Geotermia de baja entalpía, un recurso renovable en el ahorro energético en edificación

¿Qué es la geotermia? Si consultamos el diccionario de la Real Academia Española de la Lengua (www.rae.es), encontramos dos acepciones para el término:
1. f. Conjunto de los fenómenos térmicos internos del globo terrestre.
2. f. Estudio científico de estos fenómenos, considerados como una fuente de energía.
El presente artículo se centra en la segunda acepción y, más concretamente, en la aplicación directa del mencionado estudio científico y de la tecnología asociada al aprovechamiento de los recursos energéticos, en forma de calor, de la Tierra.

Por Roberto Arranz Revenga – Geo Praxis Ingenieros S.L. – r.arranz@geo-praxis.es

Intuitivamente, cuando oímos hablar del calor procedente de la Tierra, nos viene a la mente el vulcanismo, los geiseres o las aguas termales. Sin embargo, son raros los lugares en los que se da este tipo de fenómenos geológicos. En países como Alemania, Suecia o Países Bajos, a pesar de no existir vulcanismo, se vienen aprovechando los recursos geotérmicos del terreno desde hace más de cuarenta años. ¿Cómo lo hacen?
Comencemos con un modelo matemático contrastado con las mediciones sobre el terreno, que nos servirá para generalizar el comportamiento térmico del subsuelo. Esta modelización es válida para los primeros trescientos metros del subsuelo, que son los que están afectados por la energía procedente del Sol. Los primeros quince metros del terreno presentan una temperatura variable a lo largo del año, debido a la fluctuación de la temperatura del aire y la radiación solar durante el transcurso de las estaciones climáticas. A mayor profundidad, las fluctuaciones de temperatura se irán amortiguando hasta llegar a una profundidad de unos quince metros, donde la temperatura se considera constante e igual a la temperatura media anual en la superficie del terreno.
A partir de los trescientos metros, la temperatura varía debido al calor interior del planeta y presenta un gradiente geotérmico que hace que esta aumente progresivamente una media de 3º C por cada 100 m de descenso.
Según este modelo, podemos aprovechar la energía térmica del subsuelo de diferentes formas, en función de la temperatura a la que operemos. Y para cada temperatura emplearemos tecnologías totalmente diferentes.

Geotermia de alta entalpía
La Tierra es un planeta geológicamente vivo; esto es, su núcleo está caliente debido a procesos internos del planeta y en determinadas zonas se presentan anomalías que hacen que el gradiente geotérmico sea muy superior a los 3? C habituales, por lo que pueden alcanzarse temperaturas de más de 100? C a pocos cientos de metros de la superficie. En dichas zonas se emplea tecnología de geotermia de alta entalpía (o temperatura), que permite generar vapor de agua que mueve turbinas para producir electricidad. En estos casos, las instalaciones son grandes y costosas, pero muy rentables, puesto que la fuente de calor es el propio subsuelo, una fuente de calor inagotable y gratis mientras que las condiciones geológicas no varíen, algo que puede tardar millones de años en ocurrir.

Geotermia de baja entalpía
Por otra parte, podemos aprovecharnos de la capacidad del subsuelo de mantener temperaturas constantes de los primeros trescientos metros y aprovechar su enorme inercia térmica para climatizar y obtener agua caliente sanitaria, con un coste energético muy pequeño. Hablamos de geotermia de baja entalpía (o temperatura).
En estos casos, se hace circular fluido caloportador en dos circuitos (primario y secundario) en una serie de bucles en circuito cerrado, aunque hay casos en los que el circuito primario es abierto, haciendo pasar energía térmica de un bucle a otro con la variación térmica correspondiente en ambos.

Aprovechamiento energético de la geotermia de baja entalpía
Existen múltiples tecnologías para el aprovechamiento de esta energía de baja entalpía, pero el método más extendido, por su sencillez, versatilidad y, sobre todo, por el enorme ahorro energético que supone, es el empleo de bombas de calor geotérmicas, cuyo funcionamiento está basado en el ciclo termodinámico de Carnot, que recoge la figura adjunta. El rendimiento térmico será mucho mejor si la variación de temperatura entre el foco caliente y el frio es pequeña. Esto hace que dicho sistema sea más eficiente frente a los sistemas de aire acondicionados aéreos convencionales.
Dentro de este tipo de maquinas, la más empleada es la de ciclo compresión-expansión de gas.
Su funcionamiento no dista mucho del de un frigorífico casero, empleando como circuito primario sondas geotérmicas enterradas y como circuito secundario el interior de la propia edificación. Según este planteamiento, podemos obtener calefacción y refrigeración con la misma instalación, simplemente situando el foco frío en el terreno y el caliente en el edificio para el caso de la calefacción y al revés si queremos refrigeración. Por tanto, en verano inyectamos el calor en el terreno y en invierno extraemos dicho calor para cederlo al edificio desde el subsuelo. Se puede llegar, en algunos casos, a un balance cero de energía para el conjunto del año.
Para medir su rendimiento energético, se suele emplear el COP (Coefficient of Performance), que definimos como el cociente entre la energía calorífica (calefacción o refrigeración) producida y la energía empleada para producirla. Lo ideal es que esta última sea energía renovable.
El COP es la denominación de una medida de rendimiento térmico instantáneo. Como el régimen de carga de la bomba de calor no es constante, se emplea otro índice, el SPF (Seasonal Performance Factor) o factor de rendimiento estacional. Se trata del cociente entre la energía térmica entregada durante un periodo de tiempo y la energía aportada durante ese mismo periodo. Este nuevo índice nos permite cuantificar más fácilmente el ahorro energético global.
EL COP típico de una bomba de calor geotérmica (agua-agua) suele ser cinco, mientras que un sistema de aire acondicionado convencional (aire-aire) no suele pasar de un COP igual a tres.

Geotermia horizontal
En este tipo de geotermia se emplea una serie de tuberías de polietileno de alta densidad, que forman bucles superpuestos situados en zanjas o extensiones de terreno previamente vaciadas a escasa profundidad de la superficie (normalmente 1,5 metros como máximo).
En el caso referido, el coste es menor que otras alternativas porque la obra civil es relativamente barata, al tratarse de trabajo de movimiento de tierras únicamente, pero se necesita mucha superficie disponible, sobre la que no se puede plantar nada.
El terreno varía mucho de temperatura y se estabiliza por la acción de la atmosfera. Aun así, presenta un mayor rendimiento que los intercambiadores por convección de aire.
Existe una variante en el que los bucles de despliegan en un lago o río, disipando en el agua el exceso de calor o frío. Siempre hay que tener los permisos correspondientes del organismo con competencias en medio ambiente.

Geotermia vertical
En esta modalidad se emplean sondas geotérmicas verticales, separadas un mínimo de siete metros entre sí, para llevar a cabo el intercambio térmico con el terreno. Suele emplearse en caso de disponer de poco espacio.
Una sonda geotérmica vertical consiste en un sondeo de profundidad variable entre 50 a 150 metros, en el que se ha introducido una serie de pares de tuberías de polietileno de alta densidad, selladas al terreno mediante un mortero especial de alta conductividad térmica.
La técnica empleada para realizar las perforaciones vendrá indicada por la naturaleza del terreno que se va a perforar, teniendo en cuenta que, una vez perforado el sondeo, hay que introducir las tuberías sin dañarlas, y sellarla mediante mortero térmico, que debe rellenar todos los huecos existentes entre las tuberías y el terreno, de forma que queden fijadas al terreno y, sobre todo, las aísle para evitar posibles escapes del fluido caloportador en caso de rotura de las tuberías.
Cada par de tuberías va unido con un codo en forma de U soldado en fábrica, de forma que la sonda está hecha de una sola pieza. Por cada par de tuberías circula un fluido caloportador, que intercambia calor con el terreno. Todas ellas forman un único circuito primario que está conectado a la bomba de calor.
En cada sondeo se suele colocar uno o dos pares de tuberías en U o bien sistemas más compactos de sonda multiconducción, normalmente coaxiales.
Existen otros métodos de aprovechamiento de la inercia térmica del terreno, como son la losa y los pilotes termoactivos. En este caso, se colocan las tuberías de polietileno atadas a las armaduras de estos elementos estructurales, del lado del terreno, de forma que actúan con él como intercambiadores térmicos.
Son de menor diámetro y mayor longitud que las sondas verticales y tratan de aprovechar los recursos existentes. Se trata de soluciones imaginativas y de bajo coste, puesto que el único sobrecoste es la tubería de polietileno, al estar el resto de los elementos previamente presupuestados. Resultan interesantes, sobre todo, si existen grandes superficies o muchos metros de pilotes proyectados.

Los sistemas de intercambio de calor con el edificio
Una vez generado el calor o el frío en la bomba geotérmica, hay que distribuirlo allá donde se necesite.
El sistema que proporciona mayor ahorro energético son los suelos o techos radiantes en todas sus variantes, debido al empleo de temperaturas más templadas y una mayor inercia térmica. Tiene sus limitaciones y no siempre es posible su empleo.
Otro sistema muy empleado es el sistema de radiadores de baja temperatura o el denominado sistema de ventiloconvectores (fancoils).
En todos los casos, se emplea como fluido refrigerante agua desionizada con los aditivos necesarios en cada caso particular.
Cada sistema tiene sus aplicaciones concretas y es importante trabajar con la propiedad y con el arquitecto para llegar a la solución más adecuada en cada caso.

Fluidos caloportadores
El fluido caloportador por excelencia, en el circuito primario, es el agua desionizada. Su bajo precio y su elevada capacidad térmica hacen que sea el producto más adecuado para esta tarea.
Si se prevé que la temperatura pueda ser inferior a 0? C, es preciso añadirle algún tipo de aditivo para disminuir su punto de congelación por debajo de los -10? C. En general, las bombas de calor geotérmicas se desconectan automáticamente al llegar a -5? C.
Se puede elegir una amplia gama de anticongelantes, como el metanol, etanol y el propilenglicol, entre otros.
A la hora de seleccionar uno, se debe tener en cuenta el precio, el pH (Un pH demasiado bajo podría dañar o acortar drásticamente la vida útil de las bombas de circulación) y, por último, la toxicidad. Este último punto es crítico, puesto que un escape de producto podría contaminar el subsuelo, en especial, acuíferos que pudieran ser atravesados por los pozos geotérmicos.
Debido a estos factores, se suele emplear propilenglicol (propano-1,2-diol), que es considerado seguro. Es un producto relativamente común con infinidad de usos técnicos, farmacéuticos e incluso como aditivo alimentario, metabolizándose en ácido láctico en caso de ingestión.
Existen otros sistemas que emplean salmueras, pero no están demasiado extendidos y sólo se emplean para sistemas de calefacción.

El problema del ‘modelizado’ del terreno
El ‘modelizado’, u obtención de un modelo matemático que explique el funcionamiento del terreno frente al intercambio de calor de una sonda térmica, es complejo.
Si leemos la bibliografía existente sobre transferencia de calor, nos solemos encontrar con modelos demasiado simples y simplificados, que se basan en un espacio semi-infinito de propiedades térmicas constantes a lo largo del tiempo. Este modelo es válido para el estudio de determinados aspectos del problema, pero no tiene validez práctica a la hora de dimensionar el sistema.
Existe una infinidad de factores que hacen que el problema no sea trivial. Uno de ellos es la falta de homogeneidad del terreno, que hace que cada parte del suelo se comporte térmicamente de forma diferente y, por tanto, que existan gradientes térmicos verticales dentro del propio sondeo. Si a esto añadimos la posible existencia de acuíferos atravesados por la sonda vertical, el problema se complica todavía más.
El régimen de trabajo de la sonda no es constante, ni diaria ni estacionalmente, puesto que la demanda de frío/calor varía a lo largo del día y de los meses. Incluso se llega a invertir la dirección de flujo de calor del verano al invierno. Si añadimos el hecho de que la capacidad térmica del suelo no es infinita, nos encontramos con que la temperatura del terreno no es constante, ni siquiera a lo largo de la misma jornada.
Por tanto, nos encontramos ante un problema en el que no nos encontramos en régimen estacionario, sino ante una sucesión de flujos de calor variables a lo largo del tiempo y también del espacio. La solución analítica del problema no es viable, ante la imposibilidad de generalizar y de la enorme complejidad del sistema de ecuaciones diferenciales a resolver en caso de conseguirlo.
Lo normal es emplear programas informáticos basados en métodos de simulación. Estos programas se basan en la información ‘conocida’ del terreno como materiales que se han de atravesar, su potencia, presencia de agua, presencia de corrientes subterráneas, propiedades térmicas de estos materiales y sobre todo datos climáticos de la zona que nos permitan ‘adivinar’ cuál será el régimen de carga diario/mensual, con el fin de afinar al máximo la simulación.
Aun así, no deja de ser una aproximación y si la potencia calorífica demandada es demasiado grande, es preciso comprobar las simulaciones mediante ensayos in situ. Existe un ensayo normalizado denominado TRT (Test de respuesta térmica), que se realiza sobre una sonda geotérmica totalmente terminada y que nos proporciona valores reales medidos directamente sobre el terreno. Infelizmente, este ensayo es caro y no sería práctico su uso a no ser que la cantidad de sondeos que se van a realizar lo justifique, so pena de sufrir una gran desviación sobre los valores previstos por la simulación.
Las simulaciones se suelen hacer para un periodo de, al menos, treinta años. Esto permite conocer qué temperatura final tendrá el terreno una vez transcurrido ese periodo. Si el sistema no está bien dimensionado, podemos encontrarnos con suelos demasiado calientes o demasiado fríos, no aprovechables, después de un tiempo.

Consecuencias de un mal proyecto y/o una mala ejecución
Las principales consecuencias de un proyecto incorrectamente concebido o ejecutado suelen ser de dos tipos. Por una parte, un menor ahorro energético del previsto (suponiendo un uso inteligente y racional del sistema). Y, por otra, el agotamiento del recurso geotérmico en sí, debido a que el suelo se sobrecalienta o se subenfría.
Estos dos problemas suelen ir de la mano. Si, además, esto se prolonga en el tiempo, el terreno pierde su capacidad de recuperación y queda saturado térmicamente.
No obstante, aunque el proyecto esté bien dimensionado y ejecutado, esto no implica que se deba descuidar el manejo de la instalación. Además, factores como el correcto aislamiento del edificio no deben menospreciarse, puesto que puede hacer que la inversión realizada no se pueda amortizar.

Costes y rentabilidad
Tanto el coste como la rentabilidad de una instalación geotérmica de baja entalpía dependen mucho del uso que se haga de ellos y, sobre todo, de las dimensiones de la instalación.
Normalmente, el mayor peso del coste final de una instalación geotérmica recae sobre las sondas geotérmicas terminadas (perforación, sonda y sellado). La perforación tiene unos gastos fijos mínimos que permiten que, a partir de un número determinado de metros de perforación, el coste por metro sea menor.
No tiene sentido dar precios, puesto que depende de muchísimos factores, como son la geología que determinaran el coste de la perforación, las propiedades térmicas del terreno, que determinarán el número de taladros, su profundidad y separación y por último el uso que se le dé que a su vez dependerá del clima de la zona. Otros factores son el coste mínimo para cualquier instalación, por encima del cual el aumento de potencia instalada no supone un incremento demasiado grande en el precio final de la instalación.
Por otra parte, cuanto mayor sea la potencia instalada, mayor será el ahorro energético conseguido.
Así pues, es mucho más rentable y con un menor precio por vivienda, climatizar veinte adosados que una vivienda unifamiliar. Del mismo modo, climatizar una vivienda unifamiliar que se usa durante todo el año es rentable, mientras que una vivienda unifamiliar, que se usa sólo un par de meses al año, podría ser poco viable desde un punto de vista financiero.
El coste para una vivienda unifamiliar es moderadamente elevado, pero se rentabiliza en pocos años.

Conclusiones
Si bien la geotermia de baja entalpía ha sido empleada con éxito en Europa del norte y central, así como en Estados Unidos durante más de cuarenta años, en países como España, su introducción apenas estaba comenzando cuando se produjo la ruptura de la burbuja inmobiliaria. Esto ha ralentizado su implantación, pero no lo ha detenido. El encarecimiento de la energía hace que siga siendo una solución excelente para la climatización, por sí sola o con otras tecnologías.
Es versátil y consume energía eléctrica que puede generarse mediante energías renovables como la energía solar fotovoltaica, con lo que el ahorro energético es todavía mayor.
Según el RITE en vigor, en el momento de escribir este artículo, una instalación geotérmica de baja temperatura puede sustituir en parte o totalmente la aportación solar obligatoria para edificios de nueva construcción. Además, está subvencionada.
Queda mucho camino por recorrer y parece que el camino es el abaratamiento de las instalaciones y la mejora del rendimiento energético, empleando nuevas tecnologías, así como la sinergia de todos los medios tecnológicos de ahorro energético disponibles en la actualidad.