Energia geotérmica: determinação das propriedades térmicas do solo através do Ensaio do Cone Térmico (TCT)

Abstract

O Ensaio do Cone Térmico (TCT) promove uma análise das propriedades térmicas do solo, avaliando a condutividade térmica, de forma a obter parâmetros para projeto considerando o solo como uma fonte primária de calor para a produção de energia geotérmica, a qual dispõe de procedência limpa e sustentável. Para tanto, no desenvolver do estudo, são apresentados resultados de ensaios laboratoriais com o uso do cone térmico para aferição da condutividade térmica em areias de diferentes granulometrias com variação da umidade e compacidade. Em tais ensaios, o cone térmico foi aquecido em água quente até atingir um patamar próximo à 70ºC e em seguida foi penetrado no solo até dissipar o calor, e atingir a temperatura ambiente em uma taxa constante, de tal forma obtém-se a curva de dissipação do calor ao longo do tempo. Vale mencionar que nesse estudo, o cone utilizado mede apenas a temperatura do solo, não contendo as demais propriedades de um CPT convencional. As curvas obtidas de dissipação do calor, foram interpretadas através dos métodos de Akrouch (2016), e Vardon (2018) para a obtenção da condutividade térmica do solo. Na sequência, os modelos foram replicados por meio de métodos numéricos em um programa computacional de Elementos Finitos e foi realizada uma sobreposição de curvas, de forma a comparar os resultados laboratoriais com os numéricos. Por último, o Ensaio do Cone Térmico foi reproduzido no campo experimental da Universidade Estadual de Ponta Grossa em solo argilo arenoso. Com isso, conclui-se que os modelos laboratoriais mais úmidos e com maiores granulometrias, resultaram em condutividades térmicas mais elevadas. Para mais, os métodos de cálculo compartilharam de valores semelhantes, entretanto, destoaram das condutividades obtidas pelos modelos numéricos. Por sua vez, os modelos numéricos foram validados e mostraram-se efetivos para uma gama de condutividades, contudo, não se encaixaram nas curvas térmicas alcançadas em laboratório. A aplicação do método em campo experimental promoveu taxas de condutividades térmicas próximas, demonstrando coerência e confiabilidade de resultados.

The Thermal Cone Test (TCT) promotes an analysis of the thermal properties of the soil, evaluating the thermal conductivity, to obtain parameters for the project considering the soil as a primary source of heat to produce geothermal energy, which has origin clean and sustainable. Therefore, in the development of the study, results of laboratory tests are presented with the use of the thermal cone to measure the thermal conductivity in sands of different granulometries with variation of humidity and compactness. In such tests, the thermal cone was heated in hot water until it reached a level close to 70ºC and then it was penetrated the ground to dissipate the heat, and reach the ambient temperature at a constant rate, in such a way that the dissipation curve is obtained of heat over time. It is worth mentioning that in this study, the cone used only measures the soil temperature, not containing the other properties of a conventional CPT. The heat dissipation curves were interpreted using the methods of Akrouch (2016) and Vardon (2018) to obtain the thermal conductivity of the soil. Next, the models were replicated using numerical methods in a Finite Element Computer Program and curves were superimposed, to compare the laboratory results with the numerical ones. Finally, the Thermal Cone Test was reproduced in the experimental field of the Ponta Grossa State University in sandy clay soil. With this, it is concluded that the more humid laboratory models and with larger granulometries, result in higher thermal conductivities. Furthermore, the calculation methods shared similar values, however, they differed from the conductivities originated by numerical models. In turn, the numerical models were validated and found to be effective for a range of conductivities, however, they did not fit the thermal curves found in the laboratory. The application of the method in an experimental field promoted close thermal conductivity rates, demonstrating follow-up and reliability of results.