LA ENERGÍA GEOTÉRMICA
Energía geotermica a poca profundidad
Aproximadamente los primeros 100 m. bajo tierra son muy aptos para proveer y almacenar energia térmica. El cambio de la temperatura climática de las estaciones se reduce a una temperatura constante entre 10 y 20 metros de profundidad y a mayor profundidad las temperaturas aumentan de acuerdo a la gradiente geotérmica (promedio de 3°C por cada 100 m de profundidad).
Los métodos principales para hacer uso de esta energía son:
• Bombas para calor de fuente terrestre (Bombas de calor geotérmicas)
• Almacenamiento de energía térmica subterránea (UTES)
Bombas de calor geotérmicas
Se puede extraer el calor del subsuelo a una temperatura relativamente baja. La bomba de extracción de este calor aumenta la temperatura que es utilizada en un sistema de calefacción. Para cada kWh de calefacción, se requiere sólo 0.25 – 0.3 kWh de electricidad para operar el sistema (p. ej. el factor de funcionamiento estacional es de 3.3 – 4.0). Para refrigerar durante el verano se puede invertir el sistema, y calor proveniente de la refrigeración de edificios se puede inyectar en la tierra para refrigerar con un alto grado de efectividad el espacio.
El sistema de tierra une a la bomba de calor con el subsuelo y permite la extracción de calor o la introducción de frio a la tierra. Estos sistemas se pueden clasificar generalmente como sistemas abiertos y cerrados:
• Sistemas abiertos: se utiliza agua subterránea como portador de calor y se lleva directamente a la bomba de calor.
• Sistemas cerrados: los intercambiadores de calor son ubicados en el subsuelo (ya sea en forma horizontal, vertical u oblicua), y un medio portador de calor circula dentro de los intercambiadores de calor, transportando el calor de la tierra a la bomba y viceversa.
El sistema no siempre se puede atribuir exactamente a una de las categorías anteriormente mencionadas; hay ejemplos como agua en minas, agua en túneles o pozos en forma de columnas. Para elegir el sistema más apropiado para una instalación específica, hay que considerar varios factores: las características geológicas e hidrogeológicas del subsuelo (para los sistemas abiertos debe haber suficiente permeabilidad), área y utilización en la superficie (sistemas horizontales y cerrados requieren de un cierto área), la existencia de fuentes potenciales de calor como las minas, y las características de calefacción y refrigeración de el/los edificio/s. En la fase del diseño datos más exactos son absolutamente necesarios para los parámetros básicos e importantes para seleccionar la tecnología. Hay que medir el sistema de tierra de tal forma que se obtenga un rendimiento óptimo con costos mínimos.
Sistemas abiertos
El aspecto técnico más importante de los sistemas abiertos son pozos de agua subterráneos para extraer o introducir agua de/hacia capas productoras de agua en el subsuelo (acuiferos). En la mayoria de los casos, se requieren dos pozos uno para extraer el agua subterránea y otro para volver a introducir el agua al mismo acuifero del cual fue extraído.
Con sistemas abiertos se puede explotar una fuente poderosa de calor a un costo comparativamente bajo. En cambio, los pozos con agua subterránea requieren de cierta manutención, y generalmente los sistemas abiertos son instalados en lugares con acuiferos apropiados. Los requisitos principales son:
• Suficiente permeabilidad para permitir la obtención de la cantidad deseada de agua subterránea a poca profundidad.
• Una buena caracteristica química del agua subterránea, es decir, poco contenido de hierro, para evitar problemas de sarro, obstrucción y corrosión. Se suele utilizar sistemas abiertos para instalaciones de mayor envergadura.
Sistemas cerrados
a) Horizontal
El sistema cerrado más fácil de instalar es el intercambiador de calor terrestre horizontal (sinónimo: colector de calor horizontal, ’loop’ horizontal). Debido a restricciones en el área disponible, en Europa Central y Occidental se instalan las cañerías individuales en forma relativamente densa, conectadas en serie o en paralelo
Se han desarrollado algunos intercambiadores de calor de fuente terrestre especiales para ahorrar espacio, para explotar un área más pequeña con el mismo rendimiento. Estos colectores son más apropiados para sistemas de bombas de calor-frio, donde la recarga de temperatura natural de la tierra no es vital.
La recarga térmica principal para todos los sistemas horizontales la provee principalmente la radiación solar sobre la superficie de la tierra. Es importante no cubrir la superficie sobre el colector de calor de tierra.
b)Vertical
Debido a que la temperatura a cierta profundidad (cerca de 15 a 20 m) permanece constante durante el año, y debido a la necesidad de instalar una capacidad suficiente de intercambio de calor bajo un área especifica, los intercambiadores de calor terrestres verticales (intercambiadores de calor en perforaciones) son ampliamente favorables.
En un intercambiador de calor de tipo estándar en una perforación, se instalan las cañerías plásticas de polietileno o polipropileno en las perforaciones y el espacio restante de la perforación se llena con un material que se pueda bombear.
Se han utilizado y evaluado distintos tipos de intercambiadores de calor en perforaciones. Hay dos conceptos básicos posibles cañerías en forma de U, que consisten en un par de cañerías rectas unidas por una curva de 180° en el fondo. Una, dos o incluso tres de este tipo de cañerías en forma de U, se instalan en una perforación. La ventaja de esta cañería tipo U es su bajo costo. En Europa, las cañerías de tipo doble U, son los intercambiadores de calor usados más frecuentes en perforaciones.
• Cañerías coaxiales (concéntricas), ya sea simples o con dos conductos rectos de diferente diámetro, o en una configuración compleja.
El material de relleno de la perforación y las paredes del intercambiador de calor provocan una bajada de la temperatura, que se puede resumir como una resistencia térmica de la perforación. Para evitar estas mermas se han desarrollado materiales térmicos de relleno.
Se han construido plantas, con bombas de calor geotérmicas de distintos tamaños y con intercambiadores de calor en perforaciones. Estas plantas varían desde pequeñas casas con una sola perforación a grandes edificios con grandes extensiones de terreno y con intercambiadores de calor en las perforaciones.
La mayor cantidad de perforaciones para una sola planta en Europa se ubica en la oficina central de Control de Tráfico Aéreo Alemán (German Air Traffic Control – Deutsche Flugsicherung), con 154 intercambiadores de calor en perforaciones de 70 m de profundidad
La planta más grande del mundo con 400 perforaciones, cada una de 130m de profundidad, calienta y refrigera al Richard Stockton College en New Jersey.
Otra tendencia son las áreas residenciales con suministro de calor provenientes de las bombas para calor de fuente terrestre. Un ejemplo de ello es el área residencial conformado por cerca de 130 casas con este tipo de bombas individuales y uno o dos intercambiadores de calor en perforación ubicado en Weme, Alemania, en un área de cerca de 50.000 m
Un ejemplo perfecto para la integración total de sistemas de bombas para calor de fuente terrestre es el uso para sitios de relleno. La primera planta fue instalada para la cadena Philips 66 en Prarie Village, Kansas. La bomba de calor utilizada para calentar y refrigerar espacios está acoplada a diez intercambiadores de calor en perforaciones de 99 m de profundidad cada una. Los dispositivos de almacenamiento ( walk-in enfriadores, congeladores y máquinas para hacer hielo de 14 kW, ) tienen sus propios compresores separados refrigerados con agua. El calor residual de estos dispositivos es enviado a los mismos ”loops” terrestres por medio del sistema de condicionamiento de espacio. Esta instalación redujo el consumo de Electricidad en un 40% comparado con el equipo refrigerado por aire del mismo tamaño.
Un caso especial de sistemas cerrados verticales son los ”pilares energéticos”, es decir, pilares con función de “basamento”, y con cañerías para el intercambiador de calor. Se puede utilizar todo tipo de pilares (prefabricados) y su diámetro puede variar entre 40 cm y un metro.
Otros Sistemas
Hay una cantidad de sistemas terrestres que no se pueden clasificar ni como cerrados ni como abiertos.
En un pozo de tipo columna se bombea el agua desde el fondo y, después de pasar por la bomba de calor, se filtra a través de grava en la corona circular del pozo. Pozos de tipo columna requieren de cierta profundidad para proveer sufíciente energia sin que el agua se congele, no obstante, muchas plantas tienen perforaciones de varios cientos de metros de profundidad. En Europa (Suiza y Alemania), y también en los EE.UU. Cuando la perforación es cara, no se recomienda esta tecnología para instalaciones pequeñas.
Un concepto muy prometedor es la utilización del agua de las minas y los túneles. La temperatura de este agua es todo el año uniforme y se puede acceder fácilmente a ella. Ejemplos utilizando el agua de una mina, los podemos ver en Alemania y en Canadá.
El agua de túnel se utiliza en el pueblo de Oberwald y en el acceso occidental del túnel ferroviario de Furka en Suiza y en Airolo. Aquí el agua del túnel de carretera Gotthard, provee de fuente calórica a una bomba de calor de las instalaciones para la manutención de la carretera. En las construcciones que se están realizando en los grandes túneles en los Alpes, se está desarrollando y perfeccionando el sistema, para este tipo de fuente calórica.
Almacenamiento de energía térmica subterranea (UTES)
En las UTES se almacena calor, frío o ambos bajo tierra. Los métodos de acoplamiento en el suelo son principalmante los mismos que para para las bombas de calor provenientes del suelo, con sistemas abiertos (ATES) y sistemas cerrados (BTES).
El almacenamiento de frío se está haciendo muy frecuente, puesto que la refrigeración de espacios es normalmente muy caro. Una combinación de almacenamiento de calor y frio es la conexión de superficies de calles y carreteras a una UTES. El calor proveniente de la radiación solar sobre la superficie se puede almacenar y utilizar en invierno para descongelar y derretir la nieve en esa superficie. Este sistema se utiliza principalmente en puentes, pero también se puede utilizar para cualquier otra superfície de la carretera, en las pistas de aterrizaje, etc.
El almacenamiento de calor puede hacer uso durante el verano del calor solar o calor residual para utilizarlo como calefacción en el invierno. Plantas de mayor envergadura hay en Alemania en Neckarsulum, donde el sistema BTES se carga con calor provenientes de colectores solares, y también calienta un distrito residencial. O en Berlín, donde el calor residual proveniente de un cogenerador de calor y energía se almacena durante el verano en ATES para calentar en invierno. La planta de Berlín provee de calor y frío a los edificios del Parlamento Alemán (el Reichstag y las oficinas que lo rodean), e incorpora por primera vez dos sistemas ATES a distintos niveles: el superior para el almacenamiento de frío y el inferior para el almacenamiento de calor (hasta 70° C).
Conclusión
La energía geotérmica a poca profundidad se puede utilizar en una gran variedad de sectores, desde la calefacción del hogar hasta el proceso de refrigeración y descongelamiento de carreteras. El diseño y la construcción se llevan a efecto, sin mayores problemas. Sin embargo, se requiere de la capacidad y el conocimiento suficiente, para garantizar el buen fín de las instalaciones. El uso de ésta tecnología en China es muy frecuente, y puede verse principalmante en el sector comercial (oficinas, fábricas, grandes superficies etc.), donde el consumo de energía en calefacción y refrigeración, es muy alto.
Dr. Erich Mands y Dr. Burkhard Sanner
