Critical aspects on shallow geothermal energy systems:  development, design and infrastructure

João Diogo de Sousa Figueira

Key information

Authors:

João Diogo de Sousa Figueira (João Diogo de Sousa Figueira)

Supervisors:

Carlos Augusto Santos Silva (Carlos Augusto Santos Silva); Peter John Bourne-Webb (Peter John Bourne-Webb)

Published in

January 24, 2023

Abstract

A procura por soluções sustentáveis para o trilema energético – segurança no aprovisionamento, sustentável e acessível - tem levado muitos países a implementar de fontes alternativas de energia, que não dependam de combustíveis fósseis. Atualmente, o comforto térmico tem se tornado cada vez mais importante devido aos padrões de vida mais elevados, representando uma grande parte do consumo energético nos edifícios. A geotermia superficial fornece climatização de forma eficiente e sustentável. A sua exploração tem sido amplamente utilizada, mas ainda existem desafios que precisam ser solucionados para que se atinja o seu potencial. Estes desafios podem ser divididos em desafios técnicos, sociopolíticos e ambientais; e estes são o foco da tese. O projeto de sistemas de geotermia superficial envolve a análise da capacidade da fonte, as necessidades do edifício e as características do equipamento. Além disso, o contexto do projeto influencia o seu dimensionamento e o processo de tomada de decisão. Estas quatro questões são a espinha dorsal do projeto de investigação que visa fornecer um guia transversal para projetos de geotermia superficial e garantir o desenvolvimento sustentável do mercado. Ao mesmo tempo, apresentam-se algumas contribuições científicas como objetivos específicos. Estas incluem uma revisão do contexto legal e de mercado, ensaios de campo, ensaios de laboratório, optimização do dimensionamento e estudo de viabilidade de sistemas de geotermia superficial em Lisboa. A principal contribuição é uma compilação dos aspectos críticos na concepção e desenvolvimento de sistemas de geotermia superficial, com foco em Portugal onde o seu mercado ainda é embrionário. The efforts for more sustainable solutions for the complex energy trilemma – reliable, clean and affordable energy systems - has driven many countries to search and rely on alternative sources of energy which are not reliant on fossil fuels. Nowadays, indoor living conditions have become more and more demanding due to higher living standards and thermal comfort represents a large share of energy consumption in buildings. Shallow geothermal energy supplies efficient heating, cooling and hot water. Its exploitation has been widely used but it still faces challenges that need to be addressed to harvest its potential in decarbonising societies. These challenges can be divided into three categories: technical, socio-political and environmental. These are the focus of the thesis. The design of shallow geothermal energy systems involves the analysis of: the source capacity, the building needs, and the equipment characteristics. Additionally, the socio economic and regulatory context of the project influences the design procedure and decision making process. These four issues are the backbone of the research work, which aims to provide a transversal guide for successful SGE projects and ensure its sustainable development, while presenting some important scientific contributions as specific objectives. These include a regulatory review, field testing, laboratory testing, design optimisation and feasibility study of SGE systems in Lisbon. The main contribution is a comprehensive collation of the critical aspects in designing and developing shallow geothermal energy systems, having a clear focus on Portugal in which its market is still embryonic.