Sistema geotérmico

1.4.2 Características y uso de los sistemas geotérmicos

Los sistemas geotérmicos están formados por tres componentes principales: una fuente de calor, un disipador de calor y un intercambiador de calor. Normalmente, la fuente de calor es el suelo, mientras que el disipador de calor es un entorno construido (en general, una estructura). Sin embargo, también puede ocurrir lo contrario, es decir, que la fuente de calor sea un entorno construido mientras que el disipador de calor sea el suelo. El intercambiador de calor suele estar constituido por uno o varios elementos que contienen un fluido que transfiere el calor entre la fuente y el sumidero de calor.

La utilización del suelo como depósito de calor, es decir, como fuente o sumidero de calor, es el resultado de una larga evolución histórica que a menudo sólo puede abordarse sobre la base de consideraciones indirectas (Cataldi, 1999). A continuación se enumeran algunos ejemplos de desarrollo temprano de su tipo. En los primeros tiempos sumerios y acadios, el suelo se empleaba como sumidero de calor para almacenar hielo (y alimentos) en las llamadas «casas de hielo» construidas parcial o totalmente bajo tierra (por ejemplo, Dalley, 2002), basándose en la limitada afección de estos entornos a las condiciones térmicas de la superficie. En el paleolítico y en la época romana antigua, el suelo se utilizaba como fuente de calor para el baño y la calefacción de espacios (por ejemplo, Armstead, 1973), basándose en la presencia de fuentes de agua caliente en el subsuelo (por ejemplo, fuentes termales). En 1904, el suelo se utilizó como fuente de calor para la producción de energía eléctrica mediante la construcción de la primera central geotérmica por parte del príncipe Piero Ginori Conti en Italia (por ejemplo, Lungonelli, 2003).

Una característica clave de los sistemas geotérmicos es la forma en que se utiliza la energía térmica que se obtiene del suelo a través de dichos sistemas. En los sistemas geotérmicos poco profundos, se suele hacer un uso indirecto de la energía geotérmica. En estos casos se emplean máquinas o dispositivos que modifican (aumentan o disminuyen) la entrada de energía transferida entre el suelo y el entorno de destino, además de máquinas o dispositivos que obligan a un fluido portador de calor a fluir (intercambiando calor) entre ellos. En los sistemas geotérmicos profundos se puede hacer un uso directo de la energía geotérmica cuando no se pretende un uso indirecto. A diferencia del caso anterior, en esta circunstancia pueden evitarse las máquinas que modifican la entrada de energía transferida entre el suelo y el entorno objetivo y sólo se requieren máquinas que obliguen a fluir un fluido portador de calor entre el suelo y el entorno objetivo.

Los sistemas geotérmicos poco profundos pueden utilizarse para proporcionar calefacción, refrigeración y agua caliente, utilizando temperaturas disponibles en el subsuelo inferiores a 25°C. Estos sistemas son adecuados para el uso doméstico y a pequeña escala en casi cualquier ubicación geográfica. Los sistemas geotérmicos profundos pueden utilizarse para proporcionar calefacción y agua caliente, así como energía eléctrica, utilizando temperaturas disponibles en el subsuelo superiores a 25°C y hasta 200°C . Estos sistemas son adecuados para usos de mediana a gran escala, pero pueden aplicarse en lugares más particulares que los sistemas geotérmicos superficiales.

Además de la clasificación de los sistemas geotérmicos propuesta anteriormente, a menudo se emplea un criterio adicional para caracterizar estos sistemas y está relacionado con la presencia de bucles cerrados o abiertos en el intercambiador de calor. Sobre la base de este criterio, los sistemas geotérmicos pueden clasificarse en la mayoría de los casos como sistemas de circuito cerrado o de circuito abierto. Los sistemas de bucle cerrado utilizan una mezcla a base de agua que circula por tubos sellados para transferir el calor del suelo a la superestructura o viceversa. Los sistemas de bucle abierto utilizan directamente el agua subterránea extraída de los acuíferos o inyectada en ellos a través de pozos en el proceso de intercambio de calor considerado.

La diferencia crucial entre los sistemas de bucle cerrado y de bucle abierto es que en estos últimos se produce un intercambio de masas, a diferencia de los primeros, y la transferencia de calor es más favorable. Sin embargo, aunque proporcionan el mayor rendimiento energético, los sistemas de bucle abierto requieren una mayor aportación económica y plantean riesgos técnicos relacionados, por ejemplo, con la contaminación del subsuelo (Boënnec, 2008). Como no hay intercambio de masa con el suelo, los sistemas de circuito cerrado minimizan los riesgos medioambientales y los problemas de precipitación de minerales, y no requieren la necesidad de obtener licencias de extracción (Narsilio et al., 2014). Los sistemas geotérmicos superficiales pueden ser de circuito abierto o cerrado. Los sistemas geotérmicos profundos son de circuito abierto.

La Fig. 1.11 presenta ejemplos típicos de sistemas geotérmicos someros y profundos. Los sistemas geotérmicos superficiales típicos son las perforaciones geotérmicas horizontales, las cestas geotérmicas, los sistemas de captación de aguas subterráneas, las perforaciones geotérmicas verticales y las geoestructuras energéticas. Los sistemas geotérmicos profundos típicos son las fuentes termales, los sistemas hidrotermales y los sistemas petrotermales.

Figura 1.11. Clasificación de los sistemas geotérmicos.

Modificado según Geothermie Schweiz.

Las perforaciones geotérmicas horizontales son el tipo más superficial de sistemas geotérmicos. Estos sistemas suelen consistir en tuberías cerradas de polietileno aradas o excavadas horizontalmente en el suelo junto a los edificios a unos pocos metros de profundidad (a partir de una profundidad de z= 2-5 m). En las tuberías, un fluido portador de calor circulante permite el intercambio del calor presente en el suelo (predominantemente como consecuencia de la radiación solar), especialmente para fines de calefacción en aplicaciones residenciales, agrícolas o de acuicultura. Sin embargo, también se pueden conseguir fines de almacenamiento en aquellas situaciones en las que las perforaciones se colocan bajo los edificios.

Las cestas geotérmicas representan un sistema más compacto que las perforaciones geotérmicas horizontales y pueden utilizarse para fines similares. Estos sistemas suelen estar enterrados en el suelo a unos pocos metros de profundidad (a partir de una profundidad de z= 2-10 m) y consisten en tubos cerrados de polietileno fijados en una geometría en espiral en la que fluye un fluido portador de calor. También son posibles las aplicaciones en las que los serpentines en espiral se sitúan en depósitos de agua superficial junto a los edificios, siempre que dichos depósitos estén situados a una profundidad suficiente para evitar condiciones problemáticas para el funcionamiento del sistema, por ejemplo, la congelación del agua del depósito y, por tanto, del fluido caloportador que circula por las tuberías.

Los sistemas de captación de agua subterránea emplean pozos abiertos rodeados de depósitos de agua subterránea situados a poca profundidad (a partir de una profundidad de z= 5-20 m). Estos sistemas pueden aplicarse cuando no existen limitaciones hidrológicas, geológicas y medioambientales. Suelen utilizarse con fines de calefacción mediante la extracción de la energía térmica presente en el agua del subsuelo. Para las construcciones pequeñas, pueden utilizarse pozos individuales. Las construcciones más grandes suelen requerir pozos dobles. Pueden emplearse pozos de extracción e inyección para garantizar un campo térmico subterráneo equilibrado, lo cual es esencial para el rendimiento y, en algunos casos, para las cuestiones medioambientales.

Los pozos geotérmicos verticales consisten en tuberías cerradas de polietileno que se incrustan verticalmente en el suelo por debajo o junto a los edificios a profundidades mayores que las aplicaciones anteriores (a partir de una profundidad de z= 50-300 m). Se suele colocar un material de relleno (por ejemplo, bentonita) en el pozo para mejorar el intercambio de calor entre el suelo y los tubos. Un fluido portador de calor que circula por las tuberías permite intercambiar calor para fines de calefacción, refrigeración, almacenamiento y producción de agua caliente en los más diversos tipos de construcción. Las perforaciones individuales pueden abastecer a pequeñas construcciones residenciales. Los campos de perforación son necesarios cuando se pretende abastecer con energía térmica a construcciones más grandes. Mediante las perforaciones geotérmicas verticales se pueden conseguir mayores aportes energéticos que los transferidos a través de sistemas geotérmicos menos profundos, debido a los mayores niveles de temperatura que caracterizan al suelo en las profundidades consideradas.

Las geoestructuras energéticas son sistemas geotérmicos novedosos que acoplan (a partir de una profundidad de z=10-50 m) el papel de soporte estructural de cualquier estructura en contacto con el suelo con el papel de intercambiador de calor de los sistemas geotérmicos poco profundos con resultados comparables e incluso más favorables que los sistemas descritos anteriormente.

Las fuentes termales pueden clasificarse generalmente como sistemas geotérmicos profundos, aunque también pueden encontrarse a profundidades características de los sistemas geotérmicos poco profundos. Estos sistemas emplean pozos abiertos rodeados de depósitos de agua subterránea caliente que se encuentran a una profundidad relativamente grande en el subsuelo (a partir de una profundidad de z= 500-1000 m). Se suelen utilizar para el baño y para fines médicos, extrayendo la energía térmica presente en el agua del subsuelo.

Los sistemas hidrotérmicos extraen el agua subterránea a través de pozos abiertos desde profundidades que permiten que la temperatura y la energía térmica presentes sean lo suficientemente altas como para realizar aplicaciones de calefacción a gran escala (desde una profundidad de z= 1000-4000 m). Los usos típicos de estos sistemas son la calefacción urbana, pero también se puede conseguir la calefacción de grandes construcciones industriales o agrícolas.

Los sistemas metrotérmicos también extraen el agua subterránea a través de pozos abiertos, pero desde profundidades mayores que los sistemas hidrotérmicos (desde una profundidad de z= 4000-6000 m). La temperatura y la energía térmica presentes en el agua a estas profundidades pueden utilizarse para la producción y el suministro de energía eléctrica a gran escala.