La calefacción geotérmica es el uso directo de la energía geotérmica para algunas aplicaciones de calefacción. Los seres humanos han aprovechado el calor geotérmico de esta manera desde la era paleolítica. Aproximadamente setenta países hicieron uso directo de un total de 270 PJ de calefacción geotérmica en 2004. En 2007, se instalaron 28 GW de capacidad de calefacción geotérmica en todo el mundo, lo que satisface el 0,07% del consumo mundial de energía primaria. [1] La eficiencia térmica es alta ya que no se necesita conversión de energía, pero los factores de capacidad tienden a ser bajos (alrededor del 20%) ya que el calor se necesita principalmente en el invierno.
La energía geotérmica se origina a partir del calor retenido dentro de la Tierra desde la formación original del planeta, de la desintegración radiactiva de los minerales y de la energía solar absorbida en la superficie. [2] La mayor parte del calor geotérmico de alta temperatura se recolecta en regiones cercanas a los límites de las placas tectónicas donde la actividad volcánica aumenta cerca de la superficie de la Tierra. En estas áreas, se pueden encontrar suelos y aguas subterráneas con temperaturas superiores a la temperatura objetivo de la aplicación. Sin embargo, incluso el suelo frío contiene calor. Por debajo de los 6 metros (20 pies), la temperatura del suelo no perturbado se mantiene constantemente a la temperatura media anual del aire, [3] y este calor se puede extraer con una bomba de calor geotérmica .
Existe una amplia variedad de aplicaciones para el calor geotérmico barato, que incluyen la calefacción de casas, invernaderos, baños y piscinas o usos industriales. La mayoría de las aplicaciones utilizan la energía geotérmica en forma de fluidos calientes entre 50 °C (122 °F) y 150 °C (302 °F). La temperatura adecuada varía para las diferentes aplicaciones. Para el uso directo del calor geotérmico, el rango de temperatura para el sector agrícola se encuentra entre 25 °C (77 °F) y 90 °C (194 °F), y para la calefacción de espacios se encuentra entre 50 °C (122 °F) y 100 °C (212 °F). [4] Los tubos de calor extienden el rango de temperatura hasta 5 °C (41 °F) ya que extraen y "amplifican" el calor. El calor geotérmico que supera los 150 °C (302 °F) se utiliza normalmente para la generación de energía geotérmica . [6]
En 2004, más de la mitad del calor geotérmico directo se utilizó para calentar espacios y un tercio para spas. [1] El resto se utilizó para diversos procesos industriales, desalinización, agua caliente para uso doméstico y aplicaciones agrícolas. Las ciudades de Reykjavík y Akureyri canalizan agua caliente de plantas geotérmicas bajo las carreteras y aceras para derretir la nieve. Se ha demostrado la desalinización geotérmica .
Los sistemas geotérmicos tienden a beneficiarse de las economías de escala , por lo que la energía para calentar los espacios suele distribuirse a varios edificios, a veces a comunidades enteras. Esta técnica, que se practica desde hace mucho tiempo en todo el mundo en lugares como Reykjavík , Islandia ; [7] Boise , Idaho ; [8] y Klamath Falls , Oregón ; [9] se conoce como calefacción urbana . [10]
Solo en Europa, en 2016 estaban en funcionamiento 280 plantas de calefacción urbana geotérmica, según el Consejo Europeo de Energía Geotérmica (EGEC), con una capacidad total de aproximadamente 4,9 GWth. [11]
Algunas partes del mundo, incluidas partes importantes del oeste de los Estados Unidos, cuentan con recursos geotérmicos relativamente superficiales. [12] Existen condiciones similares en Islandia, partes de Japón y otros puntos calientes geotérmicos en todo el mundo. En estas áreas, el agua o el vapor se pueden capturar de fuentes termales naturales y canalizar directamente a radiadores o intercambiadores de calor . Alternativamente, el calor puede provenir del calor residual suministrado por la cogeneración de una planta eléctrica geotérmica o de pozos profundos en acuíferos calientes. La calefacción geotérmica directa es mucho más eficiente que la generación de electricidad geotérmica y tiene requisitos de temperatura menos exigentes, por lo que es viable en un amplio rango geográfico. Si el suelo poco profundo es caliente pero seco, se puede hacer circular aire o agua a través de tubos de tierra o intercambiadores de calor en el fondo del pozo que actúan como intercambiadores de calor con el suelo.
El vapor bajo presión de los recursos geotérmicos profundos también se utiliza para generar electricidad a partir de la energía geotérmica. El Proyecto de Perforación Profunda de Islandia encontró una bolsa de magma a 2.100 m. Se construyó una carcasa de acero cementada en el pozo con una perforación en el fondo cerca del magma. Las altas temperaturas y la presión del vapor de magma se utilizaron para generar 36 MW de electricidad, lo que convirtió al IDDP-1 en el primer sistema geotérmico mejorado con magma del mundo. [13]
En las zonas donde el suelo poco profundo es demasiado frío para proporcionar confort directamente, sigue siendo más cálido que el aire invernal. La inercia térmica del suelo poco profundo retiene la energía solar acumulada en verano y las variaciones estacionales de la temperatura del suelo desaparecen por completo por debajo de los 10 m de profundidad. Ese calor se puede extraer con una bomba de calor geotérmica de forma más eficiente que con hornos convencionales. [10] Las bombas de calor geotérmicas son económicamente viables prácticamente en cualquier parte del mundo.
En teoría, la energía geotérmica (generalmente de refrigeración) también se puede extraer de infraestructura existente, como las tuberías de agua municipales. [14]
En regiones sin recursos geotérmicos de alta temperatura, una bomba de calor geotérmica (GSHP) puede proporcionar calefacción y refrigeración de espacios. Al igual que un refrigerador o un aire acondicionado, estos sistemas utilizan una bomba de calor para forzar la transferencia de calor desde el suelo hasta el edificio. El calor se puede extraer de cualquier fuente, sin importar lo fría que sea, pero una fuente más cálida permite una mayor eficiencia. Una bomba de calor geotérmica utiliza el suelo poco profundo o el agua subterránea (que normalmente comienza a 10–12 °C o 50–54 °F) como fuente de calor, aprovechando así sus temperaturas moderadas estacionales. [15] En cambio, una bomba de calor de fuente de aire extrae calor del aire (aire exterior más frío) y, por lo tanto, requiere más energía.
Las bombas de calor geotérmicas hacen circular un fluido portador (normalmente una mezcla de agua y pequeñas cantidades de anticongelante) a través de circuitos cerrados de tuberías enterrados en el suelo. Los sistemas para viviendas unifamiliares pueden ser sistemas de "campo de circuito vertical" con perforaciones de 15 a 120 m (50 a 400 pies) de profundidad o, [16] si hay terreno suficiente para zanjas extensas, se instala un "campo de circuito horizontal" aproximadamente a seis pies bajo la superficie. A medida que el fluido circula bajo tierra, absorbe calor del suelo y, a su regreso, el fluido calentado pasa a través de la bomba de calor que utiliza electricidad para extraer calor del fluido. El fluido reenfriado se envía de nuevo al suelo, continuando así el ciclo. El calor extraído y el generado por el aparato de bomba de calor como subproducto se utilizan para calentar la casa. La adición del circuito de calefacción por suelo radiante en la ecuación energética significa que se puede transferir significativamente más calor a un edificio que si se hubiera utilizado solo electricidad directamente para la calefacción.
Al cambiar la dirección del flujo de calor, el mismo sistema se puede utilizar para hacer circular el agua fría por la casa para enfriarla en los meses de verano. El calor se expulsa hacia el suelo (o agua subterránea) relativamente más frío en lugar de enviarlo al aire caliente del exterior como lo hace un acondicionador de aire. Como resultado, el calor se bombea a través de una diferencia de temperatura mayor y esto conduce a una mayor eficiencia y un menor uso de energía. [15]
Esta tecnología hace que la calefacción geotérmica sea económicamente viable en cualquier ubicación geográfica. En 2004, se calcula que un millón de bombas de calor geotérmicas con una capacidad total de 15 GW extrajeron 88 PJ de energía térmica para calefacción de espacios. La capacidad mundial de bombas de calor geotérmicas crece un 10% anual. [1]
Las fuentes termales se han utilizado para bañarse al menos desde el Paleolítico. [17] El spa más antiguo conocido es una piscina de piedra en el Monte Li de China construida en la dinastía Qin en el siglo III a. C., en el mismo sitio donde más tarde se construyó el palacio Huaqing Chi . La energía geotérmica suministró calefacción urbana canalizada para baños y casas en Pompeya alrededor del año 0 d. C. [18] En el siglo I d. C., los romanos conquistaron Aquae Sulis en Inglaterra y utilizaron las aguas termales allí para alimentar baños públicos y calefacción por suelo radiante . [19] Las tarifas de admisión para estos baños probablemente representan el primer uso comercial de la energía geotérmica. Se ha localizado un jacuzzi de 1000 años de antigüedad en Islandia , donde fue construido por uno de los colonos originales de la isla. [20] El sistema de calefacción urbana geotérmica en funcionamiento más antiguo del mundo en Chaudes-Aigues , Francia, ha estado funcionando desde el siglo XIV. [4] La primera explotación industrial comenzó en 1827 con el uso de vapor de géiser para extraer ácido bórico del lodo volcánico en Larderello , Italia.
En 1892, el primer sistema de calefacción urbana de Estados Unidos , en Boise (Idaho) , funcionaba directamente con energía geotérmica, y pronto se copió en Klamath Falls (Oregón) en 1900. En 1926, se utilizó un pozo geotérmico profundo para calentar invernaderos en Boise, y casi al mismo tiempo se utilizaron géiseres para calentar invernaderos en Islandia y Toscana. [21] Charlie Lieb desarrolló el primer intercambiador de calor de fondo de pozo en 1930 para calentar su casa. En 1943, se empezó a utilizar vapor y agua caliente de los géiseres para calentar viviendas en Islandia.
En ese momento, Lord Kelvin ya había inventado la bomba de calor en 1852, y Heinrich Zoelly había patentado la idea de usarla para extraer calor del suelo en 1912. [22] Pero no fue hasta finales de la década de 1940 que la bomba de calor geotérmica se implementó con éxito. La primera fue probablemente el sistema de intercambio directo de 2,2 kW de fabricación casera de Robert C. Webber, pero las fuentes no están de acuerdo en cuanto a la cronología exacta de su invención. [22] J. Donald Kroeker diseñó la primera bomba de calor geotérmica comercial para calentar el Commonwealth Building (Portland, Oregón) y la demostró en 1946. [23] [24] El profesor Carl Nielsen de la Universidad Estatal de Ohio construyó la primera versión residencial de circuito abierto en su casa en 1948. [25] La tecnología se hizo popular en Suecia como resultado de la crisis del petróleo de 1973 , y ha ido creciendo lentamente en aceptación mundial desde entonces. El desarrollo de la tubería de polibutileno en 1979 aumentó en gran medida la viabilidad económica de la bomba de calor. [23] Desde el año 2000, se ha dedicado un conjunto de investigaciones convincentes a demostrar numéricamente las ventajas y la eficiencia del uso de CO2, como alternativa al agua, como fluido de transmisión de calor para la recuperación de energía geotérmica a partir de sistemas geotérmicos mejorados (EGS) donde la permeabilidad de la fuente subterránea se mejora mediante hidrofracturación. [26] [27] En 2004, había más de un millón de bombas de calor geotérmicas instaladas en todo el mundo que proporcionaban 12 GW de capacidad térmica. [28] Cada año, se instalan alrededor de 80.000 unidades en los EE. UU. y 27.000 en Suecia. [28]
La energía geotérmica es un tipo de energía renovable que fomenta la conservación de los recursos naturales. Según la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos , los sistemas de intercambio geotérmico permiten a los propietarios ahorrar entre un 30 y un 70 por ciento en costes de calefacción y entre un 20 y un 50 por ciento en costes de refrigeración, en comparación con los sistemas convencionales. [29] Los sistemas de intercambio geotérmico también ahorran dinero porque requieren mucho menos mantenimiento. Además de ser muy fiables, están diseñados para durar décadas.
Algunas empresas de servicios públicos, como Kansas City Power and Light , ofrecen tarifas especiales de invierno más bajas para los clientes de energía geotérmica, lo que supone un ahorro aún mayor. [15]
En los proyectos de calefacción geotérmica, se perfora el subsuelo mediante zanjas o perforaciones. Como ocurre con todos los trabajos subterráneos, los proyectos pueden causar problemas si no se conoce bien la geología de la zona.
En la primavera de 2007 se llevó a cabo una operación de perforación geotérmica exploratoria para proporcionar calor geotérmico al ayuntamiento de Staufen im Breisgau . Después de hundirse inicialmente unos pocos milímetros, un proceso llamado subsidencia [30] , el centro de la ciudad comenzó a elevarse gradualmente [31] causando daños considerables a los edificios del centro de la ciudad, afectando a numerosas casas históricas, incluido el ayuntamiento. Se plantea la hipótesis de que la perforación perforó una capa de anhidrita que hizo que el agua subterránea a alta presión entrara en contacto con la anhidrita, que luego comenzó a expandirse. Actualmente no se vislumbra el final del proceso de ascenso. [32] [33] [34] Los datos del satélite de radar TerraSAR-X antes y después de los cambios confirmaron la naturaleza localizada de la situación:
Se ha confirmado que la causa de estos levantamientos es un proceso geoquímico llamado hinchamiento de anhidrita . Se trata de una transformación del mineral anhidrita (sulfato de calcio anhidro) en yeso (sulfato de calcio hidratado). Una condición previa para esta transformación es que la anhidrita esté en contacto con agua, que luego se almacena en su estructura cristalina. [35] Existen otras fuentes de riesgos potenciales, a saber: ampliación de cuevas o empeoramiento de las condiciones de estabilidad, degradación de la calidad o cantidad de los recursos de agua subterránea, empeoramiento de los peligros específicos en el caso de áreas propensas a deslizamientos, empeoramiento de las características mecánicas rocosas, contaminación del suelo y del agua (es decir, debido a aditivos anticongelantes o material constructivo y de perforación contaminante). [36] El diseño definido sobre la base del conocimiento geológico, hidrogeológico y ambiental específico del sitio previene todos estos riesgos potenciales.
Durante la época romana, se hacía circular agua caliente a través de zanjas abiertas para proporcionar calefacción a los edificios y baños de Pompeya.