Geotermia I – Aplicaciones de la energía geotérmica

GEOTERMIA

Desde el origen de los tiempos, el ser humano ha utilizado, tanto para su subsistencia como para la mejora de su calidad de vida, de manera consciente o inconsciente, las distintas fuentes de energía y recursos que ofrece su hábitat.

Recientemente, como consecuencia de una creciente concienciación activa acerca de la sostenibilidad de nuestro medio ambiente, la humanidad ha protagonizado un aumento considerable en la difusión acerca del uso de distintas formas de energía renovable, y entre estas, de las distintas aplicaciones de la energía geotérmica. Sin embargo, ya desde antiguo, son numerosas las aplicaciones en las que el hombre ha utilizado las reservas naturales de energía que se encuentran en el seno de nuestro planeta.

En efecto, gracias a la presencia de volcanes, fuentes termales y otros fenómenos similares, el hombre antiguo llego a suponer que el interior de la tierra poseía altas temperaturas, o con una definición más actual, energía. Sin embargo, el uso de la energía geotérmica fue previo a la comprensión de ella; como ejemplo de esto, hace ya más de 100 siglos desde que los nativos de la actual Norteamérica usaban las aguas termales para cocinar alimentos.

Otro importante ejemplo de la escala de este tipo de energía podemos encontrarlo en las antiguas civilizaciones griegas y romanas. En efecto, ambas culturas han dejado numerosos ejemplos de la aplicación de la energía geotérmica; calefacción urbana, termas y baños públicos… que en todos los casos alcanzaron en su momento cotas importantes de importancia social. Véase por ejemplo las termas romanas, algunas de las cuales contaban con aforos de varios miles de personas.

La aplicación tecnológica de la energía geotérmica también ha experimentado una abultada progresión a partir de su estudio y conocimiento. Algunos ejemplos cronológicos de este desarrollo se relacionan a continuación:

En el siglo XIV ya se desarrolla la primera calefacción de distrito geotérmica (instalación que produce el calor y se canaliza por sus calles para que llegue a todos los hogares de una ciudad o barrio, al igual que el agua o el gas), situada en Chaudes-Aigues, en la región de Auvernia.

A partir de 1827 se aplica la geotermia en procesos industriales. En efecto, el vapor del Géiser fue utilizado para extraer ácido bórico del volcán de lodo en Larderello, ltalia. Años después, el gobierno italiano impulsa la construcción en el lugar de la primera central eléctrica geotérmica con 250 kW de potencia en generación, que vino a sustituir el uso del carbón para la producción de electricidad.

Es en 1892 cuando comenzó a funcionar la primera calefacción geotérmica de distrito en Estados Unidos, concretamente en el estado de Idaho.
Ya en 1928, lslandia comienza a promover el empleo de recursos geotérmicos para la calefacción de viviendas.

¿Qué es la Energía Geotérmica?

Por definición, la energía geotérmica es aquella que proviene del calor existente en el interior de la Tierra; como es sabido, este calor fluye desde el centre del planeta hasta el exterior. Este fenómeno se manifiesta a través de lo que se conoce como gradiente geotérmico, esto es un aumento de temperatura con la profundidad en el subsuelo terrestre.

Como se puede apreciar en la figura anterior, el gradiente geotérmico, incluso en valores típicos, no es un valor constante, variando para distintos rangos de profundidad. Incluso existen determinadas anomalías naturales (fisuras, geisers…), en las que la alta temperatura interior puede percibirse en forma de magma o roca fundida que aflora a través de los volcanes, y/o también en otros fenómenos naturales conocidos corno son manantiales y aguas termales, fumarolas…

Un valor promedio del gradiente típico es de 30 °C/Km hasta una profundad que ronda los 1000 km, siendo diferente a partir de este punto. En cualquier caso, el valor y la evolución del gradiente geotérmico va a depender de las características físicas del material, propias de cada zona del interior del planeta, o dicho de otro modo, de las condiciones geológicas locales, por ejemplo relación presión – temperatura, composición química y reacciones que producen, existencia de material radiactivo, presencia de movimientos convectivos y rozamientos, etcétera. En efecto, en determinadas zonas se han llegado a medir gradientes anómalos de hasta 200 °C/km.

Este calor puede ser usado por el hombre como recurso energético en distintos niveles. En definitiva, la utilización del gradiente geotérmico como fuente de energía es una de las posibles soluciones a los problemas energéticos actuales que ya se esta aplicando en muchos países desarrollados.

Tipos de aplicaciones de la Energía Geotécnica

En función del valor del Gradiente Geotérmico, algunos autores suelen referirse a distintos tipos de Energía Geotérmica. Sin embargo, esta clasificación hace referencia a las distintas posibilidades de explotación que un recurso energético puede ofrecernos a partir de los niveles energéticos que este alberga.

En virtud de estos niveles, es habitual clasificar los yacimientos de Energía geotérmica en las siguientes denominaciones:

– Yacimientos de alta entalpía: el foco de calor permite que el fluido se encuentre en condiciones de presión y temperatura suficiente para producir Energía eléctrica mediante ciclos de origen vapor y de manera rentable; generalmente se encuentran en zonas con gradientes geotérmicos anormales en los que es posible obtener o calentar fluido a más de 150 °C. Se localizan en zonas de escaso espesor litosférico o anomalías técnicas (subducción, vulcanismo…).

– Yacimientos de media entalpía: en este tipo de yacimientos, la temperatura del fluido (entre 100 y 150°C) aun permite la generación de electricidad mediante ciclos binarios combinados que en general presentan menor rendimiento que los anteriores. Se encuentran en zonas con un contexto geológico y estructural favorable y un gradiente superior al normal aunque por debajo de los gradientes atípicos de yacimientos de alta.

Otra aplicación de este tipo de yacimiento es la calefacción de distrito con use directo (sin bomba de calor) y determinados procesos industriales (refrigeración por absorción con ciclo BrLi…)

– Yacimientos de baja entalpía: con temperaturas de entre 30 y 100°C y Gradientes térmicos cuasi normales, este tipo de yacimientos es habitualmente usado para calentamiento de distrito con uso directo (sin bomba de calor) y aplicaciones industriales y agrícolas particulares (cultivo de setas, secado de productos agrícolas y maderas…).

– Yacimientos de muy baja entalpía: En los casos en los que el flujo de calor no es almacenado bajo capas impermeables se produce una estabilidad térmica en el subsuelo que, con Gradientes Geotérmicos normales, da lugar a temperaturas moderadas en los primeros 250 metros (inferior a 30°C). Este tipo de yacimientos pueden hallarse en cualquier lugar, y su aprovechamiento, en los que se centra este documento, consiste principalmente en la refrigeración y producción de agua caliente mediante bomba de calor, con la posibilidad de reversibilidad. Como se veré más adelante, el gradiente geotérmico solo condiciona la eficiencia del sistema.

Nociones básicas sobre climatización

Como es sabido, una bomba de calor es una maquina térmica que permite transferir Energía en forma de calor desde un ambiente frío hasta otro más caliente con aporte de trabajo o Energía externa. Este fenómeno de transferencia de Energía calorífica se realiza mayoritariamente por medio de un sistema de refrigeración por compresión mecánica. Las siguientes figuras indican de manera resumida el objetivo de la bomba de calor en los distintos regímenes:

Durante el funcionamiento en INVIERNO, el sistema toma calor del foco frío o ambiente exterior (QC) y lo transporta (a partir de un fluido caloportador agua, gas refrigerante…) hasta el foco caliente o recinto climatizado (QH) 0 hacia el elemento consumidor de calor (por ejemplo, depósito de agua caliente, suelo radiante). Para realizar esta transferencia se utiliza Energía exterior (electricidad, diesel, propano…) aportada para el funcionamiento del propio compresor mecánico (W).

Durante el funcionamiento en VERANO, el sistema extrae calor del recinto climatizado o foco trío (QC) y lo transporta (a partir de un fluido caloportador) hasta el exterior o foco caliente (QH) o, en caso de necesidad, hacia un elemento deficitario de calor en este régimen. Una vez más, para realizar esta transferencia se utiliza Energía exterior (electricidad, diesel, propano…) aportada para el funcionamiento del compresor mecánico.

Esta es la explicación de la existencia de dos unidades diferentes (unidad interior y exterior) en los sistemas habituales de climatización. Obviamente, carecería de sentido práctico intercambiar la ubicación de las unidades interiores y exteriores para cada uno de los regímenes estacionales. Es por esto último que los sistemas habituales se completan a partir de la instalación de una válvula de reversible o inversora que controla el sentido del fluido caloportador en cada uno de los regímenes. Este elemento confiere al sistema la característica de reversibilidad.

Para comprender completamente las ventajas que ofrece los sistemas geotérmicos para esta aplicación, es necesario un previo conocimiento básico de los distintos procesos que tienen lugar en el ciclo de refrigerante. En la siguiente figura podemos observar el ciclo que sufre un gas refrigerante de tipo comercial R-407C, apto para aplicaciones de climatización.

Procesos del gas refrigerante

En el diagrama P-h (presión versus entalpía) de la derecha (ciclo frigorífico ideal) podemos observar los distintos procesos que experimenta el gas refrigerante:

– Proceso 1-2 Compresión:
En esta etapa el gas refrigerante en estado de vapor saturado es sometido a una compresión mecánica teóricamente adiabática o isoentrópica (sin aporte de calor). Este proceso se realiza a partir de la aplicación de Energía exterior (electricidad, diesel …).

La presión y temperatura del refrigerante se eleva hasta valores aptos para el intercambio con el medio exterior. Efectivamente, a mayor temperatura de condensación del fluido le corresponde mayor presión de saturación (obsérvese tabla anexo I).

Si por ejemplo es necesario intercambiar con un medio exterior a una temperatura de 50°C seré necesaria una condensación de refrigerante a 55°C para permitir la transferencia natural del calor hacia el medio (segunda ley de la termodinámica).

En este refrigerante, esta temperatura supone elevar la presión del gas hasta unos 2200 kPa. La Energía necesaria para la compresión es proporcional a la longitud del segmento 1-2. En efecto, cuanto menor es esta longitud, menor es la energía externa necesaria y por ende la potencia nominal útil del motor.

– Proceso 2-3 (Condensación):
Durante este proceso, el gas refrigerante en estado vapor entra en el intercambiador de calor llamado condensador, sufriendo un cambio de estado de gas a líquido (condensación).

En el intercambio gas libera calor latente (no se modifica su temperatura durante el cambio de estado) hacia el exterior disminuyendo su nivel energético. El calor emitido al foco caliente puede medirse a partir de la longitud del segmento 2-3.

– Proceso 3-4 (Expansión):
Durante este proceso, el gas refrigerante sufre un estrangulamiento que disminuye su presión de manera drástica. El proceso es teóricamente isoentálpico, es decir. a la salida de la válvula de expansión o elemento de estrangulación obtenemos una mezcla de gas y liquido refrigerante con el mismo nivel energético que poseía a la entrada.

– Proceso 4-1 (Evaporación):
Como último proceso del refrigerante, este experimenta nuevamente su evaporación, esto es; la mezcla de gas y liquido entran en un intercambiador llamado evaporador en el que ocurre, a la presión correspondiente, un el cambio de estado. Durante el proceso se extrae calor latente del foco en el que se encuentra el intercambiador. La cantidad de Energía extraída en el proceso puede medirse proporcionalmente a la longitud del segmento 4-1.

Los parámetros habituales para medir la eficiencia de una bomba de calor en cada uno de los regímenes estacionales son dos:

1. COP: «Coefficcient Of Performance» o coeficiente de desarrollo, usado para el modo calefacción:

Es la relación entre el calor aportado al toco caliente o estancia (QH) y el trabajo aportado desde el exterior. Es decir, este parámetro es proporcional al cociente entre las longitudes de los segmentos de condensación y compresión. Por ejemplo, en una bomba de calor accionada con Energía eléctrica. un COP de 3,5 kW/kW indica que el sistema genera 3,5 kW de calor por cada unidad de kW eléctrico consumido.

Del concepto indicado puede deducirse que, a igualdad de temperatura en el recinto, cuanto más alta sea la temperatura del medio exterior (foco frío) desde el que se pretende absorber el calor, mayor será el rendimiento o COP y, consecuentemente, menor seré la Energía exterior necesaria.

Efectivamente, obsérvese como el segmento 1-2, correspondiente a una temperatura de evaporación más alta, es ahora menor que el caso 1-2 sin embargo, la transferencia de calor 2-3 sigue siendo la misma.

En sentido puramente lógico este hecho es totalmente coherente: en efecto, a medida que la temperatura del foco frío aumenta (hace menos frío en el exterior), la transferencia de calor hacia el foco caliente es más sencilla y económica (es más barato el calentamiento del recintos).

2. EER «Energy Efficiency Ratio» o ratio de eficiencia energética, usado para el modo refrigeración

Es la relación entre el calor extraído desde el foco frío o recinto climatizado (QC) y ei trabajo aportado desde el exterior. Por ejemplo, en una bomba de calor accionada con Energía eléctrica, un EER de 3,5 kW/kW indica que el sistema extrae 3,5 kW de calor por cada unidad de kW eléctrico consumido.

Una vez más, este valor depende de las temperaturas de intercambio entre los focos caliente y frío.

En efecto, si la temperatura del foco caliente sobre el que se emite calor disminuye, el EER aumenta mientras que el trabajo necesario disminuye.

Climatización y producción de calor mediante Geotermia

Denominamos con este nombre a aquellas aplicaciones que aprovechan yacimientos geotérmicos de muy baja entalpia para, a partir de una bomba de calor, obtener un sistema estable y eficiente de refrigeración, calefacción y producción de Agua Caliente Sanitaria.

La principal diferencia en este tipo de climatización es el ambiente exterior utilizado para el intercambio, que es precisamente el subsuelo o las aguas subterráneas. La gran ventaja que ofrecen este tipo de sistemas se basa en las moderadas temperaturas que existen en el medio exterior de intercambio durante todo el año, independientemente de la temperatura exterior. De esta forma, tal y como se desarrolla en el punto anterior es posible obtener sistemas de climatización con una eficiencia optimizada.

Básicamente podemos resumir el efecto geotérmico como un intercambio en el que la Energía pasa del subsuelo al recinto de interés o viceversa; en INVIERNO, el subsuelo aparta calor al recinto a calefactar o elemento receptor. En VERANO, el calor de la estancia es evacuado hacia el subsuelo.

En la actualidad existen diversas tipologías de instalación o tecnologías para el intercambio de Energía térmica con el subsuelo:

– Instalación Geotérmica con captación abierta (acuífero somero)

Esta tipología aprovecha la existencia de una fuente natural de agua abundante. En estos casos si la calidad. cantidad y disposición del agua lo permiten, es posible el intercambio térmico directo con el mismo.

Aunque existen diversas subtipologías para estos sistemas, en cualquier caso son necesarias dos zonas bien diferenciadas:

• Foco/s de extracción o punto/s desde el cual se extrae el agua que realiza la caloportación hasta la unidad bomba de calor.
• Foco/s de inyección o punto/s al cual se devuelve el fluido una vez absorbido o cedido el calor de la carga térmica. En cualquier caso cualquiera de los focos podrán ser directos (ríos, manantiales, lagos…) o canalizados o pozos.

– Instalación Geotérmica mediante cimientos termoactivados

Tratándose de otra de las tecnologías de captación de Energía geotérmica, consiste en el aprovechamiento de la estructura portante de un edificio para realizar simultáneamente el intercambio de Energía térmica con el subsuelo.

Esta opción es generalmente utilizada para climatizar y producir Agua Caliente en edificios con dimensiones relativamente elevadas.

Dentro de esta tipología de captación geotérmica existen diversos submétodos aplicables; pilotes, pantallas subterráneas, muros de contención o losas… fabricados en cualquier caso con hormigón armado que, además de transferir las cargas mecánicas del edificio a la base de apoyo, propician el intercambio de calor entre el subsuelo y el edificio.

Por ejemplo, en el caso de pilotes geotérmicos, los pilotes tradicionales son sustituidos por pilotes geotérmicos, en los que la base de hormigón armado es completada con la introducción de sondas geotérmicas o canalizaciones de fluido caloportador en forma de ‘U’.

Una vez más estas canalizaciones pueden ser de PVC, Propileno o Polietileno de alta densidad.

– Instalación Térmica Geotérmica con captación cerrada horizontal:

Esta tecnología para Ia captación y/o disipación de Energía con el subsuelo consiste en la instalación de varios circuitos de tuberías que, enterrados a una profundidad moderada
(generalmente entre 70 y 200 cm), actúan como intercambiadores de calor con el terreno. Una vez más, en el interior de estas canalizaciones, como fluido caloportador, circula en circuito cerrado una mezcla de agua y anticongelante. El principal inconveniente de este tipo de captación es la necesidad de un espacio amplio de terreno que además depende de las condiciones del habitáculo a acondicionar. En general es necesario disponer de un espacio despejado de aproximadamente 1,5 veces la superficie habitable a acondicionar. Si la demanda térmica es alta (aislamiento térmico insuficiente, densidades de ocupación elevadas …), este ratio puede aumentar considerablemente, pudiendo llegar a requerir hasta 3 veces la superficie acondicionada.

– Instalación Térmica Geotérmica con captación vertical:

Siendo el tipo de instalación más utilizada, supone la única solución en aquellos casos en los que confluyen tres situaciones habituales:

• Existen limitaciones en la superficie disponible (falta efectiva de terreno despejado, existencia de otras instalaciones en subsuelo…)
• No existen fuentes naturales de agua con acceso viable o la normativa para su utilización es extremadamente estricta como consecuencia de histéricos de necesidad del recurso o conservación del medio.
• Las condiciones de demanda energética son relativamente elevadas, no siendo viable su cobertura mediante cualquiera de las otras tecnologías de captación.

En este caso, los colectores de calor son canalizaciones de fluido caloportador o sondas geotérmicas que, en posición vertical y circuito cerrado (forma de ‘U‘), son instaladas en el interior de uno o varios sondeos con diámetros reducidos (10+25 cm), con profundidades que pueden alcanzar alrededor de 150 m. Una vez más, estas sondas están constituidas por material termoplástico, generalmente polietileno de alta densidad, en el interior de las cuales una mezcla de agua y anticongelante.

Este tipo de captación ofrece como principal ventaja una estabilidad demostrada en la temperatura del subsuelo. De manera genérica, a partir de los 10 metros de profundidad, esta se mantiene estable e independiente a los agentes externos (radiación, meteorología…) que puedan afectar en la superficie. El valor de temperatura alcanzado a esta profundidad, a falta de agentes anómalos, coincide con la temperatura media seca de localidad.

Geotermia: Es la tecnología más eficiente para climatización y/o producción de Agua Caliente Sanitaria

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Ventajas e Inconvenientes de la Climatización Geotérmica

Son muchas las ventajas que ofrece un sistema de climatización y/o producción de Agua Caliente Sanitaria mediante Geotermia. A saber:

• Se trata en la actualidad de la tecnología más eficiente para climatización y/o producción de Agua Caliente Sanitaria, permitiendo consecuentemente altos ahorros económicos en el consume de Energía eléctrica. (en algunas aplicaciones es posible alcanzar hasta el 70% de ahorro).
• Evita la necesidad de placas solares, generalmente incompatibles con la estética de las construcciones. En efecto, la sección HE-4 del Real Decreto 314/2006, por el que se aprueba el Código Técnico de la Edificación (CTE), establece el requisito de una contribución solar mínima en la producción del Agua Caliente Sanitaria) para edificios nuevos o rehabilitados, cuya cuantía depende de la zona climática, la demanda y el tipo de Energía no renovable utilizada. Sin embargo, en esta sección también se establece que la Energía solar térmica puede ser sustituida por otras fuentes de Energía renovables, como es la Energía geotérmica.
• Ofrece la máxima eficiencia en Climatización y generación de Agua Caliente Sanitaria, obteniéndose altas clasificaciones en los certificados de eficiencia energética de los edificios que la contienen.
• Permite una máxima integración arquitectónica al no necesitar de unidades exteriores visibles en tachadas, cubiertas técnicas o jardines de viviendas unifamiliares aisladas.
• Permite la máxima reducción de elementos en la instalación, centralizando en la misma unidad la producción de Agua Caliente Sanitaria y la Climatización. No son necesarias calderas auxiliares para el agua de consumo.
• Es compatible con la mayoría de sistemas de difusión para contort (suelo radiante, centralización mediante conductos, radiadores de baja temperatura, fancoil’s murales de pared…).
• Se trata de una fuente de Energía ilimitada y limpia: a escala humana el calor de la Tierra es ilimitado. Un uso racional permitirá la disposición de esta Energía por parte de generaciones futuras. La Energía geotermia también promueve la reducción efectiva en la emisión de gases de efecto invernadero al reducirse la utilización de Energía primaria convencional y su producción. Este hecho también conlleva consecuencias económicas, reduciendo efectivamente el coste de explotación y la competitividad de las actividades que elijan este tipo de sistema ya que el precio de explotación de las Energía fósiles aumentara con el agotamiento de los recursos y las restricciones ambientales.
• Esta Energía renovable no depende de factores externos, contrariamente a la Energía solar o a la eólica. Está disponible en cualquier momento del año independientemente del momento del emplazamiento.
• Amplio abanico de uso: la Energía geotérmica puede ser utilizada en aplicaciones domésticas, comerciales e incluso industriales.
• El único inconveniente en este tipo de instalaciones es un mayor coste de inversión frente a sistemas convencionales. Sin embargo, en la actualidad existen incentivos y subvenciones estatales que ayudan a paliar este incremento, aunando así la instalación de este tipo de Energía.

En definitiva, son pocas las excusas que nos quedan para no aprovechar el calor de nuestra madre tierra.

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También puedes ampliar esta información en las siguientes entregas de esta entrada de nuestro blog:

• Geotermia I – Aplicaciones de la energía geotérmica
• Geotermia II – Climatización Geotérmica

Fuente: Manual de Mortero Técnico para Geotermia Morcem Geogrout – Grupo Puma