Energía geotérmica de bajaentalpía: situación actual

El rápido crecimiento económico de lasúltimas décadas ha propiciado una mejora de lascondiciones económicas de la población, quedemanda, cada vez más, confort tanto en suspuestos de trabajo como en sus viviendas. Elloha ocasionado un incremento de lasnecesidades energéticas para climatización deedificios urbanos e industriales. Además, seañade la problemática derivada del alza de losprecios de los combustibles fósiles y a lanecesidad de la reducción de emisiones dedióxido de carbono, en virtud de los tratadosinternacionales destinados a combatir elcambio climático.

Por ello, en los últimos años se ha realizadoun gran esfuerzo en los países desarrolladospara disminuir la dependencia energéticaexterior, que se ha traducido en un granavance de las energías alternativas tanto enimplantación de las mismas como eninvestigación. Por otro lado, se potencia

también que el consumo de energía sea lo máseficiente posible para así conseguir disminuir lademanda. El fin de dicho esfuerzo es disponerde unas fuentes de energía alternativa ysistemas de consumo más eficientes, capacesde reducir la dependencia energética exteriorasí como las emisiones de gases contaminantesy de efecto invernadero.

Entre las energías renovables minoritarias seencuentra la Energía Geotérmica, definidacomo la energía almacenada en forma de caloren el interior de la Tierra. La energía geotérmicase puede aprovechar de diversas maneras enfunción de las características del subsuelo.Así sepuede aprovechar el calor directamente paraobtener agua caliente, para generar energíaeléctrica, uso directo de aguas hidrotermales,etc. Como hemos dicho, dicha energía está enforma de calor, por lo cual podemos, en funciónde la temperatura del subsuelo (profundidad)clasificarla en cuatro categorías; muy bajatemperatura, baja temperatura, mediatemperatura y alta temperatura. Cada categoríaabre un amplio abanico de diversos usos.

Daniel Muñoz Sanz (Director Termoterra);Gonzalo Roberto Mayoral Fernández (Jefe de Grupo de Obras);María Aranzazu Cuesta García (Jefe de Proyecto).

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junio 2008

Termoterra: energíageotérmica de bajaentalpía en grandesproyectosActualmente, en España existe un gran interés por el uso de laenergía geotérmica con aplicaciones a la climatización.Aunquees una tecnología fuertemente desarrollada en otros paíseseuropeos y Norteamérica en nuestro país aun se encuentra enfase de desarrollo, siendo una energía renovable minoritaria. Enel presente artículo se describen las diferentes etapas necesariasllevadas a cabo por TERMOTERRA para el diseño y ejecuciónde grandes proyectos de aprovechamiento geotérmico

Dentro de la categoría de baja temperatura(<30ºC) o de “baja entalpía” se abre laposibilidad del uso del subsuelo como elementointercambiador de calor para climatización tantodoméstica como pública. Para ello, se requiere eluso de bombas de calor y tiene la ventaja de quese puede utilizar en prácticamente cualquierlugar, siempre que posea una conductividadtérmica apropiada.El intercambiador geotérmico,sistema que extrae o disipa calor en el subsuelo,puede tener diversas configuraciones, aunque elmás difundido por su mayor rendimiento yeficiencia es el consistente en una serie deperforaciones verticales. Este sistema permitecubrir las demandas de calefacción, refrigeracióny agua caliente sanitaria, según las necesidadestérmicas del edificio en cada momento del añocon una mayor eficiencia energética que otrossistemas convencionales.

Esta tecnología comenzó a utilizarse hace40 años, estando completamente desarrolladaen la actualidad. En Norteamérica y Europaestá muy difundida y países como Alemania,Suecia, Holanda, Suiza o Austria hanincrementado notablemente el número deinstalaciones de este tipo en los últimos añosmejorando su eficiencia energética gracias a lasventajas que presenta frente a las tecnologíasconvencionales y otras energías renovables. Dehecho, en Europa hay más de 800.000instalaciones en funcionamiento.

En España, es una tecnología recién llegadapero de la que se prevé un crecimientoexponencial en los próximos años.Concretamente, en los dos últimos años ennuestro país se ha generado un gran interés poresta tecnología tanto por el sector privadocomo por el público, produciéndose unimportante desarrollo de la misma.TERMOTERRA, líder en el mercado español, hallevado a cabo ya importantes obrasgeotérmicas de la que es especialista tanto en eldiseño como en la ejecución de instalacionesgeotérmicas “llave en mano”. El diseño y laejecución son dos factores determinantes parael correcto funcionamiento de una instalacióngeotérmica de gran tamaño.

Diseño de la instalacióngeotérmica de gran tamaño

Solemos definir una instalación geotérmicade gran tamaño como aquella destinada asuministrar más de 100 kW de potencia. En

una primera aproximación, estamos hablandode una instalación que solo es viable desde elpunto de vista técnico mediante unintercambiador, compuesto por sondeosverticales que para dicha potencia puedesumar más de 2.000 m de perforación (20sondeos de 100 m, por ejemplo).

Generalmente, estas instalacionescorresponden a edificios colectivos, tales comohospitales, edificios de oficinas, polideportivos,centros comerciales, centros educativos,edificios oficiales, etc.; así como instalacionesindustriales y urbanizaciones completas (bienbloques de pisos o bien de viviendasunifamiliares).

El primer paso para un correcto diseño delsistema debe ser la realización de un estudiode viabilidad. Para tal estudio resultaimprescindible disponer de datos energéticosdel edificio, es decir, el perfil de cargas ydemandas. Con dicha información y lascaracterísticas geológicas de la ubicación,TERMOTERRA determina el porcentaje dedemanda térmica a cubrir por el sistema, eldiseño del sistema geotérmico y su integraciónen el sistema de climatización del edificio asícomo el tiempo de amortización realresultante. También se obtiene informaciónmuy relevante como el ahorro energéticoderivado, la reducción de emisionescontaminantes, los trámites legales necesarioso las subvenciones disponibles.

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junio 2008

Equipo ERT realizando mediciones en obra

El siguiente paso consiste en la realización deun sondeo geotérmico piloto y sucorrespondiente ensayo de respuesta térmicoERT (también conocido como TRT - ThermalResponse Test). Durante el ensayo se produce lacirculación de un fluido portador de calor através de la sonda durante 48-72 horas y semonitoriza la temperatura de entrada y salida alsondeo. El ERT es un procedimientoexperimental que permite determinar “in situ”la conductividad térmica (λ) del subsuelo. Unacondición importante es que durante todo elperíodo del experimento la potencia deinyección de calor sea constante y conocida.Mencionar que el sondeo piloto se realiza en elfuturo campo de sondeos y se realiza con elmismo tipo de sonda, diámetro y relleno quelos sondeos constructivos, con lo cual seasegura un comportamiento igual al quetendrán los futuros sondeos.

Con los resultados obtenidos en el ensayo yel perfil de cargas y demandas de climatización,TERMOTERRA realiza una simulación ymodelización del sistema para dimensionar elproyecto. De esta forma, se optimiza al máximoel proyecto en función de las propiedades delterreno, evitando así tanto posiblessobredimensionamientos y extracostesinnecesarios como posibles pérdidas de

rendimiento por un comportamiento delterreno peor al supuesto inicialmente. Portanto, es de suma importancia la realización delERT y su correcta interpretación.

Una vez completadas todas las fasesanteriores se concreta el diseño final de lainstalación y, finalmente, la ejecucióngeotérmica completa.

Ejecución de la instalacióngeotérmica de gran tamaño

TERMOTERRA es especialista enperforación geotérmica y es capaz de integrartodos los mecanismos del sistema geotérmico.Utiliza materiales de alta calidad siguiendo lasnormas europeas existentes para una correctaejecución. TERMOTERRA es consciente de quesólo de esta manera se garantizarán sistemaseconómica y técnicamente satisfactorios sinfuturos efectos negativos sobre el medioambiente y un perfecto funcionamiento a lolargo del tiempo.

Una vez decidido el tamaño delintercambiador geotérmico (número desondeos, profundidad y espaciamiento), se debediseñar el campo de sondeos, teniendo encuenta los posibles obstáculos presentes en

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Sonda de perforación

dicho campo así como las interferencias conotros trabajos en caso de que se deba realizar elcapítulo de geotermia coincidiendo con otrasfases de la obra (tales como cimentaciones, etc.).

Para la ejecución de la perforación geotérmicavertical TERMOTERRA dispone de equipos deperforación diseñados específicamente parageotermia,permitiendo alcanzar profundidades dehasta 200 m en cualquier tipo de terreno. Paraello se utilizan las máquinas más modernas, concapacidad para perforación a rotopercusión osimple rotación tanto en forma hidráulica comoneumática, con o sin circulación de lodos. Elcambio de un modo a otro se puede realizarsobre la marcha de forma que la aparición de aguao un terreno difícil que implique dicho cambio, nosupone una paralización del sondeo. Su doblecabezal permite perforar simultáneamente conencamisado lo cual supone una reducción de lostiempos de perforación y un mayor rendimiento.De esta forma se puede afrontar cualquier tipo deterreno sin las limitaciones que otrasperforadoras, tales como las neumáticas, puedenllegar a tener y que en muchos casos obligarían auna menor profundidad de perforación o a uncoste extra para el cliente.

En cuanto a las sondas instaladas,TERMOTERRA utiliza sondas construidasespecíficamente para geotermia, según lasnormativas de los países europeos en las que sefabrican. Su instalación se realiza siguiendotambién la normativa europea y las indicacionesdel fabricante. De esta forma se garantiza uncorrecto intercambio energético y una larga vidaútil de los sondeos. En cuanto al relleno de losmismos, se suele realizar con una mezcla decemento-bentonita de alta conductividadtérmica especial para geotermia que tambiénviene preparada, con lo que se evita el riesgo deuna incorrecta mezcla por fallos en ladosificación de los componentes cuando serealiza in situ en obra.

Un factor que no es tenido en cuenta y quesupone muchas veces un sobrecoste para elpromotor, más elevado cuanto más importantees el proyecto,son una serie de medios auxiliares,tales como el suministro de agua y la gestión delodos. En los proyectos de TERMOTERRA sontenidos en cuenta en el diseño, los costes y laplanificación de la obra, dando recomendacionesal promotor para un abaratamiento de los costesque suponen o pudiendo también incluirse en lostrabajos a efectuar por TERMOTERRA.

Este factor es de suma importancia engrandes proyectos como hospitales, centroscomerciales, urbanizaciones, etc. donde unaplanificación de obra poco adecuada puedeinfluir negativamente tanto en los plazos comoen los costes de ejecución.

Una vez realizadas las perforaciones seprocede a la conexión de los mismos con loscolectores que han de unir el campo de sondeoscon la sala técnica. Para dicha conexión serealizan una serie de zanjas que unen los sondeosindividuales con las arquetas de conexión. Dichasarquetas vienen ya prefabricadas en polietileno ya medida del proyecto en cuestión, cumpliendo lamisma normativa europea que las sondas. Dedichas arquetas salen los colectores principalesque unen ya el campo de sondeos con la salatécnica. La distribución de sondeos por arquetade conexión obedece también al diseño de la salatécnica, en función del número de bombas decalor y las diferentes potencias que puedantener.

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Disposición de trabajo del equipo de perforación

Arquetas ydistribuidores

Con esta operación, el intercambiadorgeotérmico queda completado. Recalcar que entodo el proceso se ha realizado un exhaustivocontrol de calidad, de forma que a cada sondase le hacen hasta 3 pruebas de presión con elfin de controlar que la instalación ha sidocorrecta y no existe ningún fallo.

Finalmente se realiza el montaje en la salatécnica. La sala técnica no es más que el lugaren el que se disponen las bombas de calorgeotérmicas y se conectan al intercambiadorgeotérmico. El diseño de la instalacióncontenida en dicha sala es muy importante, yaque de él depende que se pueda obtener elmáximo rendimiento del campo de sondeos. Elnúmero y potencia de las bombas de calor ainstalar depende no únicamente de la potenciatotal a suministrar, si no también de lageometría del edificio a climatizar y del modode funcionamiento de dicha climatización. Así,por ejemplo, si el edificio tiene dos alasdiferenciadas con distintas necesidades declimatización, es lógico que cada una tenga una

bomba de calor independiente para ellaconectada a una parte del campo geotérmicoy de una potencia acorde a las necesidades dedicho ala. De esta forma se podría realizarsimultaneidad en la climatización. Del diseñode la sala técnica también depende laposibilidad de disponer de:

1) Calefacción activa, o uso de la bomba decalor para calefacción.

2) Refrigeración activa, o uso de la bomba decalor para refrigeración.

3) Refrigeración pasiva, o uso directo del fluidoproveniente del intercambiador pararefrigeración sin necesidad de uso de labomba de calor (free cooling).

4) Carga como fuente, o uso del sistema paraintercambios térmicos entre diferentespartes del edificio.

Además de las cuatro formas de trabajoindicadas, se puede realizar un estudio másamplio que permita combinar la energíageotérmica con otros sistemas tales como laenergía solar térmica y compatibilidad condiseños ecoeficientes, o bien elaprovechamiento de sinergias con edificacionesadyacentes que permita cubrir las necesidadesde climatización de terceros obteniendo comobeneficio un mejor rendimiento del sistema y unalargamiento de la vida útil técnica del mismo.

Una vez finalizado el montaje de todo elsistema y conectado al sistema declimatización, se procede a las pruebas finalesy la puesta en marcha a cargo de técnicosespecializados de TERMOTERRA.

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Colectoreshorizontales entre

el campo desondeos y

distribuidores

3 equipos de perforación trabajando simultáneamente

En todas las actividades del proyecto descritas, eintegradas con ellas, se efectúa una escrupulosaobservación de las normas de seguridad y salud en eltrabajo así como de la gestión de residuos y respeto almedioambiente y de directrices para asegurar lacalidad total.

ConclusionesComo resumen, los pasos que sigue TERMOTERRA para

el diseño e instalación de un sistema de aprovechamientogeotérmico “llave en mano” constan de las siguientes fases:

Fase 1. Diseño.nn

Pre-diseño del sistema geotérmico en función de las nece-sidades de climatización y de las características del sub-suelo. Opcionalmente estudio de sinergias con terceros.

nn

Ejecución de sondeo piloto y ERT.nn

Simulación y diseño definitivo del sistema geotérmico:sondeos, conexiones horizontales y sala técnica.

Fase 2. Ejecución del intercambiadorgeotérmico.nn

Decisión del tipo y nº de equipos de perforación.nn

Planificación de la perforación.nn

Planificación conexiones horizontales (colectores y dis-tribuidores).

nn

Establecimiento de necesidades de suministro de mate-riales y consumos y organización de suministros.

nn

Adecuación del espacio de trabajo.nn

Ejecución de sondeos.

Fase 3. Montaje de la sala técnica.nn

Planificación de la sala técnica (bomba de calor, válvulasde regulación y de seguridad, tanques de inercia, etc.).

nn

Montaje de la sala técnica.

Fase 4. Puesta en marcha.nn

Comprobaciones y chequeos finales.nn

Puesta en marcha.nn

Elaboración de manual de procesos.

En resumen, TERMOTERRA es consciente de que paragarantizar un sistema de aprovechamiento geotérmicoeficaz a sus clientes, siguiendo criterios de ahorro yeficiencia energética, es necesario llevar a cabo todas lasfases del proyecto geotérmico, desde el prediseño,pasando por el estudio de viabilidad y el ensayo derespuesta térmico, hasta el diseño final de la instalación ysu construcción. Con ello se evitan divergencias entrediseño teórico/realidad técnica, o entre el sistema deintercambio geotérmico y la sala técnica que podrían darlugar a pérdida de eficiencia y merma del rendimiento.También se evitan incrementos notables de costes yplazos de ejecución.

www.termoterra.es nn