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 la era Paleolítica. Aproximadamente setenta países hicieron uso directo de un total de 270 PJ de calefacción geotérmica en 2004. A partir de 2007, 28 GW de capacidad de calefacción geotérmica están instalados 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 del calor retenido dentro de la Tierra desde la formación original del planeta, de la desintegración radiactiva de minerales y de la energía solar absorbida en la superficie. [2] La mayor parte del calor geotérmico de alta temperatura se obtiene 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 aguas subterráneas y subterráneas con temperaturas más altas que 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 inalterado es uniformemente igual a la temperatura media anual del aire [3] y puede extraerse con una bomba de calor .
Aplicaciones
País | Producción PJ / año | Capacidad GW | Factor de capacidad | Aplicaciones dominantes |
---|---|---|---|---|
porcelana | 45,38 | 3,69 | 39% | baños |
Suecia | 43.2 | 4.2 | 33% | bombas de calor |
EE.UU | 31.24 | 7.82 | 13% | bombas de calor |
pavo | 24,84 | 1,5 | 53% | calefacción urbana |
Islandia | 24,5 | 1,84 | 42% | calefacción urbana |
Japón | 10,3 | 0,82 | 40% | bañarse ( onsens ) |
Hungría | 7,94 | 0,69 | 36% | spas / invernaderos |
Italia | 7.55 | 0,61 | 39% | spas / calefacción de espacios |
Nueva Zelanda | 7.09 | 0,31 | 73% | usos industriales |
63 otros | 71 | 6,8 | ||
Total | 273 | 28 | 31% | calefacción de espacios |
Categoría | GWh / año |
---|---|
Bombas de calor geotermales | 90,293 |
Bañarse y nadar | 33.164 |
Calefacción de espacios | 24.508 |
Calefacción de invernadero | 7.407 |
Calefacción de estanques de acuicultura | 3.322 |
Usos industriales | 2.904 |
Enfriamiento / derretimiento de nieve | 722 |
Secado agrícola | 564 |
Otros | 403 |
Total | 163,287 |
Existe una amplia variedad de aplicaciones para el calor geotérmico económico, 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 del calor geotérmico, el rango de temperatura para el sector agrícola se encuentra entre 25 ° C (77 ° F) y 90 ° C (194 ° F), 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) a medida que extraen y "amplifican" el calor. El calor geotérmico superior a 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 se utilizó 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 de plantas geotérmicas debajo de 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 de calefacción de espacios a menudo se distribuye a varios edificios, a veces a comunidades enteras. Esta técnica, practicada durante mucho tiempo en todo el mundo en lugares como Reykjavík , Islandia ; [7] Boise , Idaho ; [8] y Klamath Falls , Oregon ; [9] se conoce como calefacción urbana . [10]
Solo en Europa, 280 plantas de calefacción de distrito geotérmicas estaban en funcionamiento en 2016 según el Consejo Europeo de Energía Geotérmica (EGEC) con una capacidad total de aproximadamente 4,9 GWth. [11]
Extracción
Algunas partes del mundo, incluidas partes sustanciales del oeste de EE. UU., Están sustentadas por recursos geotérmicos relativamente poco profundos. [12] Condiciones similares existen en Islandia, partes de Japón y otros puntos calientes geotérmicos alrededor del mundo. En estas áreas, el agua o el vapor pueden capturarse de fuentes termales naturales y canalizarse 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 está caliente pero seco, se puede hacer circular aire o agua a través de tubos de tierra o intercambiadores de calor de fondo de pozo que actúan como intercambiadores de calor con el suelo.
El vapor a 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 golpeó una bolsa de magma a 2.100 m. Se construyó una caja de acero cementado en el agujero con una perforación en la parte inferior 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 áreas donde el suelo poco profundo es demasiado frío para brindar comodidad directamente, todavía es más cálido que el aire del invierno. 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 puede extraerse con una bomba de calor geotérmica de manera más eficiente que la que pueden generar los hornos convencionales. [10] Las bombas de calor geotérmicas son económicamente viables esencialmente en cualquier parte del mundo.
En teoría, la energía geotérmica (generalmente refrigeración) también se puede extraer de la infraestructura existente, como las tuberías de agua municipales. [14]
Bombas de calor geotérmicas
En regiones sin recursos geotérmicos de alta temperatura, una bomba de calor de fuente terrestre (GSHP) puede proporcionar calefacción y refrigeración de espacios. Como un refrigerador o aire acondicionado, estos sistemas utilizan una bomba de calor para forzar la transferencia de calor del suelo al edificio. El calor se puede extraer de cualquier fuente, no importa qué tan 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 (generalmente a partir de 10-12 ° C o 50-54 ° 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 bucles de tubería cerrados enterrados en el suelo. Los sistemas de una sola casa pueden ser sistemas de "campo de bucle vertical" con perforaciones de 50 a 400 pies (15 a 120 m) de profundidad o, [16] si hay suficiente terreno disponible para zanjas extensas, se instala un "campo de bucle 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 re-enfriado se envía de regreso al suelo, continuando así el ciclo. El calor extraído y el generado por la bomba de calor como subproducto se utiliza para calentar la casa. La adición del circuito de calefacción del suelo en la ecuación de energía significa que se puede transferir significativamente más calor a un edificio que si se hubiera utilizado directamente la electricidad para la calefacción.
Al cambiar la dirección del flujo de calor, se puede utilizar el mismo sistema para hacer circular el agua enfriada a través de la casa para enfriarla en los meses de verano. El calor se expulsa al suelo relativamente más frío (o al agua subterránea) en lugar de entregarlo al aire exterior caliente 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 de fuentes terrestres sea económicamente viable en cualquier ubicación geográfica. En 2004, se estima que un millón de bombas de calor de fuente terrestre con una capacidad total de 15 GW extrajeron 88 PJ de energía térmica para calefacción de espacios. La capacidad mundial de la bomba de calor de fuente terrestre está creciendo un 10% anual. [1]
Historia
Las aguas termales se han utilizado para bañarse al menos desde el Paleolítico. [17] El balneario 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 se construyó más tarde 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 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. Un jacuzzi de 1.000 años de antigüedad se ha ubicado en Islandia , donde fue construido por uno de los colonos originales de la isla. [20] El sistema de calefacción urbana geotérmica 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 de distrito de Estados Unidos en Boise, Idaho , fue alimentado directamente por energía geotérmica y pronto fue copiado en Klamath Falls, Oregon en 1900. Un pozo geotérmico profundo se usó 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 usarse para calentar 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 usarla para extraer calor del suelo en 1912. [22] Pero no fue hasta finales de la década de 1940 cuando la bomba de calor geotérmica se implementó con éxito. El más antiguo fue probablemente el sistema de intercambio directo de 2,2 kW hecho en casa de Robert C. Webber, pero las fuentes no están de acuerdo en cuanto a la línea de tiempo exacta de su invención. [22] J. Donald Kroeker diseñó la primera bomba de calor geotérmica comercial para calentar el edificio Commonwealth (Portland, Oregon) y lo 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 la tubería de polibutileno en 1979 aumentó enormemente la viabilidad económica de la bomba de calor. [23] En 2004, hay más de un millón de bombas de calor geotérmicas instaladas en todo el mundo que proporcionan 12 GW de capacidad térmica. [26] Cada año, se instalan unas 80.000 unidades en Estados Unidos y 27.000 en Suecia. [26]
Ciencias económicas
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. [27] Los sistemas de intercambio geográfico también ahorran dinero porque requieren mucho menos mantenimiento. Además de ser altamente confiables, 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 ofrece aún más ahorros. [15]
Riesgos de perforación geotérmica
En los proyectos de calefacción geotérmica, el subsuelo es penetrado por trincheras 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 hundir inicialmente unos pocos milímetros, un proceso llamado subsidencia , [28] el centro de la ciudad ha comenzado a aumentar gradualmente [29] causando daños considerables a los edificios en el centro de la ciudad, que afecta a numerosos edificios históricos, como el Ayuntamiento. Se plantea la hipótesis de que la perforación perforó una capa de anhidrita que trajo agua subterránea a alta presión para entrar en contacto con la anhidrita, que luego comenzó a expandirse. Actualmente, no se vislumbra un final para el proceso de ascenso. [30] [31] [32] 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 un proceso geoquímico llamado hinchamiento de anhidrita es la causa de estos levantamientos . 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 el agua, que luego se almacena en su estructura cristalina. [33] Existen otras fuentes de riesgos potenciales, por ejemplo: ampliación de la cueva o empeoramiento de las condiciones de estabilidad, degradación de la calidad o cantidad de los recursos de agua subterránea, empeoramiento del peligro específico en el caso de áreas propensas a deslizamientos de tierra, empeoramiento de las características mecánicas de las rocas, del suelo y del agua contaminación (es decir, debido a aditivos anticongelantes o material constructivo y aburrido contaminante). [34] El diseño definido sobre la base de conocimientos geológicos, hidrogeológicos y ambientales específicos del lugar previene todos estos riesgos potenciales.
Ver también
- Energía solar geotérmica anualizada
- Calefacción urbana
- Gradiente geotérmico profundo en la tierra.
- Geotermia (geología)
- Energía geotermica
- Bomba de calor geotérmica
- Teorema de Carnot (termodinámica)
Referencias
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enlaces externos
- Eficiencia energética y energías renovables (EERE) - Programa de tecnologías geotérmicas
- Laboratorio Nacional de Idaho - Energía geotérmica
- Instituto de Tecnología de Oregon - Centro Geo-Heat
- Universidad Metodista del Sur - Laboratorio geotérmico
- Programa de Tecnologías Geotérmicas en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable de EE. UU.
- La Coalición Canadiense de GeoExchange