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1 Energía geotérmica, la energía renovable del futuro SUSANA JIMÉNEZ / JULIO HERRÁEZ Dpto. Técnico Comercial de MECANIZACIÓN Y MINERÍA, S.A. CÓMO SE APLICA A LA CLIMATIZACIÓN INTEGRAL DE EDIFICIOS? En los periodos invernales se obtiene calor de la corteza terrestre para ser transportado a las viviendas para calefacción y obtención de agua caliente. En los periodos estivales se invierte el ciclo realizando aporte de calor que se extrae de casa y se introduce en la corteza terrestre. Estos intercambios se realizan con un único aporte suplementario de energía a la bomba de calor de aproximadamente 2kW/h para una vivienda de 100 m 2. En la actualidad se puede encontrar en la energía geotérmica una alternativa viable, ecológica y rentable de intercambio de calor con el subsuelo sin generar contaminación ambiental. 30 El intercambio geotérmico es un sistema sencillo que trabaja de forma similar al sistema de un refrigerador; la única diferencia que se puede encontrar es dónde va a captar el calor y dónde lo va a disipar. La diferencia de otras fuentes de energía renovable que dependen directa o indirectamente de la influencia del sol, es que la energía geotérmica proviene del interior del planeta. El término geotermia se refiere a la energía térmica producida en el interior de la Tierra. Como fuente de energía es esencialmente inagotable. Los yacimientos geotérmicos, si se gestionan de una manera correcta, pueden mantener su producción de energía indefinidamente. Se trata de ajustar la extracción de calor a la cantidad que se genera. Un ejemplo son los baños termales que se han usado durante miles de años. La energía geotérmica es un recurso doméstico, de bajo costo, fiabilidad y ventajas ambientales que superan a las formas de producción de energía convencionales. La energía geotérmica contribuye a la generación de energía produciendo electricidad con usos directamente de calor, reduciendo la demanda de energía, con ahorros en electricidad y gas natural a través del uso de bombas geotérmicas y además climatizando edificios. Sólo una pequeña fracción de nuestros recursos geotérmicos son explotados hoy en día. La piedra seca y caliente, el magma y la energía geotérmica presurizada en la tierra tienen un inmenso potencial de desarrollo en nuestro país. QUÉ RENDIMIENTOS OFRECE EL SISTEMA? Depende del sistema utilizado. El rendimiento del mismo, comparado con los sistemas tradicionales, puede llegar a ser del 400%. Esto es posible ya que no se genera calor, sino que en su mayor parte se transfiere. LA BOMBA DE INTERCAMBIO DE CALOR La bomba de calor es la encargada de aprovechar la energía obtenida gratuitamente del terreno mediante su ciclo frigorífico y es capaz de elevar la temperatura del agua de calefacción hasta la temperatura deseada al igual que la temperatura del agua caliente sanitaria.

2 Aunque en un principio pueda parecer un desembolso importante, se debe tener en cuenta que esta instalación no sólo va a estar destinada a introducir calor dentro de la vivienda, ya que también se puede sacar el calor de la vivienda simplemente haciendo invertir el sentido de bombeo. De esta forma no se tendrá la necesidad de disponer de un equipo de aire acondicionado. Esta inversión se puede recuperar en un período de dos a cinco años. Así pues, la relación rendimiento / consumo energético de este sistema tiene la ventaja de ser el más económico y desde luego respetuoso con el medioambiente existente en la actualidad. La bomba geotérmica es reversible, por lo que el calor de la vivienda en verano es extraído y transferido al subsuelo a través de los mismos colectores. Este proceso permite que se obtenga energía limpia y renovable en una proporción de hasta 1:4, es decir, que por cada KWh que la bomba necesita para operar obtiene 3 kwh de energía gratis de la tierra. En otras palabras, si una casa necesita kwh para calentar la casa y el agua sanitaria al año, (equivalente a unos 3 m 3 de gasoil), con la geotermia ahorra kwh en costos e impacto ambiental. LA INSTALACIÓN Para calcular el precio de una instalación geotérmica se deberán tener en cuenta varios aspectos, como son entre otros, la zona climática y los m 2 de la vivienda. Para una vivienda de unos 200 m 2 situada en una zona continental (temperatura de cálculo de 5 ºC) el presupuesto de la instalación puede costar alrededor de euros o euros, mientras que para una casa de las mismas dimensiones en una zona costera puede estar alrededor de euros. 1. Compresor 2. Condensador 3. Válvula de expansión 4. Intercambiador geotérmico 5. Evaporador 6. Acumulador ACS 7. Radiadores o aeroconvectores 8. Suelo radiante 9. Válvula 3-vías 10. Módulo de refrescamiento Qué otras aplicaciones comerciales e industriales puede tener la geotermia? Esta fuente de energía también se puede utilizar para hospitales, laboratorios, hoteles, grandes superficies, granjas, piscinas, secaderos, cavas y para cualquier aplicación industrial que necesite un aporte de temperatura constante por debajo de los cincuenta grados. Para calcular el precio de una instalación geotérmica se deberán tener en cuenta varios aspectos de los que dependerá su importe final, como son entre otros, la zona climática y los m 2 de la vivienda 31

3 32 Cuánto puede ahorrar una familia en la factura de la luz y del gas si utiliza una instalación de estas características? Aproximadamente, una vivienda situada en el norte de España que disponga de un sistema de geotermia solar gastaría unos 700 euros/año para los servicios de climatización, sin un sistema de energía geotérmica serían unos euros/año. La geotermia solar puede suponer un ahorro energético de más del 50% con respecto a un climatizador convencional. Energía Sistema tradicional Ahorro Electricidad Radiadores convectores 75% Bomba de calor tradicional 50% Gas natural Caldera de alta eficiencia 60% Propano Caldera de alta eficiencia 75% Gasoil Caldera 70% Qué otras ventajas ofrece la geotermia solar? La geotermia ofrece diversas ventajas, pudiéndolas resumir en: - Ventajas medioambientales- ya que utiliza una energía totalmente limpia y sin aporte calorífico a la atmósfera, puesto que no interviene ninguna combustión. - Ventajas económicas- es un sistema de gran ahorro tanto económico como energético, puesto que es el sistema de climatización que menos energía consume. - Ventajas sanitarias- porque no se necesitan las torres de refrigeración, eliminando la posibilidad de contaminación epidemiológica (legionela). - Ventajas estéticas- puesto que no se requieren instalaciones externas al edificio. A su vez, desaparecería la contaminación acústica. Por qué utilizar energía geotérmica? Claramente se puede afirmar que la energía geotérmica es una opción de futuro. La utilización de manera responsable de los recursos inagotables que ofrece nuestro entorno es la manera más rentable de reducir nuestros costes en el consumo de energía proveniente de combustibles fósiles que verán aumentados sus costes debido a la necesidad de frenar la generación de CO2 y evitar el cambio climático. Por otra parte se prevé que las administraciones contribuyan mediante ayudas a la generación de nuevas instalaciones que contribuyan a tal fin. SISTEMAS DE CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA Se colocarán en el terreno captadores de energía o colectores por dónde circulará un fluido (generalmente agua glicolada). Este fluido, al ponerse en contacto con el subsuelo, captará o cederá energía por consecuencia de un salto térmico entre el terreno y el fluido, siendo también posible extraer las aguas subterráneas y aprovechar su temperatura. Los distintos sistemas que se pueden emplear para la captación de la energía geotérmica son los siguientes: - Captación vertical - Captación horizontal - Aguas subterráneas - Lagos y ríos Claramente se puede afirmar que la energía geotérmica es una opción de futuro. Captación vertical Es la más recomendable. Para realizar este tipo de captación se debe hacer una sonda geotérmica vertical a una profundidad de 100 metros aproximadamente en la que se introducirán los captadores de energía. Esta opción es más cara pero hay que valorar que entre los 10 y los 20 primeros metros de profundidad la temperatura va a ser constante durante todo el año y por cada 100 metros de profundidad irá aumentando 3 ºC, asegurando siempre un suministro de calorías y un consumo más bajo y regular del aparato. Dependiendo de las necesidades de la vivienda, es posible disponer de varias sondas verticales. Las sondas cerradas disponen de un líquido refrigerante en su interior, siendo siempre el mismo líquido en movimiento dentro de un circuito. Su longitud varía entre los 50 m aproximadamente hasta los 200 m. Tienen la ventaja de que ocupan poco espacio y proporcionan una gran estabilidad de las temperaturas. Captación horizontal Es el más corriente y también el más fácil de instalar. La captación horizontal consiste en la ejecución de una serie de zanjas en las cuales se colocan los colectores de energía. Se instala normalmente en viviendas unifamiliares o residenciales. La captación del calor se suele hacer por regla general a una profundidad de entre 0,6 y 1,5 metros aproximadamente y 1,5 veces la superficie de la vivienda a calefactar. Este tipo de captador se compone de uno o varios circuitos compuestos de una

4 tubería de polipropileno reticulado y enterrado en el jardín a la profundidad indicada. Esta tubería tiene en su interior un líquido refrigerante apto y compatible con la naturaleza. Su profundidad está comprendida entre los 0,6 m a 1,5 m aproximadamente. Se trata de un sistema más económico que las perforaciones pero sin embargo tiene el inconveniente de requerir bastante superficie de terreno, sobre el cual no se podrán plantar árboles de profundas raíces que puedan romper en un futuro los colectores ni construir plataformas o soleras sobre la zona con colectores. Captación de lagos o ríos Es el más económico pero a su vez el menos empleado ya que en nuestro país no es muy frecuente estar cerca de grandes lagos o ríos. Como su nombre indica, este sistema realiza el cambio energético introduciendo unos colectores dentro del agua donde realizará el cambio energético con el agua en vez de con el terreno. Captación de sistemas abiertos Es totalmente distinto a los tres anteriores, que se pueden considerar como sistemas cerrados. Con la captación de sistemas abiertos se está extrayendo agua subterránea por una perforación, llevándola a la bomba de calor y devolviéndola al subsuelo por otra perforación diferente, una vez que se haya hecho el cambio energético. Este sistema requiere garantizar un caudal mínimo durante toda la vida de la instalación. Además se tendrá que tener en cuenta el consumo energético de la bomba de elevación que se tendrá que imputar al sistema de climatización con el consiguiente descenso en la eficiencia global del sistema. Por último, en este caso ya se está haciendo uso de un recurso hídrico, por lo que es necesario tener autorización de la confederación hidrográfica correspondiente. CÓMO SE REALIZAN LAS PERFORACIONES DE CAPTACIÓN? Ya se ha comentado anteriormente, que las perforaciones de captación, van desde los 50 m hasta los 200 m aproximadamente, haciéndose necesario en la mayoría de los casos la entubación de los primeros metros. Se emplean diferentes sistemas de perforación, siendo el de doble cabezal de rotación el que ofrece mayor versatilidad y prestaciones. En los inicios del sistema, se utilizaban equipos de perforación provenientes del sector de la cimentación, y más concretamente de la perforación de anclajes y micropilotes, aunque la particularidad 33

5 enorme capacidad de remonte, así como una alta eficiencia. Además, la unidad está provista de un sistema hidráulico de tipo Load Sensing. Las bombas de caudal variable están pilotadas y permiten un ajuste del caudal de aceite dependiendo de los requerimientos de la función de perforación. Todos los movimientos de la perforadora son accionados por un control suave. La temperatura óptima de trabajo está garantizada y regulada por un termostato que asegura el correcto funcionamiento incluso bajo condiciones severas.la velocidad de desplazamiento proporciona un movimiento de la máquina versátil. Estas ventajas son complementadas por un gran espectro de prestaciones de la HBR205GT: 34 del método de perforación y la necesidad de aumentar los rendimientos pronto empezó a exigir la aparición de equipos específicos. Para ello, Mecanización y Minería propone los equipos de perforación Hütte, especialmente diseñados para este tipo de trabajo y que garantizan los máximos rendimientos en perforaciones para geotermia. Con los equipos de doble cabezal Hütte, entubar hasta la profundidad deseada no supone un problema, ya que puede utilizarse la cabeza posterior para la tubería exterior y la cabeza delantera para trabajar con el martillo en fondo aplicando siempre el par de rotación y revoluciones requeridas en cada momento. La gama Hütte actual para geotermia consta de tres equipos específicos: El HBR 205GT, el HBR605 GT y el HBR 504 GT. hidráulica montada sobre cadenas. Es conforme a la normativa CE y equipa un motor diesel de última generación. Se caracteriza por un diseño robusto y compacto con controles sencillos y - Aplicaciones para geotermia - Perforación de recubrimientos - Perforación con martillo en fondo - Perforación con hélice - Perforación para inyección - Perforación para exploración - Perforación de pozos de Agua - Micropilotaje La perforadora Hütte HBR 205 GT está compuesta de: Máquina Base Chasis base con depósito de aceite hidráulico (650l), depósito de combustible (400l) y alojamiento del motor diesel y orugas. Cuatro estabilizadores Equipo perforador Hütte HBR 205 GT La Hütte HBR 205 GT es una máquina autopropulsada totalmente

6 Longitud total: aprox mm Longitud de avance con doble cabeza: aprox mm Fuerza de avance: 100 kn (10 toneladas) Fuerza de retracción: 200 kn (20 toneladas) Velocidad de avance: 25 m/min 50 m/min Radio de avance rápido: 6 m/min 12 m/min Guías de deslizamiento con bajo mantenimiento con soporte de cadena central para las cabezas de rotación tipo HG24/HG12 con movimiento lateral hacia la izquierda; incluyendo cilindro de desplazamiento de 400 mm de carrera HG24 hacia HG12. Dispositivo para doble cabeza tipo Hütte HG24/HG12 hidráulicos (2 en la parte trasera y 2 en la parte delantera) integrados en la anchura del carruaje.motor Diesel tipo TCD Potencia de salida P = 147 kw (197 hp) a 2300 rev/min, certificado EPA/CARB/2-EC 97/98 tercera generación. Capotaje insonorizado y de fácil acceso para las labores de mantenimiento. Sistema eléctrico: 24 Volt, 120 Ah. Excelente cinemática, con dos cilindros en la parte delantera para elevación y descenso del mástil. Inclinación frontal máxima 5º. Tren de orugas montado en el chasis base con teja metálica Ancho de orugas: Longitud total: Altura sobre el suelo: Velocidad de desplazamiento: Ancho de cadena: mm mm 430 mm 1,81 km/h 500 mm Sistema hidráulico LS (Load-Sensing) 2 x Q = 218 l/min para desplazamiento, rotación y todas las funciones de cilindros. 2 bombas de engranajes Q = 39 l/min cada una. 1 bomba de engranajes Q = 170 l/min para refrigeración y control de pilotaje. Presión del sistema p = 250 bar. Predisposición para doble cabeza HG24/HG12. Preinstalación hidráulica para bomba de agua. Sistema de refrigeración aceite/aire, de accionamiento hidráulico. Control remoto vía radio Para toda la cinemática, ajustes y funciones de perforación: - rotación I, rotación II, avance, mordaza I, mordaza II, mordaza III, apertura, cinemática, estante de tuberías y bomba de agua. Sistema de inclinación del mástil: 5 hacia adelante y 15 de ajuste lateral (sin estante de tuberías). Mástil de perforación Hütte DM300 con cilindro de avance 6435/ Cabeza de rotación HG24 Revoluciones: n max. = 67 U/min (67 rpm) A Q = 200 l/min Par: M max Nm A p = 210 bar Presión de trabajo: p = 210 bar Caudal: Q = l/min 3 etapas Incluye cabezal de barrido trasero Cabeza de rotación HG12 Revoluciones: n max. = 100 U/min (100 rpm) at Q = 200 l/min Par: M max Nm at p = 210 bar Presión de trabajo: p = 210 bar Caudal: Q = l/min 2 etapas Sistema de doble mordaza Hütte CB 2-1 Con porta insertos e insertos autocentrables Ø 68 mm hasta Ø 254 mm, montado en consola Mordaza de cierre adicional C 2-1 Incluye un juego de insertos Cabrestante de servicio A2 Longitud de cable: 30 m Fuerza de tiro: F = 20 kn Soporte poleas Con brazo extensible 1000 mm y giro 40 en la dirección de desplazamiento, incluyendo guia del cable 35

7 Estante para tubería (rack) Situado en la dirección de desplazamiento a la derecha (standard, complete) con cilindro de inclinación Capacidad: 10 x Ø 152,4 mm, 28 x Ø 88,9 mm Sistema de manipulación de tubería magnético y control remoto separado Para funciones: - Cabrestante adicional arriba / abajo - Brazo extensible de las poleas (1000 mm) - Giro de las poleas (40 ) - Luz destellante (amarilla con señal acústica, para desplazamiento de la perforadora) - Caja de herramientas - Pintura: RAL 5010, Hütte blue Equipo perforador Hütte HBR 605 GT Máquina adecuada para las siguientes aplicaciones: - Perforación para geotermia - Ejecución de micropilotes - Peso operativo de la perforadora: aprox. 15 t (dependiendo del equipo montado). - Ancho total del carro base de Velocidad de desplazamiento: 0-2,4 km/h - Oscilación de orugas adelante / atrás: + 15 /-15 - Presión sobre el suelo: 6,7 N/cm 2. Motor diesel Deutz TCD 2012 L06 2V. Tarado a 147 kw a 2300 rev/min., completo con intercambiador de calor para el aceite hidráulico. Sistema hidráulico de caudal variable con bombas de pistones axiales 2 x 218 l/min, 250 bar presión máxima de trabajo. Panel de control montado sobre un brazo para disponer de una correcta visibilidad del operador completo con todas las palancas y controles. Para satisfacer las exigencias del marcado CE los controles de posicionamiento del mástil están localizados en un panel separado ergonómicamente posicionado cercal del panel de control principal. Los controles de orugas están situados en la parte trasera. 36 Mástil de perforación DM 300 Movimiento de la cabeza de rotación mediante cilindros hidráulicos. Fuerza de extracción máxima de 200 kn - max fuerza de avance 100 kn. Velocidad máxima de extracción de 25 m/min. Soporte único para el sistema de doble cabeza de rotación con desplazamiento lateral. Cabeza de rotación modelo HG24 accionada por tres motores hidráulicos. Completo con válvulas para regular las 2 velocidades. Par máximo de 26,4 KNm a 58 rev/min Kit de control eléctrico HG19/24 El equipo perforador Hütte HBR 504 GT es una máquina adecuada para trabajos de geotermia y ejecución de micropilotes con un peso operativo de aproximadamente 11 t. Engrasador para usar martillo en fondo completamente montado - Paradas de emergencia (UVV) - Extintor - Dos botones de parada mm con orugas oscilantes accionadas por motores hidráulicos acoplados a reductores planetarios. - Ancho de teja: 500 mm - Longitud de orugas: mm Cabeza de rotación modelo HG12 accionada por DOS motores hidráulicos. Completo con válvulas para regular las 2 velocidades. Par máximo de 12,4 KNm a 102 rev/min Kit de control eléctrico HG12. Brida de adaptación a tubo y cabezal de barrido 2" con muelles internos. Dispositivo Preventer con kit Equipo perforador Hütte HBR 504 GT Máquina adecuada para las siguientes aplicaciones: - Perforación para geotermia - Ejecución de micropilotes - Peso operativo de la perforadora: aprox. 11 t (dependiendo del equipo montado).

8 - Ancho total del carro base de mm con orugas oscilantes accionadas por motores hidráulicos acoplados a reductores planetarios. - Ancho de teja: 400 mm - Longitud de orugas: 2718 mm - Velocidad de desplazamiento: 0-2,5 km/h - Oscilación de orugas adelante / atrás: + 20 /-14 - Presión sobre el suelo: 7,7 N/cm 2. Motor diesel Deutz TCD 2012 L06 2V. Tarado a 147 kw a 2300 rev/min, completo con intercambiador de calor para el aceite hidráulico. Sistema hidráulico de caudal variable con bombas de pistones axiales 333 l/min, 250 bar presión máxima de trabajo. En los sistemas de perforación para trabajos de geotermia (GTD), en la mayoría de los casos los equipos están equipados con sistemas de doble cabeza utilizando sistemas de recubrimientos Opciones 1 Estabilizador trasero 1 Engrasador DTH 24 litros 1 Bomba de agua Gamma 200 con kit de aplicación. ACCESORIOS DE PERFORACIÓN En los sistemas de perforación para trabajos de geotermia (GTD), en la mayoría de los casos los equipos están equipados con sistemas de doble cabeza utilizando sistemas de recubrimientos. Sistema de radio control para todas la funciones de la perforadora Mástil de perforación DH 200. Movimiento de la cabeza de rotación mediante cilindros hidráulicos. Fuerza de extracción máxima de 100 kn - max fuerza de avance 50 kn. Velocidad máxima de extracción de 17 m/min. Cabeza de rotación modelo HG19 accionada por tres motores hidráulicos. Completo con válvulas para regular las 2 velocidades. Par máximo de 19 KNm a 102 rev/min. Kit de control eléctrico HG19/24 Cabeza de rotación modelo HG12 accionada por Dos motores hidráulicos. Completo con válvulas para regular las 2 velocidades. Par máximo de 12,7 KNm a 102 rev/min Kit de control eléctrico HG12. Brida de adaptación a tubo y cabezal de barrido 2" con muelles internos. Dispositivo Preventer con kit Mordaza tipo CB2-1 completa con soporte para el mástil diámetros mm. Fuerza de cierre 196 kn Fuerza de giro 21 knm Reducción d. 152 para dispositivo de centrado CB2 Cabrestante tipo A2 con cable Soporte de poleas telescópico con carreras de 1000 mm. Kit de válvulas + válvulas de retención. Manómetro D100 sin separador. Bomba de lavado Dynaset 30 l/min a 200 bar con kit de aplicación

9 Estas combinaciones de perforación permiten realizar agujeros totalmente rectos, a grandes profundidades, dependiendo de las condiciones del terreno y el diámetro de perforación. El siguiente diagrama ilustra una sarta típica de perforación con la que se pueden obtener excelentes resultados. 38 POS. DESCRIPCIÓN 1 Cabezal de descarga para tubería D mm; Cabeza 1 2 Sistema "Preventer" para el control del barrido 3 Conector tubería Roscado 4 Tubería D mm. 5 Tubería de revestimiento para el martillo en fondo 6 Corona D1 6ª Zapata para ser usada con tallantes excéntricos d2 7 Conector roscado en la Cabeza 2 8 Tubo pasante para conectar al sarta interior 9 Tubería de perforación interior d 88,9 mm 127 mm. 10 Martillo en fondo 4",5" ó 6" 11 Tallante DTH 12 Tallante excéntrico (ODS) 13 "Preventer" para la sarta interior Las combinaciones de sarta de perforación más usadas son: D Diámetro tubería externa mm ID Diámetro interno de tubería mm d Diámetro externo del tubo interno mm D1 Diámetro de la zapata mm d1 Diámetro de la boca mm d2 del tallante excéntrico mm ,4 159(161) , ,9 95(101,6) ,6 114, DTH tamaño 4 4(5) 4(5) 5 5 5(6)

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