Numerical solution of type problems in two and three dimensional anisotropic geothermal domains with sources and sinks of fluid flow. application to flegrea area reservoir
[SPA] Esta tesis doctoral presenta los métodos de análisis numérico más avanzados utilizados para el uso sostenible de la energía geotérmica en dominios de alta entalpía. El trabajo introduce y desarrolla técnicas para una evaluación correcta del potencial geotérmico a través del desarrollo e implementación de un software numérico. La tesis se divide en 5 capítulos. En el primer capítulo se introducen los métodos de uso de la energía geotérmica para los diferentes tipos de dominios en función del potencial geotérmico y de la entalpía. Para los dominios de alta entalpía se describen los parámetros físicos característicos utilizados para estimar el potencial de explotación del dominio geoter- mico y la productividad de las plantas geotérmicas, tales como las características del suelo, el flujo de fluido y la fuente térmica. Al final se introducen los principales tipos de plantas y los métodos de utilización del dominio, que son los pozos de extracción de calor y extracción o reinyección del fluido. En el segundo capítulo se presentan los fundamentos teóricos del problema físico estudiado. Las ecuaciones físicas que rigen el problema se basan en las leyes de conservación de masa, energía y momento aplicadas a los medios porosos. Dependiendo de las características del medio poroso, compuesto por una matriz sólida porosa y el fluido, el sistema puede estudiarse como incompresible o compresible y saturado o no. En el trabajo se aplican conocidas aproximaciones como la de Oberberk-Buossinesq. La solución del modelo físico, compuesto por un sistema de ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, se resuelve y se discretiza utilizando el método discontinuo de Galerkin (DGM). El capítulo 3 presenta las diversas técnicas de resolución para este tipo de sistemas altamente no lineales basados en operadores diferenciales. Finalmente, se presentan los diversos tipos de elementos implementados a través de las funciones peso (funciones de forma) para los sistemas 2D y 3D. En el capítulo 4 se presentan la estructura y los métodos de implementación del software que se ha desarrollado, ”Geothermal Software”, para el estudio numérico de dominios geotérmicos bidimensionales. En el quinto capitulo, utilizando este complejo programa, se estudian diversos problemas teóricos y reales. Entre los problemas teóricos estudiados están el de Bénard, el de Elder y el de Yusa, de los cuales se presentan los resultados correspondientes al campo de temperatura, la función de corriente y las componentes del vector velocidad del fluido. Finalmente, se presenta el estudio del área dei Campi Flegrei. Después de una descripción detallada, se analizan los resultados de los análisis y se presenta una metodología innovadora para la implementación de pozos cerrados para extracción de calor. Los resultados del campo bidimensional de temperatura, función de corriente y componentes de la velocidad del fluido se contrastan con los obtenidos con el software commercial de in- vestigación SHEMAT. La tesis demuestra la potencia del método de cálculo DGM, ya que el programma ”Geothermal Software” permite resolver de manera precisa y ef- ficiente problemas bidimensionales complejo de trasferencia de calor y movimiento de fluido en medios porosos. El estudio de explotación del área Campi Flegrei, con un pozo cerrado sin extración y reinjeción de fluido al medio, demuestra que es posible el uso no invasivo y sostenible de la energía renovable geotérmica. Además, los resulta- dos obtenidos demuestran que la extracción de calor con sistemas cerrados no altera significativamente los valores de las variables involucradas, temperatura, función de corriente y componentes de la velocidad del fluido en el medio poroso. [ENG] This Dissertation presents the most advanced numerical analysis methods used for the sustainable use of geothermal energy in high enthalpy domains. The research work introduces and develops the techniques for a correct assessment of geothermal poten- tial through the development and implementation of an advanced software. The thesis includes 5 chapters. In the first chapter, the methods of exploitation of geothermal energy for the different types of domains are introduced based on geothermal potential and enthalpy. For the high enthalpy domains, the characteristic physical parameters used to estimate the the exploitation potential of the geothermal domain and the pro- ductivity of the plants are described, such as the characteristics of the soil, the flow of fluid and the thermal source. At the end, the main types of plant and the methods of exploitation of the domain are introduced, these are the heat extraction wells and the extraction or re-injection of the fluid wells. The second chapter presents the theoretical foundations of the physical problem studied. The physical governing equations of the problem are based on the laws of conservation of mass, energy and momentum applied to porous media. Depending on the characteristics of the porous medium, composed of a solid matrix and the fluid, the system can be studied as incompressible or com- pressible and saturated or not. Well-known approaches such as Oberberk-Buossinesq are applied in the work. The solution of the physical model, composed of a system of partial differential equations, is solved and discretized using the discontinuous Galerkin method (DGM). Chapter 3 introduces the various resolution techniques for this type of highly non-linear systems based on differential operators. Finally, the various types of elements implemented through the weight functions (shape functions) are presented for the 2D and 3D systems. In the chapter 4 the structure and the implementation meth- ods of the developed software, ”Geothermal Software”, are presented, which allows the numerical study of two-dimensional geothermal domains. In the chapter 5, using the developed software, complex theoretical and real problems are studied. Among the theoretical problems studied there are the Bénard, Elder and Yusa problems. For these the temperature field, stream function and components of the velocity vector results are presented. Finally, the study of the Phlegrean Fields area is presented. After a detailed descrip- tion, the results are analyzed and an innovative methodology for the implementation of closed wells for heat extraction is presented. The results of the two-dimensional field of temperature, stream function and fluid velocity components are compared with those obtained using SHEMAT commercial research software. The thesis demonstrates the power of the DGM calculation method, ”Geothermal Software” allows solve precisely and efficiently the heat transfer and fluid flow problems. The study of the Campi Flegrei area, with a closed well and without a fluid extractor, shows that there is the possi- bility of a non-invasive use of geothermal renewable energy. Also, the results obtained demonstrate that heat extraction with closed systems does not significantly alter the range of variables involved, the temperature, stream function and fluid velocity vector in the porous media. [ITA] In questa tesi dottorale sono presentati i più avanzati metodi di analisi numerica utilizzati per un uso sostenibile dell’energia geotermica in domini di alta entalpia. Nel lavoro di ricerca sono introdotte e sviluppate le tecniche per una corretta valutazione del potenziale geotermico attraverso lo sviluppo e l’implementazione di un software avanzato. La tesi è divisa in 5 capitoli. Nel primo capitolo sono introdotti i metodi di utilizzo dell’energia geotermica per le differenti tipologie di domini in base al potenziale geotermico e all’entalpia. Per le riserve ad alta entalpia si descrivono i parametri fisici caratteristici utilizzati per stimare il potenziale di sfruttamento del dominio geotermico e la produttività degli impianti, come le caratteristiche del terreno, il flusso di fluido e la sorgente termica. A conclusione sono introdotte le principali tipologie di impianto e le metodologie di utilizzo del dominio che sono i pozzi di estrazione del calore o di estrazione o re-iniezione del fluido. Nella secondo capitolo sono presentati i fondamenti teorici del problema fisico studiato. Le equazioni fisiche che governano il problema si basano sulle leggi di conservazione della massa, dell’energia ed del momento applicate a mezzi porosi. A seconda delle caratteristiche del mezzo poroso, composto da una matrice solida porosa e dal fluido, il sistema può essere studiato come incompressibile o compressibile e saturo o non. Note approssimazioni come quella di Oberberk-Buossinesq sono utilizzate in questo lavoro. La soluzione del modello fisico, composto da un sistema di equazioni differenziali alle derivate parziali, è risolto e discretizzato usando il Metodo discontinuo di Galerkin (DGM). Nel capitolo tre sono introdotte le varie tecniche di risoluzione per questa tipologia di sistemi, altamente non lineari, basati su operatori differenziali. In fine sono presentate, per i sistemi 2D e 3D, le diverse tipologie di el- ementi implementati attraverso le funzioni di peso (funzioni di forma). Nel capitolo 4 è presentata la struttura e il metodo di implementazione del software sviluppato, il ”Geothermal Software”, che permette lo studio numerico di domini geotermici bidi- mensionale. Nel capitolo 5, utilizzando il software sviluppato, sono studiati complessi problemi teorici e reali. Tra i problemi teorici troviamo i problemi di Bénard, Elder e Yusa di cui si presen- tano i risultati del campo delle temperature, funzione di corrente e componenti del vet- tore velocità del fluido. Infine è presentato lo studio dell’area dei Campi Flegrei. Dopo una descrizione dettagliata si analizzano i risultati delle analisi si presenta un’innovativa metodologia per l’implementazione dei pozzi chiusi per estrazione di calore. I risultati del campo bidimensionale della temperatura, funzione di corrente e componenti della velocità del fluido sono confrontati con quelli ottenuti utilizzando il software commer- ciale di ricerca SHEMAT. La tesi dimostra la potenza del noto metodo di calcolo DGM, infatti il programma ”Geothermal Software” è stato capace di risolvere in modo ef- ficiente e flessibile i problemi inerenti la trasmissione di calore e movimento di fluido. Lo studio dell’area di Campi Flegrei, con un pozzo chiuso e senza estrazione di flu- ido, dimostra che esiste la possibilità di un uso non invasivo dell’energia rinnovabile geotermica. I risultati ottenuti dimostrano che l’estrazione di calore con sistemi chiusi non altera notevolmente il campo della temperatura, della funzione di corrente e delle componenti delle velocità del fluido.
Dinámica de fluidos, Transferencia de Calor, Energía y procesos geotérmicos, Fuentes no convencionales de energía, Diseño de sistemas de cálculo, Fluid dynamics, Energy, Heat transfer
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