DISEÑO E INTEGRACIÓN CONSTRUCTIVA DE GEOTERMIA DE BAJA ENTALPÍA EN PROYECTOS DE CONSTRUCCIÓN RESIDENCIAL RESUMEN La energía geotérmica es renovable y puede movilizarse desde la tierra bombeando fluidos calo-portantes en su interior. Este intercambio de calor se denomina geotérmico de baja entalpía. Esta investigación evalúa técnica, económica y legalmente la implementación de sistemas geotérmicos de baja entalpía para calefacción de tres tipos de viviendas típicas chilenas y ubicadas en dos zonas climáticas representativas: Santiago y Puerto Montt. Se diseñan dos tipos de sistemas geotérmicos (abiertos y cerrados) y sus subsistemas: intercambiadores de calor geotérmico; bomba de calor; y sistema de distribución de calefacción. Se mapean también los procedimientos legales necesarios para solicitar el aprovechamiento del recurso geotérmico. Los sistemas estudiados son factibles, pero costosos (US$ 45,000), aunque pueden reducirse hasta en un 40% al usar estructuras ociosas. Los sistemas abiertos tienen costos iniciales generalmente menores que los sistemas verticales cerrados, pero no siempre existe el recurso de agua subterránea o los derechos de uso disponibles. La ley que regula concesiones de exploración y explotación geotérmica en Chile es reciente (2010). Sin embargo, fue pensada para proyectos geotérmicos de generación eléctrica, no distingue los tipos de geotermia, e impone altas exigencias a proyectos de baja entalpía, con plazos de concesión breves, y por tanto requiere modificaciones. PALABRAS CLAVE: geotermia, energías renovables, sustentabilidad, habitabilidad, legislación ambiental. INTRODUCCIÓN El desarrollo de las energías renovables no convencionales en Chile ha tenido un lento crecimiento, en especial la geotermia de baja entalpía que basa su funcionamiento en el aprovechamiento de la energía almacenada en forma de calor bajo la superficie sólida de la Tierra y en los flujos de calor provenientes de su núcleo (VDI 4640, 2010). Los sistemas geotérmicos acoplados a una bomba de calor son altamente eficientes al utilizarlos para calefaccionar viviendas, y podrían ser una buena alternativa para la realidad energética del Chile actual. Se aprecia un sacrificio del confort térmico en las viviendas chilenas, debido principalmente a la deficiente aislación térmica de éstas, y al alto costo económico de imponer condiciones de confort térmico (Chapple, 2008). En Chile la distribución del consumo energético residencial, indica que más del 57% del consumo residencial total anual de la zona centro (Zona Térmica 3, 4, y 5), se destina a calefacción. En las zonas australes (Zona Térmica 6 y 7) la fracción de la energía destinada a calefacción de las viviendas se empina en promedio por sobre el 80% del consumo total anual (CDT, 2010). Por tanto, un gran desafío energético del Chile de hoy es resolver el problema de la calefacción residencial, de una forma económica y ambientalmente responsable, privilegiando fuentes limpias de energía, sin sacrificar el confort térmico. La energía geotérmica constituye una fuente renovable de energía para calefacción residencial y es utilizada en países desarrollados como Alemania, Suecia o Estados Unidos. Sin embargo, en Chile esta tecnología presenta algunas barreras de entrada principalmente económicas que la hace menos competitiva frente a los sistemas de calefacción convencionales. Los sistemas geotérmicos de baja entalpía usan como medio de captación sistemas de intercambio de calor con el suelo, destacando en este trabajo los intercambiadores verticales cerrados (pozos geotérmicos) y los sistemas abiertos que utilizan aguas subterráneas. En ambos casos el costo principal es la construcción de los pozos geotérmicos (1 en caso del sistema cerrado y 2 en el caso del abierto), siendo en algunos casos más del 80% del costo inicial total de instalación del sistema completo. Esto motiva al desarrollo de proyectos que se hacen cargo de esta barrera de entrada, por ejemplo por medio de la integración constructiva que permita disminuir dichos costos pudiendo utilizarse estructuras existentes como pozos, calicatas y alguna otra que 1
pudiera formar parte del sistema intercambiador de calor con la tierra ( estructuras ociosas ), disminuyendo de esta forma los costos iniciales. En este artículo, se revisa la metodología de investigación seguida; se describen los sistemas y subsistemas geotérmicos estudiados; se discuten los puntos de partida basados en la literatura; se plantean las preguntas de investigación; se indican los supuestos y tareas de investigación; se presentan los resultados del análisis técnico, económico y legal del estudio de sistemas geotérmicos para calefacción residencial; para terminar con las conclusiones y comentarios finales. METODOLOGÍA En Chile existe un desconocimiento sobre la factibilidad técnica, económica y legal del uso de la geotermia de baja entalpía en proyectos residenciales, lo que constituye la principal problemática que se aborda en detalle en el desarrollo de esta investigación. Para desarrollar esta investigación se modelan dos tipos de sistemas geotérmicos de baja entalpía (vertical cerrado y abierto) imponiendo condiciones de confort térmico, analizando los sistemas en distintas condiciones de operación y comparándolo con sistemas de calefacción convencional, lo cual, permite generar un análisis técnico y económico de implementar estos sistemas en Chile. Como los sistemas geotérmicos de baja entalpía tienen un costo de instalación muy elevado, se busca evaluar económicamente la integración de estructuras ociosas como pozos o norias para determinar si constituyen una alternativa que logre disminuir los costos iniciales del proyecto. A través del estudio de las normativas que rigen el uso del recurso geotérmico en Chile, se puede evaluar legalmente la factibilidad de estos proyectos en el país. Se generan mapas de procesos para identificar las barreras y falencias de la normativa existente para constituir derechos de utilización del recurso. GEOTERMIA DE BAJA ENTALPÍA Se escogen los dos sistemas geotérmicos de baja entalpía que se analizaron en esta investigación en función de su participación de mercado a nivel mundial, así como de la pertinencia de incorporarlos en edificaciones residenciales existentes. Éstos corresponden a dos de los sistemas más usados en Estados Unidos: vertical cerrado (46%) y sistema abierto (15%) (Lund et al., 2004). El sistema de aprovechamiento de la energía geotérmica de baja entalpía consiste en tres subsistemas principales (Figura 1): Circuito de intercambio de calor geotérmico. Bomba de calor geotérmica. Circuito de distribución de calor en la vivienda. 2
(a) SISTEMA GEOTÉRMICO ABIERTO. (b) SISTEMA GEOTÉRMICO VERTICAL CERRADO. Figura 1. Subsistemas y componentes de un sistema geotérmico abierto y uno vertical cerrado. SISTEMA GEOTÉRMICO DE BAJA ENTALPÍA DE CIRCUITO CERRADO VERTICAL Los sistemas verticales cerrados realizan un intercambio de calor directo con la tierra por medio de pozos verticales, es decir, el intercambio de calor se realiza a través de sondas geotérmicas (típicamente tuberías en forma de U) embebidas en la tierra por las cuales circula un fluido caloportante que intercambia calor con el medio. Las tres componentes principales del sistema son: el intercambiador de calor vertical en una perforación (sondaje geotérmico); el sistema compuesto por la bomba de calor; y el sistema de distribución. Intercambiador de calor Los pozos generalmente tienen una profundidad de entre 100 y 200 m, pudiendo requerir más de un pozo por instalación. Es necesario que los fluidos que circulen dentro de la tubería tengan la velocidad suficiente para generar un flujo turbulento, y así tener un mayor intercambio con el medio. Se recomienda también que el retorno del fluido al intercambiador de calor geotérmico no exceda los límites de +/- 11 K de temperatura en la base de operación y +/-17 K cuando se tengan las demandas punta (VDI 4640, 2001). Estos sistemas basan su funcionamiento en la gran inercia térmica que tiene el suelo en profundidad, por ejemplo, en Alemania el equilibrio térmico se da entre los diez y veinte metros de profundidad destacando que bajo esta zona neutra, que es definida como la zona donde la oscilación de la temperatura no es mayor a 0,1 K, se tendrá una contribución creciente del flujo de calor geotérmico de aproximadamente 3 K por cada 100 m de profundidad (VDI 4640, 2010). Para el caso chileno la temperatura de equilibrio del suelo en Santiago alcanza valores de 15 C (Muñoz, 2011) y unos 11 C en Puerto Montt (Rosa, 2009). Esta es la energía que la geotermia de baja entalpía aprovecha para la climatización de los edificios, captándola a través de diferentes sistemas de intercambio de calor o colectores. Desde estos colectores, el calor es transferido a su vez a las bombas de calor, que actúan como intermediarias entre el sistema de intercambio de calor con el suelo y el sistema de distribución, responsable de climatizar las viviendas. Bomba de Calor Siguiendo con la descripción del sistema, otra componente esencial del sistema es la bomba de calor. Ésta es la base del sistema de calefacción y sin ella no se podría elevar la temperatura 3
extraída del suelo eficientemente. En la Figura 1 se presentan los principios básicos de funcionamiento de la bomba de calor geotérmica. La bomba de calor funciona con un sistema de circuito cerrado con dos intercambiadores de calor, un compresor eléctrico y una válvula de expansión mecánica. En su interior circula un fluido frigorífico que es el encargado de transportar el calor desde un foco caliente a un foco frio por medio de cuatro procesos: evaporación, compresión, condensación y expansión del fluido. Sistema de Distribución El sistema de intercambio de calor con la vivienda o sistema de distribución es el encargado de entregar el calor desde la bomba de calor a la vivienda. Los sistemas de distribución pueden ser de muchos tipos variando su eficiencia y costo. Entre ellos se destacan los sistemas de losa radiante, fan-coils y radiadores. Si bien las losas radiantes son el sistema de mejor desempeño para calefacción de viviendas utilizando la energía geotérmica, no se incluye entre los sistemas de estudio, debido a que tiene un alto costo de instalación y dificultades de construcción en viviendas existentes que son el foco de esta investigación. Con motivo de cubrir un porcentaje mayor del espectro de las viviendas chilenas se opta por seleccionar dos tipos de sistemas de distribución, que se destacan por ser sistemas completamente compatibles de instalar en viviendas existentes, con un costo menor al de las losas radiantes y de fácil acceso en Chile (Energylab, 2011). Se analizan dos sistemas de distribución distintos, el compuesto por radiadores convencionales y el de fan-coils. SISTEMA GEOTÉRMICO DE BAJA ENTALPÍA DE CIRCUITO ABIERTO CON USO DE AGUAS SUBTERRÁNEAS Los sistemas abiertos funcionan bajo un concepto distinto al del sistema anterior y se basa en el uso indirecto de aguas subterráneas. La principal diferencia entre este sistema y el recién descrito radica en el intercambiador de calor, por tanto, sólo este sistema se describe, pues la bomba de calor y sistema de distribución comparten las mismas características con el sistema vertical cerrado. Los sistemas abiertos indirectos emplean un intercambiador de calor entre el bucle del edificio y el agua subterránea. Se emplea el agua subterránea como reservorio térmico que circula a través de tuberías desde el pozo de producción o extracción. Luego se realiza el intercambio térmico con la bomba de calor, para después ser devuelta al pozo de inyección. El sistema de intercambio de calor está constituido por dos pozos, uno de producción, desde donde se extrae el caudal necesario de agua, y el otro de inyección donde se devuelve el agua a una temperatura menor (ciclo de calefacción). El pozo de producción tiene que ser capaz de proporcionar el agua necesaria para asegurar el funcionamiento de la bomba de calor durante todo el ciclo anual. Éste debe ser diseñado cuidando parámetros hidráulicos, químicos y constructivos, contemplando caudal máximo extraído, nivel de depresión de la napa al momento de la extracción, profundidad y diámetro del pozo, así como profundidad de extracción y posición de la bomba dentro del mismo (Rafferty, 2001). El pozo de inyección debe tener una profundidad adecuada para recibir la inyección del agua extraída del pozo de producción que generalmente es devuelta en su totalidad variando la temperatura del agua de extracción en +/- 6 K. Este pozo debe ser perforado en la dirección del flujo de las aguas subterráneas a una distancia suficiente del pozo de producción para evitar afectar sus características geotérmicas (VDI 4640, 2001). 4
PUNTOS DE PARTIDA La situación energética chilena actual es la base del estudio y la recoge el documento Estudios de usos finales y curva de la conservación de la energía en el sector residencial (CDT, 2010). Este estudio entrega estadísticas y valores que permiten caracterizar el gasto energético en hogares chilenos y se utiliza en esta investigación para la estimación de la demanda de calefacción de las tipologías de casa estudiadas. El diseño de sistemas geotérmicos de baja entalpía se abordó usando uno de los referentes mundiales en la materia, las recomendaciones técnicas alemanas para el uso térmico del subsuelo, VDI 4640 (2001). Esta recomendación de diseño es muy usada en la comunidad europea, y es un buen punto de partida para el diseño de estos sistemas. También se utiliza en la investigación la referencia española Guía Técnica 14: Diseño de sistemas de bomba de calor IDAE (2010) y el Ground Source Heat Pump Project Analysis Chapter RETScreen (2005) que constituye la base teórica del software de dimensionamiento del Ministerio de Recursos Naturales del Gobierno de Canadá. Para explorar los aspectos legales se utilizan como documentos bases el Código de Aguas (1981) y la Ley de Concesiones Geotérmicas N 19.657 (2000). Estos documentos permiten fundar el estudio legal de utilización del recurso geotérmico en Chile. PREGUNTAS DE INVESTIGACIÓN Se proponen tres preguntas de investigación para abordar los problemas observados y que constituyen los objetivos de esta investigación, éstas son: Es factible económica, técnica y legalmente la implementación de un sistema geotérmico de baja entalpía para uso en calefacción en viviendas chilenas, logrando el confort térmico? Es posible utilizar estructuras ociosas en el diseño de sistemas geotérmicos siendo éstas un aporte real al diseño y a la disminución de costos iniciales? Cuáles son los procedimientos legales que deden seguirse para solicitar el uso del recurso geotérmico y cuáles son las falencias de la normativa chilena en este sentido? SUPUESTOS Y TAREAS DE INVESTIGACIÓN Para responder las preguntas de investigación se elabora una metodología consistente en la elaboración de 48 modelos geotérmicos, que se someten a análisis técnico y económico, junto con explorar la integración de estructuras ociosas en el sistema; y finalmente se realiza el análisis de normativas chilenas para uso del recurso geotérmico. Los modelos antes descritos tienen las siguientes variables: 3 Tipologías: Tip A, Tip B y Tip C. 2 Zonas térmicas: Santiago (Zona 3); y Puerto Montt (Zona 6). 2 Normativas térmicas: Normativa antes del 2001 (Sin Reglamentación Térmica SRT); y Normativa después del 2007 (Con Reglamentación Térmica para techos y muros CRT). 2 Sistemas geotérmicos: Sistema Abierto con uso de aguas subterráneas; y Sistema Vertical Cerrado en forma de U. 5
2 Sistemas convencionales de calefacción para comparación: kerosene y gas licuado en Santiago; y leña y gas licuado en Puerto Montt. Los 48 modelos se representan gráficamente en el diagrama de la Figura 2 donde se exponen las diferentes variables que tiene cada uno de los sistemas de estudio. Los modelos son desarrollados en RETScreen y corresponden a la realidad nacional en dos zonas térmicas (Santiago y Puerto Montt) correspondientes a las zonas Centro y Sur del país. Figura 2. Diagrama de modelos realizados en RETScreen. (Elaboración propia). 6
Los 48 modelos fueron ideados de forma de ser representativos del stock de viviendas existentes y de las condiciones de uso de éstas. Las tres tipologías corresponden a casas tipo chilenas y representan cerca del 47% de las viviendas en Santiago y un 74% en Puerto Montt. La Tabla 1, detalla las principales características de cada tipología. Tabla 1. Tipologías de viviendas consideradas en la investigación. Superficie útil Superficie [m2] Tipologías Tipo Materialidad Total 1er 2do [m2] piso piso Tipología A Casa aislada Albañilería de ladrillo. 56,5-56,5 Tipología B Casa aislada 1er piso Albañilería de ladrillo. 63,0 40,0 103,0 2do piso Estructura de metalcón. Tipología C Casa pareada Albañilería de ladrillo 48,4 36,3 84,7 Las normativas térmicas SRT (antes de 2001), y CRT (después de 2007) corresponden a las normativas vigentes en Chile antes del 2001 donde solo existían recomendaciones de aislación térmica de las viviendas y después del año 2007 donde la normativa establece niveles mínimos aceptables de desempeño térmico de la envolvente (techos, pisos y muros) de las viviendas chilenas. Los 48 modelos son evaluados para satisfacer el confort térmico (19 C) durante todos los días del año considerando solamente el alcanzar la temperatura de referencia. Si existe un aumento de la temperatura por sobre la temperatura de confort, esto no se considera, pues el proyecto contempla sólo el diseño del sistema de calefacción de las viviendas. Los dos sistemas geotérmicos evaluados consideran los siguientes supuestos de diseño: (i) Sistema Geotérmico Abierto con uso de agua subterránea donde los pozos serán de 50 m de profundidad y se considera un suelo duro húmedo; (ii) Sistema Geotérmico Cerrado vertical donde el colector geotérmico corresponde a una cañería vertical simple en forma de U, con agua glicolada al 25% que circula en una tubería PEX de 31,8 mm diámetro nominal. Se considera un suelo duro húmedo. Para realizar la comparación con sistemas de calefacción convencionales se analizan los sistemas más usados en las dos zonas térmicas de estudio: gas licuado y kerosene en Santiago; y gas licuado y leña en Puerto Montt. Es importante mencionar que las eficiencias de funcionamiento de estos sistemas consideradas fueron de 0,90 para una estufa a gas; de 0,90 para una estufa a kerosene; y de 0,64 para los calefactores a leña (CDT, 2010). Cabe destacar que en las comparaciones se trabaja con estos valores, sin embargo, estas eficiencias podrían caer dependiendo de las renovaciones de aire extra que necesite el sistema para asegurar una calidad mínima de aire dentro de la vivienda. Estos modelos se evalúan por medio del software RETScreen, que es una herramienta que sirve para el estudio y análisis de sistemas energéticos, como por ejemplo los sistemas geotérmicos de baja entalpía con bomba de calor evaluados en esta investigación (RETScreen, 2005). Este programa canadiense de evaluación energética permite dimensionar los sistemas y realizar análisis económico de los modelos, así como también el dimensionamiento del mismo verificando la factibilidad de construir en viviendas chilenas. 7
Para evaluar los diferentes modelos se utilizan datos de consumo energéticos expuestos en el estudio de la CDT (2010) evaluando las tres tipologías seleccionadas en las dos zonas y bajo reglamentación térmica antes de 2001 (SRT) y después de 2007 (CRT). Los datos de entrada son los datos de la edificación de gasto energético; la superficie de calefacción de la vivienda; los datos de sitio, es decir, los datos meteorológicos y características del suelo; el tipo de sistema geotérmico de baja entalpía: sistema abierto con uso de aguas subterráneas, o sistema vertical cerrado. El sistema de geotérmico se dimensiona para cubrir el 100% de la demanda de calefacción sin necesidad de equipos auxiliares. La Figura 3 muestra de forma gráfica las demandas energéticas de las tres tipologías, localizadas en Santiago y Puerto Montt, mostrando las diferencias del efecto de la inclusión de las normativas de aislación térmica en las dos zonas ya mencionadas. Al analizar una misma vivienda en las dos zonas térmicas de interés, considerando solamente viviendas sin reglamentación térmica, se obtiene que en promedio las que se encuentran ubicadas en Puerto Montt demandan un 57% más de energía anual para calefacción que las viviendas ubicadas en Santiago. Por otro lado este porcentaje se reduce a un 16% en viviendas que cumplen con la reglamentación térmica mencionada. Esto ocurre debido a que en la zona de Puerto Montt los valores de transmitancia térmica normados son más exigentes que en la zona térmica correspondiente a Santiago. Los valores se encuentran dentro de lo esperable para viviendas chilenas donde las construcciones antiguas tienen una demanda promedio de 250 a 350 [kwh/m 2 año], mientras que la norma que entró en vigencia el 2007 espera lograr valores de 120 a 160 [kwh/m 2 año]. A modo de comparación, la normativa Europea habla de valores menores a 80 [kwh/m 2 año] y las viviendas de alta eficiencia energética logran valores menores a 30 [kwh/m 2 año] considerando un gasto energético total (Román, 2012). Lo anterior pone de manifiesto las grandes diferencias en términos de estándar que existe entre la realidad nacional y la de países desarrollados, que lamentablemente repercute en el sacrificio de confort térmico. Dado que el presupuesto para calefacción de las familias chilenas es finito, y se pierde buena parte del calor de calefacción por las deficiencias de la envolvente térmica, durante el invierno, los chilenos pasamos frío al interior de nuestras viviendas. Usando el software RETScreen se calculan las cargas de calefacción, y luego simplemente se multiplican por la superficie a calefaccionar para obtener las cargas de diseño. Éstas son usadas para dimensionar y seleccionar la bomba de calor. Ellas están basadas en estándares o condiciones aceptadas para una localidad dada en el día más desfavorable de funcionamiento (IDAE, 2010). Las cargas de diseño calculadas corresponden al dimensionamiento de la potencia del sistema, para seleccionar de mejor forma la bomba de calor. 8
Figura 3. Demanda energética anual. Del gráfico de la Figura 4 se puede apreciar que los valores para una misma vivienda y misma zona térmica tienen variaciones, teniendo una mayor carga que cubrir los modelos que no cumplen con la reglamentación térmica. Sin embargo, no es directo entender que la misma vivienda al ser comparada en distintas zonas térmicas tenga como resultado que en Santiago los valores obtenidos sean mayores que en Puerto Montt, tomando en consideración que las temperaturas promedio de Santiago son mayores que las de Puerto Montt. Se puede explicar debido a que Puerto Montt tiene un intervalo de tiempo de calefacción más amplio, donde la demanda total se divide en un número de horas mucho mayor, y también otro factor importante es que la carga punta pudiera ser menor debido a que tiene una mayor exigencia en su envolvente térmica. El dimensionamiento de la bomba de calor se logra para cada modelo al evaluar la carga de diseño en kw y seleccionando una bomba de calor que tenga una potencia superior a lo demandado por el sistema. Las bombas de calor se escogen de cuatro bombas disponibles en el mercado nacional. La selección de las bombas y los modelos que logran satisfacer las demandas se encuentra en la Tabla 2 donde se muestran la totalidad de los modelos. Los datos meteorológicos son fundamentales para dimensionar el sistema, para los modelos descritos se tienen datos de sitio correspondientes a las condiciones de terreno utilizadas en RETScreen expuestos en la Tabla 3. 9
Figura 4. Carga de diseño. Tipología Ubicación Tabla 2. Selección bombas de calor. Reglamentación Térmica Modelos Carga de Diseño [kw] Capacidad Calorífica [kw] Bomba de Calor COP de Calefacción Tip A Santiago SRT 1,2,3,4 11,4 13,5 5 Tip A Santiago CRT 5,6,7,8 6,8 8 3,6 Tip A Puerto Montt SRT 9,10,11,12 11,1 13,5 5 Tip A Puerto Montt CRT 13,14,15,16 4,8 8 3,6 Tip B Santiago SRT 17,18,19,20 15,3 16,8 3,7 Tip B Santiago CRT 21,22,23,24 10,1 10,8 4 Tip B Puerto Montt SRT 25,26,27,28 15,0 16,8 3,7 Tip B Puerto Montt CRT 29,30,31,32 7,4 8 3,6 Tip C Santiago SRT 33,34,35,36 11,3 13,5 5 Tip C Santiago CRT 37,38,39,40 6,9 8 3,6 Tip C Puerto Montt SRT 41,42,43,44 11,1 13,5 5 Tip C Puerto Montt CRT 45,46,47,48 5,1 8 3,6 10
Tabla 3. Condiciones del sitio. Condiciones Unidad Santiago Ubicación del Proyecto Puerto Montt Temperatura del suelo. C 15,3 11,0 Amoplitud de la temperatura del suelo. C 1,6 0,8 Profundidad medición temperatura. m 6 4 Temperatura de diseño de calefacción. C 0,0-0,9 Usando el software RETScreen, se realiza una modelación energética que utiliza los grados-día de calefacción de cada ciudad en base a una temperatura de referencia de 18 C (Heating Degree Days HDD), valores que provienen de las estaciones meteorológicas del aeropuerto Arturo Merino Benítez y del aeropuerto Tepual en Santiago y Puerto Montt, respectivamente. Además se desarrolla el análisis de las normativas chilenas que regulan el uso del recurso geotérmico. Para los sistemas geotérmicos abiertos con uso de aguas subterráneas se estudian los derechos de utilización de aguas subterráneas encontrados en el Código de Aguas de 1981, y correspondientes al derecho de uso no consuntivo del agua subterránea. Para sistemas geotérmicos de intercambiador de calor vertical cerrado se estudia la utilización del recurso geotérmico normado por la Ley N 19.657 sobre concesiones de energía geotérmica. Ésta define la energía geotérmica como aquélla que se obtenga del calor natural de la tierra, que puede ser extraída del vapor, agua, gases, excluidos los hidrocarburos, o a través de fluidos inyectados artificialmente para este fin. RESULTADOS ANÁLISIS TÉCNICO: DIMENSIONAMIENTO DE LOS SISTEMAS GEOTÉRMICOS En el dimensionamiento de los sistemas de cada uno de los modelos, un punto importante es el diseño del sistema de distribución. Se entenderá como sistema de distribución el encargado de tomar el calor movilizado por la bomba de calor y entregarlo dentro de la vivienda por medio de la circulación de fluidos calo-portantes dentro de tuberías. Se trabajará bajo el supuesto que las viviendas ya estaban construidas (viviendas existentes), por lo que los sistemas escogidos para el análisis serán radiadores convencionales y fan-coils. Se descartan otros sistemas como losas radiantes, que pudieran ser más eficientes en este tipo de sistemas, por las complicaciones constructivas que reviste realizar su instalación en edificaciones antiguas y por su alto costo inicial (Energylab, 2011). Para el sistema de distribución se trabaja con radiadores convencionales marca Ocean compuestos por dos placas y dos convectores. Estos radiadores tienen una temperatura de funcionamiento óptimo más alta que la que puede proporcionar la bomba de calor. El sistema está diseñado para funcionar a unos 55 C como máximo, y los radiadores requieren una temperatura del agua cercana a los 90 C. Como no se alcanzan estas temperaturas de operación, se aplica un factor de corrección que castiga el desempeño del sistema (en este caso es de 2,36) lo que hace que se obtengan grandes áreas de radiadores así como también un gran número de estos dispositivos distribuidos en la vivienda como se indica en la Tabla 4. 11
T operación efectiva: T = 55 C; T = 45 C; T = 19 C T operación óptima: T = 90 C; T = 70 C; F corr=2,36 Para el diseño del sistema de distribución con fan-coil se trabajará con tres modelos marca MCQUAY. Estos artefactos tienen 4 tubos y es un fan-coil de piso. Estos sistemas no necesitan de una alta temperatura de circulación de agua (40-45 C), pudiendo obtener su mayor rendimiento con la temperatura de salida desde la bomba de calor, generando ahorro con respecto a los radiadores convencionales (Energylab, 2011). Para efectos prácticos y de simplificación en esta investigación no se contemplará el consumo eléctrico del ventilador del fan-coil para la evaluación del sistema de distribución. El área requerida para sistemas con fan-coil es cercana a un 30% del área requerida para sistemas con radiadores convencionales, y el número de equipos es considerablemente menor. Comparativamente es una alternativa que tiene muchas ventajas y a nivel global constituye una excelente alternativa que permite tomar toda la carga requerida por diseño expuesto en la Tabla 4. Al comparar económicamente los costos de los equipos de los dos sistemas de distribución. Se obtiene que en promedio los sistemas que utilizan fan-coil tienen un 35% más de costo en comparación con los sistemas conformados por radiadores convencionales, cuando se analizan sólo los valores del costo de los equipos. Pero esta situación se revierte cuando se analiza el costo total de instalación. Considerando que la instalación de cada equipo tiene un costo individual cercano a $50.000 pesos por radiador (aprox. US$100), lo que finalmente los hace ser prácticamente iguales en costos iniciales, contemplando el costo de los equipos más el costo de instalación. Tipologías Tip A (56 m2) Tabla 4. Requerimientos para Radiadores Convencionales. Área Carga Reglamentación Modelos Radiadores [kw] Térmica [m2] Zona térmica Santiago N Radiadores Costo de Equipos [$] 1,2,3,4 11,4 SRT 6,3 9 $ 781.250 5,6,7,8 6,8 CRT 3,8 6 $ 468.750 9,10,11,12 Puerto Montt 11,1 SRT 6,3 9 $ 781.250 13,14,15,16 4,8 CRT 2,8 5 $ 343.750 Santiago 17,18,19,20 15,3 SRT 8,3 11 $ 1.031.250 21,22,23,24 10,1 CRT 5,5 8 $ 687.500 25,26,27,28 Puerto Montt 15,0 SRT 7,3 8 $ 906.250 29,30,31,32 7,4 CRT 4,0 6 $ 500.000 Santiago 33,34,35,36 11,3 SRT 6,0 8 $ 750.000 37,38,39,40 6,8 CRT 3,8 6 $ 468.750 41,42,43,44 Puerto Montt 11,1 SRT 6,0 8 $ 750.000 45,46,47,48 5,1 CRT 2,8 5 $ 343.750 12
Tipologías Tip A (56 m2) Zona Térmica Santiago Puerto Montt Santiago Puerto Montt Santiago Puerto Montt Tabla 5. Requerimientos para Fan-Coils. Modelos Carga [kw] Reglamentación Térmica Area Fan-Coil [m2] N Fan-coils Costo de Equipos [$] 1,2,3,4 11,4 SRT 1,6 4 $ 1.072.305 5,6,7,8 6,8 CRT 1,1 3 $ 767.040 9,10,11,12 11,1 SRT 1,6 4 $ 1.063.610 13,14,15,16 4,8 CRT 1,1 3 $ 767.040 17,18,19,20 15,3 SRT 2,4 6 $ 1.574.970 21,22,23,24 10,1 CRT 1,6 4 $ 1.063.610 25,26,27,28 15,0 SRT 2,3 6 $ 1.551.470 29,30,31,32 7,4 CRT 1,1 3 $ 775.735 33,34,35,36 11,3 SRT 1,6 4 $ 1.063.610 37,38,39,40 6,8 CRT 1,1 3 $ 767.040 41,42,43,44 11,1 SRT 1,6 4 $ 1.063.610 45,46,47,48 5,1 CRT 1,1 3 $ 767.040 Una de las características más relevantes de estos sistemas corresponde al dimensionamiento del colector geotérmico. Para un sistema geotérmico abierto con uso de aguas subterráneas la variable de diseño más importante es el caudal a extraer (Figura 5); mientras que para sistemas geotérmicos cerrados verticales en U es la profundidad del pozo geotérmico la característica más determinante en éste tipo de sistemas (Figura 6). Se puede apreciar que las diferencias no son sustantivas cuando se habla de viviendas que cumplen la reglamentación térmica de 2007, obteniendo un promedio de 0,33 l/s, pero cuando se busca la solución a viviendas que no cumplen la normativa térmica el promedio asciende a 0,55 l/s siendo sustancialmente mayor que el inicialmente descrito. Se puede decir luego de evaluar caudales de extracción comunes en el aprovechamiento de aguas subterráneas, que incluso el caudal de mayor valor es considerado un caudal bajo por la normativa que regula el uso de aprovechamiento de aguas subterráneas. En este sentido no existirían mayores problemas para el aprovechamiento del recurso para la utilización de sistemas abiertos con uso del recurso hídrico subterráneo. Para los sistemas geotérmicos cerrados verticales en U, los modelos pertenecientes a viviendas que no cumplen la reglamentación térmica son los que requieren un pozo de mayores dimensiones. Si bien siempre es factible de construir, no sería una estrategia adecuada debido a las altas profundidades que éste puede llegar a necesitar. El promedio de profundidad de pozo para viviendas que no cumplen con la reglamentación térmica vigente es cercano a los 260 m lo que comparado con los 134 m de promedio para viviendas que cumplan la reglamentación térmica es un alto valor. Se hacen prácticamente infactibles económica y técnicamente la construcción de pozos tan profundos, generalmente se tienen que efectuar dos pozos para sistemas que requieran profundidades mayores a 150 m. 13
Figura 5. Caudal de extracción. 14
Figura 6. Profundidad del pozo geotérmico. ANÁLISIS ECONÓMICO Del análisis económico de los sistemas propuestos, se identifican los principales costos de la instalación geotérmica propuesta. Los mayores costos se asocian en primer lugar al costo de la perforación, y luego al costo de la bomba de calor, cuyo valor no cambia significativamente independiente del modelo y capacidad escogidos (5-10% del costo total). La Figura 7 resume los costos iniciales totales de cada uno de los modelos propuestos. La distribución promedio de los costos asociados a la construcción del colector geotérmico (construcción del pozo) es cercana al 83% del costo total del sistema. La distribución de costos para todos los modelos expuestos (Figura 8) indica que el costo total promedio es mayor a los 23 millones de pesos (aprox. US$45,000). Para los sistemas abiertos se aprecia un costo casi constante debido a que se supuso que los dos pozos son de 50 m de profundidad y las variaciones climáticas, de aislación térmica y de superficie a calefaccionar sólo inciden en el caudal de extracción/inyección de los mismos. Para el caso de los sistemas cerrados se obtienen resultados distintos. Para viviendas muy mal aisladas (SRT) y de alta superficie se ve impracticable económicamente realizar esta instalación teniendo en un caso valores superiores a los 60 millones de pesos. En este sentido desde el punto de vista económico solamente son comparables los valores en viviendas con bajo gasto energético, es decir, viviendas bien aisladas (CRT). 15
Figura 7. Distribución de costos. Costos iniciales de sistemas geotérmicos $ Millones 60 50 40 Tip C Costo colector 30 20 10 Tip C Costo total sin colector Tip B Costo colector 0 SRT CRT SRT CRT SRT CRT SRT CRT Santiago Puerto Figura Montt8: Costos Santiago iniciales. Puerto Montt Tomando en consideración que el proyecto se evalúa en 15 años de funcionamiento, es importante saber cuándo se recupera la inversión. Para el análisis económico de los datos se evalúa el sistema sin el costo inicial del intercambiador geotérmico que reviste una barrera clara de entrada y no permite tener sensibilidad en los datos. El análisis comparativo se realiza con los sistemas de calefacción convencionales descritos anteriormente y se resumen en la Figura 9. Existe una rápida recuperación de la inversión al compararlo con los sistemas que utilizan gas licuado con un promedio cercano a los 5 años. También se tiene una rápida recuperación 16
de la inversión al comparar los datos con sistemas en base a kerosene, pero al comparar con estufas a leña no se recupera la inversión en los 15 años que es el periodo de evaluación. La Figura 10 muestra la comparativa de costos anuales operacionales con confort térmico pudiendo apreciar que para todas las comparativas el sistema geotérmico es el más económico. Como los costos iniciales son muy altos se formula la propuesta de una integración constructiva, y se evalúan algunas estructuras ociosas existentes que pudieran aprovecharse para reducir el costo inicial del sistema. Se propone el uso de pozos sub utilizados o bien en situación de abandono o desuso. Cabe destacar que el sentido de esta propuesta es disminuir el alto costo inicial del sistema, el ahorro se produce en el ítem crítico correspondiente al costo de realizar las perforaciones para los pozos de extracción de agua. Figura 9: Repago simple. Figura 10: Comparativa de costos anuales. La Figura 11 grafica los eventuales ahorros de esta integración constructiva. El supuesto detrás del análisis considera que la vivienda donde se desee instalar un sistema geotérmico de baja entalpía con uso de aguas subterráneas, cuenta con un pozo de extracción de agua. Se estudia 17
el caso en que la profundidad de extracción necesaria sea de 50 metros. Para efectos del análisis se realizan estos supuestos manteniendo todos los otros supuestos previos. El costo de la perforación del pozo disminuye cerca de un 50% en comparación a sistemas sin esta integración constructiva, ya que, se requiere construir solamente un pozo en vez de dos. Los costos totales de instalación disminuyen a menos de 15 millones de pesos (aprox. US$29,000). Los datos expuestos en la Figura 11 se pueden contrarrestar con el caso base, obteniendo una disminución en el costo inicial cercana al 40%. En este caso ya comienza a cobrar relevancia el ítem de costo de la bomba de calor más el sistema de distribución. La nueva distribución de costos se muestra en la Figura 12, donde se aprecia ahora que el costo del colector geotérmico pasa de un 80% a un 65% de la inversión inicial total. $ Millones 30 25 20 15 10 5 Costos iniciales de sistemas geotérmicos con integración constructiva Tip C Costo colector Tip C Costo total sin colector Tip B Costo colector 0 SRT CRT SRT CRT SRT CRT SRT CRT Figura Santiago 11: Comparativa Puerto de Montt costos iniciales Santiago con integración Puerto constructiva. Montt 18
Figura 12: Distribución de costos con integración constructiva. ASPECTOS LEGALES Las bases del estudio se enfocan en la identificación de los procedimientos legales que hay que seguir para obtener permisos de usos de suelo o agua que permitan el desarrollo de los distintos sistemas geotérmicos antes descritos. Además se busca identificar las deficiencias o problemas de las normativas vigentes que rigen el uso del recurso geotérmico, en especial de los sistemas geotérmicos de baja entalpía. Para el sistema abierto con usos de aguas subterráneas se presenta un diagrama de procesos en el cual se aprecian los distintos pasos a seguir para constituir un derecho de aprovechamiento de las aguas subterráneas (Figura 13). El derecho estudiado es el de uso de agua no consuntivo que corresponde a la utilización de agua con el solo propósito de aprovechar su temperatura. El caudal extraído es devuelto en su totalidad al acuífero y solamente se altera su temperatura, es decir, se toma el agua desde el pozo de producción y se devuelve a +/- 6 K (VDI 4640, 2001) en el pozo de inyección. Este derecho es otorgado por la Dirección General de Aguas (DGA) y es regido por el Código de Aguas (1981). Se trata de un trámite gratuito, no muy engorroso, que no demanda documentación excesiva, pero cuya tramitación es un largo proceso. Del diagrama de procesos de la Figura 13 se aprecia que no existe regulación respecto al tiempo máximo de tramitación de los derechos por parte de la DGA. Sin embargo, en promedio el proceso de tramitación de los derechos tarda entre un año y un año y medio (CIRH, 2013). Las solicitudes de derechos de uso no consuntivo de agua subterránea no constituyen un derecho muy frecuente al que se vean enfrentados en la DGA, sin embargo, a la fecha se han otorgado este tipo de derechos de utilización del agua subterránea. Dado los bajos caudales de utilización (aprox. 0,7 l/s) no existe mayor reparo por parte de la DGA en otorgar estos permisos, pero todas las solicitudes son evaluadas según el lugar de establecimiento del proyecto y sus impactos (MOP, 2013). El uso del recurso pudiera impactar negativamente las zonas de prohibición o restricción de uso de aguas subterráneas. Por ejemplo, en Santiago en casi todas las comunas existe restricción al uso del agua subterránea. En el caso del sistema vertical cerrado se debe solicitar una concesión para los derechos de utilización del recurso geotérmico, tanto para el caso de exploración, como de explotación. Este 19
procedimiento está regulado por la Ley de Concesiones Geotérmicas (Ley N 19.657). Esta ley data del año 2000 y tiene por objetivo promocionar la industria de la geotermia a través de remover barreras y agilizar los procedimientos para constituir las concesiones de exploración y explotación (CER, 2011). La Ley de Concesiones Geotérmicas no hace diferencia entre geotermia de alta entalpía y geotermia de baja entalpía. Fija parámetros y requisitos que sobrepasan los alcances de estos proyectos de baja entalpía que tienen una dimensión muy menor en comparación con los grandes proyectos eléctricos que utilizan geotermia, haciendo impracticable el regirse por esa Ley. El derecho es otorgado por el Ministerio de Energía y su diagrama de proceso se muestra en la Figura 14. Este diagrama fue revisado y validado por el Ministerio de Energía (González, 2013) y en él se pueden apreciar con detalle el tiempo que demora cada uno de los procesos. El trámite es gratuito, pero requiere de excesiva documentación (como por ejemplo, los informes anuales de gastos), lo que lo convierte en un trámite engorroso y cuya tramitación dura como mínimo 200 días hábiles y 450 días en promedio, de acuerdo a las estadísticas del Ministerio de Energía. Sin duda la principal falencia de esta normativa respecto al desarrollo de la geotermia de baja entalpía corresponde a las desproporcionadas exigencias que tendrían que cumplir este tipo de proyectos para poder completar los requisitos estipulados por el Decreto 32 (2004), que reglamenta la aplicación de la Ley N 19.657 (2000). 20
Figura 13: Diagrama Uso no Consuntivo Aguas Subterráneas (DGA). 21
Figura 14: Diagrama Concesiones Geotérmicas. Pese a la existencia en Chile de normativa que regula las concesiones geotérmicas, esta es deficiente y no promociona ni potencia a este tipo de tecnologías. El Ministerio de Energía, consciente de las desproporcionadas exigencias que impone la ley actual al ser aplicada a proyectos de baja entalpía está estudiando la creación de una ley especial para la regulación de proyectos térmicos que utilicen la geotermia de baja entalpía (González, 2013). En el país se han desarrollado proyectos geotérmicos de baja entalpía pero no han solicitado los permisos de explotación ni de exploración, por lo indicado previamente. El Ministerio de Energía está consciente de ello, pero no realiza fiscalizaciones ni aplica ningún tipo de sanciones para no frenar esta industria incipiente, pues implícitamente se reconocen las desproporcionadas exigencias impuestas a proyectos de este tipo al ser evaluados bajo la Ley 19.657 (2000) (González, 2013). CONCLUSIONES Y COMENTARIOS Esta investigación nace de la inquietud de buscar alternativas energéticas amigables con el medio ambiente, y que aborden la realidad de gasto energético en las viviendas chilenas que es 22
gobernado por el uso de energía para calefacción, sacrificando muchas veces el confort térmico frente a las restricciones de gastos operacionales. Los sistemas geotérmicos de baja entalpía son muy usados en países desarrollados debido a su alta eficiencia. Se evalúan estos sistemas basados en la realidad chilena con el objeto de verificar técnica, económica y legalmente si es factible construir sistemas geotérmicos de baja entalpia en el país. El estudio arroja como resultados que técnicamente es viable construir estos sistemas y que constituyen una buena alternativa si se quiere alcanzar el confort térmico dentro de las viviendas chilenas. Económicamente tiene un costo inicial alto (US$45,000) que en más de un 80% se explica por las perforaciones de los pozos geotérmicos, por lo cual, se evalúan y proponen utilizar estructuras existentes (denominadas ociosas), que corresponden a pozos o norias cercanos a la vivienda, que pueden reducir los costos en hasta un 40% del costo inicial total. La integración constructiva de sistemas geotérmicos se convierte así en una alternativa económicamente competitiva comparándola con sistemas convencionales de calefacción en las dos ciudades de estudio (Santiago y Puerto Montt). Para viviendas bien aisladas el gasto energético es bajo, y es donde se obtienen los mejores rendimientos de los sistemas geotérmicos de baja entalpía de circuito cerrado, llegando a valores cercanos a los costos de instalación del sistema con uso de pozos de agua. Este es un buen sistema que se independiza del recurso hídrico del subsuelo, y por lo mismo es uno de los sistemas más utilizados en Estados Unidos. Pero sólo se hace rentable si la demanda de calefacción es baja (viviendas CRT), ya que afecta directamente la profundidad de los pozos. Los sistemas abiertos con uso de aguas subterráneas se presentan como la mejor alternativa económica si es que existe el recurso hídrico en el subsuelo. Eventualmente es el sistema que pudiera tener los menores costos asociados a la construcción de los pozos, dependiendo de la profundidad de donde se extraiga el agua. Si existe disponibilidad del recurso de agua subterránea (y no existe prohibición ni restricción en su uso), se recomiendan los sistemas abiertos. En los sistemas abiertos el diferencial de caudal para satisfacer los requerimientos energéticos de una vivienda de alta demanda (SRT y/o tipología de mayor superficie) en comparación con una de menor demanda energética (CRT y/o tipología de menor superficie) son bajos, por lo tanto, estos sistemas abiertos contemplando un caudal mayor podrían satisfacer a un conjunto de casas con calefacción distrital, lo que permite amortizar una inversión alta, entre un mayor número de viviendas con la consiguiente reducción en el monto unitario de inversión (por vivienda). Además, si la vivienda aún no está construida, se recomienda la implementación de sistemas de distribución en base a losas radiantes, pues permiten operar la bomba de calor cercano a su óptimo desempeño. En caso de viviendas existentes, se recomienda el uso de fan-coils para la distribución de la calefacción. Para el desarrollo de esta tecnología en el país las leyes cumplen un rol fundamental. La elaboración de mapas de procesos y la identificación de falencias de la normativa que regula esta tecnología permiten afirmar que la legislación actual es deficiente y que es necesario realizar una diferenciación entre geotermia de baja y alta entalpía. Para los proyectos geotérmicos de baja entalpía los requisitos son excesivos como también son excesivos los tiempos que están involucrados en cada uno de los pasos para constituir un derecho de aprovechamiento del recurso geotérmico. Se insta a realizar una modificación a la Ley N 19.657 sobre concesiones geotérmicas o bien realizar una nueva ley que permita potenciar el desarrollo de la geotermia de baja entalpía en Chile, donde se hagan diferencias entre proyectos energéticos de alta entalpía (generación eléctrica) y proyectos térmicos de baja entalpía y se regulen las exigencias que tendrán que cumplir en cada caso. 23
Esta incipiente tecnología necesita una normativa que facilite la obtención de derechos de aprovechamiento del recurso geotérmico. Esta es una energía limpia y muy eficiente que tiene una fuente inagotable de energía. Es una buena alternativa a los sistemas convencionales de calefacción residencial y tiene un costo operacional menor que éstos. REFERENCIAS Centro de Energías Renovables (CER) (2011). Driving up the potential of geothermal energy in Chile. Ministerio de Energía, Chile. pp. 4. Centro de Información de Recursos Hídricos (CIRH) (2013). Discusión sobre tiempos de procesos legales de solicitud de derechos de aguas de uso no consuntivo. [Entrevista personal con Cristian Seguel, Jefe de Área de Sistemas y TI] (Comunicación personal, 3 mayo 2013) Corporación de Desarrollo Tecnológico de la Cámara Chilena de la Construcción (CDT). 2010. Estudios de usos finales y curva de la conservación de la energía en el sector residencial. Chile, 15 septiembre. [Pdf] Disponible en: <http://www.minenergia.gob.cl/documentos/estudios/estudio-de-usos-finales-y-curva-de.html> [Consultado 20 marzo de 2012] Chapple, P. (2008). Confort térmico en las viviendas, Revista BIT. Sumario 61, pp. 38-41. Chile, Julio 2008. Código de Aguas, 1981. Ministerio de Justicia, Chile. Decreto Supremo 32 (2004). Aprueba reglamento para la aplicación de la Ley N 19.657 sobre concesiones de exploración de energía geotérmica. Ministerio de Minería, Chile. Energylab (2011). Modulo 5: 5.3-Sistemas de distribución, Diseño de Proyectos de BCG. Centro Tecnológico de Eficiencia y Sostenibilidad Energética. Santiago de Chile, Julio de 2011. González, L. (2013). Entrevista sobre aspectos legales y técnicos del desarrollo de proyectos de energía geotérmica de baja entalpía desde el Ministerio de Energía. [Entrevista personal, Profesional División Energías Renovables, Ministerio de Energía] (Comunicación personal, 4 abril 2013). Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE) (2010). Guía técnica 14: Diseño de sistemas de bomba de calor. Madrid, España. Ley N 19.657 (2000). Sobre concesiones de energía geotérmica. Ministerio de Minería, Chile. Lund,J.; Sanner, B.; Rybach,L.; Curtis,R.;and Hellström,G. (2004). Geothermal (Ground-Source) Heat Pumps a World Overview. Geo-Heat Center. Oregon Institute of Technology, USA. Ministerio de Obras Públicas (MOP) (2013). Discusión sobre aspectos legales de solicitud de aprovechamiento y constitución de derechos de aguas de uso no consuntivo. [Entrevista personal con División Legal del Ministerio de Obras Públicas (Comunicación personal, 3 mayo 2013). Muñoz, M. (2011). Implementación de pilas de entibación y sus anclajes para el aprovechamiento geotérmico. Memoria Ingeniería Civil. Universidad de Chile. Chile. Rosa, R. (2009). Diseño de intercambiador geotérmico horizontal cerrado para bomba de calor geotérmica aplicada en la calefacción de una edificación con uso de oficina, en Puerto Montt. Memoria Ingeniería en Construcción. Universidad Austral de Chile. Chile. RETScreen (2005). Clean Energy Project Analysis: RETScreen Engineering & Cases. Ground-Source Heat Pump Project Analysis Chapter. Ministerio de Recursos Naturales, Gobierno de Canadá. Román, R. (2012). Retscreen: Un programa para Sistemas Energéticos, Guía para el uso de Retscreen. Universidad de Chile, Mayo de 2012. VEREIN DEUTSCHER INGENIEUE (VDI) 4640 (2001). Thermal use of the underground VDI 4640 part 2 - Ground source heat pump systems. Beuth Verlag, Berlin. Germany. 24