Luis de Pereda Fernández. Arquitecto. Director de Proyectos. ENERES Sistemas Energéticos SosteniblesManuel Mallo Sanz. Arquitecto, Director de Eficiencia Energética. ENERES Sistemas Energéticos Sostenibles

Hacia una nueva visión delecosistema energético.Concepto integral de lossistemas energéticos urbanos

El campo de desarrollo de iniciativas en prode la sostenibilidad y la eficiencia energética escada vez más amplio y los frentes de actuaciónse van multiplicando a medida que nuestrasociedad va asimilando la experiencia, losaciertos y errores, de las acciones que en cada

capítulo de la recién iniciada lucha por larecuperación del equilibrio ambiental, vamosacometiendo.

Nuestro método científico propicia ladisección del problema y su desintegración encampos de especialización. La dinámica denuestro sistema económico, según la cual elcrecimiento es proporcional al consumo,propicia la rápida explotación de los nichos demercado, el rendimiento inmediato y loscompartimentos estancos en las unidades de

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Aprovechamientogeotérmico de la energíaresidual de los sistemasde infraestructurasurbanas subterráneas. El caso del Metro de Madrid

Las infraestructuras urbanas subterráneas integradas en las redes energéticas actúan comosistemas de generación distribuida, almacenamiento y consumo interactuando con otrossistemas de la red.

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negocio. El tiempo en nuestro sistema políticoexige el lanzamiento de iniciativas de acciónrápida y resultados evidentes.

En los últimos años, a cada empujón dado ala implementación de políticas energéticas parala sostenibilidad ha seguido una fase críticasobre los resultados y un proceso correctivo.Por el camino han quedado una buena cantidadde recursos aportados por el conjunto de losciudadanos para la implementación de políticasy la creación de estructuras e infraestructurasbásicas, que en términos generales han sidoexplotadas en beneficio del colectivo perotambién, y a veces más de lo que hubiese sidodeseable, de intereses particulares.

Nos encontramos ahora en una de esasencrucijadas críticas. Tras haber invertidoimportantes recursos en el área la generacióneficiente de la energía, es en este momentocuando se evidencian las debilidades de unmodelo centralizado de producción, de unsistema unidireccional ineficiente dedistribución, y de un concepto global que dejaen un plano secundario la parte esencial de lasolución, la reducción de la demanda energética.

Si damos unos cuantos pasos atrásdejaremos de ver la piel de los árboles paravolver a ver los árboles y el bosque, yrecuperaremos la perspectiva global delproblema. El contexto de nuestro estudio aescala urbana es el de un ecosistema-energéticoque pretendemos dotar de equilibrio ysostenibilidad.

Nos referimos a una comunidad energética aescala urbana y a los factores físicos queconfiguran su entorno, a los procesos derelación entre los distintos componentes delsistema energético, y a las transformaciones ylos ciclos de la energía, que son los elementos ylos procesos que determinan el campo delecosistema energético. La interacción entretodos los organismos del sistema y la que tienencon el medio en el que se desarrollan, y elestudio de sostenibilidad y eficiencia energéticase debe desarrollar a nivel individual, a nivel dela población, a nivel de la comunidad y a niveldel ecosistema energético.

Los estudios a escala urbana examinan cómolos distintos tipos de agentes y estructurasenergéticas interaccionan como consumidoreso generadores de recursos o como

competidores con las mismas necesidades ysobre recursos comunes. La visión del sistemaenergético como un ecosistema nos permitever como se comporta en conjunto. En lugar decentrarnos en el estudio de los casosparticulares vamos a ver los aspectos operativosmás importantes del sistema, por ejemplo lacantidad de energía que se produce e introducedentro del sistema, cómo fluye la energía en losdistintos escalones en la cadena “alimenticia” delconsumo energético, o los factores quedeterminan la tasa de desperdicio energético ola tasa de reutilización de la energía residualdentro del sistema.

En este contexto se está planteando, y, a nivelinicial, produciendo, una transformación delsistema, de los medios de generación yproducción de energía y sobre todo de las redesestructurales de distribución y gestión, que vana permitir integrar dispositivos distribuidos degeneración, consumo y almacenamiento eimplementar procesos “inteligentes” demedición , control, gestión e interacción en yentre los distintos componentes del ecosistemaenergético, y con otros ecosistemas energéticoseficientes.

La integración de los dispositivos distribuidosde generación y microgeneración de energía yde los dispositivos de almacenamiento en unared distribuida e integrada, permite desarrollarprocesos homeostáticos para el equilibrioconstante del ecosistema energético y procesossimbióticos para la interacción entresubsistemas mediante la transferencia deenergías que en un subsistema son residuales yen otro pueden ser primarias; y el retornoenergético o económico.

En la gestión eficiente de la producción y elconsumo de energías de fuentes renovablessolar o geotérmico, energías residuales, yenergías de generación y microgeneracióndistribuida, cobran especial importancia comocomponentes de la red los dispositivos quepermiten la acumulación, el almacenamiento y eluso de energías de media y baja potencia.

El intercambio geotérmico permite lautilización inercial del terreno y de la masaconstruida de los edificios y las infraestructuras,para la acumulación de grandes cantidades deenergía térmica con potencias bajas y bandasmoderadas de temperatura, es por tanto unmedio para acumular la energía térmica

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generada y a menudo considerada residual, porsistemas industriales e infraestructuras urbanasy propiciar su reutilización con costes muybajos, y ciclo de vida muy largo. La acumulaciónde energía térmica en el terreno se puedetambién aplicar a sistemas integrados ydistribuidos de captación solar térmica.

La geotermia es también un medio degeneración distribuida de energía térmica, yasociado a la utilización de la bomba de calorgeotérmica con captación abierta o en circuitocerrado de captación, permite la extracción y elintercambio de energía de fuentes renovables ytambién el aprovechamiento de energías“residuales” de distintas fuentes.

Infraestructuras urbanas ysistemas subterráneoshabitados. Geotermia en lageneración y almacenamientode energía

Nuestras ciudades disponen de numerosas yextensas redes y sistemas de infraestructurasque interaccionan con el medio generando,captando y canalizando campos energéticos dedistintos tipos. Entre ellas hay un buen númerode redes y sistemas de infraestructurassubterráneas : aparcamientos, sótanos, galeríasde circulación, galerías de servicios, grandesgalerías de saneamiento urbano,infraestructuras completas como el Metro,túneles de circulación de vehículos, redesenterradas de distribución de agua y un largoetcétera que se encuentran enterradas y encontacto directo con el terreno.

Precisamente éste contacto directo brinda atodas estas infraestructuras la capacidad deintercambiar térmicamente con el terreno, yactuar como:

�Captadores de la energía geotérmica queen ingentes cantidades nos rodea y queproviene en su mayor medida de laradiación solar que impacta la superficieterrestre, y en menor cuantía del interiorde la tierra, y de sus profundos procesosnucleares, y que se concreta en el hechode que ya a muy poca profundidad, latemperatura en reposo del terreno esprácticamente constante, e independientede la temperatura exterior, y coincideprácticamente con la media anual del lugar.

�Intercambiadores para acumular oabsorber del terreno la energíaprocedente o destinada a las propiasinfraestructuras enterradas o a otrosmedios con los que interactúan.

�Acumuladores para el intercambioestacional de energía o para absorber eldesfase entre los periodos de generacióny los periodos de consumo de energía delas propias infraestructuras enterradas ode otros medios con los que interactúan.

Para el aprovechamiento del potencialgeotérmico de todos estos sistemas enterradoshay numerosos procedimientos, según sea eluso que se le va a dar a la energía extraída oinyectada al terreno.

Algunos de estos sistemas deinfraestructuras subterráneas son redes deconductos por los que circulan fluidos queintercambian directamente energía con elterreno, pero el caso que vamos a exponerpertenece a la amplia familia de las estructurassubterráneas habitables, construidas con obrade fábrica u hormigón de elevada conductividadtérmica, que pueden ser termo activadas parasu uso como intercambiador, incorporandocircuitos de transferencia de energía que llevanen su interior un fluido caloportador, es laforma más usada, aunque existen otros mediosde realizar la transferencia energética, como elaprovechamiento de la energía de las aguas deinfiltración de túneles, el intercambio abiertocon capas freáticas presentes, o el intercambiotierra-aire en instalaciones para pretratar el airede renovación de los edificios.

Los elementos termoactivables de captacióngeotérmica usados por Eneres-Enercret vandesde las pantallas discontinuas de pilotes, losmuros pantalla, losas de cimentación

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Recursos subterráneos en la ciudad

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termoactivadas, pilotes, dovelas de túnelestermoactivadas, recubrimiento termoactivointerior de túneles, intercambiadores verticalesy horizontales, anclajes intercambiadores, etc.Con ellos es posible construir un nuevo túnel oedificio enterrado , dotado ya desde el origen delos dispositivos que le permite actuar comointercambiador, o termoactivar construccionesexistentes para realizar la misma función.

La transferencia de energía desde lainfraestructura que intercambia energía con elterreno, al ámbito y sistema donde se va aaprovechar dicha energía (edificio,infraestructura, industria, dotaciones, espaciosexteriores acondicionados térmicamente, etc.),se realiza por la mediación de una bomba decalor agua-agua que mueve la energía entre losdos focos de calor, con un consumo de energíaeléctrica. Cuanto menor sea el salto térmicoentre el medio servidor y el servido por elintercambio energético, menor será la cantidadde energía eléctrica que consumirá la bomba decalor geotérmica para hacer su trabajo. Lacuidada elección de los rangos de temperaturasoperacionales es de gran importancia paraejecutar sistemas eficientes, con coeficientes derendimiento (COPs) globales anuales superioresa 4. El manejar acertadamente las situacionesenergéticas de baja exergía que en la mayoría delos casos se producen, es esencial para lograrque las instalaciones geotérmicas logren elequilibrio y la coherencia óptimos, además de laoptimización en costes y la máxima eficiencia.

La correcta elección del rango detemperaturas y los sistemas de transferenciaenergética en los circuitos primarios ysecundarios, puede posibilitar en determinadosmomentos del año, que la transferencia deenergía se produzca sin la intervención de labomba geotérmica, funcionando por librecirculación del fluido, con un gasto de energíavirtualmente nulo, y un COP muy elevado,cercano a 50.

En el aprovechamiento energético paraclimatizar edificios, infraestructuras o espacios,el mejor rendimiento global se consiguenuevamente con sistemas que trabajen a lamenor temperatura posible en invierno y a lamayor en verano, con sistemas de baja exergía y,por tanto, gran superficie, como los forjados yestructuras termoactivos, que aprovechan lagran inercia térmica que poseen las estructurashorizontales en los edificios, consiguiendouniformizar las temperaturas interiores a lo

largo de todo el año, y dotándoles de un granconfort radiante.

En función de las necesidades energéticas deledificio a climatizar a lo largo de todo el año, elterreno se utiliza como equilibrador energéticoanual, es decir, gracias a las característicasgeológicas, geotécnicas, mecánicas, físicas yquímicas del terreno, éste tiene uncomportamiento cuantificable en numerososcoeficientes que definen su comportamiento yque se utilizan para las simulaciones, como suconductividad térmica, capacidad térmica,difusividad, inercia, etc., orientados a conocer lascapacidades del terreno para conducir laenergía, y conocer de qué manera y a quévelocidad se mueve ésta en forma de calor a sutravés.

Siempre que las características del terreno lopermitan, en invierno almacenamos frío en elterreno para utilizarlo en verano, y en veranorecargamos de calor el suelo para utilizarlo eninvierno. Con el conocimiento tanto de lasnecesidades energéticas del edificio como de lascaracterísticas del suelo, verificamos a través dela simulación del comportamiento del sistemade intercambio, extendida a cincuenta años desu ciclo de vida, que el terreno alcanza unequilibrio cierto, y que éste se mantiene en eltiempo, como exigen las Normativas Europeasmás avanzadas. El no hacerlo así, comprometeseriamente la estabilidad funcional, elrendimiento y la eficiencia, de la instalación deintercambio.

La superficie de un aparcamiento bajorasante en contacto con el terreno,termoactivada para trabajar comointercambiador y extraer energía paraclimatizar el edificio que tiene encima, lossótanos de los edificios que intercambianenergía con el terreno, las galerías subterráneasque permiten pretratar aire al hacerlo circulara su través, las cimentaciones termoactivas y loscampos de intercambiadores verticalesaplicados climatizar edificios o para aportarenergía a procesos industriales, las losas decimentación como intercambiadoresenergéticos, los colectores de la red desaneamiento o la red de distribución de aguas,son todos elementos en contacto con elterreno y pasivos, es decir la cantidad y calidadde la energía que se puede sacar de ellosresponde exclusivamente a su capacidad deintercambio con el terreno.

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Aprovechamiento y gestión deenergías residuales desupersistemas deinfraestructuras enterradas

También existen infraestructuras queademás generan como elemento residualenormes cantidades de energía en forma decalor, que en términos generales sonconsideradas como un residuo noaprovechable, se ignora su potencial deutilización y si generan efectos molestosindeseables se eliminan .

Las redes de saneamiento urbano son unejemplo de sistemas donde sobra calor eninvierno y actualmente no se aprovecha, aunquesería sencillo hacerlo. En la mente de todos estáel vapor saliendo por imbornales y tapas dealcantarillas en invierno. Más de una decena deproyectos construidos en Europa permitido

comprobar la efectividad del intercambio con lared de saneamiento como fuente energéticapara la climatización de edificios.

Un caso ejemplar ejemplo de infraestructuraque genera un valioso caudal energético a bajatemperatura, y lo trata como un como residuo,es la red del Metro.

El conjunto de túneles de la red de Metroconstituye un gigantesco intercambiadorgeotérmico, la introducción de enormescantidades de energía eléctrica para laalimentación de trenes y maquinaria generadentro de este intercambiador y de lasestaciones enormes cantidades de energíatérmica que se considera un residuo, se extraey se expulsa de la infraestructura para disiparlaen la atmósfera, en el medio.

En España, la termoactivación de túneles esuna actividad no desarrollada niexperimentada, no así en centro Europa, dondenuestra empresa, ENERES / ENERCRET haparticipado en importantes proyectos y obraspara la termoactivación de túneles ferroviariosy de metro con el objetivo doble de transferiral terreno y almacenar la carga térmicaindeseable en las instalaciones subterráneas, ypara proveer de energía térmica a edificios eindustrias cercanas.

En Suiza se está aprovechando la energíaintercambiada por varios túneles de vehículospara climatizar sus edificios de control ymantenimiento, así como para calefactar la capade rodadura de las carreteras en los accesos alos túneles, garantizando un deshielo total deéstas y la seguridad de los usuarios.

Casos como el túnel Lainzer en Viena, dondehemos termoactivado las pantallas de pilotes paraobtener la energía que se aporta a un edficoescolar y un complejo industrial, muros pantallade hormigón armado, y pantallas de pilotes, ocomo la línea U2 del metro de Viena, donde

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Aprovechamiento de la energía de la red desaneamiento urbano para la climatización deedificios. Fuente: Suez.

Lainzer Tunel. Viena.Tunel termoactivo paraintercambiogeotérmico con bombade calor.

Fuente Enercret.

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nuestra empresa ha realizado la termoactivaciónde muros pantalla así como losas de cimentaciónpara climatizar los andenes y dependencias encuatro estaciones, representando la primeraaplicación a escala completa de la tecnología determoactivación en la ingeniería ferroviariamundial, o las obras de ampliación del Metro deStuttgart donde en túneles de nueva construcciónse ha construido con dovelas prefabricadasdotadas de circuitos y conectores embebidos,para el intercambio geotérmico en tramosdiscontinuos del túnel. Todos ellos son ejemplos,en la punta de la innovación, del estado actual deesta técnica, en países de nuestro entorno, dondese considera prioritario el aprovechamiento delenorme potencial energético, térmico, queofrecen las infraestructuras enterradas deinstalaciones y transporte.

El caso del Metro de Madrid

Un caso parecido que hemos analizado ysobre el que proponemos aplicar estas técnicas,innovar y desarrollar modelos de actuación enEspaña es el del Metro de Madrid, que en el mesde agosto de 2007 contaba con unainfraestructura enterrada compuesta por 293estaciones y un total de 287 Km de túneles.

Ya sólo desde un punto de vista pasivo, setrata de un intercambiador geotérmicogigantesco, con un tamaño tal, que si setermoactivara la totalidad de la superficie de sustúneles, con un estimado de potencia deintercambio a razón de 20 a 25 w/m2, lapotencia conjunta del intercambiador estaría entorno a los 187Mw. En términos energéticos

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Pantallas y losas termoactivas en cuatro estaciones de la línea U2 del metro de Viena, aplicadas ala calefacción y la refrigeración de las zonas públicas.

La estructura subterraneadel Metro de Madrid. 287km de túneles, 293estaciones.

Un gigantescointercambiador geotérmico.Metro de Madrid.

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estaríamos hablando de la producción confuentes renovables de aproximadamente1.638.120 Mwh año. Esta aproximación,conceptual, nos ilustra sobre el enormepotencial energético de esta infraestructura.

Metro de Madrid no opera con su redenterrada como intercambiador pasivo paratransferir o aprovechar la energía geotérmica, yademás inyecta cada año en su interioralrededor de 711.000 Mwh de energía eléctrica,de la cual corresponden a electricidadconsumida por los trenes, motores, frenos, etc..aproximadamente un 80%, unos 616.000 Mwhaño; de ésta energía el 70%, unos 431.000 Mwhaño, se transforman en calor, disipado en losprocesos de arranque y las paradas de lostrenes.

Este calor disipado en arranques y paradas,se genera prácticamente en su totalidad en lasestaciones o su entorno inmediato, por lo quesi no se controla, se extiende y reparte por losespacios de las estaciones, y luego es difícil ycostoso eliminarlo con los sistemas deventilación y refrigeración. Si, como se harealizado ya en algunas líneas de metro en elextranjero, se confinan los trenes en zonas deembarque delimitadas mediante mamparas, sepuede fácilmente confinar, extraer y evacuar elaire caliente en el punto y la zona de generacióndel calor y canalizar, y por tanto dirigir yaprovechar este gran flujo de energía, de unaforma relativamente sencilla conduciéndolohacia intercambiadores térmicos para ceder el

calor a un fluido, o utilizar el calor del aireevacuado directamente.

En el Metro de Madrid, estimamos que deestas cantidades, son fácilmente recuperablesen andenes el 50% de los 431.000 Mwh año, esdecir 215.000 Mwh año y en los túneles el 25%de 616.000 Mwh año, que son 154.000 Mwhaño, que totalizan un total recperado deaproximadamente 369.000 Mwh año. Elextenso trazado de la red de Metro permitiríala dotación con cientos de puntos deintercambio y almacenamiento de energía ara elabastecimiento a baja temperatura de losedificios, espacios e infraestructuras públicas desu entorno.

En lo que se refiere a la técnica derecuperación de la energía de los túneles, Hayvarias posibilidades de actuación :

�La primera es realizar un simpleintercambio térmico con el aire contenidoen los túneles para extraerle su calorantes de evacuarlo al exterior, y este calor,o bien cedido al aire o bien a un fluidocaloportador, llevarlo hasta un punto deutilización.

�Otra manera de aprovechar la energíacontenida en los túneles es utilizardovelas de hormigón prefabricado dotadasde circuitos de intercambio embebidos,para una vez construido el túnel, poderrealizar un intercambio geotérmico con latotalidad de su superficie. Esteintercambiador puede valer pararefrigerar o calefactar un edificio, unespacio público, o a una industria que lonecesite, y puede utilizarse comoacumulador interestacional de energía si lageología del terreno lo permite. Estasolución se practica en túneles de nuevaconstrucción, y es la que se ha empleado,por ejemplo, en los túneles de laampliación de la red de metro deStuttgart. Las dovelas se prefabrican conun intercambiador en su interior, y segúnse colocan, se van uniendo los diferentescircuitos con manguitos para llevarloshasta los colectores principales de lasbombas geotérmicas.

�El tercer método de intercambio estáespecialmente diseñado para activar parasu utilización térmica, termoactivar,

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El equema de la instalación de renovación deaire del Metro de Madrid. Un sistema ligado ala consideración residual de la energíatérmica generada por los sistemas mecánicos,a la extracción y disipación del calor en laatmosfera y al progresivo recalentamiento dela infraestructura enterrada.

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túneles ya construidos. Se fundamenta enla colocación de la red de conductos porlos que circula el fluido de intercambio,integrada en una base geotextil que esfijada a las paredes y la bóveda del túnelpor medios mecánicos, y recubierta de unaserie de capas con el objetivo de fijar el

revestimiento y aislarlo para evitarpérdidas de energía.. En función de losmateriales de construcción de la bóveda,esta solución puede ser prácticamenteequivalente a la de las dovelastermoactivadas, según sea la conductividadtérmica de los elementos constructivos

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Construcción de un túnel con dovelas prefabricadas termoactivas para el intercambio geotérmico.Ampliación de la red de metro de Stuttgart. Zublin / Rehau.

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empleados. Esta solución se puedecomplementar con la colocación deanclajes termoactivados perforados deforma radial al túnel, que cumplen con ladoble función de anclaje estructural eintercambiador térmico.

Si al aprovechamiento de la red de túneles deMetro de Madrid como intercambiador pasivo(1.638.120 Mwh año), le sumamos el potencialaprovechamiento de la energía térmica que se

produce en la instalación podríamos extraer deesta infraestructura enterrada unos 2.409.120Mwh año, el equivalente a casi el 20% del totalde consumo anual de la Comunidad de Madrid.

A día de hoy, un gran porcentaje de los711.000 Mwh de energía consumidos año, seintentan disipar al exterior en forma dedesecho y como calor residual, sin ningúnaprovechamiento. El tanto por ciento restantese queda dentro de la instalación, elevando sutemperatura de forma apreciable e

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Termoactivación de túneles existentes mediante el trasdosado multicapa concircuitos de intercambio sobre base geotextil y aislamiento.

Sistema integrado de intercambio termoactivo formado por un túnel termoactivado y anclajestermoactivos, para la captación y el intercambio geotérmico y losas termoactivas para laclimatización de los andenes.

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incrementándola sostenidamente en el tiempo.De este modo toda la red se va calentandogradualmente y progresivamente es necesariogastar más energía en refrigerar la yatérmicamente saturada infraestructura ymantener las condiciones de confort yoperatividad .

Si se extrajera energía de forma constante delos túneles y andenes, se conseguiría, por unlado aprovecharla en vez de desecharla, y porotro lado disminuir las necesidades derefrigeración, que tras muchos añosalmacenando calor en su interior, empiezan aser preocupantes.

El calor residual debe ser extraído para suutilización en otro medio, y transformar elcírculo vicioso actual de desperdicio ysobrecalentamiento, en un ciclo virtuoso deaprovechamiento y eficiencia energética.

Por lo tanto, para acabar con los efectos delproblema, que es el aumento progresivo detemperatura de la instalación, es mejor acabarcon el problema, que es el exceso de energíaalmacenada paulatinamente en el terreno. Noes el mejor sistema deshacerse parcialmente delcalor, ventilando, sino extraerlo eficientementepara poderlo utilizar en otro lugar. Si sólo serecuperaran los 369.000 Mwh año mencionadoscon anterioridad, además los gastos en consumode electricidad se reducirían un 47%.

El Metro de Madrid es por tanto unainfraestructura urbana enterrada con un

enorme potencial para insertarse en el unecosistema energético sostenible como soportede una multitud de puntos de generación,intercambio y almacenamiento de energíatérmica procedente del intercambiogeotérmico y el aprovechamiento de su propiaenergía residual. La tecnología y las técnicas parala implementación de los dispositivos deintercambio y aprovechamiento energéticoestán ya desarrolladas y ampliamente probadasen países de nuestro entorno. Los puntos deaplicación y consumo de la energía que podríagenerarse en la aplicación de este concepto soncientos de edificios y espacios que rodean a lapropia infraestructura enterrada y demandanenergía que hoy se produce básicamentemediante combustibles fósiles. Finalmente, laextracción y canalización de la energía dentrode la red de túneles y estaciones de Metro parasu consumo fuera de ella hace mucho máseficiente sus procesos de climatización yacondicionamiento ambiental en términos deconsumo energético y de confort.

El caso del Metro de Madrid es un modelodel tipo de actuación sobre una súperinfraestructura urbana de gestión pública, dondeuna visión amplia e integrada del ecosistemaenergético urbano, y una gestión integral ydecidida de las estrategias energéticaspermitirán propiciar el flujo natural einteractivo de energías entre los distintossistemas que configuran nuestro medio urbano,reducir el consumo y la demanda de energía, yrestaurar el equilibrio medioambiental.

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