado de nivel piezomtrico, durante el verano de 2011, para el que no se tiene explicacin, y que no se ha considerado en la simulacin del

76 presente proyecto Por ello, sera importante, no slo estudiar el aprovechamiento geotrmico a nivel local, como se realiz en este proyecto, sino que sera importante ampliar la zona de estudio y ver las afecciones de otros sistemas geotrmicos u otras posibles afecciones. De este modo variaran las condiciones de contorno impuestas en el presente proyecto. Es decir, al realizar un modelo de mayor tamao, las condiciones de contorno seran ms afines a las reales.

Piezmetro IGME P-7: Aragonia

201 24

22

Cota piezomtrica [m s.n.m.]

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: Grfico de temperatura y de nivel piezomtrico medidos en el piezmetro. (Fuente: Eduardo Garrido).

De esto se deduce, que calidad y cantidad de los datos son directamente proporcionales a la calidad de la simulacin. Tambin resultara muy prctica e interesante la exigencia de estimar el balance trmico antes de la concesin, como ya se realiza en algunos pases europeos, y as ya desde el inicio se buscaran las soluciones al impacto trmico. Inicialmente incrementara el coste del proyecto pero se asegurara una mayor vida til del sistema.

La normativa espaola es compleja y confusa puesto que no existe una legislacin estatal especfica para este tipo de aprovechamientos, y puede resultar un impedimento a la hora de decidir invertir en este tipo de energa. La mayor complejidad se produce por que las competencias en materia energtica estn cedidas a las Comunidades Autnomas, y stas en ocasiones tienen una normativa energtica propia, por lo que en materia legal la

Temperatura [C]

20

77 tramitacin puede variar de unas Comunidades Autnomas a otras. Por otra parte han de consultarse dos organismos distintos, el rgano competente en materia de aguas, y el rgano competente para la realizacin de sondeos, lo que complica an ms todos los trmites burocrticos para la obtencin del permiso de explotacin. En mi opinin, se debera realizar un esfuerzo por parte del Estado en la creacin de un marco regulador especfico, pues simplificara los trmites, y establecera las bases para una adecuada explotacin de la geotermia. En Espaa los sistemas geotrmicos de muy baja temperatura, y concretamente los sistemas abiertos, se encuentran en fase de desarrollo y de mejora de confianza. Es por ello que la utilizacin de este tipo de aprovechamientos en la ciudad de Zaragoza es pionera; y en este sentido, muy probablemente, se convierta en un referente nacional de este tipo de energa. La inversin en el desarrollo de estudios como el presente, compensa tanto a corto plazo como a largo plazo, al poder extrapolar toda esta informacin en la implantacin de estos sistemas en otros lugares. Desde mi punto de vista, la Administracin Pblica podra jugar un papel determinante en el establecimiento y difusin de este tipo de instalaciones, puesto que para maximizar su rentabilidad, estos sistemas se han de aplicar a inmuebles con un elevado gasto energtico; como podran ser ministerios y edificios pblicos o grandes empresas. Esta prctica permitira acercar esta nueva tecnologa a la ciudadana. Aunque la puesta en marcha de estos sistemas supone un coste de inversin elevado, aproximadamente el doble de una instalacin clsica de calefaccin y refrigeracin, se estima que en un periodo de cuatro aos se habr recuperado la inversin inicial, dado el bajo coste de mantenimiento asociado a estas instalaciones [9]. Si adems se tiene en cuenta el continuo incremento del precio de la energa elctrica y de los combustibles fsiles, podemos concluir que la energa geotrmica se situar en una posicin claramente ventajosa frente a las convencionales. Y por tanto la energa geotrmica de muy baja temperatura jugar un papel clave en el campo de las energas renovables.

78

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS
[1]. GARRIDO SCHNEIDER, Eduardo.; GARCA DE LA NOCEDA, Carlos. Implicaciones hidrogeolgicas de la utilizacin de los acuferos por los pozos de climatizacin. El caso de la ciudad de Zaragoza. I Congreso de Energa Geotrmica en la Edificacin y la Industria, 2008.Madrid, 65-74.

[2]. GARRIDO SCHNEIDER, Eduardo.; SNCHEZ NAVARRO, Jos. ngel.; y COLOMA Pablo. Aprovechamiento geotrmico somero del acufero aluvial urbano de Zaragoza: primeros resultados. 2010 Geogaceta 49, 119122

[3]. MORENO MERINO, Luis et al. Hidrogeologa Urbana de Zaragoza. Madrid, Instituto Geolgico y Minero de Espaa, 2008.

[4]. Directiva Europea 2000/60/CE de 23 de octubre de 2000 por la que se establece un marco comunitario de actuacin en el mbito de la poltica de aguas.

[5]. GARRIDO SCHNEIDER, Eduardo., MORENO MERINO, Luis; y AZCN Antonio. Caracterizacin del medio hdrico subterrneo en la ciudad de Zaragoza y su entorno. Hidrogeologa y Recursos Hidrulicos. 2008. XXVIII, 257-266.

[6]. GARRIDO SCHNEIDER, Eduardo.; et al. Evaluacin del impacto trmico de los aprovechamientos geotrmicos someros del acufero aluvial urbano de Zaragoza. Congreso Ibrico de las Aguas Subterrneas.2011: desafos de la gestin para el siglo XXI. AIH-GE.

79 [7]. CUADRADO SANZ, Justo. Adrin. Elementos constitutivos de un sistema geotrmico de climatizacin mediante cimentacin activa: propiedades y ventajas. Proyecto Fin de Carrera. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid (U.P.M.), 2010.

[8]. LLOPIS TRILLO, Guillermo.; RODRIGO ANGULO, Vicente. Gua de la Energa Geotrmica. Madrid, Fundacin de la Energa de la Comunidad de Madrid.

[9]. GARRIDO SCHNEIDER, Eduardo; SNCHEZ NAVARRO, Jos ngel. Aprovechamiento geotrmico de las aguas subterrneas de Zaragoza. Hacia un crecimiento sostenible. 2009. Obras Urbanas 14, 64-69. Ropero Editores, Madrid

[10]. MONTALVO HERRANZ, Pablo. Aprovechamiento de energa geotrmica de baja entalpa, elementos constructivos y componentes en hotel en Villaviciosa de Odn unifamiliar mediante el empleo de energa geotrmica de baja profundidad. Proyecto Fin de Carrera. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid (U.P.M.), 2010.

[11]. RUIZ DELGADO, Eduardo.; HENDRIKS Marcel.; TOIMIL MATESANZ, Diego. Gua Tcnica de Sistemas Geotrmicos Abiertos. Madrid, Fundacin de la Energa de la Comunidad de Madrid, Grficas Arias Montano, S.A., 2010.

[12]. GARRIDO, Eduardo. y AZCN, Antonio. Problemtica asociada a la explotacin de las aguas subterrneas en el casco urbano de Zaragoza. Serie Hidrogeologa y Aguas Subterrneas .2008. 26, 143-150. IGME, Madrid.

80 [13]. Ley 22/1973 de 21 de julio, declarando el recurso geotrmico un recurso de la seccin D.

[14]. R.D. 2857/1978, de 25 de agosto, por el que se aprueba el Reglamento General de la Minera.

[15]. R. D. Legislativo 1/2008, de 11 de enero, por el que se aprueba el texto refundido de la Ley de Evaluacin de Impacto Ambiental, y las Leyes de Evaluacin Ambiental de la Comunidad autnoma.

[16]. R. D. 863/1985, de 2 de abril, por el que se aprueba el Reglamento General de Normas Bsicas de Seguridad Minera.

[17]. , R. D. Legislativo 1/2001, de 20 de julio, por el que se aprueba el Texto Refundido de la Ley de Aguas y el Reglamento del Dominio Pblico Hidrulico.

[18]. Directiva Europea 2009/28/CE, en la que la energa geotrmica resulta caracterizada explcitamente como fuente de energa renovable.

[19]. R. D. 1027/2007 de 20 de julio, se basa en la necesidad de trasponer la Directiva Europea 2002/91/CE, modificando y derogando as el reglamento vigente en Espaa aprobado en el R. D. 1751/1998 de 31 de julio.

[20]. Directiva Europea 2002/91/CE relativa a la eficiencia energtica de los edificios.

[21]. Real Decreto 47/2007 de 19 de enero, nacido para llevar a cabo la Directiva Europea 2002/91/CE.

81 [22]. . NEVEN, Kresic. Hydrogeology and Groundwater Modeling. New York, CRC Press Lewis Publishers BocaRaton, 1997.

[23]. BAQUERO BEDA, Juan. Carlos.; FERNNDEZ RUBIO, Rafael. Hidrologa Minera y Ambiental. Sntesis de Conceptos Fundamentales. Primera edicin. Madrid: UPM, Grficas Monterreina, S.A. (impresin), 2007.

[24]. GONZALEZ DE VALLEJO, L. J. Ingeniera Geolgica. Madrid, Pearson Educacin, 2004

[25]. HERNANDO GARCA, Miguel. ngel. Modelizacin de flujo y transporte en aguas subterrneas, cdigo MK-2D. Proyecto Fin de Carrera .Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid (U.P.M.), 1996.

[26]. CAAMN VALERA, Israel. Analysis and modeling of coupled thermohydro-mechanical phenomena in 3D fractured media = Anlisis y modelizacin de fenmenos acoplados termo-hidro-mecnicos en medio fracturado. Tesis. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid (U.P.M.) ,2006.

[27]. HIDALGO LPEZ, Arturo. Un modelo numrico para la simulaciones de transporte de calor y liberacin de materia de un almacenamiento profundo de residuos radiactivos. Tesis. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros de Minas de Madrid (U.P.M.), 2000.

[28]. DIERSCH, Hans-Jorg.G; PERROCHET, P. White paper, vol.I. DHIWASY Software. GmbH.Feflow 6 Finite Element Subfarce Flow &

Transport Simulation System. Berln.2010.

82 [29]. ENGEL, Y.A.Transferencia de calor y masa: un enfoque

prctico.McGraw-Hill.2007.

[30]. DIERSCH, H-J.G; et al. White paper, vol.V. DHI-WASY Software. GmbH.Feflow 6 Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation System.Berln.2010.

[31]. DHI-WASY GmbH.Feflow 6 Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation System. Installation Guide & Demonstration ExerciseBerln.2010.

[32]. SEGERLIND, L.J. Applied Finite Element AnalysisNew York, John Wiley & Sons, Inc., 1976.

[33]. DHI-WASY GmbH.Feflow 6 Finite Element Subsurface Flow & Transport Simulation System. User ManualBerln.2010.

[34]. ABESSER, C. Open-loop ground source heat pumps and the groundwater systems: A literature review of current applications, regulations and problems.British Geological Survey Open Report.2007.

[35]. EPTING, J.; HUGGENBERG,P. Thermal management of an urban groundwater body. Hydrology and Earth Sciences Discussions.2012

83 REFERENCIAS DIGITALES Fundacin de la Energa de la Comunidad de Madrid. http://www.fenercom.com/ Feflow. http://www.feflow.info/ Instituto Geolgico y Minero de Espaa. http://www.igme.es Sistemas Energticos Sostenibles. http://www.eneres.es Energesis. http://www.energesis.es Centro Tecnolgico de Eficiencia y Sostenibilidad Energtica.

http://www.energylab.es Agregados de contenidos Calor y Frio. http://www.caloryfrio.com Gothermie Perspectives. http://www.geothermie-perspectives.fr/ Eco Proyectos. http://www.quierosereco.com Groen Energy. http://groen-energie.net/

SIMULACIN MEDIANTE ELEMENTOS FINITOS DE UN APROVECHAMIENTO GEOTRMICO EN LA CIUDAD DE ZARAGOZA

DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO

85

COSTES DE EJECUCIN DEL PROYECTO

El estudio econmico por tratarse de un proyecto de investigacin y aplicacin cientfica se centra en la valoracin de los gastos derivados de la realizacin simulacin numrica. Todos los costes calculados incluyen el 21% de impuestos de valor aadido (IVA), a excepcin de los costes de personal, que estn exentos.

1.1 COSTE DE PERSONAL

El personal requerido para la realizacin del presente proyecto lo compondrn: Ingeniero/a superior snior: ser el encargado de dirigir el proyecto. Le corresponden tareas de acotacin del trabajo, objetivos a alcanzar, supervisin, asesoramiento terico e interpretacin de los resultados obtenidos. Ingeniero/a superior junior: ser el responsable del proyecto, de la recogida de datos, encargado de la puesta en marcha del cdigo empleado, teniendo

conocimientos en modelizacin y del software que se utilizar en el proyecto, y que junto con el ingeniero snior interpretar los resultados obtenidos en el estudio. Administrativo/a: para la formalizacin de documentos.

Coste (/hora) Ingeniero/a superior snior 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: elaboracin propia).

86 1.2 COSTE DE RECURSOS MATERIALES

1.2.1 Material informtico El material informtico utilizado fue puesto a disposicin del proyecto por parte del IGME (Instituto Geolgico y Minero de Espaa), por lo que la valoracin de los costes es complicada. El material informtico requerido ha sido un ordenador personal, impresora y el software propio del sistema informtico, es decir, el sistema operativo Windows 7 y el paquete de programas Microsoft office 2010. Tambin se han empleado programas como de los especficos para la realizacin de los mapas (ArcGIS). Y el programa empleado en la simulacin numrica: Feflow. Estimando unos costes de los equipos para una vida til de 6000 horas:
Precio() Ordenador Porttil Impresora 1500 2000 180 Amortizacin(/h) Utilizacin(h) 0.25 0.33 0.03 290 700 40 SUBTOTAL Coste() 73 231 1 305

Tabla 8: Amortizacin y coste de los equipos informticos (Fuente: elaboracin propia).

Con respecto al software empleado, tambin es difcil estimar el coste de licencias por la misma causa que los equipos informticos. Evaluando unos costes de software utilizado para una vida til de 6000 horas:
Precio() Microsoft office 2010 Feflow ArcGis 170 7300 24000 Amortizacin(h) 0.03 1.22 4 Utilizacin(h) 130 660 200 SUBTOTAL
Tabla 9: Amortizacin y coste del software (Fuente: elaboracin propia).

Coste() 4 805.2 800 1 609.2

87 Ascendiendo el coste de material informtico total:

Coste () Equipos informticos Licencias software SUBTOTAL 305 1 609.2 1 914.2

Tabla 10: Costes material informtico (Fuente: elaboracin propia).

1.2.2 Material fungible Se incluyen en este apartado todos los conceptos de papelera y material de utilizacin en equipos informticos, tales como discos, etc Coste () Material fungible SUBTOTAL 120 120

Tabla 11: Costes material fungible (Fuente: elaboracin propia).

1.2.3 Gastos varios Se incluyen una serie de gastos como son: obtencin de la documentacin, viajes a la zona de estudio, y partidas de gastos sin justificar.

Coste () Gastos documentacin Viajes Gastos sin justificar SUBTOTAL 40 1 000 20 1 060

Tabla 12: Costes recursos materiales (Fuente: elaboracin propia).

88

El coste de recursos materiales total:

Coste () Material informtico Material fungible Gastos varios SUBTOTAL 1 914.2 120 1 060 3 094.2

Tabla 13: Costes recursos materiales (Fuente: elaboracin propia).

1.3 COSTES PARCIALES

Coste () Personal Recursos materiales SUBTOTAL 20 840 3 094.2 23 934.2

Tabla 14: Costes parciales (Fuente: elaboracin propia).

1.4 COSTES GENERALES Y GASTOS TOTALES

Los costes generales, que incluyen partidas como suministros, reparaciones, gastos financieros, mantenimiento, etc, en este proyecto han sido estimados en un 25% de los costes evaluados anteriormente.

Coste () Costes generales y gastos totales SUBTOTAL 5 983.55 5 983.55

Tabla 15: Costes generales y gastos totales (Fuente: elaboracin propia).

89

1.5 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 23 934.2 5 983.55 29 917.75

Tabla: 16 Coste total (Fuente: elaboracin propia).

Por tanto, el coste total de este proyecto asciende a 29 917.75 .