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.
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.
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.
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