Energía Geotérmica - UT 3.3 PDF

SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLES ENERGIA GEOTERMICA CURSO 2021/2022 Centro Integrado Politécnico ETI AUTOR DEL DOCUMENTO Juan José Oroz Ros Centro Integrado Superior de Energías Renovables Energía Geotérmica Introducción al aprovechamiento de la ene...

SISTEMAS DE ENERGÍAS RENOVABLES ENERGIA GEOTERMICA CURSO 2021/2022 Centro Integrado Politécnico ETI AUTOR DEL DOCUMENTO Juan José Oroz Ros Centro Integrado Superior de Energías Renovables Energía Geotérmica Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 2 Energía Geotérmica 1 Introducción 2 Evolución histórica. 3 Origen de la energía geotérmica. 4. Tipos de yacimientos geotérmicos. 4.1. Tipos de yacimientos según entalpía. 4.2. Sistemas hidrotermicos, geopresurizados, roca caliente seca. 4.2.1. Los sistemas hidrotérmicos. 4.2.2. Sistemas geopresurizados. 4.2.3. Sistemas de roca caliente. 5. Sistemas de aprovechamiento. 5.1. Sistemas de alta entalpía 5.2. Sistemas de entalpía media. 5.3. Sistemas de baja entalpía. 5.3.1.Sector industrial. 5.3.2 Sector residencial y servicios. 5.4. Sistemas de muy baja entalpía. 5.4.1. Bomba de calor. 5.4.2. Sistemas de almacenamiento subterráneo de energía térmica. 6. Componentes de las centrales. 7. Situación actual. 8. Costes de la energía geotérmica. 9. Impacto ambiental de utilizar la energía geotérmica. 10.Combinación con otras fuentes de energía. Bibliografía: Energía de la energía geotérmica. Llopis Guillermo y Rodrigo Vicente. Comunidad de Madrid Evaluación del potencial de la energía geotérmica. IDAE Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 3 Energía Geotérmica Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 4 Energía Geotérmica 1. Introducción. La Tierra, además de disponer de energía procedente del exterior, fundamentalmente del Sol, que da origen, directa o indirectamente, a diversas tipos de energías renovables (solar, eólica, oleaje, maremotérmica, etc.), también dispone de energías endógenas. Un tipo de energía endógena es la energía térmica, la cual proviene de la importante cantidad de calor que la Tierra almacena en su interior. Por su procedencia, a esta energía térmica interna de la Tierra se le denomina energía geotérmica y se la incluye dentro del grupo de energías renovables, ya que la disipación del calor almacenado requeriría el transcurso de millones de años. 2. Evolución histórica. Las explotaciones de las fuentes geotérmicas datan desde la época de los romanos, que utilizaban el agua caliente en aplicaciones medicinales, domésticas y de ocio. Los primeros colonos polinesios en Nueva Zelanda, que vivieron hasta el siglo XVIII sin la influencia europea, dependían de los vapores geotérmicos para cocinar y calentarse, y del agua caliente para bañarse, lavar y curarse, aprovechando las propiedades curativas de las aguas geotérmicas. En el siglo XIX, los progresos en técnicas de ingeniería hacen posible observar las propiedades térmicas de las rocas y fluidos subterráneos, y explotarlos con rudimentarias perforaciones. A principios de este siglo se instaló en Italia una industria química (en la zona actualmente conocida como Larderello), para extraer el ácido bórico de las aguas calientes boratadas que emergían de forma natural o bien, de pozos perforados con ese objeto. El ácido bórico se obtenía mediante evaporación de las aguas boratadas, usando como combustible la madera de los bosques de los alrededores. En 1827 Francisco Larderel, fundador de esta industria, desarrolló un sistema para utilizar el calor de los fluidos en el proceso de evaporación, en vez de quemar la madera de los bosques en rápido agotamiento. En 1892 entró en funcionamiento el primer sistema centralizado de calefacción geotérmica, en Boise, Idaho (USA). En 1928 Islandia, otro país pionero en la utilización de la energía geotérmica, también inicio la explotación de sus fluidos geotérmicos (principalmente agua caliente) para calefacción doméstica. En 1904, en Larderello (Italia), se llevó a cabo el primer intento de generar electricidad a partir de vapor de origen geotérmico, utilizando un equipo inventado por el Príncipe Piero Ginori Conti. En 1942, la potencia eléctrica instalada alcanzaba los 127.650kW Años después diversos países se sumaron a la iniciativa italiana. En 1919 se perforaron los primeros pozos geotérmicos en Beppu (Japón). Asimismo, se realizaron perforaciones en el año 1921 en Los Geyseres (California), y en el Tatio (Chile). En 1958, entra en operación una pequeña planta de generación eléctrica en Nueva Zelanda, en 1959, otra en México, en 1960 en EEUU, seguidos por otros países en los años siguientes. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 5 Energía Geotérmica 3. Origen de la energía geotérmica. La energía interna de la Tierra procede del calor acumulado en su núcleo durante el proceso de formación del planeta (hace aproximadamente 4.600 millones de años) y, fundamentalmente, de las radiaciones emitidas por la desintegración atómica de elementos químicos radiactivos (uranio 238, torio 232, potasio 40, etc.) presentes en el interior de la misma. El calor almacenado en el interior de la Tierra no se encuentra uniformemente distribuido, sino que es más elevado en el núcleo (alrededor de 7.000ºC) y de menor intensidad en la corteza. El gradiente térmico creado, es decir, la diferencia de temperaturas existente, origina un flujo de calor desde las zonas más calientes hacia las más frías de la corteza. El flujo de calor cerca de la superficie, que tiene lugar fundamentalmente por conducción, depende del gradiente térmico y de la conductividad térmica del material. A nivel global del planeta, a medida que se profundiza en la corteza terrestre, la temperatura suele aumentar aproximadamente 3ºC cada 100m. Sin embargo, existen zonas de la superficie terrestre que presentan anomalías geotérmicas, originadas por la ascensión, en determinadas condiciones, de parte de material fundido de las profundidades y que queda atrapado en espacios próximos a la superficie. Por tanto, en sectores de la corteza terrestre pueden existir masas de material a gran temperatura (800Cº- 1.000ºC) que pueden dar lugar a un gradiente de temperatura entre 100ºC y 200ºC por kilómetro (figura). En estas zonas se dice que existen yacimientos geotérmicos, los cuales, a veces, se manifiestan en la superficie en forma de emanaciones gaseosas, de aguas termales, de erupciones volcánicas , etc. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 6 Energía Geotérmica Cuando el calor almacenado en los yacimientos geotérmicos se encuentra a profundidades razonables para poder extraerlo, con la tecnología existente, es posible aprovecharlo energéticamente. Para poder extraer esta energía es necesaria la presencia de agua cerca de estas zonas calientes. La explotación de esta fuente de energía se realiza perforando el suelo y extrayendo el agua, su vapor, o una mezcla de ambos, que sirven de vehículo de transporte. Parte del agua que fluye por la superficie de la tierra (producto de lluvia, de deshielo, de cursos de agua, etc.), se infiltra en el terreno y, a través de grietas y fracturas, puede alcanzar profundidades de varios cientos o hasta miles de metros. El agua, al encontrar en profundidad lechos de rocas suficientemente porosas, circula a través de los poros de dichas rocas. Esos estratos por los cuales circula agua se conocen como acuíferos. Si el acuífero se encuentra en una zona caliente, el agua que llena los poros de ese estrato tenderá a equilibrar la temperatura con la de la roca que la contiene. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 7 Energía Geotérmica Si la masa de agua acuosa que circula por un acuífero se encuentra con una zona de grietas y fisuras, el agua puede alcanzar la superficie del terreno produciéndose entonces un manantial o vertiente. Si el acuífero se encuentra en una zona donde el gradiente hace que el agua alcance una temperatura suficientemente alta se producirá una manifestación hidrotermal que, de acuerdo con las características que presente, se denomina fumarola, solfataras, y géiseres. Fumarolas es el nombre que se le da a la emisión de gases de origen volcánico y vapores a temperaturas que, en ocasiones, pueden alcanzar los 500°C. Las solfataras se diferencian de las fumarolas por su mayor contenido en vapor de agua, por una menor temperatura, y por eyectar chorros intermitentes de vapor de agua y otros gases. Estas dos formas de manifestaciones pueden ser surgentes o fluir suavemente, dependiendo de la presión existente dentro del acuífero de donde provienen. Los géiseres son surtidores intermitentes de una mezcla de agua y vapor (a temperaturas entre 70 y 100°C), con una gran cantidad de sales disueltas y en suspensión. 4. Tipos de yacimientos geotérmicos. 4.1. Tipos de yacimientos según la entalpía. Los yacimientos geotérmicos convencionales se clasifican de acuerdo con los niveles energéticos de los recursos que albergan, es decir, de los fluidos en ellos contenidos. Por lo tanto se pueden clasificar en: Yacimientos de alta entalpía en los que se cumplen las condiciones clásicas de existencia de un yacimiento y el foco de calor permite que el fluido se encuentre en condiciones de presión y alta temperatura (superior al menos a los150°C).Las características termo dinámicas del fluido permiten su aprovechamiento para producción de electricidad. Yacimientos de media entalpía en los que los fluidos se encuentran a temperaturas situadas entre los100 y los 150°C,lo que permite su uso para producción de electricidad mediante ciclos binarios que, en general, tienen rendimientos algo inferiores. Yacimientos de baja entalpía, cuando la temperatura del fluido es inferior a los 100°C y su aplicación son los usos directos del calor (calefacción, procesos industriales y usos en balneoterapia). Yacimientos de muy baja entalpía, cuando la temperatura del fluido o incluso de las zonas mas externas tienen unas temperaturas entre 12 y 25ºC, y su aplicación son los usos del calor a través de bombas de calor y equipos de refrigeración. En general, los yacimientos de alta entalpía se localizan en zonas de flujo de calor anómalo, mientras que los de baja entalpía corresponden a zonas estables de la corteza, con flujos de calor y gradientes geotérmicos normales que aprovechan los fluidos calientes contenidos en acuíferos profundos, en general sin cobertera impermeable. Tal como se ha expresado, el nivel térmico del fluido condiciona claramente su aprovechamiento. En los casos de yacimientos de baja entalpía su utilización más habituales la calefacción de viviendas y locales cuando las temperaturas se sitúan entre 50 y 100°C. Los fluidos con temperaturas inferiores suelen ser utilizados en instalaciones balnearias, ya que su nivel térmico no permite, en general, su uso en Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 8 Energía Geotérmica sistemas convencionales de calefacción de viviendas, si bien pueden ser utilizados para otros usos (calefacción de invernaderos, etc.). Cuando el flujo de calor que proviene del interior de la Tierra atraviesa los sedimentos permeables más superficiales que albergan aguas subterráneas o aguas forzadas a circular ,confiere a esta agua una estabilidad térmica notable, lo que permite extender el concepto de yacimiento de baja entalpía; se habla entonces de yacimientos geotérmicos de muy baja entalpía, con temperaturas de los fluidos –agua subterránea entre 15 y 22°C-, que pueden ser aprovechados desde el aspecto energético, en suma geotérmico, para usos de calefacción-climatización, mediante el uso de la bomba de calor que permite aplicar un pequeño salto térmico de niveles de temperatura bajas para aportar calor a temperaturas muy superiores. Esta estabilidad térmica que el calor de la Tierra mantiene en las aguas subterráneas también se manifiesta en los materiales del subsuelo.La transmisión del calor hacia las zonas más externas de la corteza posibilita que a menos de diez metros de profundidad la temperatura de los terrenos se mantenga prácticamente estable las 24 horas l día y durante todo el año. En ausencia de acuíferos, los materiales del subsuelo que mantienen estable su temperatura pueden aportar calor a un fluido que se le hiciese circular en contacto con ellos. De este modo se amplía el concepto de yacimiento geotérmico de muy baja entalpía al subsuelo poco profundo, en el cual se puede hacer circular a través de una tubería en circuito cerrado un fluido –básicamente agua– que permite extraer calor de los materiales existentes en estos terrenos poco profundos (profundidades en general de metros o decenas de metros y que raramente superan los 250 metros). 4.2. Sistemas hidrotérmicos, geopresurizados, roca caliente seca. Teniendo en cuenta cuestiones relacionadas con la presencia o no de agua, del estado de la misma (líquido, vapor), de las condiciones en que esta se encuentre (alta o baja presión), y de la estructura geológica del yacimiento, éstos pueden clasificarse en: sistemas hidrotérmicos, sistema geopresurizados y sistemas de roca caliente seca. 4.2.1. Los sistemas hidrotérmicos. Son los que disponen de agua en su interior, normalmente procedente de deshielos o de la lluvia. Suelen encontrase a profundidades comprendidas entre 1km y 10km. En función de la fase en que se encuentre el agua se clasifican en: sistemas con predominio de vapor de agua y sistemas con predominio de agua líquida. Estos son los únicos sistemas que han superado las etapas de investigación y desarrollo experimental, encontrándose, actualmente, en la etapa de explotación comercial. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 9 Energía Geotérmica La entalpía (calor termodinámico total del sistema) de los sistemas con predominio de vapor es del orden de 600Kcal/kg. Las temperaturas suelen ser uniformes y estar comprendidas entre 150ºC y 400ºC. Las presiones no suelen superar los 5MPa. Estas características del vapor sobrecalentado seco son apropiadas para que, una vez extraído mediante la perforación de pozos, pueda ser utilizado para la generación de energía eléctrica con un rendimiento aceptable. En los sistemas con predominio de agua en estado líquido las entalpías pueden ser altas (200Kcal/kg a 400Kcal/kg) o bajas. En los sistemas de alta entalpía las temperaturas reinantes pueden encontrase en el rango de 180ºC a 300ºC. Las presiones no suelen ser superiores a 1MPa. Generalmente, cuando el fluido alcanza la superficie, bien de forma natural (existencia de grietas), o artificial (perforación realizada por el hombre), súbitamente se transforma en vapor, debido a la disminución de la presión durante el ascenso. Las características del vapor de los sistemas de alta entalpía hacen que éstos sean apropiados para generar energía eléctrica. En los sistemas de baja entalpía, con temperaturas menores de 100ºC, el agua que se extraiga en la superficie, por su propia presión o mediante bombeo, tendrá una temperatura inferior a su punto de ebullición, por lo que su aplicación más idónea es el calentamiento de algún fluido (calefacción industrial, urbana y agrícola). Los yacimientos de baja entalpía son muy abundantes y su distribución superficial suele ser regular. 4.2.2. Sistemas geopresurizados. El fluido en los sistemas geopresurizados, generalmente agua líquida, se encuentra sometido a presiones que pueden alcanzar hasta 100MPa. Sin embargo, las temperaturas no suelen ser excesivamente altas (150ºC-250ºC). El agua suele coexistir con gases naturales (metano), lo que dificulta su explotación en la actualidad. Sin embargo, hay que señalar que, en el futuro, cuando se desarrolle una tecnología apropiada para su explotación comercial rentable, será posible utilizar tres fuentes de energía: la hidráulica del fluido (presión), la térmica del fluido (calor) y la energía primaria de los gases naturales. 4.2.3. Sistemas de roca caliente. Los sistemas de roca caliente seca se caracterizan por estar constituidos por rocas impermeables, con temperaturas entre 150ºC y 300ºC, y por carecer de acuífero. La impermeabilidad del sistema, su baja conductividad térmica y la carencia de un fluido que lo recorra constituyen el escollo principal para su explotación. De hecho, a pesar de representar estos sistemas un porcentaje muy elevado de los recursos geotérmicos mundiales, aún se encuentran en la etapa de investigación. Cuando se desarrollen técnicas y tecnologías que permitan penetrar en el roca y transformarla, en un intercambiador que comunique el calor del foco caliente a un fluido que se inyecte desde la superficie, podrá transformase la energía térmica en energía eléctrica con rendimientos que se prevén comprendidos entre el 8% y el 20%. 4.3. Métodos de estimación del los recursos geotérmicos Para que exista un yacimiento geotérmico, según las investigaciones geológicas, geofísicas y geoquímicas realizadas en una gran cantidad de sistemas geotérmicos, se requiere que se den una serie de circunstancias: Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 10 Energía Geotérmica Presencia de una fuente de calor. Esta fuente, generalmente, está constituida por un cuerpo de magma situado a una profundidad razonable, desde el cual se trasmite el calor a las rocas circundantes. Presencia de agua. El yacimiento debe ser susceptible de ser recorrido por una corriente de agua. Esta agua puede haberse infiltrado en el subsuelo, a través de fracturas o rocas permeables, hasta alcanzar la profundidad necesaria para ser calentada por la fuente de calor. También es posible que el agua sea inyectada por el hombre artificialmente desde la superficie. Presencia de un depósito. El volumen de este depósito lo proporciona rocas permeables situadas a una profundidad, accesible mediante perforaciones, donde se almacena el agua caliente o el vapor, que son los medios para transportar el calor. Existencia de una cubierta impermeable. Su presencia es necesaria para impedir que los fluidos se escapen hacia el exterior del yacimiento. Para determinar el potencial geotérmico se utilizan una serie de métodos. El procedimiento de partida suele ser, generalmente, el análisis de imágenes obtenidas por satélite y de fotografías aéreas. También los estudios de vulcanología facilitan la búsqueda de zonas geotérmicas aprovechables, ya que los mismos son buenos indicadores de la existencia de calor interno. Asimismo, la utilización de mapas geológicos y estructurales, las perforaciones para medir el gradiente térmico y extraer rocas para su análisis, los estudios geoquímicos y los estudios geofísicos son técnicas normalmente empleadas. 5. Sistemas de aprovechamiento. El aprovechamiento de los yacimientos geotérmicos depende de la entalpía del mismo. Si la entalpía es alta, el aprovechamiento se lleva a cabo en plantas térmicas de diseño específico. En estas plantas se transforma la energía térmica en energía eléctrica utilizando un ciclo termodinámico denominado “ciclo de Rankine”, en honor del ingeniero y físico británico William John Macquorn Rankine (1820-1872). En este ciclo, al igual que las plantas térmicas convencionales, se emplea calor para evaporar un líquido, que posteriormente se utiliza en el accionamiento de una turbina, la cual se acopla a un generador eléctrico para producir energía eléctrica. Si la entalpía es baja, el calor suele emplearse para el calentamiento de un fluido, aunque también podrían utilizarse para la generación de electricidad con muy bajos rendimientos. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 11 Energía Geotérmica 5.1 Sistemas de alta entalpía. Existen diversos tipos de sistemas para el aprovechamiento de fuentes geotérmicas de alta entalpía. Entre éstos se pueden destacar los cuatro siguientes: Sistemas de conversión directa. Sistemas de expansión súbita de una etapa. Sistemas de expansión súbita de dos etapas. Los sistemas de conversión directa se utilizan en aquellos yacimientos hidrotérmicos donde predomina el vapor seco. En este caso, el vapor súpercalentado (a 180ºC-185ºC y 0,8MPa-0,9MPa) que llega a la superficie se emplea directamente, después que las partículas sólidas y los gases no condensables hayan sido separados, para accionar una turbina que, gracias a un generador mecánicamente conectado a ella, produce corriente eléctrica. El vapor, una vez pasa por la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. Al agua obtenida en el condensador se la hace pasar por una torre de enfriamiento; una fracción importante del agua que se ha enfriado en la torre se envía al condensador para que sirva de fluido refrigerante, y el resto, se inyecta de nuevo en el acuífero. El rendimiento termodinámico de este tipo de instalaciones es pequeño, si se los compara con los obtenidos por una central térmica convencional. La causa fundamental es la diferencia de presiones a la entrada de la turbina. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 12 Energía Geotérmica En una central geotérmica la presión máxima suele ser del orden de 0,9MPa mientras que en una central convencional dicha presión puede elevarse hasta 17,5MPa. En general, los sistemas de conversión directa son los más simples, los más comunes y los más atractivos, desde el punto de vista comercial. Como ejemplos de instalaciones de este tipo que actualmente están operativas en el mundo se pueden destacar la central de Larderello (Italia), de 500 MW de potencia instalada, la central de los Géiseres (EE.UU), con 700MW instalados y la central de Matsukawa (Japón), con 20MW instalados. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 13 Energía Geotérmica Los sistemas de expansión súbita de una etapa se emplean en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el agua líquida. En estos sistemas, el agua puede expansionarse súbitamente durante el ascenso a la superficie o mediante el empleo de un recipiente de expansión, originando que parte del líquido se evapore instantáneamente. Por tanto, es necesario utilizar un separador de fases que permita dirigir el vapor (155ºC-165ºC y 0,5MPa-0,6MPa) hacia la turbina y el agua no evaporada hacia el acuífero. El vapor obtenido se expande por una turbina que, acoplada mecánicamente a un generador eléctrico, produce corriente eléctrica. Al igual que ocurría en los sistemas de conversión directa, el vapor, una vez que pasa por la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. Parte de esta agua constituye a su vez el fluido de refrigeración, una vez ha sido enfriada en una torre de refrigeración. El resto del agua condensada se inyecta de nuevo en el acuífero. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 14 Energía Geotérmica El rendimiento de estos sistemas es inferior a los de conversión directa, ya que no toda el agua que llega a la superficie se transforma en vapor de trabajo, como ocurría con los sistemas de conversión directa. Los sistemas de expansión súbita de dos etapas se emplean en los yacimientos hidrotérmicos donde predomina el agua líquida con bajos contenidos de impurezas. Tienen como objetivo mejorar el rendimiento de los sistemas de expansión de una etapa. Las diferencias de los sistemas de una etapa frente a los de dos etapas se encuentran en la existencia de dos etapas de expansión del agua que llega a la superficie desde el acuífero y en que la turbina dispone de dos cuerpos; un cuerpo que trabaja al alta presión y un cuerpo que trabaja a baja presión. En los sistemas de evaporación súbita de dos etapas, el vapor obtenido en la primera expansión se dirige al cuerpo de alta presión de la turbina, mientras que el líquido obtenido en el primer separador de fases es de nuevo expansionado (a menor presión que en la primera etapa). El vapor resultante de la segunda expansión es conducido al cuerpo de baja presión de la turbina, mientras que el agua residual se inyecta de nuevo en el acuífero. Como puede observarse en la figura, el cuerpo de baja presión de la turbina se alimenta, además del vapor procedente de la segunda etapa de expansión, del vapor saliente del cuerpo de alta de la turbina. El vapor, una vez que pasa por el cuerpo de baja de la turbina de expansión, se dirige a un condensador donde se convierte en agua líquida saturada. El resto del proceso es similar al de los sistemas anteriormente descritos. Hay que señalar que los sistemas de dos etapas incrementan el rendimiento de los sistemas de una etapa en casi un 40%, sin embargo, el incremento del rendimiento sería mucho menor si se añadiese una tercera etapa de expansión. Sin embargo, requieren mucho más fluido, para generar una misma potencia, que una planta de conversión directa. Por ejemplo, la central de East Mesa (California), que comenzó a funcionar en 1988, y que utiliza este sistema para generar 37 MW de potencia, emplea 10 veces más fluido que una central similar de conversión Central geotérmica de East Mesa (California) expansión directa. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 15 Energía Geotérmica Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 16 Energía Geotérmica 5.2. Sistemas de entalpía media. Los sistemas de ciclo binario pueden ser utilizados en los yacimientos hidrotérmicos de entalpía media (100ºC-200ºC), donde predomina el agua líquida. Este tipo de plantas emplean un segundo fluido de trabajo, con un punto de ebullición (a presión atmosférica) inferior al del agua, tales como isopentano, freón, isobutano, etc., los cuales se evaporizan y se usan para accionar la turbina. Estos sistemas, además de presentar la ventaja de permitir utilizar yacimientos geotérmicos de temperaturas medias, admiten la explotación de yacimientos con acuíferos con un mayor porcentaje de impurezas, especialmente si estos están bajo una presión tal que no tenga lugar la evaporación súbita. El líquido extraído del acuífero, una vez ha cedido su calor al fluido de trabajo en el intercambiador de calor, retorna de nuevo al yacimiento. El fluido de trabajo, transformado en vapor recalentado a su paso por el evaporador, se dirige a la turbina con el objeto de accionarla. El generador, mecánicamente acoplado a la turbina, es el encargado de generar electricidad. Los gases del fluido de trabajo, una vez se expanden en la turbina, se condensan en un intercambiador de calor. El intercambiador es refrigerado con agua mediante un circuito que dispone de refrigeración. Varias plantas geotérmicas en el mundo utilizan sistemas de ciclo binario: Soda Lake (Nevada), Wendell-Amadee (California), Fang (Tailandia) Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 17 Energía Geotérmica Independientemente del tipo de sistema utilizado en las centrales geotérmicas, los componentes fundamentales de todas ellas son los siguientes: Evaporadores y condensadores. Turbinas y generadores. Tuberías y bombas. Torres de enfriamiento. Con excepción de los sistemas de ciclo binario, la mayoría de los condensadores que se emplean en los sistemas geotérmicos son de los denominados de contacto directo. En este tipo de intercambiadores la condensación es muy efectiva. El vapor se mezcla con el agua de refrigeración, por lo que a la salida existe un único fluido, agua líquida saturada. 5.3. Sistemas de baja entalpía. Los recursos geotérmicos de alta temperatura, necesarios para la producción de electricidad, son escasos en comparación con los recursos de media y baja temperatura, por lo que existen otras aplicaciones para el aprovechamiento de la energía geotérmica que se pueden denominar de utilización directa. El uso directo del calor es una de las aplicaciones más antiguas y comunes de la energía geotérmica para balnearios, calefacción residencial, agricultura, acuicultura y usos industriales. A nivel mundial, se puede clasificar la utilización directa de la energía geotérmica en dos ámbitos claramente diferenciados: el sector industrial y el sector residencial y de servicios. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 18 Energía Geotérmica 5.3.1. Sector industrial. El vapor, calor o agua caliente de las reservas geotérmicas, puede ser empleado en aplicaciones industriales donde las instalaciones son grandes y requieren un gran consumo de energía. A continuación, se definen algunas de las principales aplicaciones térmicas en este sector: Procesos industriales. Las diferentes formas de utilización de este calor incluye: procesos de calefacción, evaporación, secado, esterilización, destilación, lavado, descongelamiento y extracción de sales, etc., aplicado en la industria de producción de papel y reciclado, procesamiento de celulosa, tratamientos textiles, industria alimenticia, pasteurización de leche, extracción de productos químicos, recuperación de productos petrolíferos, extracción de CO2, bebidas carbonatadas, etc Invernaderos. Un empleo muy común de la energía geotérmica de baja temperatura es en agricultura. Las aplicaciones agrícolas de fluidos geotermales son para calefacción a campo abierto e invernaderos. Una solución óptima de aplicación de la geotermia en campo abierto consiste en combinarla calefacción del suelo con el regadío, controlando cuidadosamente la composición química de las aguas termales utilizadas con este fin. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 19 Energía Geotérmica El uso de invernaderos no se limita sólo a cultivos vegetales comestibles sino al cultivo de plantas ornamentales, flores, etc. Los invernaderos permiten alargar el periodo productivo de los vegetales a lo largo de todo el año, asegurando que la tierra no se hiele y proporcionando una estación de crecimiento más larga y un desarrollo rápido de los productos. El invernadero debe asegurar unas condiciones óptimas para el desarrollo de cada planta basados en la intensidad y cantidad de luz, temperatura diurna y nocturna, la concentración de CO2 en el invernadero, humedad del terreno y del aire, y el movimiento del aire dentro del invernadero. La calefacción del invernadero puede realizarse conjunta- mente con circulación forzada de aire mediante intercambia-dores de calor, tuberías de circulación de agua caliente (bien dentro o sobre el suelo), radiadores o una combinación detodos estos métodos, según se observa en el gráfico adjunto. Acuicultura. La acuicultura es la técnica controlada de especies acuáticas vegetales y animales que, actualmente, está adquiriendo gran importancia a nivel mundial. El nivel térmico exigido por las piscifactorías permite el aprovechamiento de los yacimientos de baja entalpía y constituye un campo de aplicación muy interesante para el aprovechamiento de aguas geotermales, principalmente en países fríos. 70Manual de El sistema de piscifactorías consiste en la crianza de peces, crustáceos o mariscos en varias piscinas artificiales escalonadas, controlando así el crecimiento de cada especie, manteniendo artificialmente una temperatura óptima, la alimentación y la calidad del agua. De esta forma, seconsigue cultivar especies exóticas, mejorar la producción e incluso duplicar el ciclo reproductivo. Las especies que habitualmente se cultivan son: angulas, almejas, cangrejos, carpas, mejillones, langostas, salmonetes, salmones, camarones, etc. También se puede incluir la crianza de caimanes y cocodrilos. Las temperaturas que se requieren para las especies acuáticas son del orden de 20-30°C. Las piscinas de cría y engorde pueden ser a cielo abierto o instalarse bajo cubierta, con el fin de reducirlas pérdidas de calor hacia el exterior. El tamaño de la instalación dependerá de la temperatura del recurso geotermal y de la requerida por la especie. En muchos casos se aprovecha el aporte energético de las aguas termales para combinar lacrianza de animales con invernaderos, ya que la energía requerida para calefactar las instalaciones de cría de animales es aproximadamente la mitad de la requerida para un invernadero de la misma superficie. 5.3.2 Sector residencial y servicios. El uso de sistemas geotérmicos de baja entalpía para el sector residencial y de servicios permite prescindir del gasóleo, gas natural o gases licuados derivados del petróleo (propano y butano) ,todas ellas energías caras y no renovables. La demanda térmica de la energía consumida en el sector residencial y de servicios es relativamente baja, lo que permite utilizar agua geotérmica de baja entalpía y devolverla a baja temperatura, Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 20 Energía Geotérmica incrementando así el potencial geotérmico del recurso e induciendo a un ahorro de energía, que podrá aprovecharse para otras aplicaciones. El sistema de climatización geotérmico funciona correctamente con cualquier instalación de calefacción actual, bien sea por radiadores, suelo radiante o aire. En general, un esquema simplificado de un sistema de energía geotérmica aplicado a este sector consta de tres circuitos diferenciados: Circuito primario: formado por un equipo de bombeo y acondicionamiento de agua geotérmica situado en laboca del pozo de extracción, un intercambiador de placas y el sistema de reinyección. Red de distribución: formado por un sistema cerrado de tuberías, ida y retorno, para distribuir el agua caliente a los usuarios, un equipo de bombeo y una centralita de conexión con el particular. Circuito de distribución privado: desglosado en dos circuitos claramente diferenciados en función del nivel térmico de funcionamiento al que trabajan, uno en circuito abierto para el agua caliente sanitaria (ACS) y otro en circuito cerrado de calefacción. La demanda de ACS en el sector doméstico es muy irregular, teniendo en cuenta una sola vivienda, pero a medida que se añaden más viviendas al sistema, la curva de demanda se suaviza progresivamente. Calefacción de Distrito, “District Heating” El aprovechamiento directo de los recursos geotermales permite diseñar un sistema de calefacción centralizado, más comúnmente conocido como “districtheating”. El sistema satisface la demanda de calor de un conjunto de usuarios, distribuidos dentro de una zona extensa, del tamaño de un barrio, distrito o incluso una ciudad entera. Inicialmente solo se satisfacía la demanda de calefacción pero posteriormente se amplió al suministro de refrigeración. A finales del siglo XIX, comenzaron a funcionar pequeñas instalaciones que atendían las necesidades de áreas muy limitadas, como zonas industriales o comerciales. Su aplicación comienza a aumentar a partir de los años 30 en Estados Unidos y en Europa, aunque su gran expansión se produce en los años sesenta. 7 En general, los sistemas de calefacción por distrito pueden ser abiertos o cerrados. El sistema cerrado constará de un circuito de calefacción con tubería de impulsión y una tubería de retorno, mientras que el circuito que distribuye ACS es un sistema abierto, porque una vez utilizado el fluido calorportante lo vierte al sumidero. La mayoría de este tipo de instalaciones son sistemas cerrados. Existen proyectos en los que el agua Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 21 Energía Geotérmica geotérmica es conducida bajo las carreteras y caminos vecinales, para mantenerlos libres de agua helada o incluso para dispersar la neblina de los aeropuertos. 5.4. Sistemas de muy baja entalpía. Dada la estabilidad térmica que tienen las capas superficiales de la tierra frente a los cambios estaciónales, el subsuelo, en sus primeros 100-200 m, resulta un medio adecuado para proporcionar y almacenar energía térmica. De hecho, a 10-20 m de profundidad, su temperatura se mantiene prácticamente constante, incrementándose según el gradiente geotérmico al aumentar la profundidad (3 ºC cada 100 m). Las tecnologías para aprovechar esta energía almacenada en los primeros metros de la corteza terrestre son básicamente dos: Bomba de calor geotérmica, o bomba para calor de fuente terrestre (GHP: Geothermal Heat Pump). Almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES: Underground Thermal Energy Storage). En ambos casos, las tecnologías desarrolladas para aprovechar el calor del subsuelo son función de la accesibilidad del recurso geotérmico, y pueden clasificarse en dos tipologías principales que, a su vez, incluyen diferentes subtipos: Circuitos abiertos, basados en el uso de aguas subterráneas, que suponen la captación de agua de un acuífero para su aprovechamiento. En este caso, el agua subterránea es el medio de transporte del calor. Circuitos cerrados, cuyo fundamento es el empleo de un fluido –básicamente, agua con algún aditivo–, para extraer el calor de los materiales existentes a poca profundidad en el subsuelo. Implican la instalación de un intercambiador en el terreno para el aprovechamiento energético, cuya pared separa el fluido termoportador de la roca y del agua subterránea. Habría que considerar una tercera categoría, a la que pertenecen los sistemas que no pueden incluirse, estrictamente, en ninguna de las dos indicadas. Serían aquéllos en los que existe cierta diferenciación entre el agua subterránea y el fluido termoportador, pero no hay ninguna barrera entre ellos, como es el caso de los que aprovechan las temperaturas de las aguas de minas o de obras subterráneas (túneles, etc.), con caudales suficientes para su explotación con fines energéticos. 5.4.1. Bomba de calor (GHP). Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 22 Energía Geotérmica La bomba de calor geotérmica extrae calor del subsuelo a una temperatura relativamente baja, aumentándola, mediante el consumo de energía eléctrica, para posibilitar su uso posterior en sistemas de calefacción. Existe la opción de invertir el proceso en verano, inyectando en la tierra el calor absorbido en la refrigeración de la instalación a climatizar. Esta tecnología representa, en la mayoría de los casos, la única posibilidad de aprovechamiento de los recursos de muy baja entalpía (T < 30 ºC), asociados a la denominada geotermia somera y presentes bajo cualquier terreno en cualquier lugar del Planeta, que son los que mejor se adaptan a las necesidades de climatización de edificios. El consumo de electricidad de la bomba de calor geotérmica se cifra en 0,25-0,30 kWh por cada kWh de calefacción producido (MANDS, E.; SANNER, B. Shallow Geothermal Energy. UBeG GbR, Zum Boden 6, D-35580 Wetzlar) La bomba de calor puede transferir el calor desde las fuentes naturales del entorno a baja temperatura (foco frío) hacia las dependencias interiores que se pretenden calefactar, o para emplearlo en procesos que precisan calor en la edificación o en la industria. Asimismo, ofrece la posibilidad de aprovechar los calores residuales de procesos industriales como foco frío, circunstancia que permite disponer de una fuente a temperatura conocida y constante que mejora el rendimiento del sistema. Las bombas de calor geotérmicas funcionan del mismo modo que las bombas de calor convencionales (aire-aire y aire-agua), de manera que pueden calentar, refrigerar y, si están adecuadamente equipadas, proporcionar agua caliente sanitaria, pero con mayor eficacia que éstas. Según el Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE), las GHP utilizan entre un 25% y un 50% menos de electricidad que los sistemas Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 23 Energía Geotérmica convencionales de calefacción y refrigeración, reduciendo el consumo energético-y las emisiones correspondientes- de un 45% a un 70%, si se comparan con éstos. Como ya se indicó anteriormente, los sistemas que conectan la bomba de calor geotérmica con el subsuelo y permiten la extracción del calor del terreno o su inyección en él son, básicamente, abiertos o cerrados Sistemas abiertos. Se caracterizan porque el portador del calor –el agua subterránea– fluye libremente en el subsuelo y actúa, además de como fuente de calor, como medio para el intercambio del mismo. El principal aspecto técnico de este tipo de sistemas es el relativo a los sondeos perforados para explotar la capa freática o los recursos de acuíferos poco profundos situados por debajo de ésta. En la mayoría de los casos, son necesarios dos sondeos –explotación mediante doblete de sondeos–, uno para extraer el agua subterránea y otro para reinyectarla en el mismo acuífero de la que se obtuvo. El sondeo de captación, equipado con una bomba sumergible, conduce el agua subterránea hasta la bomba de calor, desde donde, una vez enfriada tras extraer su energía, se devuelve al acuífero de origen o se vierte a un cauce superficial (Figura). Con el fin de evitar el enfriamiento continuo del agua subterránea, los sondeos de producción e inyección deben situarse, respectivamente, aguas arriba y aguas abajo del flujo subterráneo, y a la distancia adecuada, de acuerdo con los modelos de transmisión de calor. Para la aplicación de estos sistemas se requiere una permeabilidad suficientemente elevada del terreno, que permita obtener la cantidad necesaria de agua subterránea a poca profundidad, y una cierta calidad de esta última, circunstancia que supone el control de ciertos parámetros, como el contenido de hierro y el potencial redox, para evitar problemas de corrosión, precipitación y obstrucción de conducciones, que, a largo plazo, podrían afectar al funcionamiento de la instalación. Estos sistemas, bastante difundidos en España –sobre todo en zonas con acuíferos aluviales con buenas productividades y piezometrías someras-, son sencillos, con bajos costes de inversión y elevados rendimientos, aunque con el inconveniente de que su explotación está sujeta a una tramitación administrativa compleja y dilatada. Sistemas cerrados. Se basan en el empleo de intercambiadores enterrados, con un fluido termoportador en su interior que cede la energía del subsuelo a la bomba y viceversa. Por tanto, es el fluido que circula por el intercambiador en circuito cerrado el que se lleva a la bomba de calor y no el agua subterránea, como sucedía en el caso de Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 24 Energía Geotérmica los sistemas abiertos. Los sistemas cerrados ofrecen la posibilidad de aprovechar el calor acumulado en los materiales de los niveles más externos de la corteza terrestre, en las situaciones en que la impermeabilidad del terreno o la profundidad de los niveles no permite explotar la energía de las aguas del subsuelo. Son de dos tipos, horizontales y verticales, en función de cómo se sitúen los intercambiadores en el terreno. Horizontales. Los circuitos cerrados con intercambiador de calor horizontal son los sistemas cerrados más fáciles de instalar, si bien, en ocasiones, están sujetos a limitaciones de espacio. Por este motivo, en el centro y el oeste de Europa, las tuberías se disponen siguiendo un diseño relativamente denso, conectándose en serie o en paralelo (Figura). En estas distribuciones con alta densidad de tuberías, lo habitual es retirar completamente la capa superficial del terreno, colocar las conducciones y, finalmente, cubrirlas con la tierra retirada. En el norte de Europa y de América, donde el terreno es más barato, se prefiere un circuito más amplio, con tuberías situadas en zanjas (Figura ). Las tuberías, normalmente de polietileno, de 25 a 40 mm de diámetro, por las que circula el líquido de intercambio térmico –agua o agua glicolada– se instalan en zanjas a una profundidad mínima de 0,90 metros, en disposiciones que incluyen hasta seis tubos por zanja, si bien lo habitual es que sólo se coloquen dos. Para solventar los problemas de espacio que se plantean con este tipo de colectores, se han desa- rrollado unos intercambiadores de calor especiales para ubicar en el terreno, que resultan ser los más adecuados para sistemas que trabajan con bombas de calor para usos en calefacción y refrigeración. Un tipo de estos intercambiadores, conocido como slinky, se basa en la colocación de bobinas de polietileno en el terreno, extendiendo las sucesivas espiras e intercalando tierra seleccionada o arena (Figura). Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 25 Energía Geotérmica Dichas espiras pueden disponerse horizontalmente, en una zanja ancha, o verticalmente, en una zanja estrecha. Estos colectores son ampliamente utilizados en EEUU pero sólo uno de sus tipos, el colector en zanja (trench collector), ha alcanzado cierta distribución en Europa, sobre todo en Austria y el Sur de Alemania. En este caso, varias tuberías de pequeño diámetro se sujetan a las paredes bastante inclinadas de una zanja, a varios metros de profundidad (Figura ). La radiación solar, al incidir sobre la superficie terrestre, constituye el principal medio de recarga térmica de estos sistemas, por lo que es importante no cubrir la superficie situada por encima de las tuberías situadas en el terreno. Normalmente, estos sistemas tienen un coste inferior al que supone la perforación de sondeos, pero presentan el inconveniente de requerir una considerable superficie con espesores ripables superiores a 1 metro, lo que no siempre es fácil de conseguir, además de estar sometidos a importantes variaciones de temperatura y humedad, que afectan al rendimiento estacional. Una variante de los sistemas cerrados con intercambiador horizontal son los denominados sistemas de expansión directa, en los que el intercambio térmico se realiza mediante la circulación del fluido refrigerante –el medio de trabajo de la bomba de calor– directamente por el circuito situado en el terreno. La ventaja de esta tecnología, limitada a las unidades más pequeñas, es que evita uno de los procesos de intercambio de calor, ofreciendo, de este modo, la posibilidad de mejorar la eficacia del sistema. En Francia y Austria, la expansión directa también se ha combinado con la condensación directa en los sistemas de calefacción de suelos. Verticales. Los sistemas cerrados con intercambiador vertical suponen la perforación de sondeos de profundidad variable –normalmente, entre 60 y 200 metros– y pequeño diámetro –de 10 a 15 cm–, en los que se introducen colectores de calor –un doble tubo en el caso más sencillo– por los que circula el fluido. Estos dispositivos verticales de captación de calor se denominan sondas geotérmicas. (Figura). Los tubos captadores se introducen en los sondeos tras finalizar la perforación. Habitualmente, se instalan tuberías de polietileno o polipropileno, cuyo diámetro varía entre 3/4” (25 mm) y 2” (63 mm), en función del caudal circulante y la longitud del circuito. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 26 Energía Geotérmica La fuente de recarga de la energía térmica captada por los intercambiadores verticales es, en la zona superficial, la radiación solar y, en la zona inferior, el flujo de calor geotérmico, con cierta influencia del agua subterránea circulante -poco importante en la mayoría de los casos- o de las aguas percoladas. Durante el funcionamiento de la bomba de calor geotérmica, se registra un descenso de la temperatura del terreno en torno al sondeo, al que hay que unir el derivado de la denominada resistencia térmica del propio sondeo, del que son responsables el material de relleno del mismo y las paredes del intercambiador. Para reducir las pérdidas de temperatura en los sondeos, éstos deben rellenarse con algún material que permita la transmisión de calor a los tubos captadores situados en su interior, además de la circulación del agua que pudiera haber en el terreno debido a la existencia de algún nivel freático a poca profundidad o a la presencia de aguas someras procedentes de filtraciones pluviométricas. Teniendo en cuenta que la presencia de agua en el terreno aumenta considerablemente la capacidad para transmitir el calor geotérmico, en el caso de que en el sondeo no la haya, lo más recomendable es un relleno de gravas o arenas permeables para incrementar la conductividad térmica. También es adecuado el relleno con materiales térmicamente mejorados, desarrollados para disminuir las referidas pérdidas. Para el diseño de una sonda geotérmica, se re- quiere el conocimiento previo de la conductividad térmica del terreno, la humedad natural del suelo, la presencia o no de aguas subterráneas y el tipo de prestaciones de la instalación prevista. Además, resulta clave la potencia de extracción de calor por metro lineal de sonda. En los casos en que se precisan potencias mayores a las habituales -entre 20 y 70 W/m-, pueden emplearse campos de sondas geotérmicas, en número de 4 a 50, con profundidades que oscilan entre 50 y 200 metros, dependiendo de la potencia requerida y de las condiciones geológicas locales. Los colectores de las sondas pueden disponerse junto a las edificaciones o debajo de ellas, o bien, las tuberías pueden conectarse en zanjas en el terreno (Figura). Los campos de sondas geotérmicas pueden constituir una base adecuada para los sistemas de almacenamiento subterráneo de energía térmica, que se tratarán más adelante. Las instalaciones que disponen de bomba de calor acoplada a circuitos cerrados con intercambiadores verticales son de dimensiones muy variadas: desde viviendas unifamiliares con un solo intercambiador hasta grandes edificios que requieren campos con un importante número de sondas geotérmicas. Una de las instalaciones con mayor número de intercambiadores verticales instalados en Europa para dar servicio a un único edificio corresponde a las oficinas centrales de Control del Tráfico Aéreo Alemán (Deutsche Flugsicherung): un total de 154 perforaciones de 70 m de profundidad. Para el diseño de intercambiadores verticales conectados a instalaciones individuales o de pequeño tamaño puede recurrirse a tablas, datos empíricos y normas generales (los hay en Suiza y Alemania), mientras que, en el caso de instalaciones de mayor envergadura, es necesario calcular el número y la longitud de los dispositivos nece- sarios (existen programas para PC en Europa y EEUU que permiten realizar estos Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 27 Energía Geotérmica cálculos; en casos complicados, pueden hacerse simulaciones con modelos numéricos). Para un número considerable de instalaciones de pequeña envergadura -el caso, por ejemplo, de una comunidad formada por 60 viviendas unifamiliares con dos sondas geotérmicas para cada una de ellas-, cuanto menor sea la distancia entre perforaciones, mayor deberá ser la profundidad de los intercambiadores. Los tubos captadores pueden instalarse de diversas maneras en el interior del sondeo, pudiendo considerarse dos tipos básicos de intercambiadores verticales: Con tubos en U. El sistema de captación consiste en un par de tubos unidos en su base mediante un codo de 180 º, cuyas salidas se conectan al circuito primario de las bombas de calor geotérmicas. En cada sondeo pueden instalarse, dependiendo de su diámetro de perforación, hasta cuatro de estos pares de tubos en U, existiendo también la posibilidad de dar a estos pares un mayor recorrido a lo largo de varias sondas (Figura). La ventaja de esta configuración es el bajo coste del material de los tubos, circunstancia que ha contribuido a que los intercambiadores verticales de este tipo sean los más utilizados en Europa. Con tubos coaxiales. El sistema de captación, en su disposición más simple, consta de dos tubos concéntricos de diferente diámetro. Existen configuraciones más complejas que incluyen un mayor número de tubos colectores. La estabilidad de la temperatura en los primeros metros del subsuelo, hecho ya señalado con anterioridad, permite el aprovechamiento de la energía térmica transmitida desde el interior de la Tierra hasta las capas más superficiales de la corteza terrestre, mediante los captadores ubicados en las perforaciones. Esta circunstancia y el bajo índice de ocupación del terreno que presenta este sistema se muestran como las principales ventajas del mismo. Su principal inconveniente son los costes iniciales de implantación. Una variante de este sistema son las cimentaciones energéticas, que aprovechan las estructuras de cimentación profunda de los edificios para captar y disipar la energía térmica del terreno. En este caso, los propios pilotes de la cimentación -piezas de hormigón armado- actúan como sondas geotérmicas, convirtiendo a la estructura en un campo de ellas (Figura). Los pilotes utilizados pueden ser prefabricados o Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 28 Energía Geotérmica montados in situ, con diámetros que varían entre 40 cm y más de 1 m. En estos sistemas, también denominados cimientos geotérmicos, energéticos o termoactivos, geoestructuras o pilotes intercambiadores de calor, se inserta, en la totalidad o en una parte de los pilotes, una red de tubos de polietileno, propileno o PVC, que se conforman como conductos en U y por los que se hace circular agua con un anticongelante, que se conectan en circuito cerrado a una bomba de calor o una máquina de refrigeración. En cada pilote, sujetos a la armadura metálica de éste, pueden situarse varios pares de tubos independientes (Figura), que convergen en superficie en un colector común. Una vez colocada la armadura del pilote en la excavación, éste se rellena con hormigón, de forma maciza o dejando el centro hueco. La red de tubos intercambiadores constituyen la alimentación a la bomba de calor geotérmica -una o varias, en función de las necesidades del edificio al que se va a dar servicio-, conformando la instalación de climatización e, incluso, de agua caliente sanitaria. Para implantar una instalación geotérmica de estas características, es preciso el conocimiento previo de diversos factores, entre los que cabe citar las características del terreno que definen su potencial geotérmico y la velocidad de flujo de la capa freática, de la que depende, directamente, la capacidad de un conjunto de pilotes intercambiadores para almacenar energía térmica estacionalmente. Esta tecnología, que hace años solo se utilizaba en viviendas individuales y plurifamiliares, es, en la actualidad, una de las más empleadas para calentar y refrigerar edificios de grandes dimensiones. Ofrece, como ventajas, un considerable ahorro de trabajo, al desarrollarse de forma conjunta los proyectos de climatización y de construcción, y de espacio, al situarse todo el circuito de intercambio debajo del edificio a climatizar. Su principal inconveniente es la dificultad -prácticamente, imposibilidad- que presenta la reparación de los tubos captadores una vez instalado y hormigonado el pilote. Por este motivo, lo habitual es sobredimensionar el número de pares de tubos captadores para, en caso de que alguno quede inutilizado, contar con el mínimo necesario para garantizar el suministro de calor a las bombas geotérmicas. También es posible embutir tubos captadores que alimenten bombas de calor geotérmicas en estructuras de sostenimiento lateral o de bóveda de túneles de ferrocarriles subterráneos que circulan bajo grandes ciudades, con el objetivo de climatizar las propias estaciones de ferrocarril o edificios situados en zonas próximas. La climatización de la estación U2/3 Praterstern del ferrocarril subterráneo de Viena constituye un ejemplo de esta aplicación. Otros sistemas En este grupo se incluyen los sistemas que no pueden calificarse, de forma categórica, como abiertos o cerrados. Sería el caso de los pozos de tipo columna y de los aprovechamientos de aguas de minas y túneles. Pozos de tipo columna. El agua se bombea desde el fondo del pozo y, tras abandonar la bomba de calor, se filtra a través de la grava que rellena su anillo (Figura). Los pozos Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 29 Energía Geotérmica de este tipo necesitan alcanzar cierta profundidad para que el aporte de energía sea suficiente para que el agua no se congele, de modo que, en la mayoría de las instalaciones, las perforaciones tienen varios cientos de metros de profundidad. Se co- nocen ejemplos en Europa (Suiza y Alemania) y en EEUU. Considerando los costes de perforación, esta tecnología no resulta adecuada para pequeñas instalaciones. Aguas de minas y túneles. El agua de esta procedencia tiene una temperatura constante durante todo el año y es fácilmente accesible. Los túneles a los que se hace referencia en este apartado son los correspondientes a grandes obras de tunelación, que atraviesan macizos rocosos y drenan las aguas subterráneas que se encuentran a su paso. Estas aguas pueden constituir un potencial geotérmico importante, como sucede en Suiza, donde alcanzan, en grandes túneles, temperaturas de hasta 30 ºC. Aguas de este origen se utilizan en la localidad suiza de Oberwald, en el acceso oeste del túnel ferroviario de Furka, donde las aguas de éste (5.400 l/min de caudal y 16 ºC de temperatura) se transportan por gravedad hasta la ciudad para su aprovechamiento en la climatización de apartamentos y un centro deportivo. Igualmente, en Airolo, también en Suiza, el agua del túnel de carretera de Gotthard (6.700 l/min a 17 ºC) constituye la fuente de calor que alimenta una bomba geotérmica instalada para climatizar el centro de mantenimiento de la carretera. La construcción de un gran número de túneles en los Alpes abre las puertas al desarrollo de un nuevo potencial para el aprovechamiento de este tipo de fuente de calor. Las antiguas explotaciones mineras subterráneas representan un caso particular de esta forma de uso del calor geotérmico. Sus galerías abandonadas proporcionan aguas subterráneas con un considerable potencial geotérmico. Cabe citar como ejemplo el Proyecto Barredo, en As- turias, que prevé concentrar las aguas de varios pozos cerrados o en vías de cierre, en un solo caudal, que se estima alcanzará los 10 hm3/año, a una temperatura de 20 ºC, para uso en una bomba geotérmica destinada a la calefacción de instalaciones. Otro ejemplo es el de Ehren- friedersdorf (Alemania), donde se aprovecha el agua de una mina de estaño abandonada en la instalación de climatización de una escuela (Figura). Sistemas tierra-aire. Permiten el pretratamiento del aire de renovación del sistema de ventilación de un edificio, mediante su circulación por un conjunto de tuberías enterradas –los denominados pozos provenzales o pozos canadienses–, que permiten, con un mínimo consumo, reducir el salto térmico existente entre el exterior y el interior del edificio. El aire así preacondicionado se conduce al recuperador de calor y a las climatizadoras reduciendo la carga térmica de la ventilación de manera notable. El edificio industrial y administrativo Schwerzenbacherhof, cerca de Zurich (Suiza), Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 30 Energía Geotérmica constituye un ejemplo de aplicación de estos sistemas, cuyo uso aún no está muy extendido. 5.4.2. Sistemas de almacenamiento subterráneo de energía térmica (UTES) En estos sistemas, se almacena calor, frío o ambos bajo tierra. Los métodos de conexión con el subsuelo incluyen, como en el caso de la bomba de calor geotérmica, sistemas abiertos (ATES) y sistemas cerrados (BTES) (Figura): Almacenamiento en acuíferos (ATES: Aquifer Thermal Energy Storage). Estos sistemas, en los que el agua subterránea es el medio de transporte del calor, se caracterizan por su alta porosidad, su media a baja conductividad y transmisividad hidráulicas y su reducido o nulo flujo de agua subterránea. Son un ejemplo los acuíferos porosos en arenas, gravas y eskers, y los acuíferos fracturados en calizas, areniscas y rocas ígneas o metamórficas. Almacenamiento en perforaciones (BTES: Borehole Thermal Energy Storage). Los almacenes de este tipo incluyen perforaciones y tuberías, y requieren un terreno con alto calor específico, conductividad térmica media y ausencia de flujo de agua subterránea. Sedimentos como esquistos, margas o arcillas; calizas, areniscas y otros; rocas ígneas como granito o gabro, y algunas metamórficas como gneis, son ejemplos de estos sistemas de almacenamiento. El almacenamiento de frío es cada vez más frecuente, ya que los costes de refrigeración de espacios son, habitualmente, bastante elevados. Una combinación de almacenamiento de frío y calor es la conexión de superficies de calles y carreteras a un sistema UTES. Se puede almacenar el calor de la radiación solar en la superficie y utilizarlo en el invierno para derretir el hielo y la nieve acumulados sobre dicha superficie (Figura). Este sistema se emplea principalmente en puentes, pero puede aplicarse a cualquier otra superficie de carreteras, pistas de aterrizaje en aeropuertos, etc. El almacenamiento de calor permite acumular el procedente de la radiación solar o el calor residual del verano y utilizarlo para calefacción en el invierno. Ejemplos de estas aplicaciones son la instalación de Neckarsulm (Alemania), donde un sistema BTES se recarga con calor procedente de placas solares y se aprovecha en un sistema de calefacción de distrito, y la existente en Berlín, donde el calor residual procedente de una planta de co- generación de calor y electricidad en el verano, se almacena en un ATES para su uso en calefacción durante el invierno. La planta berlinesa suministra calor y frío a los edificios del Parlamento Alemán –el Reichstag y las oficinas de alrededor- y, por vez primera, incorpora dos sistemas ATES a diferentes Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 31 Energía Geotérmica niveles: el superior para el almacenamiento de frío y el inferior para el almacenamiento de calor (hasta 70 ºC). Probablemente, el sistema de campos de sondas geotérmicas sea el más adecuado para los sistemas de almacenamiento de calor, si bien todos los que se han descrito constituyen potenciales almacenes de calor (o de frío). Para comparar estos sistemas con instalaciones convencionales, sin almacenamiento de calor –o frío– residual, y comprobar su rentabilidad, es preciso un estudio detallado del sistema de recuperación de calor y de los costes añadidos, así como una estimación del ahorro asociado a su funcionamiento durante el período de su vida útil. 6. Componentes de las de las centrales. Independientemente del tipo de sistema utilizado en las centrales geotérmicas, los componentes fundamentales de todas ellas son los siguientes: Evaporadores y condensadores. Turbinas y generadores. Tuberías y bombas. Torres de enfriamiento. Con excepción de los sistemas de ciclo binario, la mayoría de los condensadores que se emplean en los sistemas geotérmicos son de los denominados de contacto directo. En este tipo de intercambiadores la condensación es muy efectiva. El vapor se mezcla con el agua de refrigeración, por lo que a la salida existe un único fluido, agua líquida saturada. Los condensadores empleados en los sistemas de ciclo binario suelen ser del tipo placa. El fluido de trabajo pasa por muchas superficies de placas de metal, transfiriendo el calor al agua de refrigeración que circula a través de las otras caras de cada placa (figura) Las turbinas son las máquinas encargadas de convertir la energía almacenada en el vapor en energía mecánica de rotación. (Figura). Pueden emplearse turbinas de vapor simples y de costes relativamente bajos o turbinas de vapor de múltiples etapas. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 32 Energía Geotérmica Cuando el fluido geotérmico pasa a través de la turbina se presentan problemas de precipitación de sales, incrustaciones, corrosión y desgastes. Estos problemas se reducen enormemente cuando se emplean sistemas de ciclo binario. Para refrigerar los condensadores se emplean torres de enfriamiento. En dichas torres el flujo caliente (el agua) se enfría mezclándolo directamente con el fluido frío (el aire). El proceso de transferencia de calor tiene lugar por convección y vaporización al pulverizar el agua o dejarla caer en una corriente (tiro) inducida de aire. Mediante el empleo de torres de enfriamiento el calor procedente del proceso se desecha en la atmósfera en vez de hacerlo en el agua de un río, un lago o en el océano. Los tipos más comunes de torres de enfriamiento son las torres de tiro natural y las torres de convección forzada. En la torre de enfriamiento por convección natural, el agua se pulveriza directamente en la corriente de aire, que se mueve a través de la torre de enfriamiento por convección térmica. Al caer, las gotas de agua se enfrían por convección ordinaria como por evaporación. Una plataforma de relleno situada dentro de la torre de enfriamiento reduce la velocidad media de caída de las gotas y, por lo tanto, aumenta el tiempo de exposición de gotas a la corriente de aire en la torre. Las torres de tiro natural comenzaron a utilizarse en Europa en 1916. Estas son esencialmente apropiadas para cantidades muy grandes de enfriamiento, y las estructuras de hormigón armado que se acostumbra utilizar llegan a tener diámetros del orden de 81 m y alturas superiores a 103m. En una torre de enfriamiento por convección forzada se pulveriza el agua en una corriente de aire producida por un ventilador. El ventilador puede estar situado en la parte superior de la torre, aspirando así el aire hacia arriba, o puede estar montado en la base y descargar el aire, a baja velocidad, por la parte superior. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 33 Energía Geotérmica Cuando los yacimientos geotérmicos son de baja entalpía el calor se suele explotar directamente, es decir, sin convertirlo en otro tipo de energía. Entre las distintas aplicaciones directas del calor extraído de las fuentes geotérmicas pueden señalarse los balnearios (figura), los invernaderos, (figura), calefacción doméstica centralizada, usos industriales (figura), etc. La tecnología de este tipo de explotaciones precisa de la existencia de dos perforaciones y dos estaciones de bombeo; una para la extracción del agua caliente y otra para la inyección del agua una vez ha transmitido su calor. Asimismo, se requiere de un intercambiador de calor a la salida de la tubería de extracción, que permita ceder el calor del fluido geotérmico al agua que, a través de una red de tuberías, se transporte hasta el consumidor. Debido a las pérdidas de calor que se originan durante el transporte del agua, los centros de consumo del agua caliente no deben estar ubicados en zonas alejadas del yacimiento geotérmico que se esté explotando. 7. Situación actual y costes de la energía geotérmica. A diferencia de otras fuentes renovables tales como la solar y la eólica, una planta de potencia geotérmica pueden operar sin ininterrupciones todos los días del año, lo que la hace una fuente atractiva de generación de energía. Actualmente, tal y como se muestra en la tabla, muchos países cuentan con centrales geotérmicas que, de una forma u otra, aprovechan este tipo de energía. Dicha energía es considerada como una fuente renovable, limpia, fiable, casi ilimitada, invulnerable a las sequías y con bajo nivel de contaminación, por lo que se ha convertido, en algunos lugares, en una alternativa a la energía térmica convencional o a la nuclear. De los casi 8.500MW de potencia geotérmica instalada, destacan países como Estados Unidos (2.700MW), Filipinas (2.000MW), Japón (1.000MW), Italia (430MW), Francia (330MW), a los que hay que sumar Nueva Zelanda, México, Indonesia, Austria, Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 34 Energía Geotérmica Alemania, Grecia, Portugal, Suecia, etc. Se estima que en el 2005, se alcancen los 11.000MW en todo el mundo. Otro tipo de aprovechamiento energético es el térmico, empleando la energía geotérmica como fuente calorífica para usos en calefacción industrial, urbana, agrícola, etc. En este sentido destacan países como Islandia, que cuenta con la mayor red del mundo en Rekjvik, Estados Unidos, China Rusia, Japón, Francia, etc. El sistema se basa en redes centralizadas enterradas abastecidas por agua a 60-90ºC que distribuyen el calor hasta los hogares mediante tuberías aisladas e intercambiadores de calor estratégicamente ubicados. Los porcentajes de utilización directa del calor geotérmico se representan en la tabla. Los depósitos de vapor y agua caliente constituyen una pequeña parte de los recursos geotérmicos. El magma de la Tierra y las rocas secas calientes proporcionarán energía barata, limpia, y casi ilimitada. Sin embargo, todavía es imposible su pleno aprovechamiento, principalmente por factores técnicos. Cuando se desarrolle la tecnología apropiada para su explotación podrá extraerse una gran cantidad de energía. Mientras tanto, los yacimientos de temperatura moderada, que son muy abundantes y pueden operar mediante sistemas de ciclo binario, serán los productores de electricidad más usuales. 8. Costes. La viabilidad comercial de las plantas geotérmicas de generación eléctrica depende de los costos del terreno, de los costes de las perforaciones, de los costes de las instalaciones, de los costos de operación y mantenimiento, de la cantidad de energía generada y del valor de mercado de la energía. Sin embargo, debido a que las plantas geotérmicas requieren de grandes inversiones de capital al comienzo del proyecto, normalmente están en desventaja frente a las plantas térmicas convencionales. Las plantas térmicas alimentadas de combustibles fósiles tienen menores costes de capital, pero, a diferencia de las plantas geotérmicas, los costes del combustible se mantienen durante toda la vida de la planta. Los costos de capital son costos fijos originados por la construcción de la planta. Los costos de capital de las plantas geotérmicas incluyen los costes del terreno, los costes de las perforaciones para llevar a cabo las exploraciones en el terreno, los costes de la propia planta, incluyendo los edificios y las turbinas y generadores de potencia. Las plantas geotérmicas requieren de relativamente grandes inversiones de capital, sin embargo, los costos variables son bajos y nulos los costes del combustible. Los costos de capital de una planta geotérmica de generación eléctrica se encuentra en el rango de 1.150€ a 3.000€ por kW instalado, dependiendo de las temperaturas y composición del Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 35 Energía Geotérmica yacimiento y de la tecnología empleada. Estos costes pueden decrecer con el tiempo según la tecnología se va desarrollando. La vida de las plantas geotérmicas se encuentra, normalmente, entre 30 y 45 años. La financiación del proyecto se estructura a menudo de tal forma que el Pay Back (tiempo de recuperación de la inversión) sea de 15 años. Entonces, los costos se reducen hasta un 50–70%, ya que solo se precisan cubrir los costes de operación y mantenimiento de los 15 a 30 años restantes de operación del sistema. Los costos de operación y mantenimiento de una planta geotérmica de generación eléctrica se encuentra en el rango de 0,0155€ a 0,045€ por KWh, dependiendo de cómo opere la planta. Las plantas geotérmicas normalmente operan un 90% del tiempo. Sin embargo, podrían funcionar hasta un 97% a un 98% del tiempo, pero se incrementarían los costos de mantenimiento. Los altos porcentajes de operación solo se consideran cuando la energía generada se paga a un alto precio. Los altos precios de venta de la energía producida justifican que la planta opere con factores de capacidad más altos, ya que se pueden recuperar los mayores costes de mantenimiento que se producen. En la tabla se indican los costos de operación y mantenimiento en función del tamaño de la planta. La economía de escala es la que origina que las plantas grandes tiendan a generar más bajos costos de operación y mantenimiento que las plantas pequeñas. Los costos de generación por kWh de energía han disminuido desde 10 céntimos de euros, en 1980, hasta los costos medios actuales de 4 a 8 céntimos de €/kWh. Estos Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 36 Energía Geotérmica costes dependen del tipo de planta. Por ejemplo, las plantas de conversión directa generan costes alrededor de 4 a 6 céntimos de €/kWh, mientras las plantas de ciclo binario producen la energía a costes más altos, del orden de 5 a 8 céntimos de €/kWh. Estos costes pueden competir con las plantas térmicas de carbón que son contaminantes. 9. Impacto ambiental de utilizar la energía geotérmica. Las principales ventajas del aprovechamiento de la energía geotérmica son económicas y ambientales; ahorro en el uso de los combustibles tradicionales para la generación de energía, mínima generación de residuos en relación a los producidos por otras energías convencionales y utilización de un recurso renovable. Sin embargo, este tipo de energía presenta un cierto impacto medioambiental en el entorno, causado por las emisiones gaseosas y líquidas y por el impacto visual. Durante la fase de exploración, perforación y construcción se pueden producir impactos. La construcción de caminos de acceso pueden ocasionar la destrucción de bosques o áreas naturales, mientras que la perforación de pozos y la construcción de la planta pueden producir perturbaciones en el ecosistema: ruidos, polvos, humos y posible erosión del suelo. El ruido puede ser ocasionado durante la fase de exploración, construcción y producción. Muchas veces los niveles sonoros pueden traspasar el umbral del dolor (120dBa). En el mismo emplazamiento, los trabajadores deben estar protegidos con elementos personales de protección auditiva. También se pueden instalar silenciadores adecuados en las maquinarias. Los ruidos en los alrededores del emplazamiento pueden ser reducidos restringiendo las operaciones ruidosas a las horas diurnas, también se pueden construir barreras absorbentes de sonido, como son las barreras de árboles. Por lo general, las áreas geotérmicas se encuentran alejadas de los centros urbanos, pero se puede contemplar esta medida si los sonidos perjudican a la fauna local. Durante la fase de operación se suelen generar vertidos gaseosos a la atmósfera. Estos suelen tener de baja incidencia en el entorno y están formados por gases no condensables arrastrados por el vapor. Están compuestos, principalmente, por dióxido de carbono y sulfuros de hidrógeno, con trazas de amoníaco, hidrógeno, nitrógeno, Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 37 Energía Geotérmica metano, radón y algunas especies volátiles como boro, arsénico y mercurio, las cuales deberán ser tratadas antes de su vertido. La contaminación de las aguas superficiales puede producirse por el vertido o acumulación de fluidos geotérmicos, que contienen elementos como sodio, potasio, calcio, flúor, magnesio, silicatos, antimonio, estroncio, bicarbonato, boro, litio, arsénico, sulfuro de hidrógeno, mercurio, rubidio, amoníaco, etc., contaminantes que aparecen en distinto grado en os ecosistemas acuáticos. En algunos casos, se aplican tratamientos físico-químicos de depuración, aunque lo habitual es la reinyección en el subsuelo. Asimismo, existe el riego de contaminar las aguas subterráneas debido a diversas causas: utilización de determinados líquidos en la etapa de perforación; infiltraciones a través de orificios de las paredes del pozo en la etapa de reinyección, que hacen que el líquido contaminado escurra hacia las primeras capas de agua subterránea; fallos en la impermeabilidad de las piletas de evaporación, y sus consecuentes infiltraciones. Para mitigar estos daños, es posible el tratamiento de los fluidos antes de su descarga, evitando la introducción de metales nocivos en el medio natural. Todas estas situaciones problemáticas pueden ser evitadas, con diseños de planta apropiados y con monitorizaciones periódicas de las aguas subterráneas. Es importante trabajar con controles de calidad, principalmente en la etapa de perforación y construcción. El impacto visual suele ser considerable si las plantas geotérmicas se ubican en campos geotérmicos que suelen coincidir con espacios de gran valor natural y paisajístico (géiseres, termas, etc.) También, aunque en mucho menor grado, existe la posibilidad de disminuir los niveles de agua subterránea, con las consiguientes pérdidas de presión, hundimientos del terreno, compactación de formaciones rocosas, etc. Para evitarlo es preciso controlar y mantener la presión de las reservas de agua. Para minimizar el impacto ambiental producido por el traslado del fluido a través de los conductos, éstos deben utilizarse dentro del campo geotérmico. Por último, hay que señalar que las plantas de aprovechamiento de la energía geotérmica pueden estar sometidas a potenciales sucesos catastróficos. En zonas con alta actividad tectónica, la reinyección de fluidos en el terreno durante la explotación de las reservas puede aumentar la frecuencia de pequeños terremotos en la zona. Estos efectos pueden ser minimizados reduciendo las presiones de reinyección al mínimo y asegurando que los posibles edificios afectados por los movimientos sísmicos estén preparados para soportar la intensidad de estos terremotos. La actividad sísmica de mayor intensidad podría causar filtraciones de fluidos a algunas partes indeseadas del sistema. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 38 Energía Geotérmica Las erupciones hidrotermales suelen ser atípicas y ocurren cuando la presión de vapor en los acuíferos se intensifica y eyecta hacia arriba la tierra que lo cubre, creando un cráter. Mantener la presión en las reservas puede ayudar a reducir la frecuencia de la ocurrencia de erupciones, también se deben evitar las excavaciones en terrenos con actividad termal. Muchos de los proyectos de aprovechamiento de la energía geotérmica se encuentran en terrenos accidentados y es por eso que son más susceptibles que un terreno llano a deslizamientos del suelo. Esto puede ocasionar graves accidentes si las rocas que caen dañan los pozos o las tuberías, lo que podría resultar en el escape de vapores y líquidos a alta temperatura. La probabilidad de que esto ocurra puede ser minimizada conteniendo todas las pendientes susceptibles de sufrir deslizamientos de tierra, aunque esto podría aumentar el impacto visual del proyecto. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 39 Energía Geotérmica 10. Combinación con otras fuentes de energía. 10.1. Esquema general de una instalación geotérmica de baja entalpía con bomba de calor Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 40 Energía Geotérmica 10.2. Instalación de geotermia combinada con otras energías. renovables. Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 41 Energía Geotérmica 10.3 Instalación de geotermia en combinación con biomasa Vaillant Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 42 Energía Geotérmica Introducción al aprovechamiento de la energía geotérmica 43