Ingeniero Civil Mecánico / La energía geotérmica de muy baja entalpía representa una importante fuente de energía dado que puede ser utilizada en cualquier lugar y cualquier momento, además de su alta confiabilidad. La relativa constancia de la temperatura del suelo a profundidades mayores de 5 [m] hace de este medio una fuente térmica importante y estable. Los sistemas de intercambio térmico agua-tierra se han usado en países con estaciones marcadas para satisfacer requerimientos de climatización. Para obtener/disipar el calor, según la estación, y generar una simulación correcta se deben conocer las propiedades reales del medio, en este caso el suelo, donde estará instalado el intercambiador. Para esto, se recopila información de propiedades físicas de suelo para realizar una simulación lo más realista posible; las condiciones del problema obligan a analizar la tridimensionalidad de éste, siendo un objetivo de la memoria. Se estudia la transferencia de calor a disipar durante la estación de verano y temperatura de salida del fluido de trabajo vía modelación numérica de la temperatura alrededor de arreglos de tubos. Con estos resultados se obtiene información válida para el diseño de estos intercambiadores. Como resultado se obtuvo valores de transferencia de calor y temperatura de salida del fluido circulante, para una, dos, tres, cinco y diez sondas en serie y dos líneas de diez sondas en serie, con perfiles de temperatura a diferentes tiempos de la estación de verano, junto con valores de transferencia de calor promedio para diferentes mallados, largos de sonda y velocidad de entrada del flujo de trabajo para la sonda individual y para la sonda doble con diferentes largos de conexión, con un set de propiedades térmicas de suelo propias del sector de Talagante. Se obtuvo también una expresión simplificada del calor obtenido por un conjunto de líneas de sondas en paralelo dadas las condiciones del sistema (con diez sondas en serie por línea con aproximadamente 330 metros de tubería): Qnlineas = n*Q1linea; n pertenece a los naturales; Q1linea = 2.671,5 [W] Para este caso define la transferencia de calor total promedio de n líneas en paralelo, comparable con la necesidad de algún sector en el que se pueda instalar el equipo.

Ingeniero Civil Mecánico / El aumento progresivo en los costos de producción de electricidad en nuestro país, sumado al déficit que se prevé que este insumo presentará considerando el crecimiento gradual de su demanda frente a la cobertura actual de su oferta, se debe, entre otras variables, a la exigua diversificación de nuestra matriz energética frente a las alternativas de generación tradicionales; termoelectricidad e hidroelectricidad. Ante este escenario, es menester el desarrollo de nuevas tecnologías para la producción de electricidad, a partir de fuentes nacionales, con costos competitivos, de fácil acceso, y con poco impacto en el medio ambiente. Mediante el presente Trabajo de Título, se busca dar solución a esta necesidad, brindando sustento teórico a la termodinámica implicada en la transformación energética comprendida en el uso de recursos geotermales. A partir de la programación de cuatro configuraciones de ciclo orientadas a la generación eléctrica con sistemas geotermales hidrotermales; ciclo de utilización directa, ciclo de una etapa de expansión súbita, ciclo de doble expansión súbita y ciclo binario, y utilizando diferentes temperaturas del geofluido para distintas condiciones de presión de entrada, se obtuvieron resultados que permitieron realizar un análisis completo a cada uno de los ciclos modelados, para luego comparar, mediante la fabricación de diagramas, los desempeños según potencia máxima generada y eficiencia térmica lograda, con el fin de recomendar alguna configuración para un recurso geotermal en particular. Se empleó en estas modelaciones agua pura como fluido geotérmico, una curva de producción del pozo obtenida de la bibliografía y una temperatura de condensación de 40 [°C]. Se encontró que la temperatura del yacimiento, con el nivel de potencia generado y la eficiencia térmica se relacionaban de forma directa. De manera similar, la presión de entrada determina el flujo másico de geofluido participante, y aumenta levemente el trabajo específico desarrollado en la turbina. Entre las configuraciones que presentaron mejor desempeño, se observó notoria jerarquía de las centrales de vapor seco frente a sus contendientes de alta entalpía; los ciclos de una y dos etapas de expansión súbita. En el rango de baja entalpía, predominó el isobutano como el fluido de trabajo que presentó mayores potencias, mientras que las eficiencias térmicas mayores se distribuyeron entre los cuatro fluidos en estudio. Las centrales de doble expansión súbita, obtuvieron en promedio un 26% más potencia que su símil de una etapa de expansión, mientras que en términos de eficiencia, las superaban en un 2%. En cuanto al uso de agua pura como fluido geotérmico, se determinó que el decrecimiento en la entalpía calculada era cercana al 0,8% para cada 1% de sal en el geofluido, lo que se extrapoló a los valores de potencia obtenidos

Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / En la presente investigación se estableció un método de estimación y evaluación del potencial geotérmico de baja entalpía (PGBE) existente en la comuna de Colina, Región Metropolitana. La importancia de este estudio es que Chile presenta una gran potencialidad geotérmica debido a que cuenta con una intensa actividad volcánica. Para la estimación del PGBE se utilizaron los métodos del volumen y del flujo térmico superficial. Para establecer una zonificación del potencial geotérmico presente en la zona de estudio, se aplicó el método de peaks de histogramas. Finalmente, con el objetivo de evaluar la rentabilidad económica se usaron los siguientes indicadores: Valor Actual Neto (VAN), Tasa Interna de Retorno (TIR) y periodo de retorno. Por último, se realizó un análisis de sensibilidad de 3 escenarios socio-económicos.

Memoria para optar al título profesional de Ingeniero en Recursos Naturales Renovables / En la presente investigación se estableció un método de estimación y evaluación del potencial geotérmico de baja entalpía (PGBE) existente en la comuna de Colina, Región Metropolitana. La importancia de este estudio es que Chile presenta una gran potencialidad geotérmica debido a que cuenta con una intensa actividad volcánica. Para la estimación del PGBE se utilizaron los métodos del volumen y del flujo térmico superficial. Para establecer una zonificación del potencial geotérmico presente en la zona de estudio, se aplicó el método de peaks de histogramas. Finalmente, con el objetivo de evaluar la rentabilidad económica se usaron los siguientes indicadores: Valor Actual Neto (VAN), Tasa Interna de Retorno (TIR) y periodo de retorno. Por último, se realizó un análisis de sensibilidad de 3 escenarios socio-económicos. Como resultados, el potencial geotérmico promedio de la comuna de Colina se estimó en 17,69 ± 3,69 [kW], con temperaturas del acuífero que varían entre los 22 [°C] y los 33 [°C]. Resultado del análisis de conglomerados, se determinaron cuatro potenciales zonas caracterizadas por sus potenciales geotérmicos promedios en: 14,97 ± 1,22 [kW], 18,29 ± 1,01 [kW], 21,72 ± 1,02 [kW] y 26,77 ± 2 [kW] respectivamente. Por otra parte, se determinó que existe una alta probabilidad de resultar rentables económicamente proyectos que utilicen las bombas de calor horizontal en los tres escenarios estudiados. En cambio, los proyectos de bombas de calor vertical resultan con mayor rentabilidad sólo cuando se compara con la electricidad como combustible para calefacción. Finalmente, la metodología desarrollada puede ser replicada en diversas zonas del país con el objetivo de cuantificar el PGBE, incentivando el uso de ésta energía limpia y renovable.

Magíster en Ciencias, Mención Geofísica / Con el fin de apoyar la evaluación del potencial de baja entalpía y una futura explotación de los recursos geotérmicos en la Provincia de Talca, se realiza un estudio gravimétrico, entre los 35° y 35,6° S, el cual busca determinar el espesor del relleno sedimentario y definir la geometría del basamento en la zona de estudio. Este levantamiento gravimétrico consta de seis perfiles, Este- Oeste, que se extienden desde la Cordillera de los Andes hasta la Cordillera de la Costa y dos perfiles de orientación Norte-Sur que cruzan los Este-Oeste. En total, el levantamiento gravimétrico está constituido por 512 estaciones. Luego de procesar los datos de gravedad, se obtiene el mapa de anomalía residual. Con este mapa se modela, en 2D, el relleno sedimentario con una densidad de 2,0 g/cc, obteniendo la profundidad y geometría del basamento en la cuenca de la Provincia de Talca. Estos modelos arrojan profundidades del basamento de alrededor de 500 m y que el espesor del relleno sedimentario aumenta hacia el Sur. Además, se realiza una inversión de los datos de anomalía residual, obteniendo un modelo 3D de de la distribución del contraste de densidades en la cuenca estudiada. Las densidades del relleno sedimentario encontradas con la inversión, van desde los 1,8 g/cc (en superficie) hasta los 2,3 g/cc (alrededor de los 600 m de profundidad). En la zona de estudio se identifican dos sistemas de fallas al Este de la Depresión Central, la Falla Pocuro- San Ramón y la Falla Los Ángeles- Infiernillo. Al modelar el Perfil 3, el cual pasa sobre la traza de la Falla Pocuro- San Ramón, se advierte la influencia de esta falla. Este mismo efecto se observa en los modelos de los perfiles 6, 8 y 9, por esta razón se cree que la Falla Los Ángeles- Infiernillo se extendería hacia el Sur. Finalmente se modela la transferencia de calor a través del basamento y del relleno sedimentario, observando que si se desea hacer una perforación de a lo más 200 m conviene hacerla en la cuenca más delgada, debido a que a la misma profundidad esta tiene una mayor temperatura que la cuenca principal. A una mayor profundidad es necesario observar como se distribuyen las isotermas en el modelo de transferencia de calor, para determinar dónde se alcanza una mayor temperatura.

Ingeniero Civil / El presente trabajo de título tiene como objetivo obtener una estrategia de modelación que permita orientar el diseño de sistemas de aprovechamiento geotérmico de baja entalpía integrados constructivamente. El proyecto se centra en dos de las pilas de entibación y sus respectivos anclajes del edificio Beauchef 851, estructuras que han sido implementadas con circuitos de tuberías de HDPE de diámetro 32 [mm] en la pila y de 22 [mm] en los anclajes por las que se hace circular agua que moviliza el calor del sub suelo hacia la superficie, o viceversa, pudiendo acondicionar espacios mediante el acople de una bomba de calor, permitiendo de esta forma aprovechar la energía geotérmica. Las pilas de entibación y anclajes presentan condiciones de borde particulares que no se encuentran en la literatura. Las pilas, que son de hormigón armado y tienen 1 [m] de diámetro y 30 [m] de profundidad, no están completamente rodeadas de suelo ya que una parte de ellas está en contacto directo con el muro perimetral que da hacia el patio de luz en su tramo superior (hasta los 14,7 [m] de profundidad) y hacia los subterráneos en su tramo inferior. En cuanto a los anclajes, que son de cables de acero inyectados con lechada y que tienen 12 [cm] de diámetro y un largo de circuito de 41,5 [m], se tiene que están inclinados 20° respecto de la horizontal y se encuentran a distintos niveles de profundidad. Esta investigación se desarrolla en base a tres grandes ejes de trabajo. El primero de ellos se relaciona con los aspectos prácticos necesarios de llevar a cabo y que permiten recuperar y preservar la implementación. El segundo eje corresponde a modelaciones realizadas con el software computacional EED que incorporen las condiciones de borde de los circuitos mediante procesos de ponderación, superposición y proyección, que a su vez permiten conocer el potencial térmico de la implementación. El tercer eje abarca las mediciones de test de respuesta térmica llevadas a cabo en terreno durante los meses de Agosto y Septiembre de 2013. Los resultados obtenidos indican que el sistema de entibación implementado tiene el potencial de tomar más del 50% de la demanda energética de calefacción y más del 10% de la de refrigeración en ciclos de carga y descarga del suelo, cantidades que fueron ajustadas y validadas en base a las mediciones realizadas en condiciones de operación, las que muestran que la conductividad térmica efectiva del circuito de la Pila es de 2,19 [W/mK] con una tasa de rechazo de calor de 42,4 [W/m], mientras que para los circuitos de los Anclajes la conductividad térmica efectiva es de 1,92 [W/mK] con una tasa de rechazo de calor de 29,6 [W/m], valores que permiten concluir que la implementación es aprovechable en términos energéticos.

Ingeniero Civil Mecánico / Los sistemas de climatización con energía geotérmica, aprovechan la estabilidad de temperatura que tiene el subsuelo para extraer calor de la vivienda y transferirlo al suelo, o de forma inversa, extraer calor del suelo y transferirlo a la vivienda (depende si se trata de invierno o verano). Para realizar esto se usan tubos enterrados en que se hace circular un fluido interiormente para transportar el calor. En la literatura se proponen métodos incompletos para calcular la capacidad de transferencia entre los tubos enterrados y el suelo, ya que no se considera la modificación de temperatura del suelo alrededor de los tubos enterrados. En este trabajo, usando simulaciones numéricas, se resuelve el campo de temperaturas alrededor de los tubos en función del tiempo y se determina la resistencia térmica del suelo. Usando los resultados de estas simulaciones, se propone una fórmula (en función de las variables relevantes) para estimar de forma sencilla el promedio de capacidad de transferencia que tendrá un tubo. Se realizan simulaciones con 2 y 3 tubos paralelos, para evaluar la disminución de la capacidad de transferir calor debido a la interferencia térmica que se produce entre tubos cercanos. Estos resultados muestran que el espaciado, es un factor importante a la hora de diseñar un circuito de tubos enterrados, ya que con arreglos muy compactos se disminuye en más un 50% la capacidad de captar calor. Con los resultados de las simulaciones se evalúan cuatro casos, para determinar cuán importante es agregar la resistencia térmica del suelo, a las conocidas y bien estudiadas resistencias térmicas de la pared del tubo y del fluido interno. De forma general, el suelo restringe el flujo de calor (más que la pared y el fluido interno) y se vuelve el elemento clave para determinar la capacidad de transferencia. Cuantificar este fenómeno, permite diseñar sistemas de colección, tomando en cuenta la resistencia térmica del suelo y determinar correctamente la capacidad de transferir calor. Así, se puede generar una solución acorde a la demanda térmica requerida.

Geólogo / La ciudad de Talca se encuentra en la Depresión Central de Chile, en los 35°S, aproximadamente, en el flanco oriental de la Cordillera de la Costa. Al igual que otras ciudades ubicadas en longitudes similares, se encuentra altamente contaminada en invierno por material particulado del tipo PM 2.5 y PM 10, lo cual podría verse mitigado en gran medida por el uso de calefactores cero-emisión de alta eficiencia eléctrica, como lo son las bombas de calor geotérmicas. El acuífero bajo la ciudad ofrece un gran potencial para su implementación, ya que se trata, mayoritariamente, de gravas y arenas pertenecientes al abanico aluvial del Río Maule y Río Lircay con una potencia respetable, de hasta 500 metros en algunos sectores. La profundidad del nivel estático fluctúa entre los 1.6 y 47 metros, con espesores saturados entre 15 y 83 metros y un flujo preponderante hacia el W-NW. Un 90% de los derechos de aguas otorgados por la DGA extraen al menos 6 l/s y las transmisividades alcanzan valores de hasta 7300 m2/día. Las temperaturas de las aguas subterráneas, por otra parte, fluctúan entre 15.8 y 19.2 °C, las que permiten estimar un COP entre 6.4 y 7.4 para sistemas verticales abiertos. En el caso de los sistemas verticales cerrados, existen zonas de menor y mayor favorabilidad, obteniéndose valores de sHE entre los 43 y 86 W/m, donde los más altos representan altos flujos subterráneos controlados principalmente por una mayor conductividad hidráulica de los sedimentos y alto gradiente. Por último, en el caso de los sistemas horizontales cerrados, y mediante una estimación de la temperatura del subsuelo a 1.5 metros de profundidad, usando una ecuación armónica simple y una difusividad térmica de 0.04817 m2/día, el valor del COP fluctúa entre 3.5 y 4.7, con un valor promedio anual de 4.1. Un análisis de sensibilidad arroja una variación máxima de 7.7% con respecto a la profundidad. Usando demandas variables en base a una zonificación hecha con información disponible de demandas térmicas, se concluye que un nivel estático profundo propicia el uso de sistemas verticales cerrados y/o horizontales cerrados, sin embargo, con demandas por sobre los 3 kW, es preferible en casi cualquier caso el uso de un sistema vertical abierto, dado lo somero del acuífero en la ciudad y los parámetros hidráulicos que este presenta. En la zona poniente del Río Claro, y dado que el espesor sedimentario disminuye por la Cordillera de la Costa, se recomienda instalar sistemas horizontales cerrados. / Este trabajo ha sido financiado por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes, CEGA

Se estudió un sistema de 3,6864×104 partículas que interactúan a través del potencial de Lennard-Jones mediante dinámica molecular, usando un código paralelo que integra las ecuaciones de movimiento diseñadas para simular un sistema a tensor de presiones y temperatura constantes (NPT) en dos dimensiones. Se investigó una región del espacio de fase correspondiente a presión nula y temperaturas cercanas al punto de fusión, para comparar los resultados con las predicciones de la teoría de Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson y Young (KTHNY). En esta teoría la fusión de un sólido bidimensional, provocada por los defectos topológicos, ocurre a través de dos transiciones de fase continuas. En la primera transición se pierde el orden traslacional y en la segunda el orden orientacional, resultando en un líquido que carece de orden. Los mecanismos que provocan la fusión tienen una estrecha relación con el comportamiento y la dinámica de los defectos, particularmente las dislocaciones y el desligamiento de pares de ellas. En la teoría KTHNY las constantes elásticas se acercan a un valor universal cuando el sólido se acerca a su temperatura de fusión. Con el n de explorar la compatibilidad del sistema simulado con la teoría se ha estudiado el comportamiento de la entalpía, las constantes elásticas, la fracción de defectos y se ha hecho un análisis visual de los defectos en función de la temperatura. También se investigó el número de iteraciones que demora el sistema en llegar al equilibrio en función de la temperatura y las condiciones iniciales. Se ha observado una transición de fase sólido líquido entre las temperaturas reducidas 0,40725 (sólido) y 0,4095 (líquido). Se ha estudiado el tiempo que demora el sistema en llegar al equilibrio en función de la temperatura. Al acercarse a la temperatura de transición este tiempo aumenta. El comportamiento de las propiedades mecánicas del sistema está en acuerdo con la teoría KTHNY. El análisis de los defectos presentes en el sistema a diferentes temperaturas permite concluir que en el sólido frío sólo se observan pares de dislocaciones ligadas mientras que al subir la temperatura y acercarse a la transición de fase se forman regiones densas de defectos y los pares se empiezan a desligar. En el líquido se ve una mayor concentración de defectos muy desordenados. Este escenario está de acuerdo con la teoría KTHNY que dice que la fusión ocurre a partir del desligamiento de pares de dislocaciones.

Geólogo / El siguiente trabajo muestra el resultado de una estimación a escala regional del potencial geotermal de muy baja entalpía, enfocado a calefacción domiciliaria, para la cuenca de Maipo (33,5°S), ubicada entre la Cordillera de la Costa y Cordillera Principal. Para realizar la estimación se generaron Sistemas de Decisión Geoespacial (GDDS) con la información geológica y económica necesaria para evaluar un intercambiador de calor con el suelo acoplado a una bomba de calor geotérmica (GSHP). Los tipos de GSHP considerados en este trabajo fueron sistemas abiertos que utilizan agua subterránea (GWHP) y sistemas cerrados verticales que intercambian calor con el suelo (BHE). Para generar el GDSS, en el caso del intercambiador GWHP se consideró la profundidad necesaria para instalar bombas que extraigan agua del acuífero y un pozo de reinyección, para esto se estimó la profundidad del nivel estático utilizando los registros máximos de este, en las últimas 5 décadas y el abatimiento esperable en cada sector de acuerdo a la geología del relleno. Además se utilizaron las cotas piezométricas para reconocer las direcciones de flujo del agua subterránea la cuenca y así evitar el quiebre térmico de los sistema GWHP. Para generar el GDSS de potencial de BHE, se consideraron los registros estratigráficos disponibles de los pozos construidos en el área de estudio y cada unidad estratigráfica se le asignó un valor de extracción de calor específica (sHE) según litología, estado de saturación y velocidad real del agua subterránea. Una vez asignados los sHE a las unidades de cada pozo, se obtuvo un valor de sHE ponderado en cada pozo. Para obtener las profundidades necesarias de perforación de dividió los sHE ponderados por la potencia necesaria para la calefacción para una casa tipo en Santiago. Los resultados muestran que las zonas con niveles estáticos someros serán las más convenientes para ambos tipos de bomba, y, en general, se va preferir la instalación de GWHP dobles por sobre BHE. Finalmente se generó un mapa que muestra las zonas donde sería recomendable instalar las bombas de calor evaluadas (BHE vs GWHP).