La calefacción geotérmica es el uso directo de energía geotérmica para algunas aplicaciones de calefacción. Los humanos han aprovechado el calor geotérmico de esta manera desde el Paleolítico. 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 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, el suelo y el agua subterránea se pueden encontrar 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 perturbada se mantiene constantemente en 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, incluida la calefacción de casas, invernaderos, baños y natación o usos industriales. La mayoría de las aplicaciones utilizan geotermia 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 de calor geotérmico, el rango de temperatura para el sector agrícola se encuentra entre 25 °C (77 °F) y 90 °C (194 °F), para 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) mientras 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 calefacción de espacios y un tercio para spas. [1] El resto se utilizó para una variedad de procesos industriales, desalinización, agua caliente sanitaria y aplicaciones agrícolas. Las ciudades de Reykjavík y Akureyri canalizan agua caliente desde plantas geotérmicas debajo de 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 espacios a menudo se distribuye a varios edificios, a veces a comunidades enteras. Esta técnica, practicada 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, según el Consejo Europeo de Energía Geotérmica (EGEC), en 2016 estaban en funcionamiento 280 plantas de calefacción urbana geotérmica con una capacidad total de aproximadamente 4,9 GWth. [11]
Algunas partes del mundo, incluidas porciones sustanciales del oeste de Estados Unidos, están sustentadas por recursos geotérmicos relativamente poco profundos. [12] Existen condiciones similares en Islandia, partes de Japón y otros puntos calientes geotérmicos en todo el mundo. En estas áreas, se puede capturar agua o vapor de fuentes termales naturales y canalizarlos directamente a radiadores o intercambiadores de calor . Alternativamente, el calor puede provenir del calor residual suministrado por 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 una amplia gama geográfica. Si el terreno poco profundo está 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 recursos geotérmicos profundos también se utiliza para generar electricidad a partir de energía geotérmica. El Proyecto de Perforación Profunda de Islandia encontró una bolsa de magma a 2.100 m. En el agujero se construyó una caja de acero cementada con una perforación en el fondo cerca del magma. Las altas temperaturas y 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 áreas donde el terreno poco profundo es demasiado frío para brindar comodidad directamente, aún hace más calor que el aire invernal. La inercia térmica del terreno poco profundo retiene la energía solar acumulada en verano, y las variaciones estacionales en 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 manera más eficiente que con los hornos convencionales. [10] Las bombas de calor geotérmicas son económicamente viables esencialmente en cualquier parte del mundo.
En teoría, la energía geotérmica (normalmente refrigeración) también se puede extraer de la infraestructura existente, como las tuberías de agua municipales. [14]
En regiones sin recursos geotérmicos de alta temperatura, una bomba de calor de fuente terrestre (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 al edificio. El calor se puede extraer de cualquier fuente, sin importar cuán fría sea, pero una fuente más cálida permite una mayor eficiencia. Una bomba de calor de fuente terrestre utiliza el suelo poco profundo o el agua subterránea (normalmente a partir de 10 a 12 °C o 50 a 54 °F) como fuente de calor, aprovechando así sus temperaturas moderadas estacionalmente. [15] Por el contrario, una bomba de calor de fuente de aire extrae calor del aire (aire exterior más frío) y, por lo tanto, requiere más energía.
Los GSHP hacen circular un fluido portador (generalmente una mezcla de agua y pequeñas cantidades de anticongelante) a través de circuitos de tuberías cerrados enterrados en el suelo. Los sistemas de viviendas unifamiliares pueden ser sistemas de "campo de circuito vertical" con perforaciones de 50 a 400 pies (15 a 120 m) de profundidad o, [16] si hay terreno adecuado disponible para zanjas extensas, se instala un "campo de circuito horizontal" aproximadamente 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 devuelve al suelo, continuando así el ciclo. El calor extraído y el generado como subproducto por el aparato de bomba de calor se utiliza para calentar la casa. La adición del circuito de calefacción terrestre a la ecuación energética significa que se puede transferir significativamente más calor a un edificio que si se hubiera utilizado electricidad sola directamente para calefacción.
Al cambiar la dirección del flujo de calor, se puede utilizar el mismo sistema para hacer circular el agua enfriada por la casa para enfriarla en los meses de verano. El calor se expulsa al suelo (o agua subterránea) relativamente más frío en lugar de entregarlo al aire caliente exterior como lo hace un aire acondicionado. 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 estima 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 las bombas de calor geotérmicas está creciendo un 10% anualmente. [1]
Las aguas termales se utilizan 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 durante 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 la 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 del lugar para alimentar baños públicos y calefacción por suelo radiante . [19] El precio de la entrada a estos baños probablemente representa el primer uso comercial de la energía geotérmica. En Islandia se ha localizado un jacuzzi de 1.000 años de antigüedad , 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 en funcionamiento 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 fue copiado en Klamath Falls, Oregón en 1900. Se utilizó un pozo geotérmico profundo para calentar invernaderos en Boise en 1926, y se utilizaron géiseres. para calentar invernaderos en Islandia y Toscana aproximadamente al mismo tiempo. [21] Charlie Lieb desarrolló el primer intercambiador de calor de fondo de pozo en 1930 para calentar su casa. El vapor y el agua caliente de los géiseres comenzaron a utilizarse para calentar los hogares en Islandia en 1943.
Para entonces, Lord Kelvin ya había inventado la bomba de calor en 1852, y Heinrich Zoelly había patentado la idea de utilizarla para extraer calor del suelo en 1912. [22] Pero no fue hasta finales de la década de 1940 que apareció la bomba de calor geotérmica. fue implementado exitosamente. El primero fue probablemente el sistema de intercambio directo de 2,2 kW hecho en casa por Robert C. Webber, pero las fuentes no están de acuerdo en cuanto a la fecha exacta de su invención. [22] J. Donald Kroeker diseñó la primera bomba de calor geotérmica comercial para calentar el edificio Commonwealth (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 desde entonces ha ido creciendo lentamente en aceptación mundial. El desarrollo de tuberías de polibutileno en 1979 aumentó enormemente la viabilidad económica de la bomba de calor. [23] Desde 2000, se ha dedicado un conjunto convincente de investigaciones a evidenciar numéricamente las ventajas y la eficiencia del uso de CO2, una alternativa al agua, como fluido de transmisión de calor para la recuperación de energía geotérmica de sistemas geotérmicos mejorados (EGS) donde la permeabilidad del subsuelo La fuente se mejora mediante hidrofractura. [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 Estados Unidos 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 EE. UU ., los sistemas de intercambio geográfico ahorran a los propietarios entre un 30 y un 70 por ciento en costos de calefacción y entre un 20 y un 50 por ciento en costos de refrigeración, en comparación con los sistemas convencionales. [29] Los sistemas de intercambio geográfico también ahorran dinero porque requieren mucho menos mantenimiento. Además de ser muy fiables, están fabricados 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 ofrece aún más ahorros. [15]
En los proyectos de calefacción geotérmica, el subsuelo se penetra mediante zanjas o perforaciones. Como ocurre con todos los trabajos subterráneos, los proyectos pueden causar problemas si no se comprende bien la geología del área.
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 hundimiento , [30] el centro de la ciudad ha comenzado 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 , lo 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 ascendente. [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, es decir: ampliación de cuevas o empeoramiento de las condiciones de estabilidad, degradación de la calidad o cantidad de los recursos de agua subterránea, empeoramiento de peligros específicos en el caso de áreas propensas a deslizamientos de tierra, empeoramiento de las características mecánicas de las rocas, el suelo y el agua. contaminación (es decir, debido a aditivos anticongelantes o material constructivo y de perforación contaminante). [36] El diseño definido sobre la base de conocimientos geológicos, hidrogeológicos y medioambientales específicos del lugar previene todos estos riesgos potenciales.
Durante la época romana, se hacía circular agua caliente a través de zanjas abiertas para calentar los edificios y baños de Pompeya.