Uso directo de la energía geotérmica en acondicionamiento de

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Boletín IIE
octubre-diciembre-2011
Breves técnicas
Uso directo de la energía geotérmica en acondicionamiento
de espacios: Bombas de Calor Geotérmicas
Rosa María Barragán Reyes, Víctor Manuel Arellano Gómez y Alfonso García Gutiérrez
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Introducción
Entre la diversidad de usos directos de la geotermia, reportados en la literatura (invernaderos, balneología, piscicultura, procesos industriales, recuperación de sales, entre otros),
se destaca su uso para el acondicionamiento de espacios mediante las Bombas de Calor
Geotérmicas (BCG), las cuales representan el 49% del uso directo de la energía geotérmica, con una capacidad instalada mundial de 35,236 MWt a fines de 2009. Mientras que
la capacidad documentada en 2005 fue de 15,384 MWt, lo que demuestra su impresionante tasa de crecimiento.
Las BCG son máquinas térmicas capaces de utilizar el gradiente térmico entre el suelo (2
a 3 m de profundidad) o el agua subterránea (~10 m de profundidad) y el ambiente para
el acondicionamiento (calentamiento o enfriamiento) de edificios e instalaciones. Una
BCG es capaz de transportar el calor en dos direcciones, de manera que en invierno se
usa el modo de calentamiento, es decir, el calor se extrae del suelo y se libera en el espacio
a acondicionar, mientras que en verano el calor se extrae del espacio a acondicionar y
se libera en el suelo, siendo este modo de operación de tipo aire acondicionado. Para
su operación, las BCG pueden acoplarse directamente al suelo o pueden utilizar como
fuente agua subterránea.
Uso de energía en acondicionamiento de espacios
Durante 2004 y 2005, aproximadamente
el 35% de la energía total consumida en el
mundo se utilizó para el acondicionamiento
térmico e iluminación de edificios, centros
comerciales, espacios y vivienda. En el caso
de México, del total de energía consumida
en 2008 el 18% la consumió el sector de
edificaciones, compuesto por los sectores
residencial, comercial y público. En general,
el país disfruta de climas moderados en
donde prácticamente no se requiere el
acondicionamiento de espacios, predominando el clima cálido en más del 70% del
territorio, en donde sería deseable el uso de
aire acondicionado en periodos de tempe-
raturas extremas. En algunas regiones de
la zona norte del país el clima es extremoso y desértico, con veranos largos e
inviernos cortos, por lo que el acondicionamiento de viviendas es una práctica
usual. Sin embargo, se utilizan tecnologías
que muchas veces se basan en equipos
convencionales con un bajo rendimiento
energético y que impactan negativamente la
economía de los usuarios. También existen
regiones montañosas donde el clima predominante es frío, por lo que es necesario
acondicionar los espacios mediante calefacción, al menos durante las temporadas
críticas para garantizar el confort.
Breves técnicas
Uso directo de la energía geotérmica en
acondicionamiento de espacios
En México, el sector de edificaciones ha
mostrado un crecimiento muy importante en la última década. Para optimizar
el uso de energía este sector se ha planteado: a) disminuir la demanda de energía
convencional, b) reducir los impactos
ambientales y c) mantener condiciones
interiores confortables con respecto a
cambios en la temperatura exterior. Para
lograr este último objetivo, las necesidades tanto de aire acondicionado como
de calefacción en el país implicarían un
mayor consumo de energía si se continúan utilizando equipos convencionales
para el acondicionamiento de espacios.
Sin embargo, en el primer objetivo se
plantea disminuir la demanda de energía
convencional, por lo que es indispensable
buscar alternativas que hagan un uso más
eficiente de la energía.
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Figura 1. Esquema de bombas de calor geotérmicas para enfriamiento y calefacción.
La fuente de calor puede ser el subsuelo o agua subterránea somera. En las BCG de
circuito cerrado se muestran dos de los posibles arreglos del intercambiador de calor:
vertical y horizontal. En el intercambiador de calor se circula agua y, dependiendo de
las condiciones de trabajo, se puede añadir anticongelante. En las BCG de circuito
abierto se muestra el arreglo consistente en dos pozos, donde el agua extraída del
primer pozo transfiere calor a la aplicación y se desecha en el segundo pozo. El agua
de desecho puede disponerse en ríos o lagos, dependiendo del sitio.
En este contexto, las BCG constituyen una alternativa interesante, ya que se trata de una
tecnología comercial que tiene un costo competitivo, especialmente cuando se usan tanto
para enfriamiento como para calefacción, además de los beneficios que aportan en cuanto
a eficiencia energética y mitigación del deterioro ambiental.
Dependiendo de su diseño y aplicación las BCG reducen el consumo de energía entre un
30% a 60% con respecto a los sistemas de enfriamiento y calefacción convencionales, y
pueden instalarse prácticamente en cualquier sitio. En Estados Unidos, Canadá, China y
algunos países de Europa se ha tenido la mayor tasa de crecimiento en el uso de BCG,
con un número estimado de 2.94 millones de unidades en operación.
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Principios de operación de las BCG
Para que una bomba de calor aumente la
temperatura de una fuente de energía de
baja calidad a un nivel más útil, es necesario aplicar al sistema una cantidad relativamente pequeña de energía de alta
calidad, la cual puede ser en forma de
energía mecánica, eléctrica o calorífica, a
una temperatura relativamente alta.
Las BCG utilizan el recurso geotérmico en
un intervalo de temperaturas de entre 5°C y
30°C, su operación puede ser para calefacción, cuando remueven calor de una fuente
de baja temperatura y lo depositan en la
aplicación a una temperatura mayor, y para
enfriamiento, cuando remueven calor de
una fuente de alta temperatura y lo depositan a una temperatura menor en la aplicación. En ambos casos la fuente consiste
de un recurso geotérmico a temperatura
constante, éste se encuentra ya sea directamente bajo el piso, es decir, en el suelo (2 m
a 3 m de profundidad, sistemas de circuito
cerrado) o en el agua subterránea (~10 m
de profundidad, sistemas de circuito
abierto) (figura 1). Para tener acceso a este
recurso y dependiendo del tipo de BCG
(de circuito cerrado o abierto), es necesario excavar un área específica de terreno
para colocar los tubos intercambiadores
de calor o perforar al menos un pozo. Por
esta razón, las BCG presentan un costo
inicial más alto que las que emplean aire
del ambiente como fuente de calor. Sin
embargo, con respecto a éstas, las BCG
tienen importantes ventajas: consumen
menos energía para operar, usan un recurso
de temperatura constante, no requieren
un suplemento adicional de energía
para mantener acondicionado el espacio
durante temperaturas exteriores extremas,
usan menos refrigerante, son más simples
en diseño y mantenimiento, entre otras.
Como desventajas de las BCG con
respecto a las bombas de calor basadas en
aire se tienen: la falta de experiencia en su
diseño e instalación y la falta de incentivos
gubernamentales para estimular su uso.
Las BCG podrían probarse en México,
ya que favorecerían ahorros energéticos
significativos debido a su alta eficiencia
y versatilidad. Un cálculo preliminar estimado por la Gerencia de Geotermia del
IIE para una aplicación práctica en Mexicali, B. C., muestra que las BCG acopladas
al suelo (circuito cerrado) con arreglo
horizontal son apropiadas para satisfacer
los requerimientos de calefacción y aire
acondicionado. Asimismo, de acuerdo
con el estudio, el uso de BCG permitiría
disminuir costos de operación, alcanzando
importantes ahorros económicos anuales,
en comparación con el uso de equipos
convencionales. Además, el período de
retorno del capital para esta aplicación
específica se consideró atractivo, menor
de 5 años. La siguiente etapa consiste en
desarrollar proyectos demostrativos en el
corto plazo, tanto para que la tecnología
de las BCG se conozca, así como para
evaluar su comportamiento a partir de
datos de operación.