TEMADECAPA
TEMADECAPA
por RITA ASCENSO
Geotermia
Do interior da terra
para os nossos edifícios
Para além da sua utilização para fins termais, a energia geotérmica não é ainda
muito popular em Portugal continental. Mas isso está a mudar e o potencial de usar
essa energia para climatizar os edifícios e aquecer águas sanitárias está a levantar
interesses. As bombas de calor geotérmicas são a tecnologia ideal para o efeito.
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TEMADECAPA
TEMADECAPA
por FILIPA CARDOSO
E
m Portugal, a geotermia tem sido tratada como
o “filho enjeitado” entre as fontes de energia renováveis. “Não temos potencial, é caro e de difícil
execução” são algumas das ideias feitas que têm
afastado as pessoas desta solução. Mas a realidade não é
esta. Ainda que em Portugal continental as temperaturas
disponíveis não sejam suficientemente elevadas para a
geração de energia eléctrica, há outro potencial que se pode
aproveitar: a instalação de bombas de calor geotérmicas,
que podem ser usadas para climatização e produção de
águas quentes sanitárias.
O investimento necessário para a instalação, em particular
para a perfuração, de um sistema destes é ainda o principal
obstáculo ao mercado. Porém, estudos rigorosos na fase de
projecto, testes de resposta térmica no início da instalação
e a monitorização e controlo durante a operação podem
minimizar esta questão. Juntando a isto o rápido retorno de
investimento proporcionado pelo rendimento elevado da
solução, podemos concluir que esta não é assim tão cara
e com a mais-valia de poder ser facilmente integrada com
outras tecnologias.
por FILIPA CARDOSO e RITA ASCENSO
A GEOTERMIA E AS BOMBAS DE CALOR
Em linguagem comum, a geotermia é a energia da terra.
Explorada pelo homem como fonte renovável, essa energia,
que provém quer da absorção da radiação solar pelo solo,
quer como resultado da actividade telúrica, do núcleo e do
manto, é retirada do interior do solo e usada como energia
eléctrica ou energia térmica.
Tudo depende das temperaturas de que estamos a falar:
se superiores a 180º, trata-se de geotermia de alta entalpia, profunda, e com ela é possível gerar electricidade;
a média entalpia integra temperaturas entre os 90º e os
180º, possibilitando também a geração eléctrica; entre os
30º e 90º, temos a baixa entalpia e essa energia só pode
ser aproveitada para usos térmicos, de forma directa ou
indirecta. Ainda abaixo dos 30º, podemos ter a muito baixa
entalpia, que é aproveitada, regra geral, de forma indirecta
com recurso a bombas de calor geotérmicas. Estas “ajustam
a temperatura que se consegue do solo para aquela de que
precisamos no edifício”, simplifica Bukhard Sanner, presidente
da European Geothermal Energy Council (EGEC). As bombas
de calor geotérmicas utilizam a energia do subsolo para
A exploração da geotermia de baixa entalpia, nomeadamente através de bombas de
calor, deve ser encarada como uma possibilidade de economia de utilização de energia,
à semelhança do que acontece com a energia solar térmica.
O processo de instalação exige cuidados especiais, formação
específica adequada e que não existe ainda no nosso país.
Mas está a ser desenvolvida e temos já vários especialistas
na matéria.
A recente criação da Plataforma Portuguesa para a Geotermia Superficial (PPGS) pode ajudar a desbloquear algumas
destas barreiras, trazer a geotermia para junto das pessoas,
à semelhança do que acontece, por exemplo, com a energia
solar, e levá-la também aos projectistas, fazendo desta uma
solução mais comum. Em simultâneo, a Direcção Geral de
Energia e Geologia (DGEG) está também a estudar uma
nova legislação para o assunto, o que prova que este é um
recurso que vale a pena explorar. Todavia, os especialistas
chamam à atenção de que a exploração da geotermia de
baixa entalpia, nomeadamente através de bombas de calor,
deve ser encarada como uma possibilidade de economia de
utilização de energia, à semelhança do que acontece com
a energia solar térmica. E isto prende-se com um princípio
respeitador daquilo que a natureza nos consegue oferecer. A
energia térmica armazenada no solo é um recurso limitado
que só pode ser usado na medida em que a natureza o
disponibiliza, caso contrário são atingidos níveis de saturação. Para que isso se possa evitar podem ser utilizados
dispositivos tipo buffers. O bom funcionamento de uma
instalação depende disso. Há que respeitar o solo, as suas
características e aquilo que, em cada momento, este nos
pode oferecer.
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aquecimento, arrefecimento e produção de águas quentes
sanitárias (AQS).
A eficiência destes sistemas, permitindo a redução de custos de aquecimento e arrefecimento entre 25 a 75%, tem
tornado a solução cada vez mais atractiva, em particular no
Norte da Europa, e começa já a ser apetecível em Portugal.
Os sistemas com bombas de calor geotérmicas são constituídos por um circuito primário e um secundário. No primeiro,
está incluída a captação geotérmica (furos): os permutadores
de calor enterrados, as bombas de circulação, tubagens,
colectores e outros equipamentos auxiliares. O circuito secundário corresponde à distribuição de água para o edifício
e é semelhante aos restantes sistemas de bombas de calor
ou caldeiras. Há ainda a bomba de calor em si, responsável
pela produção de frio ou calor.
A diferença entre esta e outras tecnologias está no circuito
primário, que pode ser aberto ou fechado. Nos circuitos
abertos, são feitos furos para extracção e injecção de água e
utilizadas águas de minas ou túneis. Nos circuitos fechados,
a instalação pode ser vertical, através de permutadores
enterrados de 60 a 250 m, ou horizontal, e, nesse caso,
os permutadores são enterrados a uma profundidade de
pelo menos 1,2 a 1,5 m. Há ainda a possibilidade de que
a troca de calor seja feita na superfície de águas de lagos,
rios e mares, mas nesta situação já não estamos perante
geotermia, esclarece Luís Coelho, do Instituto Politécnico de
Setúbal, mas sim de hidrotermia.
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por FILIPA CARDOSO e RITA ASCENSO
A estabilidade da temperatura do solo ao longo do ano surge a favor das
bombas de calor geotérmicas, que conseguem bons desempenhos mesmo
quando a temperatura exterior é muito fria.
CUSTOS INICIAIS SÃO CALCANHAR DE AQUILES
As bombas de calor geotérmicas são comprovadamente uma
solução eficiente e utilizam uma fonte de energia renovável,
o que faz delas uma tecnologia com baixas emissões de CO2.
No entanto, por mais eficiente que uma bomba geotérmica
seja, os custos envolvidos na sua instalação, em particular
na perfuração, podem fazer com que o investimento seja
considerável. “As bombas de calor geotérmicas compensam
em locais onde faz realmente frio”, explica Aníbal Traça de
Almeida, professor da Universidade de Coimbra. Mas não
só: “em climas mediterrânicos, o arrefecimento é muito
interessante com estes sistemas e permitem equilibrar a
extracção de calor do solo”, refere Nelson Tavares, engenheiro
na empresa especializada em projectos de geotermia Geoplano Technic. “Um local onde haja muito frio, mas também
muito calor (amplitude térmica significativa), como é o caso
de certas regiões de Portugal, o sistema pode funcionar a
produzir calor no Inverno e frio no Verão, funcionando o ano
inteiro e, portanto, aumentando a sua rentabilidade”, explica,
por sua vez, Pedro Madureira, da Associação Portuguesa de
Geólogos (APG) e da recém-criada Plataforma Portuguesa
para a Geotermia Superficial (PPGS).
Uma das mais-valias da geotermia é a estabilidade da
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temperatura do solo, que, sem grandes oscilações durante
o ano, permite ir buscar calor interno a um meio que tem
uma temperatura próxima do que aquela que procuramos
para o nosso conforto durante todo o ano. Em climas mais
amenos, como é o caso de Portugal, as bombas de calor
aerotérmicas são as principais concorrentes, isto porque com
uma temperatura do ar mais elevada, a relação custo-benefício do equipamento será muito interessante. Contudo, “a
temperatura do solo afigura-se em qualquer caso sempre
mais interessante do que a temperatura do ar exterior”,
considera Nelson Tavares. “Em termos teóricos, a eficiência
depende das temperaturas entre as quais é trocada a energia
sobre a forma de calor”, refere Luís Coelho.
A estabilidade da temperatura do solo ao longo do ano surge
a favor das bombas de calor geotérmicas, que conseguem
bons desempenhos mesmo quando a temperatura exterior
é muito fria. “As bombas de calor geotérmicas têm uma
eficiência superior, até mais 50%, devido à estabilidade da
temperatura, podendo ainda funcionar muito mais tempo”,
comenta Nelson Tavares.
Apesar dos custos, as bombas de calor geotérmicas são,
para este especialista, “claramente” uma boa solução para
Portugal. “A bomba geotérmica está, em termos de custos,
ao nível das bombas ar/água, excluindo os respeitantes aos
furos. Porém, se estes forem feitos de acordo com um estudo
com a devida proporção, estes custos serão rapidamente recuperados com as poupanças energéticas que se alcançam”,
aponta o especialista. A solução tem ainda de se debater
com a concorrência de soluções chave-na-mão – “podemos
ir a uma grande superfície e comprar uma bomba de calor
barata, mas com eficiência duvidosa e elevado nível de
ruídos e isto é um problema”, refere.
De acordo com Luís Coelho, o custo dos furos geotérmicos
pode variar entre os 35 e 45 euros/metro linear, o que pode
resultar em valores finais avolumados. Os custos de instalação, para circuitos abertos em furos de água, podem variar
entre 600 e 1000 Euros/kWth e entre 1000 e 1500 Euros/
kWth para um circuito fechado. Os números apresentados
por Luís Coelho apontam ainda para custos de funcionamento
(electricidade e manutenção) de 0,015-0,028 Euros/kWth.
Em termos de custo total de aquecimento/arrefecimento,
tendo em conta uma desvalorização de 5% em 20 anos de
vida, as bombas de calor geotérmicas apresentam valores
entre os 0,038-0,048 euros/kWth, face a 0,065 euros/kWth
das caldeiras a gasóleo, 0,058 euros/kWth a gás natural.
Um aspecto a considerar quando se está a projectar um edifício é a possibilidade de ter fundações termoactivas ou, por
outras palavras, o aproveitamento de estruturas de fundação
dos edifícios para promover trocas térmicas. “Quando temos
um edifício que sabemos que vai ter fundações profundas,
podemos e devemos equacionar a colocação de sondas
geotérmicas nessas fundações”, sugere Pedro Madureira. “Os
projectistas de engenharia civil, geotecnia e AVAC deveriam
ter isto em consideração nos seus projectos, principalmente
naqueles com fundações indirectas (estacas) ou contenções
profundas (paredes moldadas, lajes de fundo, etc.)”, tornando, assim, possível fazer “aproveitamento térmico através
das estruturas, rentabilizando-as ao dar-lhes um papel termoactivo, para além do papel de estrutura de fundação.
É uma forma de rentabilizar o investimento”, considera. A
Escola Superior de Saúde da Universidade de Aveiro tem
um sistema deste tipo, conseguindo-se uma redução do
consumo de energia térmica associada à aplicação destes
recursos para o condicionamento de ar de 75%.
A facilidade de integração com outras tecnologias de energia
renováveis é ainda uma das vantagens das bombas de calor
geotérmicas, que podem ser combinadas com energia solar
térmica e fotovoltaica, com sistemas de armazenamento de
energia, incluindo no subsolo, e ainda com outros sistemas
de climatização.
REGRAS PARA UMA BOA INSTALAÇÃO
Com a componente de custos iniciais a assumir um papel
tão decisivo, um balanço financeiro adequado é fundamental, recomendam os especialistas. O ponto crítico, está no
circuito primário, no custo dos furos e dos permutadores
enterrados. “Um mau estudo pode tornar uma potencial
solução óptima na pior de todas”, considera o professor do
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Instituto Politécnico de Setúbal.
Actualmente, existem modelos numéricos que permitem
prever o desempenho dos furos com base na sua resistência térmica, mas podem não ser suficientes. Para Luís
Coelho, para além dos cálculos, é necessário realizar testes
de resposta térmica locais - TRT. “Projecto, faço um furo e
testo para ver se os cálculos foram bem feitos, já existem
equipamentos para esse efeito”. “É preciso conhecer a
resistência térmica do furo”.
Sobre este assunto, Nelson Tavares explica que, “face à
impossibilidade de prever com rigor as características do
solo – podem, por exemplo, existir falhas, cavidades, densa
fracturação – deve fazer-se a introdução de calor num primeiro furo e, a partir dessas verificações, fazer a afinação
do projecto”. Desta forma, é possível assegurar uma maior
eficiência e garantir a recuperação mais rápida do investimento inicial. Mas os TRT podem também ser feitos em
sistemas existentes – “por vezes não se sabe como foi feito o
estudo e para verificar se o sistema se mantém equilibrado
podem ser feitos TRT”, diz. “Estes projectos são feitos a 25
anos e pode haver variações ao longo do tempo”, refere.
Importante para a eficiência da bomba de calor geotérmica é a monitorização, embora seja, segundo Nelson
Tavares, um processo caro e que não é ainda muito feito
em Portugal. “O equilíbrio da temperatura do solo deve ser
monitorizado, a forma mais correcta é em funcionamento
com a instalação. No caso das habitações, o sistema a
seleccionar dependerá da disponibilidade financeira do
cliente, tentando-se minimizar custos, tendo em conta que,
para instalações mais pequenas o sistema de monitorização
pode ser dispendioso. Já no caso dos edifícios de serviços,
o sistema de monitorização e controlo é fundamental para
gerir os custos e não tem um peso significativo no total do
sistema”, aponta.
A resistência térmica do furo está dependente do material
que é usado para os tubos, daquele que é usado no seu
enchimento, da sua espessura e do seu diâmetro, sendo
ainda preciso ter em conta as características do escoamento
do fluido, aponta Luís Coelho.
É importante referir também aqui o princípio respeitador
com que se deve olhar a energia geotérmica. A saturação
do solo foi já prejudicial para várias instalações, por isso é
necessária não só uma gestão e monitorização eficazes, mas
também ter-se a noção de que a exploração deve respeitar
a capacidade de transferência térmica, não exigindo do solo
mais do que ele é capaz de fazer ou absorver.
GEOTERMIA EM PORTUGAL
Quando falamos em geotermia no caso português
(ver pág. 18), referimo-nos essencialmente à de baixa
entalpia, ou seja, geotermia de superfície e a baixa
temperatura. O interesse na geotermia vem desde os
tempos romanos, com a utilização para a balneoterapia.
No entanto, a primeira referência que nos ocorre será
certamente o arquipélago dos Açores, cujas temperaturas mais elevadas dos recursos geotérmicos permitiram a execução de projectos também para a geração
de electricidade. Já no continente, o aproveitamento
é feito para fins térmicos, em particular em estações
termais, estufas, redes de aquecimento. No entanto,
segundo a Direcção Geral de Energia e Geologia, foram
recentemente assinados cinco contratos de prospecção e
pesquisa de geotermia estimulada. “Portugal continental
possui um apreciável potencial geotérmico, evidenciado
pelo elevado número de ocorrências com temperaturas
superiores a 20ºC, utilizadas com finalidades termais
desde os tempos antigos”, apontam Carla Lourenço e
José Cruz, da DGEG.
Enquadramento legal
O primeiro diploma legal referente à geotermia data
de 1976. Num contexto marcado pela crise energética
dos anos 70, os especialistas olharam para os recursos
renováveis numa tentativa de encontrar alternativas aos
combustíveis fósseis para a geração de electricidade. O
decreto-lei 560/-C/76 marca o surgimento desta preocupação em Portugal.
A Directiva para as Renováveis de 2009 classifica as
bombas de calor como uma tecnologia de energia renovável, permitindo que a energia captada por estas seja
contabilizável para o cumprimento das metas nacionais
(31% no caso português). Embora a lei comunitária
tenha sido publicada em 2009, só em Março deste ano
a Comissão fixou as condições para que as bombas de
calor possam ser consideradas como renováveis: no
caso das bombas de calor eléctricas, deverão alcançar
um COP de 2,5 (EN 14825:2012 e EN 16147 para AQS);
para as bombas de calor térmicas, o COP deverá ser de
1,15 (EN 12309). Decisão que não foi ainda transposta
para a lei nacional.
COMPETÊNCIAS
No que se refere à instalação, a formação exigida legalmente é a de qualquer instalador de tecnologias de energias
renováveis, com uma formação adicional em perfuração.
“Terá de ser equacionado o enquadramento da formação
necessária dos sondadores para as especificidades dos
sistemas geotérmicos superficiais verticais”, admite Luís
Silva da DGEG, acrescentando que se encontra em estudo
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criamos conforto
CASOS PRÁTICOS
balho centrou-se na melhor escolha de um fluido refrigerante
e tipo de ciclo e na demonstração de funcionamento do protótipo. Nesse âmbito, foram instaladas duas bombas de calor
geotérmicas com capacidade de aquecimento de 15 kW e 12
kW arrefecimento cada, com cinco furos geotérmicos a 80 m
(três permutadores de calor duplo-U e dois coaxial simples).
A distribuição é feita com ventiloconvectores a dois tubos.
A instalação beneficiou de um solo com boa condutividade
térmica e existência de água subterrânea. Em termos de COP,
a bomba de calor obteve 6,05 para uma potência de aquecimento de 12,11 kW e uma potência eléctrica de 2 kW. O
sistema usa R410A como fluido refrigerante, compressores
de alta eficiência, evaporador duplo contra-corrente e equicorrente e um condensador de alta capacidade. Com base no
funcionamento, foi possível apurar que a configuração em
duplo-U mostrou mais eficiência.
O projecto do nosso cliente
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O PROJECTO BRIGANTIA ECOPARK
“O edifício do Brigantia Ecopark, em Bragança, está dotado
de três bombas de calor geotérmicas (BCG), uma apenas
para aquecimento de águas quentes sanitárias e duas para
a climatização do edifício. Para fazer a dissipação do calor
gerado pelas BCG, foram executados 45 furos geotérmicos
com uma profundidade de 120m. No que se refere à BCG para
AQS apenas é aproveitado o calor gerado pela mesma estando
interligados com os depósitos de AQS, promovendo assim o
aquecimento da água. Nesta BCG, o circuito de frio está ligado
à instalação geotérmica, permitindo desse modo a dissipação
do frio através da mesma. As restantes BCG produzem água
arrefecida e aquecida, para climatização cada um dos circuitos
está ligado a um depósito de inércia de 9000L. Quando cheios,
o excesso de água aquecida/arrefecida é dissipado para os furos
geotérmicos promovendo assim o perfeito funcionamento das
máquinas. Sob este edifício, está ainda um conjunto de tubos
enterrados que servirão para fazer a admissão de ar novo às
Unidade de tratamento de ar (UTA). O elevado caudal de ar
novo que é necessário introduzir no edifício, do qual resulta
um aumento da energia de aquecimento/arrefecimento do
ar exterior devido ao fato de na estação de aquecimento ser
necessário aquecer o ar introduzido no edifício desde os -3ºC
até cerca de 22ºC e de na estação de arrefecimento ser necessário arrefecer o ar introduzido desde os 35ºC até aos 25ºC, de
modo a não causar desconforto nos ocupantes. Para reduzir
os custos de aquecimento/arrefecimento do ar, nas condições
atrás descritas, optou-se por aproveitar a temperatura do solo
(cerca 15ºC e constante ao longo do ano) para pré aquecer/
arrefecer o ar introduzido no edifício. Desta forma, espera-se
reduzir significativamente o consumo de energia, melhorando
assim a eficiência do sistema”. (Nuno Cardoso, OCRAM Clima)
GROUND-HIT – SETÚBAL
O Instituto Politécnico de Setúbal participou no projecto Ground-Hit através do desenvolvimento de uma bomba de calor
geotérmica de alta eficiência para aquecer e arrefecer. O tra-
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GROUNDMED – COIMBRA
No âmbito do projecto europeu Ground-Med, foi instalada
uma bomba de calor geotérmica no edifício piloto em Coimbra
(ex-ARH centro, actual Agência Portuguesa do Ambiente) em
substituição de uma bomba de calor ar/água com 54,5 kW
capacidade para aquecimento e 51,4 kW para arrefecimento.
A nova instalação aquece e arrefece o último piso do edifício,
com 22 gabinetes e 600 m2 de área climatizada, sendo a distribuição feita com um sistema hidrónico ligado a duas unidades
de tratamento de ar. O sistema dispõe de uma capacidade
de 34 kW para aquecimento e de 48 kW para arrefecimento,
com sete permutadores de calor enterrados a 125 metros,
em duplo-U. As temperaturas obtidas são de 16ºC no Inverno
e de 20º no Verão.
Muito em breve, esta instalação vai contar com um sistema
de armazenamento na cave do edifício com um volume de
3,5 m3. O tanque de armazenamento de calor será composto
por material de mudança de fase (PCM) já encapsulado. Com
isto, será possível usar esta energia armazenada nas horas
de pico, reduzindo os custos de operação com electricidade.
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A geotermia de superfície está neste
momento em estudo na DGEG, no sentido
de se definir um novo enquadramento para
estes sistemas.
na secretaria de Estado da Energia a possibilidade de se
vir a regulamentar as profissões previstas na Directiva das
Renováveis onde se inclui o instalador de sistemas geotérmicos superficiais. Segundo o responsável, a geotermia
de superfície está neste momento em estudo na DGEG,
no sentido de se definir um novo enquadramento para
estes sistemas, com as seguintes preocupações: notificação
prévia das instalações, avaliação da exploração de recursos
hidrominerais no caso dos sistemas abertos e o cadastro
das instalações no país.
“A oferta de formação adequada ainda não existe”, aponta
Pedro Madureira, que considera que deveria haver formação
que permitisse que as diferentes especialidades envolvidas
na execução de um aproveitamento comunicassem entre si,
com noções de geotermia superficial, de bombas de calor, de
perfuração, do funcionamento dos equipamentos envolvidos
e de geologia, com destaque para a hidrogeologia. Consciente dessa lacuna, a PPGS está neste momento a tentar
encontrar formas de ajudar a colmatar essa situação – “está
a ser pensado o desenvolvimento de uma formação teórica,
baseada no modelo curricular do antigo programa europeu
Geotrainet, adaptado aos perfis de formação preconizados
pelas entidades reguladoras nacionais”. Para o responsável,
“a formação deve andar de mãos dadas com a legislação”
e essa está ainda a ser trabalhada. A instalação de uma
bomba geotérmica implica uma forte interdisciplinaridade.
Muitas vezes, o sucesso de uma instalação só acontece se
estiverem presentes valências e competências diversas:
projectista (engenheiro mecânico), perfurador/sondador,
geólogo e instalador.
O conhecimento das características do solo é fundamental.
“Tem de se ter noção do terreno, do que se pode obter e
de como se vai fazer”, afirma Pedro Madureira. Conhecendo
as características do terreno, é possível perceber quais os
parâmetros térmicos do subsolo a considerar, como deve
ser feita a perfuração e ainda quais os riscos ambientais
envolvidos, etc.
“Os projectos que mexem directamente com a água subterrânea são os mais sensíveis, em particular os sistemas
abertos”, refere Madureira. Segundo o geólogo, no caso dos
sistemas fechados, o risco para o ambiente é “relativamente
reduzido - embora perfurações profundas devam ser sempre
objecto de aferição do cenário geológico/hidrogeológico - e
aí as entidades reguladores (DGEG e Associação Portuguesa
do Ambiente) podem e devem agir nas autorizações”. Pode
haver o risco de contaminação, já que quando há mudanças de temperatura pode haver alterações no quimismo
das águas e nos microorganismos existentes – “é preciso
considerar e dimensionar o efeito do nosso aproveitamento
no eventual aquífero existente. Por cá ainda não há regulamentos nesse sentido, estamos a tentar contribuir para
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