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Bombas de calor geotérmico, una opción más eficiente

Las bombas de calor geotérmico aprovechan la temperatura del subsuelo para climatizar viviendas y espacios de trabajo. Aunque su costo de inversión inicial es más alto que el de los sistemas HVAC convencionales, a mediano y largo plazo resultan más competitivas, pues reducen el consumo de electricidad. Ampliamente utilizada en otras partes del mundo, la tecnología necesita ser adecuada a las condiciones particulares de México para ser implementada

Raúl Sánchez y Luis Carlos Gutiérrez Negrín

El acondicionamiento y climatización de espacios habitacionales o de trabajo es un aspecto importante de la construcción de casas y edificios, sobre todo en sitios con climas extremos. En los últimos años se ha vuelto todavía más necesario, debido al calentamiento global ocasionado por la emisión a la atmósfera de Gases de Efecto Invernadero (GEI) y que está provocando que las variaciones climáticas sean todavía más extremas.

Figura 1. Emisiones de Gases de Efecto Invernadero a la atmósfera (1975-2015)

La emisión mundial de GEI a la atmósfera, como el bióxido de carbono (CO2), se ha duplicado en los últimos 40 años. El volumen global de CO2 emitido pasó de poco más de 15 mil millones de toneladas en 1975 a 32 mil 137 millones en 2015 (ver figura 1).

El aumento de la temperatura ambiental media ha desembocado, entre otras cosas, que se incremente también el uso de equipos de aire acondicionado para soportar veranos con temperaturas cada vez más altas e inviernos más crudos.

Éste es el caso de México, particularmente en su parte central. Hasta hace unos cuantos años, para climatizar una habitación era suficiente con abrir la ventana en el verano y mantenerla bien cerrada durante el invierno. Sin embargo, ahora es común el uso de sistemas HVAC, especialmente en espacios de trabajo, aumentando el costo de construcción y, sobre todo, de la factura eléctrica.

En el país, la climatización se lleva a cabo con sistemas convencionales de aire acondicionado, pero en naciones con climas más fríos o extremos se han desarrollado e implementado soluciones más económicas que consumen menos electricidad. Las llamadas bombas de calor geotérmico (BCG), mejor conocidas en inglés como Geothermal Heat Pumps o Ground-source Heat Pumps (GHP), constituyen una de esas soluciones que hoy en día son ampliamente utilizadas en Estados Unidos, China y varios países del norte de Europa, principalmente.

Figura 2. Variación anual de la temperatura en la superficie a diferentes profundidades

Funcionamiento
El principio de funcionamiento de un sistema de generación de clima controlado mediante BCG se basa en que, a partir de una cierta profundidad, el terreno mantiene una temperatura casi estable, más allá  de la hora del día y la época del año.

La figura 2 presenta un caso específico con datos de la variación de la temperatura en la superf icie y en tres diferentes profundidades (2 pies o 0.61 m; 5 pies o 1.5 m; y 12 pies o 3.66 m), a lo largo de un año (IGSHPA, 2003).

Como se puede observar, a unos 3.7 metros de profundidad la temperatura del terreno varía muy poco, entre un mínimo de 59 °F (15 °C) el 8 de abril, y un máximo de 67 °F (unos 19.4 °C) el 29 de octubre. En la misma gráfica, sin embargo, se ve que la temperatura ambiental es bastante más variable, yendo de un mínimo de 39 °F (3.8 °C), el 4 de febrero, a un máximo de 83 °F (28 °C) el 6 de agosto; fechas para las cuales la temperatura del terreno a 3.7 metros de profundidad sería de aproximadamente 62 °F (16.6 °C).

En otras palabras, a esa profundidad el terreno estaría en invierno casi 13 °C por encima de la temperatura ambiental, mientras que en verano estaría 11 °C por debajo de la misma. Por lo tanto, si de alguna manera se logra transferir esa temperatura, prácticamente constante, del subsuelo a una construcción en la superficie, se podría acondicionar el ambiente a una temperatura también casi constante de alrededor de 16 °C, que no resulta tan fría como los 4 °C del invierno ni tan cálida como los 28 °C del verano.

Esto es justamente lo que hace una bomba de calor geotérmico: transferir la temperatura del subsuelo para climatizar un espacio construido en la superficie. Para lograrlo, es necesario instalar un intercambiador de calor a la profundidad adecuada, usualmente una tubería de polietileno de alta densidad, cuyas características físicas permiten enterrarla sin que presente problemas de corrosión ni de ningún otro tipo.

Figura 3. Esquema del funcionamiento de un sistema de generación de clima controlado mediante BCG

Una vez instalado el intercambiador, se hace circular agua a través de él mediante una bomba. El líquido va igualando su temperatura con la del subsuelo mientras está circulando, y eventualmente regresa a la superficie, pero ahora con una temperatura similar a la del subsuelo, que en invierno será más caliente que la ambiental y, en verano, más fría. El agua puede emplearse, entonces, para acondicionar la construcción mediante tecnologías convencionales, pudiendo aprovecharse también parte del calor en invierno para producir agua caliente de uso doméstico, tal y como se muestra en la figura 3.

Un sistema de bomba de calor geotérmico consta de tres partes o subsistemas principales:

  1. Un intercambiador de calor que se coloca a determinada profundidad en el subsuelo, que es el medio para que el terreno funcione como una fuente de calor (en invierno) y como un sumidero de calor (en verano)
  2. Un sistema de generación de clima controlado que transfiere la temperatura del subsuelo al medioambiente, a través de una bomba de calor superficial
  3. Un sistema convencional de distribución o circuito cerrado de aire acondicionado, que acondiciona el espacio del inmueble, en el cual se pretende generar un ambiente confortable para sus habitantes

Figura 4. Tipos de arreglo de un sistema de BCG

Dependiendo de la disponibilidad de terreno sobre el que se construirá la edificación, el intercambio de calor en el subsuelo se puede realizar mediante sistemas cerrados o abiertos y en configuraciones verticales, horizontales o sinuosas (arreglo slinky), como se esquematiza en la figura 4.

A nivel global, la generación de clima controlado mediante BCG es una tecnología madura que desde hace años ha llegado a su etapa comercial, y que en países de climas fríos o extremos ha crecido de forma acelerada. De hecho, los usos directos de la energía geotérmica son mayores que su uso indirecto para generar electricidad, aunque, sin duda, este último sigue siendo más redituable económicamente. Basta mencionar que, en 2014, el aprovechamiento directo de los recursos geotérmicos en el mundo sumaba más de 70 mil megawatts térmicos, mientras que la capacidad geotermoeléctrica mundial era de apenas unos 12 mil megawatts eléctricos. Adicionalmente, más de 80 países emplean sus recursos geotérmicos en diversas aplicaciones directas, pero solamente 24 de ellos lo hacen para generar energía eléctrica.

Figura 5. Principales aplicaciones directas del calor geotérmico del subsuelo en el mundo

Beneficios y aplicaciones
En la figura 5 se presentan las principales aplicaciones directas del calor geotérmico del subsuelo en el mundo. Son datos de 2014, pero, como se aprecia en la gráfica, más de 70 por ciento de tales aplicaciones corresponde a las BCG, siguiéndole los balnearios y spas con fines recreativos o terapéuticos, otros sistemas de calefacción directa que no emplean BCG, los invernaderos con temperatura controlada y los usos industriales.

Desde la perspectiva económica, las BCG compiten favorablemente con las tecnologías convencionales HVAC, en buena medida gracias al ahorro de electricidad que implican y que oscila entre 25 y 50 por ciento del consumo de los equipos comunes. Por lo tanto, aunque el costo inicial de instalación de un sistema de clima controlado con BCG es más elevado que el de un sistema HVAC tradicional, el de operación y mantenimiento (mínimo) es mucho más reducido, por lo que a mediano y largo plazo resulta más competitivo. Además, la vida útil de sus componentes subterráneos se estima en 50 años, y prácticamente no requieren mantenimiento.

Una actividad fundamental para evaluar la viabilidad de instalar un sistema de bomba de calor geotérmico es la perforación de pozos verticales. México no cuenta con maquinaria especialmente diseñada para tal efecto, por lo que sería necesario emplear equipos de perforación para pozos de agua, que son más difíciles de transportar y tienen costos más elevados: un agujero de 100 metros de profundidad con un diámetro de 10 a 12 pulgadas (aproximadamente 25 a 30 centímetros), que normalmente es el mínimo para pozos de agua puede costar hasta 200 mil pesos. En cambio, un agujero de 4 pulgadas (unos 10 centímetros), que es el usual para instalar los intercambiadores de calor, y 100 metros de longitud, podría costar menos de 45 mil pesos, si se empleara un equipo de perforación más compacto y más fácilmente transportable y operable, como los utilizados en Estados Unidos, por ejemplo. En realidad, un agujero de 0.10 metros de diámetro por 100 de longitud es capaz de intercambiar unas 12 mil unidades térmicas británicas (BTU: British Thermal Units) por hora (o unos 3.5 kilowatts) con el subsuelo, capacidad suficiente para refrigerar un volumen de una tonelada métrica.

A la fecha, no se ha instalado un solo sistema BCG comercial en el país, aunque el Centro Mexicano de Innovación en Energía Geotérmica (CeMIE-Geo) está desarrollando un par de proyectos demostrativos. En los próximos años, es previsible que empiece a formar y desarrollarse un mercado mexicano de bombas de calor geotérmico, por lo que estamos a tiempo de adaptar esta tecnología a nuestras condiciones nacionales.

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Raúl Alberto Sánchez Velasco
Ingeniero Mecánico Electricista por la UNAM y maestro en Mecánica de Fluidos y Transferencia de Calor por el Instituto Politécnico de Grenoble (INP), Francia. Actualmente es Director de General, S.C.

Luis Carlos Gutiérrez Negrín
Ingeniero Geólogo por el Instituto Politécnico Nacional (IPN) y Director Técnico de Geocónsul, S.A. de C.V.  Miembro de los grupos directivos del CeMIE-Geo y del Proyecto GEMex. Contacto: l.g.negrin@gmail.com

Bibliografía:

  1. International Energy Agency (IEA). Key World Energy Statistics. París, Francia, 2016, 80 pp.
  2. IGSHPA. 2003. Closed-Loop / Ground Source Heat-Pump Systems. International Ground Source Heat Pump Association, Stillwater, Oklahoma, USA.
  3. Lund, J. W., y T. L. Boyd., Direct Utilization of Geothermal Energy 2015 Worldwide Review. Proceedings of the World Geothermal Congress 2015, Melbourne, Australia, abril, 2015, pp. 19-25.

Este artículo fue publicado originalmente en la Revista Eficiencia Energética del Fideicomiso para el Ahorro de Energía Eléctrica (FIDE),  Año 4, Núm. 16, trimestre Octubre-Diciembre, 2017, pp. 20-25.

www.fide.org.com

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