Como funciona a energia geotérmica: explicação detalhada

A energia geotérmica aproveita o calor armazenado no subsolo terrestre, uma fonte renovável que mantém temperaturas estáveis entre 10-15 °C nos primeiros 20 metros abaixo da superfície. Este artigo detalha os princípios físicos e técnicos que permitem transformar este recurso em aquecimento, refrigeração e água quente sanitária para habitações. Se quiser saber mais, pode visitar Ecoforest.

Princípios físicos da transferência de calor na geotermia

1. Condução térmica no subsolo

O calor é transmitido por condução através das rochas e do solo, um processo regido pela lei de Fourier:

Onde q é o fluxo de calor (W/m²), k é a condutividade térmica do material (1,5-4 W/m·K para solos argilosos a graníticos) e ∇T é o gradiente de temperatura. A condutividade aumenta com a humidade do solo: 100% de saturação eleva k até 300% em relação aos solos secos.

2. Convecção em aquíferos e fluidos

Em sistemas de captação aberta, a água subterrânea atua como meio convectivo, transportando calor de acordo com:

Com ρ (densidade da água), cp (calor específico), ΔT (diferença de temperatura) e v (velocidade do fluxo). Este mecanismo domina em jazidas geotérmicas de média e alta entalpia.

3. Gradiente geotérmico: motor natural

A temperatura aumenta com a profundidade a um ritmo médio de 3 °C a cada 100 m, embora em zonas vulcânicas possa ultrapassar os 10 °C/100 m. Este gradiente, combinado com a condutividade do terreno, determina o fluxo de calor:

Para uma habitação em Madrid, com k=2,5W/m\cdotpK e gradiente 0,03°C/m, o fluxo natural é de 75 mW/m².

Componentes-chave de um sistema geotérmico residencial

1. Captação subterrânea

• Sondas verticais: Tubos de polietileno em U inseridos em perfurações de 50-150 m. Ideais para terrenos pequenos, com rendimentos COP 4,5-5,2.
• Coletores horizontais: Rede de tubos a 1,5-2 m de profundidade. Requerem 2-3 vezes a superfície útil da habitação, com COP 3,8-4,3.

2. Bomba de calor geotérmica

Dispositivo fundamental que amplifica o calor através de um ciclo termodinâmico:

1. Evaporador: Absorve o calor do fluido anticongelante (glicol-água) a -3 °C.
2. Compressor: Eleva a pressão e a temperatura do refrigerante (R-32 ou CO₂) até 70 °C.
3. Condensador: transfere o calor para o circuito de aquecimento/ACS.
4. Válvula de expansão: reduz a pressão para reiniciar o ciclo.

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3. Sistemas de distribuição

• Piso radiante: funciona a 35 °C no inverno e 18 °C no verão, maximizando a eficiência.
• Fancoils: Requerem temperaturas mais elevadas (45-55 °C), reduzindo o COP em 15-20%.

Processo passo a passo: da terra para a casa

1. Extração de calor: As sondas captam energia térmica do subsolo, onde um fluido caloprotetor circula a 0,25-0,5 m/s. No inverno, absorve 10-15 °C; no verão, dissipa o calor residual.
2. Amplificação térmica: A bomba eleva a temperatura por meio de compressão, consumindo 1 kWh de eletricidade para gerar 4-5 kWh térmicos.
3. Distribuição eficiente: O calor é transferido para emissores de baixa temperatura, mantendo diferenças ≤2 °C entre o piso e o teto.
4. Reinjeção sustentável: O fluido arrefecido retorna ao subsolo, recarregando o aquífero térmico.

Aplicações práticas e eficiência

Caso 1: Moradia unifamiliar em Barcelona

• Configuração: 2 sondas verticais de 100 m + piso radiante.
• Rendimento: COP 4,8, economia de 70% em relação ao gás natural.
• Investimento: 18.000 €, amortizado em 7 anos com subsídios.

Caso 2: Edifício comunitário em Milão

• Sistema: Captação aberta em aquífero a 14 °C constantes.
• Eficiência: 550 MWh/ano, redução de 120 tCO₂ anuais.

Mitos vs Realidades

• Mito: «A geotermia só funciona em zonas vulcânicas». Realidade: 95% do território europeu tem gradientes suficientes para sistemas de baixa entalpia.
• Mito: «As perfurações danificam o subsolo». Realidade: Estudos hidrogeológicos prévios garantem a sustentabilidade.

Inovações 2025: Geotermia 4.0

• Sensores IoT: Monitorizam em tempo real a condutividade térmica do solo, ajustando o COP.
• Hibridização com Fotovoltaica: Armazenamento térmico do excedente solar no subsolo.

Com um potencial global significativo, a geotermia consolida-se como a espinha dorsal da climatização sustentável. A sua integração com a arquitetura bioclimática e as redes inteligentes redefine o conceito de eficiência energética residencial. Para mais informações, visite Ecoforest.