El almacenamiento de energía térmica de los acuíferos (ATES) es el almacenamiento y la recuperación de energía térmica en el subsuelo. ATES se aplica para proporcionar calefacción y refrigeración a edificios. El almacenamiento y la recuperación de energía térmica se logra mediante la extracción e inyección de agua subterránea de los acuíferos utilizando pozos de agua subterránea. Los sistemas normalmente operan en un modo estacional. El agua subterránea que se extrae en verano, se utiliza para enfriar transfiriendo calor del edificio al agua subterránea mediante un intercambiador de calor.. Posteriormente, el agua subterránea calentada se inyecta nuevamente en el acuífero, lo que crea un almacenamiento de agua subterránea calentada. En invierno, la dirección del flujo se invierte de modo que el agua subterránea calentada se extrae y se puede utilizar para calefacción (a menudo en combinación con una bomba de calor ). Por lo tanto, el funcionamiento de un sistema ATES utiliza el subsuelo como almacenamiento temporal para amortiguar las variaciones estacionales en la demanda de calefacción y refrigeración. Al reemplazar los sistemas tradicionales de calefacción y refrigeración dependientes de combustibles fósiles, ATES puede servir como una tecnología rentable para reducir el consumo de energía primaria de un edificio y las emisiones de CO2 asociadas.
En la Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático de 2009 en Copenhague, Dinamarca, muchos países y regiones se fijaron metas para la protección del clima global . La Unión Europea también estableció el objetivo de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero , aumentar el uso de energía sostenible y mejorar la eficiencia energética . Para este objetivo, ATES puede contribuir de manera significativa, ya que alrededor del 40% del consumo mundial de energía lo realizan los edificios, y se destina principalmente a calefacción y refrigeración . [1] Por lo tanto, se ha prestado mucha atención al desarrollo de ATES y el número de ATES ha aumentado drásticamente, especialmente en Europa. Por ejemplo, en los Países Bajos, se estimó que se podrían lograr unos 20.000 sistemas ATES para 2020. [2] Esto puede producir una reducción de emisiones de CO2 de aproximadamente un 11%, para el objetivo de los Países Bajos. Además de los Países Bajos, Bélgica, Alemania, Turquía y Suecia también están aumentando la aplicación de ATES. ATES se puede aplicar en todo el mundo, siempre que las condiciones climáticas y geohidrológicas sean las adecuadas. [3] Dado que los sistemas ATES se acumulan en áreas urbanas, la optimización del espacio subterráneo requiere atención en áreas con condiciones adecuadas. [4]
Tipos de sistema
En su forma básica, un sistema ATES consta de dos pozos (llamados doblete). Un pozo se utiliza para almacenamiento de calor y el otro para almacenamiento en frío. Durante el invierno, el agua subterránea (cálida) se extrae del pozo de almacenamiento de calor y se inyecta en el pozo de almacenamiento en frío. Durante el verano, la dirección del flujo se invierte de modo que el agua subterránea (fría) se extrae del pozo de almacenamiento en frío y se inyecta en el pozo de almacenamiento de calor. Debido a que cada pozo sirve tanto como pozo de extracción como de inyección, estos sistemas se denominan bidireccionales. [5] También existen sistemas unidireccionales. Estos sistemas no cambian de dirección de bombeo, por lo que el agua subterránea siempre se extrae a la temperatura natural del acuífero. Aunque la energía térmica se almacena en el subsuelo, generalmente no hay intención de recuperar la energía almacenada.
El almacenamiento de energía térmica también se puede lograr haciendo circular un fluido a través de un intercambiador de calor enterrado , que generalmente consiste en una tubería horizontal o vertical. Como estos sistemas no extraen ni inyectan agua subterránea, se denominan sistemas cerrados y se conocen como almacenamiento de energía térmica de pozo o bombas de calor de fuente terrestre . Otra aplicación térmica que usa el subsuelo para proporcionar energía térmica es la producción de energía geotérmica , que comúnmente usa el subsuelo más profundo donde la temperatura es más alta.
Historia
El primer almacenamiento deliberado de energía térmica en los acuíferos fue en China alrededor de 1960. [6] Los primeros sistemas ATES se construyeron para refrigeración industrial en Shanghai. [7] Allí, se extrajeron grandes cantidades de agua subterránea para suministrar refrigeración, en particular a las fábricas textiles. [7] Esto condujo a un hundimiento sustancial de la tierra. Para inhibir el hundimiento, se volvió a inyectar agua fría de la superficie al acuífero. Posteriormente, se observó que el agua almacenada permanecía fría después de la inyección y podía usarse para enfriamiento industrial. El almacenamiento de energía térmica en acuíferos se sugirió además en la década de 1970, lo que condujo a experimentos de campo y estudios de viabilidad en Francia, Suiza, Estados Unidos y Japón. [8] No existen estadísticas oficiales sobre el número y el tamaño de los sistemas ATES en todo el mundo. Sin embargo, en todo el mundo hay actualmente más de 2800 sistemas ATES en funcionamiento, que extraen más de 2,5 TWh de calefacción y refrigeración por año. [7] Se considera que los Países Bajos y Suecia dominan el mercado en términos de implementación. [6] El 85% de todos los sistemas se encuentran en los Países Bajos, y otro 10% se encuentra en Suecia, Dinamarca y Bélgica. [7] En 2012, había aproximadamente 104 sistemas ATES en Suecia con una capacidad total de 110 MW. [9] El número de sistemas ATES en los Países Bajos en el mismo año fue de 2740, con una capacidad total estimada de 1103 MW. [10]
Dimensiones típicas
Los caudales para aplicaciones típicas en el sector de servicios públicos están entre 20 y 150 m 3 / hora para cada pozo. El volumen total 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. [11] La profundidad a la que se aplica ATES varía normalmente entre 20 y 200 metros por debajo de la superficie. La temperatura a estas profundidades generalmente se acerca a la temperatura media anual de la superficie. En climas moderados, ronda los 10 ° C. En esas regiones, el almacenamiento en frío se aplica comúnmente entre 5 y 10 ° C y el almacenamiento de calor en el rango de 10 a 20 ° C. Aunque con menor frecuencia, también se informaron algunos proyectos en los que se almacenó calor por encima de los 80 ° C. [12] [13]
Restricciones hidrogeológicas
Los ahorros de energía que se pueden lograr con ATES dependen en gran medida de la geología de un sitio. Principalmente, ATES requiere la presencia de un acuífero adecuado que pueda aceptar y producir agua. Por lo tanto, se seleccionan acuíferos arenosos gruesos (> 10 m). El flujo de agua subterránea natural puede transportar (parte de) la energía almacenada fuera de la zona de captura de un pozo durante la fase de almacenamiento. [14] Para reducir la pérdida de calor por advección, se prefieren los acuíferos con un gradiente hidráulico bajo. Además, deben evitarse los gradientes en la composición geoquímica, ya que la mezcla de agua con diferentes geoquímicas puede aumentar la obstrucción, lo que reducirá el rendimiento de un pozo y conducirá a mayores costos de mantenimiento.
Estatus legal
El estatus legal de las instalaciones geotérmicas someras (<400 m) es diverso entre países. [15] Las regulaciones para la instalación de pozos se refieren al uso de materiales peligrosos y al relleno adecuado del pozo de perforación para evitar cortocircuitos hidráulicos entre acuíferos. Otra legislación se refiere a la protección de las áreas de aguas subterráneas para el suministro de agua potable. [16] Algunos países adoptan límites para las temperaturas máximas y mínimas de almacenamiento. Por ejemplo, Austria (5–20 ° C), Dinamarca (2–25 ° C) y Países Bajos (5–25 ° C). Mientras que otros países adoptan un cambio máximo en la temperatura del agua subterránea, por ejemplo Suiza (3 ° C) y Francia (11 ° C). [15]
Interferencia con etenos clorados (CVOC)
Actualmente, ATES no está permitido para ser aplicado en acuíferos contaminados, debido a la posible propagación de contaminantes en las aguas subterráneas del subsuelo, [17] especialmente en áreas urbanas. Esto conducirá al deterioro de la calidad del agua subterránea, que también es una fuente importante de agua potable. A pesar de las regulaciones hechas para prevenir la interferencia entre los ATES y los contaminantes de las aguas subterráneas, la posibilidad de que se encuentren está aumentando debido al rápido aumento del número de ATES y al lento progreso de la remediación de las contaminaciones de las aguas subterráneas en áreas urbanas. Entre los contaminantes comunes del agua subterránea, los etenos clorados tienen más posibilidades de interferir con el sistema ATES, ya que a menudo se encuentran a una profundidad similar a la del ATES. Cuando los etenos clorados están presentes como líquido denso en fase no acuosa (DNAPL), la posible disolución de DNAPL por ATES causará un impacto más severo en la calidad del agua subterránea. [18]
Posible aplicación en área contaminada
La posible interferencia entre ATES y etenos clorados también se ha visto como una oportunidad de integración de la tecnología energética sostenible y la gestión sostenible de las aguas subterráneas. La combinación de ATES y biorremediación mejorada se introdujo por primera vez en el proyecto “More with SubSurface Energy” (Meer conoció a Bodemenergie, MMB) en los Países Bajos en 2009. [19] Varias razones científicas y prácticas son los fundamentos para ver dicha combinación como una posibilidad prometedora . [20] El aumento de temperatura alrededor del pozo caliente puede mejorar la decloración reductora de etenos clorados. Aunque la baja temperatura en el pozo frío puede obstaculizar la biodegradación, la operación estacional de ATES puede transferir contaminantes del pozo frío al pozo caliente para una biodegradación más rápida. Este transporte de agua subterránea estacional también puede homogeneizar las condiciones ambientales. ATES también se puede utilizar como bioestimulación, por ejemplo, para inyectar un donante de electrones o un microorganismo necesario para la decloración reductora. Finalmente, el tiempo de vida de ATES (30 años) se ajusta a la larga duración de la biorremediación in situ.
Impactos sociales
El concepto de combinación de ATES y atenuación natural mejorada (ATES-ENA) se puede utilizar posiblemente en los Países Bajos y China, especialmente en áreas urbanizadas. Estas áreas en ambos países se enfrentan a contaminaciones orgánicas de aguas subterráneas. Actualmente, el concepto de combinación puede aplicarse mejor a los Países Bajos con una tecnología y una aplicación más maduras de ATES. Y la superposición entre ATES y la contaminación del agua subterránea también promueve la necesidad de esta tecnología combinada. Sin embargo, para China, donde ATES está mucho menos desarrollado en comparación con los Países Bajos, las ventajas importantes son que se pueden configurar muchos más proyectos piloto de demostración antes de las aplicaciones reales, y se pueden desarrollar sistemas flexibles debido a la presión menos intensa sobre el uso del subsuelo. por ATES en comparación con los Países Bajos. [20] Para el desarrollo urbano sostenible, la tecnología combinada ATES-ENA puede contribuir a la solución de problemas energéticos y medioambientales.
Referencias
- ^ De Rosa, Mattia; Bianco, Vincenzo; Scarpa, Federico; Tagliafico, Luca A. (2014). "Evaluación de la demanda energética de edificios de calefacción y refrigeración; un modelo simplificado y un enfoque grado-día modificado". Energía aplicada . 128 : 217-229. doi : 10.1016 / j.apenergy.2014.04.067 .
- ^ Godschalk, MS; Bakema, G. (2009). "20.000 sistemas ATES en los Países Bajos en 2020: gran paso hacia un suministro de energía sostenible" (PDF) . Procedimientos Effstock . Archivado desde el original (PDF) el 13 de junio de 2013 . Consultado el 14 de octubre de 2016 .
- ^ Bloemendal, M .; Olsthoorn, TO; van de Ven, F. (2015). "Combinando las condiciones previas climáticas y geohidrológicas como método para determinar el potencial mundial para el almacenamiento de energía térmica de los acuíferos" . Ciencia del Medio Ambiente Total . 538 : 104-114. Código Bibliográfico : 2015ScTEn.538..621B . doi : 10.1016 / j.scitotenv.2015.07.084 . PMID 26322727 .
- ^ Bloemendal, M .; Olsthoorn, TO; Bendiciones, F. (2014). "Cómo lograr un uso óptimo y sostenible del subsuelo para el almacenamiento de energía térmica del acuífero". Política energética . 66 : 621. doi : 10.1016 / j.enpol.2013.11.034 .
- ^ Dickinson, JS; Buik, N .; Matthews, MC; Snijders, A. (2009). "Almacenamiento de energía térmica de acuíferos: análisis teórico y operacional". Geotecnia . 59 (3): 249–260. doi : 10.1680 / geot.2009.59.3.249 . ISSN 0016-8505 .
- ^ a b Paksoy, Halime Ö., Ed. (2007). Almacenamiento de energía térmica para un consumo energético sostenible: fundamentos, estudios de casos y diseño . Serie de ciencia de la OTAN. Serie II, Matemáticas, física y química. 234 . Springer Science & Business Media . ISBN 9781402052903. LCCN 2007475275 . OCLC 80331468 .
- ^ a b c d Fleuchaus, P., Godschalk, B., Stober, I., Blum, P., ed. (2018). "Aplicación mundial del almacenamiento de energía térmica de los acuíferos - Una revisión". Revisiones de energías renovables y sostenibles. 94 : 861–876. doi : 10.1016 / j.rser.2018.06.057 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Tsang, CF, D. Hopkins y G. Hellstrom, Almacenamiento de energía térmica en acuíferos: una encuesta. 1980, Laboratorio Lawrence Berkeley.
- ^ Andersson, O., J. Ekkestubbe y A. Ekdahl, UTES (almacenamiento subterráneo de energía térmica): aplicaciones y desarrollo del mercado en Suecia. J. Energ. Pow. Eng, 2013. 7: pág. 669
- ^ CBS, Hernieuwbare energie in Nederland 2012 (Energía renovable en Holanda 2012). 2013, Centraal bureau voor de statistiek: Den Haag
- ^ Bakr, M., van Oostrom, N. y Sommer, W., 2013. Eficiencia e interferencia entre múltiples sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuíferos; Un estudio de caso holandés. Energía renovable, 60: 53–62.
- ^ Kabus, F., Wolfgramm, M., Seibt, A., Richlak, U. y Beuster, H., 2009. Almacenamiento de energía térmica de acuíferos en Neubrandenburg: supervisión durante tres años de funcionamiento regular ”, Actas de la 11ª Conferencia Internacional sobre almacenamiento de energía.
- ^ Sanner, B., Kabus, F., Seibt, P. y Bartels, J., 2005. Almacenamiento subterráneo de energía térmica para el Parlamento alemán en Berlín, concepto del sistema y experiencias operativas, Proceedings world geothermal congress, págs. 1-8 .
- ^ Sommer, W., Valstar, J., Gaans, P., Grotenhuis, T. y Rijnaarts, H., 2013. El impacto de la heterogeneidad del acuífero en el rendimiento del almacenamiento de energía térmica del acuífero. Water Resources Research, 49 (12): 8128–8138.
- ^ a b Haehnlein, S., Bayer, P. y Blum, P., 2010. Estado legal internacional del uso de energía geotérmica superficial. Revisiones de energías renovables y sostenibles, 14 (9): 2611–2625.
- ^ Bonte, M., Stuyfzand, PJ, Hulsmann, A. y Van Beelen, P., 2011. Almacenamiento subterráneo de energía térmica: riesgos ambientales y desarrollos de políticas en los Países Bajos y la Unión Europea. Ecol Soc, 16 (1): 22.
- ^ Zuurbier, KG, Hartog, N., Valstar, J., Post, VE y van Breukelen, BM, 2013. El impacto de los sistemas de almacenamiento de energía térmica de acuíferos estacionales de baja temperatura (SATES) en aguas subterráneas contaminadas con disolventes clorados: modelado de la propagación y degradación. Revista de hidrología contaminante, 147: 1-13.
- ^ Parker, JC y Park, E., 2004. Modelado de la cinética de disolución de líquidos en fase no acuosa densa a escala de campo en acuíferos heterogéneos. Investigación de recursos hídricos, 40 (5).
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 23 de agosto de 2015 . Consultado el 3 de septiembre de 2015 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ a b Ni, Z. (2015) Biorremediación en almacenamiento de energía térmica de acuíferos. Disertación (en prensa), Universidad de Wageningen.