ENERGÍAS GEOTÉRMICA Y AEROTÉRMICA. CALOR Y FRÍO RENOVABLES.

INTRODUCCIÓN

La humanidad, desde los tiempos más remotos de su existencia sobre la Tierra, ha utilizado los recursos naturales a su alcance para alimentarse, procurarse cobijo, asegurar su entorno y protegerse de las inclemencias, en definitiva para sobrevivir. La agrupación en tribus le permitió expandir la familia y dar seguridad a sus miembros. Salvando las distancias que la evolución ha perfeccionado, el concepto no es muy diferente de lo que sucede en la actualidad, donde los humanos se reúnen en sociedades para rentabilizar el esfuerzo común, el cual resultaba más complejo de sostener en los ambientes aislados de las selvas, en las culturas itinerantes o mediante las prácticas trashumantes. Las civilizaciones establecieron reglas de funcionamiento, de movimiento de la economía, de las leyes comunes, de la seguridad de sus habitantes y también del uso y disfrute de los recursos naturales.

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Pero, a lo largo de la historia humana los recursos energéticos nunca sufrieron una presión tan grande como la que comenzó a manifestarse a partir de la Revolución Industrial. La madera, el petróleo, el gas…, son fuentes de energía limitados, con tiempo de caducidad si no se pueden renovar a la vez que se consumen. Los combustibles fósiles, por el extremado tiempo que lleva su formación, son recursos finitos cuya explotación compromete el futuro del planeta. En consecuencia, conscientes de esa realidad, en las últimas décadas del pasado siglo XX comenzó a crearse una sensibilidad ambiental, que fue trasladándose a diferentes acuerdos internacionales para un aprovechamiento energético sostenible.

Con el nuevo siglo XXI las llamadas «energías renovables» comenzaron a tomar cuerpo en los debates, acuerdos y legislaciones, junto con el ahorro y la eficiencia energética, términos que irían calando también en las administraciones encargadas de aplicarlas y la innovación de las empresas tecnológicas que debían dar respuesta a las necesidades planteadas. El sector de la construcción también se vio implicado de lleno, siendo uno de los objetivos del esfuerzo legislativo en materia de energía para la vivienda nueva, y que ha sido recogido por los gobiernos y parlamentos de variados países; la Comisión Europea fue una de las instituciones que más ha legislado en este sentido en las últimas décadas.

En este contexto, la mayoría de la energías renovables ya no constituyen fuentes extrañas para los consumidores, pues suelen ser objeto de atención en los medios de comunicación o en la publicidad de bienes domésticos de carácter tecnológico. Lo común es referirnos a tecnologías que manejan energía solar, eólica, fotovoltaica…, no obstante, existen otras fuentes de energía renovables que, a pesar de su potencial, han recibido poca atención o no se expandieron lo suficiente para convertirse en fuentes llamativas como las ya citadas. Es el caso de las energías que traemos hoy a este espacio: la geotermia y la aerotermia. Aunque ambas tienen muchos elementos en común, desglosaremos sus principales diferencias, así como sus rendimientos y tecnología en que se basan.

GEOTERMIA Vs. AEROTERMIA

Cuando hablamos de geotermia nos referimos a una tecnología que aprovecha los recursos geotérmicos del interior de la tierra. Aerotermia, por su parte, es la tecnología que aprovecha las diferencias de temperatura existentes en el aire. Ambas se pueden utilizar para los mismos fines: calefacción, aire acondicionado, y según el tipo de instalación incluso para agua caliente sanitaria (ACS).

Estas dos fuentes energéticas aplicadas al hogar o la industria, eran hasta hace poco tiempo desconocidas para los usuarios. Aunque la geotermia es conocida desde antiguo por sus manifestaciones en la superficie terrestre (geisers, aguas termales, fumarolas, y los volcanes en su manifestación más activa), su aplicación para el uso doméstico es muy reciente, a partir de que los avances tecnológicos han permitido su aplicación con rendimientos aceptables y seguros.

Por su parte, la aerotermia es una tecnología aún más innovadora, capaz de obtener energía del aire, sea calor o frío y aprovecharlo para climatizar una estancia. Ambos sistemas son eficientes y respetuosos con el medioambiente, aunque es evidente que un medio como el del aire siempre será más inestable que el del subsuelo, donde la temperatura se mantiene a niveles que apenas varían. En consecuencia, un sistema aerotérmico tendrá un menor rendimiento a temperaturas bajas, por ejemplo en inviernos con heladas. No obstante, el sistema geotérmico es más costoso que el aerotérmico debido a los elementos externos que es preciso montar, y al espacio requerido que es mayor, mientras que en la aerotermia los elementos externos y la instalación se simplifican. Aunque cada instalación requiere de su presupuesto particular, podemos decir que un sistema aerotérmico es alrededor de un 20% más económico que uno geotérmico.

Tanto la geotermia como la aerotermia, se benefician de un invento que nació a mediados del siglo XIX, de la mano del británico William Thomson: la bomba de calor, y de la que hablaremos más adelante. Este elemento también abarata más o menos la instalación dependiendo de si es una bomba aire-aire o de aire-agua; la primera suele ser más económica al precisar menos espacio y ser más sencilla de instalar.

LA BOMBA DE CALOR

Principios de la bomba de calor

Los promotores de la bomba de calor fueron el británico William Thomson, que teorizó sobre el funcionamiento de la máquina, y el ingeniero de minas checo Peter Rittinger, que aplicó y llevó a la práctica en 1856 las teorías de Thomson.

La bomba de calor entronca directamente con las leyes de la termodinámica: el equilibrio termodinámico, el principio de conservación de la energía, el aumento de la entropía de los sistemas y la imposibilidad de éstos de alcanzar el cero absoluto. Aprovechando estos principios, en la bomba de calor se transporta de forma eficiente calor entre dos focos, pero a contracorriente de lo que suele suceder de forma natural, es decir, se envía calor de un foco frío a otro caliente.

La bomba de calor es un sistema basado en el llamado principio de Carnot, un modelo termodinámico desarrollado por el ingeniero y físico francés Nicolas Léonard Sadi Carnot, quien en 1824 avanzó en el estudio de la eficiencia de máquinas térmicas, y que desarrollaría aún más su homólogo Émile Clapeyron. El principio de Carnot establece que la eficiencia de un ciclo termodinámico sólo depende de las diferencias de temperatura entre los depósitos de agua caliente y fría.

Cómo funciona la bomba de calor

La bomba de calor toma calor de un medio, sea aire, agua u otro susceptible de actuar como fuente (incluso tierra) y lo transporta a otro medio que se desea calefactar. Igualmente, una bomba de calor puede elevar la temperatura de un líquido desde un nivel a otro superior. Aunque parezca complejo, es más fácil de entender si observamos un aparato común en nuestro hogar, el frigorífico. En el interior del mismo, mediante un compresor, un circuito que contiene un líquido refrigerante absorbe el calor y lo transporta hacia el exterior, disipándolo en el ambiente mediante un radiador situado en la parte trasera del frigorífico. Al extraer el calor, dentro sólo puede quedar frío. El radiador estará más caliente que la temperatura ambiente, en consecuencia el fenómeno es reversible, es decir, se podría utilizar el mismo sistema de refrigeración para calefacción simplemente intercambiando el proceso, pero utilizando los mismos elementos. Por tanto, podemos emplear una bomba de calor en verano, por ejemplo para refrescar la casa, o aprovechar la etapa de calor como fuente calefactora en invierno.

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Bomba de calor reversible funcionando en el ciclo de refrigeración. Ilustración Wikimedia Commons.

En el transporte de calor de un medio a otro se utiliza un líquido refrigerante que cede o absorbe calor dependiendo de si se halla en estado sólido o líquido. El refrigerante circula dentro del equipo a través de un circuito impulsado por un compresor movido por un motor eléctrico. En el lado de menor temperatura (foco frío) se sitúa un evaporador, donde el refrigerante pasa de estado líquido a gaseoso, es en esta etapa cuando el gas absorbe un calor que cederá más tarde. El compresor hace circular el gas, comprimiéndolo y lo lleva hasta el condensador, que se halla situado en el lado de mayor temperatura (foco caliente), ahí se condensa volviendo a estado líquido cediendo el calor que absorbió en el evaporador. El calor cedido se puede aprovechar de diversas maneras, por ejemplo haciendo pasar una corriente de agua, aire, etc, a través del condensador.

El proceso es reversible. Una bomba de calor funciona en realidad de modo análogo al de un equipo de aire acondicionado, por tanto la mayoría de este tipo de bombas pueden configurarse para invertir el sentido de circulación del refrigerante, haciéndolas trabajar también para aprovechar el frío generado.

Tipos de bombas de calor

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Bomba de calor agua-agua. Imagen Wikimedia Commons.
  • Bomba de calor aire-agua: es el sistema que más destaca en el sector de la calefacción y refrigeración por aerotermia. Funciona obteniendo calor del aire exterior y trasmitiéndolo a un circuito de agua caliente. Logra rendimientos de hasta el 75% de energía gratuita.
  • Bomba de calor agua-agua: es el sistema destacado en la producción de calefacción y refrigeración por geotermia. Funciona extrayendo el calor (o frío) de un pozo o conducciones subterráneas, los cuales se hallan a una temperatura estable. Son sistemas compatibles con prácticamente todo tipo de instalaciones, incluso los de radiadores de baja temperatura.
  • Bomba de calor aire-aire: es un sistema empleado normalmente en sistemas de calefacción, salvo que la bomba disponga de un circuito reversible para permitir su uso como refrigerador. Funciona absorbiendo calor del aire ambiente y lo transmite a un circuito de aire para su difusión. En este tipo de bombas los rendimientos son menores cuando la temperatura exterior desciende en exceso, siendo necesario apoyar con una resistencia eléctrica u otra fuente de calor si llega a temperaturas de 0º.

LA ENERGÍA GEOTÉRMICA

Antecedentes y aplicaciones

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La piscina de fuente termal más antigua que se conoce, construida en la dinastía Qin en el siglo III a.C. Imagen Wikimedia Commons.

Aunque históricamente la energía geotérmica se viene utilizando aprovechando los focos naturales, como en los balnearios, termas romanas, baños turcos, etc., su aplicación como fuente de calor o aire acondicionado para el hogar es de explotación más reciente.

El potencial de la energía geotérmica no reside en el sol, como sucede con otras fuentes de energías renovables, sino en las diferencias de temperatura existentes entre la superficie y el interior de la tierra. Con la tecnología actual, la geotermia se dirige hacia dos grupos principales de aplicación: la térmica y la eléctrica.

La aplicación térmica tiene un amplio campo, desde la producción de agua caliente sanitaria y calefacción para usos domésticos, pasando por la climatización de piscinas y balnearios, hasta incluso en industrias agrícolas, granjas, acuicultura, invernaderos, etc. Las aplicaciones eléctricas, se remiten a procesos industriales, donde se emplean las técnicas de vapor seco, de agua a altas temperaturas o centrales de ciclo binario (que no emiten gases).

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Fuentes naturales de energía geotérmica liberados en superficie y para usos industriales. Ilustración Wikimedia Commons.

A nivel doméstico, la energía geotérmica es una energía local, es decir para consumir sobre el propio terreno. Constituye la respuesta más cercana para satisfacer necesidades energéticas de calefacción, refrigeración y producción de agua caliente sanitaria, con reducción importante de la dependencia de otras energías y con la seguridad de que se trata de una energía con abastecimiento regular. El hecho de que la energía geotérmica sea reversible (para dar servicio de climatización en verano e invierno), la convierte en un recurso de gran valor, renovable, rentable, de producción económica y fiable.

Una energía limpia y renovable

A escala planetaria, puede decirse que la energía geotérmica es el recurso energético más grande que existe. La tierra evacúa más calor que el que produce, pero a un ritmo muy lento, enfriándose a razón de unos 130ºC cada mil millones de años. Se trata de un calor que la propia tierra generó en el pasado durante su formación. Por tanto, a escala humana los yacimientos geotérmicos estarán disponibles para el futuro a muy largo plazo si se utilizan racionalmente. Es todo lo contrario que sucede con las energías fósiles, que también se crearon en el pasado, pero se están consumiendo en el presente a tal velocidad que los convierte en energías no renovables.

Las instalaciones geotérmicas no precisan quemar ningún combustible, por lo que no contribuyen a emitir gases de efecto invernadero. Es cierto que las bombas de calor geotérmicas precisan de electricidad para hacer funcionar los compresores y ventiladores, pero las únicas emisiones de gases que pudieran producirse son las correspondientes al origen de esa energía, las cuales se reducirían a cero si se trata de fuentes renovables, como la eólica, solar, etc.

Una energía económica

Aunque el coste de una instalación geotérmica doméstica para una vivienda individual supone una inversión elevada (incluso el doble de una instalación clásica de calefacción o aire acondicionado), los costes de su explotación son mucho menores que otros equipos, pues el coste de mantenimiento es generalmente muy reducido, además de aportar un rendimiento elevado que minimiza los gastos derivados del consumo de energía externa para su funcionamiento, como es la energía eléctrica que se precisa para mantener activos los distintos dispositivos del sistema. Así, si las necesidades son de calefacción, la energía geotérmica se beneficia de un menor consumo eléctrico y la ausencia de combustibles como el fuel-oil o gas natural, habitualmente más caros. Si por el contrario se precisa refrigeración, la opción geotérmica también tendrá un menor coste de energía eléctrica, pero además competirá ventajosamente con el aire acondicionado clásico, cuya eficiencia es menor.

Una energía eficiente

Gracias a la mayor estabilidad de las temperaturas del subsuelo, se pueden instalar bombas de calor de menor capacidad que en los sistemas que utilizan la temperatura ambiente exterior. Si la región es de clima con temperaturas muy variables, las bombas de calor geotérmicas siempre tendrán mejores prestaciones que las bombas que utilizan aire exterior, en estos casos, las bombas clásicas bajan su rendimiento considerablemente con temperaturas extremas.

Los sistemas geotérmicos utilizan electricidad para los circuitos de control, las bombas de circulación, ventiladores, compresores y circuitos de intercambio, pero aún así, se produce entre dos y cuatro veces más energía térmica o frigorífica que la energía eléctrica consumida. Hablamos pues de rendimientos de hasta 400%, que son muy superiores a los de consumo de las resistencias eléctricas.

Los sistemas geotérmicos también aventajan a los sistemas clásicos de climatización. permitiendo ahorros de entre el 30 y 70% en calefacción, y hasta un 50% en aire acondicionado. Incluso el mejor sistema de calefacción con gas natural, queda ampliamente superado por los sistemas geotérmicos.

Una energía continua y de ámbito mundial

La energía eólica o solar dependen del clima, las condiciones meteorológicas, el periodo de luz, la intensidad de la radiación solar…, sin embargo la energía geotérmica se halla disponible las 24 horas del día a lo largo de todo el año. Ello es debido a que las condiciones de temperatura del subsuelo son muy estables, con apenas variación para una profundidad dada.

Por otro lado, la energía geotérmica no depende de una zona o bolsa subterránea concreta, como sucede con los yacimientos petrolíferos o de gas, pues los recursos geotérmicos se hallan presentes en todos los continentes y a nuestra disposición.

Aunque es cierto que cada formación geológica del subsuelo tiene un gradiente geotérmico y una mayor o menor temperatura más o menos fácil de extraer, las tecnologías actuales permiten desarrollar la energía geotérmica en cualquier región del planeta.

INSTALACIÓN DEL SISTEMA GEOTÉRMICO

Una instalación geotérmica doméstica consta de dos partes: una unidad de bomba de calor situada dentro de la vivienda y un circuito de bombeo subterráneo. El sistema de bombeo puede ser de ciclo abierto o cerrado:

  • Ciclo abierto: en este sistema se aprovecha el calor retenido en un cuerpo de agua del subsuelo. El agua es bombeada directamente hacia el evaporador de la bomba de calor, de donde se extrae el calor. Posteriormente el agua es descargada de vuelta a un cuerpo de agua subterráneo separado, como un pozo o un arroyo.
  • Ciclo cerrado: en este sistema se recoge el calor del subsuelo usando un ciclo continuo de bombeo enterrado. El fluido de trabajo puede ser agua o un líquido anticongelante.

El ciclo cerrado suele ser el sistema habitual en las instalaciones domésticas, y en este caso los captadores geotérmicos pueden disponerse en el terreno de forma vertical u horizontal:

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Perforación de un pozo geotérmico para la instalación de un sistema de captación vertical. Imagen Wikimedia Commons.
  • Horizontal: en este caso el captador se entierra horizontalmente a una profundidad de hasta dos metros. La superficie necesaria suele ser dos veces la superficie de la vivienda a calefactar. En este caso el terreno queda limitado en su uso, ya que no se pueden plantar árboles o arbustos cuya superficie radicular invada la instalación subterránea, pues el rendimiento del sistema quedaría afectado.
    El sistema horizontal ofrece un rendimiento estacional menor que el vertical, debido a que la temperatura a esa profundidad es más variable.
  • Vertical: se trata del sistema de captación más extendido, pero también el menos económico. En este caso la superficie necesaria es mucho menor que en el sistema horizontal, por lo que se puede construir o cultivar sobre el terreno. Se realizan perforaciones verticales de hasta 150 metros de profundidad y en el interior se introduce una sonda geotérmica. A estas profundidades la temperatura es muy estable a lo largo de todo el año, por lo que la bomba de calor trabajará en un punto de funcionamiento que apenas variará.

Las bombas de calor geotérmicas no necesitan ciclo de desescarche, como sucede con las bombas de calor aerotérmicas, debido a la citada estabilidad de las temperaturas subterráneas, y a que la bomba de calor se sitúa en el interior de la vivienda, ajena a los cambios de temperatura externos.

LA ENERGÍA AEROTÉRMICA

Definición, principios, aplicaciones

La aerotermia se incluye en el grupo de energías procedentes de fuentes renovables, aunque hoy en día no es de las más conocidas a pesar de sus ventajas. Se define como la «energía almacenada en el aire ambiente en forma de calor». Para su aprovechamiento, se utiliza un sistema compuesto por dos elementos: una unidad exterior captadora de las calorías y una unidad interior que recibe esas calorías y las traspasa a un circuito de agua. El transporte se realiza mediante un fluido refrigerante que circula entre ambas unidades impulsada por un compresor.

El principio fundamental de la aerotermia es el intercambio de calor entre el sistema y el aire del ambiente exterior, el cual conserva una energía disponible de manera virtualmente inagotable, pues se regenera de forma natural gracias a la energía del sol, por ello se considera la aerotermia como una energía renovable. Para aprovechar esta energía se recurre a una bomba de calor aerotérmica, que puede funcionar tanto en verano como en invierno a bajas temperaturas con una eficiencia aceptable, pues el aire contiene energía en forma de calor incluso con temperaturas próximas a cero.

Los principales usos de esta tecnología es ofrecer calefacción, refrigeración y, según el tipo de instalación, agua caliente sanitaria. En este sistema no se utilizan combustibles, su instalación es sencilla y apenas precisa mantenimiento. El ahorro energético puede llegar hasta el 75%.

Los sistemas de climatización basados en energía aerotérmica están diseñados para pequeñas estancias, pues a pesar de su rendimiento y eficiencia su poder calorífico es modesto, por lo que no se recomienda para aclimatar áreas muy grandes. Su uso habitual es en viviendas unifamiliares.

INSTALACIÓN DEL SISTEMA AEROTÉRMICO

La bomba de calor es el corazón del sistema aerotérmico. Es una unidad externa generadora de calor a partir del aire que le rodea, y que transfiere al circuito evaporador mediante un compresor utilizando un gas refrigerante. En el interior hay un módulo hidráulico que cede al circuito de calefacción la energía recuperada por la unidad termodinámica del exterior.

Normalmente, en invierno la unidad exterior hace la función de evaporador y la unidad interior como condensador, cediendo éste el calor al agua que se utiliza en el circuito de la calefacción. En el verano, el proceso se invierte, pasando la unidad exterior a funcionar como condensador y la unidad interior como evaporador, absorbiendo éste el calor de la estancia a refrigerar.

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Instalación de suelo radiante para un sistema aerotérmico. Imagen Wikimedia Commons.

El ciclo se inicia pasando el fluido refrigerante a través de un compresor, el cual eleva la presión aumentando así la temperatura. Una vez comprimido el fluido es pasado por un intercambiador de calor (el condensador), que cede calor al foco caliente. Esto es así porque el fluido que sale del compresor está a mayor temperatura que el foco caliente. Tras pasar por el condensador, una válvula de expansión hace caer bruscamente la presión, lo cual también provoca que el fluido se enfríe de forma brusca y comience a evaporarse y absorber calor del foco frío. Después el fluido regresa al compresor y el ciclo se repite.

Las modernas bombas de calor ya incluyen una tecnología llamada «inverter», haciéndolas más eficientes. El mayor consumo de un compresor radica en los golpes de corriente que debe soportar cuando arranca, pues en ese momento los motores tienen que vencer las fuerzas iniciales de fricción; La tecnología inverter consiste en hacer funcionar el compresor de forma permanente, sin arranques ni paradas, pero a un régimen equilibrado adaptándolo a la demanda de clima.

En los sistemas aerotérmicos suele utilizarse suelo radiante por su mayor eficiencia. No obstante, con temperaturas externas muy bajas, las bombas aerotérmicas requieren un sistema de desescarche para evitar la parada del sistema por hielo. Además, en estos casos se suele complementar la instalación con el apoyo de otra fuente de energía (electricidad, calderas, solar, etc.).


FUENTES DE CONSULTA

  • Geotermia: Energía renovable de futuro – CONAMA
  • Manual de Geotermia: Instituto geológico y minero de España
  • La energía geotérmica – Ministerio de Industria y Energía de España
  • Guía de la energía geotérmica – Comunidad de Madrid
  • Geotermia – IDAE
  • Energía geotérmica – Mary H. Dickson y Mario Fanelli
  • Energía geotérmica – Édgar Santoyo y Rosa María Barragán-Reyes
  • La aerotermia como recurso energético – Carrillo Arquitectos
  • Análisis económico, energético y Ambiental del uso de la aerotermia – Esther Jiménez Macías
  • Estudio comparativo de las diferentes soluciones de instalación térmica para una vivienda unifamiliar – Univ. de Cantabria
  • Bombas de calor – Junkers
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