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ANÁLISIS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA EN TERRENOS VOLCÁNICOS. APLICACIONES A LA CONSTRUCCIÓN EN TENERIFE
Mª del Cristo Expósito Martín
Tesis doctoral
ANÁLISIS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA DE BAJA TEMPERATURA EN TERRENOS VOLCÁNICOS. APLICACIONES A LA CONSTRUCCIÓN EN TENERIFE.
MARIA DEL CRISTO EXPÓSITO MARTÍN
Directores: Dr. EDUARDO MAESTRE GARCÍA. Universidad de Alicante. Dr. JUAN CARLOS SANTAMARTA CEREZAL. Universidad de La Laguna
ALICANTE
DICIEMBRE 2015
DEPARTAMENTO EDIFICACIÓN Y URBANISMO ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE ALICANTE
TESIS DOCTORAL
Análisis de la Energía Geotérmica de Baja Temperatura en Terrenos Volcánicos. Aplicaciones a la Construcción en Tenerife.
Autora: MARIA DEL CRISTO EXPÓSITO MARTÍN
Memoria presentada para aspirar al grado de DOCTORA POR LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE
DOCTORADO EN EDIFICACIÓN, TECNOLOGÍA, INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
Dirigida por: Dr. EDUARDO MAESTRE GARCÍA. Universidad de Alicante. Dr. JUAN CARLOS SANTAMARTA CEREZAL. Universidad de La Laguna.
Alicante, diciembre 2015
Los directores de la presente Tesis titulada: Análisis de la Energía Geotérmica de Baja Temperatura en Terrenos Volcánicos. Aplicaciones a la Construcción en Tenerife, consideran que el trabajo reúne los requisitos mínimos y la estructura básica para ser presentado y defendido ante un tribunal.
Octubre 2015
Directores de Tesis:
Fdo: Dr. Eduardo Maestre García
Fdo: Dr. Juan Carlos SantaMarta Cerezal.
Dedicatoria
A mi familia y amigos y a todas aquellas personas que me han apoyado en conseguir mi meta.
Agradecimientos
Después de cinco años de trabajo, me gustaría agradecer a aquellas personas que me han apoyado y, de algún modo, contribuido al desarrollo de esta Tesis. El principal agradecimiento a los directores de esta Tesis, al Dr. D. Eduardo Maestre García y al Dr. D. Juan Carlos Santamarta Cerezal por sus enseñanzas, ánimo y apoyo durante la elaboración de este trabajo. En especial al Dr. Juan Carlos Santamarta por su inestimable ayuda en todo momento y la gran confianza que ha depositado en mí a lo largo de estos años, su seguimiento constante, dedicación y apoyo moral. A D. Elías Casañas Rodríguez, ingeniero industrial y su empresa INCANAE; por su apoyo, su tiempo, ayuda y colaboración desinteresada; sin la que no hubiera sido posible la realización de esta Tesis Doctoral, A los hoteles citados y a su dirección por haber dejado que accediera a las instalaciones y más concretamente a sus datos.
RESUMEN
Resumen
Análisis de la Energía Geotérmica de Baja Temperatura en Terrenos Volcánicos. Aplicaciones a la Construcción en Tenerife.
La energía geotérmica constituye una fuente inagotable de energía que puede ser extraída de la tierra por medio de bombeo de fluidos calentados en su interior, aprovechando su gran inercia térmica. Este intercambio de calor se realiza para proyectos geotérmicos de baja entalpía en pozos de energía o bien por medio del uso de aguas subterráneas. Para hacer uso del calor extraído es necesario integrar el sistema con una bomba de calor, que actuará como intermediaria entre el sistema de intercambio de calor o colector y sistema de distribución interno de la vivienda, aportando el complemento de energía necesario para acondicionar térmicamente el hogar. Este estudio consiste en el análisis y evaluación técnica, económica y legal de varias instalaciones geotérmicas de baja entalpía que se encuentran en funcionamiento, utilizadas para climatización de piscinas y aire acondicionado, en edificios dedicados al sector servicios como Hoteles, Centros Comerciales; y en un estudio de viabilidad en una Bodega en la que se propone la utilización de la energía geotérmica para la producción de frío y calor tanto para la obtención de vino como para la climatización y ACS en zonas varias.
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RESUMEN
Los estudios se han realizado en la Isla de Lanzarote en lugar de la Isla de Tenerife ya que es donde podemos encontrar un mayor número de instalaciones de este tipo. No tenemos conocimiento de instalaciones de geotermia somera en la Isla de Tenerife, aunque vemos que es factible su utilización. La investigación incluye el seguimiento de varias instalaciones geotérmicas de baja temperatura mediante pozos que se encuentran en funcionamiento desde hace algunos años. Se llega a la conclusión de que técnicamente los sistemas geotérmicos de baja entalpía utilizados son factibles y permiten reducir costos. Los sistemas que utilizan aguas subterráneas, sistemas geotérmicos abiertos, presentan ventajas frente a los sistemas geotérmicos cerrados verticales, por tener costos iniciales que generalmente suelen ser menores. En España no existe ninguna Ley de Geotermia que regularice el uso del recurso geotérmico otorgando concesiones de exploración y explotación. La regulación en el caso de utilizar aguas subterráneas la tenemos en el Consejo Regulador de Aguas.
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ABSTRACT
Abstract
Analysis of Low Temperature Geothermal Energy in Volcanic Land. Building applications in Tenerife
Geothermal energy is an inexhaustible source of energy that can be extracted from the earth by pumping heated fluids inside, taking advantage of its high thermal inertia. This heat exchange is performed for low enthalpy geothermal projects in energy wells or through the use of groundwater. To use the extracted heat is necessary to integrate the system with a heat pump, which acts as an intermediary between the heat exchange system or collector and system of internal distribution of housing, providing the additional energy required for thermally conditioning Home. This study is the analysis technical, economic and legal assessment of several low-enthalpy geothermal facilities that are in operation, used for pool heating and air conditioning in buildings dedicated to the service sector as hotels, shopping malls; and a feasibility study on a winery in which the utilization of geothermal energy for the production of cold and heat for both the production of wine as for air conditioning and ACS in several areas is proposed. Studies have been conducted on the island of Lanzarote in place of the island of Tenerife as this is where we find a greater number of such facilities. We are not aware of shallow geothermal installations on the island of Tenerife, although we see that its use is feasible.
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ABSTRACT
The
research
includes
tracking
various
low-temperature
geothermal
installations using wells that are in operation for some years. It concludes that technically the low enthalpy geothermal systems used are feasible and can reduce costs. Systems using groundwater, open geothermal systems have advantages over the vertical closed geothermal systems, which generally have initial costs are often lower. In Spain there is no geothermal Act to regularize the use of the geothermal resource granting concessions for exploration and exploitation. Regulation in the case of using groundwater we have in the Water Control Board.
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Tabla de Contenidos
TABLA DE CONTENIDOS
Tabla de Contenidos Lista de Tablas ..................................................................................................... xix Lista de Gráficos ................................................................................................ xxiv Lista de Imágenes ............................................................................................... xxv Abreviaturas ..................................................................................................... xxviii CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN ......................................................................... 33 1.1 Energías renovables y geotermia ................................................................. 38 1.1.1 Situación mundial. .............................................................................. 39 1.1.2 Situación en España. ........................................................................... 45 1.1.3 Situación en Canarias. ......................................................................... 48 1.2 Objetivos ...................................................................................................... 59 1.3 Estructura de la tesis .................................................................................... 61 CAPÍTULO II: METODOLOGÍA ........................................................................ 65 2.1 Metodología de investigación de los Estudios de Caso. ................................. 82 CAPÍTULO III. ESTADO DEL ARTE.................................................................. 89 3.1 Geotermia somera ........................................................................................ 89 3.1.1 Antecedentes históricos. ..................................................................... 95 3.1.2 Recursos geotérmicos. ...................................................................... 101 3.1.3 Aplicaciones y usos de la energía geotérmica. ................................. 105 3.1.4 Ventajas e inconvenientes de un sistema geotérmico somero. ......... 107 3.1.5 Sistemas geotérmicos someros. ........................................................ 109 3.1.6 Marco regulatorio de la geotermia somera. ...................................... 125 3.1.6.1
Marco regulatorio Europeo. ............................................ 125
3.1.6.2
Marco regulatorio Español y autonómico. ...................... 134
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TABLA DE CONTENIDOS
3.2 Geotermia en Canarias. .............................................................................. 149 3.2.1 El problema energético de Canarias. ................................................ 149 3.2.2 Geotermia en edificación y obra civil en Canarias. .......................... 151 CAPÍTULO IV. ESTUDIOS DE CASO ............................................................... 159 4.1 Estudios de caso. ........................................................................................... 159 4.1.1 Hoteles. ............................................................................................. 159 4.1.1.1 Proyecto de reforma de instalaciones térmicas para el complejo de apartamentos “Floresta”. ..................................... 173 4.1.1.2 Proyecto de reforma de instalaciones térmicas para el hotel “Lanzarote Village”. ................................................................ 213 4.1.1.3 Proyecto de reforma de instalaciones térmicas para el hotel “Las Costas”............................................................................. 233 4.1.2 Centros comerciales. ......................................................................... 239 4.1.2.1
Centro Comercial Las Rotondas. .................................... 239
4.1.2.2
Centro Comercial Las Palmeras...................................... 243
4.1.3 Bodega. ............................................................................................. 247 CAPÍTULO V. CONCLUSIONES ...................................................................... 269 5.1 Conclusiones. ............................................................................................. 269 5.1.1 Conclusiones particulares en canarias. ............................................. 269 5.1.2 Conclusiones de los estudios de caso................................................ 271 5.1.3 Aportaciones. .................................................................................... 276 5.1.4 Vías abiertas de investigación y propuestas...................................... 277 CAPÍTULO VI. GLOSARIO................................................................................ 283 CAPÍTULO VII. REFERENCIAS ....................................................................... 289 ANEXO I.- Complejos de Apartamentos Floresta. ............................................ 301 ANEXO II.- Hotel Lanzarote Beach. .................................................................. 321
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LISTA DE TABLAS
Lista de Tablas Tabla nº 1: Capacidad geotérmica instalada por países. ....................................... 42 Tabla nº 2: Potencia instalada de los usos directos de la geotermia por países. ... 43 Tabla nº 3: Potencia instalada en España. ............................................................. 45 Tabla nº 4: Áreas con mayor potencial geotérmico en España. ............................ 46 Tabla nº 5: Usos Directos de la geotermia en España hasta septiembre de 2012. 47 Tabla nº 6: Objetivos del Plan de Energías Renovables en el sector de la calefacción y refrigeración. .............................................................. 48 Tabla nº 7: Evaluación de los recursos de media temperatura Gran Canaria. ...... 53 Tabla nº 8: Evaluación de los recursos de alta temperatura Tenerife. .................. 53 Tabla nº 9: Resumen de las características del sondeo profundo de exploración geotérmica realizado por el IGME en la zona de las Dorsal Noroeste. .......................................................................................................... 55 Tabla nº 10: Metodología de investigación. Tabla reformada. ............................. 67 Tabla nº 11: Valores característicos del terreno.................................................... 73 Tabla nº 12: Metodología de investigación I. Tabla reformada. ........................... 75 Tabla nº 13: Metodología de investigación II. Tabla reformada. ......................... 78 Tabla nº 14: Metodología de investigación III. Tabla reformada. ........................ 79 Tabla nº 15: Potencia media instalada en España y reducción de emisiones de CO2. .................................................................................................. 95 Tabla nº 16: Usos de la energía geotérmica. Elab. Propia. ................................. 106 Tabla nº 17: Normativa europea relevante relacionada con la energía geotérmica somera en la UE. ............................................................................ 127
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LISTA DE TABLAS
Tabla nº 18: Porcentaje de consumo cubierto por las energías renovables. ....... 128 Tabla nº 19: Normativa nacional española de relevancia relacionada con la energía geotérmica somera y sus aplicaciones. .......................................... 134 Tabla nº 20: Demanda energética (kWh) de los hogares españoles. .................. 151 Tabla nº 21: Distribución de cargas, según Eurovent. ........................................ 164 Tabla nº 22: Reparto del calor de condensación. ................................................ 165 Tabla nº 23: Rendimiento para plantas condensadas por aire existentes. ........... 165 Tabla nº 24: Rendimiento para la bomba de calor geotérmica. .......................... 165 Tabla nº 25: Comparativa del consumo eléctrico, gasto energético y emisiones de CO2. ................................................................................................ 166 Tabla nº 26: Determinación de la demanda de calor para ACS y piscinas. ........ 167 Tabla nº 27: Comparativa para la climatización de la piscina. ........................... 168 Tabla nº 28: Consumos y ahorros para la preparación del ACS. ........................ 170 Tabla nº 29: Costos energéticos, ahorro anual y emisiones de CO2 evitadas. .... 171 Tabla nº 30: Estudio económico de la propuesta geotérmica. ............................ 172 Tabla nº 31: Datos generales de la enfriadora..................................................... 179 Tabla nº 32: Datos eléctricos enfriadora. ............................................................ 180 Tabla nº 33: Datos de rendimiento enfriadora. ................................................... 180 Tabla nº 34: Temperatura y humedad en función de la estación del año............ 182 Tabla nº 35: Datos del año de la zona. ................................................................ 183 Tabla nº 36: Potencia total de refrigeración. ....................................................... 184 Tabla nº 37: Caudal de agua necesario. .............................................................. 186 Tabla nº 38: Consumo diario estimado de la instalación de aire acondicionado meses de enero a mayo y de octubre a diciembre. ......................... 186
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LISTA DE TABLAS
Tabla nº 39: Consumo diario estimado de la instalación de aire acondicionado meses de junio a septiembre. ......................................................... 187 Tabla nº 40: Consumo mensual de energía eléctrica y emisiones de CO2. ......... 188 Tabla nº 41: Potencia y % de las energías alternativas en la instalación de climatización .................................................................................. 191 Tabla nº 42: Evaluación periódica de los equipos generadores de frío. ............. 194 Tabla nº 43: Distribución de cargas, según Eurovent. ........................................ 204 Tabla nº 44: Ahorro energético anual. ................................................................ 207 Tabla nº 45: Estudio económico de la propuesta geotérmica. ............................ 209 Tabla nº 46: Tabla resumen de la Instalación de los Apartamentos Floresta. .... 210 Tabla nº 47: Muestra de datos reales de consumo y producción de agosto y septiembre 2014. ............................................................................ 227 Tabla nº48: Muestra de datos reales de consumo y producción mes de abril de 2015................................................................................................ 228 Tabla nº 49: Muestra de datos reales de consumo y producción meses de abril a junio de 2015.................................................................................. 229 Tabla nº 50: Tabla resumen de la instalación del Hotel Lanzarote Village. ....... 230 Tabla nº 51: Tabla resumen de la Instalación del Hotel Las Costas. .................. 238 Tabla nº 52: Potencias caloríficas circuitos. ....................................................... 240 Tabla nº 53: Comparativa de ahorro energético.................................................. 241 Tabla nº 54: Tabla resumen de la Instalación del Centro Comercial Las Rotondas. ........................................................................................................ 242 Tabla nº 55: Tabla resumen de la Instalación del Centro Comercial Las Palmeras. ........................................................................................................ 244
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LISTA DE TABLAS
Tabla nº 56: Consumos térmicos en la bodega. .................................................. 254 Tabla nº 57: Características Técnicas del equipo SI 75TER+. ........................... 258 Tabla nº 58: Características Técnicas del equipo SI 75TER+ (I). ...................... 259 Tabla nº 59: Propiedades térmicas del terreno. ................................................... 261 Tabla nº 60: Ahorro económico anual. ............................................................... 263 Tabla nº 61: Digital inputs. ................................................................................. 305 Tabla nº 62: Drivers. ........................................................................................... 305 Tabla nº 63: Sensores de temperatura y humedad. ............................................. 306 Tabla nº 64: Temperatura colector de frio. ......................................................... 306 Tabla nº 65: Temperatura de salida del intercambiador IC01 a pozo. ................ 307 Tabla nº 66: Temperatura de retorno climatizador comedor. ............................. 307 Tabla nº 67: Temperatura colector del pozo. ...................................................... 308 Tabla nº 68: Temperatura de retorno bar- terraza. .............................................. 308 Tabla nº 69: Valores circuito a enfriadora. ......................................................... 309 Tabla nº 70: Times zones. ................................................................................... 309 Tabla nº 71: Horario climatización piscina. ........................................................ 310 Tabla nº 72: Horario aire acondicionado comedor restaurante. .......................... 310 Tabla nº73: Horario ventilación comedor-restaurante. ....................................... 310 Tabla nº 74: Humedad de retorno climatizador-comedor. .................................. 311 Tabla nº 75: Humedad de retorno climatizador-recepción. ................................ 311 Tabla nº 76: Digital inputs. ................................................................................. 313 Tabla nº 77: Drivers. ........................................................................................... 313 Tabla nº 78: Sensores de temperatura y humedad. ............................................. 314 Tabla nº 79: Temperatura colector de frío. ......................................................... 314
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LISTA DE TABLAS
Tabla nº 80 Temperatura salida del intercambiador IC01 a pozo. ...................... 315 Tabla nº 81: Temperatura salida del intercambiador IC05 a pozo. ..................... 315 Tabla nº 82: Temperatura de retorno climatizador-comedor. ............................. 316 Tabla nº 83: Temperatura colector pozo. ............................................................ 316 Tabla nº 84: Temperatura de retorno bar-terraza. ............................................... 317 Tabla nº 85: Times zones. ................................................................................... 317 Tabla nº 86: Valores circuito a enfriadora. ......................................................... 318 Tabla nº 87: Humedad de retorno climatizador-comedor. .................................. 319 Tabla nº 88: Humedad de retorno climatizador-recepción ................................. 319
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LISTA DE GRÁFICOS
Lista de Gráficos Gráfico nº 1: Aplicaciones del uso directo de energía geotérmica año 2000. ...... 36 Gráfico nº 2: Evolución del consumo de energía primaria en Canarias. .............. 50 Gráfico nº 3: Distribución de la demanda de energía final en Canarias. .............. 50 Gráfico nº 4: Metodología de la investigación. Gráfico reformado y adaptado a la Tesis. 2015. ...................................................................................... 62 Gráfico nº 5: Comparación de la tendencia actual con los objetivos del Libro Blanco para la producción de calor geotérmico en MWt. ............... 91 Gráfico nº 6: Temperatura de la superficie de la tierra. ...................................... 103 Gráfico nº 7: Esquema de básico de instalación geotérmica somera. Elab. Propia. ........................................................................................................ 110 Gráfico nº 8: Componentes de un sistema geotérmico abierto. Elab. Propia. .... 117 Gráfico nº 9: Estudio y ejecución del sondeo en un sistema geotérmico cerrado de sondas verticales. Elab. Propia....................................................... 123 Gráficos nº 10 y 11: Gráficos de la pérdida de agua del condensador (izq.) y pérdida de agua del evaporador (derecha). .................................... 181 Gráfico nº 12: Gráfico de Temperatura colector del Pozo. ................................. 221 Gráfico nº 13: Curvas características SI 75TER+. .............................................. 255 Gráfico nº14: Consumo de potencia SI 75TER+. ............................................... 256 Gráfico nº 15: COP SI 75TER+. ......................................................................... 257 Gráfico nº 16: Retorno de la inversión. ........................................................... 264 Gráfico nº 17: Retorno de la inversión teniendo en cuenta subvención. ......... 265
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LISTA DE IMAGENES
Lista de Imágenes Imagen nº 1: Plantas geotérmicas actuales por países. ......................................... 40 Imagen nº 2: Usos directos de la geotermia por países. ........................................ 41 Imagen nº 3: Campos geotérmicos actuales y futuros en Europa. ........................ 44 Imagen nº 4: Mapa de recursos geotérmicos de media y alta temperatura en España. ....................................................................................... 46 Imagen nº 5: Mapa de potencia térmica superficial de las Islas Canarias. ........... 52 Imagen nº 6: Campos geotérmicos futuros en Gran Canaria. ............................... 53 Imagen nº 7: Campos geotérmicos futuros en Tenerife. ....................................... 54 Imagen nº 8: Ubicación de los sondeos realizados por el Ministerio de Obras Públicas (MOPU) y la UNESCO para el proyecto SPA-15. ..... 56 Imagen nº 9: Mapa térmico de Tenerife................................................................ 57 Imagen nº 10: Principios de utilización de la energía geotérmica de baja temperatura. ............................................................................... 76 Imagen nº 11: Fotografía de los experimentos que Francisco Pons Cano realizó en el Islote del Hilario para explotar energéticamente. ................ 100 Imagen nº 12: Plano de los experimentos realizados por Pons Cano en la zona del Islote del Hilario. ..................................................................... 100 Imagen nº 13: Aplicaciones y usos de la energía geotérmica en función de la temperatura. ............................................................................. 107 Imagen nº 14: Sondeos de captación de agua someros. ...................................... 112 Imagen nº 15: Potencia de un sistema geotérmico abierto.................................. 113 Imagen nº 16: Colectores horizontales enterrados. ............................................. 119
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LISTA DE IMAGENES
Imagen nº 17: Red de captadores horizontales antes de ser enterrada. ............... 119 Imagen nº 18: Sonda geotérmica vertical. .......................................................... 122 Imagen nº 19: Sonda geotérmica. ....................................................................... 122 Imagen nº 20: Tubo intercambiador de calor, integrados en un pilote para cimentaciones. .......................................................................... 124 Imagen nº 21: Pilote geotérmico. ....................................................................... 125 Imagen nº 22: Esquema básico de funcionamiento. Fuente: Elías Casañas. ...... 160 Imagen nº 23: Plano de situación del Hotel Lancelot. ........................................ 162 Imagen nº 24: Plano de situación del Complejo de Apartamentos Floresta. ...... 173 Imagen nº 25: Complejo de Apartamentos Floresta. .......................................... 174 Imagen nº 26: Máquina enfriadora condensada por agua. .................................. 181 Imagen nº 27: Plano de la instalación de la producción de frío. Anexo I. .......... 197 Imagen nº 28: Control inteligente. ...................................................................... 198 Imagen nº 29: Ejemplo de obtención de datos del programa. ............................. 198 Imagen nº 30: Datos que podemos obtener. ........................................................ 199 Imagen nº 31: Ejemplo de obtención de datos del programa (I). ........................ 199 Imagen nº 32: Obtención de datos. ..................................................................... 200 Imagen nº 33: Ordenador de registro instalado en la maquinaria. ...................... 201 Imagen nº 34: Intercambiadores de calor en la sala de máquinas. ..................... 202 Imagen nº 35: Entrada y salida del agua de los pozos. ....................................... 203 Imagen nº 36: Plano de situación del Hotel Lanzarote Village. ......................... 213 Imagen nº 37: Hotel Lanzarote Village............................................................... 214 Imagen nº 38: Disposición de las máquinas enfriadoras en paralelo. ................. 216 Imagen nº 39: Esquema de la producción en frío de la instalación. Anexo II. ... 217
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LISTA DE IMAGENES
Imagen nº 40: Pantalla del Sistema de Control. .................................................. 218 Imagen nº 41: Modo de Funcionamiento de la Sala de Máquinas de Aire Acondicionado. ........................................................................ 219 Imagen nº 42: Sala de Máquinas de Aire Acondicionado. ................................. 220 Imagen nº 43: Temperaturas colector del pozo. .................................................. 222 Imagen nº 44: Sala de Máquinas de las piscinas. ................................................ 223 Imagen nº 45: Funcionamiento de las bombas de calor. ..................................... 224 Imagen nº 46: Plano de situación del Hotel Las Costas. ..................................... 233 Imagen nº 47: Hotel Las Costas. ......................................................................... 234 Imagen nº 48: Control general del Sistema de Gestión del Edificio. .................. 235 Imagen nº 49: Esquema de modo de funcionamiento. ........................................ 236 Imagen nº 50: Funcionamiento sala máquinas frío. ............................................ 237 Imagen nº 51: Funcionamiento sala máquinas piscinas. ..................................... 237 Imagen nº 52: Plano de situación del Centro Comercial “Las Rotondas”. ......... 239 Imagen nº 53: Centro Comercial “Las Rotondas”. ............................................. 239 Imagen nº 54: Plano de situación del Centro Comercial “Las Palmeras”. ......... 243 Imagen nº 55: Centro comercial “Las Palmeras”................................................ 243 Imagen nº 56: Plano de situación bodega. .......................................................... 247 Imagen nº 57: District Heating. Geoener 2008. .................................................. 279 Imagen nº 58: Valores bomba de calor geotérmica. ........................................... 312 Imagen nº 59: Valores bomba de calor geotérmica. ........................................... 320
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ABREVIATURAS
Abreviaturas
ACS- Agua caliente sanitaria. BCG- Bomba de Calor Geotérmica. COP- Coeficiente de rendimiento de calor. CTE- Código Técnico de la Edificación. DB-HE- Documento base de ahorro de energía. EER- Coeficiente de eficiencia energética. EGEC- European Geothermal Energy Council. EGS- Sistemas Geotérmicos Estimulados. ESEER- Indice de eficiencia energética estacional europea. ETPRHC- European Technology Platform on Renewable Heating & Cooling. GWt- Gigawatio térmico. HDR- Roca seca caliente. ICOG- Ilustre Colegio Oficial de Geólogos. IDAE- Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía. IGA- International Geothermal Association. IGME- Instituto Geológico y Minero de España Ktep- Tonelada equivalente de petróleo. Unidad de energía. MWt- Megawatio térmico. PCI- Poder calorífico interior. PECAN- Plan Energético de Canarias. PER- Plan de Energías Renovables.
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ABREVIATURAS
RITE- Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios. SGE- Sistema de Gestión de Edificio. UCG- Unidad de Control del Sistema Geotérmico. UE- Unión Europea.
xxix
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN.
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN La crisis energética mundial producida por la dependencia de combustibles fósiles, el aumento de precios, la necesidad de reducir las emisiones de CO2 para evitar una agresión al medio ambiente y los avances tecnológicos son los puntos fundamentales para fomentar el uso de la ENERGÍA GEOTÉRMICA, ya que no depende de factores externos directos, como el sol, el viento, etc…; siendo su fuente de energía la tierra, que presenta unas condiciones constantes y muy buenas para la producción de la energía. En estos puntos son en los que se basa la política energética europea para afrontar la situación actual de la crisis energética mundial. Se apuesta por la sostenibilidad: seguridad de suministro, competitividad económica y protección al medio ambiente. En la actualidad y cada vez más vemos la necesidad de utilizar este tipo de energías ya que el sistema energético actual a nivel mundial se basa en generar energía a partir de combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas), recursos limitados que se encuentran en zonas determinadas del planeta. El uso de este tipo de recursos provoca graves efectos sobre el medio ambiente y la salud de los seres humanos. A la vez que se desprende una gran cantidad de CO2.
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
La población está cada vez más concienciada sobre la necesidad que existe de proteger el medio ambiente y emplear métodos no contaminantes para la producción de energía. Tal es así, que diferentes hechos ocurridos y estudiados por la Comunidad Científica, como ha sido el cambio climático, han provocado que se firmen compromisos políticos internacionales que apuestan por alcanzar un modelo de desarrollo sostenible; uno de estos compromisos a nivel mundial es el Protocolo de Kioto, adoptado en la Convención Marco del Cambio Climático de las Naciones Unidas de 1997, y a partir de él se han firmado muchos más compromisos, a nivel Mundial, Europeo, Nacional y a nivel de Comunidades Autónomas. En la actualidad la Unión Europea está comprometida
a conseguir los
siguientes objetivos a 2020:
Reducción de al menos un 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero respecto a los niveles de 1990;
Un 20% del consumo de energía final proveniente de fuentes renovables;
Una mejora de la eficiencia energética del 20%.
Dentro de estos compromisos la energía geotérmica juega un papel muy importante ya que es una fuente de energía renovable con un gran potencial de ahorro energético y reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero. Así que es una tecnología clave para conseguir los objetivos marcados por la Unión Europea en política energética. A partir de aquí en España, que hasta el momento este tipo de energía era una gran desconocida, se están abriendo campos para introducirla e ir regulando su aplicación.
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
El uso de la energía geotérmica en edificación y obra civil aumenta y se abre camino cuando se aprueba el RD 314/2006 de 28 de marzo (1), el Código Técnico de la Edificación (CTE), normativa técnica obligatoria para los edificios. En el Documento Base DB HE- 4 de Ahorro de Energía, se establece para “edificios de nueva construcción y rehabilitación de edificios existentes de cualquier uso en los que exista una demanda de agua caliente sanitaria y/o climatización de piscina cubierta; el requisito de una contribución solar mínima en la producción del agua caliente sanitaria (ACS)”. A su vez el IDAE, en su publicación “Comentarios al RITE-2007” (ATECYR, 2007) (2), establece que: “los sistemas de paneles térmicos podrán ser sustituidos por otras técnicas de energías renovables siempre que no venga superada la producción de CO2 del sistema exigido por la Administración sobre una base anual”. Este es el motivo que nos ha impulsado en la elaboración de esta Tesis Doctoral. En la que nos centraremos en la utilización de la energía geotérmica de muy baja temperatura, sus posibles aplicaciones, refrigeración, ACS (agua caliente sanitaria), calefacción y otros usos; utilizando una bomba de calor geotérmica. En este tipo de recursos en los últimos años se ha producido un aumento de producción, siendo el uso térmico más común en el mundo el correspondiente a bombas de calor, con un 35 %, frente a la potencia total instalada, seguido de balnearios, calefacción, invernaderos, procesos industriales. Como podemos ver en el gráfico nº 1 (IDAE, 2008) (3).
35
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Gráfico nº 1: Aplicaciones del uso directo de energía geotérmica año 2000.
La utilización de este recurso renovable presenta una serie de ventajas frente a otras fuentes de energías alternativas, como puede ser entre otras:
Es un recurso disponible las 24 horas del día, los 365 días del año, en cualquier emplazamiento.
No depende de los cambios estacionales.
Se reducen las emisiones indirectas de CO2 en aproximadamente un 50%,
ya que al utilizar una bomba de calor geotérmica, ésta es la
responsable de desprender CO2.
Funcionamiento seguro y silencioso.
No existen elementos visuales externos. Libera superficie en azoteas y terrazas.
Cumplimiento del Código Técnico de la Edificación.
36
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Subvencionada por organismos autonómicos (energía renovable y eficiencia energética).
El presidente del Ilustre Colegio Oficial de Geólogos de Madrid; apuesta por la energía geotérmica para refrigerar o calentar edificios, por sus ventajas ambientales. Estos sistemas permiten reducir las emisiones de CO2 y suponen “un ahorro cercano al 60% en el consumo energético de los hogares”. (Suárez Ordoñez, 2010) (4), Según la Ley de Economía Sostenible, (Título III, Capítulo II, art. 77-88 LES 2/2011, de 5 de marzo) (5) “establece una reducción del 20% en las emisiones de CO2 para el año 2020”, por lo que la energía geotérmica puede contribuir enormemente a ese objetivo ya que es una energía renovable, segura y que no produce emisiones. Una energía en la que España está a la cola de Europa en el desarrollo de la energía geotérmica y muy lejos de países como Alemania y Francia, donde se emplea no solo para proporcionar calefacción, y agua caliente sanitaria, sino que también se emplea en comunidades de vecinos, escuelas, edificios públicos,… Si la situación energética de España es compleja, en Canarias de manera particular es dramática; según el presidente de AEI-CLUSTER RICAM (Cluster de energías renovables, medio ambiente y recursos hídricos de Canarias). “El coste medio de generación eléctrica en Canarias (fuelóleo y diésel) supera con creces al peninsular, la aportación de generación renovable en Canarias es de sólo un siete por ciento mientras que en la Península supera el veinte por ciento”. (Monedero, 2014) (6). Canarias cuenta con unas características técnicas y económicas totalmente diferentes al resto del Estado Español, por su carácter de insularidad, y presenta un
37
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
enorme potencial procedente de diversas fuentes renovables (solar-térmica y fotovoltaica, eólica, geotermia, energía de las olas y biomasa).
1.1
Energías renovables y geotermia
Las energías renovables son aquellas energías que provienen de recursos naturales que no se agotan y a los que se puede recurrir de manera permanente. Su impacto ambiental es nulo en la emisión de gases de efecto invernadero como el CO2. Se consideran energías renovables: la energía solar, la eólica, la geotérmica, la hidráulica y la eléctrica. También pueden incluirse en este grupo la biomasa y la energía mareomotriz. La energía geotérmica es la energía almacenada en forma de calor por debajo de la superficie sólida de la tierra. (Definición oficial en Alemania VDI 4640, 2002 (7); adoptada por la Directiva Europea de Energías Renovables y el Consejo Europeo de la Energía Geotérmica EGEC). Engloba el calor almacenado en rocas, suelos y aguas subterráneas, cualquiera que sea su temperatura, profundidad y procedencia. La energía geotérmica es el recurso energético más grande que existe. Es una energía que se califica como renovable y sustentable.
Renovable es una propiedad de las fuentes energéticas primarias que tienen su origen en la radiación del sol, en ellas se incluye la Geotermia que, a diferencia del resto de las energías renovables, su origen proviene del calor interior de la tierra que se alimenta de la desintegración de isótopos radiactivos, de movimientos diferenciales
38
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
entre las distintas capas que constituyen la Tierra y del calor latente de cristalización del núcleo externo. (IDAE, 2008) (3).
Sustentable, según la Comisión Mundial del Desarrollo y Medio Ambiente, 1987
(8)
“satisface las necesidades de la actual generación
sin comprometer las necesidades de las futuras generaciones”.
1.1.1
SITUACIÓN MUNDIAL.
En la actualidad nos enfrentamos a enormes desafíos: calentamiento global, agotamiento de los recursos naturales, crecimiento de la población, creciente demanda energética, aumento de precios de la energía y distribución desigual de las fuentes energéticas. Todos estos factores contribuyen a que exista la necesidad urgente de transformar el sector energético basado principalmente en combustibles fósiles en uno basado en energías renovables y tecnologías eficientes. Las energías renovables son una de las claves para resolver los desafíos ante los que actualmente se encuentra el futuro energético del mundo. Desde diferentes enfoques políticos y económicos, muchos países fomentan ya la producción y el uso de las energías renovables porque reconocen la urgente necesidad de cambiar los patrones energéticos actuales. No obstante, el uso de las energías renovables hoy en día es aún limitado a pesar del elevado potencial que encierran. Existen múltiples obstáculos: largos procedimientos de autorización, aranceles a las importaciones y trabas técnicas, financiación insegura de los proyectos en energías renovables y falta de concienciación ante las oportunidades que ofrecen estas energías. La geotermia es una de las energías renovables claves para esa transformación.
39
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
En las imágenes nº 1 y 2 (IGA, 2015)
(9).
se ve la capacidad geotérmica de
cada continente distinguiendo entre recursos de alta y baja temperatura, según datos obtenidos de la Internacional Geothermal Association. Considerando que los recursos de muy baja temperatura los encontramos en todo el territorio.
Imagen nº 1: Plantas geotérmicas actuales por países.
40
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Imagen nº 2: Usos directos de la geotermia por países.
El crecimiento de la geotermia para generar energía se sitúa en torno a un 5,5% anualmente durante los últimos 30 años. La capacidad instalada en el mundo ha crecido 1.650 MW en los últimos cinco años (15,5%) llegando a los 10.175 MW en 2010, como vemos en la tabla nº 1 (IGA, 2015) (9). Estados Unidos es el país líder en producción de electricidad a partir de energía geotérmica, con el 36,5% de la capacidad instalada. En segundo lugar se encuentra Filipinas con el 17,7% y le sigue Indonesia con el 11% de la capacidad instalada.
41
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Tabla nº 1: Capacidad geotérmica instalada por países.
En los últimos 10 años, Islandia ha sido el país que ha registrado mayor crecimiento de la capacidad geotérmica instalada, pasando de algo más de 320 MW a aproximadamente 600 MW. El segundo país que mayor aumento ha experimentado ha sido Indonesia, con un crecimiento de la capacidad instalada del 33%. El uso directo del calor cuenta con diferentes aplicaciones; producir electricidad; calefacción y refrigeración de viviendas, en agricultura y acuicultura, usos industriales, etc. En la actualidad, más de un 68% de la energía procedente de los recursos geotérmicos del mundo se emplea para calefacción. Podemos ver en la tabla nº 2 (IGA, 2015) (9), la potencia instalada por países de usos directos de la geotermia.
42
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Tabla nº 2: Potencia instalada de los usos directos de la geotermia por países.
Unión Europea: La Unión Europea tiene unos planes muy determinados con respecto a la producción eléctrica de origen geotérmico; marcando unos objetivos hasta el año 2050, que se encuentran recogidos en el documento visión realizado por la European Geothermal Energy Council (EGEC, 2010) (10). Objetivo 2020: Establecer la base de la industria geotérmica europea. Objetivo 2030: Hacia una fuente de electricidad competitiva. Objetivo 2050: Una parte sustancial del suministro base de electricidad.
43
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Respecto al aprovechamiento directo del calor, el documento visión 20202030-2050 (ETPRHC, 2010) (11) presenta los planes de la Unión Europea. Objetivo 2020: Uso directo de la geotermia. Cogeneración geotérmica. Desarrollo de las bombas de calor. Objetivo 2030: Aumento de la producción de calor geotérmico para uso directo. Las bombas de calor estarán integradas en los sistemas energéticos de los edificios y combinadas con otras energías renovables. Aumenta el uso directo de calor en actividades agrícolas. Y experimentará un fuerte desarrollo en Europa la tecnología de EGS (sistemas geotérmicos estimulados), permitiendo desarrollar nuevos sistemas de calefacción de distrito. Objetivo 2050: Los sistemas geotérmicos de climatización serán viables y económicos en cualquier lugar de Europa, combinados con otros sistemas. En la imagen nº 3 podemos ver los campos geotérmicos actuales (izq.)y futuros (derecha) previstos en Europa (IGA, 2015) (9).
Imagen nº 3: Campos geotérmicos actuales y futuros en Europa.
44
CAPÍTULO I
1.1.2
INTRODUCCIÓN
SITUACIÓN EN ESPAÑA. A diferencia de otras energías renovables, la energía geotérmica tiene escasa
utilización en España, alcanzando una cuota del 0,03%. Los datos registrados los vemos en la tabla nº 3 (IGA, 2015) (9).
1995 2000
Country
Power Power Power Power MWt MWt MWt MWt
Spain
2005
22,3
2010
141
Tabla nº 3: Potencia instalada en España.
Se estima un aumento en el uso de este tipo de energía. A nivel nacional es incluida por primera vez dentro del Plan de Energías Renovables (PER, 2011)
(12),
con un capítulo dedicado a la energía geotérmica,
abordándolo desde la parte eléctrica y desde la parte térmica. Generando mapas de recurso geotérmicos de media y alta temperatura. Imagen nº 4 (PER, 2011) (12). España no cuenta con instalaciones de generación eléctrica mediante tecnología de alta entalpía, pero si presenta un importante potencial. Se han realizado informes y estudios por el Instituto Geológico y Minero de España, referenciados en la tabla nº 4 (IGME, 1984)
(13),
donde se nos da a conocer las áreas con mayor
potencial geotérmico en España. Estudios que fueron realizados en los años 70 y 80, en plena crisis económica. Y que se quedaron sin poder hacer uso de ellos cuando en los años 80/90 comienza la recuperación económica del país, con su correspondiente baja de los precios del petróleo.
45
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Imagen nº 4: Mapa de recursos geotérmicos de media y alta temperatura en España.
ÁREAS CON MAYOR POTENCIAL GEOTÉRMICO EN ESPAÑA ISLAS CANARIAS NORORESTE PENINSULAR ZONA PIRINEO CENTRAL CUENCA DEL EBRO
CADENAS COSTERAS CATALANAS CORDILLERAS BÉTICAS ALBACETE-CUENCA CUENCA DEL GUADALQUIVIR SALAMANCA-CÁCERES
Acuíferos de (70º C) Granitos (80º C) Acuífero Termal (↑140º C) Lérida: Acuífero Triásico (60º C) Huesca: Acuífero Jurásico (90º C) Vitoria-Treviño: Acuífero Cretácico (60º C) Graben de Vallés-Penedés: (90º C) Graben de La Selva: Graben de Ampurdán: (150º C) Acuíferos (50º C) Acuíferos Carbonáticos (80º C) Acuífero de la dolomita jurásica (80º C) Granitos y metasedimentos Paleozoicos
Tabla nº 4: Áreas con mayor potencial geotérmico en España.
46
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Se estima que en el año 2020 se pueda alcanzar una potencia instalada de 1000 MW eléctricos y 300 MW térmicos. Siendo las previsiones al 2030 de 3.000 MW eléctricos y 1.000 MW térmicos. La mayor aplicación de la geotermia en España es mediante el uso directo de la energía; para producción de electricidad, calefacción y refrigeración, agricultura y acuicultura, servicios industriales,… y a través de bombas de calor. Tabla nº 5 IGA, 2015 (9). Desde la parte térmica se afirma que en España existe una potencia térmica instalada superior a 100 MWt, y que el potencial de geotérmica para estos usos puede superar los 50.000 MWt. Para fomentar el sector térmico se considera la reducción del coste de generación térmica y el aumento de la eficiencia de las bombas de calor. Direct Uses by Country Spain Bathing and Swiming Geothermal heat pumps Greenhouse Individual space heating Spain Total Installed Capacity (MWt) Spain total Annual Use (TJ/year)
Installed Capacity (MWt)
Annual Uses (TJ/year)
2.6 120.0 14.93 3.51 140.0
52.5 462.92 92.42 76.21 684.1
Tabla nº 5: Usos Directos de la geotermia en España hasta septiembre de 2012.
Podemos observar en la tabla nº 6 (PER, 2011)
(12)
como se plantean unos
objetivos térmicos, donde la producción de energía térmica a partir de geotermia se estima se hará a partir de las bombas de calor, a las cuales se les adjudica un objetivo parcial de 471 GWt, y de los usos directos de calor, para los cuales se establece un objetivo de unos 110,5 GWt. Se estima por tanto que la energía producida a través de bombas de calor para climatización y agua caliente sanitaria ha registrado en nuestro
47
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
país un crecimiento del 30% en los últimos años, previendo una tasa de crecimiento del 15% hasta el año 2015 y del 10-12% en años posteriores. Ktep Energía geotérmica (excluyendo el calor geotérmico de temperatura baja en aplicaciones de bomba de calor) Energía solar térmica Biomasa Sólida (incluye residuos) Biogás Energía renovable a partir de bombas de calor De la cual aerotérmica De la cual geotérmica Totales
2005
2010
2011
2012
2013
2014
2015
2016
2017
2018
2019
2020
3.8
3.8
3.8
3.8
3.8
3.8
5.2
6.4
7.1
7.9
8.6
9.5
61
183
190
198
229
266
308
356
413
479
555
644
3468
3729
3779
3810
3851
3884
4060
4255
4377
4485
4542
4653
3441
3695
3740
3765
3800
3827
3997
4185
4300
4400
4450
4553
27
34
39
45
51
57
63
70
77
85
92
100
7.8
17.4
19.7
22.2
24.9
28.1
30.8
33.6
37.2
41.2
45.8
50.8
4.1
5.4
5.7
6.1
6.4
6.9
7.4
7.9
8.4
9.0
9.7
10.3
3.5 3541
12.0 3933
14.0 3992
16.1 4034
18.5 4109
21.2 4181
23.4 4404
25.7 4651
28.8 4834
32.2 5013
36.1 5152
40.5 5357
Tabla nº 6: Objetivos del Plan de Energías Renovables en el sector de la calefacción y refrigeración.
Todos estos objetivos se podrán conseguir tal y como nos indica el Plan a través de tomar una serie de medidas específicas para el sector geotérmico (marcos de apoyo, medidas económicas, medidas normativas, actuaciones en infraestructuras energéticas, planificación, promoción, información, formación y otras).
1.1.3
SITUACIÓN EN CANARIAS. Una de las condiciones más importantes para fomentar las energías renovables
en Canarias, dentro de las que incluimos la geotermia, es su “insularidad”. Tenemos una total dependencia energética del exterior, y por tanto una gran vulnerabilidad frente a las crisis energéticas.
48
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Es por ello, que desde el Gobierno de Canarias y de otros Organismos Autónomos se esté apostando por el uso de las energías renovables en todos los ámbitos, incluidos el de la edificación. La contribución energética de las energías renovables, implementadas en la edificación, puede suponer el equilibrio energético en la utilización del edificio, de manera que la energía consumida en el mismo sea igual a la energía generada por sus sistemas activos de producción. Este es el objetivo de la Unión Europea para el 1 de enero de 2019 (Dir. 2010/31/UE, de 19 de mayo de 2010) (14): la construcción de edificios de energía cero, edificios nuevos que produzcan tanta energía como la que consumen. Esta producción de energía se habrá de realizar mediante el aprovechamiento de las energías renovables del entorno (solar, eólica, geotérmica, etc..). El consumo de energía primaria en Canarias ha aumentado considerablemente, según datos del Plan Energético de Canarias 2007 (Revisión PECAN, 2006)
(15),
ha
experimentado un crecimiento medio anual hasta 2004 de un 2,9% frente al 3,2% registrado hasta 2001. Lo que señala una tendencia a la moderación en el crecimiento en el consumo de energía. Se aprecia en los gráficos nº 2 y nº 3 (Consejería de Empleo, Industria y Comercio, 2014) (16) una escasa representatividad de las energías renovables, frente al 85% de la demanda que es abastecida mediante derivados del petróleo tal y como se puede observar en el siguiente gráfico.
49
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Gráfico nº 2: Evolución del consumo de energía primaria en Canarias.
Las islas se mantienen muy alejadas de los niveles de participación de las renovables que se registran en otros sistemas energéticos de la Unión Europea.
Gráfico nº 3: Distribución de la demanda de energía final en Canarias.
50
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Actualmente las energías renovables en Canarias aportan solo el 11% de la demanda de energía. Como resumen de este análisis de la situación del sector energético y sus factores diferenciales con Canarias conviene resaltar los siguientes puntos: •
La conjunción del importante crecimiento del consumo de energía y
asociado a él de las emisiones de CO2 (muy por encima de lo que España ha asumido dentro del marco del Protocolo de Kioto y del posterior reparto dentro de la UE) van a exigir una política muy activa de uso eficiente de la energía y de favorecer aquellas energías con baja o nula producción de CO2 y todas las Comunidades Autónomas de España deberán ser solidarias en este esfuerzo. Canarias presenta una vulnerabilidad energética muy superior a la del conjunto de España que, a su vez, es muy superior a la de la media de la Unión Europea. Ello requiere diseñar una estrategia energética que favorezca el uso racional de la energía, potencie las energías autóctonas a un coste razonable y permita la adopción de medidas específicas para situaciones de crisis (stocks estratégicos, planes de contingencia y mecanismos excepcionales de solidaridad a nivel nacional y de la unión europea). En el estudio técnico de la evaluación de potencial de energía geotérmica del Plan de Energías Renovables, imagen nº 5 (Sánchez G., Sanz L., & Ocaña R., 2011) (17),
se hace un estudio de la potencia térmica superficial de las Islas Canarias.
51
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Imagen nº 5: Mapa de potencia térmica superficial de las Islas Canarias.
Y se realiza una evaluación de los recursos de baja, media y alta temperatura, centrando a las Islas Canarias con los siguientes datos. Tablas nº 7 y nº 8 (Sánchez G., Sanz L., & Ocaña R., 2011) (17).
Áreas
Gran Canaria
Zonas
SE (AguimesIngenioBco. Juan Grande)
TP
Superficie (km2)
P (m)
150
2.000 130
(ºC)
Pi (kg/m3)
C (Julios T O / kg.ºC) (ºC)
TA
2.700
900
130 100 0,05 0,3
20
(ºC)
h (m)
ø
R (%)
RBA (1018
H
H
Julios)
(1018 Julios)
(1018 Julios)
40,10
4,15
1,25
Tabla nº 7: Evaluación de los recursos de media temperatura Gran Canaria.
52
H (1 05 GW.h)
Wi MW(e)
3,46 108
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
C (Julios T Pi O / (kg/m3) kg.ºC) (ºC)
H
H
H
(1018 Julios)
(105 GW.h)
Wi
Julios)
(1018 Julios)
0,05 0,3
19,70
1,06
0,32
0,88
110
60
0,05 0,3
8,40
0,48
0,15
0,41
51
180 100
60
0,05 0,3
10,50
0,60
0,2
0,52
65
20
300 500
60
0,05 0,3
0,003
0,0015 0,0005 0,0014 0,17
20
200 500
60
0,05 0,3
0,019
0,01
Superficie (km2)
P (m)
TP
Dorsal
30
200
2.700 900
20
Oeste
16
180
2.700 900
Sur
20
180
Lanzarote
Hilario y Camellos
La Palma
Teneguía
Áreas
Tenerife
Zonas
TA
h (m)
ø
200 100
60
20
180 100
2.700 900
20
0,005
600 2.700 900 (1km)
0,055
300 2.700 900 (1km)
(ºC)
(ºC)
R (%)
RBA (1018
38,622
2,15
0,003 0,670
0,008
1,820
Tabla nº 8: Evaluación de los recursos de alta temperatura Tenerife.
Datos que se encuentran registrados también en la International Geothermal Association. Imagen nº 6 y nº 7, (IGA, 2015) (9).
Imagen nº 6: Campos geotérmicos futuros en Gran Canaria.
53
MW(e)
1,01 227,18
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Imagen nº 7: Campos geotérmicos futuros en Tenerife.
Según informe del Instituto Geológico y Minero de España (IGME, 1984) (13); Canarias es una de las zonas de nuestro territorio que se encuentra dentro de lo que se denominan “regiones geotérmicas”. Debido a, su origen volcánico y la presencia en épocas históricas y muy recientes, de erupciones volcánicas, hace que se ponga en relieve el potencial de interés geotérmico del área. Las infiltraciones de agua de mar son de especial relevancia en relación a los sistemas de climatización de Centros Comerciales y Hoteles en zonas costeras y la climatología, la latitud y altitud de determinadas islas, pronostica un gran potencial a instalaciones geotérmicas cerradas para viviendas “aisladas” con demandas de climatización y ACS. Desde 1980 aproximadamente, el Instituto Geológico y minero de España ha realizado estudios previos de viabilidad técnico-económica de la explotación de energía geotérmica de media y alta temperatura en distintas zonas de las Islas
54
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Canarias; estableciendo convenio con la empresa nacional Adaro para prospección geotérmica en las Islas Canarias (Dic. 1979). Se realizan diferentes estudios en Gran Canaria, Lanzarote, La Palma, La Gomera y Tenerife, realizando en la mayoría de ellos estudios geotérmicos por diferentes métodos; y prospecciones para estudios geofísicos y geoquímicos. El estudio más completo fue el que se realizó en la Caldera de las Cañadas del Teide, en él se hicieron: prospección geotérmica con un estudio hidrogeoquímico, un estudio geovulcanológico, termología aérea del Teide, estudio geoquímico e isotópico de las fumarolas del Teide. Se han realizado diferentes investigaciones geotérmicas a finales de los años 80. A partir de todos estos estudios, se seleccionó la zona idónea para la perforación de un sondeo profundo de exploración geotérmica, cuya ejecución se llevó a cabo entre 1992 y 1993 como podemos observar en la tabla nº 9 y en la imagen nº 8 (Marrero, 2010)(18) y donde se midió un gradiente geotérmico mucho más bajo de lo esperado, con valores medios de 4.8 ºC/100 m y máximos solo 9.4 ºC/100 m.
Nº TF-1
Latitud UTM (m)
Longitud UTM (m)
Altitud (m.s.n.m)
Profundidad (m)
Altura nivel piezométrico *
331309
3130967
1725
1060
1325
*Dato dudoso al terminar la perforación (m.s.n.m)
Tabla nº 9: Resumen de las características del sondeo profundo de exploración geotérmica realizado por el IGME en la zona de las Dorsal Noroeste.
55
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Imagen nº 8: Ubicación de los sondeos realizados por el Ministerio de Obras Públicas (MOPU) y la UNESCO para el proyecto SPA-15.
Todos los estudios realizados en las Islas están enfocados para la inversión en “Media-Alta Entalpía”; revelan que el potencial se manifiesta de distintas formas en superficie. Por una parte, en las islas con abundantes obras de captación de agua subterránea, como Tenerife y Gran Canaria, estas aguas reflejan en sus características la existencia de indicadores geotérmicos (elevada temperatura; contenidos altos en sílice, flúor, boro, abundancia de gases, etc.), por otra parte en islas donde han existido erupciones volcánicas históricas, como Lanzarote y La Palma, permanece aún una elevada anomalía térmica ligada a dichas erupciones, de forma que es posible medir temperaturas de 300-400 ºC, en puntos próximos a la superficie. En el año 2009 la empresa Petratherm es la encargada de realizar una investigación geotérmica en la Isla de Tenerife. Obteniendo mapas de temperatura, contenido de sílice del agua en diferentes zonas, establece una estación de medida,
56
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
bucle magnético vertical y coloca estaciones MT para definir la morfología y profundidad del almacén, campaña 2009. Definiendo los primeros mapas de modelos geotérmicos en la Isla de Tenerife. Imagen nº 9 (Hidalgo, 2012) (19).
Imagen nº 9: Mapa térmico de Tenerife.
Actualmente en Canarias existe un Proyecto “Geothercan” 2011-2014 para la realización de: Modelos 3D para la caracterización de yacimientos geotérmicos en el subsuelo de Canarias. El proyecto se centra en 6 zonas 4 en Tenerife, 1 en Gran Canaria y 1 en La Palma y en 5 actividades por zona, englobando un total de 30 actividades específicas:
Estudios Volcano-estructurales (ULL-PETRATHERM).
Estudios de geoquímica de gases y volátiles (ITER-INVOLCAN).
Estudios de potencial espontaneo (ITER-INVOLCAN).
57
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Estudios de MT (U. BARCELONA).
Estudios de tomografía de Muones (ITER-U.TOKIO).
Se pretende realizar una investigación geotérmica básica que proporcione un fundamento sólido a la investigación de detalle (sondeos geotérmicos). El proyecto da prioridad a la investigación en áreas más avanzadas. El primer objetivo es definir las herramientas de investigación innovadoras eficientes que faciliten el desarrollo del primer proyecto de generación geotérmica en Canarias. El segundo es reproducir esta experiencia en otras zonas de España y otros entornos volcánicos similares en el mundo. Según la economista medioambiental Medina Warmburg, (Medina, 2012) (20), en su ponencia “Estudio de la energía geotérmica en Canarias”. La viabilidad de la Geotermia de baja entalpía y somera”. “El potencial geotérmico en Canarias estaría destinado al uso de energía eléctrica como geotermia de media y alta entalpía, y al uso directo como geotermia de baja y muy baja entalpía, en el sector de hogares y servicios; teniendo un gran impacto en el sector turístico. Y en el sector industrial; concentrado en polígonos, zonas industriales, desalinizadoras, etc…”. En Abril de 2014 en Europa Press
(21)
y varias prensas de Canarias aparece la
noticia en la que el Municipio de Güimar (Tenerife) proyecta albergar la primera central eléctrica geotérmica de alta temperatura de España, una propuesta de la empresa eslovaca Arllen Development y que incluirá una estación depuradora de aguas residuales para la agricultura y una desaladora de agua de mar para convertirla en agua potable y que funcionarán con energía limpia. Su funcionamiento está
58
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
previsto para el año 2018. La central geotérmica empleará la tecnología HDR (o de roca seca caliente). Después de buscar información y realizar diversos estudios sabemos que existen diferentes instalaciones referentes realizadas con geotermia de baja entalpía en las Islas Canarias; aplicadas a instalaciones de aire acondicionado, climatización de piscinas y preparación del agua caliente sanitaria (ACS). Con la utilización de estos sistemas no solamente se obtiene un ahorro de los costos energéticos sino que también se disminuyen las emisiones de CO2 y de las que hablaremos en el apartado 3.2.2. Geotermia en edificación y obra civil en Canarias.
1.2
Objetivos
Haciendo un análisis sobre el problema energético mundial, de la preocupación de todos los países por aumentar el uso de las energías renovables (poniendo incluso fecha de cumplimiento 20-20-20), mejora de la eficiencia energética y ahorro de energía, temas todos ellos aplicados a la edificación, que es el ámbito en el que se centra esta investigación. Y viendo que la energía geotérmica es una energía de la cual disponemos en todo tipo de terreno; es accesible, es un recurso inagotable y lo más importante es una fuente de energía renovable. Son estos los principales puntos por los que hemos planteado esta investigación. Llama mucho la atención que siendo un recurso tan cercano, que se encuentra en el propio terreno y a escasa profundidad en la mayoría de los casos no se utilice
59
CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
con más frecuencia e incluso sustituya a sistemas tradicionales. Un estudio en el que Canarias; por su formación geológica es un sitio idóneo para el uso de este tipo de energía. Es por ello, que nos hemos planteado la realización de esta Tesis Doctoral, en la que establecemos los siguientes objetivos:
Objetivo general: “Estudiar la energía geotérmica de baja temperatura en los terrenos volcánicos de las Islas Canarias y su aplicación a la edificación.”
Como objetivos específicos:
Realizar una revisión de diferentes instalaciones geotérmicas.
Analizar la viabilidad de utilización de la energía geotérmica en el
sector de la edificación; en los terrenos volcánicos de las Islas Canarias.
Estudiar la problemática del impacto ambiental en este tipo de terrenos.
(Cambios de temperatura, profundidades, sales,…….)
Analizar diferentes estudios de casos.- Proyecto, viabilidad, ejecución,
funcionamiento, ahorro energético y problemática encontrada a nivel de ejecución, uso, normativa, legislación y permisos.
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
1.3
Estructura de la tesis
En la presente tesis doctoral se ha seguido una estructura lógica de acuerdo con los objetivos planteados, dividiéndola en siete capítulos. El Capítulo I hace una introducción sobre la energía geotérmica y resume los antecedentes generales y específicos del proyecto. Pretende informar de la situación a nivel Mundial, en España y específicamente en Canarias e indicar cuáles son los objetivos de la Tesis, como también dar a conocer los procedimientos que se desarrollan en los capítulos siguientes. En el Capítulo II se expone la metodología a seguir en todo el proceso al que se hace referencia. El Capítulo III se centra en los antecedentes históricos, recursos geotérmicos, aplicaciones y usos de la energía geotérmica en general; analiza el marco regulatorio de la geotermia somera Europeo, Español y Autonómico; la geotermia de baja entalpía en edificación y analiza la geotermia somera en Canarias. En el Capítulo IV se desarrolla la investigación presentando diferentes estudios de casos en los que se encuentran en funcionamiento instalaciones de geotermia de baja temperatura en hoteles, centros comerciales y bodega. En el Capítulo V se presentan las conclusiones finales y vías abiertas de investigación y algunas propuestas para fomentar el uso de la geotermia de baja entalpía. El Capítulo VI es el glosario general y Capítulo VII referencias bibliográficas utilizadas en el desarrollo de la Tesis Doctoral. Para estructurar la investigación se ha utilizado el método “horseshoe” del Center for Integrated Facility Engineering (CIFE) adaptado a nuestra Tesis e ilustrado en el gráfico nº 4.(Fischer, 2006) (22).
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN
Métricas: Barreras de entradas de la geotérmica de baja entalpía, ya sea, técnicas, económicas o legales representadas en evaluaciones de diseño, costos, …. Alcance: Seguimiento de Hoteles, Centros Comerciales y Bodega destinados al sector servicios en la Isla de Lanzarote, para proyectos geotérmicos con intercambiadores de calor abiertos con uso de aguas subterráneas.
Poco conocimiento en Canarias sobre la factibilidad técnica, económica y legal de sistemas geotérmicos de baja entalpía integrados con bomba de calor para uso en climatización de piscinas, aire acondicionado, etc. A nivel residencial y del sector servicios.
PROBLEMA
- Generar conocimiento a través del estudio de diferentes modelos geotérmicos de baja entalpía desarrollados, ejecutados y en pleno funcionamiento, que permitirán a través de su monitorización concluir sobre la factibilidad técnica y económica.
INTUICIÓN
- Guías y recomendaciones internacionales y nacionales de sistemas geotérmicos de baja entalpía abiertos. Normativas Europea y Española. - Estudio previo. - Modelo geotérmico.
- ¿Cuál es la mejor forma de explotar el recurso geotérmico de baja temperatura, para que sin llegar a agotarlo, satisfaga la demanda energética que necesita un edificio para mantener el confort térmico en el interior? - ¿Es viable técnica y económicamente implantar un sistema geotérmico de baja entalpía en Canarias para uso residencial y de servicios? - ¿Qué procedimientos legales hay que seguir para poder utilizar el recurso geotérmico?
PUNTO DE PARTIDA PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN
- Proporciona al interesado en desarrollar proyectos geotérmicos de baja entalpía un mejor conocimiento de este tipo de sistemas, como también permite tomar decisiones acerca de implementar esta tecnología en viviendas y otros usos por medio del análisis económico y técnico desarrollado en la investigación. - Permite dar uso a los pozos realizados o por realizar y a nuevas estructuras para aprovechamiento en sistemas geotérmicos reduciendo los costos iniciales. - Permite al interesado en solicitar permisos de uso del recurso geotérmico de baja entalpía, tener una guía de cómo hacerlo paso a paso. - Permite a la autoridad identificar las faltas en la normativa actual.
VALOR PRÁCTICO
- Metodología de sistemas geotérmicos abiertos, evaluación de costos y presentación de datos técnicos para determinar factibilidad de los sistemas geotérmicos a los que se les ha realizado el seguimiento. - Identificación de sistemas geotérmicos implementados y en pleno funcionamiento en el Archipiélago. - Seguimiento desde el Sistema de Control Geotérmico de los Edificios. - Control y mantenimiento de las instalaciones. - Procesos legales necesarios para solicitar el recurso geotérmico. - Recomendaciones.
- Metodologías de diseño y de seguimiento, identificando los pasos y componentes del sistema completo, mostrando una tecnología poco desarrollada en el Archipiélago Canario con la inclusión de alternativas que disminuyen los costos iniciales utilizando pozos. - El estudio técnico económico muestra la factibilidad de desarrollo de esta tecnología no solamente en el uso en el sector servicios sino también en viviendas.
CONTRIBUCIÓN AL CONOCIMIENTO
Gráfico nº 4:
RESULTADOS
Metodología de la investigación. Gráfico reformado y adaptado a la Tesis. 2015.
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MÉTODOS Y TAREAS DE INVESTIGACIÓN - Estudio y seguimiento de instalaciones geotérmicas integradas a bomba de calor geotérmica utilizando un sistema abierto para climatización de piscinas, aire acondicionado, ……. en una bodega; dentro del sector servicios. - Evaluación técnica y económica de las instalaciones en funcionamiento a través de su sistema de Gestión, para conseguir el confort térmico. - Desarrollo de los pasos necesarios para solicitar el uso del recurso geotérmico.
CAPÍTULO II: METODOLOGÍA
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
CAPÍTULO II: METODOLOGÍA Los recursos geotérmicos de muy baja temperatura son recursos energéticos que se encuentran en cualquier terreno próximo a la superficie. Su posibilidad de aprovechamiento está supeditada al uso forzoso de bombas de calor geotérmicas. Por esos motivos se aplican a calefacción, refrigeración, climatización, climatización de piscinas, agua caliente sanitaria en viviendas unifamiliares, edificios y centros comerciales. Es por lo que la investigación la debemos centrar en la siguiente hipótesis (Llopis & Rodrigo; 2008) (23): “¿Cuál es la mejor forma de explotar el recurso geotérmico de baja temperatura para que, sin llegar a agotarlo, pueda satisfacer la demanda energética que se necesita para mantener el confort térmico en el interior de los edificios a los que va a dar servicio?” Para ello la Metodología de Investigación se debe realizar para proyectar y ejecutar instalaciones de ahorro y aprovechamiento energético mediante el uso de energía geotérmica, teniendo en cuenta los aspectos geológicos, geotécnicos, hidrogeológicos, condiciones térmicas y respuesta térmica del suelo entre otros.
65
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
Antes de comenzar con cualquier Investigación para un proyecto de geotermia somera, lo primero que tenemos que hacer es realizar una primera toma de datos muy básica, seleccionando la ubicación y los puntos favorables a través de un estudio previo hasta definir el modelo geotérmico. Documentarnos y aplicar las técnicas de investigación geológica para optimizar el diseño de la instalación. Se realiza con métodos y técnicas similares a los empleados en la prospección de otros recursos minerales y energéticos. La metodología de obtención e interpretación de datos, es muy parecida en su desarrollo a la empleada en aguas subterráneas e hidrocarburos. Definido el modelo geotérmico se pasa a la confirmación del mismo. En este estudio se profundiza mucho más y con más exactitud la toma de datos previos; es entonces cuando comenzamos con la Metodología de Investigación y sus diferentes fases o etapas. Los pasos generales para la realización de la investigación son:
1. Fase de Investigación. Estudio previo:
Objetivos:
Estudio de la localización de la zona del estudio del caso.
Estudio de la demanda y viabilidad técnico-económica.
En la tabla nº 10 podemos ver la metodología de investigación en la fase de investigación (Llopis & Rodrigo, 2008) (23).
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CAPÍTULO II
Fase
METODOLOGÍA
Finalidad
Investigación
Localización de la zona
Etapas
Objetivo
Documentación
Antecedentes
del estudio del caso y
Técnicas Evaluación de mapas geológicos e hidrogeológicos. IGME.
evaluación del recurso.
Planificación de etapas.
Recomendación de los métodos de exploración más apropiados.
Estudios geológicos
Características.
Información geotécnica (CTE).
e hidrogeológicos.
Evaluar el potencial del
Sondeos muy superficiales 5-35 m.
recurso. Fijar los puntos de exploración. Estudio de la demanda y
Analizar la demanda
Potencia a suministrar
viabilidad técnico-
energética.
Comportamiento térmico
Estudio de la conductividad térmica del
del suelo
terreno en función de la importancia de la
económica
Tipo de instalación de extracción. Horas de funcionamiento anual. Modalidad de la demanda.
instalación. Dimensionado de la bomba de calor geotérmica. Pozos, etc…… Distribución del consumo de energía. Rendimiento de la energía en horas punta. Calefacción, ACS, climatización, piscina, …….
Soluciones técnicas
Tipos de instalaciones
Colectores horizontales enterrados.
geotérmicas
Sondas geotérmicas.
Ejecución de pozos de
Sondeos de captación de agua someros
captación y de inyección
Cimientos geotérmicos.
en los correspondientes
Gestión del yacimiento.
casos.
Perforación de los pozos en los casos correspondientes.
Estudio económico y
Rentabilidad del
Calculo de la inversión y coste.
administrativo.
proyecto.
Rendimiento energético Estudio de financiación. Estudio de mercado. Periodo de amortización
Tabla nº 10: Metodología de investigación. Tabla reformada.
Estos estudios previos pueden ser muy simples o muy complejos, dependiendo de la potencia calorífica a suministrar, del tipo de instalación a utilizar (colectores
67
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
horizontales, sondas geotérmicas, sondeos de captación de agua someros, cimientos geotérmicos,…), de las horas de funcionamiento anual y de la modalidad de la demanda (calefacción, refrigeración, climatización, agua caliente sanitaria, …).
Estudio de la localización de la zona del estudio del caso. Ubicación de los terrenos.
Este estudio se realiza a través de documentación, estudios geológicos e hidrogeológicos.- Son el punto de partida de cualquier programa de exploración. Documentación.- Se analiza la información existente y disponible. Mapas geológicos e hidrogeológicos regionales de la zona a investigar. Se encuentran editados por el IGME. Nos sirven para conocer en profundidad los materiales que nos encontraremos, posición de los acuíferos, etc. Identifica la ubicación y extensión del área a ser investigadas con mayor detalle y con esta información recomendar los métodos de exploración más apropiados para esa área. Estudios geológicos e hidrogeológicos.- Se lleva a cabo un estudio geológico e hidrogeológico, de tales acuíferos con vistas a predecir sus características y evaluar el potencial del recurso. Por último se fijan los puntos de perforación. Según el Código Técnico de la Edificación (CTE, 2006)
(1);
el proyecto
contendrá dentro de los anejos a la memoria, la información geotécnica necesaria para la definición y justificación de las obras. Pudiendo ser sondeos muy superficiales entre 5 y 35 m. que nos informarán de los materiales que nos encontramos, posición del nivel freático, análisis químico de las aguas en los primeros metros. Con estos datos es posible diseñar con cierta aproximación las perforaciones de la instalación geotérmica, dejando el ensayo de respuesta térmica para los casos
68
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
donde la aproximación no sea suficiente y necesitemos un mayor alcance de la investigación.
Estudio de la demanda y viabilidad técnico – económica.
Se analiza detalladamente la demanda energética y su adaptación al recurso previsto. Se estudia el comportamiento térmico del suelo en función del recurso y de la complejidad de la instalación y las distintas soluciones posibles, evaluando inversiones en equipos y sondeos, así como costos de explotación, finalizando con un análisis de los ratios económicos más importantes y selección de solución idónea. Posteriormente se estudia el montaje financiero y administrativo de la operación. En general, la necesidad térmica de un edificio es relativamente fácil de determinar ya que depende entre otros factores de la potencia que se tenga que suministrar; del comportamiento térmico del suelo; del tipo de instalación que tenga que extraerlo, de las horas de funcionamiento anual y de la modalidad de la demanda (aire acondicionado, producción de ACS o climatización de piscinas, una combinación de ellas o todas a la vez); sin olvidarnos de las características constructivas y las condiciones de confort. La necesidad térmica deberá valorarse siguiendo criterios de eficiencia energética, la racionalización del consumo y un diseño térmico e instalación adecuada. El aporte energético necesario para conseguir las necesidades térmicas de confort, se definirá en base a la compensación del calor generado. Según (Conde, Ramos, Reina & Vega, 2009) (24).
69
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
q = G . (Tinterior – Texterior) + Qaire . cp . (Tinterior – Texterior)
q
calor generado.
Tinferior
temperatura en el interior de la habitación.
Texterior
temperatura ambiente exterior.
Qaire
caudal de aire que entra o sale del recinto.
G
coeficiente de transmisión de calor, inversa de la resistencia térmica Rt.
Para alcanzar la sensación de confort; el sistema de calefacción debe compensar, en invierno, la pérdida de calor a través de cerramiento y entrada de aire frío del exterior, lo que se ve compensado en parte por el aporte de calor que equipos eléctricos y electrónicos, iluminación, personas e insolación generan. El sistema de refrigeración debe compensar, en verano, la entrada de calor del exterior a través de cerramiento y por la renovación de aire del exterior, como el aporte de calor que equipos eléctricos y electrónicos, iluminación, personas e insolación generan. La temperatura y humedad relativa juegan un papel fundamental en la percepción de confort. Los niveles a perseguir vienen recogidos en el RITE, 2007 (25). Es este documento junto al CTE, 2006 (1) y sus documentos básicos, especialmente, el HE1 (limitación de demanda térmica) y el HE2 (rendimientos de las instalaciones térmicas) los que recogen las especificaciones técnicas a seguir en el diseño. Sin embargo para determinar el comportamiento del suelo, el estudio se complica ya que a la conductividad térmica del terreno le afectan los siguientes factores:
70
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
Propiedades físicas del terreno.
Caudal y velocidad de flujo del agua subterránea.
Propiedades de los intercambiadores geotérmicos.
Condiciones climatológicas.
Hay que tener en cuenta que una instalación de energía geotérmica abierta está constituida por pozos geotermales, conductos que transportan los fluidos geotermales, y sistemas de pozos de reinyección, conectados a una bomba de calor geotérmica. Sistema reversible, aportando calor en invierno y frío en verano a las instalaciones a climatizar. El yacimiento por el contrario recibe frío en invierno y calor en verano, equilibrando de esta forma las aportaciones energéticas y mejorando el consumo de energía en verano debido a la refrigeración. Un dato clave es el conocimiento de la conductividad térmica (λ) del terreno, pues de él va a depender el correcto dimensionamiento de la bomba de calor y el sistema de captación de energía. Los valores de conductividad los podemos obtener de diferentes formas; en función de la importancia de la instalación:
para instalaciones pequeñas ( 30 kW de potencia. Superado el estudio de viabilidad y conseguida la financiación de la operación, hay que realizar el primer sondeo profundo, que ha de confirmar o desmentir las hipótesis establecidas en la Fase 1. Tabla nº 12 (Llopis & Rodrigo, 2008) (23).
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CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
Objetivos:
Fase
Confirmar modelo geológico. En los casos necesarios.
Establecer características definitivas y condiciones de explotación. Finalidad
Exploración y confirmación
Confirmación modelo geológico y establecer las características definitivas y condiciones de explotación.
Etapas
Objetivo
Sondeo/s.
Técnicas
Profundidad y dimensiones de los pozos.
Sondeos de exploración para confirmar los estudios de documentación. Ejecución de los pozos.
Caudal de producción
Capacidad geotérmica del pozo. Definir dimensiones de instalación geotérmica. Dimensionado de BCG. Salinidad del agua.
Temperatura. Calidad del agua.
Distribución del circuito
Circuito primario: sondeo de producción, bomba de extracción, intercambiador, tratamiento agua, bomba de inyección, sondeo de inyección. Circuito secundario: Red de distribución, elementos emisores de calor.
Tabla nº 12: Metodología de investigación I. Tabla reformada.
Para poder utilizar la energía contenida en los fluidos geotérmicos de baja temperatura, así como sus aplicaciones, dependen de las características del yacimiento o campo geotérmico. Entre estas las fundamentales son: Caudal de producción. Temperatura. Calidad del agua, especialmente salinidad. El caudal de producción y la temperatura van a definir las dimensiones de la operación geotérmica, que vendrán dadas por la potencia térmica y esta es igual al producto Q x ΔT, siendo Q el caudal y ΔT el salto térmico que depende de la temperatura de producción del fluido geotérmico. Esta temperatura va a definir también la aplicación que se puede dar al calor o el esquema a emplear para cada utilización. 75
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
La calidad del agua va a definir el sistema de explotación del recurso, va a influir en el esquema que se adopte. Si el agua geotérmica es dulce con salinidad menor de 4-5 gramos por litro, podrá ser utilizada o eliminada en superficie. Sin embargo, esto no es normal, ya que las aguas geotérmicas suelen estar cargadas de sales. En este caso es necesario eliminar el agua una vez enfriada, mediante su inyección en el acuífero. La alta salinidad de las aguas geotérmicas imposibilita su uso directo en las instalaciones de aprovechamiento, debido a su efecto corrosivo. Por ello es necesario adoptar un sistema de dos circuitos separados por un intercambiador. El circuito primario por el que circula el agua geotérmica, conocido como bucle geotérmico, está compuesto por el sondeo de producción, bomba de extracción, intercambiador (realizado en titanio para evitar los efectos de corrosión), estación de tratamiento, bomba de inyección y sondeo de inyección. El circuito secundario está formado por la red de distribución y los elementos emisores de calor. Imagen nº 10 (IGME, 1984) (13).
Imagen nº 10: Principios de utilización de la energía geotérmica de baja temperatura.
76
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
La inyección del fluido, una vez enfriado, crea una perturbación térmica en el acuífero geotérmico, que se manifiesta por un frente frío que se propaga concéntricamente, y que, con el paso del tiempo, llegará al pozo de producción causando un descenso de la temperatura de producción. Este fenómeno de transferencia térmica ha sido estudiado mediante la aplicación de modelos matemáticos, gracias a los cuales en base a los datos físicos de la explotación, características geométricas del acuífero (espesor útil), características geológicas (porosidad), térmicas (capacidad calorífica) y caudal de extracción, es posible prever la evolución de la temperatura con el tiempo en función de la distancia a nivel del acuífero entre pozo de producción y pozo de inyección.
3. Fase de ejecución y puesta en marcha de la instalación.
Objetivos:
Planificación.
Ejecución de los trabajos.
Puesta en marcha de la instalación.
En la tabla nº 13 podemos ver la metodología de investigación de esta fase (Llopis & Rodrigo, 2008) (23).
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CAPÍTULO II
Fase Ejecución y
METODOLOGÍA
Finalidad
Etapas
Planificación
Normativa
Objetivo Legislación
puesta en
Técnicas Permisos a las administraciones locales. Permisos al consorcio de agua.
marcha de la
Organización y
Ubicación de perforaciones.
instalación
coordinación de
Acopio de materiales.
trabajos
Movilidad de maquinaria.
Ejecución
de
los
Ejecución de los trabajos, de la
trabajos.
instalación definida en el proyecto.
Puesta en marcha de
Control de calidad
Estanqueidad de uniones.
la instalación
de la instalación
Comprobación funcionamiento de las
ejecutada.
bombas. Arranque de la bomba.
Comprobación del
Calefacción.
adecuado
Refrigeración
funcionamiento de
Recuperación de calor.
la instalación.
ACS.
Elaboración de
Manual de funcionamiento y uso de la
manuales
instalación. Manual de mantenimiento de la instalación.
Tabla nº 13: Metodología de investigación II. Tabla reformada.
Antes de comenzar con la ejecución, hay que planificar, comprobar toda la normativa y la legislación vigente para comenzar a solicitar los permisos, tanto a las administraciones locales como al Consejo Regulador de Aguas en nuestro caso. Organizar la ejecución de la instalación y coordinar los trabajos a realizar.
78
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
Comenzaríamos con la fase de ejecución. En la que tendríamos que tener en cuenta todas las condiciones de ejecución que vendrán definidas en el proyecto y realizar el control de la ejecución correspondiente. Y por último la puesta en marcha de la instalación; control de calidad de la instalación ejecutada (estanqueidad, comprobación del funcionamiento de las bombas, arranques,….); comprobación del adecuado funcionamiento de la instalación y elaboración de manuales (manual de funcionamiento y uso de la instalación y manual de mantenimiento de la misma).
4. Vida útil de la instalación y postventa.
Objetivos:
Mantenimiento preventivo y correctivo. Tabla nº 14. (Llopis &
Rodrigo, 2008) (23).
Fase Vida útil y postventa
Finalidad Mantenimiento preventivo y correctivo
Etapas
Objetivo
Ajuste de equipos
Técnicas Empresa instaladora.
Garantía de producto y repuestos. Gestión y mantenimiento.
Inspección visual. Registro de datos.
Interpretación de datos. Corrección.
Usuarios. Servicio técnico Alarmas y fallos en la UCG o el SGE Informes de mantenimiento. Sobre el funcionamiento energético Sobre el funcionamiento hidráulico Revisión de la instalación. Regeneración de pozos.
Tabla nº 14: Metodología de investigación III. Tabla reformada.
79
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
El proceso metodológico no termina con la ejecución de la instalación ya que nos queda la última fase que es la vida útil de la instalación y el servicio postventa. Esta fase es importante ya que de ella depende la productividad de la instalación y la duración a lo largo de los años. Se realizará a través de un mantenimiento preventivo y correctivo. Todo sistema geotérmico requiere una correcta gestión y mantenimiento; para al final con los datos obtenidos e interpretados poder realizar una corrección de las anomalías detectadas. El mantenimiento de una instalación geotérmica normalmente no es muy complicado, si lo comparamos con un sistema de climatización convencional. El objetivo es detectar un deterioro o empeoramiento del sistema de manera que se puedan planificar actividades correctivas, tales como una revisión de la instalación o la misma regeneración de los pozos. Las actividades que constituyen un correcto mantenimiento se pueden sintetizar en las siguientes:
Inspección visual (impermeabilidad de tubería y componentes, oxidación y suciedad, operación de válvulas manuales).
Control del funcionamiento y estado de los componentes principales (pozos, bombas sumergibles, válvulas motorizadas, sensores de control, intercambiador de placas, funcionamiento del control).
Aunque no se les considera parte implícita de la metodología, las fases anteriores no se pueden concebir sin tener en cuenta la normativa y el impacto ambiental. Hay que conocer el marco legislativo y los pasos a seguir para poder obtener los permisos de explotación y uso de la instalación geotérmica. El marco
80
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
legislativo lo tratamos en el apartado correspondiente 3.1.6; veamos las consideraciones del impacto ambiental.
Impacto ambiental:
Actualmente no hay forma de producir o de transformar la energía a una forma que sea utilizable por el hombre sin ocasionar algún impacto directo o indirecto sobre el ambiente. La explotación de la energía geotérmica somera tiene un impacto sobre el ambiente, pero es una de las formas de energía menos contaminante. Algunas de las variables ambientales sobre las que pueden incidir los proyectos geotérmicos tanto durante su implantación como durante su funcionamiento: 1. Disminución de la calidad atmosférica por la emisión de partículas (polvo).Tiene efecto en la zona donde se realizan las perforaciones y durante el tiempo que duran las obras. 2. Ocupación del suelo, variable que afecta a los sistemas de colectores horizontales. 3. Contaminación química de las aguas subterráneas, suelo y subsuelo por posibles vertidos de la maquinaria empleada, pérdidas de fluido caloportador, aditivos utilizados para la perforación, etc. Los sistemas geotérmicos abiertos supone un mayor riesgo de contaminación dado que hay una extracción e inyección directas en los acuíferos. 4. Contaminación térmica del subsuelo y aguas subterráneas durante el funcionamiento ya que los sistemas geotérmicos perturban el estado natural del subsuelo por extracción o inyección de calor. 5. Generación de residuos fundamentalmente lodos de perforación.
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CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
6. Impacto hidráulico en los acuíferos en el caso de sistemas geotérmicos abiertos. 7. Alteraciones de la vegetación existente por el paso de la maquinaria, sobretodo en sistemas con colectores horizontales. Variable importante para proyectos que se realicen en zonas protegidas. 8. Molestias a la fauna por ruido y actividad durante las obras. 9. Molestias a la población por ruido durante las obras. 10. Afección a las redes de infraestructuras que discurren enterradas (gas, electricidad, etc.). Se necesita por tanto realizar una evaluación ambiental, realizar un estudio del impacto que ocasionará la puesta en marcha de un proyecto sobre el medio ambiente. Se intenta predecir y evaluar las consecuencias que la ejecución del proyecto puede ocasionar en el entorno. Esto sirve para indicar posible medidas correctoras o de minimización de los efectos producidos por el impacto.
2.1 Metodología de investigación de los Estudios de Caso. En nuestros estudios de caso: Hoteles, Bodega Industrial y Centros Comerciales. Se encarga un Estudio de Viabilidad para implantar un Sistema de Energía Geotérmica. Los sistemas geotérmicos utilizados son sistemas geotérmicos abiertos. En estos casos se requiere un estudio hidrogeológico local y la perforación de, al menos, dos pozos. Este sistema abierto estará formado por un pozo de extracción que llevará una bomba de extracción; una red de conducción de agua geotérmica hasta el
82
CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
intercambiador principal; la estación de intercambio; una red de retorno hasta el sondeo de inyección; una estación de bombeo si así lo requieren las condiciones de inyección y, finalmente, el sondeo de inyección. Para que el fluido existente en el entorno del sondeo de extracción no se enfríe, es necesario alejar suficientemente el sondeo de inyección. 1.-
Estudio previo y fase de investigación.- En este estudio comenzamos a
documentarnos sobre el posible proyecto a realizar. La primera información que se obtiene son los mapas geológicos e hidrogeológicos de la zona. Ya que se requiere un estudio hidrogeológico local y la perforación de, al menos, dos pozos, uno de extracción y otro de reinyección, en los que se realicen ensayos hidráulicos para comprobar que no se ven interferidos entre ellos hidráulica y térmicamente, reduciendo la eficiencia del sistema, y se realiza un ensayo de calidad del agua, para ver los contenidos en hierro y el potencial redox, con el fin de evitar problemas de corrosión, colmatación de tuberías y conducciones que puedan afectar a la instalación a largo plazo. En la mayoría de los estudios de caso los pozos ya se encuentran realizados, y en otros es factible su realización. Mucha de la información la obtenemos de “expertos”, denominados poceros, son personas que tienen un amplio conocimiento del lugar y de la zona, siendo capaces de determinar la posibilidad de efectuar pozos adecuados en nuestros casos. Obtener agua de los pozos e incluso localizar pozos que ya se encuentran realizados. 2.-
Exploración y confirmación.-
Con toda la documentación analizada y el ensayo del caudal de pozo y de calidad del agua se pasa a realizar el Estudio de Viabilidad para implantar un Sistema de Energía Geotérmica, para analizar la viabilidad desde las perspectivas de ahorro
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CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
energético, costos de energía y contaminación ambiental. Se confirma el modelo geotérmico. Son estudios en los que se quiere mejorar las instalaciones existentes, ya que las instalaciones se encuentran anticuadas con generadores de calor y de frío obsoletos, cuyos rendimientos están por debajo de los equipos fabricados hoy en día, y así poder reducir el alto consumo en gas y electricidad de las instalaciones térmicas. Las actuaciones consistirán en sustituir las plantas enfriadoras existentes por una bomba de calor geotérmica que actuaría como generador de frío para el aire acondicionado y como generador de calor para climatización de piscinas y precalentamiento del agua caliente sanitaria. Para ello se hace este estudio; en el que se realiza un balance térmico y una valoración de la instalación recomendada. Se hacen tres comparativos de forma independiente entre la Bomba de Calor Geotérmica propuesta que puede actuar como generador de frío, de calor, o de ambos a la vez, con las plantas enfriadoras y calderas actuales, para el aire acondicionado, la climatización de piscinas y la preparación del ACS. En la que se obtienen los ahorros totales de los costos energéticos anuales, así como el total de emisiones de CO2, evitadas cuando se instale el sistema de energía renovable geotérmica propuesto. En la implantación del sistema geotérmico se puede conseguir una disminución del coste de la energía necesaria para las tres instalaciones térmicas estudiadas del 75%. Y % de emisiones evitadas de un 50%; 91.474 Tn de CO2 a la atmósfera cada año. El sistema geotérmico propuesto requiere una inversión inicial más alta que el convencional (30%-50% más caro).
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CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
En general en nuestros estudios de caso, la rentabilidad y viabilidad varían en función del tipo de instalación, es decir, si es una instalación existente que no funciona y hay que realizarla de nuevo, utilizando métodos o sistemas eficientes como es la geotermia, en estos casos la amortización es menor (ya que obligatoriamente tenemos que hacer la inversión de la instalación, poniendo solamente en los cálculos la diferencia entre la instalación convencional adecuada y la instalación geotérmica correspondiente; en estos casos la amortización ronda aproximadamente los 3-5 años.); que en casos en los que se sustituye la instalación, por motivos energéticos solamente, ya que esta instalación no entraría dentro los gastos previstos, puesto que está funcionando (el precio de la instalación es completo, por lo que el periodo de amortización es superior aproximadamente en torno a los 10 años). Pasaríamos a la fase de solicitud de permisos (administraciones locales, consorcio regulador de aguas,…) y ejecución de los trabajos con su correspondiente control de la ejecución. El impacto ambiental en nuestros casos es prácticamente nulo, ya que los pozos se sitúan alejados unos de otros para que no afecten las variaciones de temperatura. Es cierto que la temperatura del agua de extracción y la de inyección son diferentes, varían en unos grados, pero no se han obtenidos casos de afección que sean nocivos para el acuífero. 3.-
Ejecución y puesta en marcha de la instalación.
4.-
Vida útil de la instalación y postventa.
Una vez ejecutada la instalación y con su puesta en marcha, comienzan las gestiones de mantenimiento preventivo y correctivo a través del sistema de gestión geotérmico o sistema de gestión del edificio. Este apartado se desarrollará con más detenimiento en el Capítulo IV. Estudios de caso.
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CAPÍTULO II
METODOLOGÍA
En el estudio de caso de la bodega industrial. Se encarga un Estudio de Viabilidad para la sustitución de los sistemas convencionales de producción de frío y calor por un sistema basado en una bomba de calor geotérmica. La obra civil e instalaciones ya están construidas y funcionando. 1.- Estudio previo y fase de investigación.- En este estudio comenzamos a documentarnos sobre el proyecto a realizar. La bodega funciona actualmente con un sistema de refrigeración mediante bomba de calor que utiliza el aire como sumidero de calor; así que únicamente se tendrán en cuenta las instalaciones que estén directamente afectadas y tengan que modificarse por el sistema de calentamiento y refrigeración mediante bomba de calor. Nos documentamos sobre el proceso productivo, desde el proceso enológico hasta el embotellado. Se estudian las instalaciones térmicas de la bodega, necesidades de refrigeración, necesidades de agua caliente sanitaria, para poder seleccionar la bomba de calor geotérmica. y se pasa a la segunda fase. 2.- Fase de exploración y confirmación.- Se confirma el estudio de viabilidad y define la bomba de calor geotérmica a utilizar, el sistema geotérmico a utilizar es un sistema geotérmico cerrado con sondas geotérmicas verticales. Se realiza el cálculo de las sondas geotérmicas para por último realizar el cálculo del sistema de captación geotérmica. Y se estudia también el ahorro de emisiones de CO2. 3.- Fase de ejecución y puesta en marcha de la instalación y fase de vida útil y postventa.- Estas fases se encuentran en proceso de financiación.
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CAPÍTULO III: ESTADO DEL ARTE
CAPÍTULO III
ESTADO DEL ARTE
CAPÍTULO III. ESTADO DEL ARTE
3.1
Geotermia somera
El aumento de los precios de los combustibles fósiles, junto con las implicaciones medioambientales del consumo de éstos, hace que todos los gobiernos fomenten la utilización de energías alternativas y limpias, para conseguir un desarrollo sostenible desde un punto de vista económico, social y ambiental y además reducir las emisiones de CO2 según los compromisos adquiridos en el protocolo de Kioto. A su vez, es también la sociedad quien demanda más la utilización de las energías renovables y la eficiencia energética. Siendo la energía geotérmica somera (baja y muy baja temperatura) una gran alternativa. Capta y aprovecha el calor almacenado en las capas superficiales del subsuelo, a pocos metros de profundidad, o en acuíferos poco profundos; en cualquier punto de la superficie del planeta, de manera directa o a través de bombas de calor, utilizando el aprovechamiento de esta energía en edificación; para climatización (calefacción y refrigeración) y agua caliente sanitaria, y obteniendo unos considerables ahorros energéticos. 89
CAPÍTULO III
ESTADO DEL ARTE
En España hasta hace algunos años ha sido una gran desconocida. El uso de la energía geotérmica somera no se encuentra muy extendido si lo comparamos a nivel europeo y mundial, aunque sí existe un gran potencial de utilización de este tipo de energía; el desarrollo tecnológico para este tipo de energía se encuentra en una fase inicial, nos encontramos casi con 20 años de retraso frente a otros países como Islandia, que fue la primera en utilizar la energía geotérmica para generar calefacción; Suiza, Alemania, Suecia, Austria, Estados Unidos o Canadá. Su uso está más arraigado en América y en Europa Central. La energía geotérmica en España fue muy estudiada en los años setenta y ochenta, como aprovechamiento térmico en calefacción. Pero se paralizó su desarrollo no solamente por motivos económicos, sino por la menor demanda térmica y que los costes de la energía en nuestro país en esa época eran bajos. Es por esto que se debe prestar mayor atención a otros factores como la capacidad de reducir los costes de implantación o incrementar el ahorro proporcionado; y para ello se tiene que prestar especial atención al desarrollo tecnológico, como por ejemplo, el desarrollo normativo y legislativo, realizar un registro de instalaciones geotérmicas de baja temperatura, incluir el aprovechamiento geotérmico en documentos como el RITE y el CTE, ya que no se encuentra incluido directamente, sino indirectamente, mediante programas anexos, fomentar el crecimiento de empresas instaladoras cualificadas, empresas de sondeos y cimentaciones, promover nuevas tecnologías y aplicaciones, promocionar y difundir este tipo de energía. En Europa en los años 80 se comenzaron a desarrollar aprovechamientos geotérmicos de muy baja temperatura mediante bomba de calor; es en España donde
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se espera que se alcance un mayor auge para los próximos años. Se está comenzando a desarrollar. Actualmente, incluso con la crisis existente en el sector de la construcción, se está experimentando un aumento de instalaciones geotérmicas de muy baja temperatura, en el sector doméstico e institucional en nuestro país. Las capacidades instaladas actualmente en geotérmica somera, en España y en Europa son (Llopis & Rodrigo, 2008) (23): “En la UE la potencia instalada de energía geotérmica de muy baja temperatura al término de 2008, ascendía a 8.920 MW con un total de 782.460 instalaciones. Sumada la producción geotérmica de uso directo, la potencia instalada total era de 11.450 MW.” En el gráfico nº 5 (EurObserv´Er, 2009) (27) se compara la tendencia actual con los objetivos del libro blanco de sistemas de bombas de calor y fuentes geotérmicas.
Gráfico nº 5: Comparación de la tendencia actual con los objetivos del Libro Blanco para la producción de calor geotérmico en MWt.
Podemos ver en el gráfico anterior que se han duplicado las previsiones que se tenían en el libro blanco de la energía renovable para 2010. Y se piensa que aún aumentarán, llegando a triplicarse los objetivos.
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No disponemos de objetivos específicos para alcanzar, ni estadísticas sobre la potencia instalada en geotermia somera. Los mapas que van recogiendo el avance de la energía geotérmica y la implantación de la misma en Europa, presentan falta de datos en la Península Ibérica; son bastante precarios. Pero un paso muy importante es que ya empieza a reconocerse en los nuevos planes de energías renovables PER 2011-2020; se implementa como alternativa en el CALENER, programa informático para la Certificación Energética de los Edificios y se considera como renovable a efectos del Código Técnico de la Edificación (CTE, 2006) (1). Han aparecido asociaciones y plataformas con secciones de geotermia profunda y somera, esto nos hace ver el creciente desarrollo de la energía geotérmica en nuestro país. Todas coinciden que para fomentar el uso de la geotermia somera se necesita:
Investigar sobre Nuevas Tecnologías; hay que buscar nuevas alternativas, el coste inicial de la inversión es muy elevado frente a los precios de la energía actuales, así que consiste en reducir esa inversión inicial, utilizando los recursos directamente del terreno o incluso incorporando los elementos de intercambio geotérmico a la cimentación de los edificios. Para ello hay que desarrollar diferentes sistemas de diseño para el dimensionamiento idóneo de los mismos. Realizar una capacitación técnica de las empresas y profesionales de la perforación.
Buscar nuevas Aplicaciones para la utilización de este tipo de energía; como por ejemplo puentes, túneles, aeropuertos, en cimentaciones profundas como pilotes y muros pantalla.
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Mejorar y estudiar Metodologías de reconocimiento y caracterización del terreno, perforación, instalación, explotación y mantenimiento que permitan ejecuciones de calidad; la metodología de investigación geológico-geotécnica se debe realizar para proyectar y ejecutar instalaciones de ahorro y aprovechamiento energético mediante el uso de energía geotérmica, teniendo en cuenta los aspectos geológicos, geotécnicos, hidrogeológicos, condiciones térmicas y respuesta térmica del suelo.
Conseguir una Sostenibilidad Energética; es decir la capacidad para cubrir las demandas térmicas previstas a lo largo de la vida del edificio. Más allá de la vida útil de los intercambiadores, normalmente equivalente a la del edificio, se trata de asegurar un equilibrio entre los componentes naturales del sistema, las extracciones y las inyecciones. Para conseguir esto se necesita un diseño del sistema; de conocimiento de las cargas y demandas térmicas del edificio y de las características geológicas, hidrogeológicas y termogeológicas del terreno. Se intenta equilibrar las extracciones e inyecciones de energía térmica, que se puedan realizar en el terreno, con la capacidad de regeneración natural del mismo. Se trata de un sistema complejo que puede presentar grandes variaciones y es necesario estudiar de forma particular. Las repercusiones sobre el medio ambiente de este tipo de energía se entienden según dos puntos: Sostenibilidad ambiental.- Que afecte lo mínimo posible al medio.
Mantenimiento de las condiciones de los recursos del subsuelo.
Disminución de emisiones de CO2.
Nulo impacto visual.
Nulo impacto sonoro.
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Sostenibilidad energética.- Que mantenga las condiciones térmicas del recurso geotérmico.
Mantenimiento de las condiciones térmicas del recurso geotérmico.
Recurso renovable.
Recurso autosuficiente: 100 % de la necesidad.
Funcionamiento 24 horas al día, 365 días al año.
Establecer un Marco Normativo que regule las instalaciones geotérmicas; no existe un marco normativo definido y concreto para este tipo de instalaciones.
Utilizando la energía geotérmica somera para climatización y agua caliente sanitaria se consigue disminuir las emisiones de CO2 y otros gases contaminantes, en comparación con las energías convencionales, alcanzando los compromisos adquiridos por España con la firma del Protocolo de Kioto. Según una serie de estudios obtenidos del Documento del Grupo de Trabajo Conama 10, se deduce que, tomando como referencia una potencia media instalada en España de 80 Mw, se consigue evitar la emisión de 37,4 ktCO2. Para la obtención de esta cifra se ha partido de las estimaciones y valores reflejados en las tablas siguientes. Se entiende que la potencia instalada se dedica en un 50% al sector residencial terciario y en un 50% al sector doméstico. Tabla nº 15 (Conama, 2010) (28).
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Tabla nº 15: Potencia media instalada en España y reducción de emisiones de CO2.
3.1.1
ANTECEDENTES HISTÓRICOS. Desde hace muchísimos años, en las regiones volcánicas, los seres humanos
han aprovechado la existencia de fumarolas y de fuentes termales para calentarse, cocer alimentos o simplemente bañarse. Los restos arqueológicos más antiguos relacionados con la energía geotérmica han sido encontrados en Niisato, Japón, y son objetos tallados en piedra volcánica que datan de la Tercera Glaciación, hace entre 15.000 y 20.000 años. Los Paleo-Indios de América del Norte, (hace 10.000 años) ya usaban las aguas termales para cocinar alimentos y sus minerales con propósitos medicinales. Las primeras civilizaciones (3.500 años a.C) usaban los baños termales, y barros termominerales. Primero los Griegos y luego los romanos, los que dejaron muchas muestras de la aplicación de la energía geotérmica en la calefacción y en las tradicionales termas y baños públicos. Los romanos difundieron su uso a Japón, América y Europa. En Francia (aprox. 1.330) existía una distribución de agua caliente en algunas casa en Chaudes-Aigues.
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En esa misma época en Italia, En la región de Volterra, en Toscana, pequeñas lagunas con agua caliente salobre de las que se escapaba vapor a más de 100 ºC, eran explotadas para extraer ácido sulfúrico concentrado y alumbre. En 1.740 se realizaron las primeras mediciones de la temperatura del suelo, en Francia (Bullard, 1965) mediante termómetros Fue en el s XIX, cuando con los avances técnicos y un mejor conocimiento del subsuelo, empezaron a ver cómo explotar cada vez mejor el calor de la tierra, hasta el momento su utilización había sido de forma natural. En 1.818 en Larderello, Toscana, marcó el inicio de la utilización industrial de los recursos geotérmicos, cuando los fluidos geotermales comenzaron a ser explotados por su contenido energético. Se instaló una industria química, para extraer el ácido bórico mediante evaporación de las aguas calientes boratadas.
Al principio se
utilizaba como combustible la madera pero en 1.827, el francés Francois Larderel, desarrolló un sistema para utilizar el calor de los fluidos en el proceso de evaporación, en lugar de quemar madera de los bosques cercanos. En Francia en 1.833, en París, se inició el primer sondeo profundo, un pozo artesiano de 548 m. de profundidad que tardó ocho años en construirse y captó agua potable a 30ºC. En 1.870, se utilizaron modernos métodos científicos para estudiar el régimen termal de la Tierra, pero no fue hasta el s. XX, y el descubrimiento del calor radiogénico, cuando se comprendió el fenómeno como un balance térmico. En Estados Unidos la primera red local de calefacción urbana entró en funcionamiento en 1.892 en Boise, Idaho. En 1.904 en Larderello, dio paso a la generación de electricidad a partir de vapor geotérmico, entrando en funcionamiento una central de 250 kW, en 1.913.
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Entre 1.910 y 1.940, el vapor de baja presión fue utilizado para calefacción de invernaderos y de edificios industriales y residenciales. A finales de la Segunda Guerra Mundial, las tropas alemanas, destruyeron por completo la central, los pozos y las tuberías. En 1.911 se construye en el conocido como Valle del Diablo (así denominado por el aspecto de paisaje humeante), la primera planta de producción de energía eléctrica mediante geotermia del mundo. En 1.919 se perforaron los primeros pozos en Beppu, Japón, y en 1.924 se instaló una planta experimental de 1 kW para producir energía eléctrica. En 1.921, en EEUU, en California, The Geysers, se perforaron dos pozos y se instaló una pequeña máquina de vapor que, conectada a una dinamo, producía electricidad para un pequeño establecimiento termal. En 1.930, se instaló en Islandia, Reikjavik, la primera red moderna de calefacción urbana alimentada por energía geotérmica. Se encuentran también redes de este tipo en funcionamiento en Francia, Italia, Hungría, Rumanía, Rusia, Turquía, Georgia, China, EEUU, y en la propia Islandia, donde el 95 % de sus habitantes tienen calefacción por medio de una red de 700 km de tuberías aisladas que transportan agua caliente. La primera instalación con bomba de calor geotérmica en una vivienda entró en funcionamiento en 1.945 en Indianápolis, EEUU. En 1948 entró en funcionamiento otra instalación la Universidad del Estado de Ohio y en 1.949 se instaló otra en una casa experimental en la Universidad de Toronto. Canadá. En 1.958 se construyen otras plantas geotérmicas para uso eléctrico fuera de la zona de Larderello, como la de Nueva Zelanda.
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A partir de los setenta, existe una intensa actividad de exploración e investigación de recursos geotérmicos al objeto de utilizarlos para producción de energía eléctrica o para calefacción y agua caliente. A partir de esa fecha, sobre todo en los años noventa y como consecuencia de la subida de precios del crudo, las exigencias ambientales, la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera, es cuando el empleo de bombas de calor geotérmico se empieza a desarrollar a nivel internacional. En menos de 15 años se ha llegado a la situación actual, con más de un millón de instalaciones, no sólo en América del Norte, EEUU y Canadá, sino en países europeos, Suecia, Suiza, Alemania y Austria. Entre los años 1.970 y 1.985, las crisis energéticas son las que provocan la inclusión por primera vez en España de la investigación geotérmica dentro de los planes nacionales de energía, dando como primer fruto en 1.974 el inventario General de Manifestaciones Geotérmicas en el Territorio Nacional, elaborado por el Instituto Geológico y Minero de España, IGME En el año 2.000, la capacidad geotermo-eléctrica instalada a nivel mundial era de 8.000 MWe, pasando a 9.000 MWe en el año 2.005. Por lo que respecta a los usos térmicos de la energía geotérmica, en el año 2.000 la capacidad instalada en 59 países era de unos 15.000 MWt. En 2.005, la capacidad instalada en 72 países ascendió a alrededor de 28.000 MWt, de los cuales unos 15.000 MWt, correspondían a bombas de calor. En lo que respecta a España, no se conocen hasta la fecha objetivos a alcanzar, ni estadísticas sobre la potencia instalada de geotermia somera. A principios del siglo XXI la crisis del modelo energético es evidente. Los análisis desde todas las perspectivas del panorama energético: de Europa en general y
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de España en particular, convergen en la necesidad de fomentar el desarrollo y uso de las energías renovables, así como del ahorro y la eficiencia energética. Como consecuencia, se reactiva el sector geotérmico en España y en el resto del mundo.
Antecedentes históricos en Canarias.- La población aborigen canaria aprovechaba la energía geotérmica al instalarse en cuevas, aprovechando las oquedades naturales existentes o excavándolas en la roca. Estas cuevas eran cálidas en invierno y frescas en verano, aportaban un confort que se ha seguido utilizando, habiendo constancia de seguir excavándose para ser habitadas hasta mediados del siglo XX. Éstas se han ido adaptando para incorporar el confort de la vivienda moderna, las habitaciones en el interior de la roca y la zona de servicios hacia el exterior de la misma. Hay bastantes poblaciones canarias en que este tipo de construcción predomina aún hoy. Pero no es la única experiencia Canaria en el aprovechamiento de la geotermia. En 1.956 Francisco Pons Cano, imagen nº 11 y nº 12 (memoria digital de Gran Canaria, 1956; Salpreso.com, 2009 respectivamente)
(29; 30)
realizó diversos
experimentos en la montaña de Tenecheyde (Islote de Hilario de la Montaña del Fuego), colocando primero una caldera de 1.500 litros de agua salada a una profundidad de 40 cms para ser transformada en agua destilada y obteniendo 3.000 litros de agua dulce en 24 horas. Días después empleó una máquina de vapor de un caballo de fuerza que movía una dinamo de 1.000 vatios con las que encendió, a las 20:30 de la noche, siete bombillas de 110 voltios cada una durante 40 minutos. Para la fecha, sólo Arrecife, la capital insular de Lanzarote, contaba con suministro eléctrico y limitado de las ocho y media de la mañana a las siete de la noche.
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Imagen nº 11: Fotografía de los experimentos que Francisco Pons Cano realizó en el Islote del Hilario para explotar energéticamente.
En esta imagen se puede ver parcialmente la hilera de bombillas que encendió temporalmente con sus pruebas.
Imagen nº 12: Plano de los experimentos realizados por Pons Cano en la zona del Islote del Hilario.
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Desde 1.970 se halla un nuevo uso de la geotermia en Canarias, consecuencia de la huella artística de César Manrique en la isla de Lanzarote. El Centro Turístico de Montaña de Fuego ofrece la atracción turística de un “Geiser” provocado por dejar caer agua en un orificio, del que en pocos segundos emana, a toda velocidad y sonoramente, una nube de vapor. En su restaurante ofrece, además, carnes asadas al calor del volcán. Usos parecidos, a modo anecdótico, se pueden ver en La Palma en relación al Teneguía, última erupción terrestre (1.971) de Canarias. La última evidencia visible de energía geotérmica en Canarias es la reciente erupción volcánica submarina frente a la isla de El Hierro. Ya en el s. XXI en conjunto con la Península Ibérica comienzan a realizarse instalaciones de geotermia con fines de climatización.
3.1.2
RECURSOS GEOTÉRMICOS. Según la Directiva 2009/28/CE, (2009)(31) son la parte de la energía
geotérmica que puede ser aprovechada de forma técnica y económicamente viable; incluye no sólo los que son actualmente conocidos y cuyo aprovechamiento es viable, sino los que lo serán en un futuro cercano. Se considera recurso geotérmico a toda la energía térmica almacenada entre la corteza terrestre que podría ser explotada en los próximos 40-50 años. Es una concentración de calor que existe en la corteza terrestre en forma y cantidad tales que su extracción económica es actual o potencialmente posible. Reservas geotérmicas son la fracción de los recursos geotérmicos que pueden ser explotados económicamente en los próximos 10-20 años. Con respecto a los tipos de recursos geotérmicos de forma general, se adopta una clasificación basada en el nivel de temperatura:
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Recursos de muy baja temperatura: menos de 30º C.
Recursos de baja temperatura: entre 30 y 90º C.
Recursos de media temperatura: entre 90 y 150º C.
Recursos de alta temperatura: más de 150º C.
Geotermia Somera
Cuando en un área concreta se dan las condiciones geológicas y geotérmicas favorables para que se puedan explotar de forma económica los recursos geotérmicos del subsuelo, se dice que allí existe un yacimiento geotérmico. Una de las clasificaciones más comunes de los yacimientos geotérmicos es la del nivel de temperatura (Directiva 2009/28/CE, 2009)(31):
Yacimientos de muy baja temperatura.- Es la energía almacenada en el terreno o en las aguas subterráneas a temperaturas inferiores a 30ºC, es decir prácticamente la totalidad de la corteza terrestre del planeta. En cualquier punto se puede captar y aprovechar el calor almacenado en las capas superficiales del subsuelo; para climatización de casas individuales y edificios por intermedio de bombas de calor geotérmicas. Hasta aproximadamente 1015 m. de profundidad las temperaturas del subsuelo son variables en función de las variaciones estacionales. Como muestra el gráfico nº 15 (Geoener, 2008)
(32)
a partir de esos 15 m. se
considera que el terreno está a una temperatura constante durante todo el año, la temperatura depende de las condiciones geológicas y geotérmicas.
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Gráfico nº 6: Temperatura de la superficie de la tierra.
Yacimientos de baja temperatura.- Temperaturas entre 30 y 90 º C. Se localizan habitualmente en zonas con un gradiente geotérmico normal a profundidades entre 1.500 y 23.500 metros, o a profundidades inferiores a los 1.000 metros en zonas con un gradiente geotérmico más elevado. Suelen requerir una demanda de energía calorífica en las proximidades. Una de las mayores fuentes de calor terrestre es la desintegración de los isótopos radiactivos presentes en las rocas, ese calor varía en función de la composición química y la edad de las rocas, por esa razón los gradientes geotérmicos son más elevados en cuencas sedimentarias jóvenes. Se utilizan para usos térmicos en sistemas de calefacción/climatización y ACS urbanos, y en diferentes procesos industriales.
Yacimientos de media temperatura.- Temperaturas entre 90 y 150º C. Se encuentran en cuencas sedimentarias, pero a profundidades entre 2.000 y 4.000 m.; en zonas de adelgazamiento litosférico; en zonas con elevada concentración de isótopos radiactivos; o en los mismos ámbitos geológicos
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que los yacimientos de alta temperatura, pero a menos 1.000 m. Se diferencia de los yacimientos de alta temperatura en que no existe capa impermeable sobre el acuífero que mantenga el calor y la presión en el yacimiento, como en los de alta temperatura. Se utilizan en centrales de generación eléctrica.
Yacimientos de alta temperatura.- Su temperatura es superior a los 150º C. Son zonas que suelen coincidir con fenómenos geológicos notables (actividad sísmica elevada, formación de cordilleras en épocas geológicas recientes, actividad volcánica reciente y regiones volcánicas situadas en los bordes de las placas litosféricas). Se sitúan a profundidades muy variables, son frecuentes a profundidades entre los 1.500 y 3.000 m. Se producen como consecuencia de los movimientos de convección de masas de rocas fundidas, magmas, procedentes del manto y por los movimientos de las distintas placas litosféricas que forman la litosfera terrestre.
Pueden estar constituidos por vapor seco o por una mezcla de agua y vapor; vapor húmedo.
Se aprovechan fundamentalmente para la producción de electricidad.
Se localizan principalmente en zonas con gradientes geotérmicos elevados.
Dos excepciones a este modelo lo constituyen los yacimientos de roca caliente seca, englobados entre los sistemas geotérmicos estimulados, y los llamados yacimientos geopresurizados. Yacimientos de roca seca caliente HDR.- Se crea en el macizo de roca profundo una zona de intercambio térmico mediante la estimulación de sus fracturas. Para la producción de energía eléctrica a través de la geotermia se
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necesitan una serie de factores: que el yacimiento no esté a demasiada profundidad; que exista calor, rocas permeables y agua suficiente. Estos yacimientos se crean mediante la acción del hombre ya que la permeabilidad en las rocas y el agua pueden ser mejoradas a través de Sistemas Geotérmicos Estimulados. La permeabilidad se mejora inyectando volúmenes de agua a elevada presión por un pozo para producir su fracturación, se denomina a este proceso hidrofracturación, provoca que se produzca un intercambio energético mediante la circulación de un fluido inyectado desde la superficie y que retorna con un elevado aumento de temperatura. Yacimientos geopresurizados.- El agua contenida en el acuífero está sometida a grandes presiones, entre un 40 y 90% superiores a la presión hidrostática que correspondería a la profundidad a la que se encuentra
3.1.3
APLICACIONES Y USOS DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA. Los usos principales de la energía geotérmica se pueden dividir en dos grandes
bloques en función de la temperatura y de su posterior aplicación. Estos bloques son:
Energía geotérmica para generar electricidad.
Energía geotérmica para usos térmicos en el sector industrial y en el sector residencial y de servicios. Actualmente las instalaciones geotérmicas someras tienen tres campos
principales de aplicación: la calefacción, la refrigeración y la producción de agua caliente sanitaria.
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Aunque su uso puede ser extensivo a otros campos como se ve reflejado en la siguiente tabla: RECURSO Muy Baja Temperatura
Baja Temperatura
TEMPERATURA Subsuelo (con o sin agua) 5º C