El almacenamiento de energía térmica en acuíferos (ATES) es el almacenamiento y la recuperación de energía térmica en acuíferos subterráneos . ATES puede calentar y enfriar edificios. El almacenamiento y la recuperación se logran mediante la extracción e inyección de agua subterránea mediante pozos . Los sistemas suelen funcionar en modos estacionales. El agua subterránea que se extrae en verano realiza la refrigeración transfiriendo calor del edificio al agua por medio de un intercambiador de calor . El agua subterránea calentada se reinyecta en el acuífero, que almacena el agua calentada. En invierno, el flujo se invierte: se extrae el agua subterránea calentada (a menudo se alimenta a una bomba de calor ).
Un sistema ATES utiliza el acuífero para amortiguar los cambios estacionales en la demanda de calefacción y refrigeración. El sistema ATES puede servir como una tecnología rentable para reemplazar los sistemas que dependen de combustibles fósiles y las emisiones de CO2 asociadas .
Los sistemas ATES pueden contribuir significativamente a la reducción de emisiones, ya que los edificios consumen alrededor del 40% de la energía global , principalmente para calefacción y refrigeración . [1] El número de sistemas ATES ha aumentado drásticamente, especialmente en Europa. [2] Bélgica, Alemania, Turquía y Suecia también están aumentando la aplicación de ATES. Los ATES se pueden aplicar donde las condiciones climáticas y geohidrológicas sean apropiadas. [3] La optimización del espacio subterráneo requiere atención en áreas con condiciones adecuadas. [4]
Los sistemas ATES bidireccionales constan de dos pozos (un doblete). Uno se utiliza para el almacenamiento de calor y el otro para el almacenamiento de frío. Durante el invierno, se extrae agua subterránea (caliente) del pozo de almacenamiento de calor y se inyecta en el pozo de almacenamiento de frío. Durante el verano, la dirección del flujo se invierte de modo que el agua subterránea (fría) se extrae del pozo de almacenamiento de frío y se inyecta en el pozo de almacenamiento de calor. [5]
Los sistemas monodireccionales no cambian la dirección de bombeo, de modo que el agua subterránea siempre se extrae a la temperatura natural del acuífero. Aunque la energía térmica se almacena en el subsuelo, normalmente no existe intención de recuperarla.
Los sistemas cerrados almacenan energía haciendo circular un fluido a través de un intercambiador de calor enterrado que suele consistir en una tubería horizontal o vertical. Estos sistemas no extraen ni inyectan agua subterránea. También se conocen como sistemas de almacenamiento de energía térmica de pozos o bombas de calor geotérmicas .
La producción de energía geotérmica comúnmente utiliza el subsuelo más profundo, donde las temperaturas son más altas.
El primer almacenamiento deliberado de energía térmica en acuíferos del que se tiene noticia se produjo en China alrededor de 1960. [6] Los primeros sistemas ATES se construyeron para refrigeración industrial en Shanghái, donde se extraían grandes cantidades de agua subterránea para enfriar fábricas textiles. [7] Esto provocó un hundimiento sustancial del terreno. Para inhibirlo, se reinyectó agua superficial fría en el acuífero. Posteriormente, se observó que el agua almacenada permanecía fría después de la inyección y podía utilizarse para refrigeración. El almacenamiento de energía térmica en acuíferos se sugirió en la década de 1970, lo que dio lugar a experimentos de campo y estudios de viabilidad en Francia, Suiza, Estados Unidos y Japón. [8]
En 2009, en los Países Bajos se utilizó ATES como parte de una biorremediación mejorada . [9]
En 2018, había más de 2800 sistemas ATES en funcionamiento, que proporcionaban más de 2,5 TWh de calefacción y refrigeración al año. [7] Los Países Bajos y Suecia dominaban el mercado. [6] El 85 % de todos los sistemas se ubicaban en los Países Bajos, mientras que otro 10 % se encontraba en Suecia, Dinamarca y Bélgica. [7]
Los caudales para aplicaciones típicas están entre 20 y 150 m 3 /hora/pozo. El volumen de agua subterránea que se almacena y recupera en un año generalmente varía entre 10 000 m 3 y 150 000 m 3 por pozo. [10] La profundidad del sistema ATES suele estar entre 20 y 200 metros. La temperatura a estas profundidades suele estar cerca de la temperatura media anual de la superficie. En climas moderados, esta es de alrededor de 10 °C. En esas regiones, el almacenamiento en frío se aplica comúnmente entre 5 y 10 °C y el almacenamiento en calor en el rango de 10 a 20 °C. Aunque es menos frecuente, algunos proyectos almacenan calor por encima de los 80 °C. [11] [12]
Los ahorros de energía que se pueden lograr con ATES dependen en gran medida de la geología del sitio. ATES requiere la presencia de un acuífero adecuado que sea capaz de aceptar y producir agua. Por ejemplo, la roca sólida limita el acceso al acuífero. Los acuíferos arenosos gruesos (>10 m) son óptimos. Se requiere una conductividad hidráulica suficiente, lo suficiente para que el agua fluya fácilmente. Sin embargo, el exceso de flujo de agua subterránea puede transportar (parte de) la energía almacenada fuera de la zona de captura de un pozo durante la fase de almacenamiento. [13] Para reducir la pérdida de calor advectivo , se prefieren acuíferos con un gradiente hidráulico bajo. Además, se deben evitar los gradientes en la composición geoquímica, ya que la mezcla de agua con geoquímica heterogénea puede aumentar la obstrucción, lo que reduce el rendimiento y aumenta los costos de mantenimiento.
El estatus legal de las instalaciones geotérmicas superficiales (<400 m) varía según los países. [14] Las regulaciones para las instalaciones se refieren al uso de materiales peligrosos y al relleno adecuado del pozo para evitar cortocircuitos hidráulicos entre acuíferos. Otras regulaciones se refieren a la protección de las áreas de agua subterránea para agua potable. [15] Algunos países limitan las temperaturas mínimas y máximas de almacenamiento. Por ejemplo, Austria (5–20 °C), Dinamarca (2–25 °C) y los Países Bajos (5–25 °C). Otros países adoptan un cambio máximo en la temperatura del agua subterránea, por ejemplo, Suiza (3 °C) y Francia (11 °C). [14]
No se permite que los ATES procesen acuíferos contaminados debido a la posible propagación de la contaminación de las aguas subterráneas, [16] especialmente en áreas urbanas. Sin embargo, la posibilidad de encontrar contaminación está aumentando debido al rápido aumento del número de ATES y al lento progreso de la remediación de aguas subterráneas contaminadas en áreas urbanas. Entre los contaminantes comunes, los etenos clorados son los que tienen más posibilidades de interferir con los sistemas ATES, ya que a menudo se encuentran a profundidades similares. Cuando los etenos clorados se presentan como líquido denso en fase no acuosa (DNAPL), la posible disolución de DNAPL por ATES aumentará el impacto en la calidad de las aguas subterráneas. [17]
La presencia de ATES y etenos clorados ofrece la posibilidad de integrar la tecnología de energía sostenible y la gestión sostenible de las aguas subterráneas. [18] El aumento de la temperatura alrededor del pozo cálido puede mejorar la decloración reductiva de los etenos clorados. Aunque la baja temperatura en el pozo frío puede obstaculizar la biodegradación, el funcionamiento estacional de ATES puede transferir contaminantes del pozo frío al pozo caliente para una remediación más rápida. Este transporte estacional de las aguas subterráneas puede homogeneizar las condiciones ambientales.
ATES se puede utilizar como bioestimulación, por ejemplo para inyectar donadores de electrones o microorganismos necesarios para la decloración reductiva.
La vida útil de los ATES (30 años) se ajusta a la duración requerida de la biorremediación in situ.
El concepto de combinación de ATES y atenuación natural mejorada (ATES-ENA) puede posiblemente utilizarse en los Países Bajos y China, especialmente en áreas urbanizadas. Estas áreas enfrentan contaminación orgánica de las aguas subterráneas. Actualmente, el concepto de combinación puede ser más aplicable para los Países Bajos, que ofrecen tecnología más madura y mayor experiencia. Sin embargo, para China, donde ATES está mucho menos desarrollado, se pueden evaluar proyectos piloto de demostración antes de las aplicaciones de producción, y se pueden desarrollar sistemas flexibles debido a la menor presión intensa sobre el uso del subsuelo por ATES. [18]
Un estudio de 2023 informó que ATES podría reducir el uso de energía en calefacción y refrigeración de hogares y empresas estadounidenses en un 40 por ciento. [19]