En este post vamos a introducir las ventajas que tiene el aprovechamiento geotérmico somero para sistemas de climatización, y la importancia de incorporar los aspectos hidrogeológicos en las fases de diseño y operación para poder sacar el máximo provecho de sus beneficios y garantizar su óptimo desempeño.

 

El aprovechamiento geotérmico para climatización

El aprovechamiento geotérmico de baja entalpía – también llamado aprovechamiento geotérmico somero-  emplea el subsuelo como fuente de energía para la climatización. En el caso de sistemas abiertos (con pozos de bombeo e inyección) se utiliza el agua subterránea como fuente de calor, o frío, puesto que la mayor inercia térmica del subsuelo en relación al aire permite a estos sistemas operar con una eficiencia mayor.

Hoy en día, el aprovechamiento geotérmico somero constituye una alternativa muy atractiva a las energías no renovables, especialmente para climatización de edificios y viviendas. Las razones de ello es que es una energía limpia, eficiente y económica, además de continua en relación a otras energías renovables como la eólica o solar. Es limpia dada su menor contribución en la emisión de gases efecto invernadero: por ejemplo, una casa familiar que emplea este sistema de climatización evita al menos un 35% de emisiones de CO2 con respecto a sistemas de climatización convencionales. El mayor coste de instalación (hasta dos veces) se compensa por su eficiencia y ahorro energético.

En cuanto a su eficiencia, en general se genera entre 2 y 4 veces más energía térmica o frigorífica que la energía eléctrica que consume, lo que supone rendimientos de 200%-400%. Los ahorros de energía en relación a una bomba de calor convencional son de 30% a 70% en calefacción y de 20 a 50% en climatización.

Ante la reciente proliferación de esta tecnología en muchas de las grandes ciudades de España, algunos organismos públicos han editado guías y documentos de gran ayuda para conocer las técnicas y métodos para evaluar la viabilidad del aprovechamiento geotérmico y una revisión de la normativa existente. Resaltamos dos documentos de referencia y el enlace web donde están disponibles:

Criterios de diseño en el aprovechamiento geotérmico

Para conseguir que el aprovechamiento geotérmico somero sea ventajoso en los términos indicados se tienen que atender una serie de aspectos en relación a su diseño y dimensionamiento, para que sea técnicamente sostenible. Por otra parte, su diseño debe de cumplir con una serie de requisitos para que también sea ambientalmente sostenible.

El diseño del aprovechamiento geotérmico somero debe encontrar una solución de compromiso entre dos factores que tienen a ser contrapuestos: la demanda de energía y los impactos derivados de su aprovechamiento geotérmico. Estos impactos pueden afectar a la propia instalación, o a otros aprovechamientos, por interferencias térmicas. También pueden generar indeseables cambios en el estado de las aguas subterráneas.

Uno de los principales riesgos internos es la interferencia térmica entre los pozos de bombeo y de inyección, o la interferencia con otros aprovechamientos próximos, que puede comprometer severamente la eficiencia de la instalación. Generalmente la demanda de este tipo de aprovechamientos se da en zona urbana donde existe una fuerte restricción en cuanto a las posibilidades de ubicación y alejamiento de los pozos del doblete bombeo-inyección. En este ámbito es absolutamente relevante un detallado análisis de las condiciones hidrogeológicas locales para disponer de los mejores criterios de diseño que minimicen las interferencias e incluso cuantificarlas para verificar la viabilidad de la instalación.

Por último y no menos importante, el aprovechamiento geotérmico ha de ser respetuoso con el medio ambiente subterráneo. Los aprovechamientos geotérmicos de tipo abierto generan perturbaciones hidrodinámicas, físico-químicas y ecológicas en los acuíferos objeto de explotación. El diseño ha de minimizar estos impactos para ser ambientalmente respetuoso. Aunque todavía no existe una normativa española ni europea unificada al respecto, el auge de estos sistemas está motivando un interés cada vez más extendido en las administraciones implicadas para establecer un marco normativo que en breve será de obligado cumplimiento.

En este contexto, recientemente, el Instituto Geológico y Minero de España y la Confederación Hidrográfica del Ebro, subscribieron un convenio de colaboración para analizar el impacto térmico generado por los pozos de climatización en las aguas subterráneas de la ciudad de Zaragoza. Esta iniciativa supone un hito a nivel nacional para aportar una visión de los desafíos técnicos, de gestión y normativos actuales de esta tecnología.

 

Simulación del aprovechamiento geotérmico somero para climatización en Zaragoza. Se producen algunas interferencias entre aprovechamientos próximos (Fuente: IGME-CHE, 2014)

 

 

Mantenimiento de las captaciones en un aprovechamiento geotérmico

Uno de los problemas más habituales en el aprovechamiento geotérmico de tipo abierto para climatización es la habitual es pérdida de inyectabilidad de los pozos de vertido. Los pozos de inyección requieren de unas especiales condiciones de diseño, construcción y mantenimiento, con el objeto de ampliar su vida útil, habitualmente inferior a la de los pozos de bombeo si no se tratan adecuadamente.

Un deficiente diseño de estos pozos acarrea una prematura obturación (o colmatación) de los filtros por diversas causas: precipitados, crecimientos algales, etc (ver tabla) o pérdida de permeabilidad en el entorno del pozo de inyección por arrastres de finos o de burbujas de aire. Esto acarrea periódicas y costosas operaciones de mantenimiento para recuperar la inyectabilidad.

A continuación, se muestra el estado de los filtros del revestimiento de un pozo de inyección de un aprovechamiento geotérmico somero. Se puede apreciar como los precipitados de carbonato obturan los tramos filtrantes de la tubería, lo que reducen considerablemente la inyectabilidad del pozo. El vídeo ha sido realizado y facilitado por Sondeos Martínez.

En la siguiente tabla se muestran los posibles procesos, efectos y su impacto potencial en los aprovechamientos geotérmicos abiertos de baja entalpía.

Proceso Efectos Consecuencias Impacto Probabilidad de ocurrencia
Aumento de temperatura Aumenta la actividad microbiológica Precipitado mineral Colmatación Alta
Contaminación biológica Biopátinas Moderada
Producción de limos Colmatación Baja
Crecimiento desmesurado  de bacterias y algas Muy Baja
Precipitado de sedimentos que contienen hierro Alta
Corrosión Baja
Aumento de la solubilidad mineral (hierro > 1mg/l y manganeso >0,05 mg/l) Aumento de la concentración de minerales disueltos Colmatación Alta
Crecimiento desmesurado  de bacterias y algas Alta
Descenso de temperatura Aumento de la solubilidad de CO2 Aumento de la carga de carbonatos Colmatación Alta
Crecimiento algal Descenso del pH y de CO2 precipitado mineral Colmatación Baja
Pérdida de material Aumento de los huecos Acumulación de materia en los huecos Cambios en el régimen de flujo y  colmatación Baja

En definitiva, para garantizar el correcto desempeño de estas instalaciones geotérmicas de baja entalpía para sistemas de climatización, es necesario integrar la perspectiva de los aspectos hidrogeológicos en todo el proceso de implementación del proyecto: diseño, ejecución, explotación y gestión. Con mucha frecuencia, la ausencia de consideración del medio hidrogeológico en el diseño del aprovechamiento geotérmico, o una excesiva simplificación que obvia la complejidad del subsuelo y su naturaleza heterogénea, impide que estas instalaciones se beneficien de las indudables ventajas económicas y ambientales que tal tecnología ofrece.

 

Sensorización de un aprovechamiento geotérmico

En relación al aspecto de la gestión, un componente esencial en el esquema de diseño de las instalaciones son los elementos de monitorización: caudales, temperaturas de bombeo e inyección, nivel freático y calidad del agua. Una adecuada monitorización permitirá determinar el grado de buen desempeño de la instalación y su eficiencia, detectar problemas como una posible pérdida de inyectabilidad, o el seguimiento de las interferencias térmicas entre la propia instalación o con otras próximas. Por otra parte, en algunas administraciones competentes (como es el caso de la Confederación Hidrográfica del Ebro) están comenzando a obligar a intensos programas de monitoreo mediante registro continuo y remisión de datos.

 

Estudios de afecciones térmicas de aprovechamientos geotérmicos

Para garantizar la sostenibilidad ambiental del aprovechamiento geotérmico, las administraciones competentes suelen requerir un estudio de afecciones térmicas que considere estos criterios ambientales, fundamentalmente los cambios previsibles en la calidad del agua subterránea y especialmente su temperatura.

Típicamente, un estudio de afecciones de un vertido térmico ha de incluir los siguientes aspectos: Inventario de aprovechamientos próximos; piezometría y direcciones de flujo, caracterización de la explotación (régimen de caudales y temperaturas de captación e inyección) y análisis de la afección térmica al acuífero.

Las herramientas básicas para evaluar la afección térmica son analíticas para casos sencillos de acuíferos de geometría muy simple y diseños y esquemas explotación sencillos. Para sistemas más complejos, y en general para sistemas abiertos, la herramienta al uso es la modelización matemática del flujo y del transporte y almacenamiento de calor en el subsuelo.

La modelización se realiza con software hidrogeológico específico (Modflow, Feeflow, Core, HST3/2D, etc). Requiere de la realización previa de ciertos ensayos sobre el acuífero en los pozos de bombeo e inyección para evaluar los parámetros hidrodinámicos básicos (transmisividad, coeficiente de almacenamiento, porosidad eficaz), así como una serie de datos de temperaturas, fundamentalmente del fondo geotérmico el acuífero y en el vertido del sistema y caudales de inyección.  Como resultado, la modelización permite valorar el impacto térmico vertido al acuífero, en magnitud y extensión. También va a permitir disponer de criterios de diseño de los pozos de bombeo e inyección, objetivos y cuantificados, de cara a garantizar la potencial eficiencia que un aprovechamiento geotérmico ofrece.

 

Impacto térmico en las aguas subterráneas provocado por la inyección de un vertido térmico en un sistema de climatización con geotermia de baja entalpia. La afección toma una forma de “pluma” que puede alargarse varios cientos de metros en la dirección del flujo subterráneo, pudiendo afectar a otros aprovechamientos próximos.

 

Cuáles son los nuevos retos del aprovechamiento geotérmico

 La Agencia Ambiental de Estados Unidos (EPA) declaró, a comienzos de los años 90, que el aprovechamiento geotérmico es la tecnología de climatización más eficiente y menos contaminante de las existentes. Ya se dispone de algo más de tres décadas de desarrollo tecnológico. Actualmente el estado del arte de la tecnología para el aprovechamiento geotérmico está suficientemente maduro.

Los siguientes retos tienen más ver con los aspectos relacionados con la gestión enfocada a la mejora de la eficiencia: el ordenamiento de los sistemas de aprovechamiento geotérmico como vía para reducir las interferencias térmicas, los sistemas de monitorización en tiempo real y los sistemas de mantenimiento de los pozos de inyección. Estos tres aspectos constituyen, probablemente, las cuestiones más emergentes en la actualidad.

Ya hemos comentado anteriormente la importancia de la sensorización del aprovechamiento geotérmico como el medio necesario para mejorar la eficiencia atendiendo a las peculiaridades específicas de cada sistema. La tecnología de sensorización, sistemas de transmisión y gestión de los datos ha experimentado grandes avances en los últimos años. Actualmente ofrece unas grandes posibilidades de monitorización y control en tiempo real y a precios de mercado muy competitivos, por lo que se prevé como una línea de mejora a corto plazo de los sistemas de aprovechamiento geotérmico.

Los problemas específicos relacionados con los pozos de inyección tienen ya una dilatada trayectoria de investigación ligada a otras áreas como la inyección profunda o la recarga artificial de acuíferos. Las lecciones aprendidas son mayoritariamente trasladables a la inyección somera de un aprovechamiento geotérmico. No se trata tanto de un problema de conocimiento teórico, sino de una problemática real en muchas instalaciones como consecuencia de un deficiente diseño y/o mantenimiento. Una situación que por desgracia ha sido muy frecuente en la última década de implementación de estos sistemas.

Y muy probablemente, el mayor reto a que se enfrenta la implementación del aprovechamiento geotérmico es España atañe específicamente a los aspectos de ordenación territorial.  En buena medida, el problema de interferencia térmica entre distintos aprovechamientos geotérmicos (o entre pozos del mismo aprovechamiento geotérmico) en las ciudades constituye el principal obstáculo en muchas ciudades para alcanzar todo el potencial que esta tecnología ofrece. No obstante, existen barreras normativas, y administrativas en España que impiden afrontar este reto con facilidad

La energía de distrito (o energía de barrio en otras fuentes) constituye una solución comprobada desde hace años en numerosas ciudades del norte de Europa. Este enfoque permite compartir infraestructuras de producción, almacenamiento y suministro de energía a nivel local, creando sinergias entre producción y suministro de frío y calor. En Copenhague o Helsinki, prácticamente toda la demanda de climatización es abastecida a través de las redes de distrito. En Kuwait el aire acondicionado, que representa el 70% de la demanda pico de energía, este sistema permitió reducir el consumo anual energético en un 46% comparado con los sistemas tradicionales.

El Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PUMA), ha auspiciado la District energy in cities initiative, con el objeto de promover este tipo de gestión en las ciudades, fomentando la eficiencia energética y el uso de energías renovables.  Esta iniciativa supone un nuevo paradigma en los modelos de gestión energética que abre enfoques esperanzadores ante los grandes desafíos inminentes del manejo agua-energia.