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UNIDAD 9. USO DE LAS ENERGAS RENOVABLES

MSTER EN GESTIN Y DISEO DE PROYECTOS E INSTALACIONES 3

OBJETIVOS

Conocer los elementos fundamentales que caracterizan las tecnologasaplicables para el aprovechamiento de las fuentes de energa renovables deempleo ms frecuente.

Distinguir los lmites del potencial de uso y de las barreras de utilizacin delas diferentes fuentes energticas renovables.

Analizar las situaciones en las que energas renovables pueden sustituir deforma viable tcnica y econmicamente a las energas convencionales.

Conocer las normas fundamentales que fijan las condiciones de aplicacin delas diferentes fuentes de energa renovables.

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9.1. ENERGA SOLAR

9.1.1. LA RADIACIN SOLAR

La fuente energtica por excelencia que ha dado origen a todas las dems,incluyendo a los combustibles fsiles, es sin duda, la radiacin solar.

Los rayos solares llegan a la tierra en forma de radiacin electromagntica conlongitudes de onda entre 0,2 y 3 m, que se denomina radiacin solar. Al llegar alexterior de la atmsfera, la radiacin solar tiene una potencia aproximada de 1367W/m2valor que recibe el nombre de Constante solar.

Sin embargo, no toda la radiacin que llega hasta la Tierra, es capaz desobrepasar las capas altas de la atmsfera. Debido a la presencia de diferentes gasesen la atmsfera, una tercera parte de la energa solar interceptada por la atmsferaterrestre, vuelve al espacio exterior, mientras que las dos terceras partes restantesllegan a la superficie terrestre. Esto es debido a que los gases presentes en laatmsfera (CO2, metano, ozono y vapor de agua) actan como una barrera protectora.

A la prdida de energa producida en las partes altas de la atmsfera, hay queaadir otras variables que influyen en la cantidad de radiacin solar que llega hasta unpunto determinado del planeta. Entre estas variables destaca la declinacin del sol,siendo diferente la intensidad de radiacin cuando los rayos solares estnperpendiculares a la superficie irradiada que cuando el ngulo de incidencia sea msoblicuo.

Por otro lado, para cuantificar la cantidad de energa que se puede aprovecharen un sistema o punto concreto, habr que tener en cuenta tambin otras variablescomo son la hora del da, la estacin del ao y, muy especialmente, las condiciones

atmosfricas. De esta forma, cuando hay nubes se refleja y absorbe ms radiacinque cuando no las hay, por lo que disminuye la cantidad de radiacin incidente sobrela superficie terrestre.

Segn lo anterior, la radiacin solar llega a la superficie terrestre en dos formasbien diferenciadas:

Componente directa: Es la recibida desde el Sol sin que se desve en su pasopor la atmsfera. La componente directa es muy superior a la difusa, llegandoa alcanzar valores de 10 kWh/m2al da en verano.

Componente difusa: Es la que sufre cambios en su direccin principalmentedebidos a la reflexin y difusin en la atmsfera. Esta componente, tienevalores inferiores a 1 kWh/m2 al da en das claros, mientras que en das

nubosos puede tomar valores del orden de 2,5 kWh/m2

al da.En el caso de Espaa, se renen una serie de requisitos que hacen que sea uno

de los pases europeos con mayor capacidad para aprovechar la energa solar.Situada entre los 36 y los 44 de latitud norte, nuestro pas recibe una intensidad deradiacin solar muy superior a la de otras regiones del planeta. Por otro lado, Espaatiene una ventaja con respecto a otros pases de Europa (Figura 9.1), por la grancantidad de das sin nubes que disfruta al ao. Por su parte, sobre cada metrocuadrado de suelo inciden al ao una media de 1500 kWh de energa, cifra similar a lade muchas regiones de Amrica Central y del Sur.

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EFICIENCIA Y AHORRO DE ENERGA

10 MASTER EN GESTIN Y DISEO EN PROYECTOS E INSTALACIONES

Tabla 9.2. Formas de aprovechamiento energtico de la radiacin solar

9.1.3. ENERGA SOLAR TRMICA DE BAJA TEMPERATURA

Una instalacin solar trmica tiene como objetivo la produccin yalmacenamiento de agua caliente a partir de la radiacin solar. El agua calienteproducida se puede utilizar para consumo directo, como es calefaccin, agua caliente

sanitaria o para procesos industriales, limpieza de equipos, para climatizacin depiscinas, entre otros usos, o como entrada a una mquina de absorcin para producirfro y utilizarse en refrigeracin. Hay que decir que su uso en refrigeracin es an muylimitado, siendo mayoritario el consumo de agua caliente.

El principio elemental en el que se fundamenta cualquier instalacin solartrmica es el de aprovechar la energa del Sol mediante un conjunto de captadores,calentando el fluido que circula por su interior (agua con anticongelante) ytransfirindola a un sistema de almacenamiento (depsito acumulador), que abasteceel consumo cuando es necesario.

As, la posibilidad de captar la energa del Sol desde el lugar que se necesita,junto con la capacidad de poder almacenarla durante el tiempo suficiente para

disponer de ella cuando haga falta, es lo que hace que esta tecnologa sea tanampliamente aceptada en muchas partes del mundo.

En la actualidad, una instalacin de energa solar cubre del 50 al 80% del totalde la demanda de agua caliente sanitaria de una vivienda, aportando el resto con unsistema de apoyo energtico. La razn por la que las instalaciones solares no sedisean para cubrir el 100% del consumo es porque, si as se disease, seranecesario instalar grandes sistemas de acumulacin de energa a largo plazo queharan econmicamente inviable este tipo de soluciones.

Aunque la expansin de la EST-BT es an baja en Europa y en Espaa, en losltimos aos se ha venido observando un rpido crecimiento (entre el 25% y 30% decrecimiento anual de la superficie instalada), debido a la puesta en marcha de polticasde difusin, como es el caso de la obligatoriedad en Espaa de la contribucin solarmnima para la generacin de agua caliente sanitaria, establecida en el CTE.

TIPO DEENERGA

TIPO DE INSTALACIN EQUIPO PRINCIPAL APLICACIONES

Calor

EST-BT

CalentamientoCaptador plano o tubo devaco

ACSCalefaccin, piscinas

Secado de alimentos

Fro RefrigeracinCaptador plano o tubo devaco y equipo deabsorcin

Refrigeracin de espacios

Electricidad ESF Clula fotovoltaica

- Instalaciones conectadasa red: Venta de energa ala red- Instalaciones aisladas dered: Bombeo de agua,sealizacin,electrificacin rural, etc.

Electricidad EST-MT y EST-AT

Concentrador de la

radiacin con un ciclo depotencia:Cilindro-parablicosReceptor centralDiscos parablicos

Instalaciones conectadasa la red: venta de energaa la red

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Figura 9.6. Curva de rendimiento de un captador solar plano

La expresin de la recta de rendimiento de un captador solar plano es lasiguiente:

I

TTb-abT-a ae*

Expresin 9.1. Curva de rendimiento del captador solar plano

Donde:

: Rendimiento (%). a: Parmetro caracterstico del captador (coeficiente de eficiencia ptica).

Valores mayores suponen una mayor ganancia solar del captador. b: Parmetro caracterstico del captador (coeficiente global de prdidas).

Valores inferiores suponen una menor prdida de la energa captada. T*: Conocido como temperatura adimensional, es un parmetro variable que

representa las condiciones ambientales y de trabajo del captador. Esdirectamente proporcional a la diferencia entre la temperatura de entrada del

fluido caloportador al captador (Te, C) y la temperatura ambiente (Ta, C), einversamente proporcional al valor de la radiacin solar incidente (W/m2).

Normalmente las necesidades de energa trmica de las instalaciones nocoinciden en el tiempo con la captacin del recurso solar, por lo que es necesariodisponer de algn elemento que permita almacenar esta energa trmica, para ashacer frente a la demanda en momentos de poca o nula radiacin solar. Para ello, esnecesario el empleo de un depsito acumulador aislado en el que se almacena laenerga trmica en forma de agua caliente (Figura 9.7).

Los depsitos acumuladores que suelen dar mejores resultados son aquelloscon formas cilndricas, siempre dispuestos verticalmente. La mayor eficiencia de estosdepsitos se debe al fenmeno de estratificacin del agua, por el cual el agua con

mayor temperatura se sita en la parte superior del tanque, por encima del agua fra,la cual presenta una mayor densidad. Por otro lado, a la hora de seleccionar un

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Respecto al dimensionamiento, clculo e instalacin de los sistemas solarestrmicos de baja temperatura, cabe recurrir a las prescripciones establecidas en elCTE, en concreto en la exigencia bsica HE4 del documento bsico DB HE de ahorrode energa. Efectivamente, en la DB HE4 Contribucin solar mnima de agua calientesanitaria se establecen las condiciones de demanda de las instalaciones de aguacaliente sanitaria (ACS) en los edificios que as lo requieran. Para satisfacer estademanda, se deben instalar dispositivos de captacin solar trmica a bajatemperatura, almacenamiento y utilizacin de la energa del sol. Pues bien, estedocumento constituye un autentico manual tcnico de dimensionamiento e instalacinde sistemas EST-BT, el cual, aunque establecido para las aplicaciones de ACS,tambin puede ser empleado para los restantes usos de los sistemas solares a bajatemperatura. Por su importancia, en el Anejo 1 de este documento se incluye el DBHE4 para el conocimiento y normal utilizacin del alumno.

Dicho lo anterior, respecto al mtodo para el dimensionamiento de la superficiecaptadora de las instalaciones solares trmicas, el DB HE4 establece como mtodo dereferencia f-Chart. El mtodo f-Chart o de las grficas-f fue desarrollado en 1973 porlos profesores Klein, Beckman y Duffie, para el clculo de la cobertura de un sistema

solar a baja temperatura, es decir, la contribucin a la aportacin del calor totalnecesario para hacer frente a las cargas trmicas, y de su rendimiento medio en unlargo perodo de tiempo. Este mtodo est ampliamente aceptado como un proceso declculo suficientemente exacto para largas estimaciones, por lo que no debe aplicarsepara estimaciones de tipo semanal o diario debido a la prdida de precisin del mismo.Utiliza datos mensuales medios meteorolgicos y es un mtodo perfectamente vlidopara determinar el rendimiento o factor de cobertura solar en instalaciones decalentamiento, en todo tipo de edificios y aplicaciones, mediante captadores solaresplanos.

Segn el mtodo f-Chart, la fraccin solar de un mes determinado (f,adimensional) se determina segn la siguiente expresin:

31

22

2121 0,0215D0,0018D0,245D-0,065D-1,029Df

Expresin 9.2. Expresin de clculo de la cobertura solar segn el mtodo f-Chart

De esta forma, la secuencia de clculo es la siguiente:

Valoracin de las cargas calorficas para el calentamiento de agua destinadaa produccin de ACS o calefaccin.

Valoracin de la radiacin solar incidente en la superficie inclinada delcaptador o captadores.

Clculo del parmetro D1. Este parmetro expresa la relacin entre la

energa absorbida por la placa del captador plano y la carga calorfica totalde calentamiento durante un mes.

Clculo del parmetro D2. Este parmetro expresa la relacin entre lasprdidas de energa en el captador, para una determinada temperatura y lacarga calorfica de calentamiento durante un mes.

Determinacin del factor f. Valoracin de la cobertura solar mensual. Valoracin de la cobertura solar anual.

El proceso de clculo de los parmetros D1 y D2 se obtiene a travs deexpresiones complejas, las cuales pueden ser obtenidas de diferentes fuentesdocumentales referidas en la seccin de Bibliografa, como la original de sus

creadores (Duffie y Beckman, 2006).

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emplazamientos donde no existe red elctrica de distribucin o sta es de difcilacceso (Figura 9.13).

Los sistemas aislados normalmente estn equipados con sistemas deacumulacin de energa, ya que slo pueden obtener energa elctrica durante el da yla demanda se produce a lo largo del da y de la noche. Esto supone, que el campo

fotovoltaico ha de estar dimensionado de forma que permita, durante las horas deinsolacin, la alimentacin de la carga y la recarga de las bateras de acumulacin.

Figura 9.13. Instalacin ESF aislada de red para abastecer una estacin meteorolgica

Por su parte, los sistemas conectados a red (Figura 9.14) no tienen bateras, ya

que la energa producida durante las horas de insolacin es inyectada a la red de lacompaa elctrica, obteniendo unos ingresos por la venta de energa.

Estas instalaciones cuentan con sistemas de seguimiento del estado de latensin de la red de distribucin, de manera que se garantice su correctofuncionamiento en lo referente a la forma de entregar la energa, evitando as posiblessituaciones de peligro.

Figura 9.14. Instalacin ESF conectada a la red de distribucin

Respecto al dimensionamiento, instalacin y mantenimiento de los sistemassolares fotovoltaicos, cabe recurrir a las prescripciones establecidas en el CTE, en

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9.2. ENERGA ELICA DE PEQUEA POTENCIA.

La energa elica de pequea potencia, tambin conocida como minielica, es elaprovechamiento de los recursos elicos mediante la utilizacin de aerogeneradoresde potencia inferior a los 100 kW. De acuerdo con las normas internacionales, losequipos que aprovechen esta tecnologa deben tener un rea de barrido que no

supere los 200 m2

(Asociacin de Productores de Energas Renovables, 2009).Desde el punto de vista legislativo, la energa minielica se encuentra catalogada

en el mismo marco regulatorio y retributivo que la gran elica a pesar de sertecnologas de generacin energtica muy dispares. Esta falta de diferenciacin entreambas tecnologas, est perjudicando enormemente el desarrollo del sector minielico.

Histricamente en Espaa, los pequeos aerogeneradores se han venidoutilizando mayoritariamente para el autoconsumo de instalaciones aisladas de red yconectadas a bateras (almacenamiento de energa elctrica) como son los repetidoresde telefona mvil, sistemas de vigilancia de carreteras, y para el suministro de energaen zonas rurales alejadas de la red elctrica (Figura 9.15).

Figura 9.15. Aerogenerador ubicado en vivienda unifamiliar

Aunque el recurso es el mismo que en la gran elica, las instalacionesminielicas tienen caractersticas propias:

Generacin de energa prxima a los puntos de consumo, reduciendo lasprdidas de transporte (generacin distribuida).

Versatilidad de aplicaciones y ubicaciones, ligado al autoconsumo. Accesibilidad tecnolgica al usuario final, por las relativamente bajas

inversiones requeridas.

Funcionamiento con vientos moderados, sin requerir complejos estudios deviabilidad. Suministro de electricidad en lugares aislados y alejados de la red elctrica. Reducidos costes de operacin y mantenimiento.Reducido impacto ambiental, al ser equipos de pequeo tamao y reducido

impacto visual.

La tecnologa elica de baja potencia presenta mltiples soluciones tecnolgicasque conviven en el mercado, lo cual es un indicador claro de la falta de madurez deesta tecnologa energtica, que poco a poco se va evitando a medida que seconsolidan las mejores soluciones y diseos se van apareciendo.

Un aerogenerador de baja potencia est compuesto esencialmente por un rotor

(de eje horizontal o vertical, Figura 9.16), en el cual se convierte la energa cintica delviento, en energa en forma mecnica. De esta manera, los aerogeneradores

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Pellets

Ventajas Elevado poder calorfico.Muy bajo contenido en cenizas, reduciendo las necesidades de operaciny mantenimiento.Las calderas de pellets son de muy alta eficiencia, incluso existencalderas de condensacin de pellets.Se comercian a nivel internacional, con una composicin constante.Se utilizan con composiciones estndar en Europa.

Inconvenientes Elevado precio en comparacin con otras biomasas.

Consideraciones Precisa de almacenamiento en lugar aislado y seco.No necesita ningn tipo de secado o tratamiento una vez producido.Estn estandarizados, por lo que presentan alta fiabilidad de operacin ymenor esfuerzo para la operacin y mantenimiento de la caldera. Sinembargo, su coste es elevado debido al tratamiento al que son sometidosen su preparacin.

Astillas de maderaVentajas Su coste de produccin es inferior al de los pellets debido al menor

proceso de elaboracin requerido.Las astillas limpias de corteza y secas (clase 1) son normalmente de altacalidad.Tiene un grado medio de estandarizacin a nivel Europeo.

Inconvenientes Son menos densas que los pellets y el hueso de aceituna, por lo queprecisan de un espacio mayor para el almacenamiento.Al ser menos densas, el transporte slo se justifica hasta una distanciacorta (< 50 km).

Consideraciones Su composicin es variable.Es preciso secar la materia prima de forma natural o artificial hasta unahumedad inferior al 45%, o incluso menor que el 30% en el caso de lasmejores astillas de clase 1.Presentan un contenido en cenizas inferior al 1% (clase 1) o 5% (clase 2).

Residuos agroindustrialesVentajas Disponibilidad y tipos (abundancia de productos y cantidades).

Grandes producciones en Espaa.Su coste de produccin es inferior debido al ser subproductos de unproceso.Normalmente tienen un elevado poder calorfico, pero se debe tenerprecaucin con la calidad de la biomasa que va a adquirirse, evitandobiomasas con residuos no deseados.

Inconvenientes Su contenido en cenizas, aunque es aceptable, es superior al del pellet,por lo que las labores de mantenimiento tendern a ser mayores.

Consideraciones Pueden ser biomasas estacionales, por lo que su suministro, si esdirectamente del productor, debe acordarse durante la temporada.Composicin variable.

Lea y briquetasSu uso es poco frecuente y prcticamente exclusivo para calderas pequeas y de un grado deautomatizacin medio, ya que hay que introducir lea o briquetas varias veces al da (los dasde mayor consumo). El coste de produccin de las briquetas es muy superior al de la lea,aunque el poder calorfico de la primera est claramente por encima. Adems las briquetasproducen menos cenizas, facilitando la limpieza y mantenimiento de la caldera.

Tabla 9.5. Ventajas e inconvenientes de distintos biocombustibles slidos

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Sistema de control y telegestin

Adems de disponer de los dispositivos especficos mencionados en el RITE, lassalas de calderas de biomasa deben cumplir las prescripciones generales deseguridad establecidas en la seccin SI-1 del Documento Bsico SI Seguridad en casode incendio del Cdigo Tcnico de la Edificacin (CTE).

Como en la instalacin de cualquier tipo de caldera, en el caso de las debiomasa hay que tener en cuenta lo que establece la normativa en cuanto a ventilacinde la sala de calderas, sistemas de seguridad, chimeneas y sistemas de tratamientode humos, proteccin frente a ruido y emisiones.

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9.4. GEOTERMIA DE BAJA ENTALPA

La energa geotrmica es, en su ms amplio sentido, la energa calorfica que laTierra transmite desde sus capas internas hacia la parte ms externa de la cortezaterrestre. El gradiente trmico entre el ncleo (4.000 C) y la superficie de la Tierra(15C) origina un flujo de calor hacia la superficie. El objetivo de la geotermia es el

aprovechamiento de esa energa calorfica que procede del interior de la Tierra.Se habla de yacimiento geotrmico cuando materiales permeables llenos de

agua, sellados por materiales impermeables, interceptan el flujo de calor desde elinterior del globo. Un yacimiento geotrmico es el espacio de la corteza terrestre en elque existe un recurso geotrmico que puede ser aprovechado.

Se define el recurso geotrmico como la fraccin de la energa geotrmica quepuede ser aprovechada de forma tcnica y econmicamente viable. Los recursosgeotrmicos se clasifican segn la tabla 9.6.

El nivel trmico del fluido condiciona claramente su aprovechamiento. En loscasos de yacimientos de baja entalpa su utilizacin ms habitual es la calefaccin deviviendas y locales cuando las temperaturas se sitan entre 50 y 100C. Los fluidoscon temperaturas inferiores suelen ser utilizados en instalaciones balnearias, ya quesu nivel trmico no permite, en general, su uso en sistemas convencionales decalefaccin de viviendas, si bien pueden ser utilizados para otros usos (calefaccin deinvernaderos, etc.).

Recursos geotrmicos Temperaturas Tecnologa Aplicacin

Muy baja entalpa 5-25C Utiliza bombaUsos directosClimatizacin

Convencionales

Baja entalpa25-50C

Puede precisarbomba de calor

Usos directos

50-100C Usos directos

Media entalpa 100-150C Ciclos binariosElectricidad

ProcesosAlta entalpa >150C Electricidad

No convencionalesEGS-HDR >150C Ciclos binarios Electricidad

Supercrticos >300CElectricidadHidrgeno

EGS: Sistemas Geotrmicos Estimulados. HDR: Geotermia de alta temperatura (roca caliente seca)

Tabla 9.6. Recursos geotrmicos. Fuente: IDAE

Cuando el flujo de calor que proviene del interior de la Tierra atraviesa lossedimentos permeables ms superficiales que albergan aguas subterrneas, confierea este agua una estabilidad trmica notable, lo que permite extender el concepto deyacimiento de baja entalpa; se habla entonces de yacimientos geotrmicos de muy

baja entalpa, con temperaturas de los fluidos agua subterrnea entre 15 y 22C,que pueden ser aprovechados para usos de calefaccin-climatizacin, mediante el usode la bomba de calor que permite aplicar un pequeo salto trmico de niveles detemperatura bajas para aportar calor a temperaturas muy superiores.

En ausencia de acuferos, los materiales del subsuelo que mantienen estable sutemperatura pueden aportar calor a un fluido que circula en contacto con ellos. De estemodo se ampla el concepto de yacimiento geotrmico de muy baja entalpa alsubsuelo poco profundo, en el cual se puede hacer circular a travs de una tubera encircuito cerrado un fluido bsicamente agua que permite extraer calor de losmateriales existentes en estos terrenos poco profundos (profundidades en general demetros o decenas de metros y que raramente superan los 250 metros).

En todos los sistemas basados en recursos geotrmicos de muy baja entalpa,tanto aprovechando las aguas subterrneas como el calor del subsuelo, se plantea

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El uso directo del calor es una de las aplicaciones ms antiguas y comunes de laenerga geotrmica para balnearios, calefaccin residencial, agricultura, acuicultura yusos industriales. Para climatizacin y refrigeracin se utiliza la energa geotrmica demuy baja temperatura, mediante el uso de bomba de calor. A nivel mundial, se puedeclasificar la utilizacin directa de la energa geotrmica en dos mbitos claramentediferenciados: el sector industrial y el sector residencial y de servicios.

9.4.1.1. Sector industrial

El vapor, calor o agua caliente de las reservas geotrmicas, puede ser empleadoen aplicaciones industriales donde las instalaciones son grandes y requieren un granconsumo de energa.

En procesos industriales las diferentes formas de utilizacin de este calorincluyen: procesos de calefaccin, evaporacin, secado, esterilizacin, destilacin,lavado, descongelamiento y extraccin de sales, etc., aplicado en la industria deproduccin de papel y reciclado, procesamiento de celulosa, tratamientos textiles,industria alimenticia, pasteurizacin de leche, extraccin de productos qumicos,recuperacin de productos petrolferos, extraccin de CO2, bebidas carbonatadas, etc.

9.4.1.2. Agricultura

Invernaderos

Un empleo muy comn de la energa geotrmica de baja temperatura es enagricultura. Las aplicaciones agrcolas de fluidos geotermales son para calefaccin acampo abierto e invernaderos. Una solucin ptima de aplicacin de la geotermia encampo abierto consiste en combinarla calefaccin del suelo con el regado,controlando cuidadosamente la composicin qumica de las aguas termales utilizadas

con este fin.El invernadero debe asegurar unas condiciones ptimas para el desarrollo de las

plantas. La calefaccin del invernadero puede realizarse conjuntamente concirculacin forzada de aire mediante intercambiadores de calor, tuberas de circulacinde agua caliente (bien dentro o sobre el suelo), radiadores o una combinacin detodos estos mtodos.

Acuicultura

La acuicultura es la tcnica controlada de cra de especies acuticas vegetales yanimales. El nivel trmico exigido por las piscifactoras permite el aprovechamiento delos yacimientos de baja entalpa.

El sistema de piscifactoras consiste en la crianza de peces, crustceos omariscos en varias piscinas artificiales escalonadas, controlando as el crecimiento decada especie, manteniendo artificialmente una temperatura ptima, la alimentacin y lacalidad del agua. De esta forma, se consigue cultivar especies exticas, mejorar laproduccin e incluso duplicar el ciclo reproductivo. Las temperaturas que se requierenpara las especies acuticas son del orden de 20-30C. Las piscinas de cra y engordepueden ser a cielo abierto o instalarse bajo cubierta, con el fin de reducir las prdidasde calor hacia el exterior. El tamao de la instalacin depender de la temperatura delrecurso geotermal y de la requerida por la especie.

9.4.1.3. Sector residencial y servicios

El uso de sistemas geotrmicos de baja entalpa para el sector residencial y deservicios permite prescindir del gasleo, gas natural o gases licuados derivados del

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petrleo (propano y butano). La demanda trmica de la energa consumida en elsector residencial y de servicios es relativamente baja, lo que permite utilizar aguageotrmica de baja entalpa y devolverla a baja temperatura, incrementando as elpotencial geotrmico del recurso e induciendo a un ahorro de energa, que podraprovecharse para otras aplicaciones. El sistema de climatizacin geotrmico funcionacorrectamente con cualquier instalacin de calefaccin actual, bien sea por radiadores,suelo radiante o aire.

Calefaccin de Distrito, District Heating

El aprovechamiento directo de los recursos geotermales permite disear unsistema de calefaccin centralizado, ms comnmente conocido como districtheating. El sistema satisface la demanda de calor de un conjunto de usuarios,distribuidos dentro de una zona extensa, del tamao de un barrio, distrito o incluso unaciudad entera. Inicialmente solo se satisfaca la demanda de calefaccin peroposteriormente se ampli al suministro de refrigeracin. A finales del siglo XIX,comenzaron a funcionar pequeas instalaciones que atendan las necesidades dereas muy limitadas, como zonas industriales o comerciales. Su aplicacin comienza a

aumentar a partir de los aos 30 en Estados Unidos y en Europa, aunque su granexpansin se produce en los aos sesenta.

En general, los sistemas de calefaccin por distrito pueden ser abiertos ocerrados. El sistema cerrado constar de un circuito de calefaccin con tubera deimpulsin y una tubera de retorno, mientras que el circuito que distribuye ACS es unsistema abierto, porque una vez utilizado el fluido calor portante lo vierte al sumidero.La mayora de este tipo de instalaciones son sistemas cerrados. Existen proyectos enlos que el agua geotrmica es conducida bajo las carreteras y caminos vecinales, paramantenerlos libres de agua helada o incluso para dispersar la neblina de losaeropuertos.

Bomba de calor (GHP)

En pases con niveles altos de radiacin solar, como es el caso de Espaa, latemperatura del suelo a profundidades de ms de 5 metros es relativamente alta(alrededor de 15 grados). A esas profundidades, los materiales geolgicospermanecen a una temperatura estable, independientemente de la estacin del ao ode las condiciones meteorolgicas. Esta estabilidad geotrmica es la que permite queen verano el subsuelo est considerablemente ms fresco que el ambiente exterior.Mediante un sistema de captacin adecuado y una bomba de calor geotrmica sepuede transferir calor de esta fuente de 15C a otra de 50C, y utilizar esta ltima parala calefaccin domstica y la obtencin de agua caliente. Del mismo modo que eninvierno la bomba geotrmica saca el calor de la Tierra, en verano se extrae medianteel mismo sistema de captacin, transfirindolo al subsuelo y refrigerando as el edificio.En el caso de contar con piscina se puede aprovechar el calor sobrante para calentarel agua y alargar as la temporada de piscina. Una instalacin de este tipo puedeproporcionar a una vivienda con jardn una climatizacin integral de la casa y elsuministro de agua caliente sanitaria.

9.4.1.4. Secado de pavimentos

En diferentes ciudades la energa geotrmica es empleada para evitar laformacin de placas de hielo en los pavimentos (habitualmente mediante tuberasenterradas a ras del suelo por las que circulan agua caliente o vapor). Ejemplos:Reikiavik, en Islandia; Fukui, en Japn; Villa Copahue, en Argentina.

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9.4.2. LA ENERGA GEOTRMICA EN ESPAA

La energa geotrmica en Espaa presenta todava una escasa penetracin, apesar de su gran potencial de utilizacin, tanto para usos trmicos a escala domsticacomo a escala industrial para generacin de energa elctrica.

Figura 9.24. Aplicaciones de uso directo energa geotrmica. Ao 2010. Fuente: IDAE

Tras la crisis energtica de 1973 el Instituto Geolgico y Minero de Espaa(IGME) llev a cabo la evaluacin del potencial geotrmico del subsuelo en Espaa,elaborando en 1975 el Inventario General de Manifestaciones Geotrmicas en elTerritorio Nacional. La siguiente tabla recoge la sntesis de la informacin elaborada.

Bajatemperatura(T < 100 C)

Almacenessedimentarios

profundos

Cuenca del Tajo: MadridCuenca del Duero: Len, Burgos y Valladolid

rea Prebtica e Ibrica: Albacete y Cuenca

Zonasintramontaosasy volcnicas

Galicia: zonas de Orense y PontevedraDepresiones catalanas: Valls, Peneds, La Selva yAmpurdnDepresiones internas de las Cordilleras Bticas:Granada, Guadalix, Baza, Cartagena, Mula, MallorcaCanarias: Isla de Gran Canaria

Media temperatura(100 C < T < 150 C)

Cordilleras Bticas: Murcia, Almera, GranadaCatalua: Valls, Peneds, La Selva y OlotGalicia: reas de Orense y PontevedraPirineo Oriental: zona de Jaca-Sabinigo

Alta temperatura (T > 150 C) Islas Canarias: Tenerife, Lanzarote y La Palma

Tabla 9.7. Zonas de inters geotrmico segn el IGME. Fuente: IDAE

Con los conocimientos de los recursos geotrmicos en Espaa, disponibles afinales de los 80, se plantearon distintos proyectos basados en el uso de la energageotrmica para calefaccin (viviendas, locales, agricultura) que utilizaban fluidos conelevadas salinidades a profundidades del orden de los 2.000 m. Aquellos proyectos notuvieron rentabilidad econmica en una situacin de clara competencia con otrasfuentes de energa, cuyos precios en aquella poca no eran excesivamente elevados.Tan solo cabe destacar la puesta en marcha de pequeos proyectos geotrmicos eninstalaciones ligadas a balnearios partiendo del propio fluido termal.

Actualmente, en Espaa slo existen proyectos de aprovechamiento geotrmicopara uso trmico en instalaciones balnearias, calefaccin en invernaderos o para

calefaccin de viviendas con una potencia en el ao 2006 de 22,3 MWt, lo que supone8,3 ktep para aplicaciones directas del calor, segn fuentes del EurObservER.

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Las instalaciones de bombas de calor, muy habituales en otros pases europeos,no han tenido en Espaa hasta la fecha el empuje necesario para su despegue,motivado por las crticas que algunos sectores plantean a este tipo deaprovechamientos en funcin de su consumo de energa elctrica.

9.4.3. TECNOLOGAS PARA APROVECHAMIENTOS GEOTRMICOS DE BAJA YMUY BAJA TEMPERATURA

Las temperaturas de trabajo favorables para el aprovechamiento directo del calorgeotrmico incluyen un rango muy amplio entre 30 y 150 C, rango al quecorresponden los recursos geotrmicos de baja y media entalpa, habitualmentelocalizados a profundidades entre 1.500 y 3.500 m, y los someros o de muy bajaentalpa, incluidos los acuferos convencionales con aguas a temperaturas de 15 a 20C. En esta unidad nos centraremos en las tecnologas existentes en geotermiasomera.

Dada su estabilidad trmica frente a los cambios estacionales, el subsuelo, ensus primeros 100-200 m, resulta un medio adecuado para proporcionar y almacenarenerga trmica. De hecho, a 10-20 m de profundidad, su temperatura se mantieneprcticamente constante, incrementndose segn el gradiente geotrmico al aumentarla profundidad (3 C cada 100 m). Las tecnologas para aprovechar esta energaalmacenada en los primeros metros de la corteza terrestre son bsicamente dos:

Bomba de calor geotrmica, o bomba para calor de fuente terrestre (GHP:Geothermal Heat Pump).

Almacenamiento subterrneo de energa trmica (UTES: UndergroundThermal Energy Storage).

En ambos casos, las tecnologas desarrolladas para aprovechar el calor delsubsuelo son funcin de la accesibilidad del recurso geotrmico, y pueden clasificarse

en dos tipologas principales que, a su vez, incluyen diferentes subtipos: Circuitos abiertos, basados en el uso de aguas subterrneas, que suponen la

captacin de agua de un acufero para su aprovechamiento. En este caso, elagua subterrnea es el medio de transporte del calor.

Circuitos cerrados, cuyo fundamento es el empleo de un fluido bsicamente, agua con algn aditivo, para extraer el calor de los materialesexistentes a poca profundidad en el subsuelo. Implican la instalacin de unintercambiador en el terreno para el aprovechamiento energtico, cuya paredsepara el fluido termoportador de la roca y del agua subterrnea.

9.4.3.1. Bomba de calor geotrmica

La bomba de calor geotrmica extrae calor del subsuelo a una temperaturarelativamente baja, aumentndola, mediante el consumo de energa elctrica, paraposibilitar su uso posterior en sistemas de calefaccin. Existe la opcin de invertir elproceso en verano, inyectando en la tierra el calor absorbido en la refrigeracin de lainstalacin a climatizar. Esta tecnologa representa, en la mayora de los casos, lanica posibilidad de aprovechamiento de los recursos de muy baja entalpa (T < 30C), asociados a la denominada geotermia somera y presentes bajo cualquier terrenoen cualquier lugar del planeta, que son los que mejor se adaptan a las necesidades declimatizacin de edificios.

Las bombas de calor geotrmicas funcionan del mismo modo que las bombas de

calor convencionales (aire-aire y aire-agua), de manera que pueden calentar, refrigerary, si estn adecuadamente equipadas,proporcionar agua caliente sanitaria, pero conmayor eficacia que stas.

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Horizontales

Los circuitos cerrados con intercambiador de calor horizontal son los sistemascerrados ms fciles de instalar, si bien, en ocasiones, estn sujetos a limitaciones deespacio, por lo que las tuberas se disponen siguiendo un diseo relativamente denso,conectndose en serie o en paralelo (figura 9.26).

Figura 9.26. Sistema cerrado con intercambiador de calor horizontal. Fuente: Mands E.; Sanner B.

En distribuciones con alta densidad de tuberas, lo habitual es retirarcompletamente la capa superficial del terreno, colocar las conducciones y, finalmente,

cubrirlas con la tierra retirada. En lugares donde se dispone de ms terreno se prefiereun circuito ms amplio, con tuberas situadas en zanjas (figura 9.27-a). Se instalan auna profundidad mnima de 0,90 metros, en disposiciones de 2 a 6 tubos por zanja.

a bFigura 9.27. Sistema cerrado con intercambiador de calor horizontal en zanja (a) Intercambiador en

bucle (b) Colector en zanja. Fuente:Mands E.; Sanner B.

Los intercambiadores de calor especiales que resultan ms adecuados parasistemas que trabajan con bombas de calor para usos en calefaccin y refrigeracin sebasan en la colocacin de bobinas de polietileno en el terreno, extendiendo lassucesivas espiras e intercalando tierra seleccionada o arena. Las espiras puedendisponerse horizontalmente, en una zanja ancha (colector Slinky), o verticalmente, enuna zanja estrecha (tipo Svec) (figura 9.28). El colector en zanja (trench collector)consiste en varias tuberas de pequeo dimetro se sujetan a las paredes bastanteinclinadas de una zanja, a varios metros de profundidad (figura 9.27-b).

Figura 9.28. Sistema cerrado con intercambiadores de calor de tipo bobina. Fuente:Mands E.; Sanner B.

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En loscasos en que se precisan potencias mayores a las habituales (entre 20 y70 W/m), pueden emplearse campos de sondas geotrmicas, en nmero de 4 a 50,con profundidades que oscilan entre 50 y 200 metros, dependiendo de la potenciarequerida y de las condiciones geolgicas locales.

Figura 9.30. Intercambiadores verticales en sondeos. Sondas geotrmicas. Fuente: Mands E.; Sanner B.

Los colectores de las sondas pueden disponerse junto a las edificaciones odebajo de ellas,o bien, lastuberas pueden conectarse en zanjas en el terreno.

Las instalaciones que disponen de bomba de calor acoplada a circuitoscerrados con intercambiadores verticales son de dimensiones muy variadas: desdeviviendas unifamiliares con un solo intercambiador hasta grandes edificios querequieren campos con un importante nmero de sondas geotrmicas.

Los tubos captadores pueden instalarse de diversas maneras en el interior delsondeo, pudiendo considerarse dos tipos bsicos de intercambiadores verticales: contubos en Uy con tubos coaxiales.

El sistema de tubos en U consiste en un par de tubos unidos en su basemediante un codo de 180 cuyas salidas se conectan al circuito primario delas bombas de calor geotrmicas. Esta configuracin es la ms utilizada porel bajo coste del material.

El sistema de tubos coaxiales consiste en dos tubos concntricos dediferente dimetro, aunque puede haber mayor nmero de tubos colectores.

a b

Figura 9.31. (a) Tubos captadores verticales en sondas geotrmicas (b) Secciones de diferentes tipos de

intercambiadores. Fuente: Mands E.; Sanner B.

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Las principales ventajas de los sistemas verticales son el alto aprovechamientode la energa trmica y el bajo ndice de ocupacin. Los altos costes de implantacinconstituyen el principal inconveniente.

Una variante de este sistema son las cimentaciones energticas, queaprovechan las estructuras de cimentacin profunda de los edificios para captar y

disipar la energa trmica del terreno. Los propios pilotes de la cimentacin actancomo sondas geotrmicas. Los pilotes pueden ser prefabricados o montados in situ,con dimetros entre 40 cm y ms de 1 m. En todos o en parte de los pilotes se insertauna red de tubos de polietileno, propileno o PVC, conformados como conductos en U,por los que se hace circular agua con anticongelante, y se conectan en circuito cerradoa una bomba de calor.

Figura 9.32. Sistema de cimentaciones energticas. Fuente: Llopis Trillo et al., 2008.

La principal ventaja es el ahorro de trabajo y de espacio, pero un inconvenienteimportante es la dificultad de reparacin de los tubos una vez hormigonado el pilote.Por este motivo se suele sobredimensionar el nmero de pares de tubos captadores.

Otros sistemasEn este grupo se incluyen los sistemas que no pueden calificarse, de forma ca-

tegrica, como abiertos o cerrados. Sera el caso de los pozos de tipo columna y delos aprovechamientos de aguas de minas y tneles.

Figura 9.33. Pozo tipo columna. Fuente: Mands E.; Sanner B.

Pozos de tipo columna: El agua se bombea desde el fondo del pozo y, tras

abandonar la bomba de calor, se filtra a travs de la grava que rellena su anillo (Figura9.32). Los pozos de este tipo necesitan alcanzar cierta profundidad para que el aporte

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de energa sea suficiente para que el agua no se congele, de modo que, en la mayorade las instalaciones, las perforaciones tienen varios cientos de metros de profundidad.

Aguas de minas y tneles. El agua procedente de grandes obras de tunelacintiene una temperatura constante durante todo el ao y es fcilmente accesible. Estasaguas pueden alcanzar temperaturas de hasta 30 C.

Sistemas tierra-aire

Permiten el pretratamiento del aire de renovacin del sistema de ventilacin deun edificio, mediante su circulacin por un conjunto de tuberas enterradas losdenominados pozos provenzales o pozos canadienses, que permiten, con un mnimoconsumo, reducir el salto trmico existente entre el exterior y el interior del edificio. Elaire as pre-acondicionado se conduce al recuperador de calor y a las climatizadorasreduciendo la carga trmica de la ventilacin de manera notable.

9.4.3.2. Sistemas de almacenamiento subterrneo de energa trmica (UTES)

En estos sistemas, se almacena calor, fro o ambos bajo tierra. Los mtodos deconexin con el subsuelo incluyen, como en el caso de la bomba de calor geotrmica,sistemas abiertos (ATES) y sistemas cerrados (BTES) (Figura 9.33).

Almacenamiento en acuferos (ATES: Aquifer Thermal Energy Storage). Estossistemas, en los que el agua subterrnea es el medio de transporte del calor, secaracterizan por su alta porosidad, su media a baja conductividad y transmisividadhidrulicas y su reducido o nulo flujo de agua subterrnea. Son un ejemplo losacuferos porosos en arenas, gravas y eskers, y los acuferos fracturados en calizas,areniscas y rocas gneas o metamrficas.

Almacenamiento en perforaciones (BTES: Borehole Thermal Energy Storage).Los almacenes de este tipo incluyen perforaciones y tuberas, y requieren un terreno

con alto calor especfico, conductividad trmica media y ausencia de flujo de agua sub-terrnea. Sedimentos como esquistos, margas o arcillas; calizas, areniscas y otros;rocas gneas como granito o gabro, y algunas metamrficas como gneis, son ejemplosde estos sistemas de almacenamiento.

Figura 9.34. Sistemas de almacenamiento subterrneo del calor geotrmico. Fuente: Mands E.; Sanner B.

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