Este artigo foi originalmente publicado na edição nº 161 da Edifícios e Energia (Setembro/Outubro 2025).
OS AUTORES
Pedro Madureira*(1), João Figueira(1), Rita Cerdeira(1),
(1)GEOGRADIENTE, Lda, Núcleo Empresarial de Venda do Pinheiro – Zona Norte, Rua C – Pavilhão 60, 2665 – 601 Venda do Pinheiro
*autor correspondente: Pedro Ribeiro Madureira (pmadureira@geogradiente.pt)
Geólogo/ Director Técnico da Geogradiente, Lda./ Coordenador do Grupo de Trabalho para a Geotermia Superficial da Comissão
Portuguesa de Geotecnia Ambiental da Sociedade Portuguesa de Geotecnia
REHVA Journal 01/25 https://www.rehva.eu/rehva-journal/chapter/indoor-air-quality-health-productivity-and-economic-gains
INTRODUÇÃO
Existem diversas aplicações para a exploração dos recursos geotérmicos, de acordo com as possibilidades que advêm da temperatura e do tipo de recurso geotérmico. Recursos geotérmicos de alta entalpia são apropriados para a produção de energia eléctrica. Recursos de baixa entalpia podem ser explorados de forma directa (para balneoterapia, climatização, fins recreativos, aplicações industriais) ou indirecta (com recurso a fluidos e equipamentos intermediários).
A geotermia superficial refere-se aos recursos geotérmicos de baixa entalpia que se encontram a uma profundidade considerada superficial. Não existe uma definição única, as definições vão variando consoante os limites de profundidade, de tipo de tecnologia ou temperatura do recurso (Tsagarakis et al., 2018). A temperatura nas formações geológicas que compõem a crosta terrestre apresenta um comportamento regular e estável, sendo que nos primeiro 10 metros, aproximadamente, a temperatura varia de acordo com a variação da temperatura ambiente e radiação solar. Entre os 10 e 15 metros de profundidade, a temperatura estabiliza e já não demonstra influência aparente computável às condições da superfície, havendo equilíbrio térmico entre as condições atmosféricas de longo prazo e a radiação solar, com a contínua difusão de calor proveniente do interior do planeta (Brandl, 2006). A esta profundidade, a temperatura é estável e de aproximadamente 2 ºC acima da média anual das temperaturas locais do ar, que estão globalmente na faixa de -5 a 28 ºC (Jones et al., 1999), dependendo da climatologia local existente (em Lisboa, esta pode variar entre 17 e 19 ºC). Aumentando a profundidade, a temperatura apresenta uma taxa de aumento regular, chamada de gradiente geotérmico, e é medido em ºC/km. Geralmente, apresenta valores entre 25 e 35 ºC/km, mas outras condições geológicas e/ou anomalias geotérmicas podem apresentar valores mais reduzidos ou mais elevados. Tanto os corpos de água subterrânea e superficial como as formações geológicas presentes nesta faixa de profundidade podem ser considerados recursos geotérmicos.
Os recursos geotérmicos são regulamentados como um todo dentro do enquadramento legal dos recursos geológicos. Os recursos geotérmicos foram incluídos no domínio público dos recursos geológicos e são regulamentados pelo Decreto-lei n.º 87/90, de 16 de Março. Actualmente, o Decreto-Lei n.º 54/2015, de 22 de Junho, define as bases do regime jurídico da revelação e do aproveitamento dos recursos geológicos existentes no território nacional, incluindo os localizados no espaço marítimo nacional. Nesta lei, os recursos geotérmicos, considerados domínio público, são definidos como sendo “fluidos e formações geológicas do subsolo, cuja temperatura é susceptível de aproveitamento económico”. O diploma complementar relativo aos recursos geotérmicos ainda não foi revisto, sendo que se continua a respeitar o Decreto-Lei n.º 87/90, que aprova o regulamento dos recursos geotérmicos, definindo a sua revelação e aproveitamento.
A exploração de recursos geotérmicos de muito baixa entalpia, não hidrominerais, isto é, em que o sistema não depende de um corpo de água, mas sim das formações geológicas, sem anomalias térmicas, não é contemplada na lei.
SISTEMAS DE EXPLORAÇÃO DE GEOTERMIA SUPERFICIAL
Os sistemas de geotermia superficial consistem em sistemas de aproveitamento do diferencial de temperatura entre a temperatura ambiente no interior de uma estrutura e a temperatura do solo ou corpo de água, transferindo energia para aquecimento, arrefecimento e água quente sanitária, de forma mais eficiente e ecológica quando comparados com métodos convencionais. Como, na maioria dos casos, a temperatura dos recursos geotérmicos de baixa entalpia não é suficiente para o uso directo para climatização (necessário, pelo menos, 35/40 ºC ou ainda mais alto, dependendo dos equipamentos de difusão de calor dentro do edifício) e para a produção de água quente sanitária (60 ºC, para controlo eficaz contra a Legionella), estes sistemas usam bombas de calor geotérmicas como recurso para aumentar/diminuir a temperatura no sistema e assim respeitar as especificações dos equipamentos e necessidades de aquecimento/arrefecimento. Estes sistemas compreendem:
1) O circuito primário responsável pela troca de calor com o solo ou pela captação de água;
2) O chiller ou bomba de calor geotérmica com um circuito interno intermédio;
3) O circuito secundário responsável pela troca de calor com os espaços climatizados.
Existem dois tipos de sistemas de geotermia superficial: i) sistemas fechados e ii) sistemas abertos (Manzella,2017). Nesse sentido, o circuito primário pode ser materializado através de várias infraestruturas. De seguida, são apresentados os dois tipos de sistemas e, adicionalmente, referem-se os sistemas em rede, caracterizados pela existência de vários consumidores para um sistema de exploração de geotermia superficial.
Refere-se ainda que estes sistemas podem ser utilizados com o intuito de se aproveitar a inércia térmica do solo/corpo de água. Nesse sentido, os sistemas são utilizados com o objectivo de se aproveitar a capacidade de armazenamento térmico sazonal. Neste momento, ainda não existem casos de estudo em que o objectivo foi o de utilizar o solo/corpo de água para o armazenamento térmico. No entanto, todos os sistemas podem ser dimensionados para que se aproveite a capacidade de armazenamento da fonte térmica.
I) SISTEMAS FECHADOS
Em sistemas fechados, o circuito primário é materializado por um circuito fechado de tubagem com fluido transportador de calor (essencialmente água, eventualmente com aditivos). Este circuito é instalado dentro de corpos de água, subterrâneos ou superficiais, ou nas formações geológicas consideradas recurso geotérmico. Neste último caso, o contacto com as formações geológicas pode ser materializado através de um circuito de tubagem subterrânea horizontal, chamado de colector geotérmico horizontal, através de furos geotérmicos verticais (consultar caso de estudo apresentado de seguida), ou através de estruturas termoactivas (e.g. estacas, paredes e lajes enterradas, túneis). As estruturas termoactivas caracterizam-se por elementos estruturais em contacto com o solo em que pode ser introduzido um circuito fechado de tubagem para as trocas de calor com o solo e, assim, explorar a geotermia superficial local. Em Portugal apenas existe um caso de estudo, que seja público, de estacas termoactivas no campus da Universidade de Aveiro.
Exemplo 1: Edifício de Escritórios em Lisboa
Situado na Avenida Álvaro Pais, em Lisboa, o edifício, ainda em construção, caracteriza-se por oito pisos de escritório acima do solo, dois pisos de escritório parcialmente abaixo do solo e três pisos de estacionamento abaixo do solo, num total de 41 000 metros quadrados de superfície de pavimento de escritórios e 18 000 metros quadrados de área de construção de estacionamento abaixo do solo. O piso térreo desdobra-se em três níveis, por forma a efectuar a ligação com os diversos arruamentos. Com o desenrolar do edifício para Norte, os dois níveis mais baixos do piso 0 representam subcaves. A nível energético e ambiental, prevê-se a certificação energética na Classe A e as certificações de sustentabilidade LEED – Gold a Platinum e WELL – Gold a Platinum.
Com o objectivo de conhecer a geologia local e as características térmicas do subsolo in situ, foram efectuados dois Testes de Resposta Térmica (TRT’s) em dois locais diferentes. Para tal, instalaram-se dois permutadores de calor enterrados, ainda antes da fase de escavação, com 142 metros, para que após a escavação ficassem com 120 metros de profundidade, de acordo com as especificações do projecto. A perspectiva desta escavação levou a que fosse colocada uma protecção das sondas ao longo dos 22 metros a escavar para não serem danificadas durante a escavação. De acordo com os resultados obtidos, o solo apresenta um valor de temperatura natural do terreno de 19 ºC, condutividade térmica média de 2,4 W/(m∙K), com uma resistência térmica média de 0,15 [(m.K)/W]. Os valores obtidos estão directamente relacionados com o enquadramento geológico da área de estudo, estando o valor da condutividade térmica de acordo com o espectável para a formação encontrada.
O sistema de produção de água aquecida e arrefecida para climatização ambiente e para produção de AQS assenta num sistema com elevada eficiência energética baseado em três chillers de parafuso arrefecidos a água em combinação com três bombas de calor geotérmicas. As bombas de calor geotérmicas funcionarão durante todo o ano, uma vez que este sistema permite a produção de calor e de frio em simultâneo, cobrindo assim as necessidades térmicas no Inverno e eventualmente na meia estação. Os chillers serão necessários quando as necessidades de arrefecimento se mostrarem superiores à capacidade do sistema geotérmico, o que se prevê no Verão e alguns períodos da meia estação.
De acordo com o cálculo térmico efectuado, tendo como base as necessidades térmicas do edifício, serão necessárias uma potência térmica de arrefecimento de 4140 kW (Quilowatt) e uma potência térmica de aquecimento de 1260 kW. As bombas de calor geotérmicas a instalar, para satisfazer as necessidades de aquecimento, arrefecimento e AQS calculadas, apresentam uma potência de 439 kW de aquecimento e de 347 kW de arrefecimento cada. Importa ainda referir que a eficiência energética das bombas de calor geotérmicas em regime de aquecimento é de 4,56 (Coeficiente de Performance – COP).
Foram instalados 90 permutadores de calor enterrados verticalmente com uma profundidade de 120 metros cada, perfazendo um total de 10 800 metros de permutadores de calor enterrados. Trata-se de um sistema vertical e cada furo é composto por um permutador de calor enterrado do tipo simples U, em sistema fechado. Os permutadores de calor enterrados são totalmente preenchidos com água aditivada de anticongelante do tipo propilenoglicol, biodegradável. Em seis dos permutadores foram instalados sensores de temperatura, em várias profundidades. Os sensores de temperatura permitem a transmissão remota da temperatura do solo a controladores compatíveis.
II) SISTEMAS ABERTOS
Num sistema aberto, o circuito primário é materializado por poços de captação de água subterrânea ou superficial em circuito aberto. Nestes sistemas, o recurso geotérmico é captado directamente por advecção, ou convecção forçada, e a transferência de calor faz-se directamente com a bomba de calor, para depois ser devolvido ao ambiente (reinjectado no mesmo corpo de água ou noutro, dependendo das situações e legislação em vigor). Neste tipo de sistemas torna-se essencial caracterizar o quimismo das águas, os parâmetros hidráulicos e hidrogeológicos do aquífero a explorar, por forma a evitar a exaustão do sistema, a poluição térmica quando da rejeição, entre outros factores. Tratam-se, em regra, de sistemas que exigem manutenção e monitorização rigorosa.
No nosso país, nesta altura, o aproveitamento geotérmico de baixa entalpia em sistema aberto encontra-se maioritariamente associado às concessões termais. Em 2021, no âmbito de um aviso do Fundo de Apoio à Inovação (FAI), sob a alçada da Direcção-Geral de Energia e Geologia (DGEG), foi elaborado um estudo com o objectivo de classificar quantitativamente o potencial de exploração de recursos hidrotermais e geotérmicos em 39 concessões termais do nosso país (SYNEGE e DGEG, 2021). À data do estudo, considerando a energia disponível calculada, apenas 21% era utilizada, 19% em termalismo e 2% em geotermia, existindo ainda, portanto, grande potencial de aproveitamento. Quando da elaboração desse estudo, coordenado pela SYNEGE, foi possível constatar alguns exemplos de sucesso de aproveitamento em sistema aberto, como é o caso das Termas de Chaves ou São Pedro do Sul, bem como projectos em curso para a implementação destes sistemas, como é exemplo o caso de estudo apresentado em seguida.
Exemplo 2: Caldas de Manteigas
Na base de qualquer sistema aberto está a capacidade da fonte, neste caso, do aquífero interessado pelo aproveitamento. Caracterizar essa capacidade passa por conhecer o modelo hidrogeológico e perceber quais os caudais máximos de extracção sustentável, sem comprometer o recurso, bem como definir a forma de rejeição do mesmo.
As Caldas de Manteigas (concessão Caldas e Fonte Santa, HM-08) situam-se, em termos geológicos, na zona Centro-Ibérica do Maciço Ibérico (Ribeiro et al., 1990), numa zona constituída por rochas granitóides hercínicas afectadas pelas diversas fases da orogenia Hercínica. Localmente, no vale do Zêzere assinala-se ainda a ocorrência de uma espessa cobertura de depósitos fluvio-glaciários que, em alguns locais, poderá ultrapassar os 30 metros.
A água termal da região tem os seguintes parâmetros físico-químicos (DGEG, 2019):
• Classificação da água mineral: Sulfúrea
• Composição principal: Bicarbonatada sódica
• Composição secundária: Fluoretada, sulfidratada
• Temperatura: 45 oC (Hipertermal)
• Condutividade: 207 μS/cm
• Mineralização total: 193 mg/L (Hipossalina)
• pH: 9,4
Na Unidade Hoteleira do INATEL, localizada nas Caldas de Manteigas (Caldas e Fonte Santa, HM-08), a água mineral natural é actualmente utilizada para tratamentos termais, recorrendo às captações existentes. O sistema de captação existente é composto por três furos inclinados 60o em relação à horizontal, construídos pela empresa A. Cavaco entre os anos de 1991 e 1992. Segundo o plano de exploração elaborado por esta empresa, o furo de captação a usar seria o AC3, com caudal de exploração de 2 L/s obtido por artesianismo, já os furos AC1 e AC2 serviriam de piezómetros.
Em 2019, foi elaborado um estudo de viabilidade para a utilização do recurso para climatização do edifício termal, concluindo-se que existe oportunidade de optimização energética, com um elevado potencial de poupança e de consumos associados, quando comparado com um sistema convencional de caldeiras e chillers de condensação a ar.
Segundo o estudo de viabilidade supracitado, o sistema de produção de água aquecida e arrefecida para climatização ambiente e para produção de AQS pode assentar no aproveitamento geotérmico directo através de geotermia com apoio a caldeiras e chillers de condensação a ar, ou aproveitamento geotérmico directo e indirecto, com geotermia com apoio a Bombas de Calor de condensação a água. Ambos os sistemas permitem a permuta das águas termais após a sua utilização nos respectivos tratamentos e a energia térmica é aproveitada para aquecimento ambiente em sistemas de baixa temperatura, nomeadamente pavimentos radiantes, bem como aquecimento da água da piscina e pré-aquecimento de água quente sanitária.
O edifício termal caracteriza-se por três pisos acima do solo e um piso abaixo do solo, num total de 3 561 metros quadrados de superfície de pavimento considerada para o estudo. O cálculo térmico realizado, baseado no caudal máximo autorizado e temperatura média de
45 ºC, verifica-se que, em relação às necessidades globais do edifício, permitiria uma poupança energética entre 51% e 58%.
Nesta fase, o Concessionário encontra-se, com o apoio e supervisão da DGEG, a desenvolver um programa de prospecção e pesquisa que visa a renovação das captações existentes e a análise de viabilidade de melhoria da productividade do recurso, ao nível do caudal disponível. Este programa tem envolvido estudos geológicos, geofísicos e hidrogeológicos, incluindo trabalhos de perfuração, diagrafias e ensaios de caudal. Numa fase seguinte, avançar-se-á para adequação do projecto aos dados obtidos e, subsequentemente, para a implementação do sistema geotérmico aberto para apoio à eficiência energética da unidade hoteleira.
(III) SISTEMAS EM REDE
Os sistemas de aquecimento e arrefecimento urbano, ou em rede, são caracterizados por um sistema de energia térmica partilhado à escala de vários edifícios. Inicialmente, estes sistemas eram compostos por tubagens com fluido em vapor, de alta pressão e temperatura. Desenvolvimentos recentes e avanços tecnológicos têm permitido a introdução de fontes de energia de baixa entalpia para actuar como fonte/sumidouro de calor desses sistemas. Isto permite a integração de geotermia superficial em sistemas em rede e potencia a sua implementação através de efeitos de economia de escala.
Exemplo 3: Ombria Resort
Localizado no concelho de Loulé, no Algarve, é um empreendimento que se destaca pelo seu compromisso com a sustentabilidade, sendo uma das inovações o sistema de geotermia superficial que foi implementado em rede, para atender às necessidades de aquecimento, arrefecimento e produção de água quente sanitária, para diversas estruturas, e aquecimento de piscinas.
A dimensão do projecto e o enquadramento geológico complexo da área promoveu um estudo detalhado dos parâmetros hidrogeológicos e geotérmicos, incluindo a realização de testes de resposta térmica (TRT) em diferentes furos-piloto com permutador, instalados na propriedade. O TRT é um ensaio que permite a obtenção dos parâmetros térmicos do subsolo mais importantes para o dimensionamento de um aproveitamento geotérmico com recurso a bomba de calor: a condutividade térmica, a temperatura natural do solo e a resistência térmica entre o fluido que circula no permutador e solo.
Foram executados cinco TRT’s em furos com profundidades entre os 100 e os 150 metros, de acordo com as zonas definidas no projecto e o enquadramento geológico do local. Os resultados dos testes registaram valores de temperatura (temperatura natural do solo) entre 16 a 19,5 ºC, um valor médio da condutividade térmica de 2,141 W/(m.K), variando entre 1,61 e 2,64 W/(m.K), e uma resistência térmica entre 0,076 e 0,193 [(m.K)/W].
O circuito geotérmico, de acordo com o cálculo térmico efectuado, e tendo em conta o enquadramento geológico, ficou dimensionado num total de 244 furos, distribuídos por quatro zonas distintas na área de projecto (Figura 4).
Dada a dimensão e geometria da zona de construção, o sistema geotérmico foi dividido em quatro zonas, cada uma delas com um circuito independente. Os circuitos são divididos, um para o Clube de Golfe, e os restantes três para o Hotel (um para a zona de serviços comuns e dois circuitos para os dois conjuntos de vilas). Os furos estão localizados nas áreas adjacentes aos edifícios, de cada um dos circuitos.
O projecto envolveu a climatização de 13 975 metros quadrados de área total, com aquecimento de um volume total de 1 950 metros cúbicos de água de piscinas. A estimativa de projecto para as necessidades de aquecimento era de aproximadamente 3 303 MWh/ano, incluindo o aquecimento das piscinas, das quais 92% satisfeitas pelo sistema geotérmico. As necessidades de arrefecimento foram estimadas em 1 756 MWh/ano totalmente satisfeitas pelo sistema geotérmico. O sistema satisfaz ainda 69% das necessidades de AQS que se estimavam em 895 MWh/ano, correspondentes a um consumo de 19 242 metros cúbicos/ano. As restantes necessidades de AQS são satisfeitas por um sistema solar térmico do tipo tubo de vácuo de fluxo directo. O excedente de produção deste sistema servirá para promover a regeneração da temperatura natural do solo e aproveitar a inércia térmica do solo como meio de armazenamento.
A distância entre furos, nas respectivas zonas independentes, é, em média, 6 metros, para evitar interferência da pluma térmica. Cada furo é composto por um permutador de calor vertical enterrado do tipo U, em sistema fechado. Os permutadores de calor enterrados são totalmente preenchidos com água aditivada de anticongelante do tipo propilenoglicol, biodegradável. A perfuração foi efectuada até profundidades entre 110 e 125 metros, utilizando diâmetros de furação de 152 milímetros e 130 milímetros.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
A exploração de geotermia superficial em Portugal tem ganho relevância nos últimos anos, com o desenvolvimento de alguns projectos de grande dimensão e importância para o sector. Considerar o solo, ou corpo de água, como fonte e/ou sumidouro de calor não é tema recente, mas as tecnologias de exploração têm sofrido avanços relevantes e, actualmente, denota-se uma maior gama de aplicação deste recurso.
Os exemplos apresentados pretenderam demonstrar alguns dos vários tipos de tecnologia disponível para a exploração da geotermia superficial, a sua viabilidade, reforçando o facto de esta fonte renovável ser uma opção promissora para a promoção da eficiência energética.
Além da crescente implantação a nível mundial nos últimos 10 anos, a geotermia superficial tem ganho o seu espaço no mercado português, verificando-se uma melhoria do estado da arte. A crescente procura necessita de intervenientes (arquitectos, geólogos, geotécnicos, engenheiros mecânicos, perfuradores, etc.) bem informados e de um enquadramento legal claro, que permita transmitir segurança aos investidores e um aproveitamento óptimo e sustentável deste recurso a longo prazo.
Referências:
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