GIS platform for management of shallow geothermal resources
Authors:   , García Alcaraz María del Mar 
Published: July 2023

This thesis promotes an efficient use of shallow geothermal energy by means of an integrated management system to organize its exploitation. Shallow geothermal energy is a renewable resource based on thermal energy exchange with the ground. Due to the growth in demand for this energy, the development of management techniques to organize the exploitation of this resource is mandatory to protect both groundwater and the users' rights.
Shallow geothermal performance of underground is closely related to groundwater behavior, so it is necessary to understand and improve the knowledge about it. Thus, an integrated methodology is proposed for the 3D visualization of underground resources related to groundwater. A set of tools named HEROS3D was developed in a GIS environment to support the generation of 3D entities representing geological, hydrogeological, hydrochemical and geothermal features.
The GIS technology also gives a wide-ranging support to environmental modeling, either conceptual or numerical, especially to groundwater modeling. However, there is a scarcity of tools to implement the conceptual model in numerical modeling platforms. This transition needs of specific methodologies to adapt the geometries and alpha-numerical data from the conceptual model to the numerical model to get optimal numerical results. Although most necessities can be satisfied with inherent GIS tools, there are particular steps in the implementation of hydrogeological conceptual model into the numerical modeling software that have not been solved yet. To overcome this gap, a set of tools is presented, named ArcArAz. It focuses on the configuration of geometry and parameterization for groundwater numerical models.
Once both the hydrogeological conceptual model and the numerical model are defined, a solid basis for management of Shallow Geothermal energy is available. This thesis proposes two methodologies for the management of this energy resource at two different scales: for a regional scale and for a metropolitan scale.
The first GIS methodology provides a response to the need for a regional quantification of the geothermal potential that can be extracted by Boreholes Heat Exchangers and its associated environmental impacts. For the first time, advection and dispersion heat transport mechanisms and the temporal evolution from the start of operation of the BHE are considered in the regional estimation of the variables of interest. A sensitivity analysis leads to the conclusion that the consideration of dispersion effects and temporal evolution of the exploitation prevent significant differences up to a factor 2.5 in the heat exchange rate accuracy and up to several orders of magnitude in the impacts generated.
To deepen the management of Shallow Geothermal Energy, this thesis proposes to establish a market of shallow geothermal energy use rights which would allow managing this resource at a metropolitan scale. This methodology is based on a GIS framework and is composed of a geospatial database to store the main information required to manage the installations and a set of GIS tools used to define, implant and control this use rights market. Thermal impacts derived from the exploitation of this resource can also be registered geographically, by taking into account the groundwater flow direction and adjusting the thermal impact to the available plot.
Esta tesis promueve el uso eficiente de la geotermia somera a través de un sistema integrado de gestión de este recurso. La geotermia somera es un recurso renovable que se basa en el intercambio de energía con el suelo. Los Intercambiadores de calor, o Borehole Heat Exchangers (BHEs) se están popularizando como sistema para explotarla. Debido al crecimiento en la demanda de geotermia somera, es imprescindible establecer una gestión integrada de este recurso para organizar su explotación y proteger tanto a las
aguas subterráneas como a los beneficiarios de esta energía renovable.
Debido a que la geotermia somera está íntimamente relacionada con el comportamiento de las aguas subterráneas, es imprescindible ahondar y mejorar su conocimiento. Para ello, se propone una metodología para la visualización tridimensional de los recursos subterráneos relacionados con la hidrogeología. Se ha desarrollado un conjunto de herramientas, llamado HEROS3D, en un entorno SIG.
Estas herramientas facilitan la creación de entidades tridimensionales que representan datos geológicos, hidrogeológicos, hidrogeoquímicos y geotermales. Están relacionadas con una base de datos donde tanto la información bruta como la interpretada se encuentran almacenadas.
La tecnología SIG también da soporte, no sólo a la modelación conceptual, sino también a la numérica, especialmente en el caso de la hidrogeología. Para facilitar la implementación de los modelos conceptuales en las plataformas de modelación numérica, esta tesis presenta un segundo conjunto de herramientas llamado ArcArAz. Estas herramientas ofrecen soluciones a los problemas más comunes relacionados con la configuración de la geometría de entrada al modelo numérico, así como su parametrización.
Las bases para una gestión eficiente de la geotermia somera se establecen llamado ArcArAz. Estas herramientas ofrecen soluciones a los problemas más comunes relacionados con la configuración de la geometría de entrada al modelo numérico, así como su parametrización.
Las bases para una gestión eficiente de la geotermia somera se establecen una vez que hemos definido y están disponibles tanto el modelo hidrogeológico conceptual como el modelo numérico. En relación a este aspecto, en esta tesis se proponen dos metodologías de gestión enfocadas a escalas diferentes: escala regional y escala metropolitana o local.
La primera metodología SIG ofrece una respuesta a la necesidad de una cuantificación regional del potencial geotérmico somero que puede extraerse con intercambiadores de calor o Borehole Heat Exchangers, así como sus impactos térmicos asociados. Por primera vez pueden tenerse en cuenta en la estimación regional de las variables de interés la advección y dispersión de calor, como mecanismos de transporte de calor, así como la evolución temporal desde el inicio de la explotación. Un análisis de sensibilidad demuestra que la consideración de los efectos de dispersión así como el régimen temporal de la explotación supone diferencias de hasta 2.5 veces el potencial extraído y hasta de varios ordenes de magnitud en los impactos térmicos generados.
Para profundizar en la gestión de la geotermia somera a escala local, esta tesis propone establecer un mercado de derechos de uso de este recurso. Esta metodología se ha implementado en un ambiente SIG y está compuesta de una base de datos donde se almacena la información principal necesaria para gestionar las instalaciones y de un conjunto de herramientas para definir, implantar y controlar este mercado de derechos de uso de geotermia somera. Los impactos térmicos derivados de la explotación de este recurso pueden quedar registrados geográficamente, teniendo en cuenta la dirección de flujo de las aguas subterráneas y ajustando estos impactos a la superficie de la parcela disponible una vez que hemos definido y están disponibles tanto el modelo hidrogeológico
conceptual como el modelo numérico. En relación a este aspecto, en esta tesis se
proponen dos metodologías de gestión enfocadas a escalas diferentes: escala regional y escala metropolitana o local.
La primera metodología SIG ofrece una respuesta a la necesidad de una cuantificación regional del potencial geotérmico somero que puede extraerse con intercambiadores de calor o Borehole Heat Exchangers, así como sus impactos térmicos asociados. Por primera vez pueden tenerse en cuenta en la estimación regional de las variables de interés la advección y dispersión de calor, como mecanismos de transporte de calor, así como la evolución temporal desde el inicio de la explotación. Un análisis de sensibilidad demuestra que la consideración de los efectos de dispersión así como el régimen temporal de la explotación supone diferencias de hasta 2.5 veces el potencial extraído y hasta de varios ordenes de magnitud en los impactos térmicos generados.
Para profundizar en la gestión de la geotermia somera a escala local, esta tesis propone establecer un mercado de derechos de uso de este recurso. Esta metodología se ha implementado en un ambiente SIG y está compuesta de una base de datos donde se almacena la información principal necesaria para gestionar las instalaciones y de un conjunto de herramientas para definir, implantar y controlar este mercado de derechos de uso de geotermia somera. Los impactos térmicos derivados de la explotación de este recurso pueden quedar registrados geográficamente, teniendo en cuenta la dirección de flujo de las aguas subterráneas y ajustando estos impactos a la superficie de la parcela disponible