Energía geotérmica

Bomba de calor geotérmica

Bomba de calor geotérmica

La bomba de calor geotérmica es un sistema de aire acondicionado para edificios que explota el intercambio de calor con el subsuelo superficial, por medio de una bomba de calor. Dado que el calor en el subsuelo proviene en gran parte del interior de la Tierra, la energía geotérmica de baja entalpía se clasifica como una fuente de energía renovable, aunque la propia bomba de calor consume electricidad, generalmente producida a partir de otras fuentes de energía (por ejemplo, combustibles fósiles).

La bomba de calor permite el intercambio de calor entre una "fuente" a una temperatura más baja que el "pozo", o el punto donde se introduce el calor. En un sistema de calefacción, el edificio (más precisamente: el circuito de los terminales de calefacción del edificio) representa el "pozo caliente"; viceversa, en un sistema de aire acondicionado, el edificio es la "fuente fría" de la que se extrae el calor. La ventaja económica y energética de la bomba de calor viene dada por la relación entre el calor introducido o extraído del edificio y el consumo de energía (generalmente eléctrico o calor en una bomba de calor de absorción), llamado COP (coeficiente de rendimiento). Una relación entre 3 y 6 para bombas de calor geotérmicas.

El suelo representa para la bomba de calor una "fuente" (cuando funciona en calefacción) o un "pozo" (en modo refrigeración) de calor. En comparación con el aire atmosférico, que es la fuente de bombas de calor aerotérmica, la temperatura del suelo a una cierta profundidad se somete a las variaciones anuales mucho más pequeñas: una profundidad de 5-10 m la temperatura del suelo es casi constante durante todo el año y es aproximadamente equivalente a la temperatura media anual del aire, o alrededor de 10-16 ° C. Esto significa que el suelo, en comparación con el aire, es más cálido en invierno y más frío en verano, en beneficio de la eficiencia de la bomba de calor.

El intercambio de calor con el subsuelo puede tener lugar de tres maneras:

  • intercambio directo, donde el circuito de evaporador / condensador de la bomba de calor está en contacto directo con el subsuelo;
  • sistemas de circuito cerrado, donde la bomba de calor realiza el intercambio de calor con el suelo indirectamente, por medio de un circuito hidráulico en el que fluye un fluido de transferencia de calor;
  • sistemas de circuito abierto, en los que se toma agua subterránea en la que se lleva a cabo el intercambio de calor.

En climas fríos, el edificio donde la carga de calor está desequilibrada a favor de la calefacción, el suelo podría enfriarse debido a la eliminación de calor es, sin embargo, posible acoplar la bomba de calor geotérmica para una instalación de paneles solares térmicos y almacenar en el suelo calor acumulado en el verano.

Los costos de instalación de la planta son mucho mayores que las soluciones convencionales (gas natural o diésel), pero los menores costos de mantenimiento permiten recuperar una inversión en menos de 10 años, con una vida útil de planta de al menos a los 25 años.

Intercambiador de calor de tierra

Sistema geotérmico horizontal de circuito cerrado

Las bombas de calor geotérmicas proporcionan (o restan) energía térmica calor al edificio, intercambiándolo con el suelo a poca profundidad (1-200 m). Los componentes del sistema son por lo tanto tres: intercambiador de calor de tierra, bomba de calor y terminales de calefacción / refrigeración.

Como se mencionó anteriormente, los intercambiadores de calor de tierra se dividen en tres categorías:

  • intercambio directo;
  • circuito cerrado;
  • circuito abierto.

Los intercambiadores pueden tener diferentes configuraciones, clasificadas por tipo de fluido y por esquema. En sistemas de intercambio directo, el circuito de refrigerante de la bomba de calor está en contacto directo con el suelo; en sistemas de circuito cerrado se hace circular un fluido que contiene agua y aditivos anticongelantes; los sistemas de circuito abierto operan el intercambio de calor en el agua subterránea.

Intercambio directo

En la bomba de calor geotérmica de intercambio directo, el intercambio de calor tiene lugar con el suelo. El refrigerante que sale de la bomba de calor, circula en una tubería insertada en contacto directo con el suelo, intercambia calor con ella y regresa a la bomba de calor. El nombre "intercambio directo" por lo tanto implica la ausencia de un circuito intermedio (y fluido) entre el suelo y la bomba de calor. Sin embargo, no hay interacciones directas entre el refrigerante y la tierra, si no el intercambio de calor, y el agua no circula en el circuito de intercambio con el suelo.

Los sistemas de intercambio directo son mucho más eficientes que los sistemas de circuito cerrado. Esto es debido a la ausencia de un circuito intermedio (cada intercambiador de calor, sin embargo, implica pérdidas) y alta conductividad térmica de los tubos de cobre utilizado para el intercambiador de calor, que por otro lado son mucho más caros en comparación con los tubos en HDPE utilizados en sondas geotérmicas. En comparación con las sondas geotérmicas, la longitud requerida es un 70-85% menor y el diámetro de la tubería es aproximadamente la mitad. Se requiere un mayor control de calidad en las tuberías, ya que el gas refrigerante podría escapar incluso de grietas muy pequeñas. El cobre debe estar protegido contra la corrosión en suelos ácidos con protección catódica o con un ánodo sacrificatorio.

Circuito cerrado

La mayoría de los sistemas geotérmicos de baja entalpía se componen de tres circuitos:

  • circuito de aire acondicionado;
  • circuito primario de la bomba de calor;
  • circuito secundario de intercambio de calor con el suelo.

El circuito secundario generalmente está hecho de polietileno de alta densidad, en el que se usan mezclas de agua y anticongelante (propilenglicol, etilenglicol, alcohol metílico, metanol o cloruro de calcio.). El etilenglicol es barato, pero es tóxico incluso a bajas concentraciones; incluso la remota posibilidad de su derrame en el suelo ha llevado a muchas autoridades de control a prohibir su uso. El propilenglicol ha reemplazado en muchos casos al etilenglicol, aunque es más costoso y consume menos energía. El metanol y el alcohol desnaturalizado son inflamables y, por lo tanto, su uso es desaconsejable.

La bomba de circulación puede ser externa o estar incluida dentro de la bomba de calor. En el circuito secundario también hay tanques de expansión y válvulas de seguridad para control de presión

El circuito cerrado se puede instalar horizontalmente a una profundidad de 1-3 m, o verticalmente en un orificio especialmente diseñado (sondas geotérmicas) o en un poste de cimentación (pilas geotérmicas).

Circuito cerrado vertical

Un circuito cerrado vertical consta de dos o más tubos instalados verticalmente en el suelo, que forman un circuito cerrado en el que fluye el fluido de transferencia de energía calorífica. La longitud de la perforación puede ser de entre 20 y 200 m. La perforación puede llevarse a cabo específicamente (sonda geotérmica vertical) o para un poste de cimentación (pilas geotérmicas o pilas de energía).

Las sondas geotérmicas pueden tener configuración en forma de U (dos tubos, de ida y retorno, conectada a la parte inferior), doble T o coaxial (dos tubos concéntricos, con el flujo en el tubo interior y el retorno en el anillo exterior, o viceversa). Dentro del agujero, el espacio alrededor de las tuberías generalmente se llena con una lechada geotérmica, es decir, un concreto preparado con inertes silíceos y altos aditivos de conductividad térmica.

Las sondas geotérmicas son ampliamente utilizadas cuando no hay suficiente espacio para una planta horizontal de circuito cerrado, o una capa freática explotable para un sistema de circuito abierto. En los campos de la sonda, la distancia entre las perforaciones es de entre 5 y 10 m. De manera indicativa, las sondas geotérmicas pueden proporcionar una potencia entre 40 y 70 W por metro de perforación.

En los polos geotérmicos, sin embargo, el circuito hidráulico se inserta dentro de una pila de cimentación. De esta forma, es posible limitar los costos de instalación, ya que la perforación no se lleva a cabo específicamente para las sondas. Por otro lado, la eficiencia de la planta es menor, tanto por la menor conductividad térmica de los suelos arcillosos en los que se utiliza este tipo de cimentación, como por la presencia de largos tubos de distribución de fluidos horizontales, que implican importantes pérdidas térmicas.

Circuito cerrado horizontal

 

El circuito cerrado puede colocarse horizontalmente en una zanja, colocada a profundidades mayores a aquellas a las que puede ocurrir la congelación del terreno. El tubo puede ser lineal o espiral (bobinas de tierra); Otra configuración utilizada a veces es el baloncesto geotérmico, o una tubería en espiral de 2-3 m de altura, insertada en el suelo. La potencia intercambiable depende de la longitud de la tubería y del área ocupada: aproximadamente, la potencia intercambiada con el suelo es de 15-40 W / m². De manera indicativa, una casa con una carga máxima de 10 kW requiere tres tuberías DN20 o DN 32 de 120-180 m de largo.

Los tubos se instalan a una profundidad de 1-3 m: cuanto mayor es la profundidad de instalación, mayor es la inercia térmica y mejor es la eficiencia de la bomba de calor. En comparación con las sondas geotérmicas verticales, la eficiencia de la bomba de calor es menor, pero los menores costos de instalación hacen que esta solución sea competitiva. Una variante del circuito cerrado horizontal son los sistemas instalados en pequeños estanques, que explotan la inercia térmica del agua.

Bucle abierto

En un circuito abierto, el intercambio de calor se lleva a cabo con agua subterránea o, más raramente, desde cuerpos de agua superficial (ríos y lagos). El agua extraída puede reintroducirse en un cuerpo de agua superficial, o en el mismo acuífero del que se extrajo, mediante el drenaje de zanjas o pozos. Los dos pozos (retirada y reintroducción) debe estar instalado a una distancia suficiente, a fin de evitar térmica cortocircuitos, que ocurre cuando el agua alterado térmicamente vuelva a entrar en el pozo (nube térmica) alcanza el eje de recogida.

La ventaja, en comparación con los sistemas de circuito cerrado, es:

una mayor eficiencia de la bomba de calor: el agua extraída, de hecho, no se ve afectada por el intercambio de calor (en comparación con el suelo alrededor de una sonda, en la que se forma un gradiente térmico), hasta que se toma la térmica cortocircuitos; especialmente para sistemas de alta potencia, menores costos de instalación y menos espacios ocupados, en comparación con los sistemas de sondas geotérmicas e incluso más que los sistemas horizontales de circuito cerrado.

La principal desventaja de estas plantas es el riesgo de grietas e incrustaciones, que acortan la vida útil de la planta. Por esta razón, no se recomienda la instalación de sistemas geotérmicos de circuito abierto en presencia de altos contenidos de sales disueltas.

Columna de pie bien

El pozo de la columna de pie es un sistema de circuito abierto particular, en el cual se usa el mismo pozo para la extracción y la reentrada. De hecho, el agua se toma del fondo del pozo y, después del intercambio de energía térmica calor con la bomba de calor, vuelve a la parte superior del pozo. Luego, descendiendo hacia el fondo del pozo, el agua intercambia calor con la roca circundante.

Bomba de calor y terminales de aire acondicionado

La bomba de calor es la unidad central de sistemas geotérmicos de baja entalpía. Con la misma máquina es posible calentar y enfriar el edificio, producir agua caliente sanitaria y bobinas de alimentación para derretir hielo y nieve (por ejemplo, para rampas de garaje).

El transporte de calor dentro del edificio se puede hacer por aire o líquido. Los terminales de aire acondicionado más adecuados para las bombas de calor geotérmicas son los paneles radiantes, ya que trabajan a temperaturas más bajas en calefacción y mayor en refrigeración, garantizando así una mayor eficiencia de la bomba de calor. Todavía se puede utilizar el fan coil: sin embargo, debe tener en cuenta el hecho de que, teniendo en cuenta las temperaturas del fluido de menor importancia alcanzados por la bomba de calor, en el caso de reequipamiento de una planta existente, es necesario aumentar el caudal de fluido y por tanto la sección de los tubos de distribución.

Underground / Aquifer Thermal Energy Storage

En climas fríos, donde el consumo de energía para la calefacción es mucho más alto que el del aire acondicionado, el balance de energía del suelo puede ser inadecuado, lo que lleva a su enfriamiento progresivo, con la consecuente reducción de la eficiencia de la bomba de calor.

Una forma de remediar este problema es el almacenamiento de calor en el subsuelo, utilizando para ello paneles solares térmicos que reciben calor del sol y, sin la ayuda de la bomba de calor, introducen calor en el subsuelo, elevando la temperatura. De esta forma, durante el invierno, la bomba de calor funcionará con una mayor eficiencia. Esta solución se llama Almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES) o, en el caso de sistemas de circuito abierto, Almacenamiento de energía térmica del acuífero (ATES).

Eficiencia energética

El COP de una bomba de calor geotérmica varía entre 3 y 6: esto significa que por cada kWh de electricidad consumida, se producen 3-6 kWh térmicos. El rendimiento energético primario del sistema de generación de electricidad en Italia es de alrededor del 40%: esto significa que, para producir 1 kWh de electricidad, es necesario consumir 1 / 0.4 = 2.5 kWh térmicos. Como resultado, una bomba de calor geotérmica puede producir de 3 a 6 kWh térmicos al consumir 2,5 kWh de calor (que, a su vez, se utilizan para producir 1 kWh de electricidad). El rendimiento de energía primaria de una bomba de calor geotérmica es, por lo tanto, variable entre 120% y 240%, mientras que las mejores calderas de condensación obtienen rendimientos del 90%. Una bomba de calor geotérmica, en comparación con una caldera de condensación,

El COP de la bomba de calor depende en gran medida de las temperaturas de los dos termostatos (fluido del circuito de intercambio en el suelo y fluido del sistema de aire acondicionado): cuanto menor es la diferencia, mayor es el COP. Como resultado, los terminales de aire acondicionado que permiten el mayor rendimiento son los paneles radiantes, que trabajan a <29 ° C en calefacción y 16 ° C en el enfriamiento, seguido por el ventilador (45 ° C en la calefacción y 7 ° C en el modo de refrigeración).

Aspectos ambientales

Según la Agencia de Protección Ambiental ( EPA ) de EE. UU., Las bombas de calor geotérmicas son el sistema de aire acondicionado más eficiente, menos contaminante y económicamente viable. Una de las mayores ventajas es sin duda la ausencia de emisiones en el sitio, lo que hace que estas plantas sean adecuadas para las zonas urbanas. Las emisiones de gases de efecto invernadero se producen, sin embargo, en la etapa de generación de electricidad, y por lo tanto dependen de la combinación de energías que adopte cada país. En Suecia, por ejemplo, la producción de electricidad solo se realiza en un 2% con combustibles fósiles, por lo que el uso de bombas de calor geotérmicas permite reducciones de CO 2emitido alrededor del 65-77%; en Polonia, donde el carbón todavía se usa ampliamente en las plantas termoeléctricas, las plantas geotérmicas causan más emisiones que alteran el clima que las calderas de metano o diesel. En Italia, el ahorro de emisiones en comparación con los combustibles fósiles es de alrededor del 30%. Otro impacto potencialmente significativo es el escape del refrigerante de la bomba de calor: aunque los CFC se han eliminado debido a su efecto de alteración del ozono, los fluidos utilizados en su lugar ( HFC ) todavía tienen un efecto invernadero muy alto ( GWP), incluso más de 1000 veces la de CO 2. Sin embargo, dadas las cantidades limitadas de refrigerante que contiene la bomba de calor, este impacto ambiental es marginal en comparación con la producción de dióxido de carbono. Un impacto ambiental potencial está representado por la fuga del fluido termovector de las sondas geotérmicas: sin embargo, dado las modestas cantidades utilizadas y el uso de fluidos de baja toxicidad, este impacto es casi insignificante.

Los sistemas de circuito abierto pueden causar el agotamiento del acuífero, la contaminación entre diferentes acuíferos y, en algunos casos, incluso la subsidencia.

Aspectos económicos

Las bombas de calor geotérmicas se caracterizan por altos costos de instalación y bajos costos de mantenimiento. Como resultado, representan una inversión de mediano a largo plazo.

En general, los ahorros en los costos de mantenimiento de la planta varían entre 20 y 60% en comparación con las plantas de combustibles fósiles tradicionales.

En cuanto a los tiempos de amortización, no hay mucha información al respecto, pero en promedio son menos de 10 años y dependen de:

  • Dimensiones de instalación: especialmente en sistemas de circuito abierto, hay ahorros sustanciales en plantas más grandes (economías de escala);
  • costos de instalación: en los mercados más maduros, como en el norte de Europa, los costos de perforación e instalación (especialmente para sistemas de circuito cerrado) son más bajos;
  • costo de la electricidad y los combustibles fósiles: el mix energético para la producción de electricidad, la competencia entre operadores, los impuestos y los impuestos indirectos sobre los combustibles determinan las fuertes diferencias entre un país y otro;
  • incentivos, desgravación fiscal, préstamos subsidiados.

También las bombas de calor geotérmicas pueden ser instaladas por la ESCO, compañías que cobran los costos de instalación de medidas de eficiencia energética, compartiendo las ganancias derivadas del ahorro de energía.

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Última revisión: 27 de septiembre de 2018