La energía Geotérmica

Transcripción

1 La energía Geotérmia General El aprovehamiento de la energía Geotérmia empleando aptadores enterrados unidos a bombas de alor, es una prátia extendida en los países entroeuropeos, donde el interés por utilizar energías renovables, ha heho que este tipo de sistemas haya experimentado grandes avanes. Una bomba de alor permite bombear alor desde un punto a baja temperatura a otro a alta temperatura onsumiendo una pequeña antidad de energía elétria. El onsumo elétrio depende de la efiienia de la bomba de alor, de la fuente de la que se extrae la energía y de la temperatura a la que se entrega. La fuente de energía puede ser aire, agua (de un pozo, lago, río, ) o tierra. El fluido a alentar puede ser agua o aire. Los sistemas más efiientes son los que aprovehan la energía del agua o de la tierra (sistemas geotérmios) y alientan agua. Climatizaión de un auditorio mediante una limatizadora aire-aire Tipos de aptaión geotérmia Los sistemas más utilizados y seguros, son los sistemas on aptadores que extraen la energía almaenada en la tierra (denominados sistemas tierra agua).

2 Dentro de las instalaiones que aprovehan la energía de la tierra existen dos variantes en funión del tipo de aptaión empleado: aptaión horizontal y aptaión vertial. En el sistema on aptaión horizontal se entierran las sondas a 1,5-2 metros de profundidad para extraer la energía del terreno. Suelen oupar una superfiie bastante grande, en la que no se pueden plantar árboles pues podrían dañar las tuberías on sus raíes. Captaión horizontal de 1500 m de tubería, 900 m 2 de superfiie y 2,5 m de profundidad En la aptaión vertial se realizan perforaiones en el terreno de unos 150 mm de diámetro en las que se introduen las sondas de aptaión. Posteriormente se sellan los pozos on una mezla de bentonita, arena, emento y agua de abajo haia arriba. El sistema de aptaión vertial es más efiiente que el horizontal, ya que a partir de los metros de profundidad la temperatura del terreno no se ve afetada por las ondiiones atmosférias. La temperatura de la tierra aumenta on la profundidad. Existe un gradiente geotérmio de aproximadamente 3 ºC por ada 100 metros de profundidad. En algunos asos existe la posibilidad de aprovehar las aguas subterráneas (aprovehamiento de la apa freátia) para la aptaión de la energía diretamente mediante una bomba de alor. Para ello el agua debe ser limpia y su nivel más o menos onstante en la temporada de demanda térmia. Estos sistemas neesitan un pozo para extraer el agua y otro, aguas abajo, para el retorno del agua empleada.

3 Perforaión geotérmia vertial a 140 m de profundidad on 2 sondas de doble U y tubo de inyeión de la mezla geotérmia Apliaiones Las instalaiones geotérmias permiten alentar agua a baja temperatura (temperatura máxima de 65ºC), por lo que son ideales para la produión de ACS; alefaión por suelo radiante, fan-oils y radiadores de baja temperatura; limatizaión de pisinas ubiertas y ualquier tipo de apliaión en la que se neesite agua aliente a baja temperatura. Climatizaión de pisina on bomba de alor geotérmia Instlaión geotérmia en fase de ejeuión Además, las instalaiones geotérmias se pueden emplear para refrigeraión en sistemas de limatizaión (suelo radiante, fan-oils, et.). El rendimiento del sistema geotérmio para la produión de alor es inversamente proporional a la temperatura de impulsión de la bomba de alor.

4 Calefaión y refrigeraión de un hotel on energía geotérmia mediante suelo radiante y fan-oils Ventajas Los sistemas geotérmios presentan exelentes ventajas sobre los sistemas tradiionales de alefaión y refrigeraión, pues los onsumos son muy inferiores y el impato ambiental mínimo. Instalaión geotérmia y de biomasa en la vivienda biolimátia del parque experimental de Sotavento Las prinipales ventajas de este tipo de sistemas son - Redue entre un 40% y un 70% los gastos de operaión de la instalaión - La energía proedente de la tierra no produe ontaminaión y se renueva de forma natural - Son apaes de proporionar alefaión y refrigeraión en un solo sistema y sin neesidad de sistemas auxiliares (himeneas y depósitos de ombustible). - Su rendimiento y su vida útil es muy superior al de los sistemas tradiionales.

5 - Son sistemas altamente flexibles, pues permiten ubrir nuevas neesidades energétias, simplemente aumentando el número de pozos. Instalaiones geotérmias para ACS y alefaión en viviendas unifamiliares Cómo funiona una instalaión Geotérmia El funionamiento de una instalaión Geotérmia es senillo y se basa en el ilo de refrigeraión. En un ilo frigorífio, el refrigerante (fluido de trabajo on bajo punto de ebulliión) sufre una serie de ambios de estado al pasar por los omponentes de una máquina frigorífia (ompresor, ondensador, válvula de expansión y evaporador) de forma ília. En estos sistemas, empleando una pequeña antidad de energía de alto nivel (generalmente energía elétria), se puede bombear energía no útil a baja temperatura a un nivel de temperatura superior, de tal modo que puede ser empleada para ubrir las neesidades de alentamiento de una instalaión. Este sistema se puede emplear de forma inversa para retirar el exeso de alor de sus instalaiones en las époas más alurosas y enviarlo al subsuelo. Por tanto, en ontraposiión a los sistemas onvenionales de alefaión, los sistemas geotérmios trasladan alor de un lugar a otro empleando el ilo frigorífio.

6 Calefaión geotérmia en vivienda unifamiliar on almaenamiento de alor en depósitos de ineria (2 X l) para funionamiento en período de disriminaión horaria reduida (anteriormente tarifa noturna). Los siguientes diagramas representan el funionamiento de este tipo de sistemas, tanto para alentamiento omo para enfriamiento. Funionamiento del sistema geotérmio para generar alor. - El fluido (mezla de antiongelante) ontenido en las sondas de aptaión enterradas, absorbe el alor del terreno aumentando su temperatura, hasta llegar a unos 15 ºC. - Este fluido se pone en ontato, a través de un interambiador de alor on el fluido refrigerante que irula por el evaporador de la bomba de alor. El fluido de las sondas de aptaión está más aliente que el fluido frigorífio de la bomba de alor (4-10 ºC), por lo que el fluido frigorífio se alienta y evapora al pasar por el evaporador. - El fluido frigorífio pasa al ompresor de la bomba de alor al dejar el evaporador. El ompresor, aionado generalmente on energía elétria, se enarga de aumentar la presión del fluido frigorífio. Este aumento de presión lleva onsigo un aumento en la temperatura del vapor de refrigerante hasta ºC. - El alor ontenido en el fluido frigorífio se aproveha para alefaión, A.C.S., limatizaión de pisinas, et. retirando la energía a través del ondensador. Esta pérdida de energía del fluido frigorífio, hae que baje su temperatura, ondensándose el fluido refrigerante.

7 - El último paso que debe seguir el fluido frigorífio para errar el ilo, es volver a la presión iniial. Este proeso tiene lugar en la válvula de expansión, en la que fluido pierde presión y, en onseuenia temperatura, antes de volver a entrar en el evaporador para extraer el alor del subsuelo. Bomba Válvula expansión Evaporador Condensador Energía para onsumo Compresor Sondas de aptaión Funionamiento del sistema geotérmio para generar frío. - El fluido que irula por las sondas de aptaión, entra aliente en el suelo, enfriándose al entrar en ontato on el terreno que está más frío. - El fluido frío de las sondas de aptaión se utiliza a ontinuaión para enfriar el fluido frigorífio que irula por el ondensador de la bomba de alor. El fluido frigorífio se enuentra en fase vapor a alta presión y alta temperatura a la entrada del ondensador, ede alor al fluido que irula por las sondas de aptaión, de tal forma que se enfría y ondensa. - El fluido frigorífio pasa a ontinuaión por la válvula de expansión donde se baja la presión. Esta pérdida de presión lleva onsigo una bajada de temperatura del fluido refrigerante. - El fluido refrigerante frío pasa por el evaporador, donde enfría los iruitos de teho, suelo radiante o fan oils, eliminando así el alor sobrante de las

8 instalaiones que se desean refrigerar. En este proeso, el fluido refrigerante se alienta (4-10 ºC) y se evapora. - El fluido refrigerante entra entones en el ompresor, donde se aumenta su presión. Este aumento de presión del vapor de refrigerante lleva onsigo un aumento de temperatura (50 60 ºC). - El alor retirado en el evaporador a baja temperatura, se elimina en el ondensador, al entrar en ontato on el fluido que irula por las sondas de aptaión, errándose así el ilo. Compresor Condensador Evaporador Energía sobrante Válvula expansión Sondas de aptaión El funionamiento de la bomba de alor en verano y en invierno es muy similar, interambiándose la funión ondensador evaporador según la époa del año. En la bomba de alor el fluido refrigerante sufre unos ambios de fase, lo que permite absorber y entregar alor mediante proesos de evaporaión y ondensaión. Los ambios en la presión del fluido refrigerante se llevan a abo en el ompresor y en la válvula de expansión, lo que provoa además ambios en la temperatura del refrigerante y permite el trasiego de energía de baja temperatura a alta temperatura.

9 Efiienia energétia de un sistema geotérmio Generalmente, el rendimiento energétio de un sistema se alula dividiendo la energía que se obtiene entre la energía que se gasta para obtenerla. Para una bomba de alor, el rendimiento se mide de dos formas, según se emplee en modo de alentamiento o de enfriamiento. Geotérmia en vivienda unifamiliar - Bomba de alor para alentamiento En el aso de un sistema geotérmio para alentamiento, la energía que onsume el sistema es la energía neesaria para aionar el ompresor (W ) y la energía que se extrae del ambiente (Q e ), mientras que la energía obtenida es el alor edido por la bomba de alor a través del ondensador (Q ). La energía que ede la bomba de alor es la suma de la energía extraída del ambiente y la eletriidad onsumida por el ompresor. Q = Q + W e Ya que la energía extraída del terreno es gratuita, al ontrario que en las alderas onvenionales, en este tipo de sistemas se suele omparar la energía obtenida entre la

10 energía elétria onsumida. A este oiente se le denomina C.O.P. (Coeffiient Of Performane). Q C. O. P. = W Así, un C.O.P. de 4 signifia que, por ada kwh de energía elétria onsumida, la bomba de alor es apaz de suministrar 4 kwh; así, uanto mayor es el C.O.P. de una máquina, más ahorro energétio se obtiene. - Bomba de alor para refrigeraión En este aso los oneptos a emplear son un poo distintos, ya que la energía útil es la que se retira del loal o fluido que se pretende enfriar. El ompresor onsume energía elétria para su aionamiento y, a través del ondensador, se ede al terreno la energía retirada y la energía onsumida por el ompresor. En este aso la efiienia se mide empleando el E.E.R. (Effiieny Energy Rate), que onsidera la energía útil retirada por el evaporador (Q e ) y la energía onsumida es la del ompresor (W ). Q E. E. R. = W e De nuevo, uanto mayor sea el E.E.R., mayor será el ahorro que se onsigue on este tipo de sistemas. Si la bomba de alor trabajase entre las mismas temperaturas de ondensaión y evaporaión y, teniendo en uenta que el alor que se retira por el ondensador es igual a la suma de la energía elétria onsumida por el ompresor y la energía retirada por el evaporador, se umplirá:

11 Q Qe + W C. O. P. = = = 1+ E. E. R. W W En la realidad las temperaturas de ondensaión y evaporaión son distintas para alentamiento y enfriamiento, por lo que el C.O.P. y el E.E.R. para los dos proesos son muy similares. Condutividad térmia del terreno El tipo de terreno que rodea las sondas de aptaión y, en partiular, la ondutividad térmia del suelo, es un fator lave en el dimensionado de un sistema geotérmio. La ondutividad térmia de un terreno depende fundamentalmente de su densidad, humedad y textura del suelo. En determinadas instalaiones es reomendable realizar un TRT (Test de Respuesta Térmia) del terreno para onoer su ondutividad y dimensionar orretamente el sistema. Más informaión sobre Geotérmia El fluido refrigerante debería reorrer el ilo lo más próximo posible al ilo ideal de Carnot. Diagrama log P h En el diagrama log P h (logaritmo de presión entalpía espeífia) se puede apreiar el funionamiento del ilo. En el eje de ordenadas se representa la presión, mientras que en el eje de absisas se puede medir la energía transportada mediante las diferenias de entalpías espeífias (energía por kilogramo de fluido).

12 log P Punto rítio x=0 x= T=t P 3 2 Pe 4 1 h La urva de líquido saturado (x = 0), separa la fase líquida de la zona de vapor húmedo, mientras que la urva de vapor saturado (x = 1) separa la zona de vapor húmedo de la fase vapor. Cualquier ilo debe funionar por debajo del punto rítio del fluido (punto donde se enuentran las urvas de líquido saturado y de vapor saturado) La urva representa el ilo ideal de funionamiento, en el que el vapor se omporta omo un gas ideal y todos los omponentes trabajan sin pérdidas. En la realidad, el punto de salida del evaporador no oinide on el punto 1, ya que se orrería el riesgo de que entrase algún líquido en el ompresor, para evitar esto se aproveha el evaporador para sobrealentar el vapor antes de la entrada del ompresor. El proeso de ompresión (1 2) no es isoentrópio, ya que el vapor de refrigerante no es un gas ideal y se produen pérdidas por friión en el movimiento del ompresor. En onseuenia está urva será más plana, por lo que la temperatura a la salida del ompresor será superior para la misma presión de ondensaión. Esto provoa

13 que se neesite más energía de ompresión para alanzar la misma presión y temperatura de ondensaión. Para asegurar que en la válvula de expansión llegue todo el refrigerante en fase líquida, el punto 3 no estará sobre la urva de saturaión, sino que se aprovehará el ondensador para subenfriar el fluido de trabajo. Además de estas diferenias sobre el ilo ideal de funionamiento, se deben onsiderar las pérdidas de presión del fluido al irular por las tuberías y distintos omponentes de la máquina, por lo que la urva real de funionamiento diferirá de la representada en el gráfio. El futuro de la energía geotérmia En los últimos años está aumentando el número de instalaiones geotérmias, debido a sus exelentes prestaiones y a los benefiios medioambientales que ofree. Esto ha heho que se intensifique el estudio y desarrollo de las bombas de alor, alanzando atualmente un gran inremento en su rendimiento. Los sistemas son ada vez más seguros y baratos, por lo que este tipo de instalaiones se han onvertido en importantes ompetidoras de los sistemas onvenionales.