LA ENERGÍA GEOTÉRMICA EN LA EDIFICACIÓN Y SU DESARROLLO EN LA COMUNIDAD DE MADRID

Carlos LÓPEZ JIMENO
Dr. Ingeniero de Minas
Director General de Industria, Energía y Minas de la Comunidad de Madrid

La energía geotérmica se concibe como la energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie sólida de la Tierra y es una fuente energética inagotable y de enorme potencial de aplicación, tanto para la obtención de energía eléctrica como para su uso en climatización de edificios. Y puesto que el modelo energético actual basado en los combustibles fósiles comienza a no ser sostenible, la energía geotérmica aparece como una tecnología que puede jugar un papel relevante, debido a su impacto positivo en la reducción de la dependencia energética exterior de regiones con grandes demandas energéticas como es el caso de Madrid.


El presente artículo se centra en el uso de este tipo de energía para climatización de edificios, pues ésta es la aplicación más extendida al no depender de los condicionantes geológicos tan particulares como los requeridos para las explotaciones de alta entalpía.

Una tecnología accesible es lo que se requiere para aprovechar el escaso y difuso calor que encierran suelos, rocas y aguas subterráneas, a poca profundidad, en cualquier país, y destinarlo para calefacción, refrigeración, y producción de ACS de edificios. Basta con realizar intercambiadores de calor subterráneos y emplear bombas de calor conectadas a ellos. Son las llamadas bombas de calor geotérmicas, que, a cambio de pequeños consumos de energía eléctrica que es necesaria para el funcionamiento del sistema, permiten captar ese calor difuso, concentrarlo y elevar su temperatura, proporcionando ahorros de energía térmica en hogares y edificios comerciales y públicos, que, comparados con sistemas convencionales de gasoil, gas o electricidad para calefacción, pueden representar entre un 30% y un 70%.

Estos ahorros no son desdeñables si se considera que, actualmente, el mayor consumo energético en los hogares de nueva construcción en los países desarrollados se realiza para satisfacer las necesidades de climatización (calor y refrigeración) y ACS.


Figura 1. Esquema de funcionamiento de una bomba de calor.

Una bomba de calor geotérmica es un aparato termodinámico que dispone de un circuito cerrado y estanco por el que circula un fluido frigorífico que cambia de estado (líquido o gaseoso) en función de los cuatro órganos que atraviesa: evaporador, compresor, condensador y descompresor. El rendimiento de una bomba de calor geotérmica en modo calefacción se mide por la relación entre la cantidad de calor producida y la energía eléctrica consumida. Esta relación se denomina COP (coeficiente de eficiencia energética) y suele estar comprendido entre 3 y 5.

La captación de calor del terreno, o la evacuación al mismo del calor de un edificio, la realiza un medio de transmisión de calor (fluido caloportador) que circula por los intercambiadores subterráneos llamados intercambiadores geotérmicos. Atendiendo a la naturaleza de los intercambiadores, éstos se pueden clasificar en sistemas abiertos y sistemas cerrados, y, dentro de estos últimos, diferenciar entre intercambiadores geotérmicos horizontales, inclinados y verticales. Quedan al margen de esta clasificación las cimentaciones termoactivas, el aprovechamiento de aguas drenadas por minas y túneles, y los colectores de calor ubicados en conducciones de aguas residuales, por considerarlos aprovechamientos complementarios, nunca desdeñables, de la función principal que deben cumplir las obras en las que se ubican.

Los intercambiadores geotérmicos verticales suponen la interconexión de varios pozos o sondeos geotérmicos en los que se ubican dos o cuatro tubos, generalmente de polietileno, unidos en sus extremos inferiores por una pieza en U o doble U del mismo material, constituyendo así las sondas geotérmicas. El diámetro habitual de los pozos es de 150 mm de diámetro y la profundidad de los sondeos suele oscilar entre 100 y 200 m, por lo que la influencia de la radiación solar y demás circunstancias meteorológicas superficiales sobre la temperatura del terreno, es insignificante comparada con el flujo de calor geotérmico.
Las profundidades que pueden alcanzar los sondeos geotérmicos están condicionadas por las capacidades de los equipos de perforación que se utilicen, y por las disposiciones en materia de legislación minera y de protección de aguas subterráneas, que a partir de 200 m de profundidad requieren presentar proyectos que se someten a estudios y autorizaciones administrativas más restrictivas.

Dependiendo de las características del terreno se pueden utilizar diferentes sistemas de perforación. En terrenos duros se emplean sistemas a rotopercusión con martillo en fondo y una sola unidad de rotación. En terrenos inestables, como arenas y gravas, en los que podrían derrumbarse las paredes del sondeo, se utilizan sistemas a rotación con circulación directa de lodos. Los detritos de perforación, a medida que se producen, y los lodos de sondeo, si llegan a emplearse, se recogen en contenedores adecuados, y son trasladados a lugares de vertido apropiados.

En cuanto a las sondas geotérmicas, el material más usado para los tubos es el polietileno de alta densidad por ser uno de los plásticos más comunes y más baratos. No es tóxico, es impermeable y flexible, y ofrece buena resistencia térmica, química y al impacto.

Las sondas se rellenan con agua, o con agua y anticongelante, antes de su introducción en el sondeo, para evitar que los tubos puedan aplastarse por diferencias de presión entre el interior y exterior en caso de existir agua o lodos de sondeo, o cuando se realice la cementación. Para facilitar el descenso en el sondeo se cuelga un lastre en el pie de sonda que quedará perdido en el fondo.
Antes de introducir el relleno, se somete al intercambiador a una prueba de presión. En caso de no superarla, todavía se está a tiempo de izarlo a superficie y reemplazarlo por otro.

Tras la perforación y la introducción de las sondas, el relleno del sondeo es necesario para completar el espacio anular que queda entre las tuberías del intercambiador y las paredes del hueco. Se rellena con arena silícea calibrada o se cementa con una suspensión de cemento, bentonita y arena silícea al objeto de lograr un buen contacto térmico entre los tubos de la sonda y el terreno, cerrar el sondeo desde la superficie para evitar la entrada de contaminantes exteriores, y sellar los acuíferos que hayan podido ser atravesados durante la perforación. Una vez cementado el sondeo, se somete a la sonda a un ensayo de presión definitivo para comprobar que no existen fugas, y poder garantizar que, en condiciones normales de trabajo, la sonda tenga una vida útil de 50 años.

El fluido circulante (caloportador) es el medio de transferencia térmica que circula por los tubos del intercambiador geotérmico. Se trata de agua o una mezcla acuosa con una sustancia anticongelante, que debe satisfacer los siguientes requisitos: impedir la formación de hielo en el evaporador de la bomba de calor durante el funcionamiento del sistema geotérmico en modo calefacción, proteger contra la corrosión los materiales que constituyen el circuito cerrado por el que circula, y ser biodegradable para no contaminar el agua subterránea en caso de fuga.

El dimensionamiento de un sistema geotérmico comienza por establecer las cargas de calefacción, refrigeración y ACS del edificio, en función de las condiciones climatológicas locales. Continúa con la elección de las instalaciones y equipos encargados de satisfacer esas demandas, y finaliza con la determinación de la ubicación, número, separación y profundidad de los sondeos en los que se van a alojar los intercambiadores geotérmicos verticales.

Para precisar esto último, en edificios con elevadas cargas térmicas se recurre a realizar ensayos de respuesta térmica del terreno en uno o varios sondeos perforados al efecto. Con ello se obtiene la conductividad y la resistencia térmica efectivas del terreno, que dependen de los tipos de roca atravesados, los espesores de las diferentes capas, el flujo de agua subterránea, el relleno del sondeo y el material de los tubos.

El ensayo se complementa con la simulación por ordenador del comportamiento que tendría el terreno en el transcurso de los años de utilización del campo de sondas geotérmicas.

Para instalaciones de pequeña potencia térmica, como es el caso de viviendas unifamiliares, normalmente con un máximo de cuatro sondas, el coste que comporta el ensayo y la simulación por ordenador no compensa.

Existe una alternativa a los sondeos convencionales que cada vez más es aprovechada en las obras urbanas; se trata del aprovechamiento geotérmico de las infraestructuras y obras subterráneas. Las infraestructuras subterráneas se pueden definir como un conjunto de estructuras por debajo del nivel de la superficie. Como la mayoría de ellas son construidas en obra de fábrica u hormigón de elevada conductividad térmica, su termoactivación como intercambiador, incorporando circuitos de transferencia de energía que llevan en su interior un fluido caloportador, es la forma más usada.

Algunos casos de este tipo de aprovechamiento geotérmico en zonas urbanas son: las infraestructuras de transporte (ferrocarriles, metro, intercambiadores, etc.), las redes de servicio y abastecimiento (agua, alcantarillado, gas, etc.), y algunos espacios públicos (centros comerciales, hospitales, etc.) o privados (garajes).

Pasando al caso particular de la energía geotérmica en la Comunidad de Madrid, desde 2008 y dentro de la estrategia energética regional, la Administración Regional en colaboración con otras entidades públicas y privadas, vienen desarrollando una política de fomento de la energía geotérmica, y más específicamente de la geotermia de baja entalpía en su uso para la climatización de edificios. El objetivo no es otro que aportar nuevos medios para hacer un uso más eficiente de la energía, para lograr mayores ahorros, y para reducir las emisiones de CO2 en la región.

Figura 2. Anuncio del IV Congreso de Energía Geotérmica GeoEner 2014. www.geoener.es


El desarrollo de las acciones se estructura en cinco áreas de actuación que cubren todos los recursos geotérmicos y tecnologías, principalmente las relacionadas con la geotermia de baja entalpía, a través de bombas de calor e intercambiadores verticales en sistemas cerrados, bien sea en sondeos o en cimentaciones y estructuras termoactivas, sistemas abiertos en acuíferos, con aguas de drenaje de túneles, etc.:

Área de divulgación: donde se incluyen todas las iniciativas cuyo objetivo es dar a conocer tanto al público como a los técnicos, una amplia visión de la geotermia y sus posibilidades. Para este área se han editado guías explicativas, comics dirigidos a los más pequeños, vídeos, celebración de jornadas, participación en foros de divulgación, etc.

Área de formación: que engloba todas las iniciativas cuyo objetivo es formar a los técnicos y empresas. En este área se incluyen iniciativas como la edición de guías geotérmicas especializadas, celebración de Congresos, participación en foros, organización de cursos, etc.

Figura 3. La Geotermia y la familia Geotermín.www.fenercom.com
 
Área de promoción económica y comercial: cuyo objetivo persigue impulsar la utilización de la energía geotérmica incentivando económicamente, y facilitando en la medida de lo posible los canales para que las empresas e instaladores que desarrollan su actividad en este campo puedan exponer sus productos y servicios. En este área se incluyen la celebración de Congresos, jornadas técnicas, así como facilitar el contacto al público con las empresas especializadas a través de Internet. También este área abarca el premio anual a las mejores instalaciones geotérmicas, y la publicación de las guías sobre proyectos emblemáticos en el ámbito de la geotermia.

Área normativa y de aseguramiento de la calidad: en este área se incluyen iniciativas para garantizar que las instalaciones cumplan con las condiciones de seguridad y calidad que le son exigibles. Se contemplan aquí las actividades para normalizar la presentación de la documentación técnica estableciendo formularios de solicitud, la publicación de proyectos tipo, establecimiento de procedimientos administrativos de aprobación de estas instalaciones, guías explicativas, etc.

Área de asesoramiento técnico: que recoge todas las iniciativas orientadas a quien comienza a dar sus primeros pasos en geotermia, informando sobre las herramientas de ayuda al diseño, los requisitos, las posibilidades, etc.

Así, las actuaciones y logros que vienen sucediéndose desde 2008, han permitido apreciar un espectacular incremento de las instalaciones geotérmicas que hasta entonces eran unas perfectas desconocidas.

En mayo de 2014 se han alcanzado las 290 instalaciones con una potencia total instalada superior a los 12 MW y casi 1.800 m de sondeos.

TABLA 1. Energía geotérmica en la Comunidad de Madrid. DGIEM Comunidad de Madrid, Diciembre 2013.

La potencia instalada a lo largo de los últimos cinco años supone un incremento muy notable, teniendo en cuenta que en 2008 apenas se alcanzaba 1 MW de potencia geotérmica instalada en toda la región y a día de hoy se superan holgadamente los 12 MW.





Figura 5. Número de perforaciones para uso geotérmico en la Comunidad de Madrid. DGIEM Comunidad de Madrid, Diciembre 2013.


Figura 6. Profundidad de las perforaciones. Sondeos clasificados por profundidad en m. DGIEM Comunidad de Madrid, Diciembre 2013.

Paralelamente, se ha observado un importante aumento del tamaño o potencia instalada de las bombas de calor, pasando de pequeño proyectos en viviendas unifamiliares a instalaciones más grandes en el sector industrial y terciario.




Figura 7. Instalación en la promoción de viviendas de la calle Guatemala 13 en Madrid, con 70 sondeos de 125 m con potencia de 525 kWt. (Fuente: IFTEC).

El esfuerzo desde la Administración autonómica y el auge de la rehabilitación energética han permitido alcanzar estos resultados, que corroboran el buen camino de la política energética regional hacia un parque de instalaciones geotérmicas más amplio y de mayor calidad.



Fuente: Dr. Carlos LÓPEZ JIMENO para el blog de la Asociación Clúster da Xeotermia Galega.







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