Bomba de Calor Geotérmica

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Uno de los sistemas de climatización más eficientes funciona a través de un recurso inagotable: la geotermia. Su uso no contribuye al deterioro medioambiental.

Por Teresa Vicente Martín.

Una de las ventajas que ofrece este tipo de energía es un flujo constante de producción durante todo el año, sin importar las condiciones climáticas.

La energía geotérmica, tal y como la define la guía Alemana VDI 4640, adoptada por el Consejo Europeo de Energía, es aquella energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie sólida de la tierra. Presenta algunas particularidades que la hacen especialmente atractiva: se trata de una energía renovable y continua, puesto que su calor es ilimitado. Además es una energía limpia, ya que no contribuye a la emisión de gases con efecto invernadero. Por último, es una energía eficiente, puesto que permite rendimientos elevados por la estabilidad de la temperatura del subsuelo.

Los primeros intentos para el aprovechamiento de la energía geotérmica como productora de electricidad se dieron a principios del siglo XX por el príncipe italiano Piero Gioroni Conti; la primera planta de 250Kw se construye en 1913. Estados Unidos e Indonesia comienzan a utilizar la geotermia para la producción eléctrica en 1925 y 1930. Es en la década de 1970 cuando crece el número de países productores de energía eléctrica-geotérmica, coincidiendo con la crisis del petróleo. En la década de 1990 crece nuevamente el uso de la geotermia por el compromiso con el medioambiente y la preocupación por las emisiones de CO2.

El uso no eléctrico de este tipo de energía comenzó a comienzos del siglo XIX en Landarello para la obtención de Boro, que mantuvo el monopolio de la extracción durante 25 años. El vapor de baja presión se utilizó como calefactor de invernaderos y edificios en la Toscana entre 1910 y 1940. En 1892 se pone en funcionamiento el primer sistema distrital de calefacción geotermal, en Boise, Idaho (Estados Unidos), que continua hoy en funcionamiento. Actualmente, el uso no eléctrico más común viene representado por la utilización de bombas de calor con un 34.80 por ciento en términos de capacidad instalada, seguido de baños con un 26.20 por ciento; calefacción, 21.62 por ciento; invernaderos, 8.22 por ciento; acuicultura, 3.93 por ciento, y procesos industriales, 3.13 por ciento.

En cuanto a la producción geotermoeléctrica instalada en el mundo, ésta ha crecido en la última década, pasando de 7.974.1 MW/e en 2000 a 10,716.7 MW/e en 2010.

Gráfica 1. Evolución de los principales países productores de energía eléctrica de origen geotérmico.

Como se observa en la gráfica 1, la capacidad geotérmica instalada en México es de 958 MW y se obtiene de cuatro campos geotérmicos: Los Azufres, con 188 MW; Los Humeros, 40 MW; Cerro Prieto, 720 MW, y Las Tres Vírgenes, con 10 MW. En los últimos cinco años, no ha habido ningún incremento importante; sin embargo, se tiene previsto el proyecto de Cerritos Colorados, de 75 MW, para el año 2014, coincidiendo con el cierre planeado de algunas unidades antiguas.

A la hora de hablar de energía geotérmica y su aprovechamiento, debemos diferenciar los diversos rangos de potencial entálpico de los yacimientos geotérmicos del globo terráqueo, que van desde la explotación de los recursos de muy baja temperatura (menos de 30°C) hasta las aplicaciones de la alta entalpía (más de 150°C). Entre medias de estos dos tipos de recursos, tenemos los de media temperatura (entre 90 y 150 °C) y los de baja temperatura (entre 30 y 90 °C).

Las aplicaciones geotérmicas de baja entalpía se basan en la captación del calor contenido en la corteza terrestre; este calor procede en su mayoría de la radiación solar y, en menor parte, del calor emitido por el núcleo, cuya temperatura es de 4,000 °C.

Para la extracción de este calor contenido en las rocas, será necesario disponer de un sistema de transporte, agua generalmente, que nos lleve el calor hasta la superficie. Estos sistemas de transporte, que se verán más adelante, se llaman sondas geotérmicas, colectores horizontales, cimentaciones geotérmicas, etcétera.

Las cimentaciones geotérmicas son un caso particular de las sondas geotérmicas que cada vez cuenta con más adeptos. Se trata de convertir la cimentación de un edificio en un campo de sondas, donde los tubos captadores se sujetan a las armaduras metálicas de los pilotes. El circuito de intercambio térmico se sitúa debajo del edificio, por lo que se ahorra trabajo y espacio.

Incluso en los climas más fríos, la temperatura del suelo se mantiene estable entre unos 10 o 20 metros en torno a 12-14 °C. Es imprescindible el cálculo riguroso de la sección resistente, que en ningún caso recaerá sobre los captadores, por lo que será necesario un sobredimensionamiento de la estructura.

A este sistema, al igual que en el resto enumerados anteriormente, se conecta la bomba geotérmica para obtener calor o frío según el régimen de funcionamiento de la máquina.

Funcionamiento de la bomba de calor geotérmica
Para entender el funcionamiento de una bomba de calor, ya sea geotérmica o no, debemos conocer primero algunos fundamentos sobre termodinámica.

El primer principio de la termodinámica, que se conoce como la Ley de Conservación de la Energía, dice que “la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma o se transfiere de un sistema a otro”. La transferencia de calor y la realización de trabajo constituyen dos formas de extraer o suministrar energía a un sistema.

El segundo principio, que tiene en cuenta el funcionamiento de una bomba de calor, determina que cuando se ponen en contacto dos cuerpos que se encuentran a diferente temperatura, se produce una transmisión de calor que va del foco frío al foco caliente.

Una vez repasados estos dos conceptos, puede definirse la bomba de calor como una máquina capaz de transferir energía del foco frío al foco cálido, utilizando para ello una cantidad pequeña de energía en forma de trabajo que cede al exterior. Se trata por tanto de una máquina que basa su tecnología en el ciclo de Carnot.

La bomba de calor, al igual que cualquier sistema frigorífico, consta de cuatro elementos básicos: compresor, condensador, evaporador y válvula de expansión.

El evaporador succiona vapor a baja presión cuando la bomba trabaja como máquina frigorífica (es decir, en la época cálida) y lo descarga como vapor a alta presión. En el condensador, el refrigerante cambia de estado: pasa de vapor a líquido y cede el calor latente de fusión al aire, agua o tierra, dependiendo del tipo de bomba.

Posteriormente, ya en la válvula de expansión, el líquido a baja presión es estrangulado convirtiéndose en líquido a alta presión. En el evaporador, el refrigerante extrae el calor del ambiente, pasando de líquido a vapor y absorbiendo, por tanto, el calor latente de vaporización.

Ciclo de Carnot en el Diagrama de Mollier

Cuando se realiza la transferencia de calor en sentido inverso (época fría), el evaporador funciona como condensador, mientras que el condensador funciona como evaporador.

El rendimiento de la bomba de calor viene dado por el cociente entre el calor que se transporta y la cantidad de energía necesaria para que funcione la máquina. A esta razón se la denomina Coefficient of Performance (COP) y es mayor que la unidad.

Dependiendo del uso de la máquina se tendrán dos expresiones diferentes del COP, según si es utilizado para calentar o enfriar una zona, donde:

Pe = Potencia eléctrica consumida en la operación.
PE = Potencia frigorífica (calor extraído del exterior).
PC = Potencia térmica (calor cedido al exterior).
Pp= Potencia perdida debida a rozamientos e imperfecciones.

El rendimiento de la bomba, o COP, varía dependiendo de la diferencia de temperaturas entre el foco frío y el foco cálido, independientemente de la eficiencia mecánica y térmica de los componentes de la máquina. Cuanto mayor es la diferencia de temperaturas entre el foco frío y el caliente, menor es el rendimiento de la máquina, puesto que la temperatura de evaporación y la presión es menor y, por tanto, el compresor tiene que trabajar más para llegar a la misma presión y temperatura, aumentando de esta forma el consumo de energía eléctrica.

De disminuir esta diferencia de temperaturas entre exterior e interior, es de lo que se aprovecha la bomba de calor geotérmica, puesto que dependiendo de su régimen de funcionamiento cede calor o frío al suelo, manteniendo este último en temperaturas más estables entre estaciones que el propio ambiente.

Es decir, el suelo presenta una fuente de calor que se encuentra a mayor temperatura cuando está conectado con el evaporador, mientras que forma un sumidero de calor a menor temperatura cuando el intercambio de este calor se produce en el condensador, aumentándose, de esta forma, tal y como se ha visto anteriormente, el rendimiento de la máquina.

La geotermia de muy baja temperatura se presenta como un recurso disponible en todo el planeta y permite el ahorro de otros tipos de energía. Los principales inconvenientes son las bajas temperaturas, así como la alta inversión económica necesaria en algunos casos, en los que puede resultar más interesante el uso de otras energías renovables. En el futuro, se debe estudiar la posibilidad de aumentar la temperatura del recurso en la época fría y disminuirla en la época caliente para aumentar en la medida de lo posible su rentabilidad.

Se debe tener en cuenta el coste ecológico (pequeño pero existente), económico y social, si se extiende el uso de este tipo de energía y de otras energías renovables, en las que actualmente existe una falta de regulación absoluta en cuanto a los derechos de uso de la misma. ¿Influye la cimentación geotérmica en la del vecino? ¿Influye el aire caliente o frío que cede la bomba de calor sobre la atmósfera? ¿Quién paga esto? Desde aquí se deja en el aire la pregunta de cuál será el modelo de gestión administrativa y urbanística de estos nuevos recursos.

Esquema de funcionamiento de una bomba de calor geotérmica. Fuente: Diseño de sistemas de bomba de calor geotérmica. IDAE

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Teresa Vicente Martín
Ingeniera Agrónoma por la Universidad de Valladolid y máster en Energía de la Edificación por la Universidad de Extremadura. Actualmente, desarrolla su labor como técnico de proyectos energéticos en instalaciones sostenibles y ha desarrollado su labor profesional durante más de cinco años en el sector de la Construcción.