La Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas de la Universidad Pontificia Comillas tiene la vocación de servir al debate y la reflexión acerca del problema de las fuentes de energía, el abastecimiento energético y su sostenibilidad en el medio y largo plazo, junto con la contribución que a la resolución de estos problemas brindan las Nuevas Tecnologías Energéticas reduciendo las emisiones inherentes a las transformaciones energéticas e incrementando la eficiencia de tales transformaciones, redundando así en un menor consumo de recursos. Así, la creación de una serie de monografías desarrolladas a partir de la Jornada Anual que desarrolla la Cátedra ofrece un material de excepcional importancia para tener una visión del estado del arte de las tecnologías energéticas más relevantes del momento, como punto de partida para el debate y la reflexión.
Beatriz Yolanda Moratilla Soria
Autores:
Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas
Este volumen, Energía geotérmica: análisis y prospectiva es el noveno de la serie Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas que pretende ser una de las respuestas que tanto desde la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas como desde la Asociación de Ingenieros del ICAI se plantean a la problemática descrita.
Coordinadora:
Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Desde la Asociación de Ingenieros del ICAI se lleva trabajando varios años en la publicación de monografías, incluidas en la colección Avances de Ingeniería, que contribuyan a diseminar los avances que en diversos terrenos de la Ingeniería se vienen produciendo, ayudando así a la formación permanente de profesionales que de esta manera se mantienen al día en la vanguardia tecnológica.
Javier Urchueguía Schölzel Celestino García de la Noceda Carmen López Ocón Juan Pedro Luna González Margarita de Gregorio José Ignacio Linares Hurtado Marcel Hendriks José Sánchez Guzmán Raúl Hidalgo Rui Pedro Martins Cabeca Juan Torre Miguel Zamora Juan Antonio de Isabel Juan Pablo Mariño Iñigo Arrizabalaga
Editan:
Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI
C O L E C C I Ó N :
Editan:
Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI
Patrocina la Cátedra:
D E
I N G E N I E R Í A
Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas
9
Energía geotérmica: análisis y prospectiva
COLECCIÓN: AVANCES DE INGENIERÍA
9
A V A N C E S
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Edita: © Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI Reina, 33. 28004 Madrid www.icai.es © Universidad Pontificia Comillas Alberto Aguilera, 23. 28015 Madrid www.upcomillas.es Sólo se permite la reproducción parcial de este libro, y con la condición de que se indique de forma precisa la fuente original.
ISBN: 978-84-938762-1-0 Depósito Legal: M-12685-2012
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Energía geotérmica: análisis y prospectiva Colección: Avances de I ngeniería Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas
9 Editan:
Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI
Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas Escuela Técnica Superior de Ingeniería (ICAI)
Coordinadora: Beatriz Yolanda Moratilla Soria
Autores: Javier Urchueguía Schölzel–Celestino García de la Noceda–Carmen López Ocón–Juan Pedro Luna González– Margarita de Gregorio–José Ignacio Linares Hurtado–Marcel Hendriks–José Sánchez Guzmán–Raúl Hidalgo– Rui Pedro Martins Cabeca–Juan Torre–Miguel Zamora–Juan Antonio de Isabel–Juan Pablo Mariño– Iñigo Arrizabalaga
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI y la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas de la Universidad Pontificia Comillas quieren agradecer su colaboración a las siguientes empresas e instituciones:
El Patrocinador de la Cátedra:
Patrocinaron la Jornada:
Colegio Nacional de Ingenieros del ICAI
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Índice Prólogo …
………………………………………………………………………………………………………… 9
Capítulo I: Introducción a la geotermia • Geotermia para la edificación Javier Urchueguía Schölzel (UPV) …
………………………………………………………………………
13
• Potencial geotérmico español
Celestino García de la Noceda (IGME)……………………………………………………………………… 19
Capítulo II: La geotermia en España • La geotermia en el contexto español
Carmen López Ocón (IDAE)…………………………………………………………………………………… 29
• Novedades y retos de la energía geotérmica en España
Juan Pedro Luna González (Comunidad de Madrid)… …………………………………………………… 35
• La geotermia en España
Margarita de Gregorio (APPA) … …………………………………………………………………………… 41
Capítulo III: Geotermia de entalpía intermedia • Generación eléctrica a partir de recursos de media entalpía. Ciclos binarios José Ignacio Linares Hurtado (Universidad Pontificia de Comillas) …
…………………………………
49
• Geotermia somera. Aplicaciones prácticas
Marcel Hendriks (Iftec GeoEnergía) ………………………………………………………………………… 61
• Yacimientos de media entalpía y sistemas geotérmicos estimulados José Sánchez Guzmán (Tecnologías y Recursos de la Tierra)…
…………………………………………
67
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Capítulo IV: Geotermia de alta entalpía • El desarrollo de la geotermia profunda en España: proyectos y oportunidades
Raúl Hidalgo (Petratherm) …………………………………………………………………………………… 79
• Aprovechamiento de recursos geotérmicos para producción de electricidad en las Azores
Rui Pedro Martins Cabeca (Sogeo)…………………………………………………………………………… 85
• Sondeos profundos
Juan Torre (Sondeos profundos)……………………………………………………………………………… 91
Capítulo V: Climatización de edificios • Bombas de calor geotérmicas y contribución de calor renovable
Miguel Zamora (CIATESA) …………………………………………………………………………………… 97
• Climatización de edificios. Técnicas de cimentación: pilotes geotérmicos
Juan Antonio de Isabel (Geoterm) … ……………………………………………………………………… 119
• Ejemplos prácticos de instalaciones geotérmicas: consumos y ahorros Juan Pablo Mariño (GIROD Geotermia)…
………………………………………………………………
123
• La energía geotérmica somera en la edificación
Iñigo Arrizabalaga (TELUR Geotermia y Agua S.A.) …………………………………………………… 127
Bibliografía ……………………………………………………………………………………………………… 135
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Prólogo La existencia de una energía barata y eficiente, basada en los combustibles fósiles, ha permitido un desarrollo económico constante durante las últimas décadas. Sin embargo, el actual modelo energético comienza a no ser sostenible. El mundo se enfrenta a una situación que no puede perdurar en el tiempo: en primer lugar, por la fuerte dependencia de fuentes energéticas finitas y, en segundo lugar, por los efectos adversos que producen en el medio ambiente. Los esfuerzos, por tanto, deben centrarse en mantener la capacidad de las necesidades futuras desarrollando nuevas formas energéticas que permitan la accesibilidad, disponibilidad y aceptabilidad de la energía, es decir, garantizar el suministro energético compatible con el respeto al medio ambiente. Es en este contexto donde la energía geotérmica aparece como una tecnología no suficientemente conocida que puede jugar un papel relevante en cuanto a su impacto en la mejora del suministro energético actual. La energía geotérmica es la energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie sólida de la Tierra. Esta energía existe desde la formación del planeta, hace unos 4.500 millones de años, y está atrapada en su interior desde que se endureció la corteza terrestre hace unos 3.800 millones de años. Ese calor, más el que se genera como consecuencia de los fenómenos térmicos que se producen en el interior de la Tierra y el que se produce por la desintegración de los isótopos radiactivos que contienen las rocas, origina un flujo de calor hacia la superficie, donde se suma al que, procedente de la radiación solar, del viento y del agua de lluvia, ha penetrado en el suelo a poca profundidad, y juntos son irradiados a la atmósfera. Hoy en día se puede decir que la geotermia tiene dos grandes grupos de aplicaciones o fines: térmicos y eléctricos. Las aplicaciones térmicas más importantes están relacionadas con el uso en balnearios, la producción de agua caliente sanitaria y otros muchos usos en agricultura, mediante la utilización de las aguas calientes de acuíferos en invernaderos, en acuicultura o en instalaciones industriales. Por otro lado, las aplicaciones eléctricas se vienen empleando desde principios del siglo pasado mediante técnicas de vapor seco, agua a alta temperatura o centrales de ciclo binario. Más recientemente, está adquiriendo un gran interés la investigación 9
INDICE
de los yacimientos de rocas calientes secas, técnica integrada dentro de los denominados Sistemas Geotérmicos Estimulados (EGS). En lo referente a la denominada geotermia superficial, en cualquier territorio emergido del planeta el subsuelo –a unos 15 m de profundidad– se encuentra a una temperatura constante todo el año, ligeramente superior a la temperatura media anual en superficie. El escaso y difuso calor que encierran suelos, rocas y aguas subterráneas, a poca profundidad, en cualquier país, puede aprovecharse para calefacción y refrigeración de edificios, y para producción de agua caliente sanitaria, empleando intercambiadores de calor subterráneos y bombas de calor conectadas al terreno, llamadas también bombas de calor geotérmicas que, a cambio de pequeños consumos de energía eléctrica necesaria para el funcionamiento del sistema, permiten captar ese calor difuso, concentrarlo y elevar su temperatura, proporcionando ahorros de energía térmica en hogares y edificios comerciales y públicos, que comparados con sistemas convencionales de gasoil, gas o electricidad para calefacción pueden representar entre un 30% y un 70%. Estos ahorros no son desdeñables si se considera que actualmente el mayor consumo energético en los hogares de nueva construcción en los países desarrollados se realiza para satisfacer necesidades de climatización (calor y refrigeración) y agua caliente sanitaria. Las ventajas que proporciona la energía geotérmica son tanto ambientales como económicas, por lo que es muy importante aumentar el nivel de conocimiento, así como ampliar sus aplicaciones actuales, sobre todo en climatización de edificios, tal como desde hace años se está haciendo en diferentes países europeos. La Comunidad de Madrid, consciente del reto que supone abordar un cambio estratégico en el modelo de abastecimiento de energía, está impulsando el uso de la energía geotérmica, llevando a cabo diversas actuaciones de divulgación, de formación y de promoción económica. Por todo ello aplaude la iniciativa de celebración de esta Jornada Técnica por la Universidad Pontificia de Comillas, felicitando de manera muy sincera a los organizadores de la misma por la calidad de los contenidos expuestos. Carlos López Jimeno Director General de Industria, Energía y Minas Consejería de Economía y Hacienda Comunidad de Madrid
INDICE
Capítulo I Introducción a la geotermia
1. Geotermia para la edificación Autor: Javier Urchueguía Schölzel Institución: UPV Cargo: Catedrático de Universidad del Departamento de Física Aplicada
2. Potencial geotérmico español Autor: Celestino García de la Noceda Institución: IGME Cargo: Dirección de Hidrogeología y Aguas Subterráneas
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia para la edificación Javier Urchueguía Schölzel – UPV
Panorama europeo y evolución en España Las diferentes vertientes de la geotermia Buscando dar una visión general de la situación de la energía geotérmica somera en Europa y en España, así como del estado actual de esta tecnología, podemos empezar definiendo sencillamente a la energía geotérmica como aquella energía almacenada en forma de calor bajo la superficie terrestre. Así, en principio, ya se acepta a nivel europeo como geotermia el aprovechamiento del terreno como un recurso térmico. La presente ponencia va a tratar de desvelar cómo la geotermia, una de las fuentes de energía renovable menos conocidas, posee al mismo tiempo un importante potencial para la generación de energía térmica y eléctrica. Estas posibilidades no se limitan, como comúnmente se cree, a zonas cuyas condiciones geológicas son especialmente favorables, sino que existen usos y tecnologías que permiten utilizar recursos geotérmicos a temperaturas notablemente inferiores a las que se precisaban años atrás, y que se hallan presentes en amplísimas zonas. En este panorama es importante diferenciar dos grandes sectores de aplicación y tecnológicos: la geotermia para producción de electricidad en yacimientos de alta temperatura (superiores a los 100-150ºC), y los usos térmicos en los sectores industrial, servicios y residencial, para temperaturas por debajo de los 100ºC, ya sea en la modalidad de uso directo (calentamiento de distrito, balnearios, acuicultura, etc.) o a través de bomba de calor geotérmica (calefacción y refrigeración) para temperaturas del terreno muy bajas (por debajo de los 25ºC). Esta última vertiente suele clasificarse también como energía geotérmica somera, de muy baja entalpía o, sencillamente, geotermia mediante bomba de calor representada en la |Figura 1|. En este sentido, la bomba de calor constituye el elemento que nos permite hacer un uso eficiente de las temperaturas del terreno y, hoy por hoy, se trata de una tecnología que se encuentra en auge en nuestro país, emergente y de claro interés industrial. 13
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 1| Energía geotérmica somera
Fuente: Elaboración propia
Principios básicos Uno de los elementos fundamentales para la climatización en la edificación mediante energía geotérmica es la bomba de calor. Ésta no es más que un dispositivo, por otra parte bien conocido, que permite refrigerar espacios cuando hace calor en el exterior y calentar espacios cuando hace frío. En definitiva, termodinámicamente podríamos decir que la bomba de calor establece un flujo de calor de un cierto foco frío hacia uno caliente gracias a un consumo de trabajo llevado a cabo en un compresor, de manera que cuanto mayor sea la diferencia de temperaturas entre focos, peor será el rendimiento energético, generalmente denominado COP, de la máquina. En el caso concreto de una bomba de calor aplicada a la geotermia se busca precisamente establecer el flujo de calor entre el subsuelo y el lugar a acondicionar, según 14
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Energía geotérmica: análisis y prospectiva | AVANCES DE INGENIERÍA
interese. Dicho subsuelo y el lugar a acondicionar juegan el papel de foco frío o caliente, se opere en condiciones de verano (refrigeración) o invierno (calefacción). Por ejemplo, en Valencia la situación típica en verano consistiría en una temperatura interior de los edificios a acondicionar de unos 24 grados. Si utilizásemos como foco de la bomba de calor el aire que rodea al edificio (sistema conocido en la actualidad como “aerotermia”), éste podría encontrarse típicamente a unos 35 grados y el esfuerzo de la máquina debería compensar unos 11 grados de diferencia. Sin embargo, el subsuelo en Valencia se encontraría a unos 20 grados de temperatura (que resulta aproximadamente de la temperatura media anual de la localidad). De esta manera, podríamos evacuar el calor del edificio al terreno, el cual en realidad estará a algo más de 24ºC en la zona de inyección de calor (afectación térmica del terreno). En todo caso, el salto de temperaturas es potencialmente mucho menor, de modo que el rendimiento de la bomba de calor (COP) sería notablemente mayor. A pesar de ello, la bomba de calor utiliza elementos tecnológicamente muy parecidos a los usados en un sistema de acondicionamiento convencional. El verdadero reto tecnológico de la geotermia con bomba de calor consiste en limitar el ya citado fenómeno de la afectación térmica del terreno, es decir, el que la bomba de calor al intercambiar energía con el suelo modifique sus temperaturas de manera limitada y controlada a fin de no penalizar el rendimiento del sistema. Ello implica un cuidadoso diseño del conjunto de la instalación que habrá de tener en cuenta el conjunto de los flujos energéticos del edificio y las características térmicas del terreno, entre otros. En definitiva, se dice que una bomba de calor geotérmica es una bomba de calor que utiliza el suelo para funcionar en condiciones de temperatura más favorables comparadas con el aire, permitiendo un ahorro sustancial de energía (alrededor de un 50%), siempre que el sistema haya sido diseñado correctamente para que el suelo pueda absorber o ceder el calor adecuadamente (|Figura 2|). |Figura 2| Bomba de calor geotérmica
Fuente: Elaboración propia 15
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Geotermia somera en el panorama europeo y español A nivel europeo son ya muchos los proyectos geotérmicos llevados a cabo ante el demostrado interés de la tecnología. En la gráfica de la |Figura 3| podemos ver la comparación en un proyecto de investigación precisamente europeo (GeoCool) que buscaba comparar un sistema convencional con uno geotérmico, observándose la enorme mejora en el COP obtenido mediante la geotermia somera. |Figura 3| Comparación del COP de un sistema convencional con el del proyecto de investigación GeoCool
Fuente: Elaboración propia
Además, dentro de España se están empezando a dar pasos significativos a través de diferentes proyectos llevados a cabo satisfactoriamente. Ejemplos de ello son el primer edificio de España con climatización híbrida (Gandía, Valencia), el centro municipal de recursos del medio natural de Torrente (Torrente, Valencia), y un bloque de viviendas en Morella (Castellón), entre otros. La directiva europea ha marcado recientemente un hito importante en el camino de la implantación de la energía geotérmica, permitiendo definir una serie de conceptos que antes estaban siempre confusos y bajo discusión. Así, la energía geotérmica ha pasado a formar parte del inventario de energías renovables de los diferentes países, lo que nos sitúa en la obligación de hacer un recuento de los recursos aprovechables. En Europa, podemos resumir el estado de la geotermia en el gráfico de la |Figura 4|. 16
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Energía geotérmica: análisis y prospectiva | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 4| Estado de la geotermia en Europa
Fuente: Elaboración propia
En primer lugar tenemos lo que podríamos denominar “mercados asentados”, que incluyen países escandinavos, así como a Alemania, Austria y Suiza, donde llevan ya muchos años trabajando con esta tecnología. Por otra parte, países como Francia o Gran Bretaña son mercados en franca expansión durante la última década, mientras que, finalmente, los mercados señalados en línea discontinua serían los emergentes, de tal manera que ni siquiera se conoce muy bien en qué grado cuantitativo de desarrollo se encuentra la geotermia somera. En cuanto a previsiones, sobre lo que piensa Europa de cómo puede evolucionar la geotermia, se ha planteado un reto ambicioso, pero realizable a la vista de cómo ha sido la evolución hasta ahora, ya que se ha conseguido mantener siempre por encima de las previsiones. Si el 70% de las bombas geotérmicas están situadas en Suecia, Alemania y Francia, la gran pregunta sería: ¿por qué hasta ahora no se ha evolucionado más la geotermia en España? La única explicación está en las inadecuadas políticas que el país sigue al respecto. Es decir, todavía tenemos que lograr el entorno regulatorio y político adecuado para permitir el desarrollo de la energía geotérmica de baja entalpía en España. 17
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
La |Figura 5| muestra la gráfica más ilustrativa al respecto, la que representa la evolución de Alemania. A finales de los años 70 hubo un repunte de la energía geotérmica al hilo de la crisis del petróleo. Sin embargo, a lo largo de la década de los 80, el número de instalaciones comenzó a decrecer. |Figura 5| Evolución de la energía geotérmica en Alemania
Fuente: Elaboración propia
Una de las causas más plausibles fue el hecho de que muchas instalaciones eran inadecuadas a las necesidades del momento (por ejemplo, instalaciones de bomba de calor que sustituyeron a calderas sin un ajuste preciso de las temperaturas interiores de los radiadores), motivo por el cual se perdió la confianza de muchos posibles usuarios. En el año 1996 se creó la norma técnica alemana (VDI 4640) que permitió definir una serie de estándares técnicos fundamentales para este sector, lo que supuso el punto de disparo en el número de instalaciones. Esto supone, por lo tanto, un ejemplo acerca de cómo las instalaciones bien ejecutadas y la existencia de una política que las apoye suponen una verdadera forma de permitir el desarrollo de esta energía, y esto es lo que debemos proponernos en España. |•|
18
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Potencial geotérmico español Celestino García de la Noceda Márquez – IGME
Introducción Para contextualizar adecuadamente la geotermia cabe indicar que el problema energético-medioambiental a nivel mundial en la actualidad está haciendo que, como en el caso de otras energías renovables, la energía geotermia empiece a dejar de ser en cierto modo desconocida. Efectivamente, existen una serie de circunstancias que nos afectan a nivel global: el efecto invernadero y el calentamiento global, las dificultades de abastecimiento energético, los efectos socio-políticos de la dependencia energética, las estrategias contra los efectos del cambio climático, y los compromisos y voluntades de apoyo a fuentes de energía autóctonas y renovables. Así pues, en este aspecto las renovables, y entre ellas la geotermia, deben jugar un papel. Que la geotermia sea desconocida no es de extrañar, a pesar de que ya el hombre primitivo hacía uso de ella. La estabilidad térmica que tenían las cavernas (protectoras en el invierno y frescas en el verano) se asemeja a la estabilidad térmica del subsuelo. Además, las aguas termales llevan siendo aprovechadas desde la antigüedad. Hoy en día existen distintos modos de aprovechar este recurso, en función del tipo de yacimiento. Sin embargo, en España esta energía se ha asociado siempre a un modo complejo e ineficaz de aprovechamiento energético, lo cual es una idea equivocada ya que la tecnología necesaria es en general bien conocida desde hace años. De hecho, ya en 1904 se tiene la primera experiencia de producción eléctrica mediante energía geotérmica (Larderello, Italia).
Estructura interna de la Tierra: yacimientos geotérmicos Para poder comprender cómo y por qué hay yacimientos geotérmicos, hemos de entender un poco cómo es la estructura interna de nuestro planeta. Así, podemos ver en la |Figura 1| que el subsuelo está ordenado por capas, y a medida que penetramos 19
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 1| Estructura interna de la Tierra
Fuente: Elaboración propia
en ellas va aumentando la temperatura. Lógicamente, nosotros sólo podemos alcanzar las capas más superficiales. Luego en cualquier caso, la Tierra está emitiendo calor desde el interior. Nos encontramos por lo tanto con una corteza terrestre afectada por un aporte de calor desde el interior, pudiéndose distinguir zonas de mayor intensidad (donde se está formando nueva corteza, dorsales oceánicas o zonas donde se destruye corteza chocando dos placas) de las zonas donde hay menos (mucho más estables donde prima el desprendimiento de calor por radiación). En cualquier caso, vemos que nos encontramos un yacimiento geotérmico cuando se produce una concentración de calor concentrado en un fluido en el interior de la tierra. En ese sentido, hablamos de tipos de yacimientos según su entalpía, la cual la podemos asimilar a la temperatura: • Yacimientos de baja temperatura (menos de 100ºC) donde no se puede producir electricidad, pero resultarían útiles para acondicionamiento en la edificación. 20
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Energía geotérmica: análisis y prospectiva | AVANCES DE INGENIERÍA
• Yacimientos de alta temperatura (más de 150ºC), adecuados para producir directamente electricidad. • Finalmente, se habla también de yacimientos de media temperatura (entre 100ºC y 150ºC), los cuales se podrían usar para producción de electricidad mediante ciclos binarios (uso de fluido intermedio). Una característica de los yacimientos geotérmicos es que el aprovechamiento del recurso debe hacerse en el mismo lugar del yacimiento, ya que el transporte de calor es complejo y poco eficiente. Así, por ejemplo, para el aprovechamiento de manera directa del recurso de baja temperatura para calefacción se utilizan perforaciones muy profundas, como se puede observar en la |Figura 2|, parecidas a las usadas en perforaciones petrolíferas, pero en las proximidades del lugar donde se hará la misma edificación. Una dificultad con la que se encuentran estas plantas es la concentración de sales que suele aparecer en el fluido de recurso. En cuanto a la producción de electricidad con geotermia, ésta no es muy diferente a la de otros métodos. La diferencia fundamental es la caldera (en este caso es el suelo quien hace las veces de la misma) y la red de tuberías que lleva el calor hacia |Figura 2| Aprovechamiento de yacimientos de baja temperatura mediante perforaciones profundas
Fuente: Elaboración propia 21
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
la superficie. Según el tipo de recurso y fluido que contiene el calor bajo la tierra, el sistema de aprovechamiento cambiará. Podemos clasificar los distintos tipos de plantas como sigue: • Plantas de vapor seco: ––Ciclo directo sin condensación. ––Ciclo directo con condensación. ––Ciclo indirecto con condensación y recuperación de aguas mineralizadas. • Plantas flash: ––Simple flash. ––Doble flash. • Plantas binarias: ––ORC. ––Kalina. La primeras, plantas de vapor seco, son menos abundantes dada la dificultad de encontrar un recurso con vapor sin humedad. Son mucho más habituales sin embargo las de tipo flash, donde el recurso se encuentra en forma de mezcla de vapor-agua. La |Figura 3| muestra como en ellas se utiliza directamente el agua del recurso, separándose el vapor del líquido y llevándose sólo el vapor a la turbina. Puede ser el vapor separado en una única fase (simple flash) o en dos fases, lo cual es más eficiente desde el punto de vista energético y tecnológico. En el caso del aprovechamiento de baja temperatura, el calor una vez extraído del yacimiento es introducido en un ciclo de potencia Kalina u ORC (Ciclo Rankine |Figura 3| Planta tipo flash
Fuente: Elaboración propia 22
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Energía geotérmica: análisis y prospectiva | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 4| Ciclo ORC
Fuente: Elaboración propia
Orgánico), como puede verse en la |Figura 4|, que utiliza un fluido de trabajo adecuado (circuito binario) elegido de tal manera que tenga un bajo punto de ebullición. Algo así también se haría en el caso de que el fluido primario (el del recurso) estuviera demasiado cargado en sales.
Evolución de la energía geotérmica Países como Islandia, Italia, Francia o Estados Unidos ya manejan números importantes en lo que se refiere a producción geotérmica. En el caso de España, las primeras muestras de interés sobre esta energía se remontan al año 48 en las Canarias, aunque no es hasta los años 70 cuando se realizan las primeras investigaciones. Con la crisis comenzada a partir de la guerra del Yom Kippur se dispara el precio del petróleo, comenzando, también en España, un renovado interés por nuevas formas de energía que reduzcan la dependencia de los combustibles fósiles. Podemos distinguir distintos períodos en la evolución de la energía geotérmica en España desde mediados de los años setenta: • Período 1974-1979: se estable un inventario general de manifestaciones geotérmicas en el territorio nacional y el IGME, el CSIC, así como Sevillana de Electricidad hacen los primeros estudios del potencial geotérmico en diferentes zonas del país. • Período 1980-1983: el IGME realiza proyectos de estudio de potencial detallado en todo el ámbito nacional, así como en otros sitios más concretos (Cataluña, Cordilleras Béticas, Madrid y Galicia). ENADIMSA hace algo similar por su 23
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
cuenta en Madrid, Burgos, Murcia, Canarias y Cataluña, y finalmente ENHER con ciertas áreas de Cataluña y Pirineo Aragonés. Vale la pena sin duda destacar y detallar los proyectos de investigación del IGME: • Estudios generales: ––Estudio de las posibilidades de explotación de energía geotérmica en almacenes profundos de baja y media entalpía del territorio nacional. ––Inventario de datos geotérmicos de España. ––Síntesis de acuíferos para su utilización con bomba de calor. ––Estudio legal y administrativo del aprovechamiento de los recursos geotérmicos. • Estudios regionales: ––Abarcan todo el territorio español. Por señalar: Mula, Vallés, Islas Canarias, Cordilleras Béticas, Galicia… • Estudios locales de detalle: ––Campañas geofísicas, termométricas y geoquímicas, realización y seguimiento de sondeos, estudios de aprovechamiento y utilización, y reinterpretación de información de hidrocarburos. • Estudios temáticos: ––Nuevas técnicas geoquímicas y geofísicas aplicadas a la prospección geotérmica. ––Estudios de las posibilidades de aprovechamiento de recurso geotérmico para diferentes usos. ––Metodología de medidas, ensayos y análisis en pozos geotérmicos. ––Estudio de los problemas de corrosión y encostramiento. ––Estudios técnico-económicos de viabilidad de aprovechamiento. • Proyectos de demostración: ––Abarcan experiencias piloto en aplicaciones concretas (Cartagena, Lérida, Jafra, Madrid, Les…) y proyectos de aprovechamiento (Sant Cugat del Vallés, Madrid, Samalús, Madrid…). • Proyectos europeos: ––Contribución española a los Atlas de Recursos Geotérmicos en Europa (incluyendo mapas de temperatura en profundidad). Pudiéndose resumir el resultado en la |Tabla 1|. En definitiva, como resultado de la investigación, se han localizado zonas de mayor interés en cuanto al aprovechamiento de los recursos geotérmicos y se han realizado también sondeos que prueban el interés de estos recursos. A la hora de aprovechar todos estos recursos encontrados, hay que tener claro el tipo de yacimiento y el uso que se dará a su explotación. Así, existen las llamadas 24
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Energía geotérmica: análisis y prospectiva | AVANCES DE INGENIERÍA
|Tabla 1| Posibilidades de explotación en España
Yacimientos geotérmicos
- Cuenca del Tajo: Madrid Almacenes -C uenca del Duero: León, Burgos y Valladolid sedimentarios profundos -Á rea Prebética e Ibérica: Albacete y Cuenca Baja temperatura
Zonas intramontañosas y volcánicas
- Galicia: zonas de Orense y Pontevedra -D epresiones catalanas: Vallés, Penedés, La Selva y Ampurdán -D epresiones internas de las Cordilleras Béticas: Granada, Guadix, Baza, Cartagena, Mula y Mallorca -C anarias: isla de Gran Canaria
Media temperatura
-C ordilleras Béticas: Murcia, Almería y Granada -C ataluña: Vallés, Penedés, La Selva y Olot -G alicia: áreas de Orense y Pontevedra - P irineo Oriental: zona de Jaca-Sabiñánigo
Alta temperatura
- Islas Canarias: Tenerife, Lanzarote y La Palma
Fuente: Elaboración propia
nuevas tecnologías geotérmicas, tales como los destinados a explotar yacimientos de roca caliente seca (HDR), los sistemas geotérmicos estimulados o los yacimientos supercríticos. Todos ellos, por ser de alta entalpía, estarían destinados a producir electricidad. Por otra parte, en los recursos de yacimientos someros hablamos de extraer o introducir calor en el subsuelo poco profundo o acuíferos. Se busca aprovechar la estabilidad térmica del terreno, también en minas abandonadas se puede utilizar esto. Existen esquemas verticales, horizontales, cerrados, etc. También el uso reversible de la bomba de calor resulta fundamental, de manera que el terreno nos puede aportar calor en invierno y frío en verano. Aunque existiría la necesidad de un compresor con su consecuente consumo energético, se sigue considerando como renovable debido a que la energía aprovechada es mayor a la necesaria para que el sistema funcione. Este sistema estaría en cualquier caso indicado para acondicionamiento de aire en la edificación. |•|
25
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Capítulo II La geotermia en España
1. La geotermia en el contexto español Autor: Carmen López Ocón Institución: IDAE Cargo: Jefe del Departamento Hidroeléctrico, Energías del Mar y Geotermia
3. Geotermia en España Autor: Margarita de Gregorio Institución: APPA Cargo: Responsable de Energías Termoeléctricas (Biomasa, Geotérmica y Solar Termoeléctrica)
2. Novedades y retos de la energía geotérmica en España Autor: Juan Pedro Luna González Empresa: Comunidad de Madrid Cargo: Director General de Industria, Energía y Minas
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La geotermia en el contexto español Carmen López Ocón – IDAE
Introducción Lo primero que deberíamos plantearnos es el porqué consideramos necesario fomentar la energía geotérmica. La geotermia, como energía renovable, cumple con todos los requisitos que la normativa europea exige ahora mismo. Es renovable, eficiente (ahorros energéticos en sus aplicaciones térmicas de calefacción y refrigeración), autóctona (nos reduce la dependencia energética exterior) y, por supuesto, es una energía limpia (mínimo impacto medioambiental y escasa emisión de gases de efecto invernadero). Por otra parte es también gestionable, constante y conlleva unos demostrados beneficios socioeconómicos (desarrollo regional y generación de nuevos puestos de trabajo). Todo ello justifica el esfuerzo en fomentar la energía geotérmica, ya que resulta imprescindible para alcanzar el objetivo establecido por la UE (un 20% mínimo del consumo de energía final con energías renovables en el año 2020).
Situación de la geotermia en España Balance energético Es cierto que hasta ahora la influencia de la geotermia es insignificante como puede apreciarse en la |Figura 1|, lo cual es debido a su reciente desarrollo en España. De hecho, no existen datos acerca de la potencia geotérmica producida en el país actualmente. Sin embargo, estudios sectoriales actuales indican que la potencia geotérmica instalada en España a finales del 2009 está entre los 80 y 100 MWt, incluyendo las aplicaciones con bomba de calor. 29
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 1| Consumo de energía primaria Saldo…Eléctrico -0,5% Gas…Natural 23,8%
…Hidráulica 1,7% Eólica
Nuclear 10,5%
2,4% EERR 9,3% ………Biomasa…y
Petróleo 48,8%
Carbón …8,1%
…Residuos 3,8%
Resto…EERR 1,4%
Fuente: Elaboración propia
Marco retributivo El régimen económico y jurídico de las instalaciones que pueden acogerse al Régimen Especial se establece en el Real Decreto 661/2007, de 25 de mayo, por el que se regula la actividad de producción de energía eléctrica en régimen especial. Las centrales geotérmicas para generación de electricidad quedarían englobadas dentro del grupo “b.3”: instalaciones que únicamente utilicen como energía primaria la geotérmica, la de las olas, la de las mareas, las rocas calientes y secas, la océano-térmica y la energía de las corrientes marinas. A este grupo le corresponden las tarifas: • Opción a) Precio fijo: 7,2892 c€/kWh (los primeros 20 años); 6,8872 c€/kWh (después). • Opción b) Venta libre en el mercado de la electricidad. Prima: 4,076 c€/kWh (primeros 20 años); 3,2376 c€/kWh (después). Evidentemente, esto resulta insuficiente si se quiere amortizar toda la inversión mediante las primas, haciéndola no rentable. Sin embargo, ante estas inversiones no se debe tratar de buscar este tipo de amortizaciones, sino que deben explorarse otras vías, como por ejemplo las subvenciones. No obstante, el régimen especial con el decreto 661 deja la puerta abierta a primas específicas durante un período de 15 años desde la puesta en marcha de la instalación, para lo cual habría que presentar un proyecto justificando todos los datos de la instalación. De esta manera la tarifa estaría fijada, pero cabría una prima específica. Hasta la fecha esto no se ha dado, debido a que todavía no existe un proyecto suficientemente maduro que lo requiera. 30
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La geotermia en España | AVANCES DE INGENIERÍA
Perspectivas futuras Las perspectivas futuras de la geotermia se ven desde los puntos de mira de los dos tipos de explotación que se pueden hacer: geotermia profunda y la somera. En el caso de la geotermia profunda, podemos en general realizar hasta cinco actuaciones distintas: • Conocimiento del recurso: investigación en localización de estructuras favorables para el desarrollo y explotación de yacimientos de media-alta Tª mediante ciclos Kalina o tecnologías EGS. • Tecnología: I+D en técnicas de perforación avanzadas, que permitan reducir los costes de perforación y en tecnologías de explotación y aprovechamiento de recursos (sistemas estimulados). • Normativa/legislativa: consideración como energía gestionable, grupo propio dentro del régimen especial, etc. • Programas de ayudas específicas de I+D, a nivel europeo y nacional, para las fases de exploración e investigación. • Marco de apoyo y promoción al desarrollo de proyectos pilotos para generación de electricidad y de “District Heating” en nuevas zonas industriales, residenciales y servicios. Por otra parte, para impulsar la geotermia somera se consideran las siguientes acciones: • Desarrollo normativo y legislativo: simplificación en los procedimientos administrativos, normas o guías técnicas específicas para esta tecnología, integración en normas y códigos de construcción (RITE, CTE, CALENER). • Marco de apoyo al uso térmico de las energías renovables. • Tejido industrial: formación de todos los agentes de la cadena, empresas cualificadas (sistema de certificación que garantice al consumidor productos y servicios de calidad), crear y fomentar “know-how” por parte de ingenierías, perforadoras e instaladoras, etc. • Actuaciones de difusión y promoción para usuarios potenciales: campañas de imagen, programas de financiación, etc.
Actuaciones de idea en el sector de la geotermia Tres son los puntos en los que incide el IDAE para impulsar la geotermia: • Participación activa en la elaboración de la ley de energías renovables, que establecerá, además de las medidas de promoción concretas para cada sector, un marco de apoyo al uso térmico de las renovables. 31
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
• Desarrollo del nuevo plan de renovables 2011-2020, en el que la geotermia tendrá su propio capítulo, con objetivos concretos al 2020 y las medidas necesarias para su consecución. • Acciones de difusión (publicaciones, conferencias, jornadas, etc.). Concretamente, distinguiendo de nuevo entre geotermia profunda y somera, las acciones emprendidas por el IDAE son las siguientes.
Actuaciones en geotermia profunda • Disponer de representantes de España en el grupo de trabajo de geotermia de la Agencia Internacional de la Energía. • Apoyo y promoción al desarrollo de proyectos pilotos para generación de electricidad y de “district heating”.
Actuaciones en geotermia somera • Introducción de la geotermia en los programas de calificación energética (CALENER). • Programa de impulso a las empresas de servicios energéticos térmicos con energías renovables: programa Geocasa (BOE 19 de mayo de 2010). Precisamente el programa Geocasa merece una especial atención por su interés. Se trata del programa más importante del IDEA en lo que a geotermia se refiere. A partir de la experiencia con el programa pionero Bioncasa, nacen dos nuevos programas: Geocasa y Solcasa (geotermia y solar térmica respectivamente). Son experiencias piloto para financiar proyectos de este tipo, buscando dar un servicio integral al usuario final. En definitiva, y en concreto Geocasa, se trata de un programa para el impulso a la energía geotérmica como fuente energética en instalaciones de agua caliente, calefacción y refrigeración en edificios, buscando extender el uso de la energía geotérmica como fuente energética en edificios y en instalaciones adaptadas a las distintas necesidades del usuario, ofreciéndose al cliente un servicio integral de energía, garantizándose el cumplimiento de la reglamentación aplicable, maximizándose la eficiencia energética y garantizándose el suministro de energía. El Instrumento de GEOCASA para el Servicio Integral de Energía al Cliente es la ESE (Empresa de Servicios Energéticos), la cual será una empresa especialmente habilitada para que, actuando en el sector de aprovechamiento energético de la energía geotérmica, disponga de capacidad, estructura y medios adecuados para llevar a cabo todos los servicios al usuario final, sin hacerle responsable. Así, el cliente 32
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La geotermia en España | AVANCES DE INGENIERÍA
recibe un servicio integral durante un período de unos 10 años, siendo el ahorro para el cliente del 10% garantizado. Se puede observar la estructura de ESE “Geocasa” en la |Figura 2|. |•| |Figura 2| Desglose de actividades del Servicio Integral de la ESE habilitada por Geocasa
Fuente: Elaboración propia
33
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Novedades y retos de la energía geotérmica en España Juan Pedro Luna González – Comunidad de Madrid
Las instalaciones geotérmicas en el marco autonómico actual Introducción La geotermia es fundamentalmente un recurso minero, tal como reconoce la propia legislación minera al incluirla dentro de la sección D) de los recursos minerales, no obstante, su marco jurídico y especialmente técnico no se ha desarrollado convenientemente para las instalaciones, sobre todo para las de muy baja entalpía, que ya se están introduciendo en España, si bien no todas las instalaciones llevan el mismo tratamiento administrativo. Antes el aprovechamiento geotérmico requería una serie de condiciones (temperatura, profundidad y existencia de agua), que era lo que conocíamos como yacimientos hidrogeotérmicos, y que hoy día ya no son pilares rígidos, sino que han ido evolucionando, aunque se sigue manteniendo la clasificación de los yacimientos en función de la temperatura: • Baja y muy baja temperatura: hasta 90ºC. • Media temperatura: entre 90 y 150ºC. • Alta temperatura: superior a 150ºC. Sin embargo, ésta no es la clasificación que permite determinar su régimen normativo, sino que es el uso del recurso el que va a determinar su proceso de autorización al amparo de la Ley de Minas o excluida de ella.
Geotermia y legislación minera En cuanto a la Ley de Minas, la energía geotérmica tiene cabida en su sección D), donde se establece el régimen jurídico de ciertos recursos energéticos, entre los que se incluye ya la energía geotérmica. 35
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
La Ley de Minas establece tres figuras jurídicas: • El Permiso de Exploración. • El Permiso de Investigación. • La Concesión Administrativa. Cada una de las cuales perfectamente regulada y ampliamente utilizada para los recursos mineros de la sección C), que engloba gran parte de los recursos mineros existentes en España. De las tres figuras, cabe destacar la Concesión de aprovechamiento, a la que se puede llegar directamente o derivada de los permisos anteriores, pero que permite el aprovechamiento durante periodos de concesión de 30 años por un máximo de 90, y lleva asociada una serie de derechos y obligaciones que suele sorprender a profanos en la legislación minera, como resulta el caso de su condición de Utilidad Pública que permite al titular beneficiarse incluso de la expropiación forzosa. La Concesión minera, al igual que los Permisos de Exploración e Investigación se otorgan por cuadrículas mineras, que llevan implícitas ciertas obligaciones como la de nombramiento de director facultativo, presentación anual de planes de labores y restauración final de los terrenos, por citar algunos. No obstante, no todos los aprovechamientos geotérmicos deben encajarse en alguna de estas figuras, ya que la propia Ley de Minas contempla que determinados aprovechamientos de escaso valor económico, que se aprovechan en la parcela donde se obtienen y por el dueño de los terrenos, sean incluidos dentro del ámbito de aplicación de la Ley de Minas, y consecuentemente quedan fuera de este régimen. Así, la mayor parte de los aprovechamientos geotérmicos de muy baja entalpía, frecuentemente aprovechados para climatización, calefacción, etc. escapan a este régimen jurídico, permitiéndose un tratamiento mucho más simple como puede verse en la |Figura 1|. De todas las posibilidades de aprovechamiento existentes de este último tipo se puede establecer una clasificación en función de su topología en aprovechamientos mediante cimentación activa, disposición horizontal y perforaciones verdiales, siendo estas últimas las que por requerir el empleo de técnica minera en la realización del sondeo necesitan una aprobación específica. En el caso de la Comunidad de Madrid se da la circunstancia de que los sondeos geotérmicos están recogidos en la Ley de Evaluación Ambiental, por lo que en función de su profundidad, mayor o menos de 200 m, requerirán o no someterse a dicho proceso de evaluación. 36
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La geotermia en España | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 1| Esquema de la exclusión de la Ley de Minas en el caso de un aprovechamiento geotérmico doméstico
Fuente: Elaboración propia
Proceso de autorización de instalaciones En el caso de instalaciones incluidas en la Ley de Minas se seguirá el procedimiento perfectamente establecido para el régimen minero y esto se aplica a todas las instalaciones en España. En el caso de las instalaciones excluidas de la Ley de Minas, la ausencia de normativa posibilita que cada Comunidad Autónoma pueda dar un tratamiento diferente al régimen de aprobación. Así en el caso de la Comunidad de Madrid, si incluyen perforaciones verticales deberá considerarse, a su vez, si éstas son de más de 200 m. Para el caso de que no se alcance esta profundidad, se presentará ante la autoridad minera un proyecto que puede ajustarse al siguiente esquema y que será informado medioambientalmente para decidir si se somete o no al estudio de impacto ambiental (|Figura 2|): • Descripción del proyecto incluyendo objeto y justificación. • Características: ––Descripción de las actuaciones e instalaciones previstas. Dimensiones de las perforaciones, superficie a ocupar, colectores, distancias, tipo de relleno, tipo y cantidad de anticongelante, etc. ––Utilización de recursos. ––Residuos generados y su tipo de gestión, cuantificación de materiales. 37
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 2| Proceso de autorización de instalaciones
Fuente: Elaboración propia
––Producción de vertidos líquidos y, en su caso, depuración. ––Emisiones a la atmósfera y generación de ruidos. ––Riesgo de accidente. ––Actividades inducidas o complementarias que se generen. • Ubicación: ––Localización detallada de la parcela y accesos. Coordenadas UTM. ––Uso actual del suelo. Existencia de espacios protegidos. ––Cartografía 1:50.000 y 1:5000. ––Principales alternativas estudiadas. Una vez informado medioambientalmente, si resulta favorable y el proyecto es correcto desde un punto de vista de seguridad minera, se aprobará y con ello habrá concluido el proceso de autorización administrativa. Si se trata de sistemas abiertos, se deberá pronunciar asimismo el Organismo de Cuenca (Confederación Hidrográfica)
Comparativa con otros países El desarrollo normativo en Europa es tal que se encuentra íntimamente relacionado con el tipo de aplicación, distinguiéndose dos grupos: países con desarrollo normativo en el ámbito minero (Alemania y Francia), y países con desarrollo normativo en el ámbito doméstico (Suecia y Suiza). En cualquier caso, todos cuentan con un importante desarrollo de las condiciones técnicas de aprovechamiento (normas, certificación de empresas de sondeos, registros, etc.), a diferencia de España. 38
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La geotermia en España | AVANCES DE INGENIERÍA
Fomento de la geotermia en la Comunidad de Madrid Cualquier actividad beneficiosa para la sociedad, como es el aprovechamiento geotérmico, puede ser impulsada mediante la Administración por dos vías como puede observarse en la |Figura 3|, una de fomento y divulgación, que incentive incluso económicamente la actividad; y otra vía normativa, como ha ocurrido con el Código Técnico de la Edificación, que obliga a la utilización de energías renovables. |Figura 3| Fomento de la geotermia en la Comunidad Autónoma de Madrid
Fuente: Elaboración propia
En concreto, el apoyo en la Comunidad de Madrid se ha establecido mediante la vía de fomento y divulgación con una importante labor de difusión (organización de jornadas sobre energía geotérmica y publicaciones), líneas de subvención, premios a la mejor instalación geotérmica y un modelo de solicitud, por citar algunos ejemplos que han permitido un importante despegue de este tipo de instalaciones (ya existen cerca de 100 aprobadas). |•|
39
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La geotermia en España Margarita de Gregorio – APPA
Introducción APPA es una asociación de carácter nacional con más de 500 asociados formados por productores de energía, colaboradores y otras asociaciones. Sus funciones las podemos resumir como: portavoz válido de todas las energías renovables en España; coordinación, representación y defensa de los intereses del sector ante la Administración y la sociedad; y participación en la elaboración de políticas generales. En el caso concreto de la energía geotérmica, APPA contribuye a facilitar y fomentar el desarrollo de la geotermia en España mediante diferentes estudios y medidas, tales como GEOPLAT (Plataforma Tecnológica Española de Geotermia).
Retos del desarrollo de la geotermia en España La nueva directiva europea sobre energías renovables exige un 20% de reducción de emisiones (2005), un 20% de mejora en la eficiencia energética, y que el 20% del consumo proceda de las energías renovables. Sin duda, para lograr estos objetivos, la geotermia debe jugar su papel, y es así como surgen precisamente los dos principales retos del desarrollo de la geotérmica en España: el Plan de Acción Nacional (PANER) y el Nuevo Plan de Energías Renovables (PER). El PANER viene directamente exigido por la directiva europea, pues ahí se establece que cada Estado miembro debe elaborar un plan antes del 30 de junio de 2010, en el que se fijen objetivos para todos los usos renovables (calor y frío, electricidad y transporte). En cuanto al PER, se trata de un plan a más largo plazo (2011-2020); en él deberá contemplarse también la geotermia, deberán finarse los objetivos eléctricos y de climatización con geotérmica a 2020 y finalmente deberán establecerse las acciones políticas necesarias que impulsen el desarrollo del sector y aseguren su éxito. En concreto, podemos hablar además de retos de la geotermia, particularizando los dos tipos de recurso a explotar: alta entalpía y baja entalpía. 41
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Geotermia de alta entalpía Muchas son las empresas asociadas a la sección geotérmica de alta entalpía de APPA, dado el interés creciente de esta energía, especialmente desde que se conoce el potencial de la nueva tecnología de geotermia estimulada (EGS). Sin embargo, para lograr el éxito es imprescindible tener un profundo conocimiento del potencial geotérmico. Aunque el plan energético nacional de los años 70 y 80 incluye investigaciones al respecto, desafortunadamente el esfuerzo inicial no tuvo continuidad, por lo que no se llegó a definir con detalle el potencial. Como consecuencia, APPA toma la iniciativa de realizar otro estudio más detallado de potencial, enmarcándolo dentro de los planes PANER y PER. El estudio fue encargado en junio de 2009 a las consultoras GeoT y SKM con el objetivo de conseguir una estimación de los recursos geotérmicos en España y tecnologías asociadas; una propuesta de medidas de apoyo y estímulo para el sector geotérmico español; y una definición del potencial geotérmico de España para el año 2020. Según ese estudio, los recursos geotérmicos en España se dividen en tres tipos principales: recursos de alta entalpía (es decir, de elevada temperatura y alta presión), presentes en las zonas de vulcanismo activo (Canarias); recursos hidrotermales de baja entalpía (a veces denominados acuíferos calientes asociados a cuencas sedimentarias), distribuidos a lo largo de toda la Península Ibérica; recursos petrotérmicos (en los que la energía se encuentra almacenada en la roca) situados en determinados lugares de la Península (geotermia estimulada EGS-Enhanced or Geothermal Systems). En base a esto, existen una serie de proyectos tipos que se pueden desarrollar en España: • Proyectos de alta entalpía asociados a zonas volcánicas activas (Canarias). • Proyectos hidrotermales de baja entalpía (Península). • Proyectos petrotérmicos-EGS. De modo que tendíamos un desarrollo potencial geotérmico a 2020 tal como viene representado en la |Tabla 1|: Para lograrlo, se proponen las siguientes medidas de estímulo representadas en la |Figura 1|: • Un plan de desarrollo de entre 5 y 10 proyectos de demostración financiados al 50% por la Administración y soporte de I+D para reducir los costes de la tecnología (investigación básica). 42
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La geotermia en España | AVANCES DE INGENIERÍA
|Tabla 1| Potencia geotérmica 2020 Capacidad de generación de electricidad (MWe)
Capacidad de generación de energía térmica (MWt)
554
Calor procedente de plantas combinadas calor / energía eléctrica
500
239
Uso de calor directo (calor y frío)
200
Suma
700
Recursos de alta entalpía
255
Recursos de baja entalpía EGS Suma
1.048
Fuente: Elaboración propia
• Un plan de mitigación de los riesgos de exploración: el Gobierno daría una compensación de hasta el 70% de los gastos directos de la perforación. • Subvenciones a la perforación en proyectos de producción de calor para estimular el mercado de la calefacción y mejorar el marco normativo.
Geotermia de baja entalpía Nuevamente son muchas las empresas asociadas con APPA, y resulta imprescindible conocer el potencial de geotermia somera en España, el cual tiene un enorme alcance, pues se trata de una energía renovable disponible, a priori, en cualquier emplazamiento en el que esté previsto construir un edificio. Las limitaciones de |Figura 1| Medidas de estímulo de la energía geotérmica
Fuente: Elaboración propia
43
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
esta tecnología son principalmente de índole económica y están relacionadas con el coste de ejecución del sistema de intercambio geotérmico, la demanda energética del edificio y los precios de la energía. Con la relación de costes actual se está trabajando en una horquilla de periodos de retornos simple, comprendidos entre los 5 y los 15 años. La energía térmica que las bombas de calor transfieren entre el edificio y el terreno multiplica la energía eléctrica consumida por un factor entre 3 y 5. Técnicamente resultaría posible, mediante mejora tecnológica de elementos e integración de los componentes más avanzados disponibles en el mercado, incrementar dicho efecto multiplicador hasta un rango entre 6 y 8, hasta el límite teórico próximo a 14. Siguiendo la filosofía de la Directiva Europea de Renovables, la diferencia entre el flujo de energía térmica útil generada por el sistema geotérmico y la energía primaria consumida se considera como energía térmica renovable a efectos de la consecución de los objetivos de la Directiva. Por todo ello, queda patente el elevado potencial de ahorro energético y de generación de energía renovable de los sistemas geotérmicos someros. Además, APPA establece unos objetivos a corto y medio plazo: • Impulsar el apoyo a la tecnología en las instituciones. • Coordinar las diferentes autonomías con objeto de armonizar tanto los aspectos “interpretativos” como los relativos a las tramitaciones de las instalaciones (fomentar la homogeneidad normativa). • Divulgación de la tecnología a niveles: ––Sector de la arquitectura. ––Instituciones: que se conozca a todos los niveles (local, autonómico y estatal). ––Sociedad en general: los potenciales usuarios deben contar con información fiable para ganar confianza en el sector. • Muy importante: La normativa de edificios actual debe contemplar esta fuente de energía, así como el nuevo PER 2011-2020. • Conseguir que los profesionales involucrados en los proyectos estén debidamente cualificados y formados para el buen desarrollo de los mismos. Asimismo, conseguir la estandarización oficial de los equipos: ––Carné de instalador. ––Sello oficial para las instalaciones óptimas. • Atraer el interés de las grandes eléctricas, pues si se da el necesario apoyo institucional va a suponer un crecimiento de su mercado.
GEOPLAT La Plataforma Tecnológica Española de la Geotermia (GEOPLAT) es un grupo de coordinación científico-técnica sectorial compuesto por todos los agentes relevantes del sector de la geotermia en España. 44
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La geotermia en España | AVANCES DE INGENIERÍA
GEOPLAT tiene como objetivo ser el marco en el que todos los sectores implicados en el sector de la geotermia, liderados por la industria, trabajen conjunta y coordinadamente para conseguir la implantación comercial de esta fuente de energía renovable y su crecimiento continuo de forma competitiva y sostenible, buscando la identificación y desarrollo de estrategias sostenibles para la promoción y comercialización de la energía geotérmica en España. Todo ello abarcando todas las actividades de I+D+i en: identificación y evaluación de los recursos; tecnologías de aprovechamiento y uso. Por otra parte, como objetivos específicos se puede mencionar que se busca: • Proporcionar un marco en el que todos los sectores implicados en el desarrollo de la geotermia, liderados por la industria, trabajen conjunta y coordinadamente para conseguir la implantación comercial de esta fuente de energía renovable y su crecimiento continuo de forma competitiva y sostenible. • Analizar la situación actual de la geotermia en España, desde los tipos de recurso hasta su uso final, pasando por todas las tecnologías para su aprovechamiento. • Detectar necesidades en I+D+i y recomendar la financiación en investigación en áreas estratégicas para el sector. • Identificar barreras existentes (normativas, financieras, tecnológicas, etc.) que dificultan la implantación de la geotermia. • Plantear estrategias y alternativas que impulsen su desarrollo. • Promover coordinación entre los agentes del sistema ciencia-tecnología-empresa y fomentar la participación empresarial en el establecimiento de planes de acción sobre la geotermia y, de forma particular, en los proyectos de I+D+i y de comercialización. • Participar en foros y actividades que se desarrollen internacionalmente en el ámbito de esta energía renovable. • Difundir las posibilidades de la geotermia y en particular los resultados y recomendaciones de la Plataforma en los sectores relacionados. • Fomentar actividades de formación relacionadas con la geotermia, sensibilizando y movilizando a las administraciones, tanto a nivel nacional como regional y local, y a la sociedad en general. |•|
45
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Capítulo III Geotermia de entalpía intermedia
1. Generación eléctrica a partir de recursos de media entalpía. Ciclos binarios Autor: José Ignacio Linares Hurtado Institución: Universidad Pontificia de Comillas Cargo: Director del Departamento de Ingeniería Mecánica
3. Yacimientos de media entalpía y sistemas geotérmicos estimulados Autor: José Sánchez Guzmán Empresa: Tecnologías y Recursos de la Tierra Cargo: Ingeniero de Minas
2. Geotermia somera. Aplicaciones prácticas Autor: Marcel Hendriks Empresa: IFTec GeoEnergía Cargo: Director
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Generación eléctrica a partir de recursos de media entalpía. Ciclos binarios José Ignacio Linares – Universidad Pontificia de Comillas
Recursos de media entalpía Este capítulo se centra en los aspectos de la producción de energía eléctrica a partir de yacimientos geotérmicos de media temperatura, que pueden ser de tres tipos: natural, de roca caliente seca (HDR, Hot Dry Rock) y estimulados (EGS, Enhanced Geohermal System). Los yacimientos naturales vienen siendo explotados desde hace años (el primero data de 1904, en Italia), y utilizan una tecnología relativamente convencional. Los de roca caliente seca se explotan de forma experimental desde los años 70 del siglo pasado, siendo los estimulados de concepción más reciente y habiendo despertado gran interés debido a que permitirían extender la geotermia para la producción eléctrica de forma decisiva en el futuro. Los yacimientos geotérmicos de tipo natural que se pueden calificar de media entalpía son aquéllos que producen agua a una temperatura de entre 90 y 150ºC con una profundidad no excesiva. El gradiente térmico habitual es de unos 30ºC/km, que en profundidades de 3 a 4 km produce temperaturas entre 90 y 120ºC. Existen yacimientos con gradiente más acusado, entre 40 y 50ºC/km, que en profundidades entre 2,5 y 3 km producen temperaturas entre 90 y 150ºC. Además del gradiente térmico, un yacimiento natural requiere de la existencia de rocas permeables que contengan agua, que será aprovechada posteriormente. La permeabilidad de las rocas y la presencia del agua pueden crearse artificialmente, dando lugar a los yacimientos de roca caliente seca y estimulados. Los primeros (HDR) constan de rocas calientes secas (de entre 180ºC y 200ºC) por las que se hace circular agua a presión a través de fracturas naturales en la roca o creadas artificialmente. La permeabilidad será muy baja o nula, y la profundidad elevada (5 a 6 km), a no ser que los gradientes de temperatura con la profundidad sean altos (en cuyo caso la profundidad sería de unos 4 km). Están en investigación desde los años 70 del siglo pasado, encontrándose a día de hoy cerca de su operación comercial. 49
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Finalmente, los yacimientos geotérmicos estimulados (EGS) están basados en el hecho de que las técnicas de HDR se pueden extender a yacimientos de baja permeabilidad, de modo que se aumente su nivel de fracturación. Así se pueden recuperar yacimientos considerados poco productivos, extendiendo la geotermia a muchas más regiones. Como ejemplos de yacimientos convencionales pueden citarse: • Neustad-Glewe (Alemania): proporciona agua a 97ºC desde una profundidad de 2.250 m. • Unterhaching (Alemania): proporciona agua a 122ºC desde 3.450 m. • Altheim (Austria): proporciona agua a 106ºC desde 2.300 m. • Hatchobaru (Japón): proporciona vapor saturado a 144ºC, transformándolo en 2 MWe. • Miravalles (Costa Rica): proporciona agua a 165ºC. • Gerber (USA): proporciona agua a 166ºC. • East Mesa (USA): proporciona agua a 182ºC. En cuanto a los yacimientos HDR cabe citar: • Fenton Hill (Nuevo México, USA) fue el primer yacimiento experimental, manteniéndose operativo entre 1973 y 1996. • Entre 1974 y 1975 comenzaron los primeros estudios en Japón y Europa, produciéndose en 1980 varios proyectos en Reino Unido, Alemania y Francia, entre los que destaca el yacimiento de Soultz-sous-Forêts (Francia) que se inició en 1986, operando durante dos décadas. En Hijiori (Honshu, Japón) se abrió un yacimiento en 1991 que operó hasta 2002.
Ciclos binarios En los yacimientos de entalpía intermedia la temperatura del agua no es suficientemente alta como para expandirla de forma directa en la turbina, recurriéndose en su lugar a los denominados ciclos binarios. En ellos el agua caliente del yacimiento cede su calor a un fluido de trabajo que recorre un ciclo termodinámico cerrado. Dicho ciclo ha de estar adaptado a la aceptación de calor de temperatura moderada, no siendo válida la opción simple de un ciclo de Rankine con vapor. Son posibles dos opciones: el ciclo de Kalina y el ciclo de Rankine orgánico (ORC, Organic Rankine Cycle). El ciclo de Kalina fue propuesto en los años 90 del siglo pasado, siendo similar a un ciclo de Rankine pero usando como fluido de trabajo una mezcla zeotrópica de amoníaco/agua, de modo que a presión constante la temperatura de evaporación crece conforme se va absorbiendo calor. Este hecho permite que la temperatura del fluido se aproxime mucho a la temperatura del agua del yacimiento que se va enfriando. 50
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
Sin embargo, problemas tecnológicos han hecho que este ciclo se haya abandonado frente al ORC, que se expondrá aquí con más detalle. Un ciclo ORC es un ciclo Rankine sencillo que no utiliza agua debido a que las temperaturas del foco caliente no son las adecuadas, recurriendo a fluidos orgánicos (hidrocarburos naturales o halogenados) caracterizados por tener una baja entalpía de vaporación, lo que hace posible que el evaporador sea un intercambiador convencional (de placas o de carcasa y tubos). Además la presión de saturación a la temperatura ambiente eligiendo bien el fluido puede estar por encima de la presión atmosférica, lo que simplifica la instalación al no necesitar desgasificador. Por otra parte, la pendiente de la línea de vapor saturado en el diagrama T-s suele ser positiva, lo que tiene la gran ventaja de que la expansión de la turbina puede comenzar en vapor saturado sin riesgo a entrar en la zona de vapor húmedo. Además, las presiones críticas normalmente son menores a 75 bar, lo que implica que se puedan plantear ciclos supercríticos (presión del evaporador por encima de la crítica) con cierta facilidad. Existen básicamente dos configuraciones posibles: ciclo básico y ciclo regenerado. En el ciclo básico se introduce calor extraído del agua o salmuera procedente del recurso geotérmico en el evaporador del ciclo binario, para posteriormente devolverla al recurso. La |Figura 1| muestra un esquema del ciclo, apreciándose sus componentes: evaporador, turbina, condensador y bomba. Los componentes principales son simplemente los mostrados en la figura debido a las peculiaridades de los ORC |Figura 1| Esquema de un ciclo ORC básico
Fuente: Elaboración propia
51
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
comentadas antes. Así, no se requiere desgasificador por operar el condensador por encima de la presión atmosférica, y tampoco se emplean las habituales extracciones de la turbina para los precalentadores con objeto de extraer toda la energía posible del agua geotérmica. La disipación de calor del ciclo se realiza mediante torres de enfriamiento, frecuentemente de tiro forzado, dada la poca potencia de las plantas geotérmicas, o bien por aerocondensador. El ciclo regenerativo añade sobre la configuración anterior un intercambiador de calor que aprovecha la salida como vapor sobrecalentado de la turbina para caldear con ese sobrecalentamiento el fluido impulsado por la bomba antes de entrar en el evaporador. De esta forma se logra que el agua geotérmica no sea devuelta al pozo excesivamente fría (evitando así problemas de deposición de sales), o bien que pueda ser aprovechada para ceder calor de baja temperatura en ciertas aplicaciones. La |Figura 2| muestra un esquema de este ciclo. Una pregunta que puede surgir a la hora de acoplar un ciclo binario a una corriente de agua geotérmica es cuánto es conveniente enfriar dicho agua, desde un punto de vista estrictamente termodinámico. La pregunta surge porque si el agua se devuelve al recurso a una temperatura similar a la que se extrajo el rendimiento del ciclo será elevado, pero en cambio su producción eléctrica será reducida, para un caudal constante de agua. La |Figura 3| aporta la respuesta. En ella se ha representado la electricidad producida por un ciclo binario de eficiencia exergética constante para un caudal fijo |Figura 2| Esquema de un ciclo ORC regenerativo
Fuente: Elaboración propia
52
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | Avances de Ingeniería
|Figura 3| Potencia eléctrica frente al salto térmico del agua en el evaporador. La línea que une los máximos se corresponde con el máximo salto del agua
Fuente: Elaboración propia
de agua que entra en el evaporador a diferentes temperaturas, frente al salto térmico de dicho agua en el evaporador. Se aprecia que para cada temperatura la producción eléctrica alcanza un máximo, que ocurre precisamente con el mayor salto posible, es decir, enfriando el agua hasta la temperatura del foco frío considerado. Por tanto, la maximización de la producción eléctrica, al ser los rendimientos del ciclo más bien reducidos, viene de enfriar todo lo que técnicamente se pueda el agua.
Tipos de ciclos ORC Seguidamente se van a analizar algunos ejemplos para mostrar la adecuación de los diferentes tipos de ciclos. En todos los casos se va a suponer un caudal de agua procedente del recurso geotérmico de 1.000 m3/h a 150ºC. El foco frío será una torre de refrigeración que mantendrá la temperatura de condensación en 30ºC.
Ciclo subcrítico La |Figura 4| muestra el diagrama T-s del isobutano, siguiendo un ciclo subcrítico con una presión de entrada en turbina de 17,5 bar y 4 bar de salida. Las peculiaridades del fluido orgánico hacen que aunque se alimente la turbina con vapor saturado la salida de la misma carezca de humedad. 53
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 4| Ejemplo de ciclo subcrítico con isobutano
Fuente: Elaboración propia
A la hora de adaptar el ciclo al recurso es preciso seleccionar la presión de entrada en la turbina (presión del evaporador) adecuada. La |Figura 5| muestra que a medida |Figura 5| Variación del rendimiento del ciclo subcrítico y del calor extraído del recurso con la presión de entrada en turbina
Fuente: Elaboración propia
54
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
que crece la presión de evaporación aumenta el rendimiento del ciclo pero decrece el calor extraído del recurso, lo que supone que el producto de ambas funciones (la potencia eléctrica producida) tendrá un máximo, tal como se ve en la |Figura 6|. Dicha figura además muestra que la potencia eléctrica producida es muy sensible a la presión de trabajo. Se obtienen 11 MWe a partir de 95 MWt, lo que supone una eficiencia de 11,5%. La |Figura 7| muestra el diagrama T-Q del evaporador, determinándose a partir de ella un acercamiento mínimo de 10 K y una temperatura de reinyección al pozo de 68ºC. |Figura 6| Determinación de la presión óptima en el ciclo subcrítico
Fuente: Elaboración propia |Figura 7| Diagrama T-Q del ciclo subcrítico
Fuente: Elaboración propia
55
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Ciclo supercrítico La |Figura 8| muestra el diagrama T-s del propano siguiendo un ciclo supercrítico, con una presión de entrada en turbina de 50 bar y 10,8 bar de salida. En esta ocasión la entrada a la turbina es vapor sobrecalentado (realmente en estado supercrítico), teniendo nuevamente vapor en ese estado a la salida de la misma. |Figura 8| Ejemplo de ciclo supercrítico con propano
Fuente: Elaboración propia
La |Figura 9| muestra una leve variación de la eficiencia del ciclo con la presión de evaporación, siendo el calor extraído del recurso casi constante. Por tanto, la potencia eléctrica (|Figura 10|) presenta un máximo, pero mucho menos acentuado que en el caso subcrítico. Se obtienen 12,5 MWe a partir de 102,4 MWt, lo que supone una eficiencia de 12,2%. La |Figura 11| muestra el diagrama T-Q del evaporador, determinándose a partir de ella un acercamiento mínimo de 10 K y una temperatura de reinyección al pozo de 62ºC. Nótese que al estar el fluido orgánico en condiciones supercríticas en el evaporador su perfil en el diagrama T-Q ha de evaluarse punto a punto, siendo el acercamiento en la entrada y salida del evaporador bastante mayor que en el interior.
Ciclo supercrítico para cogeneración El fluido orgánico puede elegirse de tal modo que a la salida de la turbina se disponga de una temperatura para producir calor aprovechable, pasando así a tener una planta de cogeneración. En la |Figura 12| se muestra el resultado obtenido al emplear R125 como fluido orgánico. Se aprecia cómo la temperatura de salida de la turbina puede situarse en 99ºC, suficiente para calefacción domestica. Elevar dicha temperatura presenta el coste de reducir la potencia eléctrica. Así, para 40 bar de 56
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 9| Variación del rendimiento del ciclo supercrítico y del calor extraído del recurso con la presión de entrada en turbina
Fuente: Elaboración propia |Figura 10| Determinación de la presión óptima en el ciclo supercrítico
Fuente: Elaboración propia |Figura 11| Diagrama T-Q del ciclo supercrítico
Fuente: Elaboración propia
57
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 12| Evolución de la potencia eléctrica y la temperatura de salida de turbina según la presión del evaporador en el ciclo supercrítico para cogeneración
Fuente: Elaboración propia
presión en el evaporador se producen 9,3 MWe a partir de 117,4 MWt, lográndose recuperar 11,5 MWt con un salto de temperaturas de 80ºC/99ºC. En el ciclo descrito la reinyección se produce a 49ºC, pero podría aumentarse empleando un regenerador que con los 80ºC disponibles aguas abajo de la extracción del calor para usos térmicos precalentase el R125 a la salida de la bomba (|Figura 13|). |Figura 13| Disposición de los equipos para la planta supercrítica con cogeneración
Fuente: Elaboración propia
58
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
Implantación Una de las ventajas de los ciclos orgánicos es que producen plantas muy compactas comparadas con las de Rankine con vapor de agua, debido a la simplicidad de sus componentes y a la condensación por encima de la presión atmosférica. A modo de ejemplo se puede citar que una central de carbón requiere una superficie de unas 8,5 ha/MWe, mientras que una nuclear se sitúa entre 2,2 y 4,5 ha/MWe. Por el contrario, una planta geotérmica con ciclo binario oscila entre 0,5 y 3,5 ha/MWe, es decir, comparable con una nuclear (muy compactas), pudiendo ser incluso menor.
Conclusión A lo largo de este capítulo se ha visto que los yacimientos estimulados presentan un gran futuro, una vez se superen algunas barreras como la profundidad de perforación y la creación de fracturas adecuadas. En cuanto a la tecnología de ciclos ORC puede decirse que es bien conocida (desde la década de los 80 del siglo pasado), y en los tamaños de interés para la geotermia (mayores de 500 kWe) no presenta dificultades. Estos ciclos pueden ser subcríticos y supercríticos, siendo sus principales características las siguientes: Ciclos subcríticos: • Se posee más experiencia con ellos. • La producción eléctrica es muy sensible a la presión del evaporador, lo que supondría una fuerte caída si se trabajase en carga parcial. • No presentan capacidad para trabajar en cogeneración. Ciclos supercríticos: • Su uso no está extendido. • Presentan una casi nula sensibilidad de la potencia eléctrica producida a la presión del evaporador, lo que permitiría mantener el rendimiento si operasen en carga parcial. • Según el fluido seleccionado existe la posibilidad de operar en cogeneración. |•|
59
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia somera. Aplicaciones prácticas Marcel Hendriks – IFTec GeoEnergía
Geotermia somera Consideremos que la geotermia somera funciona a 200 o 300 metros de profundidad. Dicha geotermia podrá utilizarse para dos fines distintos, como se puede ver en la |Figura 1|: • Para acondicionamiento de un cierto local (mediante Bomba de Calor Geotérmica, BCG). • Para almacenar energía en el terreno (Almacenamiento Subterráneo de Energía Térmica, ASET) usándolo como acumulador. Además, distinguiremos sistemas abiertos de cerrados. Los abiertos sólo son posibles si hay un acuífero en el emplazamiento y si existe la posibilidad de realizar pozos que nos permitan retirar o inyectar agua en el acuífero. En cuanto a los cerrados, se depende menos de las circunstancias hidrogeológicas del terreno, siendo posibles siempre en teoría. Ambos tipos podrán usarse para BCG o para ASET. |Figura 1| Usos de la energía geotérmica somera
Fuente: Elaboración propia
61
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Aplicaciones prácticas Podemos resumir en la siguiente tabla (|Tabla 1|) las aplicaciones prácticas en las que nos centraremos a continuación. |Tabla 1| Aplicaciones prácticas de la energía geotérmica somera
Fuente: Elaboración propia
Metro Pacífico, Madrid Se trata de un sistema cerrado, con una sala técnica donde se encuentran varias bombas de calor, así como un intercambiador de placas y las salas a climatizar (andenes, sala tic y zonas comerciales). La demanda de frío es lo más importante en este |Figura 2| Instalación geotérmica Metro Pacífico (Madrid)
Fuente: Elaboración propia
62
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
sistema, sabiendo que su demanda térmica es de 120 kW mientras que de calor es mucho menor, lo cual supuso un gran reto ya que el mismo sistema tenía que ser válido para estas dos operaciones, desequilibrando mucho el terreno. Para solucionarlo, se ha visto el interés de la refrigeración directa mediante cortina de aire y fan coils. Algunas simulaciones considerando la refrigeración directa nos demuestran que se consigue mantener constante la temperatura del terreno. La instalación, representada en la |Figura 2|, tiene 32 sondeos de hasta 145 metros de profundidad. En total hay tres bombas de calor conectadas al campo de sondeos, dos de ellas no son reversibles (sólo para refrigeración en verano) y otra reversible útil para su uso como calefacción en invierno.
Hospital de Mollet, Barcelona Consta de 144 sondeos dispuestos en 4 grupos con más de 20 km, lo que da una idea de la gran envergadura de este proyecto. Se trata, de hecho, del sistema cerrado más grande de España y uno de los más grandes de Europa. |Figura 3| Instalación geotérmica del Hospital de Mollet (Barcelona)
Fuente: Elaboración propia
63
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
El sistema es usado para calefacción y refrigeración (|Figura 3|), con una potencia total de 1.200 KW en calefacción y 1.000 KW en refrigeración, con dos bombas de calor geotérmicas con 600kW cada una de potencia de calefacción y 500kW de refrigeración. El sistema geotérmico aporta sólo la base de la demanda total de calefacción, de manera que el sistema está dimensionado para alimentar a la demanda base, aportándose energía en los picos mediante otros sistemas convencionales. Lo mismo para la refrigeración. Todo el sistema está pensado para refrigerar de manera directa, total o parcialmente.
Varios sistemas abiertos en los Países Bajos Especialmente interesantes son los proyectos de IKEA en Duiven, y del campus de la Universidad TU/e de Eindhoven. A estos proyectos corresponden los datos de las tablas mostradas en la |Tabla 2|. |Tabla 2| Proyectos geotérmicos de los Países Bajos
IKEA – Duiven – Potencia de refrigeración: 930 kW – Aporte anual de frío: 370 MWh – Potencia de calefacción: 740 kW – Aporte anual de calor: 450 MWh – Caudal máximo: 80 m3/h – Número de pozos: 2 (doblete)
Universidad TU/e - Eindhoven – Potencia de refrigeración: 20 MW – Aporte anual de frío >15 GWh/a – Caudal máximo: 2.250 m3/h – Número de pozos: 2 x 18 – Temperatura lazo frío máx. 8°C – Temperatura lazo caliente min. 15°C – Plazo de retorno: 7-8 años
Fuente: Elaboración propia
Conclusiones Podemos citar los siguientes puntos a modo de resumen y conclusión: • Existen muchos tipos diferentes de geotermia. • Tecnologías existentes utilizadas desde hace años en varios países como sistemas de climatización viables, técnica y económicamente. • La aplicación más adecuada depende del proyecto y la hidrogeología local. • Se recomienda en fase preliminar realizar un estudio de viabilidad. ––Cargas y demanda térmicas. ––Hidrogeología local. 64
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
• Actualmente en España la geotermia de baja entalpía se encuentra en fase de introducción, a pesar de existir un elevado mercado potencial. • La experiencia obtenida en otros países confirma que la geotermia contribuye a la mejora de los sistemas energéticos. |•|
65
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Yacimientos de media entalpía y sistemas geotérmicos estimulados José Sánchez Guzmán – Tecnologías y Recursos de la Tierra
Definiciones Refiriéndose al ámbito general de la geotermia, la clasificación comúnmente admitida actualmente de los yacimientos geotérmicos es la siguiente |Tabla 1|: • Yacimientos de alta entalpía: T > 150ºC. • Yacimientos de media entalpía: T = 100-150ºC. |Tabla 1| Definiciones y condiciones de existencia de yacimientos geotérmicos
Fuente: Elaboración propia
67
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
• Yacimientos de baja entalpía: T < 100ºC. • Sistemas Geotérmicos Estimulados: T = 180-200ºC con baja permeabilidad. Restringiéndose al objetivo del presente capítulo, los yacimientos de media entalpía tienen lugar en grandes cuencas sedimentarias con gradiente geotérmico normal a profundidades de 3.500-4.000 m, donde se alcanzan los 100-140ºC, o bien en áreas de basamento fracturado con gradientes geotérmicos anómalos a profundidades de 2.0002.500 m, donde se alcanzan los 100-130ºC. Este rango de temperatura permite en la actualidad la producción de electricidad mediante el empleo de centrales de ciclo binario. Por otra parte, los sistemas geotérmicos estimulados tienen como objetivo el aprovechamiento del calor almacenado en rocas duras del basamento fracturado con baja permeabilidad natural, que es necesario aumentar mediante estimulación hidráulica. Estas rocas situadas a profundidades de 4-5 km se encuentran habitualmente a temperaturas superiores a los 160-180ºC. La extracción de energía se produce mediante inyección y extracción de agua en un par de sondeos profundos comunicados entre sí mediante fracturas estimuladas. El área de fracturas entre ambos sondeos (el de inyección y el de extracción) constituye un intercambiador o almacén artificial. La producción de electricidad en superficie se realiza habitualmente mediante un sistema de ciclo binario. Por lo tanto, las condiciones que existen de Sistemas Geotérmicos Estimulados se pueden concretar en: • Existencia de roca dura (cristalina o metamórfica). • Fracturación de baja permeabilidad. • Gradiente geotérmico ligeramente anómalo. Existen tres factores que condicionan la viabilidad técnica de estos Sistemas Geotérmicos Estimulados (|Figura 1|): • Extensión del intercambiador subterráneo. La superficie del intercambiador debe ser suficientemente grande para permitir un aumento elevado de la temperatura. • Pérdidas de agua en las fracturas, que deben ser lo más bajas posibles para evitar consumos y costes excesivos. • Impedancia de flujo bajo. Se define como el incremento de presión necesaria para extraer una unidad de caudal del sistema. Si el valor de impedancia de flujo bajo es elevado, el sobrecoste por consumo energético es muy alto.
Ejemplos de realización Yacimientos de media temperatura Existen en Alemania dos ejemplos muy tradicionales y conocidos de este tipo de explotaciones. 68
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 1| Concepto de EGS
Parámetros de evaluación de explotaciones de sistemas estimulados .-Super cie de intercambio calorí co. .-Pérdidas de uido de inyección (agua). .-Impedancia de ujo. Pi ny –P pro/ Q
Fuente: Elaboración propia
En Múnich, cuenca sedimentaria de Baviera en área de gradiente geotérmico normal, en la ciudad de Unterhaching a la profundidad de 3.500 m el agua está a 122ºC, y gracias a un ciclo kalina (fluido binario mezcla de agua y amoniaco) se produce electricidad y se suministra calefacción mediante district heating (|Figura 2|). En Landau, Valle del Rhin, con una ligera anomalía geotérmica a 3.000 m de profundidad se produce agua a unos 150ºC. Se genera electricidad mediante ciclo ORC (Rankine) y se suministra calefacción mediante district heating (|Figura 3|). 69
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 2| Esquema de aprovechamiento de media temperatura en Unterhaching
Fuente: Elaboración propia |Figura 3| Esquema de aprovechamiento de media temperatura en Landau
Fuente: Elaboración propia
70
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
Sistema Geotérmico estimulado En Francia, en el Valle del Rhin, en Soultz-sous-Forêts (cerca de Estrasburgo) se inicia actualmente la producción de electricidad extrayendo la energía de una zona estimulada a 4.500-5.000 m de profundidad, con temperatura de 180-200ºC y muy buenas condiciones hidráulicas: bajo consumo de agua y baja impedancia de flujo. En la |Figura 4| se presenta la localización geográfica y un esquema de funcionamiento. |Figura 4| Localización y esquema de ensayos en el proyecto de EGS en Soultz-sous-Forêts
Fuente: Elaboración propia
Potencial en España Los estudios llevados a cabo en España han puesto de manifiesto las posibilidades de existencia de yacimientos de media temperatura y de sistemas geotérmicos estimulados en el subsuelo peninsular. En la |Figura 5| se presentan las posibles ubicaciones de yacimientos de estos tipos, siempre de acuerdo a los estudios generales realizados y a las perforaciones de exploración de hidrocarburos existentes. En cuantos a los primeros, hay datos que confirman su existencia en el Prepirineo (área de Jaca), Cuenca de Madrid y Cuenca del Guadalquivir (Lebrija). En cuanto a los segundos, la información geológica 71
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 5| Posibles emplazamientos de yacimientos de media temperatura y Sistemas EGS
Fuente: Elaboración propia
existente permite seleccionar áreas de Galicia, Sistema Central, Depresión Interna de Cataluña y Sierra Morena (Córdoba y Sevilla), como de posible existencia de condiciones apropiadas para el desarrollo de Sistemas Geotérmicos Estimulados (EGS).
Yacimientos de media temperatura Como ejemplos de las posibilidades de este tipo de recursos, en las |Figuras 6 y 7| se presentan datos de los sondeos de hidrocarburos perforados en la Cuenca de Madrid y en la Cuenca del Guadalquivir, ambas con almacenes geotérmicos a 3.400-3.500 m y temperatura de 140-150ºC. En el primer caso, en la Cuenca de Madrid (zona norte de la ciudad) se perforó en 1979-80 un sondeo de hidrocarburos –El Pradillo1– que alcanzó a 3.419 m los terrenos paleozoicos del basamento. Anteriormente, atravesó materiales carbonatados y detríticos del Cretácico, que durante un ensayo de formación evidenciaron contener agua salada a 140-150ºC. La interpretación del mismo permitió 72
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 6| Sondeo El Pradillo, Madrid. Ensayos de formación en el almacén cretácico. Yacimiento de media temperatura
Fuente: Elaboración propia
asignar a la formación una permeabilidad muy baja, lo que obligará, caso de explotarse en un futuro, a la realización de una estimulación. En el segundo caso, Cuenca del Guadalquivir, en las proximidades de Lebrija, se perforó en 1985 un sondeo de hidrocarburos –Bética 14.1– que a partir de 3.440 m interceptó materiales carbonatados del Jurásico, muy permeables, conteniendo agua salada. El estudio de temperaturas medidas durante la ejecución de las diagrafías permitía suponer la existencia de temperaturas superiores a 130ºC. Un registro de temperatura llevado a cabo en 1995 hasta la profundidad de 3.100 metros midió 139 ºC, lo que permite deducir que el almacén situado a 3.450 metros esté a 150ºC.
Sistemas Geotérmicos Estimulados De acuerdo con los conocimientos adquiridos en multitud de estudios y proyectos de investigación de energía geotérmica, en áreas de Galicia y Cataluña |Figuras 8 y 9| se presentan esquemas geológicos que pueden dar lugar a la existencia de zonas de baja permeabilidad a profundidades de 4-5 km, permitiendo la posibilidad de desarrollo de Sistemas Geotérmicos Estimulados. Galicia constituye un ejemplo de posible Sistema Geotérmico Estimulado en áreas de terrenos cristalinos y metamórficos fracturados no asociados a fosas distensivas. 73
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 7| Sondeo Bética 14.1. Esquema geológico, de acabado y perfil de temperaturas. Yacimiento de media temperatura
Fuente: Elaboración propia
74
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de entalpía intermedia | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 8| Modelo EGS en Galicia
Fuente: Elaboración propia |Figura 9| Modelo EGS en la depresión del Vallès (Barcelona)
Fuente: Elaboración propia
75
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Se trata de una región geotérmica muy importante, de hecho es conocida por la abundancia de aguas termales, cuyo estudio llevó al Instituto Geológico y Minero de España a la conclusión de que existen a profundidades de 1-2 km, aproximadamente, áreas de acumulación de aguas muy calientes, alcanzando los 100-120ºC (hay que tener en cuenta que las aguas termales brotan ya en algunos lugares a unos 70ºC). Estas zonas de acumulación de aguas muy calientes están siempre asociadas a grandes fracturas regionales de desplazamiento, de dirección predominante NE-SO, e interceptadas por fracturas ortogonales a las mismas. En el cruce de ambos sistemas de fracturación es donde se crea la permeabilidad suficiente como para que asciendan las aguas termales al exterior. Otros estudios geotérmicos, que incluían determinaciones isotópicas específicas, han permitido concluir que existen aportaciones de aguas aun más profundas, posiblemente de 4-5 km de profundidad y temperatura en origen de 200-220ºC, desde donde escapan hacia los almacenes situados a 1-2 km antes comentados. Se tendrían así yacimientos de media temperatura (100-120ºC) a 1-2 km de profundidad y Sistemas Geotérmicos Estimulados a 4-5 km de profundidad y 200-220ºC de temperatura. En el caso de Cataluña se trata de fosas distensivas de dirección NE-SO, que a profundidades de 800-1.000 m contienen en sus fracturas de borde agua a 80-90ºC captada por algunos sondeos. La investigación realizada revela que el gradiente geotérmico se mantiene en profundidad, de forma que, como ocurre en el Valle del Rhin, a 5 km de profundidad se alcanzarán almacenes con baja permeabilidad a temperatura de unos 200ºC. |•|
76
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Capítulo IV Geotermia de alta entalpía
1. El desarrollo de la geotermia profunda en España: proyectos y oportunidades Autor: Raúl Hidalgo Empresa: Petratherm Cargo: Petratherm’s Spanish Manager
3. Sondeos Profundos Autor: Juan Torres Empresa: Sondeos profundos Cargo: Sondeos Profundos
2. Aprovechamiento de recursos geotérmicos para producción de electricidad en las Azores Autor: Rui Pedro Martins Cabeças Empresa: Sogeo Cargo: Director de Recursos Geotérmicos de la Sociedade Geotérmica dos Açores
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
El desarrollo de la geotermia profunda en España: proyectos y oportunidades Raúl Hidalgo – Petratherm
Introducción La geotermia es una energía gestionable de producción continua, a diferencia de otras renovables, con un bajo o nulo nivel de emisiones y capacidad de disponibilidad grande. Las nuevas tecnologías están aportando mucho al desarrollo de la geotermia, permitiendo que en la actualidad estemos asistiendo al comienzo del desarrollo industrial en tecnologías tales como los Sistemas Geotérmicos Estimulados (EGS) y los sistemas asociados a acuíferos profundos. Todo ello convierte a la geotermia en un campo atractivo para las empresas que quieran invertir en energías renovables en los próximos años.
Tecnologías innovadoras • Los sistemas geotérmicos asociados a acuíferos profundos consisten en la extracción de fluidos normalmente de media y baja temperatura (150-100ºC), situados a profundidades, por lo general, superiores a los 3.000 m. Los retos tecnológicos mas importantes en esta tecnología radican en la generación eléctrica a partir de un rango de temperaturas no muy elevado y la perforación de sondeos profundos. • Se denominan Sistemas Geotérmicos Estimulados (EGS) a todos aquéllos que necesitan de la mano del hombre para poder funcionar, ya que de forma natural no serían ni técnica ni económicamente viables. Los retos tecnológicos de estos sistemas se encuentran en la mejora de la permeabilidad de los almacenes a través de su estimulación artificial y en la perforación de sondeos profundos, por regla general por encima de los 4.000 m de profundidad. Por otra parte, existen una serie de factores que hacen que el desarrollo de estas nuevas tecnologías no sea un reto fácil: • Mejora del conocimiento de los recursos. En el caso de España, como el de otros países europeos donde se carece de manifestaciones geotérmicas superficiales, 79
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
se requiere de un esfuerzo importante en la mejora del conocimiento del subsuelo que nos permita establecer con mayor fiabilidad las áreas de mayor potencial geotérmico bajo la superficie. • Incentivos a la investigación. Esta investigación inicial es costosa y no exenta de riesgos, con lo que se requieren ayudas a la investigación que propicien que la iniciativa privada muestre interés por el desarrollo de estas nuevas tecnologías.
Situación actual de la geotermia en el mundo En cuanto a la producción eléctrica mediante geotermia (casi 11.000 MW eléctricos instalados en todo el mundo) cabe destacar el cambio o punto de inflexión que se produce en el crecimiento de la potencia instalada a partir de los años 80, y la mejora de la eficiencia en la generación eléctrica en los últimos años, como puede verse en la |Figura 1|. Además, la geotermia puede jugar un papel importante en la producción térmica (de calor y frío). Para que nos hagamos una idea, en el año 2009 el 48% de la energía consumida en Europa era energía térmica, y ya hoy día una importante cantidad de ella se produce mediante renovables. La geotermia podría contribuir de una manera importante dentro del sector térmico en Europa en los próximos años. En cuanto a costes y recursos (|Figura 2|), la geotermia se caracteriza por unos recursos realmente importantes, aunque muy poco explotados hasta ahora (el 1% de los
|Figura 1| Potencia geotérmica mundial instalada
Fuente: Elaboración propia
80
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de alta entalpía | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 2| Estado de la geotermia
Fuente: Elaboración propia
recursos estimados sería suficiente para cubrir las necesidades de energía del planeta durante 3.500 años). Además, la geotermia estimulada cuenta con un potencial 1.400 veces superior a los recursos convencionales. En cuanto a costes de inversión, la investigación y exploración del proyecto juegan un papel fundamental por causa del riesgo económico que supone, debido a la fuerte cantidad de dinero a invertir en la fase de investigación inicial en la que todavía no hay certeza de que los recursos sean suficientes en cantidad y calidad para justificar el pase a la fase de desarrollo del proyecto. Las nuevas tecnologías de generación de energía geotérmica y baja temperatura –las que mayores probabilidades de desarrollo tienen en el futuro– pueden llegar a ser competitivas con otras formas de energía renovables hacia el año 2030 (|Figura 3|) gracias a que se espera una significativa reducción de costes de la tecnología asociada, ya que el desarrollo del sector lleva acompasada la mejora de la curva de aprendizaje (15% baja entalpía y 20% para proyectos EGS). En definitiva, se puede decir que la geotermia y sus distintas tecnologías tienen todavía un gran margen de mejora en cuanto a reducción de costes, haciéndola atractiva en un futuro próximo a la hora de competir con otras tecnologías de producción más consolidadas. 81
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 3| Futuro de las energías renovables
Fuente: Elaboración propia
mico
Fases en un proyecto geotérmico Comentados los aspectos que hacen interesante el desarrollo de la geotermia, interesa mencionar las cinco fases que conlleva un proyecto de geotermia (identificación, exploración, viabilidad, desarrollo y explotación), tal y como queda resumido en la |Tabla 1|. En la primera de las fases importantes, la identificación de recursos, casi nunca se parte de cero; en nuestro país partimos de ciertos estudios e informes, especialmente del IGME, que nos orientan en la selección de las zonas de interés a gran escala. A partir de ahí, se realizan estudios de investigación un poco más precisos para finalmente solicitar los permisos de explotación e investigación del yacimiento. En cuanto a la exploración, el objetivo último es definir el blanco de perforación con el mínimo riesgo. Consta de las fases siguientes: • Geología: cartografía geológica y cartografía estructural. • Geoquímica: de suelos, de aguas y de gases. • Geofísica: gravimetría, magnetotelúrico, sísmica de reflexión y sondeos de gradiente. La etapa de viabilidad utiliza como herramienta fundamental los sondeos geotérmicos, indicándonos éstos si finalmente un proyecto es viable, de manera que: 82
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de alta entalpía | AVANCES DE INGENIERÍA
|Tabla 1| Fases de un proyecto geotérmico
IDENTIFICACIÓN
EXPLORACIÓN
VIABILIDAD
DESARROLLO
EXPLOTACIÓN
TIPO LICENCIA
P. Exploración
P. Investigación
C. Explotación
Tiempo 1 año
Tiempo 1,5 años
Tiempo 2 años
Tiempo 2 años
Coste 200.000€ - 1 M€
Coste 2-5 M€
Coste 26 M€
Coste 100 M€
Exploración básica Geoquímica Geofísica Hidrogeología Sondeos someros
Sondeos exploratorios Estudio del reservorio geotérmal confirmación viabilidad (proof of concept)
Sondeos de explotación sistema de conducción Diseño Planta y Construcción
Funcionamiento de Planta COntrol Campo Geotermal Exploración nuevas zonas
Determinar el modelo geotérmico preliminar y seleccionar la mejor ubicación de los pozos investigación
Verificar las características del yacimiento y determinar la conveniencia tecnica y económica de su explotación
Crear las condicciones para una correcta explotación del yacimiento
Optimizar el rendimiento de la planta Exploración de nuevos recursos para el futuro
ESTUDIOS O TAREAS A REALIZAR Modelos conceptuales Geología Geoquímica Hidrogeología Solicitud permisos
OBJETIVOS Localizar las areas con mejores posibilidades de albergar un almacen geotérmico
Fuente: Elaboración propia
• La viabilidad del proyecto está íntimamente ligada a la confirmación de la existencia del recurso y su calidad. • Los sondeos geotérmicos son la herramienta fundamental de esta fase. • El sondeo geotérmico primero nos confirmará la existencia de temperaturas y caudales que hagan el proyecto económicamente viable. • Posteriormente será necesario dimensionar el proyecto y confirmar la circulación de fluidos con la realización de sondeos geotérmicos adicionales. • Una vez obtenidos estos datos se finaliza la viabilidad del proyecto y se toma la decisión de pasar a la fase de desarrollo. • Se necesitan programas de mitigación de riesgo a la perforación en esta fase clave. Una vez finalizada de forma positiva la viabilidad técnico-económica del proyecto se procede al desarrollo industrial del mismo. Este desarrollo consiste en completar el desarrollo de subsuelo (la cantidad de pozos necesarios para extraer la energía necesaria que alimentará la planta en superficie, y los sondeos de inyección necesarios para retornar los fluidos extraídos de nuevo al almacén) y la construcción de la planta geotérmica en superficie. 83
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Solamente el desarrollo de medidas de estímulo, tales como la tarifa regulada, y otros mecanismos, tales como los seguros a la perforación y las ayudas a proyectos de renovables singulares y estratégicos y el apoyo a proyectos de demostración, harán posible el impulso de esta fase de desarrollo de estas tecnologías geotérmicas que se encuentran todavía en una fase experimental. Finalmente, llegaríamos a la fase de explotación. Es importante recordar como conclusión que todos los esfuerzos que se dediquen a la mejora del conocimiento de los recursos en las fases iniciales de la investigación tendrán un efecto positivo en las fases posteriores del proyecto, reduciendo las incertidumbres técnicas y económicas, y permitiendo afrontar los proyectos geotérmicos con mayores garantías de éxito. |•|
84
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aprovechamiento de recursos geotérmicos para producción de electricidad en las Azores Rui Pedro Martins Cabeças – SOGEO
Introducción A nivel mundial, las Azores son realmente modestas en cuanto a producción geotérmica, aunque esto es comprensible debido al reducido tamaño de las islas (|Figura 1|). Sin embargo, se trata de islas muy interesantes desde el punto de vista geotérmico, y curiosamente muy parecidas a las Canarias desde este punto de vista. La causa de la cantidad de recursos geotérmicos disponibles en las islas la encontramos en que justo en ellas se produce una conjunción de tres placas. Las islas están muy dispersas entre sí, teniendo cada una su propio e independiente sistema de producción eléctrico, como puede observarse en la |Figura 2|. Además, están en creciente desarrollo económico, lo que implica un aumento de la demanda eléctrica. |Figura 1| Islas Azores
Fuente: Elaboración propia
85
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 2| Sistema de producción eléctrico geotérmico
Fuente: Elaboración propia
No obstante, los sistemas eléctricos pequeños no son económicamente rentables, lo que hace que la responsabilidad de producir esta energía sea toda pública. La geotermia es única en los aspectos de disponibilidad y fiabilidad, lo que la hace interesante a la hora de sustituir grupos térmicos por grupos geotérmicos, aportando típicamente la base de la carga.
Proyecto geotérmico de San Miguel La isla más importante es San Miguel, donde hay varios volcanes y se sitúan varias plantas ya en explotación. Dentro del proyecto geotérmico de San Miguel, cabe destacar el campo geotérmico de Ribeira Grande, distinguiendo dos yacimientos importantes: “sector do Pico Vermelho” y “sector de Cachoços-Lombadas” (|Figura 3|). Aunque ya se tiene un gran conocimiento del terreno, una de las actividades de mayor riesgo es la perforación: la profundidad de los pozos puede variar entre los 800 m y los más de 2.000 m. Los pozos son generalmente construidos en tres etapas, finalizados con diámetro de 12-1/4’’ en el interior del reservorio. Habitualmente el contrato se basa en una tarifa diaria y el riesgo está del lado del promotor. El tiempo de ejecución es, de media, entre 25-30 días de trabajo, y puede variar significativamente dependiendo del tipo de terreno, problemas de perforación, capacidad del sondeo y del desempeño de los equipos. Sin duda, vale la pena centrarse en la descripción de los proyectos más importantes llevados a cabo en San Miguel: • Pico Vermelho: se trata de una planta piloto que ha estado operativa durante 25 años y ha servido como una preciosa escuela de entrenamiento del equipo 86
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de alta entalpía | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 3| Yacimientos de la isla San Miguel
Fuente: Elaboración propia
técnico en la operación y mantenimiento de pozos y del equipo de generación. Fue instalada hace 30 años, siendo entonces la primera planta geotérmica de las Azores. Sus fases y características fueron: ––1973-1980: prospección de superficie y perforación exploratoria del campo geotérmico de Ribeira Grande. ––1980-2005: explotación de la planta piloto. ›› Constructor: Mitsubishi. ›› Capacidad nominal: 3 MW. ›› Suministro de vapor: 56 t/h @ 5,1 bar.a. ›› Resultados de operación: 84 GWh in 136 khoras. • Ribeira Grande, sector Cachoços-Lombadas: empieza la explotación industrial de la energía geotérmica en las Azores con este proyecto en 1994 (fase A), con una capacidad instalada de 2x2,5 MW. Posteriormente (1998) se lleva a cabo la fase B, mediante una ampliación de la capacidad instalada a 2x4 MW. Está situado en una reserva natural, luego los condicionantes medioambientales son muy importantes. • Nueva planta do Pico Vermelho: se trata del proyecto geotérmico más ambicioso emprendido por las Azores. Consiste en la desactivación de la planta piloto antes mencionada para realizar una nueva con potencia de 10 MW y las características generales recogidas en la |Tabla 1|. Consta de un total de tres pozos más de producción y dos pozos de inyección realizados en 2005 (resultando en total cinco pozos de producción y dos de inyección) 87
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Tabla 1| Características técnicas de la nueva planta Pico Vermelho
Fuente: Elaboración propia
representados en la |Figura 4|. Como en los anteriores casos, utilizaría un ciclo binario Rankine con condensación con aire. La planta entra en marcha en 2006, cuya producción geotérmica se aprecia fácilmente en la |Figura 5|. Las fases del proyecto fueron las habituales, partiendo de un campo geotérmico ya conocido, ya que no incluye la fase de investigación y exploración del yacimiento. Especialmente delicada fue la fase de perforación, al tener un coste variable con todos los riesgos del lado del promotor, de manera que las pruebas de productividad previas fueron muy importantes. Si el recurso geotérmico no fuera finalmente el adecuado, el rendimiento final de la planta sería malo por muy buen diseño y construcción que se haga de la planta. |•|
88
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de alta entalpía | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 4| Esquema de la planta
Fuente: Elaboración propia |Figura 5| Producción geotérmica en San Miguel
Fuente: Elaboración propia
89
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Sondeos profundos Juan Torres – Sondeos Profundos
Introducción Los sondeos son perforaciones que se realizan en el terreno con dos fines fundamentales: conocer las características del terreno y alcanzar un objetivo. Los sondeos profundos se emplean en actividades relacionadas con las obras públicas, minería, recursos hidráulicos y medio ambiente para: • Geotecnia de obras lineales: túneles y obras subterráneas. • Prospección minera y caracterización geotécnica e hidrogeológica de yacimientos minerales. • Estudio, evaluación y explotación de acuíferos profundos. • Investigación y caracterización de almacenamientos subterráneos de: CO2 (secuestro), salmueras (inyección), residuos tóxicos y peligrosos, hidrocarburos, yacimientos geotérmicos y de petróleo. Según la actividad y objetivos a alcanzar, se habla de sondeos: a testigo continuo (es el más frecuente y recomendable), a destructivo (obtiene detritus y en algún caso, con rotopercusión inversa, muestras de agua) o sondeo mixto, destructivo/ testigo. Además, según la dirección pueden ser verticales, inclinados, horizontales o dirigidos. Pueden realizar sondeos de estas características ciertas compañías que tengan la maquinaria adecuada y personal capacitado, siendo muy recomendable utilizar equipos de diversas disciplinas como perforadores, geólogos e ingenieros para satisfacer los requerimientos de los proyectos. 91
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Fases de los sondeos Los sondeos aplicados a la geotermia están en el rango de profundidad existente entre los 1.000 m y 3.000 m. Se pueden distinguir dos fases: fase de exploración y la fase de explotación. En el sector, la perforación está bastante repartida entre varias empresas, aunque para sondeos de explotación hay que recurrir a empresas extranjeras debido a que no existe en España maquinaria para ello. A su vez, a la hora de comenzar la construcción de un sondeo para explotación distinguimos las fases de: ejecución (preparación de accesos y emplazamientos, perforación, testificación geofísica, entubación, engravillado y cementado, limpieza y desarrollo y acabado final, incluyendo restauración de los terrenos), evaluación (cuantitativa y cualitativa, además del desarrollo de un control de calidad) y finalmente redacción de un informe final. Para ello, antes habrán tenido que ser tomados en cuenta ciertos parámetros básicos de diseño en la construcción de un sondeo: profundidad, diámetro de perforación y entubación, y finalmente litología (perforabilidad).
Métodos de perforación Podemos clasificar los distintos métodos de perforación como sigue: • Simultaneidad en las operaciones de perforación del terreno y extracción del detritus: continuos y discontinuos. • Procedimiento de arranque del material perforado: rotación y rotopercusión. • Sentido de circulación del fluido de la perforación: directa e inversa (|Figura 1|). Cada método tiene sus ventajas y desventajas. Así, por ejemplo, para el sistema de rotación a circulación inversa podemos citar dos ventajas: por una parte, se trata de un método muy apropiado para realización de sondeos en terrenos detríticos (arenas, limos de arcillas, etc.) con grandes rendimientos en la perforación, y por otra, garantiza la verticalidad. Por el contrario, presenta como inconvenientes que no es recomendable en materiales de dureza media, no es apropiado a terrenos muy permeables e inestables por el peligro de derrumbes y, finalmente, no es apropiado para perforar en zonas no saturadas de acuíferos calcáreos muy carstificados. Por otra parte, podemos decir que las ventajas del sistema de rotopercusión son fundamentalmente: rapidez de ejecución, obtención de información que permite su evaluación durante la fase de ejecución, y toma de decisiones durante la ejecución referentes a ensanches y entubaciones; por tanto, se trata de un método muy adecuado para rocas duras y tiene poco requerimiento de agua para la perforación. En cuanto a sus inconvenientes: tiene problemas de verticalidad, poca capacidad de respuesta ante los problemas habituales de perforación, poca efectividad en terrenos blandos de tipo detrítico y la profundidad viene condicionada por la capacidad del compresor. 92
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Geotermia de alta entalpía | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 1| Sentido de circulación del fluido de la perforación
SARTA DE PERFORACIÓN
CIRCULACIÓN DIRECTA
ROTACIÓN
CIRCULACIÓN INVERSA
ÚTIL CORTANTE
PERCUSIÓN
Fuente: Elaboración propia
La perforación por corte se realiza con bocas cuya estructura dispone de elementos de carburo de tungsteno u otros materiales. En la |Figura 2| podemos ver bocas tipo trialetas y triconos. En cuanto a la comparación de los sistemas de circulación directa-inversa en rotopercusión, mostramos la |Tabla 1|. |Figura 2| Elementos de corte
TRIALETAS
TRICONOS
Fuente: Elaboración propia
93
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Tabla 1| Sistemas de circulación directa-inversa en rotopercusión
DIRECTA
INVERSA
– Coste económico bajo – Disponibilidad de equipos en el mercado
– Mejor información geológica hidrogeológica – Menor erosión de las paredes y menos pérdida de aire, por lo que tiene más capacidad de perforación en terrenos problemáticos – Más adecuada que la directa en diámetros y profundidades grandes
Fuente: Elaboración propia
Procedimientos garantes de seguridad y calidad En cuanto a la testificación geofísica, resulta una herramienta fundamental para el aseguramiento de la calidad de la obra. En los sondeos de explotación es imprescindible diseñar la columna de entubación, verificar la calidad constructiva referente a la verticalidad y detectar previamente posibles problemas en las operaciones de entubación y equipamiento. Terminada dicha fase, se procede a la entubación del sondeo necesaria para evitar derrumbes o pérdidas del fluido de perforación. Los materiales utilizados podrán ser: acero al carbono (es el más habitual), acero inoxidable (para el sector de la industria de alimentación y aguas minerales) y PVC-U roscado (en condiciones de bajo caudal o aguas salobres). Finalmente, debe procederse al acabado y cierre del sondeo mediante las siguientes operaciones: desinfección con hipoclorito sódico, cierre en cabeza con brida atornillada o cabezal con válvula y manómetro, solera de hormigón con pendiente hacia el exterior, acondicionamiento de las balsas de lodos mediante la extracción de detritus y transporte al vertedero autorizado y, finalmente, restauración de accesos y emplazamientos. Tras haber finalizado todas las operaciones de construcción, hay que realizar un detallado informe final para su entrega al cliente. Este informe debe recoger las características constructivas de la obra realizada, así como el desarrollo de todas las operaciones, incidencias ocurridas y resultados obtenidos. También incluirá todas las fases de ejecución del sondeo reflejadas en un completo reportaje fotográfico. En definitiva, será un documento de consulta ante futuras actuaciones. |•|
94
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Capítulo V Climatización de edificios
1. Bombas de calor geotérmicas y contribución de calor renovable Autor: Miguel Zamora1 y Natividad Molero Villar2 Empresa: CIATESA Cargo: R&D Manager en Compañía Industrial de Aplicaciones Térmicas S.A.1 e Ingeniero Industrial del Departamento I+D2
2. Climatización de edificios. Técnicas de cimentación: pilotes geotérmicos Autor: Juan Antonio de Isabel Institución: Geoterm Cargo: Director Gerente
3. Ejemplos prácticos de instalaciones geotérmicas: consumos y ahorros Autor: Juan Pablo Mariño Merizalde Institución: GIROD Geotermia Cargo: Ingeniero de Minas 4. La energía geotérmica somera en la edificación Autor: Íñigo Arrizabalaga Institución: TELUR Geotermia y Agua S.A. Cargo: Director
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Bombas de calor geotérmicas y contribución de calor renovable1 Miguel Zamora García y Natividad Molero Villar – Departamento de I+D+i de CIAT en España
Introducción Mucho se ha escrito ya en los últimos años en España sobre la energía geotérmica de baja entalpía y las bombas de calor geotérmicas. Desde los tiempos de las primeras iniciativas llevadas a cabo en nuestro país por la Universidad Politécnica de Valencia y CIATESA para el estudio de la climatización (calefacción y refrigeración) en las áreas costeras Mediterráneas han pasado ya 10 años. En este tiempo han surgido numerosas empresas e ingenierías especializadas en instalaciones de bombas de calor geotérmicas, han llegado al mercado nuevos fabricantes, las administraciones han realizado importantes iniciativas de promoción de la tecnología, se ha creado la plataforma tecnológica española en la materia y se están redactando nuevas normas españolas. La geotermia está en todos los foros, hasta llegar, por fin, a la consideración del calor obtenido del terreno mediante bomba de calor, como energía renovable en la nueva Directiva 2009/28/CE. Directiva que, por qué no decirlo, ha acertado también al recordarnos que tan renovable es el calor a baja temperatura contenido en el subsuelo, como el contenido en el aire ambiente o en las aguas continentales o marítimas. Calor que, tal y como nos enseña la termodinámica, sólo es posible aprovechar en climatización mediante la bomba de calor.
Fundamentos de la bomba de calor La designación de bombas de calor geotérmicas es común en Europa, pero quizás en España aún pueda causar confusión con la energía geotérmica de alta 1 P arte del contenido, editado por primera vez en la obra de Zamora García M. (2008), Bombas de Calor Geotérmicas. J.I. Linares y B.Y. Moratillas (coords.), Eficiencia Energética en la Edificación (75-92 pp). Madrid: Universidad Pontificia de Comillas.
97
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
temperatura, asociada al aprovechamiento de pozos de agua caliente y vapor. Realmente la expresión bombas de calor geotérmicas hace referencia a bombas de calor agua/agua con un intercambiador de calor enterrado en el subsuelo, que actúa de foco térmico exterior. La máquina frigorífica y la bomba de calor son máquinas térmicas que permiten llevar el calor de donde hay menos temperatura a donde hay más, considerando como calor útil el extraído del recinto de menos temperatura (máquina frigorífica) o el entregado al de más (bomba de calor). Una bomba de calor opera entre dos focos térmicos siguiendo un ciclo termodinámico. Si se pretende climatizar un edificio en invierno, el foco caliente es el local a calentar y el foco frío será el aire del ambiente exterior, el agua de un lago, el terreno, etc., de donde se extrae el calor. El segundo principio de la termodinámica nos enseña que este proceso no puede ocurrir de forma espontánea, siendo por tanto necesario un aporte de trabajo (bombas de calor de compresión mecánica) o de calor a mayor temperatura (ciclos de absorción) para producirlo. En la bomba de calor de compresión mecánica aparecen tres potencias en su funcionamiento: • Potencia frigorífica, extraída del foco frío. • Potencia calorífica, cedida al foco caliente. • Potencia absorbida, suministrada a la bomba de calor. Se define la eficiencia instantánea de la bomba de calor (COP, Coefficient Of Performance) como el valor de la potencia calorífica entre la absorbida, y la eficiencia de la máquina frigorífica (EER, Energy Efficiency Ratio) como la potencia frigorífica entre la absorbida. Otros rendimientos que cada vez son más necesarios para evaluar las prestaciones energéticas globales de los sistemas de climatización son los llamados rendimientos medios estacionales: • HSPF (Heating Seasonal Performance Factor): determinado en bombas de calor como cociente entre la energía calorífica y la energía consumida. • CSPF (Cooling Seasonal Performance Factor): determinado en máquinas frigoríficas como cociente entre la energía frigorífica y la energía consumida. El HSPF y el CSPF expresan, por tanto, el rendimiento medio de la instalación durante toda su operación en invierno o verano, considerando toda la energía útil y toda la energía consumida. Es conveniente familiarizarse con el empleo de estos valores medios energéticos en lugar de con los instantáneos de potencia, ya que toda la nueva legislación que va apareciendo en el sector y que vela por la eficiencia 98
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
energética se configura en base a estos nuevos parámetros. Así lo ha dejado especificado la nueva Directiva 2009/28/CE en su anexo VII. El funcionamiento de la bomba de calor aparece ilustrado en la |Figura 1|. Un compresor mueve y comprime el fluido refrigerante en fase gaseosa que pasa a un intercambiador de calor (condensador), donde el gas condensa a una temperatura superior a la del foco caliente, de modo que éste recibe el calor cedido en la condensación. El fluido frigorífico seguidamente se expansiona en una válvula para pasar luego a otro intercambiador de calor (evaporador), donde se evapora a una temperatura inferior a la del foco frío, recibiendo de éste el calor necesario. Finalmente, a la salida del evaporador el gas vuelve a ser aspirado por el compresor. El funcionamiento de la bomba de calor se puede modelar formulando las ecuaciones de continuidad, balance de energía y cantidad de movimiento entre sus componentes y las ecuaciones de transferencia en los intercambiadores de calor. Las condiciones de contorno exteriores (las temperaturas y caudales de los fluidos secundarios) cierran el problema y fijan la solución al ciclo termodinámico. Este aspecto resulta de especial importancia, pues significa que el comportamiento de la bomba queda en gran medida influido por la temperatura del foco exterior (si se supone la del foco interior constante e igual a la temperatura de confort que se desea mantener). Así, por ejemplo, las prestaciones serán diferentes cuando se emplee la misma bomba de calor para extraer calor de un foco a una temperatura moderada y constante, como puede ser la del agua del mar, o se use el aire ambiente en un clima nórdico. |Figura 1| Esquema básico de una bomba de calor
Fuente: Elaboración propia
99
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Las consideraciones anteriores determinan que los fabricantes clasifiquen sus equipos conforme a los focos entre los que trabaja la máquina: • Cuando el foco exterior es el aire ambiente. Bombas de calor aerotérmicas: ––Foco interior aire: aire/aire. Por ejemplo, un equipo autónomo de un comercio o un split doméstico. ––Foco interior agua: aire/agua. Por ejemplo una planta enfriadora o una bomba de calor aire/agua empleada con suelo radiante. • Cuando el foco exterior son las aguas continentales o marítimas. Bombas de calor hidrotérmicas: ––Foco interior aire: son las bombas de calor agua/aire. En el interior del edificio se enfriará o calentará aire devolviendo o extrayendo el calor a una corriente de agua. ––Foco interior agua: son las bombas de calor agua/agua. • Cuando el foco exterior es el terreno. Bombas de calor geotérmicas. Las bombas de calor geotérmicas más habituales emplean a su vez un circuito exterior de agua en un bucle abierto, o en un circuito de agua (a veces con anticongelante) en un bucle cerrado que es el que intercambia calor con el terreno. En otros casos, realizan el intercambio directamente entre el circuito de refrigerante y el suelo (expansión directa DX). En cuanto al circuito interior, de nuevo, las soluciones más habituales emplean un circuito de agua. Por tanto, puede decirse que en la mayoría de los casos las bombas de calor geotérmicas no son más que un tipo de bombas de calor agua/agua.
Tecnología de las bombas de calor agua/agua Los equipos no reversibles son aquéllos que no tienen inversión en el circuito frigorífico, realizándose el cambio de funcionamiento de bomba de calor a máquina frigorífica en el circuito del agua. En la máquina los intercambiadores de calor que actúan como condensador y evaporador son siempre los mismos, siendo un juego de válvulas exteriores las encargadas de conmutar la alimentación a los focos térmicos, tal como se muestra en la |Figura 2|. En la actualidad, la mayoría de fabricantes implementan la tecnología de equipos reversibles en los que el cambio de bomba de calor a máquina frigorífica se lleva a cabo en el lado del refrigerante mediante una válvula de 4 vías, de modo que cada foco térmico siempre intercambia calor con el mismo intercambiador de la máquina, que unas veces hará de condensador y otras de evaporador. La |Figura 3| ilustra el funcionamiento en el caso de calefacción. La válvula de 4 vías (VIC) comunica la salida del compresor con el intercambiador interior. 100
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 2| Esquema de máquina agua/agua no reversible
Fuente: Elaboración propia
Los refrigerantes que se emplean actualmente en este tipo de bombas son HFCs que no perjudican la capa de ozono, como el R-410a y el R-407C. Estos gases tienen un elevado efecto invernadero, por lo que es posible que las legislaciones fuercen la introducción en un futuro de los llamados refrigerantes naturales, como el propano (R-290), CO2 (R-744) y amoníaco (R-717). En cuanto a los compresores, la tecnología “scroll” es la mayoritaria, especialmente en la gama de pequeñas potencias. La |Figura 4| muestra los COPs obtenidos por una bomba de calor geotérmica de 17 kW con diferentes compresores (“scroll” y pistón) y diferentes fluidos. A igualdad de fluido (R290) se aprecia que el compresor “scroll” proporciona un COP un 25% mayor, llegando a 5. Para el mismo compresor (“scroll”) el fluido que mejor COP presenta es el R-410a, que supera 5, aunque seguido muy de cerca por el R290, perdiéndose un 20% al emplear R-407C. 101
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 3| Esquema de una máquina agua/agua reversible en el lado refrigerante
Ciclo de Calefacción
Fuente: Elaboración propia |Figura 4| COP de diferentes compresores y fluidos en una bomba de calor geotérmica de 17 kW (salto de temperatura agua evaporador: 10-5ºC. Salto de temperatura agua condensador: 30-35ºC)
6 5 4 3 2 1 0
Fuente: Elaboración propia
102
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
Los intercambiadores de calor empleados en la gama de pequeñas potencias suelen ser de placas soldadas de acero inoxidable, dadas sus excelentes prestaciones y su elevado nivel de compacidad. Con objeto de facilitar el trabajo del instalador y reducir los tiempos de montaje es frecuente que en pequeñas potencias se incorpore el grupo hidráulico en la misma máquina (|Figura 5|). En equipos más grandes el grupo hidráulico es externo, de modo que es preciso dimensionarlo de forma independiente e instalarlo in situ. Una aplicación interesante de las bombas de calor de agua es que también pueden producir agua caliente sanitaria (ACS). El método de la válvula de tres vías, recogido en la |Figura 6|, consiste en conectar en paralelo los circuitos de calefacción y ACS, de modo que cuando haya demanda de agua caliente o se reduzca la demanda de calefacción, la potencia calorífica se aplique al depósito acumulador de ACS. Mientras que la producción de ACS en calefacción se hace a costa de reducir la potencia calorífica en modo de refrigeración, la producción de ACS resulta siempre gratuita, pues se consigue a partir del calor extraído del propio edificio, que tiene que ser cedido de todas formas al ambiente exterior (terreno). |Figura 5| Esquema frigorífico y grupo hidráulico incorporado
Fuente: Elaboración propia 103
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 6| Producción de ACS mediante by-pass del circuito de calefacción con válvula de tres vías
Fuente: Elaboración propia
En cuanto a las potencias disponibles, existen equipos desde los 4 kW, válidos para pequeñas viviendas con un elevado nivel de aislamiento, construidos con formato de electrodoméstico y que se pueden instalar en una cocina o en una terraza lavadero; pasando por equipos mayores de 15 kW, válidos para un residencial; 35 kW para pequeños hoteles; y finalmente grandes plantas enfriadoras y bombas de calor de entre 300 y 1.000 kW para el sector terciario e industrial.
Intercambiadores de calor enterrados Como ya se ha indicado, en las bombas de calor geotérmicas es el terreno el que actúa de medio ambiente exterior, de modo que en verano ejerce de sumidero térmico recibiendo el calor extraído del edificio y en invierno como fuente térmica, produciéndolo. 104
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
El terreno es un foco térmico estable que se regenera de forma natural. Presenta la ventaja de que a pocos metros de profundidad su temperatura es mucho más uniforme que la del aire ambiente. Los intercambiadores de calor enterrados se construyen soterrando tuberías de polietileno. Pueden ser de circuito cerrado o abierto. En estos últimos, el agua se toma del acuífero en un punto y se devuelve en otro situado a una cierta distancia. La |Figura 7| muestra diferentes ejemplos: se puede enterrar un intercambiador de tubería de polietileno a poca profundidad extendido en horizontal, disponer las tuberías dentro de una serie de pozos, normalmente de 50 a 100 metros, construir un serpentín y sumergirlo en un lago o finalmente en captación abierta, empleando el agua de un acuífero lo bastante grande. Este último método es el que presenta un mayor potencial térmico, aunque está sujeto a la legislación de aguas y puede tener limitaciones de protección medioambiental. |Figura 7| Posibles configuraciones para el aprovechamiento geotérmico mediante bombas de calor
Fuente: Elaboración propia
105
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Intercambiadores horizontales La construcción de un intercambiador de calor horizontal comienza por la excavación de una amplia zanja de 1 a 1,5 metros de profundidad, sobre la que se depositan las tuberías de polietileno convenientemente alineadas, como se aprecia en la |Figura 8|, en la que se muestra una instalación en la Universidad Politécnica de Valencia desarrollada en el seno de un proyecto de investigación. |Figura 8| Intercambiador de calor horizontal enterrado
Fuente: Elaboración propia
Estas instalaciones requieren una gran superficie. Su realización es relativamente sencilla, pudiendo emplearse una pequeña retroexcavadora para la excavación y uniendo las tuberías por soldadura de termofusión. La construcción del intercambiador tan próxima a la superficie puede afectar a su mantenimiento, en la medida en que pueda deteriorarse por obras de nuevas instalaciones y canalizaciones enterradas cercanas si no se acotan adecuadamente sus límites. Al ser poca la profundidad, la temperatura del terreno está influida por la del aire ambiente. Esta tipología es adecuada sólo para pequeñas potencias.
Intercambiadores verticales Los intercambiadores verticales (“boreholes”) son los mayoritariamente empleados. Dada su gran profundidad no están afectados por las condiciones ambientales, y ocupan un área de terreno mucho menor. La |Figura 9| muestra un esquema de esta 106
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 9| Esquema de configuración en “boreholes”
Fuente: Elaboración propia
configuración. Presentan el inconveniente de una mayor dificultad de instalación, una mayor inversión y un personal más especializado para su construcción. Aunque tanto los profesionales de los sondeos de agua, de la geotecnia y del micropilotaje cuentan con suficiente capacidad para llevar a cabo los trabajos de excavación, la experiencia en países del norte de Europa y de Estados Unidos aconseja que sean empresas especialistas en bombas de calor geotérmicas las que dirijan y coordinen los trabajos, ofreciendo proyectos llave en mano de todo el conjunto de la instalación. Se debe dar respuesta a problemas complejos que van desde el posible encamisado de los pozos, a la selección del material de relleno para mejorar el intercambio de calor, el diseño del circuito, la correcta ejecución de las soldaduras de polietileno, el adecuado diseño hidráulico y, finalmente, la conexión con la bomba de calor.
Intercambiadores “slinky” Otro tipo de intercambiadores horizontales de alta compacidad son los denominados “slinky”, como el mostrado en la |Figura 10|. Su ejecución es más laboriosa que la de los horizontales convencionales, y al igual que éstos quedan influenciados en cierta medida por las condiciones ambientales. Dada su gran compacidad, es preciso estar seguro de que el terreno tendrá la suficiente capacidad (difusividad térmica) para responder a ese intercambio en tan poca superficie. 107
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 10| Intercambiador de calor “slinky”
Fuente: Elaboración propia
Intercambiadores integrados en la arquitectura En el caso de obra nueva existen grandes posibilidades para la integración arquitectónica, habiéndose propuesto, por ejemplo, la colocación del captador horizontal debajo de una piscina, como se muestra en la |Figura 11|. También es posible integrar |Figura 11| Ejemplo de integración en la edificación: intercambiador de calor horizontal enterrado bajo una piscina
Fuente: Elaboración propia
108
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
los “boreholes” en micropilotajes mientras se está llevando a cabo la cimentación. Son las denominadas “cimentaciones termoactivas”. Para el cálculo de intercambiadores con geometrías sencillas está muy extendido el método IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association), desarrollado por la Universidad de Oklahoma. Se basa en la teoría de la línea infinita de Kelvin, por la que una línea suficientemente larga de diámetro lo bastante pequeño a temperatura constante transmite calor al medio que la rodea en sentido radial. La transmisión de calor viene regulada por la conducción, pudiendo resolverse por un modelo de resistencias térmicas, donde se conectan en serie la resistencia Rt de la tubería, ecuación (1) y la resistencia Rs del suelo, que es la más complicada de determinar. Conocidas ambas resistencias y el salto térmico entre el agua y el terreno, se calcula la longitud requerida para disipar la potencia térmica Q deseada según la ecuación (2).
(1) (2) Donde: • Rt • Rs • Tt • Ts • Q • De • Di • kt • L • Fu
resistencia térmica de la tubería [m·K/W] resistencia térmica del suelo [m·K/W] temperatura de la tubería [K] temperatura del suelo [K] calor a disipar [W] diámetro externo de la tubería [m] diámetro interno de la tubería [m] conductividad térmica de la tubería [W/m-K] longitud de la tubería [m] factor de utilización medio
Diversos autores han propuesto formulaciones para calcular la resistencia térmica del suelo Rs. Todas ellas dependen del tiempo, es decir, desde cuándo se esté cediendo o tomando ese calor, lo que viene a reflejar que el terreno no es un foco de capacidad infinita, sino que se va “cargando” o “descargando” por efecto del calor acumulado o sustraído. Por otra parte, es necesario corregir la expresión por un factor que recoja el funcionamiento real de la máquina, ya que el calor intercambiado con el terreno 109
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
es variable y depende de los ciclos de funcionamiento, del número y duración de las paradas y arranques, en definitiva de la mayor o menor cantidad de calor intercambiada con el edificio. En la práctica esta corrección se formula en la ecuación (2), multiplicando la resistencia térmica del suelo teórica por un factor de utilización medio (Fu), que representa la fracción de tiempo equivalente en el que la bomba de calor ha estado en marcha a potencia nominal. Dicho factor de utilización se calcula a partir de la simulación energética horaria de cada edificio y en función de su ubicación geográfica, su arquitectura (orientaciones, materiales) y del tipo de uso al que está sometido. Finalmente, para conocer la longitud según la ecuación (2) hace falta determinar la temperatura del terreno, que varía con la profundidad, con el tiempo y con la temperatura ambiente exterior. En el método IGSHPA se obtienen por separado la longitud necesaria para satisfacer la carga de calefacción y la carga de refrigeración, seleccionándose la mayor de ellas. En el caso de que ambas longitudes sean muy diferentes el diseñador podría optar por emplear un sistema auxiliar para compensar la diferencia, manteniendo el equilibrio de cargas en el intercambiador y buscando la relación óptima entre prestaciones e inversión inicial. La |Figura 12| muestra la evolución de la temperatura en el terreno a lo largo del año para Valencia, simulada a través de este procedimiento. Se aprecia que la variación es menor en el terreno que en el aire, si bien hay una clara relación. Por otra parte, la inercia del terreno es importante, lo que redunda en un desfase en el seguimiento de la temperatura del aire. |Figura 12| Variación de la temperatura anual en Valencia
Fuente: Elaboración propia
110
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
Funcionamiento de la bomba de calor acoplada al terreno Las bombas de calor agua-agua son las habituales en el norte de Europa, y en general las únicas que se pueden usar con efectividad en países muy fríos. Animados por conocer cuáles serían las prestaciones en climas mas templados como el Mediterráneo, CIATESA y la Universidad Politécnica de Valencia, junto a otras empresas y entidades, desarrollaron desde 2003 a 2006 el proyecto de I+D GEOCOOL. En este proyecto se comparó el consumo energético de una bomba de calor geotérmica con el de una convencional de tipo aire-agua, satisfaciendo ambas la misma demanda térmica de un edificio. La |Figura 13| muestra los resultados obtenidos en toda una temporada de calefacción, apreciándose que el consumo eléctrico de la bomba geotérmica resulta más estable y además es inferior al del sistema convencional. |Figura 13| Comparación del consumo de una bomba de calor geotérmica (w-w) frente a una convencional aire/agua (a-w) durante la temporada de invierno en Valencia, satisfaciendo la misma demanda térmica
Fuente: Elaboración propia
Dado que el terreno no es un foco infinito se llegan a detectar en él efectos acumulativos si las cargas de verano e invierno no están compensadas. Así, para el caso de Valencia, donde es predominante la carga de verano y, por tanto, es mayor el calor aportado al terreno durante esa estación, que el retirado del mismo en el invierno, la simulación a 25 años mostraba que la temperatura del agua de retorno del intercambiador enterrado se vería incrementada en 2,5ºC gracias al pequeño pero continuo efecto de acumulación de energía en el terreno, incapaz finalmente de disipar todo el calor recibido. Esto supondría que a lo largo de ese tiempo el rendimiento de frío se iría degradando, mientras que el de calefacción mejoraría, como muestra la |Figura 14|. Se abre todo un campo de investigación consistente en considerar el terreno como almacén de energía. 111
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 14| Degradación del rendimiento estacional en verano (CSPF) y mejora del de invierno (HSPF) debido al calentamiento medio progresivo del terreno en Valencia
Fuente: Elaboración propia
Pudiendo plantearse, por ejemplo, usarlo para acumular los excedentes de energía solar en verano y disponer de un suelo más caliente en invierno, etc. La |Figura 15| resume los resultados obtenidos en el proyecto GEOCOOL en Valencia, tanto en calefacción como en refrigeración. En la representación aparecen tanto los |Figura 15| Comparación entre los rendimientos estacionales (SPF) del sistema geotérmico y del convencional, tanto a nivel de simulación como en las mediciones reales
Fuente: Elaboración propia
112
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
r esultados experimentales como los predichos por los modelos de simulación. Tomando sólo los experimentales se aprecia un rendimiento medio estacional en calefacción de 3,46 para la bomba geotérmica frente a 2 para la convencional, siendo los resultados de refrigeración aún mejores, con 4,36 para la máquina geotérmica frente a 2,68 para la convencional. Son solamente datos particulares, correspondientes a las mediciones realizadas durante un año en un experimento concreto. Sí ponen de manifiesto, en este caso, que las mayores inversiones requeridas por la instalación geotérmica serán compensadas con el ahorro en el consumo energético de la instalación a lo largo de su vida útil. Recientemente, Magraner ha explicado las diferencias entre las simulaciones y los resultados experimentales, debidas a la no consideración en el modelo de GEOCOOL de la disminución de las prestaciones de la bomba de calor por su funcionamiento a carga parcial.
Cuantificación de la energía renovable aportada por la bomba de calor geotérmica Como se ha dicho, la reciente Directiva 2009/28/CE relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables considera el calor extraído del foco frío por las bombas de calor geotérmicas, hidrotérmicas y aerotérmicas como energía renovable. En concreto, en su Anexo VII establece que la aportación de energía renovable será: (3) (4) Donde: • ERES = Contribución de energía calorífica de carácter renovable [kWh] • Qusable = Aportación total de energía calorífica al edificio [kWh] • SPF = Rendimiento medio estacional de la bomba de calor, o cociente entre la demanda energética abastecida por la bomba de calor y el consumo de la instalación • η: Ratio entre la producción total de electricidad y el consumo de energía primaria para tal producción (debe calcularse como un valor medio en UE basado en los datos de Eurostat) La Comisión ha dejado de plazo hasta el 1 de enero de 2013 para que los Estados miembros establezcan los valores y métodos de cálculo para Qusable y para SPF. Por definición, el valor del rendimiento medio estacional SPF puede calcularse a priori realizando una simulación energética, que tendría que tener en cuenta la 113
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
demanda energética del edifico al cabo del año, que dependerá de la tipología del mismo y su ubicación geográfica, el comportamiento a carga parcial de la bomba de calor, y lo más complicado, de la respuesta dinámica del terreno. En el caso de las bombas de calor geotérmicas, el rendimiento instantáneo de diseño (COP), calculado según el método IGSHPA, es un valor suficientemente conservativo para el SPF. Efectivamente, tal y como se ha explicado, en el método IGSHPA se calcula la longitud del intercambiador necesaria para satisfacer la demanda pico de la instalación en el momento más desfavorable, es decir al final de la temporada de calefacción. En ese momento el COP es mínimo. A lo largo del resto de la temporada las condiciones exteriores serán mejores y el terreno no estará tan afectado térmicamente por el propio uso de la bomba de calor, por lo que el rendimiento instantáneo será mayor. Por lo tanto, el rendimiento medio estacional de calefacción sólo puede ser mayor o igual que este SPFmin que puede ser usado para calcular la contribución de energía renovable mínima según la fórmula de la Directiva. Ésta es la aproximación que se emplea en el programa GEO2 de CIAT, desarrollado por el Departamento de I+D+i de esta empresa y el Instituto de Ingeniería Energética de la Universidad Politécnica de Valencia (|Figura 16|). No obstante, si se precisa, pueden realizarse unas correcciones al valor del rendimiento medio estacional mínimo, teniendo en cuenta las siguientes consideraciones. |Figura 16| Pantalla del programa GEO2 de CIAT en la que se muestra la estimación de la contribución mínima de energía renovable
Fuente: Elaboración propia
114
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
Como se ha dicho, la instalación diseñada según el método IGSHPA funcionará a lo largo de la temporada en condiciones más favorables que las del día de diseño (carga pico). La bomba de calor trabajará a carga parcial, operando en cada instante con un determinado grado de carga parcial o part load ratio (PLR). Si el control de la misma es todo/nada, este grado de carga parcial es precisamente el factor de utilización (Fu). (5) • Fut: Factor de uso o grado de carga parcial en cada instante • Dt: Demanda térmica a satisfacer en cada instante [kW] • Pc: Potencia calorífica de diseño o potencia pico [kW] Está plenamente admitido por la Comunidad Científica la separación de variables al evaluar la dependencia del rendimiento de los equipos de climatización con las temperaturas y con el grado de carga parcial. De tal forma que el rendimiento en un instante se puede expresar como: (6) Donde: • f: es la función de dependencia del COP con el grado de carga parcial o factor de utilización Magraner et Al. han propuesto que para las bombas de calor geotérmicas es válida una expresión lineal para f, empleando el llamado coeficiente de degradación a carga parcial Cd. Sugieren un valor de Cd=15% como dato representativo para este tipo de equipos. (7) La ordenada en el origen de la |Figura 17| nos muestra un valor de f(Fu) mínimo de 0,85 si se toma Cd=0,15. Por lo tanto un COP mínimo más conservativo que tenga en cuenta los efectos de funcionamiento a carga parcial será: (8) Donde: • COP(Tªs)min=COPmin mínimo calculado por el método IGSHPA 115
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Figura 17| Dependencia del rendimiento en función de la carga parcial 1
f (Fu)
0.8 0.6 0.4 0.2 0 00
.2
0.40
.6
0.81
Fu
Fuente: Elaboración propia
Otros autores proponen expresiones diferentes para la corrección por carga parcial en equipos agua-agua a las dadas en dicha figura. Como se ha indicado, el SPF es la relación entre la demanda energética satisfecha con la bomba de calor y el consumo a lo largo de toda la temporada. (9) Donde: • Pat: Potencia absorbida (consumo) por el equipo en cada instante [kW] Se puede calcular un SPF mínimo suponiendo en cada instante un consumo máximo. (10) Finalmente se demuestra que se puede asimilar el SPFmin al COPmin: (11)
116
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
Que indica que puede corregirse la estimación del SPFmin a partir del COPmin calculado por el método IGSHPA simplemente multiplicándolo por la corrección por carga parcial más desfavorable, es decir la ordenada en el origen de la |Figura 17|. Como se ha dicho, la UE ha dado de plazo hasta el 1 de enero de 2013 para establecer los métodos de cálculo de SPF. Está por regular o normalizar, por ejemplo, cómo incluir los consumos de bombeo. Normalmente, en instalaciones de cierta envergadura, las bombas se seleccionan a posteriori en función de los cálculos de pérdidas de carga de toda la instalación. Es por ello que el COPmin –calculado por el programa GEO2 según el método IGSHPA– no incluye los consumos de bombeo en el circuito del intercambiador enterrado. Si se quiere corregir el rendimiento medio estacional incorporando este consumo puede hacerse de la siguiente forma simplificada: (12) (13) siendo:
(14)
Ejemplo: Supongamos que tras realizar un diseño de una instalación geotérmica según el método IGSHPA empleando el programa GEO2 se obtiene un valor de COPmin= 4,98. Los cálculos ofrecen un consumo de compresor Pa= 6,1 kW y un consumo de las bomba del intercambiador enterrado de Pabomb=0,4 kW. Tal y como se ha dicho, una primera aproximación suficientemente conservadora de la contribución de energía renovable puede obtenerse asimilando el SPFmin= COPmin= 4,98, de donde: (15) Si se precisa un mayor margen de seguridad, la corrección por el consumo de la bomba exterior ofrecería un valor: (16)
117
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
La corrección por funcionamiento a carga parcial: (17) (18)
118
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Climatización de edificios. Técnicas de cimentación: pilotes geotérmicos Juan Antonio de Isabel – Geoterm
Introducción a la energía geotérmica de baja entalpía Según la directiva europea 2009/28/EU, la geotermia de baja entalpía es simplemente la energía almacenada en forma de calor bajo la superficie del terreno. Esto hace que haya un cierto gradiente térmico en el terreno, manteniéndose cierta constancia de temperaturas para cada profundidad. La gran ventaja de la geotermia es la gran disponibilidad del terreno gracias a la estabilización térmica que se establece entre los 15 y los 20 m, como puede verse en la |Figura 1|, quedando ahí la temperatura constante durante todo el año entre 10 y 15ºC. |Figura 1| Gradiente térmico del terreno
Fuente: Elaboración propia
119
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Cimentación termoactiva: principios Lo que se busca con este tipo de cimentación de los edificios es destinar parte de su estructura (pilotes, muros pantalla, soleras…) para conseguir integrarla en el sistema de aprovechamiento geotérmico, pero garantizando siempre la estabilidad de las estructuras. Estos elementos serían activados térmicamente mediante la introducción de sondas (tuberías) dentro de las mismas con un fluido caloportador.
Tipos de pilotes Un pilote activado será en principio igual que cualquier otro, pero con una introducción de los elementos necesarios para que hagan su función geotérmica. El objetivo, por lo tanto, de estos pilotes es activar un gran volumen e intercambiar la mayor cantidad de energía para que el sistema geotérmico sea lo más eficiente posible. Citamos a continuación los distintos tipos de pilotes que podemos encontrar: • (a) Desde el punto de vista de su fabricación: ––Pilote prefabricado. ––Pilote “in situ”. • (b) Desde el punto de vista del montaje: ––A través de vibración. ––A través de presión. ––A través de perforación.
Diseño y planificación El diseño y planificación se harán atendiendo a: • Sistema de cimentación: número de pilotes, distribución y geometría, longitud y diámetro disponible, y número de bucles a instalar. • Subsuelo: hidrología, carácter y diagrama de temperatura. • Edificio: demanda energética, sistema mono o bivalente, temperatura mínima y máxima del fluido caloportador. Para ello se debe constituir un equipo multidisciplinar de arquitectos, geólogos, ingenieros del terreno, especialistas en estática, expertos en proyecto energéticos, etc. Resultará crucial garantizar que el montaje de la instalación de activación no afecte a la estática de la estructura, establecer el modo de funcionamiento del 120
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
sistema energético y el porcentaje de cobertura de la demanda. En la actualidad se comprende que lo adecuado es que se dimensione el sistema geotérmico para dar la base de suministro al edificio, completándose la demanda con sistemas convencionales. Así, lograríamos garantizar el suministro, consiguiendo un significativo ahorro energético. Finalmente, también se deberá establecer un protocolo de estanqueidad y el circuito hidráulico del conexionado de todas las sondas de los pilotes.
Ejemplos de instalaciones • Edificio: hospital y centro de consultas (Mannheim). ––Datos de la demanda a cubrir: QCal. = 277 KW. QRefr. = 195 KW . Diurna: 152 KW; Diurna: 137 KW. Nocturna: 65 KW; Nocturna: 58 KW. • Edificio: hospital y centro de consultas (Mannheim). ––Datos del “Protocolo de simulación geotérmica”: Tipo de pilotes: 156 pilotes “in situ”. Diámetro: 90 cm. Profundidad: 11 m. ∑ Superficie cimentación: 4851 m. Pilotes con 90 cm de diámetro: 5 bucles de sonda (10 tuberías). Fluido caloportador: 25% glicol (Antifrogen-L) + agua. |•|
121
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Ejemplos prácticos de instalaciones geotérmicas: consumos y ahorros Juan Pablo Mariño Merizalde – GIROD Geotermia
Nos centraremos en mostrar datos precisos acerca de dos proyectos concretos llevados a cabo.
Proyecto real de una casa de Pozuelo de Alarcón Presenta las siguientes características: • 350 m2 a climatizar. • Calefacción, frío pasivo y activo. • 5 cuartos de baño. • Alargar temporada de piscina. • Suelo radiante de piedra y madera. • Buen aislamiento. Hacemos antes de nada una estimación del consumo que tendría la vivienda, estudio del terreno, etc., para así estimar cómo debería ser por lo tanto el sistema geotérmico. Así es como obtenemos la |Tabla 1|, con valores estimados: Ante estas previsiones se decide instalar: • Duo Optimum 16 kW. • MBH 300 L para ACS. • Coolpack. • Intercambiador titanio para piscina. • Calor y frío por suelo radiante Uponor y fan-coils. • Thermia online. 123
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Tabla 1| Valores estimados de instalación geotérmica
Fuente: Elaboración propia
A partir de la instalación hecha, y teniendo en cuenta que el sistema geotérmico está integrado con otro combinado de gas natural y panel solar, se obtienen las siguientes previsiones en lo referido a ahorro, consumo y emisiones (|Figura 1|). |Figura 1| Previsiones de ahorro, consumo y emisiones instalación geotérmica
Fuente: Elaboración propia
124
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
Una vez realizada la instalación, y ensayada la misma, los resultados de consumo real obtenido son: • Horas de funcionamiento compresor (octubre 2007-octubre 2008): 2.355. • Potencia de compresor: 5,5 kW. • Energía consumida: 12.952 kWh. • Potencia contratada: 15 kW. Lo que lleva a un resultado de costes excelente, tal y como viene expresado en la |Figura 2|. |Figura 2| Coste total del sistema
Fuente: Elaboración propia
Proyecto real de una vivienda en Colmenarejo Presenta las siguientes características: • 215 m2 a climatizar. • Calefacción, frío pasivo. • 4 cuartos de baño. • Suelo radiante de piedra. La bomba utilizada es muy compacta, además, el sistema está preparado para funcionar también con frío pasivo (simplemente se hace pasar el agua del terreno al suelo radiante, sin poner en marcha la bomba de calor). Asimismo, la perforación es de 150 metros en terreno granítico. 125
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Realizando nuevamente las estimaciones oportunas, vemos rápidamente las grandes ventajas (|Figura 3|) que reportará la implementación de un sistema geotérmico si lo comparamos con un sistema basado en un consumo totalmente eléctrico. |Figura 3| Estimación de comparativa de consumos
Fuente: Elaboración propia
En cuanto a los resultados reales, los consumos obtenidos entre el 11 de febrero y el 20 de mayo son: • Energía eléctrica consumida (compresor de la BCG + bomba de circulación capt. geot. + resistencias eléc.): 2.002 kWhe. • Energía térmica producida (calefacción + ACS): 10.509 kWht. • El COP estacional correspondiente al período de estudio resulta: (10.509 / 2.002) = 5,25. Nuevamente la tarifa es realmente baja, resultando una factura de sólo 240€ en tres meses. Finalmente, cabe decir que aunque hemos puesto dos ejemplos de viviendas pequeñas, no hay límites para la geotermia, ya que si la instalación debe ser mayor, por ejemplo si se quiere acondicionar un edificio en vez de una vivienda unifamiliar, simplemente la inversión inicial deberá ser más grande. Así, cabe mencionar también el proyecto del nuevo edificio de Butech en Villarreal (Castellón), donde hubo que separar más de lo esperado las perforaciones para aumentar la capacidad de captación del terreno. |•|
126
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La energía geotérmica somera en la edificación Íñigo Arrizabalaga – TELUR Geotermia y Agua S.A.
Introducción Hay un buen número de razones para apostar por la energía geotérmica. En primer lugar están las razones económicas, puesto que los recursos energéticos son limitados y eso puede hacer que la producción pueda entrar en declive. Parece que sin duda vamos de cabeza a una situación de carestía. Además, el déficit tarifario está generando un déficit embalsado que habrá que pagar más adelante. Por otra parte, existen motivos medioambientales cada vez más urgentes: los compromisos adquiridos hacen que no podamos justificar los excesos en emisiones actuales, aunque la situación de crisis obliga a que nos recoloquemos un poco. Además, debe tenerse en cuenta que los países emergentes no están dispuestos a comprometerse con límites de emisiones, ya que tienen fácil acceso al carbón. También las razones estratégicas son importantes, puesto que no hay que olvidar los problemas que conllevan la dependencia de los países suministradores (guerras del gas) o los problemas que llevan consigo los picos de demanda eléctrica, especialmente en verano. Por último, las razones sociales tampoco deben ser olvidadas, dado el continuo aumento de la demanda de confort y el envejecimiento de la población (mayor demanda de refrigeración). Para la edificación, el tipo de geotermia a utilizar es el de muy baja temperatura (<30ºC), que se caracteriza por: • Intercambio geotérmico (bomba de calor geotérmica): es la tecnología desarrollada para el aprovechamiento de la energía geotérmica de muy baja entalpía. • Otros términos: geotermia somera, geointercambio, geotermia solar, bomba de calor geotérmica, Geoexchange, Ground Source Heat Pump (GSHP), Ground Coupled Heat Pump (GCHP), loop… 127
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
• Presencia universal. • Idóneo para refrigeración. • Útil también para calefacción. Usualmente, aunque no siempre, requiere bomba de calor. En definitiva, la gran virtud de la energía geotérmica de baja temperatura es que es universal, es decir, no se requiere de un yacimiento concreto. Es especialmente interesante para acondicionamiento de aire, especialmente para refrigeración, aprovechando su temperatura constante. Suele requerir de bomba de calor, pero en ocasiones se puede usar de manera directa-pasiva. La renovabilidad de esta energía viene de que aunque consumimos una cierta energía en el compresor, es mucha mayor la que extraemos del foco frío (terreno funcionando en modo de calefacción) (|Figura 1|). Cuanto menor sea la diferencia de temperaturas entre focos, mejores serán las prestaciones de la bomba de calor. Esto es justo lo que ocurre al operar la bomba con el suelo en vez de con el exterior. En una comparativa entre un sistema de acondicionamiento con bomba de calor convencional y con otro geotérmico, lo cierto es que los COP del geotérmico son mucho mayores, y los ahorros también. Una de las formas más habituales de disponer el intercambiador de calor con la tierra es el de configuración vertical, como el de la |Figura 2|, caracterizado por: • Precisa equipo perforación. • Profundidad instalación: 40-200 m. |Figura 1| Gráfico de energía
Fuente: Elaboración propia
128
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
|Figura 2| Intercambiador de calor con la tierra
Fuente: Elaboración propia
• Longitudes de circuito >80 m.l. • S intercambiador ≤ S construida. • Variación anual Tª mínima. • Tª intercambio óptima. • Excelente aplicabilidad. Muchos son los ejemplos de sistemas geotérmicos grandes en la edificación en Europa. Algunos de los más importantes hasta ahora, vienen en la |Tabla 1|.
Sistemas geotérmicos en la edificación de Euskadi En el caso de España, puede resultar interesante estudiar la evolución del intercambio geotérmico en la climatización de edificios mediante el estudio de algunos ejemplos en Euskadi.
Centro de Investigación Metalúrgica Azterlan • Calefacción y refrigeración 3750 m2. • Durango, Bizkaia. • Lutitas y areniscas del C. Supraurgoniano. • 2780 m.l. sondeos en aparcamiento exterior. • Enfriadora scroll 205 kW/182 Kw. • Techo radiante + climatizadora. Distribución a dos tubos. • En funcionamiento desde marzo de 2006. • SPF calefacción: 3,6; mejorable a 4,1. 129
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
|Tabla 1| Ejemplos de sistemas geotérmicos en la edificación
Fuente: Elaboración propia
• SPF refrigeración: 3,8; mejorable a >4,3. • PER anual: 1,48; mejorable a 1,68.
39 VPO Lutxana-Muñoa • Promotor Dpto. Obras Públicas, Vivienda y Transportes del Gobierno Vasco. • T.M. Barakaldo, Bizkaia. • Lutitas del Cretácico Inferior. • 3.000 ml sondeos (20 x 150 ml) en aparcamiento exterior. • Producción centralizada calefacción + ACS 2 bombas de calor agua-agua 140 kW+ 1 BC 20 Kw. • Distribución a 3-tubos. Sistema Leako. Calefacción por suelo radiante. • Puesta en marcha: diciembre 2009.
Centro de Investigación y Estudios Avanzados. CIEA • Promotor Universidad del País Vasco. UPV-EHU. • T.M. Vitoria-Gasteiz. 130
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Aspectos socio-económicos de la energía nuclear | AVANCES DE INGENIERÍA
• Margas y margocalizas del Cretácico Superior. • Superficie climatizada de 7.000 m2. • Distribución a 4-tubos. Fancoils y climatizadoras. • 1 enfriadora tornillo. • 4.000 m perforación bajo el edificio: 32 x 125 m. • 16.000 m tubería PEAD 32mm PN16. • Puesta en marcha: noviembre 2009.
125 Apartamentos Intxaurrondo • Promotor Dpto. Obras Públicas, Vivienda y Transporte del Gobierno Vasco EJ-GV. • T.M. Donostia-San Sebastián. • Margas y margocalizas del Cretácico Superior. • Calefacción + ACS en los 125 apartamentos de alojamiento transitorio para jóvenes. • Distribución a 3 tubos. Sistema Leako. Suelo radiante. • 2 BC X 140 kW + 1 BC x 20 KW. • 2.750 m de perforación bajo el edificio. • Puesta en marcha: julio 2010.
Centro de Investigación Cooperativa. CIC. EnergiGUNE • Promotor: Ente Vasco de la Energía. EVE-EEE. • P.T. Miñano, Vitoria-Gasteiz. • Margas y margocalizas del Cretácico Superior. • Superficie climatizada: 5.000 m2. • Distribución a 4-tubos. Fancoils y climatizadoras. • Sistema bivalente con enfriadora tornillo + enfriadora scroll + caldera biomasa. • Potencia sistema del intercambio geotérmico: ––300 kW calefacción; 67% Cp. ––280 kW refrigeración 100% Cp. • Demanda cubierta: ––85% calefacción: 174 MWh. ––100% refrigeración: 83 MWh. • Ahorro previsto de energía: 52.600 kWhe/año. • Circuito compuesto por 4.000 m perforación en jardines: 32 x 125 m. • Puesta en marcha: junio 2010.
Centro cultural 3ª edad Ariznabarra • Promotor: Ayuntamiento de Vitoria-Gasteiz. • Calefacción + refrigeración: 110 kW. • Margas y margocalizas del Cretácico Superior. 131
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
• Rehabilitación edificio 990 m2. • Sustitución de 12 bombas de calor aire/aire, SPF: 1,4, por equipos agua/aire con anillo geotérmico. • 1.200 m de perforación en parcela anexa. • Puesta en marcha: 2010.
Pantallas energéticas C.D.A. Hegalak • Promotor: Federación Guipuzcoana de Deporte Adaptado-Ayuntamiento de San Sebastián. • Planta -1 de aparcamiento subterráneo en la Plaza Cervantes, La Concha. • Arenas y limos cuaternarios. • 12.300 m de circuito de intercambio de PEAD ø32 mm en bataches muro pantalla de 25 a 40 m de profundidad. • Carga cubierta sistema IG: ––190 kW calefacción: 73% carga punta. ––170 kW refrigeración: 100% carga punta. • Demanda cubierta sistema IG: ––101 MWh/año refrigeración. ––>200 MWh/año calefacción. • Ahorro energético: 70 MWh/año. • Ahorro O/M: >12.000€/año. • Puesta en marcha: año 2011. |•|
132
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Bibliografía
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
INDICE 397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
Bibliografía
– C. García de la Noceda, Sistemas geotérmicos estimulados: el futuro de la geotermia, Actas del I Congreso de Energía Geotérmica en la Edificación y la Industria – GEOENER, Madrid, 15 a 16 de octubre de 2008. – R. DiPippo, Geothermal power plants, Elsevier, 2005. – Schuster, S. Karellas, E. Kakaras, H. Spliethoff, Energetic and economic investigation of Organic Rankine Cycle applications, Applied Thermal Engineering, 29, 1809-1817, 2009. – Fase Preliminar de prospección de recursos geotérmicos de baja entalpía en el Vallés (Barcelona). IGME, 1997. – Geología de España. IGME, 2004. – www.soultz.net – Guía de la Energía Geotérmica. Comunidad de Madrid, 2008. – Manual de Geotermia. IGME-IDAE, 2008. – Energía Geotérmica. Instituto de la Ingeniería de España, 1984. – Monasterio, R., Hernández, P., Saiz, J., La bomba de calor. Fundamentos, técnicas y aplicaciones. McGraw-Hill, Madrid, 1993. – Urchueguía, J. (Coord.), Geothermal Heat Pump for Cooling-and Heating along European Coastal Areas, EU V Framework Programme, Contract NNES-2001-00847, Publishable version of the Final Report (2003 to 2006). http://www.geocool.net/ 135
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
AVANCES DE INGENIERÍA | Energía geotérmica: análisis y prospectiva
– Corberán, J.M., Aprovechamiento del calor residual de origen geotérmico para la mejora energética en la producción de frío/calor en el Área Mediterránea, MICyT, PROFIT: Programa Nacional de Energía, FIT 120202-2002-7, 2002 a 2004. – Bosé, J., Parker, J., Ground-coupled heat pump research, ASHRAE Trans 89 (2B), 375–390, 1984. – Çengel, Y.A., Transferencia de Calor, McGraw-Hill, México, 2004. – Ingersoll, L.R., Plass, H.J., Theory of the ground pipe source for the heat pump. ASHVE Trans. 54, 339-348, 1948. – Ramey, H.J., Jr., Wellbore Heat Transmission, J. Petrol. Tech., AIME Trans. 225, 427-435, 1962. – Kusada, T., Achenbach, P.R., Earth Temperature and Thermal Diffusivity at Selected Stations in the United States, ASHRAE Trans. 71, 61-75, 1965. – Validación Experimental de los Métodos de Diseño de Instalaciones de Bomba de Calor Acoplada al Terreno. Tesis doctoral de Teresa Magraner Benedicto. Universidad Politécnica de Valencia. Departamento de Física Aplicada. Marzo 2010. – Comparison between design and actual energy performance of a HVAC-ground coupled heat pump system in cooling and heating operation. T. Magraner, A. Montero, S. Quilis, J.F.Urchueguía. Energy and Buildings 42, 2010.
136
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
La Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas de la Universidad Pontificia Comillas tiene la vocación de servir al debate y la reflexión acerca del problema de las fuentes de energía, el abastecimiento energético y su sostenibilidad en el medio y largo plazo, junto con la contribución que a la resolución de estos problemas brindan las Nuevas Tecnologías Energéticas reduciendo las emisiones inherentes a las transformaciones energéticas e incrementando la eficiencia de tales transformaciones, redundando así en un menor consumo de recursos. Así, la creación de una serie de monografías desarrolladas a partir de la Jornada Anual que desarrolla la Cátedra ofrece un material de excepcional importancia para tener una visión del estado del arte de las tecnologías energéticas más relevantes del momento, como punto de partida para el debate y la reflexión.
Beatriz Yolanda Moratilla Soria
Autores:
Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas
Este volumen, Energía geotérmica: análisis y prospectiva es el noveno de la serie Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas que pretende ser una de las respuestas que tanto desde la Cátedra Rafael Mariño de Nuevas Tecnologías Energéticas como desde la Asociación de Ingenieros del ICAI se plantean a la problemática descrita.
Coordinadora:
Energía geotérmica: análisis y prospectiva
Desde la Asociación de Ingenieros del ICAI se lleva trabajando varios años en la publicación de monografías, incluidas en la colección Avances de Ingeniería, que contribuyan a diseminar los avances que en diversos terrenos de la Ingeniería se vienen produciendo, ayudando así a la formación permanente de profesionales que de esta manera se mantienen al día en la vanguardia tecnológica.
Javier Urchueguía Schölzel Celestino García de la Noceda Carmen López Ocón Juan Pedro Luna González Margarita de Gregorio José Ignacio Linares Hurtado Marcel Hendriks José Sánchez Guzmán Raúl Hidalgo Rui Pedro Martins Cabeca Juan Torre Miguel Zamora Juan Antonio de Isabel Juan Pablo Mariño Iñigo Arrizabalaga
Editan:
Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI
C O L E C C I Ó N :
Editan:
Asociación Nacional de Ingenieros del ICAI
397_DeclaracionDirectores.indd 400 1-10_primerasPaginas.indd 1
Patrocina la Cátedra:
INDICE 30/1/09 26/3/09 18:03:05 16:17:49
COLECCIÓN: AVANCES DE INGENIERÍA
9
A V A N C E S
D E
I N G E N I E R Í A
Análisis de situación y prospectiva de nuevas tecnologías energéticas
Energía geotérmica: análisis y prospectiva
9