Termoterra: energía geotérmica de baja entalpía en grandes proyectos

Transcripción

1 Termoterra: energía geotérmica de baja entalpía en grandes proyectos Actualmente, en España existe un gran interés por el uso de la energía geotérmica con aplicaciones a la climatización.aunque es una tecnología fuertemente desarrollada en otros países europeos y Norteamérica en nuestro país aun se encuentra en fase de desarrollo, siendo una energía renovable minoritaria. En el presente artículo se describen las diferentes etapas necesarias llevadas a cabo por TERMOTERRA para el diseño y ejecución de grandes proyectos de aprovechamiento geotérmico Daniel Muñoz Sanz (Director Termoterra); Gonzalo Roberto Mayoral Fernández (Jefe de Grupo de Obras); María Aranzazu Cuesta García (Jefe de Proyecto). Energía geotérmica de baja entalpía: situación actual El rápido crecimiento económico de las últimas décadas ha propiciado una mejora de las condiciones económicas de la población, que demanda, cada vez más, confort tanto en sus puestos de trabajo como en sus viviendas. Ello ha ocasionado un incremento de las necesidades energéticas para climatización de edificios urbanos e industriales. Además, se añade la problemática derivada del alza de los precios de los combustibles fósiles y a la necesidad de la reducción de emisiones de dióxido de carbono, en virtud de los tratados internacionales destinados a combatir el cambio climático. Por ello, en los últimos años se ha realizado un gran esfuerzo en los países desarrollados para disminuir la dependencia energética exterior, que se ha traducido en un gran avance de las energías alternativas tanto en implantación de las mismas como en investigación. Por otro lado, se potencia también que el consumo de energía sea lo más eficiente posible para así conseguir disminuir la demanda. El fin de dicho esfuerzo es disponer de unas fuentes de energía alternativa y sistemas de consumo más eficientes, capaces de reducir la dependencia energética exterior así como las emisiones de gases contaminantes y de efecto invernadero. Entre las energías renovables minoritarias se encuentra la Energía Geotérmica, definida como la energía almacenada en forma de calor en el interior de la Tierra. La energía geotérmica se puede aprovechar de diversas maneras en función de las características del subsuelo.así se puede aprovechar el calor directamente para obtener agua caliente, para generar energía eléctrica, uso directo de aguas hidrotermales, etc. Como hemos dicho, dicha energía está en forma de calor, por lo cual podemos, en función de la temperatura del subsuelo (profundidad) clasificarla en cuatro categorías; muy baja temperatura, baja temperatura, media temperatura y alta temperatura. Cada categoría abre un amplio abanico de diversos usos.

2 Dentro de la categoría de baja temperatura (<30ºC) o de baja entalpía se abre la posibilidad del uso del subsuelo como elemento intercambiador de calor para climatización tanto doméstica como pública. Para ello, se requiere el uso de bombas de calor y tiene la ventaja de que se puede utilizar en prácticamente cualquier lugar, siempre que posea una conductividad térmica apropiada. El intercambiador geotérmico, sistema que extrae o disipa calor en el subsuelo, puede tener diversas configuraciones, aunque el más difundido por su mayor rendimiento y eficiencia es el consistente en una serie de perforaciones verticales. Este sistema permite cubrir las demandas de calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria, según las necesidades térmicas del edificio en cada momento del año con una mayor eficiencia energética que otros sistemas convencionales. Esta tecnología comenzó a utilizarse hace 40 años, estando completamente desarrollada en la actualidad. En Norteamérica y Europa está muy difundida y países como Alemania, Suecia, Holanda, Suiza o Austria han incrementado notablemente el número de instalaciones de este tipo en los últimos años mejorando su eficiencia energética gracias a las ventajas que presenta frente a las tecnologías convencionales y otras energías renovables. De hecho, en Europa hay más de instalaciones en funcionamiento. En España, es una tecnología recién llegada pero de la que se prevé un crecimiento exponencial en los próximos años. Concretamente, en los dos últimos años en nuestro país se ha generado un gran interés por esta tecnología tanto por el sector privado como por el público, produciéndose un importante desarrollo de la misma. TERMOTERRA, líder en el mercado español, ha llevado a cabo ya importantes obras geotérmicas de la que es especialista tanto en el diseño como en la ejecución de instalaciones geotérmicas llave en mano. El diseño y la ejecución son dos factores determinantes para el correcto funcionamiento de una instalación geotérmica de gran tamaño. una primera aproximación, estamos hablando de una instalación que solo es viable desde el punto de vista técnico mediante un intercambiador, compuesto por sondeos verticales que para dicha potencia puede sumar más de m de perforación (20 sondeos de 100 m, por ejemplo). Generalmente, estas instalaciones corresponden a edificios colectivos, tales como hospitales, edificios de oficinas, polideportivos, centros comerciales, centros educativos, edificios oficiales, etc.; así como instalaciones industriales y urbanizaciones completas (bien bloques de pisos o bien de viviendas unifamiliares). El primer paso para un correcto diseño del sistema debe ser la realización de un estudio de viabilidad. Para tal estudio resulta imprescindible disponer de datos energéticos del edificio, es decir, el perfil de cargas y demandas. Con dicha información y las características geológicas de la ubicación, TERMOTERRA determina el porcentaje de demanda térmica a cubrir por el sistema, el diseño del sistema geotérmico y su integración en el sistema de climatización del edificio así como el tiempo de amortización real resultante. También se obtiene información muy relevante como el ahorro energético derivado, la reducción de emisiones contaminantes, los trámites legales necesarios o las subvenciones disponibles. Diseño de la instalación geotérmica de gran tamaño Solemos definir una instalación geotérmica de gran tamaño como aquella destinada a suministrar más de 100 kw de potencia. En Equipo ERT realizando mediciones en obra

3 Sonda de perforación El siguiente paso consiste en la realización de un sondeo geotérmico piloto y su correspondiente ensayo de respuesta térmico ERT (también conocido como TRT - Thermal Response Test). Durante el ensayo se produce la circulación de un fluido portador de calor a través de la sonda durante horas y se monitoriza la temperatura de entrada y salida al sondeo. El ERT es un procedimiento experimental que permite determinar in situ la conductividad térmica (λ) del subsuelo. Una condición importante es que durante todo el período del experimento la potencia de inyección de calor sea constante y conocida. Mencionar que el sondeo piloto se realiza en el futuro campo de sondeos y se realiza con el mismo tipo de sonda, diámetro y relleno que los sondeos constructivos, con lo cual se asegura un comportamiento igual al que tendrán los futuros sondeos. Con los resultados obtenidos en el ensayo y el perfil de cargas y demandas de climatización, TERMOTERRA realiza una simulación y modelización del sistema para dimensionar el proyecto. De esta forma, se optimiza al máximo el proyecto en función de las propiedades del terreno, evitando así tanto posibles sobredimensionamientos y extracostes innecesarios como posibles pérdidas de rendimiento por un comportamiento del terreno peor al supuesto inicialmente. Por tanto, es de suma importancia la realización del ERT y su correcta interpretación. Una vez completadas todas las fases anteriores se concreta el diseño final de la instalación y, finalmente, la ejecución geotérmica completa. Ejecución de la instalación geotérmica de gran tamaño TERMOTERRA es especialista en perforación geotérmica y es capaz de integrar todos los mecanismos del sistema geotérmico. Utiliza materiales de alta calidad siguiendo las normas europeas existentes para una correcta ejecución. TERMOTERRA es consciente de que sólo de esta manera se garantizarán sistemas económica y técnicamente satisfactorios sin futuros efectos negativos sobre el medio ambiente y un perfecto funcionamiento a lo largo del tiempo. Una vez decidido el tamaño del intercambiador geotérmico (número de sondeos, profundidad y espaciamiento), se debe diseñar el campo de sondeos, teniendo en cuenta los posibles obstáculos presentes en

4 dicho campo así como las interferencias con otros trabajos en caso de que se deba realizar el capítulo de geotermia coincidiendo con otras fases de la obra (tales como cimentaciones, etc.). Para la ejecución de la perforación geotérmica vertical TERMOTERRA dispone de equipos de perforación diseñados específicamente para geotermia, permitiendo alcanzar profundidades de hasta 200 m en cualquier tipo de terreno. Para ello se utilizan las máquinas más modernas, con capacidad para perforación a rotopercusión o simple rotación tanto en forma hidráulica como neumática, con o sin circulación de lodos. El cambio de un modo a otro se puede realizar sobre la marcha de forma que la aparición de agua o un terreno difícil que implique dicho cambio, no supone una paralización del sondeo. Su doble cabezal permite perforar simultáneamente con encamisado lo cual supone una reducción de los tiempos de perforación y un mayor rendimiento. De esta forma se puede afrontar cualquier tipo de terreno sin las limitaciones que otras perforadoras, tales como las neumáticas, pueden llegar a tener y que en muchos casos obligarían a una menor profundidad de perforación o a un coste extra para el cliente. En cuanto a las sondas instaladas, TERMOTERRA utiliza sondas construidas específicamente para geotermia, según las normativas de los países europeos en las que se fabrican. Su instalación se realiza siguiendo también la normativa europea y las indicaciones del fabricante. De esta forma se garantiza un correcto intercambio energético y una larga vida útil de los sondeos. En cuanto al relleno de los mismos, se suele realizar con una mezcla de cemento-bentonita de alta conductividad térmica especial para geotermia que también viene preparada, con lo que se evita el riesgo de una incorrecta mezcla por fallos en la dosificación de los componentes cuando se realiza in situ en obra. Disposición de trabajo del equipo de perforación Este factor es de suma importancia en grandes proyectos como hospitales, centros comerciales, urbanizaciones, etc. donde una planificación de obra poco adecuada puede influir negativamente tanto en los plazos como en los costes de ejecución. Una vez realizadas las perforaciones se procede a la conexión de los mismos con los colectores que han de unir el campo de sondeos con la sala técnica. Para dicha conexión se realizan una serie de zanjas que unen los sondeos individuales con las arquetas de conexión. Dichas arquetas vienen ya prefabricadas en polietileno y a medida del proyecto en cuestión, cumpliendo la misma normativa europea que las sondas. De dichas arquetas salen los colectores principales que unen ya el campo de sondeos con la sala técnica. La distribución de sondeos por arqueta de conexión obedece también al diseño de la sala técnica, en función del número de bombas de calor y las diferentes potencias que puedan tener. Un factor que no es tenido en cuenta y que supone muchas veces un sobrecoste para el promotor, más elevado cuanto más importante es el proyecto,son una serie de medios auxiliares, tales como el suministro de agua y la gestión de lodos. En los proyectos de TERMOTERRA son tenidos en cuenta en el diseño, los costes y la planificación de la obra, dando recomendaciones al promotor para un abaratamiento de los costes que suponen o pudiendo también incluirse en los trabajos a efectuar por TERMOTERRA. Arquetas y distribuidores

5 Colectores horizontales entre el campo de sondeos y distribuidores bomba de calor independiente para ella conectada a una parte del campo geotérmico y de una potencia acorde a las necesidades de dicho ala. De esta forma se podría realizar simultaneidad en la climatización. Del diseño de la sala técnica también depende la posibilidad de disponer de: 1) Calefacción activa, o uso de la bomba de calor para calefacción. 2) Refrigeración activa, o uso de la bomba de calor para refrigeración. Con esta operación, el intercambiador geotérmico queda completado. Recalcar que en todo el proceso se ha realizado un exhaustivo control de calidad, de forma que a cada sonda se le hacen hasta 3 pruebas de presión con el fin de controlar que la instalación ha sido correcta y no existe ningún fallo. Finalmente se realiza el montaje en la sala técnica. La sala técnica no es más que el lugar en el que se disponen las bombas de calor geotérmicas y se conectan al intercambiador geotérmico. El diseño de la instalación contenida en dicha sala es muy importante, ya que de él depende que se pueda obtener el máximo rendimiento del campo de sondeos. El número y potencia de las bombas de calor a instalar depende no únicamente de la potencia total a suministrar, si no también de la geometría del edificio a climatizar y del modo de funcionamiento de dicha climatización. Así, por ejemplo, si el edificio tiene dos alas diferenciadas con distintas necesidades de climatización, es lógico que cada una tenga una 3) Refrigeración pasiva, o uso directo del fluido proveniente del intercambiador para refrigeración sin necesidad de uso de la bomba de calor (free cooling). 4) Carga como fuente, o uso del sistema para intercambios térmicos entre diferentes partes del edificio. Además de las cuatro formas de trabajo indicadas, se puede realizar un estudio más amplio que permita combinar la energía geotérmica con otros sistemas tales como la energía solar térmica y compatibilidad con diseños ecoeficientes, o bien el aprovechamiento de sinergias con edificaciones adyacentes que permita cubrir las necesidades de climatización de terceros obteniendo como beneficio un mejor rendimiento del sistema y un alargamiento de la vida útil técnica del mismo. Una vez finalizado el montaje de todo el sistema y conectado al sistema de climatización, se procede a las pruebas finales y la puesta en marcha a cargo de técnicos especializados de TERMOTERRA. 3 equipos de perforación trabajando simultáneamente

6 En todas las actividades del proyecto descritas, e integradas con ellas, se efectúa una escrupulosa observación de las normas de seguridad y salud en el trabajo así como de la gestión de residuos y respeto al medioambiente y de directrices para asegurar la calidad total. Conclusiones Como resumen, los pasos que sigue TERMOTERRA para el diseño e instalación de un sistema de aprovechamiento geotérmico llave en mano constan de las siguientes fases: Fase 1. Diseño. n Pre-diseño del sistema geotérmico en función de las necesidades de climatización y de las características del subsuelo. Opcionalmente estudio de sinergias con terceros. n Ejecución de sondeo piloto y ERT. n Simulación y diseño definitivo del sistema geotérmico: sondeos, conexiones horizontales y sala técnica. Fase 2. Ejecución del intercambiador geotérmico. n Decisión del tipo y nº de equipos de perforación. n Planificación de la perforación. n Planificación conexiones horizontales (colectores y distribuidores). n Establecimiento de necesidades de suministro de materiales y consumos y organización de suministros. n Adecuación del espacio de trabajo. n Ejecución de sondeos. Fase 3. Montaje de la sala técnica. n Planificación de la sala técnica (bomba de calor, válvulas de regulación y de seguridad, tanques de inercia, etc.). n Montaje de la sala técnica. Fase 4. Puesta en marcha. n Comprobaciones y chequeos finales. n Puesta en marcha. n Elaboración de manual de procesos. En resumen, TERMOTERRA es consciente de que para garantizar un sistema de aprovechamiento geotérmico eficaz a sus clientes, siguiendo criterios de ahorro y eficiencia energética, es necesario llevar a cabo todas las fases del proyecto geotérmico, desde el prediseño, pasando por el estudio de viabilidad y el ensayo de respuesta térmico, hasta el diseño final de la instalación y su construcción. Con ello se evitan divergencias entre diseño teórico/realidad técnica, o entre el sistema de intercambio geotérmico y la sala técnica que podrían dar lugar a pérdida de eficiencia y merma del rendimiento. También se evitan incrementos notables de costes y plazos de ejecución. n