Bombas de calor geotérmicas: energía geotérmica para cualquier lugar: desarrollos mundiales actuales
Xu Wei (traductor) Zheng Kebang (escuela)
Resumen: Durante el Congreso Mundial de Geotermia celebrado en Florencia, Italia, en 1995, se presentó un documento sobre el crecimiento de Las bombas de calor geotérmicas han atraído una amplia atención por parte de la comunidad geotérmica de todo el mundo. Con la creciente presión para reducir el consumo de energía de los edificios y la mejora de los indicadores de emisiones de dióxido de carbono de los edificios, la tendencia a instalar bombas de calor geotérmicas está aumentando gradualmente. También está aumentando el número de países que utilizan bombas de calor geotérmicas. Algunos de ellos no tienen recursos geotérmicos en el sentido tradicional, pero ahora tienen vibrantes proyectos de bombas de calor geotérmicas. Además, algunos países están explorando su potencial de aplicación. Cada vez hay más tipos de bombas de calor geotérmicas disponibles, desde pequeñas instalaciones domésticas hasta instalaciones de sistemas de alta potencia. Este artículo evalúa principalmente el desarrollo y la instalación de estos sistemas de energía renovable de alta eficiencia, larga duración y baja contaminación en los últimos 10 años.
1 Introducción
La bomba de calor geotérmica es una de las tecnologías de utilización de energía renovable de más rápido crecimiento en el mundo. En los últimos 10 años, unos 30 países han experimentado una tasa de crecimiento promedio del 10%. Su principal ventaja es que puede funcionar utilizando la temperatura normal del suelo o del agua subterránea (5 ~ 30 ℃), y estos recursos están disponibles en países de todo el mundo. En el Congreso Mundial de Geotermia de 1995 en Florencia, se intentó resumir el estado técnico y el nivel de desarrollo en ese momento. En 2005, las bombas de calor geotérmicas alcanzaron un estatus importante como fuente de energía nueva y alternativa. En particular, son reconocidos como un dispositivo de calefacción renovable altamente eficiente y, lo que es más importante, por su capacidad para reducir el dióxido de carbono. Un artículo de Canadá menciona: "Actualmente, ninguna otra tecnología en el mercado tiene más potencial que las bombas de calor geotérmicas para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y contribuir al calentamiento global. Esta frase está en consonancia con una comprensión popular: las bombas de calor como esto". El dispositivo de calefacción puede reducir las emisiones globales de dióxido de carbono en más de un 6% y es una de las mayores tecnologías de reducción de emisiones de dióxido de carbono disponibles actualmente en el mercado. Esta afirmación encaja perfectamente en la actual defensa de centrar más la atención en la utilización de energía térmica renovable, de la misma manera que actualmente se aboga por la electricidad renovable. En 2005, nueve organizaciones y asociaciones comerciales europeas promovieron el uso de energías renovables para calefacción y refrigeración. Se mencionaron tres tecnologías principales: bioenergía, energía solar y energía geotérmica. El trabajo realizado durante más de 10 años ha demostrado que un sistema de bomba de calor correctamente diseñado, ya sea con instalación de uno o varios orificios, garantiza que la energía térmica extraída del suelo sea verdaderamente renovable y permanente. Recientemente, la Organización Mundial de la Energía publicó análisis del ciclo de vida de varias tecnologías renovables. Entre las tecnologías de calefacción, las bombas de calor geotérmicas tienen la segunda menor emisión de CO2 durante su ciclo de vida, después de las astillas de madera.
En este artículo, proporcionamos una breve introducción a la tecnología de bombas de calor geotérmicas y presentamos información completa y popular. Los lectores encontrarán que el Capítulo 14 de las "Actas del Congreso Mundial Geotérmico 2005" recopila más artículos sobre bombas de calor geotérmicas que congresos anteriores, lo que refleja su rápido crecimiento en todo el mundo. Aunque las bombas de calor geotérmicas tienen un alto potencial de aplicación, sus ventajas en un país o región dependen de la viabilidad económica local, las capacidades de aplicación y la tasa de crecimiento. Presentamos desarrollos en varias regiones geográficas y países diferentes. Se han instalado muchas bombas de calor geotérmicas en algunas áreas y están mostrando una tendencia creciente, mientras que otras apenas están comenzando. Los países con mejor desarrollo y utilización incluyen Estados Unidos, el norte de Europa, Suiza, Alemania y especialmente Suecia. Los países que recién han comenzado a desarrollarlo y utilizarlo incluyen el Reino Unido, Noruega, etc. Otros países con gran capacidad instalada son Canadá y Austria, mientras que Francia y los Países Bajos también muestran un rápido crecimiento. China, Japón, Rusia, Reino Unido, Noruega, Dinamarca, Irlanda, Australia, Polonia, Rumania, Turquía, Corea del Sur, Italia, Argentina, Chile, Irán y otros países han comenzado a implementar la tecnología de bombas de calor geotérmicas. En la primera parte de la colección, muchos países describen su desarrollo y utilización.
2 cargadores
Si bien muchos países están interesados en las bombas de calor, el crecimiento de las bombas de calor se ha producido principalmente en Estados Unidos y Europa. Según estadísticas incompletas, la capacidad instalada global puede estar cerca de los 10.100 MWt y la utilización anual de energía es de aproximadamente 59.000 TJ (16.470 GWh). El número real de unidades instaladas es de aproximadamente 900.000. La Tabla 1 enumera los países con las tasas de utilización más altas de bombas de calor geotérmicas.
Tabla 1 Principales países que utilizan bombas de calor geotérmicas
3 Sistemas de bombas de calor geotérmicas
Los sistemas de bombas de calor utilizan temperaturas subterráneas relativamente constantes para proporcionar energía a hogares, escuelas, edificios gubernamentales y públicos Proporciona calefacción, refrigeración y agua caliente sanitaria. Después de ingresar una pequeña cantidad de energía eléctrica para accionar el compresor, puede generar energía equivalente a 4 veces la energía de entrada. Una máquina de este tipo permite que la energía térmica fluya desde un área de baja temperatura a una zona de alta temperatura. En realidad, es un refrigerador que puede fluir en la dirección opuesta. "Bomba" significa trabajo y la diferencia de temperatura se llama "litro". Cuanto mayor es la elevación, más energía se ingresa. Esta tecnología no es nueva. Lord Kelvin introdujo este concepto en 1852. En la década de 1940, Robert Webb la transformó en una bomba de calor geotérmica, que se comercializó en las décadas de 1960 y 1970. La Figura 1 es un sistema típico de bomba de calor agua-aire. Este tipo de bomba de calor se utiliza ampliamente en América del Norte, pero las bombas de calor agua-agua se utilizan principalmente en el mercado nórdico de calefacción doméstica.
Las bombas de calor vienen en dos configuraciones básicas: sistemas dipolo de suelo (sistemas de circuito cerrado) y sistemas de agua subterránea (sistemas de circuito abierto). Los sistemas subterráneos se pueden instalar horizontal o verticalmente para acceder al agua de un pozo o de un lago. La selección del sistema depende del tipo de suelo y roca en el sitio de instalación, y si un pozo o un pozo existente se puede construir económicamente depende de las condiciones del sitio. La Figura 2 es un diagrama esquemático de estos sistemas. Como se muestra en la bomba de calor agua-aire anterior, para los sistemas de calefacción de agua caliente, los intercambiadores de agua caliente sanitaria pueden utilizar el calor inyectado en verano y la producción de calor en invierno para calentar el agua sanitaria. Las bombas de calor agua-agua generalmente solo pueden calentar agua caliente sanitaria cambiando el modo de calefacción al modo de agua caliente sanitaria y maximizando la temperatura de salida.
Figura 1a ciclo de refrigeración de bomba de calor geotérmica
Figura 1b ciclo de calefacción de bomba de calor geotérmica de gas y agua
Figura 2a sistema de bomba de calor de circuito cerrado
Figura 2b Sistema de bomba de calor de circuito abierto
En un sistema dipolo de suelo, se entierra una tubería cerrada horizontal o verticalmente bajo tierra, y el anticongelante circula a través de la tubería de plástico para obtener calor del suelo en invierno o inyectar calor al suelo en verano. Los sistemas de circuito abierto utilizan agua subterránea o agua de lago para pasar directamente a través de un intercambiador de calor y luego verterla en otro pozo (o canal, lago o directamente para riego), principalmente de acuerdo con las leyes y regulaciones locales.
Están surgiendo otros tipos de sistemas de bomba de calor, como los de eje y un nuevo tipo mencionado en esta conferencia. Estos sistemas son muy eficientes, pero la mayoría requiere información hidrogeológica más detallada y un diseño más especializado que los sistemas de circuito cerrado.
La eficiencia de la unidad de bomba de calor se expresa mediante el coeficiente de funcionamiento COP en modo calefacción y el índice de eficiencia energética (EER) en modo refrigeración. El índice de eficiencia energética es la relación entre la energía de salida y la energía de entrada (. energía eléctrica). Actualmente el equipamiento oscila básicamente entre 3 y 6. Un COP de 4 significa que cada unidad de entrada de energía eléctrica puede producir 4 unidades de energía térmica. Por el contrario, el COP de una bomba de calor de fuente de aire es de alrededor de 2, dependiendo de la potencia de respaldo necesaria para los picos de calefacción y refrigeración. En Europa, esta relación se utiliza a veces como "parámetro operativo estacional", es decir, el COP promedio durante las temporadas de calefacción y refrigeración, teniendo en cuenta las características del sistema.
Una breve discusión sobre la regeneración de bombas de calor geotérmicas
Con el crecimiento constante del número de bombas de calor instaladas, la gente es consciente de la contribución de las bombas de calor a la utilización de energía renovable. Esto es sólo una parte del entendimiento, ya que sólo implican calefacción y refrigeración de superficies, por lo que no se considera la electricidad renovable. Sin embargo, hay otros dos factores: uno tiene que ver con la sostenibilidad de la energía subterránea y el otro se basa en las bombas de calor aerotérmicas. No existe una ganancia pura de energía en la producción de energía, por lo que son simplemente una tecnología de eficiencia energética.
Cuando las bombas de calor de fuente de aire se hicieron populares en las décadas de 1950 y 1960, la eficiencia de generación de energía de las plantas de energía de combustibles fósiles en las ciudades era cercana al 30%. En ese momento, el COP de las bombas de calor aerotérmicas generalmente variaba entre 1,5 y 2,5. La Tabla 2 muestra la liberación de energía en el edificio. El 60% de la energía proviene del aire y sólo el 75% de la energía primaria utilizada para generar electricidad se utiliza como energía térmica útil. De esta forma, la energía renovable extraída del aire libera energía térmica de manera eficiente pero no deja energía residual. La segunda columna de la Tabla 2 son los datos actuales. La eficiencia de generación de energía de las centrales eléctricas de ciclo combinado o combinadas de nueva construcción ha superado el 40%. El SPF de las bombas de calor geotérmicas ha superado el 3,5. Esto da como resultado una eficiencia del 140%, con el 71% de la energía final proveniente del suelo. Es más, más del 40% del excedente es superior a la energía original consumida para generar electricidad.
Tabla 2 Tabla comparativa de energía y eficiencia
La combinación de bomba de calor de fuente de agua y nueva eficiencia de generación de energía constituye la liberación de energía renovable restante.
Si se utilizan energías renovables para generar electricidad desde el principio, entonces toda la energía transmitida será renovable. Para maximizar la liberación de energía renovable, se recomienda aprovechar la economía de la electricidad renovable lo antes posible y combinarla con bombas de calor geotérmicas.
Los debates sobre energía pueden ser controvertidos, pero las reducciones en las emisiones de CO2 son fáciles de demostrar. Por ejemplo, la red eléctrica combinada del Reino Unido y la calefacción con bomba de calor geotérmica pueden reducir las emisiones de dióxido de carbono en un 50% en comparación con la tecnología de calefacción tradicional con combustibles fósiles. Esto se debe a la combinación actual de la red eléctrica del Reino Unido. Debido a que las emisiones de dióxido de carbono procedentes de la generación de electricidad están disminuyendo actualmente, el uso de bombas de calor geotérmicas emitirá menos dióxido de carbono. Con el uso de la generación de energía renovable, calentar los edificios ya no requerirá la emisión de dióxido de carbono.
Si desea calcular el ahorro actual equivalente de petróleo a nivel mundial y las emisiones de dióxido de carbono que se pueden reducir mediante la capacidad instalada de bombas de calor geotérmicas, debe hacer varias suposiciones. Si se utilizan 28.000 TJ (7.800 GWh) de energía geotérmica cada año, en comparación con el 30% de generación de energía con combustibles de alta eficiencia, se ahorrarán 15,4 millones de barriles de petróleo, o 2,3 millones de toneladas equivalentes de petróleo, y se eliminarán 7 millones de toneladas de carbono. Se reducirán las emisiones de dióxido de carbono. Si asumimos la misma cantidad de enfriamiento por año, este número se duplicará.
5 Experiencia americana
En Estados Unidos, la mayoría de los sistemas están diseñados según la carga máxima de refrigeración. La carga máxima de refrigeración es mayor que la carga de calefacción (principalmente en la región norte). , por lo que se estima que son 1000 horas de calefacción a plena carga. En Europa, la gran mayoría de los sistemas se diseñan según la carga de calefacción, por lo que a menudo se diseñan según la carga base más los picos de combustibles fósiles. Como resultado, los sistemas europeos pueden funcionar a plena capacidad entre 2.000 y 6.000 horas al año, con una media de 2.300 horas al año. Aunque el modo de refrigeración inyecta calor al suelo, no es geotérmico. Aún así ahorra energía y favorece un ambiente limpio.
En Estados Unidos, la capacidad instalada de bombas de calor geotérmicas se ha estabilizado en un 12%, y la mayoría está instalada en el Medio Oeste y la región oriental, desde Dakota del Norte hasta Florida. Actualmente, se instalan cerca de 50.000 unidades de bomba de calor cada año, de las cuales el 46% son sistemas verticales de circuito cerrado, el 38% son sistemas horizontales de circuito cerrado y el 15% son sistemas de circuito abierto. Más de 600 escuelas han instalado sistemas de bombas de calor para calefacción y refrigeración, especialmente en Texas. Cabe señalar que las bombas de calor se clasifican en toneladas (capacidad de refrigeración producida por 1 tonelada de hielo), lo que equivale a 12.000 Btu/h o 3,51 kW (Kavanaugh y Rafferty, 1997). Una unidad de bomba de calor doméstica típica debe tener una capacidad instalada de 3 toneladas o 105 kW.
La bomba de calor más grande instalada en Estados Unidos es un hotel en Louisville, Kentucky. A través de bombas de calor, proporciona servicios de aire acondicionado frío y calor para 600 habitaciones de hotel, 100 apartamentos y 89.000 m2 de oficinas (el hotel completo tiene 161.650 m2). La bomba de calor utiliza 4 pozos con una producción de agua de 177 l/s y una temperatura del agua de salida de 14 °C para proporcionar una carga de refrigeración de 15,8 MW y una carga de calefacción de 196 MW. El consumo de energía es el 53 % de un edificio similar sin un sistema de bomba de calor, lo que ahorra $25 000 por mes.
6 Situación en Europa
Las bombas de calor geotérmicas pueden proporcionar calefacción y refrigeración prácticamente en cualquier lugar y pueden satisfacer cualquier demanda, por lo que tienen una gran flexibilidad. En Europa occidental y central, muchos usuarios utilizan directamente la energía geotérmica para calefacción urbana, lo que está limitado por las condiciones geológicas regionales. En este caso, es una buena elección recolectar energía geotérmica poco profunda en todas partes a través de sistemas descentralizados de bombas de calor. Por ello, las bombas de calor están creciendo y desarrollándose rápidamente en varios países europeos. El mercado de los sistemas de bombas de calor se está expandiendo, al igual que las empresas comerciales que realizan el trabajo y sus productos han entrado en las "Páginas Amarillas".
Más de 20 años de investigación y desarrollo de bombas de calor en Europa han establecido un concepto sólido para la sostenibilidad de esta tecnología, resuelto el problema del ruido y establecido estándares de instalación. La Figura 3 es una bomba de calor típica de tipo intercambiador de calor subterráneo (BHE). Este sistema requiere de 0,22 a 0,35 kWh de energía eléctrica por cada 1 kWh de producción de calor o refrigeración, lo que es entre un 30% y un 50% menos que una bomba de calor de fuente de aire que utiliza la atmósfera como fuente de calor en las estaciones.
Figura 3 Aplicación típica del sistema de bomba de calor BHE en hogares de Europa Central; la longitud típica del BHE supera los 100 m
Según las condiciones climáticas en muchos países europeos, la mayor parte de la demanda actual es calefacción. , y hay poca necesidad de aire acondicionado. Por eso, las bombas de calor normalmente sólo se utilizan en modo calefacción. Sin embargo, las funciones duales de calefacción y refrigeración serán cada vez más importantes en el futuro a medida que aumente la utilización comercial a gran escala, la demanda de refrigeración y la expansión de esta tecnología al sur de Europa.
En Europa, es difícil contar de forma fiable el número de instalaciones de bombas de calor, especialmente aquellas de uso personal. La Figura 4 muestra el número de bombas de calor instaladas en varios países europeos que utilizan principalmente bombas de calor. En 2001, las bombas de calor en Suecia eran principalmente bombas de calor de fuente de aire, pero Suecia también era el país con más bombas de calor geotérmicas instaladas en Europa (ver Tabla 1). En términos generales, a excepción de Suecia y Suiza, la expansión del mercado europeo de bombas de calor geotérmicas no es demasiado grande.
7 Experiencia alemana
Después de 1996, según las estadísticas de ventas de bombas de calor, las ventas de bombas de calor de diversas fuentes de calor en Alemania son diferentes (Figura 5). Después de unas ventas de menos de 2.000 unidades en 1991, las ventas de bombas de calor han mostrado un crecimiento constante. La proporción de bombas de calor geotérmicas aumentó de menos del 30% en la década de 1980 al 78% en 1996 y al 82% en 2002. Y de 2001 a 2002, cuando el sector inmobiliario alemán se redujo debido a la recesión económica, las ventas de bombas de calor geotérmicas siguieron creciendo. Todavía hay oportunidades de crecimiento en el mercado en el futuro, porque hay mejores perspectivas tecnológicas que lo garantizan.
Figura 4 Comparativa del número de unidades de bomba de calor instaladas en algunos países europeos.
Figura 5 Comparativa de ventas anuales de bombas de calor en Alemania.
Alemania cuenta con un gran número de bombas de calor geotérmicas. Muchos sistemas pequeños se instalan en casas independientes, mientras que los sistemas más grandes se utilizan en algunas áreas comerciales, como edificios de oficinas que requieren calefacción y refrigeración. La humedad del verano en la mayor parte de Alemania permite enfriar sin deshumidificar, como por ejemplo enfriar los techos. El sistema de bomba de calor es muy adecuado para utilizar directamente la energía de refrigeración subterránea sin necesidad de un refrigerador y presenta una alta eficiencia de refrigeración, con un COP que puede alcanzar más de 20. El primer sistema que utiliza intercambiadores de calor subterráneos y refrigeración directa se instaló en 1987 y la tecnología se convirtió en una opción de diseño estándar. Sanner y Kohlsch presentaron algunos ejemplos recientes de bombas de calor geotérmicas en Alemania.
En Alemania, las bombas de calor geotérmicas han pasado por las etapas de investigación, desarrollo y desarrollo, y la atención se centra actualmente en la selección del modelo y la seguridad de la calidad. Se están implementando estándares técnicos VDI4640, especificaciones contractuales y certificación de calidad para proteger a la industria y a los consumidores y evitar problemas como la calidad deficiente y el funcionamiento a largo plazo de los sistemas de bombas de calor geotérmicas.
La prosperidad de las bombas de calor geotérmicas en Suiza
El sistema de bombas de calor geotérmicas en Suiza ha estado creciendo rápidamente a una tasa anual del 15%. Actualmente, hay más de 25.000 sistemas de bombas de calor en funcionamiento. Hay tres tipos de sistemas de suministro de energía térmica desde el suelo: tuberías horizontales poco profundas (que representan menos del 5% de todas las bombas de calor instaladas), sistemas subterráneos de intercambio de calor (de 100 a 400 m de profundidad, que representan el 65%) y calor de fuente de agua subterránea. bombas (que representan el 30%). Sólo en 2002 se perforaron 600.000 metros de pozos y se instalaron sistemas subterráneos de intercambio de calor.
Los sistemas de bombas de calor geotérmicas son muy adecuados para desarrollar recursos geotérmicos poco profundos en todas partes. La fiabilidad operativa a largo plazo de los sistemas de bomba de calor ha sido demostrada mediante estudios y pruebas teóricos y prácticos durante múltiples temporadas de calefacción. El coeficiente de explotación estacional ya es superior a 3,5.
Diversas pruebas y simulaciones de modelos han demostrado que el sistema puede absorber calor de forma continua. La confiabilidad operativa a largo plazo garantiza una aplicación sin problemas del sistema. El tamaño razonable de los intercambiadores de calor subterráneos para sistemas de bombas de calor también facilita una amplia gama de aplicaciones y opciones. De hecho, la instalación de sistemas de bombas de calor comenzó en los años 1980. Después de un rápido desarrollo, hoy representan el mayor aprovechamiento directo de energía geotérmica en Suiza.
Desde su reconocimiento a finales de la década de 1970, la instalación de sistemas de bombas de calor geotérmicas se ha desarrollado rápidamente. Este impresionante crecimiento se puede ver en las Figuras 6 y 7.
Figura 6: Tendencias de desarrollo de las instalaciones de bombas de calor geotérmicas en Suiza de 1980 a 2001.
Figura 7. Tendencia de desarrollo de la capacidad instalada de intercambiadores de calor de tuberías de agua subterráneas y sistemas de bombas de calor geotérmicas en Suiza de 1980 a 2001.
El crecimiento anual es significativo: el número de sistemas recién instalados está creciendo a un ritmo de más del 10% anual. Los sistemas pequeños (< < 20 kW) muestran las tasas de crecimiento más altas (más del 15 %, como se muestra en la Figura 1). En 2001, el sistema de bomba de calor geotérmica tenía una capacidad instalada de 440MWt y una generación de energía de 660GWh. En 2002 se construyeron numerosos pozos (miles de ellos) y se instaló un intercambiador de calor subterráneo con tubos en U dobles. La profundidad media de enterramiento de los intercambiadores de calor subterráneos es de unos 150 ~ 200 m. Cada vez hay más pozos con una profundidad de más de 300 metros, y el coste medio por metro es de unos 45 dólares EE.UU., incluida la perforación, el tendido de tuberías en forma de U y el relleno. . En 2002, las imágenes de intercambiadores de calor subterráneos alcanzaron los 600.000 metros
Por lo que las bombas de calor entraron rápidamente en el mercado suizo.
Los sistemas de bombas de calor se están desarrollando rápidamente en el mercado suizo, principalmente porque no hay otros recursos de energía geotérmica en las capas poco profundas de la corteza terrestre excepto este tipo de energía geotérmica que está en todas partes. Además, existen muchas otras razones, incluidas razones técnicas, medioambientales y económicas.
Razones técnicas
La meseta suiza, donde vive la mayoría de la gente, tiene unas condiciones climáticas adecuadas: la temperatura atmosférica ronda los 0°C y hay poco sol en invierno.
La temperatura del subsuelo poco profundo oscila entre 10 y 12 °C y el período de calentamiento es prolongado.
Con el tamaño correcto, una temperatura constante del subsuelo puede proporcionar factores de funcionamiento estacionales óptimos y una vida útil a largo plazo de la bomba de calor.
Las bombas de calor geotérmicas se instalan de forma descentralizada para satisfacer las necesidades de los usuarios individuales, evitando la costosa distribución de calor como los sistemas de calefacción urbana.
La ubicación de instalación está cerca del edificio (o bajo tierra), lo cual es relativamente libre y no requiere mucho espacio de construcción.
Al menos para los sistemas pequeños, no hay necesidad de recarga, porque la energía térmica subterránea se puede restaurar automáticamente durante el período de inactividad del sistema (verano).
Razones medioambientales
No hay riesgo de transporte, almacenamiento y operación (en comparación con el petróleo);
No hay riesgo de contaminación de las aguas subterráneas (en comparación con el petróleo). );
El funcionamiento del sistema puede reducir la emisión de dióxido de carbono, gas de efecto invernadero.
Razones económicas
El coste de instalación de las bombas de calor geotérmicas respetuosas con el medio ambiente es equivalente al de los sistemas tradicionales (de combustible) (Lai Beiqi, 2006 54 38+0);
Costos operativos más bajos (no es necesario comprar petróleo o gas natural ni controlar el quemador en comparación con el uso de calefacción con combustibles fósiles);
Para bombas de calor respetuosas con el medio ambiente, el gobierno local ofrecerá descuentos en el uso de electricidad.
Se espera implementar un impuesto a las emisiones de dióxido de carbono.
El incentivo para una mayor y rápida difusión de las bombas de calor geotérmicas es el "contrato energético" de los servicios públicos. Significa que la empresa que utiliza la bomba de calor diseña, instala, opera y mantiene la bomba de calor geotérmica por su propia cuenta, mientras vende la energía térmica o fría a los usuarios apropiados a precios de contrato.
Aunque la gran mayoría de las bombas de calor geotérmicas se utilizan para calentar viviendas unifamiliares (agua caliente sanitaria), están surgiendo algunos nuevos métodos de utilización (incluidos varios sistemas subterráneos de intercambio de calor, captación de calor combinada con almacenamiento térmico de energía solar). , calefacción y refrigeración geotérmica y "reactores de energía"). En términos de una unidad por kilómetro cuadrado, tienen la densidad regional más alta del mundo. Esto garantiza la ventaja de Suiza en el aprovechamiento directo de la energía geotérmica (la capacidad instalada per cápita se encuentra entre las cinco primeras del mundo). Se cree que las bombas de calor geotérmicas en Suiza seguirán prosperando durante mucho tiempo.
9 bombas de calor geotérmicas en el Reino Unido
En el Reino Unido, Lute Kelvin trabajó duro para desarrollar la teoría de las bombas de calor, pero el progreso en el uso de bombas de calor para calefacción fue lento. La primera instalación registrada de una bomba de calor geotérmica se remonta al verano de 1976. A principios de la década de 1990, se instalaron pequeños sistemas de CCTV en hogares de toda Escocia. Al Reino Unido le llevó mucho tiempo descubrir por qué esta tecnología todavía está por detrás de América del Norte y el norte de Europa. Las principales razones son el clima relativamente cálido, el mal aislamiento de los materiales de construcción, la falta de unidades de bomba de calor adecuadas y la competencia con la vasta red de gas natural.
A mediados de la década de 1990, las bombas de calor geotérmicas en el Reino Unido comenzaron a desarrollarse lentamente basándose en el uso de bombas de calor en Canadá, Estados Unidos y el norte de Europa. Les llevó mucho tiempo identificar técnicas razonables para aplicarlas a los materiales de sus casas y superar varios problemas que eran exclusivos del Reino Unido. Otro problema es la compleja geología de Gran Bretaña.
Durante los últimos dos años, se ha reconocido que las bombas de calor desempeñan un papel importante en varias políticas del Reino Unido, como el Programa de Garantía de Calor, las energías renovables y los objetivos de eficiencia energética.
Pocas personas en el Reino Unido saben que los sistemas de bomba de calor pueden reducir significativamente las emisiones de CO2 en comparación con los sistemas convencionales. Un sistema de bomba de calor geotérmica que utilice la red eléctrica del Reino Unido reducirá inmediatamente las emisiones de dióxido de carbono entre un 40% y un 60%. A medida que la red del Reino Unido se vuelva más limpia en los próximos años, las emisiones de las bombas de calor de larga duración se reducirán aún más. Los arquitectos y promotores están descubriendo que las nuevas normas de evaluación de edificios están empezando a tener en cuenta nuevos parámetros para el dióxido de carbono.
Desde sus pequeños comienzos, los sistemas de bombas de calor geotérmicas han aparecido en todo el Reino Unido, desde Escocia hasta Cornualles. Los arquitectos privados, los promotores inmobiliarios y las sociedades de construcción son ahora consumidores de estos sistemas. Los sistemas de bomba de calor para interiores suelen tener entre 25 kW y 2,5 kw. Varias bombas de calor agua-agua y agua-aire se instalan principalmente en varias áreas con diferentes condiciones geológicas.
Recientemente, se anunció un plan de financiación (Proyecto Clean Skies) para ayudar a establecer la calificación sectorial de esta tecnología y establecer un equipo de instalación creíble, estándares técnicos e idoneidad para bombas de calor interiores en el Reino Unido. El año pasado, los principales usuarios del Reino Unido lanzaron una campaña para instalar 65.438+0.000 bombas de calor, con la esperanza de que el interés en la tecnología aumente rápidamente y que haya una gran cantidad de instalaciones exitosas de bombas de calor geotérmicas en interiores en los próximos años.
Otra área importante para el uso de bombas de calor geotérmicas son los edificios comerciales y públicos que requieren calefacción y refrigeración. En 2002, el Centro de Bombas de Calor de la Asociación Internacional de Energía organizó los primeros estudios nacionales para estudiar el potencial de las bombas de calor para reducir las emisiones de CO2 (IEA, 2002). El primero se llevó a cabo en el Reino Unido y concluyó que los sistemas de bomba de calor son más adecuados para su uso en oficinas y pequeños comercios. La primera bomba de calor que no se instaló en el interior fue de solo 25 kW, en el Isles Health Center en Scilly. Este sistema se ha desarrollado rápidamente desde el año 2000 hasta la actualidad, y la escala y el modelo actuales de equipo han alcanzado los 300 kW.
El uso de bombas de calor se ha extendido a escuelas, edificios de oficinas de una o varias plantas y centros de exposiciones. Un ejemplo notable es el Centro Nacional de Exposiciones Forestales en Derbyshire, los edificios de oficinas en Chesterfield, Nottingham y Croydon, y el Tolvaddon Energy Park en Cornwall. Se ha instalado un sistema a gran escala en el nuevo centro de ventas de IKEA en Peterborough. Estos sistemas se instalan en una variedad de tipos, como calefacción por piso simple, calefacción y refrigeración con bomba de calor de ciclo inverso y unidades integradas complejas que calientan y enfrían simultáneamente. Se emplearon configuraciones individuales o híbridas, incluido el uso de grandes circulaciones horizontales subterráneas y otras redes de pozos interconectados.
10 bombas de calor geotérmicas suecas
A principios de la década de 1980, las bombas de calor geotérmicas se hicieron populares en Suecia. En 1985, se habían instalado 50.000 unidades de bomba de calor. Posteriormente, los bajos precios de la energía y los problemas de calidad técnica provocaron una contracción del mercado de bombas de calor. Durante los siguientes 10 años, se instalaron un promedio de 2000 unidades de bomba de calor cada año. Desde 65438 hasta 0995, el interés público en las bombas de calor geotérmicas comenzó a aumentar debido al apoyo y los subsidios del gobierno sueco. Según los datos de ventas de la Agencia Sueca de Bombas de Calor (SVEP), que representa aproximadamente el 90% del mercado de ventas residenciales, en 2001 y 2002 se instalaron aproximadamente 27.000 unidades de bombas de calor (ver Figura 8). Por tanto, se estima que la capacidad instalada alcanzará las 200.000 unidades.
En la actualidad, las bombas de calor son el método más popular de calefacción hidrónica en pequeñas zonas residenciales de Suecia. Debido al precio actual del petróleo, se ha sustituido la quema de petróleo. Debido a que los costos de la electricidad son altos, se reemplaza la electricidad; las estufas de carbón no se utilizan por conveniencia. El desarrollo de la calefacción eléctrica directa se ha ralentizado considerablemente. Además de las viviendas, también existen grandes instalaciones de sistemas (tanto de circuito cerrado como abierto) que se utilizan en redes de calefacción urbana. Se estima que la producción de energía térmica promedio de todas las unidades de bomba de calor es de aproximadamente 10 kW.
En Suecia normalmente se recomienda que la instalación de bombas de calor geotérmicas represente el 60 % de la carga nominal, es decir, entre 3500 y 4000 horas de funcionamiento a plena carga al año. El calentador eléctrico integrado en la bomba de calor proporciona una carga residual que tiende a aumentar la carga de la bomba de calor entre un 80 % y un 90 %. Aproximadamente el 80% de las bombas de calor son verticales (perforadas). La profundidad media de la perforación in situ es de unos 125 metros y la longitud media de circulación horizontal es de unos 350 metros. Casi todas las instalaciones de bombas de calor utilizan un único tubo abierto en forma de U (tubo de resina, 40 mm de diámetro, presión estándar de 6,3 bar) lleno de agua subterránea. A veces se utilizan tubos en U dobles cuando es necesario bombear calor de regreso al suelo. Las pruebas de respuesta térmica muestran que la convección natural es más fuerte en pozos llenos de agua subterránea que en pozos llenos de arena (grava). La popularidad de las bombas de calor geotérmicas ha llamado gradualmente la atención sobre los efectos térmicos a largo plazo entre pozos adyacentes.
Figura 8 Comparación de las ventas anuales de bombas de calor en Suecia
Los sistemas a gran escala para las residencias de los clientes son cada vez más populares. Las instalaciones verticales para refrigeración se están apoderando del mercado, pero no generan interés en la vivienda. La demanda de refrigeración en la industria y el comercio ha abierto un mercado completamente nuevo para las bombas de calor geotérmicas.
El desarrollo de la tecnología de bombas de calor tiene una tendencia a reemplazar gradualmente los compresores de pistón por compresores de turbina que tienen las ventajas de un funcionamiento estable y un diseño simple. Además, existe interés en diversos controles de capacidad, como instalar un compresor pequeño y un compresor grande en la misma unidad, de modo que se pueda suministrar agua caliente sanitaria a través del compresor pequeño en verano. El fluido de trabajo utilizado en la mayoría de las bombas de calor importadas es el R410A. Los fabricantes suecos siguen utilizando R407C, pero hay una tendencia a cambiar al R410A y algunos también están interesados en el propano. Actualmente estamos estudiando la posibilidad de construir bombas de calor utilizando cantidades muy pequeñas de fluido de trabajo.
Algunos fabricantes se están apoderando del mercado con bombas de calor que utilizan gases residuales y tierra como fuente de calor. Los gases de escape se pueden utilizar para precalentar el fluido caloportador extraído de las perforaciones o bombeado al suelo cuando la bomba de calor está inactiva.
En grandes sistemas de bomba de calor de tuberías subterráneas, para garantizar el funcionamiento a largo plazo del sistema, se debe considerar el equilibrio de la energía térmica subterránea. Si se trata principalmente de cubrir la carga de calor, la energía térmica debe reinyectarse al suelo en verano. Se deben considerar fuentes de energía naturales renovables como el aire exterior, el agua superficial y la energía solar. En Naseby Park, se instaló un sistema debajo de los edificios, se construyeron 48 pozos de 200 metros de profundidad y se utilizó una bomba de calor de 400 kilovatios para proporcionar la carga térmica básica, funcionando durante 6.000 horas al año. En verano, el agua superficial cálida (15~20 ℃) extraída de los lagos cercanos se bombea al suelo a través de pozos.
11 ejemplos noruegos
En Nidalen, Oslo, 65.438+080 pozos de roca serán la clave para calentar y enfriar un edificio de casi 200.000 metros cuadrados. Se trata del mayor proyecto de este tipo en Europa.
Una estación de suministro de energía calentará y enfriará los edificios de Nidalen. Mediante el uso de bombas de calor y pozos geotérmicos, se puede recolectar energía térmica del suelo y almacenarla bajo tierra. En verano, cuando se necesita refrigeración, se puede bombear energía térmica al suelo. La temperatura del lecho de roca se puede aumentar de 8°C a 25°C. En invierno, la energía térmica se puede utilizar para calefacción. La potencia de salida de calefacción es de 9 MW y la potencia de salida de refrigeración es de 7,5 MW. En comparación con la calefacción por electricidad, petróleo y gas natural, el costo anual de calefacción se puede reducir entre un 60% y un 70%. El uso combinado de calefacción y refrigeración garantiza un uso eficiente de la central eléctrica.
El aspecto más singular de este proyecto es el almacenamiento de energía geotérmica. Aquí hay 180 pozos, cada pozo tiene 200 metros de profundidad y puede proporcionar entre 4 y 10 kW de energía. El volumen total del lecho rocoso de almacenamiento térmico es de 654,38+800.000 m3, principalmente bajo edificios. El tubo de plástico forma un circuito cerrado para transferir energía térmica.
La inversión total del proyecto es de 60 millones de coronas noruegas (equivalente a 7,5 millones de euros). En comparación con los métodos convencionales (es decir, sin pozos de energía ni dispositivos de recogida), la inversión es de 170.000 coronas noruegas. Sin embargo, la energía anual comprada se reduce en aproximadamente NOK 4 millones y el proyecto sigue siendo rentable. El proyecto cuenta con el apoyo de la entidad gubernamental Enova SF y el Fondo de Energía de Oslo con una subvención de NOK 65.438+065.438+0 millones.
La construcción de la central eléctrica comenzó según lo previsto en abril de 2003, incluida la construcción de la mitad de los pozos de roca de cimentación. Es posible que la construcción de los pozos restantes esté programada para 2004.
Los detalles del proyecto se pueden encontrar en el sitio web del equipo del proyecto www.avantor.no y en el sitio web de almacenamiento de energía térmica www.geoenergi.no
Conclusión
Calor geotérmico La bomba es una tecnología emergente que puede proporcionar calefacción y refrigeración eficientes utilizando grandes cantidades de energía renovable almacenada bajo tierra. Se los considera cada vez más como alternativas a los combustibles fósiles. En muchos países, pueden reducir significativamente las emisiones totales de CO2 al calentar y enfriar edificios. Se cree que el número de países que instalarán sistemas de bombas de calor aumentará rápidamente.
Referencias (omitidas)