La bomba de calor geotérmica: pasado, presente y acciones futuras

Geotermia
La bomba de calor
geotérmica: pasado,
presente y acciones futuras
J. Rodríguez, D. Blanco y M. Iglesias; Área de Climatización de EnergyLab
Cuando Lord Kelvin (William Thomson)
describió las bases teóricas para la bomba de
calor en 1852, en base a los conceptos de ciclo
y reversibilidad establecidos por Carnot en
1824, no podía imaginarse su aprovechamiento
futuro como sistema de calefacción, pero sí
como sistema para proporcionar frío en las
grandes residencias coloniales de la India
Imperial. Siendo, en este sentido, un profeta al
respecto, si nos paramos a analizar los millones
de bombas de calor, enfriadoras y
refrigeradores que son fabricados e instalados
todos los años en el mundo.
edificios de oficinas una de las mayores
fuentes de emisiones de dióxido de carbono
(CO2) a nivel mundial. Actualmente, existen
evidencias de la importancia que las
emisiones contaminantes debidas al hombre
están teniendo en el calentamiento global. Las
bombas de calor son una de las diversas
tecnologías
desarrolladas,
fiables
y
ampliamente disponibles para climatización
que pueden proporcionar el confort térmico
necesario a “cero” emisiones o con una
importante reducción de las mismas. La
mayor parte de las bombas de calor son
alimentadas por electricidad, y así como los
generadores reduzcan la cantidad de CO2
emitido como subproducto de la producción
eléctrica, las bombas de calor se convertirán
con el tiempo en todavía más eficientes,
incluso desde el punto de vista
medioambiental, algo a lo que los sistemas no
alimentados por combustibles fósiles también
podrán aspirar.
El amplio uso de las bombas de calor para
calefacción de edificios ha evolucionado a lo
largo del tiempo. Durante años, las bombas de
calor para calefacción fueron vistas como algo
relacionado con ingenieros atípicos que las
construían e instalaban en pequeño número,
fundamentalmente en Europa y en EEUU.
Aunque alrededor de los últimos 50 años la
tecnología ha ido perfeccionándose poco a
poco, hasta el punto de que las bombas de calor
para calefacción doméstica son ahora la
tecnología principalmente establecida en
muchos países europeos y en los EEUU, y están
creciendo en un número importante en otras
regiones del mundo.
Uso de una energía renovable
El Heat Pump Centre de la Agencia
Internacional de la Energía (IEA) ha reconocido
que las bombas de calor son una de las más
importantes tecnologías disponibles en el
mercado que pueden ofrecer unas importantes
reducciones de CO2 a la atmósfera. Además, la
Reducción de emisiones
A pesar de sus aportaciones, en la mayor
parte de los aspectos relacionados con la
termodinámica, lo que seguramente Lord
Kelvin no previó es el papel que las bombas
de calor jugarían en la reducción de
emisiones contaminantes. En 1851, la
población mundial era de 1,1 billones. Hoy ha
pasado a 6 billones, y se prevé que alcance los
9 billones en 2050. Siendo el uso de
combustibles de origen fósil para
proporcionar calefacción en viviendas y
Figura 1. Emisiones que contribuyen al efecto
invernadero (Fuente: Institut für Geophysik,
Universität Frankfurt).
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Geotermia
inevitable “n-ésimo” incremento de los precios
de los combustibles de origen fósil, las ventajas
asociadas a los costes de operación se
incrementarán a favor de las bombas de calor.
Elección de la fuente ó
sumidero térmico
En cuanto a la selección del tipo de bomba de
calor a emplear, desde el punto de vista de la
producción de calefacción, como regla general,
se seleccionará aquella fuente de calor
disponible con los mayores niveles de
temperatura (figura 2). De esta forma se
asegurarán los rendimientos más altos así como
los menores costes de operación.
Figura 2. Temperatura de la
fuente de calor para
calefacción
Directiva Europea 2009/28/CE relativa al
fomento de uso de energía procedente de
fuentes renovables incluye, en su Artículo 2,
como concepto de “energía procedente de
fuentes renovables”, a las energías aerotérmica y
geotérmica (fuentes/sumideros de energía para
las bombas de calor), ya que debido a que en las
bombas de calor la procedencia de la mayor
parte de la energía térmica entregada procede
del medioambiente (aire, agua o subsuelo), este
importante aprovechamiento de energía
renovable ayudará también a alcanzar los
objetivos nacionales previstos. Ya que dicha
Directiva, en su Artículo 3, establece la
obligatoriedad para los sistemas nacionales de
velar por garantizar una determinada cuota de
energía procedente de fuentes renovables,
incluyendo aquellos sistemas en los cuales esa
obligación puede cumplirse mediante el uso de
“certificados verdes”, lo que para las bombas de
calor supone el cumplir unos requisitos
mínimos de COP´s, EER´s y PER´s reflejados en
el documento de la Decisión de la Comisión
Europea 2007/742/CE por la que se establecen
los criterios ecológicos para la concesión de la
etiqueta ecológica comunitaria a las bombas de
calor accionadas eléctricamente, por gas o de
absorción a gas.
Desde el punto de vista de la refrigeración se
realiza idéntico razonamiento pero a la inversa,
es decir, se seleccionará aquel sumidero de calor
disponible con los menores niveles de
temperatura que permitan una adecuada
disipación del calor generado en el equipo para
la producción frigorífica.
Aunando demandas de calor y frío en
diferentes épocas del año, como puede ser el
caso de muchas zonas de España, resulta
evidente que el medio que proporciona una
estabilidad de temperaturas a lo largo del año y
que permite la obtención de unos mayores
rendimientos (COP) de las bombas de calor no
es otro que el subsuelo. De tal manera que los
aprovechamientos geotérmicos para bomba de
calor podrán llevarse a cabo mediante:
 Aprovechamientos de agua subterránea:
Mediante estos aprovechamientos se alcanzan los mayores COP de las bombas de calor
geotérmicas (BCG), si el agua subterránea
está disponible a una razonable profundidad y
temperatura, con una aceptable calidad y en
Además, las bombas de calor ofrecen otros
beneficios, como son: sin emisiones in-situ, sin
almacenamiento de combustibles, sin conductos
de evacuación de humos ni chimeneas, modo de
funcionamiento totalmente limpio, seguridad y
comodidad de operación, etc. Ofreciendo, a su
vez, una importante reducción de costes en
climatización, así como total independencia y
estabilidad frente a la continua variación del
precio de los combustibles de origen fósil. Con
la previsión de demanda de gasóleo y gas, y el
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Acciones futuras
suficiente cantidad (caudales mínimos en función de la potencia térmica instalada).
En la última parte del siglo XX, las bombas
de calor geotérmicas, en especial para el
sector doméstico, han evolucionado desde
pequeñas aplicaciones en unas pocas viviendas
unifamiliares hasta una actividad casi
dominante en determinados países. Los
desafíos actuales, para aquellos países en los
que esta tecnología se puede calificar de
“reciente” (como puede ser el caso de
España), y los objetivos del Centro Tecnológico
EnergyLab,
pasan
por
analizar
el
comportamiento de la tecnología en su
territorio (presencia y características de
cursos de aguas subterráneas, geologías
predominantes, etc.) y por capacitar
suficientemente a los agentes implicados en el
sector: diseñadores, instaladores, perforadores
y mantenedores para asegurar que las
instalaciones de esas bombas de calor están
correctamente especificadas, calculadas,
instaladas y mantenidas, con el fin de generar
las condiciones adecuadas que permitan la
penetración de la tecnología sobre una base
de sólidos cimientos. Para ello, se hace
necesario el llevar a cabo una serie de
actuaciones como el habilitar cursos de
formación específicos para los sectores
implicados antes mencionados; la posibilidad
de crear un “sello de calidad” para aquellos
agentes debidamente formados que permita
garantizar unos conocimientos mínimos
acordes con una calidad mínima de las
instalaciones; necesidad de disponer de
documentación técnica debidamente traducida
y accesible aprovechando documentos y guías
de buenas prácticas elaboradas en otros países
(IGSHPA, normativa norte y centro europea,
manuales
técnicos
de
fabricantes
extranjeros,…), etc.
 Aprovechamientos en circuito cerrado
mediante agua glicolada: Si el aprovechamiento de agua subterránea no es posible (por
motivos técnicos y/o legales), el subsuelo
puede trabajar como un eficiente almacén
térmico con un nivel de temperaturas relativamente alto para su aprovechamiento
mediante un circuito cerrado de tuberías
(generalmente, en disposición horizontal o
vertical) por las que transcurre el fluido caloportador, mezcla de agua y anticongelante
(agua glicolada), que será el que absorba o
ceda energía del terreno.
 Aprovechamientos mediante expansión directa:
En los sistemas de expansión directa, el calor
almacenado en el subsuelo es absorbido directamente por el fluido de trabajo (gas refrigerante) de la bomba de calor, lo cual se traduce en
un mayor COP respecto a los aprovechamientos en circuito cerrado con agua glicolada, pero
que requieren de una complejidad de instalación
mayor para su correcto funcionamiento.
Es difícil encontrar números exactos para cada
país, pero en el Congreso Mundial de Geotermia
de 2005 (la próxima edición tendrá lugar entre los
días 25 y 30 de abril de 2010 en Indonesia) un
repaso a nivel mundial basado en datos nacionales
disponibles (Lund et al., 2005), concluyó que la
mayor parte de las instalaciones de bomba de
calor geotérmica se llevan a cabo en Norte
América y Europa, y que el número equivalente
instalado de equipos de 12 kWt (típica potencia
instalada en los EEUU y en Europa) es de al menos
1,3 millones, aproximadamente el doble de
instalaciones que las registradas en el año 2000.
Además de las ventajas comunes asociadas a la
implementación de las bombas de calor, las bombas
de calor geotérmicas tienen una serie de ventajas
añadidas como: la estabilidad de temperaturas del
medio del que se extrae o cede calor lo cual
repercute en unos mayores rendimientos, ofrecen un
flujo constante de energía independiente de las
condiciones climatológicas y de la época del año,
presenta una gran versatilidad, contribuyen de una
manera fundamental en la reducción de emisiones
contaminantes debido a sus altos rendimientos, su
inversión inicial se recupera en periodos de tiempo
razonables (entre 4 y 8 años), permite una
revalorización de la propiedad con la implementación
del captador geotérmico, etc.
Por otra parte, como el objetivo del sector
debe ser que los clientes puedan estar
seguros de que se les ha instalado un sistema
moderno, apropiado a sus necesidades y
debidamente instalado, se hace necesario el
elaborar una normativa propia de referencia
para los aprovechamientos geotérmicos
mediante bomba de calor que permita
garantizar unos estándares mínimos de
calidad y regule el cálculo e implementación
de las instalaciones, generando confianza en
los consumidores e interés en las empresas.
Evitando errores cometidos en el pasado con
la penetración de nuevas tecnologías, sin el
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debido desarrollo formativo y de mercado a
su alrededor, identificando aquellas barreras
que imposibilitan un desarrollo de mercado
adecuado (inversión inicial, costes de
perforación, falta de información en general,
fallo de las instalaciones en corto plazo, etc.),
sobre todo explorando distintas opciones
que permitan reducir los costes iniciales
asociados a las BCG a través de diferentes
alternativas de mercado.
Los nuevos agentes involucrados, desde
pequeños instaladores hasta grandes
contratas, no pueden permitirse el lujo de
aprender y experimentar durante años, a
expensas del cliente. La experiencia de los
agentes ya establecidos, primero en el norte y
centro de Europa y en los EEUU, debe ser
adaptada a las condiciones locales
rápidamente y de manera apropiada de tal
manera que la implementación de estos
sistemas de alta calidad vayan en la dirección
correcta. Debe resultar aleccionador saber
que las bombas de calor geotérmicas, han
tenido una historia de pobre calidad de
cálculo, diseño, instalación y equipamiento en
varios países durante su introducción.Tan mala
fue esta experiencia que la industria a punto
estuvo de colapsarse
antes de adecuar las
formaciones y que los
estándares mínimos
de calidad fuesen
puestos encima de la
mesa para recuperar
la situación. Esta
situación
debe
evitarse a toda costa,
mediante propuestas
como las mencionadas
anteriormente, por
parte
de
la
Administración,
asociaciones, centros
tecnológicos
e
instituciones
de
referencia en materia
energética y por la
industria implicada en
el sector que se esté
moviendo en aquellos países recién
embarcados en la adopción de la tecnología,
entre ellos España.
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