Geotermia de baja temperatura

Bombas de calor geotérmicas

Las bombas de calor transfieren calor de un lugar a otro utilizando electricidad. Los aires acondicionados y los refrigeradores son dos ejemplos comunes de bombas de calor. Los recursos de temperatura natural de la Tierra se pueden utilizar con la tecnología de bombas de calor para calentar y enfriar edificios. Las temperaturas a unos 9 metros por debajo de la superficie permanecen relativamente constantes durante todo el año, entre unos 10 °C (50 °F) y 15 °C (59 °F). Para la mayoría de las áreas de los Estados Unidos, esto significa que las temperaturas del suelo suelen ser más cálidas que el aire en invierno y más frías que el aire en verano.¹

Las bombas de calor geotérmicas (GHP), también conocidas como bombas de calor de fuente terrestre, aprovechan estas temperaturas subterráneas constantes para intercambiar temperaturas de manera eficiente, calentando los hogares en invierno y enfriándolos en verano. Las GHP intercambian calor con el subsuelo, a menudo a través de un pozo vertical poco profundo como se muestra en esta animación. Una GHP proporciona calefacción en la estación fría y refrigeración en la estación cálida. El sistema no quema combustible para generar calor, sino que transfiere calor desde el subsuelo al espacio en la superficie. Por lo tanto, las GHP son muy eficientes.²

Componentes del sistema de bomba de calor geotérmica

Un sistema de bomba de calor geotérmica incluye tres componentes, como se describe a continuación:³

Un colector de calor subterráneo: una bomba de calor geotérmica utiliza la tierra como fuente de calor y sumidero (almacenamiento térmico), utilizando una serie de tuberías conectadas enterradas en el suelo cerca de un edificio. El bucle se puede enterrar vertical u horizontalmente. Hace circular un fluido que absorbe o deposita calor en el suelo circundante, dependiendo de si el aire ambiente (exterior) es más frío o más cálido que el suelo.
Una bomba de calor: cuando las temperaturas ambiente son más frías que el suelo, una bomba de calor geotérmica extrae calor de los fluidos del colector, lo concentra y lo transfiere al edificio. Cuando las temperaturas ambiente son más cálidas que el suelo, la bomba de calor extrae calor del edificio y lo deposita bajo tierra.
Un subsistema de distribución de calor: generalmente se utilizan conductos convencionales para distribuir el aire caliente o frío desde la bomba de calor geotérmica por todo el edificio.

¿En qué dirección se mueve el calor en invierno, por ejemplo, en Nueva York, en una bomba de calor geotérmica?

De la superficie al subsuelo

Incorrecto

Del subsuelo a la superficie

Correcto

Colectores de calor

Las bombas de calor geotérmicas utilizan las temperaturas subterráneas constantes de la tierra poco profunda como almacenamiento térmico que permite una calefacción y refrigeración eficientes. Los sistemas pueden variar en el tipo de colector y las conexiones utilizadas.⁴ Algunos ejemplos de intercambiadores de calor utilizados para bombas de calor geotérmicas se ilustran en el siguiente diagrama:

Las GHP no requieren fracturación y normalmente oscilan entre 3 y 90 metros (10 a 300 pies) de profundidad,⁷ pero pueden ser más profundas en algunos casos. Los sistemas de circuito cerrado que se muestran en la figura anterior utilizan líquidos para mover el calor. Los bucles helicoidales representados en los dos ejemplos más superficiales promueven una fuerte extracción de temperatura en los suelos circundantes. ⁸ Una fotografía de ejemplo de estas bobinas de bomba de calor ilustra cómo maximizan el contacto con las temperaturas del subsuelo.⁹

En verano, las GHP mueven el calor de la superficie al subsuelo para que se enfríe. En invierno, las GHP mueven el calor del subsuelo a la superficie para calentar los edificios. Esto es posible debido a la temperatura constante del suelo entre 2 y 100 metros de profundidad. Los científicos miden la temperatura del suelo indirectamente a través de la temperatura del agua subterránea y pueden mostrar esta información en forma de mapa, como se muestra a continuación.

¿Qué temperatura del agua subterránea NO está presente en Texas?

13,9 °C

Correcto

16,7 °C

Incorrecto

19,4 °C

Incorrecto

22,2 °C

Incorrecto

Potencial de las bombas de calor geotérmicas

Las bombas de calor geotérmicas ya están en funcionamiento en muchos lugares de Estados Unidos, así como a nivel mundial. Con el creciente interés en el uso directo de la energía geotérmica, el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) de EE. UU. se está asociando con empresas energéticas para desarrollar sistemas de calefacción urbana en ciudades seleccionadas. Los investigadores están abordando cuestiones geotécnicas, económicas y logísticas para comprender las oportunidades y los desafíos del uso de la energía geotérmica.

Austin, Texas, tiene aproximadamente 21.000 pozos verticales de bombas de calor geotérmicas, probablemente la mayor concentración de este tipo en todo el país.
Steve Kavanaugh¹¹

A continuación, se ilustra un ejemplo de sistema de calefacción urbana a partir del trabajo de NREL. En este ejemplo, para sistemas de calefacción y refrigeración a escala comunitaria, los pozos geotérmicos se perforan potencialmente a una profundidad de 3 a 150 metros. Los pozos proporcionan a los edificios interconectados (distritos) temperaturas constantes que se utilizan tanto para calentar como para enfriar los edificios a través de bombas de calor. El distrito utiliza tuberías para que el agua pueda circular entre los edificios. En verano, una estación de energía bombea agua fría a través de tuberías a los edificios del sistema. En invierno, se bombea agua caliente a través de las tuberías mientras que el agua fría regresa a la estación de energía para recalentarse.¹²

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Créditos de imagen:

Bomba de calor geotérmica GHP en invierno y verano: U.S. Dept. of Energy, EERE
Tipos de colectores de calor subterráneos: U.S. Dept of Energy, EERE
Bobinas geotérmicas Bucles helicoidales FOGIT: Kody Nelson, El futuro de la energía geotérmica en Texas
A toda máquina: Marjorie Schott, NREL