Consideratii privind sistemele de exploatare a apei geotermale - utilizarea pompelor submersibile

Introducere
Utilizarea economica a apei geotermale se poate realiza atunci cand agentul termic extras la suprafata asigura o alimentare a sistemului la debit constant, iar variatia necesarului de energie la consumator in diferite perioade ale anului nu este mare. In Ungaria cazul cel mai frecvent intalnit este cel al unui singur put de productie, iar apa geotermala utilizata ramane la suprafata intr-un bazin de stocare, de unde nu poate reveni in stratul de adancime de provenienta. In consecinta aceasta apa polueaza mediul inconjurator fiind de temperatura ridicata si avand un continut important de saruri. Eficienta energetica a unui asemenea sistem este foarte redusa si este variabila in functie de sezon.

In viitor trebuie sa ne orientam spre sistemele mari cu mai multe puturi active (functionale) dintre care unele trebuie sa fie de repompare. Acest sistem face posibila trecerea de la un sistem de livrare a energiei geotermale la un sistem de gospodarire a acesteia. Alte avantaje ale acestui sistem (captare - repompare) pe langa energia asigurata, sunt: conservarea rezervei de apa, conservarea presiunii stratului de apa si respectarea prescriptiilor de protectie a mediului inconjurator.
Procesul de repompare presupune indeplinirea urmatoarele conditii
• apa geotermala extrasa trebuie repompata in stratul de extractie (asigurarea unui circuit inchis);
• apa repompata trebuie sa aiba aceeasi compozitie chimica cu apa extrasa (conservarea calitatii);
• debitul apei repompate sa fie pe cat posibil constant.

Utilizarea pompelor submersibile
In toate cazurile, (si al zacamintelor arteziene), deci si in cazul puturilor de extractie pozitive, exploatarea apei geotermale trebuie sa se realizeze prin utilizarea pompelor submersibile. Avantajele acestei metode sunt
• realizarea unui reglaj calitativ eficient;
• obtinerea unor debite superioare exploatarii naturale.
Datorita cresterii debitului, temperatura apei extrase va fi mai ridicata cu 5 . 8°C. Aceste avantaje vor conduce, in final, la cresterea puterii termice a putului.
Alegerea pompei submersibile
In vederea alegerii pompei submersibile corespunzatoare trebuie determinate caracteristicile functionale ale acesteia: inaltimea de pompare, temperatura maxima a apei, debitul de apa si puterea motorului electric.
Adancimea la care trebuie pozitionata pompa se stabileste in urma unor masuratori efectuate asupra putului in functie de nivelul hidrodinamic al apei, deoarece pompa trebuie sa fie in continuu sub apa (imersata). La alegerea pompei se va tine seama de parametrii curbei caracteristice cele mai apropiate de randamentul maxim (fig.1).
Ciclurile sistemelor inchise
Sistemele de apa geotermala inchise (fig.2) constau din perechi de puturi (exploatare-repompare). Apa geotermala odata ajunsa la suprafata cedeaza energie termica ramanand in sistem pe tot parcursul ciclului. Curgerea apei geotermale la adancimi mari (in straturile acvifere) are o viteza redusa, este continua si poate fi considerata in regim laminar, bidimensional si stationar.
Domeniul (zona) in care are loc curgerea intre putul de exploatare si cel de repompare poate fi identificata si are frontiere diatermice in roca. Se face ipoteza ca in stratul de adancime are loc transferul de caldura, iar prin frontira sistemului nu are loc transfer de masa. Simplificand astfel procesul se poate spune ca stratul de apa de mare adancime poate fi considerat un sistem inchis. In acest fel un sistem format din doua puturi, stratul de apa geotermala si elementele de suprafata este un sistem inchis.
In figura 3 se prezinta ciclul termodinamic ideal si real aferent sistemului inchis din figura 2, descris anterior. Starile 1-2-3-4 sunt cele aferente numerotarilor din figura 2.
Ciclul sistemului poate fi asemanat cu unul de tip Joule. In termodinamica ciclurile sunt caracterizate de randament. In cazul unui sistem de utilizare a apei geotermale nu atat randamentul ciclului este important cat descrierea si cunoasterea proceselor ce se desfasoara, deoarece acestea stau la baza proiectarii judicioase, pe termen lung, a sistemului de exploatare a energiei.
Energia termica acumulata in apele de mare adancime si in roci este o caldura convectiva. In Ungaria sistemele inchise pot fi exploatate pe termen lung doar in cazul unor roci fisurate. La proiectarea acestor sisteme stabilirea distantei dintre doua puturi este foarte importanta; acesta depinde de curgerea apei ce are loc la mare adancime.
In figura 4 axele x-y determina planul orizontal, iar originea sistemului s-a considerat ca fiind la egala distanta intre putul de exploatare si putul de repompare. Sensul de curgere este spre putul de exploatare. Cunoscand viteza medie (cmed) a curgerii si distanta dintre doua puturi (2a) apa repompata ajunge la putul de exploatare dupa un timp .
Daca apa parcurge un drum mai lung, mentinandu-se un timp mai indelungat in roca, temperatura de extragere va fi mai mare.
Pe baza calculelor teoretice si a unor proiecte franceze realizate se poate spune ca in cazul unor roci carbonatice fisurate, daca distanta dintre cele doua puturi este de 1000 m apa ajunge de la repompare la putul de exploatare in aproximativ un an. De asemenea se pot determina ecuatiile de curent si ecuatia curbei Cassini ce delimiteaza domeniul de curgere. Este foarte importanta observatia profesorului Bobok ca putul de exploatare utilizeaza energia interna a unui sistem hidrodinamic inchis, acesta fiind cazul considerat de noi.
Sistemul de mare adancime este deci diatermic din punct de vedere termodinamic, adica apa nu strabate frontiera domeniului, dar prin conductie sistemul primeste energie termica prin conductie.
Procesele importante ale ciclului sunt:
• prin putul de exploatare se realizeaza extragerea energiei interne a sistemului prin apa geotermala de temperatura inalta;
• prin putul de repompare se introduce apa geotermala de temperatura redusa ce conduce la cresterea energiei interne a sistemului;
• apa geotermala extrasa cedeaza la presiune constanta o parte a energiei termice prin conductie si convectie spre utilizatori;
• in stratul de mare adancime sistemul primeste un flux de energie termica prin frontiera diatermica a domeniului de curgere.
Ca rezultat al proceselor enumerate temperatura apei geotermale in stratul de extractie (pe domeniul considerat) se reduce pana la valoarea de echilibru.
Acest ciclu (extractie - valorificare - repompare - curgere subterana - extractie) poate fi mentinut economic daca proprietatile fizico-chimice ale apei geotermale nu fac posibila aparitia unor interactiuni de natura fizica, chimica sau hidraulica dintre apa si stratul (acviferul) de acumulare. In cazul straturilor nisipoase in prezent evitarea acestor interactiuni reprezinta cel mai important domeniu de cercetare.
Concluzii
In locul exploatarii necontrolate a apei geotermale trebuie sa trecem la o exploatare economica si eficienta. Scopul principal de dezvoltare si imbunatatire al acestor sisteme este rezolvarea problemei repomparii apei uzate, pastrarea rezervei de apa si a presiunii in stratul de baza.
Toate puturile, inclusiv cele pozitive trebuie exploatate cu pompe submersibile. Acestea permit un control economic al debitului, toate dezavantajele utilizarii vanelor de reglaj fiind evitate.
Prin utilizarea unor schimbatoare de caldura la suprafata si repomparea apei uzate, se obtine un circuit inchis deoarece stratul de apa de mare adancime poate fi considerat inchis din punct de vedere hidrodinamic datorita curgerii apei cu o viteza foarte mica. Astfel, sistemul si procesele ce au loc pot fi reprezentate printr-un ciclu termodinamic. Sistemul de exploatare al energiei geotermale functioneaza in stare de echilibru exploatand si caldura acumulata in straturile de roca. Instalatiile moderne de exploatare ale apelor geotermale vor functiona intr-un sistem inchis, fiind alcatuite din mai multe puturi de exploatare si de repompare.

Gospodarirea apelor subterane

Gospodarirea apelor subterane are drept obiect toate formele de ape subterane, care se scurg sub nivelul solului. La randul ei, aceasta poate fi impartita in:

gospodarirea apelor freatice

gospodarirea apelor subterane de profunzime

Put cu cumpana Puturile cu cumpana sau cu roata sunt cele mai vechi instalatii utilizate de om pentru extragerea apelor subterane. In prezent sunt din ce in ce mai putin folosite, atat din cauza introducerii unor statii de pompare automate, cat si din cauza poluarii apelor freatice, care impune extragerea apei din straturi mai adanci. Cu toate avantajele lor, instalatiile moderne sunt insa lipsite de farmecul vechilor puturi cu cumpana.

Document online: Invelisul geografic - megageosfera integrata - sinteza a interferentei si conlucrarii geosferelor Eseu: Italia oficial Republica Italiana - date Geografice

Gospodarirea apelor freatice

Gospodarirea apelor freatice se ocupa de apele subterane de mica adancime, in care majoritatea fenomenelor de scurgere au loc cu nivel liber si care sunt mai strans legate de apele de suprafata. Desi apele subterane se scurg si ele, vitezele de scurgere sunt mult mai mici, iar straturile subterane constituie si rezervoare in care apa se acumuleaza. De aceea, inca din cele mai vechi timpuri, oamenii au utilizat puturi care sa le permita sa extraga apele freatice pentru diferite folosinte. Rezervoarele subterane si posibilitatile lor naturale de improspatare sunt de limitate. De aceea, daca resursele de apa subterane sunt suprasolicitare, se ajunge la o scadere a nivelului apelor subterane avand ca efect secarea puturilor mai putin adanci. Gospodarirea apelor freatice urmareste mentinerea echilibrului natural al straturilor acvifere precum si solutii de sporire a alimentarii straturilor subterane prin metode ca reimprospatarea artificiala a straturilor subterane.

Deoarece in cursul proceselor de infiltrare, apele antreneaza diferite substante poluante de la suprafata solului aceste substante fie ajung in apele freatice, fie se depun in solurile care constituie straturile acvifere sau in cele de deasupra lor. Ca urmare are loc o deteriorare a calitatii apelor subterane, care le face improprii folosirii. Fenomenul se produce pentru toate formele de apa subterana, dar este deosebit de intens pentru apele freatice, tocmai din cauza adancimilor reduse la care se afla. Acest proces poate ajunge atat de intens incat sa devina ireversibil. O sursa de poluare a apelor subterane o constituie si pierderile din conducte si rezervoare ingropate, care contin lichide poluante. Apele freatice din subteranul marilor aglomeratii urbane sunt practic peste tot inutilizabile. Adeseori, solurile de la suprafata sunt atat de murdarite, incat singura solutie este indepartarea lor si inlocuirea lor cu soluri proaspete, solutie inerent aplicabila numai pe suprafete relativ reduse.

Gospodarirea apelor subterane de profunzime

Rezervorul Ajdabiya de pe Marele Rau Artificial (Libia).
Proiectul Marele Rau Artificial este cea lucrarea cea mai ampla de utilizare a rezervelor de apa fosila- Sistemul capteaza apele fosile inmagazinate sub desertul Sahara si le utilizeaza pentru irigarea terenurilor agricole din oaze artificiale sau pentru alimentarea cu apa a oraselor.

Gospodarirea apelor subterane de profunzime se ocupa de apele subterane care sunt inmagazinate la adancimi mai importante sub suprafata solului, fiind mai putin legate de apele de suprafata si unde majoritatea fenomenelor de scurgere au loc sub presiune. Multe din problemele expuse pentru gospodarirea apelor freatice sunt aplicabile si pentru apele de profunzime.

In sfera de preocupari ale gospodaririi apelor de profunzime intra si utilizarea rezervelor de apa fosila. Ritmul de reimprospatare a acestora fiind practic neglijabil, aceste ape trebuie considerate ca un zacamant mineral care este exploatat, oarecum similar petrolului, apa fiind extrasa pana la epuizarea zacamantului. Tot in domeniul apelor de adancime se poate incadra gospodarirea apelor din zonele cu fenomene carstice, cum sunt pesterile sau alte cavitati subterane. Un caz aparte il constituie apele minerale, care au un anumit continut natural de saruri sau substante gazoase, care le fac proprii pentru folosire in scopuri medicinale sau pentru alimentatie. Deoarece valoarea acestor ape minerale este determinata tocmai de caracteristicile lor calitative, mentinerea acestor caracteristici este de importanta deosebita pentru comercializarea lor. Pentru apele minerale, gospodarirea apelor subterane de adancime se preocupa de eliminarea oricaror actiuni sau masuri care ar putea modifica aceste caracteristici calitative.

Unele ape subterane de adancime sunt ape termale, a caror temperatura este mai ridicata din cauza intrarii lor in contact cu straturi geologice, adeseori de natura vulcanica, in care sunt incalzite. Daca aceste ape au si un continut de saruri care le confera proprietati curative, ele sunt tratate drept ape minerale. Exista insa cazuri in care apele termale sunt utilizate in instalatii de incalzire. In legatura cu apele termale, gospodarirea apelor subterane de adancime nu se ocupa doar de utilizarea lor, ci are ca obiect si realizarea de sisteme artificiale, prin care apa de la suprafata este condusa artificial pana in straturile geologice calde, unde i se ridica temperatura, dupa care este readusa la suprafata solului si utilizata.

Prabusire de teren in zona Ocnele Mari, jud. Valcea, (Romania).
Exploatarea rezervelor de sare din subteran au determinat formarea unor caverne care, in timp s-s-s-au prabusit, formand depresiuni la suprafata solului.

In domeniul combaterii actiunilor daunatoare, adeseori provocate prin actiuni antropogene, se pot incadra masurile de prevenire a prabusirilor de teren ca urmare a extragerii de materiale din subteran. Unele extrageri de apa sau alte lichide din straturile subterane, fara reimprospatarea lor, lasa in subteran goluri, care ajung in situatii nestabile, fiind umplute din straturile de deasupra, prin tasare, fenomenul propagandu-se pana la suprafata solului, ducand la producerera de adancituri. Asemenea procese pot avea si cauze naturale, daca materialul fin din sol este spalat prin actiunea mecanica a apei sau prin dizolvare astfel incat raman goluri prea mari care, de asemenea, se umple prin prabusiri.

Alteori, apa este utilizata in subteran pentru actiuni miniere, de exemplu, pentru extragerea de sare prin dizolvarea zacamintelor de sare si conducerea saramurii rezultate pana la punctele de prelucrare. Acest proces lasa in subteran mari caverne, care in multe cazuri se prabusesc, formand depresiuni la suprafata solului. Asemenea procese pot apare din cauze naturale, un exemplu frecvent fiind cel al ponoarelor din zonele carstice, formate din prabusirea unor pesteri.