Los sistemas híbridos ofrecen una forma prometedora de afrontar los crecientes retos de los proyectos geotérmicos. Pero, ¿qué son exactamente? ¿Y cómo conecta esta idea con el potencial geotérmico? Este artículo es el primero de una serie sobre el diseño de sistemas geotérmicos híbridos, en el que exploraremos las ventajas y los secretos de estos sistemas. En este primer artículo, explicamos los fundamentos de los sistemas híbridos, sus ventajas y cómo se relacionan con el potencial geotérmico.
¿Qué son los sistemas híbridos?
En los proyectos de gran envergadura, como los edificios de servicios múltiples o las redes de calefacción urbana de quinta generación, las necesidades de calefacción y refrigeración suelen ser muy elevadas. Para satisfacerlas sólo con energía geotérmica, puede ser necesario un gran campo de perforación. Sin embargo, esto plantea cuestiones importantes:
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¿Hay espacio suficiente para instalar el campo de perforación?
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¿Puede el presupuesto cubrir el coste de tantas perforaciones?
- ¿Es una solución totalmente geotérmica la mejor opción, o existen alternativas más rentables?
Un sistema geotérmico híbrido podría ser la solución. Al añadir otras tecnologías -como una bomba de calor de fuente de aire (ASHP)- al campo de sondeo, se crea un sistema híbrido en el que varias tecnologías trabajan juntas para proporcionar calefacción y refrigeración. La combinación de tecnologías depende de varios factores: las necesidades de calefacción y refrigeración del edificio, el espacio disponible (por ejemplo, para instalar una ASHP en el tejado) y los sistemas existentes (por ejemplo, una caldera de gas en proyectos de renovación).
Ventajas de un sistema híbrido
Los sistemas híbridos son a veces la única opción práctica, por ejemplo, cuando el espacio para un campo de perforación es limitado. Sin embargo, también aportan otras ventajas.
Menores costes de inversión: Los sistemas híbridos permiten combinar los puntos fuertes de distintas tecnologías para ahorrar dinero. Algunas tecnologías tienen menores costes iniciales pero mayores costes de explotación, mientras que los campos de perforación suelen ser la parte más cara del sistema. Por ejemplo, reducir el tamaño del campo de perforación en 10% con un diseño híbrido puede reducir significativamente los gastos de capital (CAPEX) y hacer que el proyecto sea más asequible.
Mayor fiabilidad del sistema: Al utilizar múltiples tecnologías, los sistemas híbridos proporcionan un respaldo natural. Si una parte falla, la otra puede seguir cubriendo las necesidades del edificio.
Nota
El diseño de los sistemas de respaldo es una consideración de diseño independiente. Normalmente, se instala más de 100% de la potencia necesaria para calentar o refrigerar el edificio. Esto garantiza que, si algo va mal (o si se han subestimado las necesidades de calefacción y refrigeración), el sistema pueda seguir suministrando la carga requerida.
Designing un sistema híbrido
Una decisión clave a la hora de diseñar un sistema geotérmico híbrido es determinar qué parte de la carga de calefacción y refrigeración debe asumir el campo de sondeo. ¿Debe ser la fuente principal o debe compartir la carga a partes iguales con otra tecnología? Esta es la cuestión principal: ¿Qué cuota geotérmica puedo conseguir con un determinado número de perforaciones?
Esta cuestión está estrechamente relacionada con el concepto de potencial geotérmico.
¿Qué es el potencial geotérmico?
En lo que respecta al potencial geotérmico de un yacimiento, podemos hacer tres distinciones:
- Potencial de poder: La capacidad de proporcionar más picos de calefacción o refrigeración.
- Potencial energético: La capacidad de intercambiar más energía con el suelo a lo largo del tiempo, incluso si ya se han cubierto las demandas máximas.
- Sin potencial geotérmico: Cuando el yacimiento ya está funcionando a pleno rendimiento tanto en potencia como en energía.
Potencial geotérmico
Imaginemos que tenemos un campo de sondeo con un perfil de temperatura como el de la figura siguiente. Como puede ver, el campo de sondeo alcanza sus límites en el primer año de funcionamiento con la temperatura media máxima del fluido. En este punto no es posible inyectar más calor en el suelo (es decir, enfriar más el edificio), ya que se sobrepasarían los límites de temperatura. Si observamos la temperatura mínima del fluido, vemos que no se acerca a la temperatura media mínima del fluido. Esto significa que podemos extraer más calor del suelo y proporcionar a nuestro edificio una potencia calorífica adicional. Por lo tanto, podemos concluir que este yacimiento tiene potencial de poder.
Nota
Si no está familiarizado con los perfiles de temperatura, consulte nuestro artículo detallado sobre el tema aquí.
Potencial geotérmico para la energía
Si lo hacemos, acabaremos con un campo de sondeo como el que se muestra en la figura siguiente. Como puede ver, hemos alcanzado los umbrales de temperatura máxima y mínima, por lo que es imposible añadir más potencia de refrigeración o calefacción al campo de sondeo. Esto se debe a que ya estamos limitados por los límites máximos de calefacción y refrigeración. Sin embargo, esta limitación sólo se produce en el primer año para el pico de refrigeración y en el último año para el pico de calefacción. En los primeros años, todavía hay potencial para extraer más calor del suelo, mientras que en los últimos años, hay potencial para inyectar calor adicional.
Si instaláramos más energía geotérmica en este yacimiento, podríamos intercambiar más energía con el suelo, pero no podríamos extraer más energía durante los periodos punta. Por eso decimos que este yacimiento tiene potencial energético pero no para la potencia, ya que el pico de potencia ya alcanza las limitaciones de temperatura.
Nota
En algunos casos, como se muestra más arriba, la instalación de potencia de refrigeración adicional para inyectar más calor en el campo de sondeo durante los últimos años también podría aumentar la potencia de calefacción geotérmica. Al inyectar más calor en el suelo, se corrige el desequilibrio del terreno, creando así un potencial adicional de calefacción. En tal caso, el campo de sondeo volvería a la categoría anterior, recuperando cierto potencial de potencia calorífica.
Sin embargo, dado que se considera un efecto de “segundo orden”, no suele tenerse en cuenta en la convención de nomenclatura. En consecuencia, clasificamos este campo de sondeo como un campo sin potencial de potencia pico adicional, pero con potencial de intercambio de energía adicional.
Sin potencial geotérmico
El último caso que podemos tener es la situación siguiente. Como puede verse, hemos instalado una potencia adicional para este campo de sondeo, de forma que podamos proporcionar a nuestro edificio algo más de refrigeración en los últimos años de simulación y algo más de calefacción en los primeros años de funcionamiento. Como el campo de sondeo alcanza ahora los límites de temperatura todos los meses, concluimos que este yacimiento no tiene potencial geotérmico, ni para energía ni para potencia.
Nota
En sentido estricto, se puede argumentar que aún queda potencial para este campo de sondeo, ya que el umbral máximo de temperatura media del fluido no se alcanza durante el invierno y algunos meses de primavera. Para conseguirlo, habría que cambiar la demanda del edificio o conectar otro edificio al campo de sondeo. Sin embargo, esto queda fuera del ámbito de este artículo.
Relación entre los sistemas híbridos y el potencial geotérmico
¿Cómo se relaciona esto con los sistemas híbridos? Como ya se ha mencionado, la pregunta central en el diseño geotérmico híbrido es: ¿qué parte de la carga puedo cubrir con x perforaciones? La respuesta es sencilla: depende. Depende de su potencial geotérmico y de cómo decida optimizar su campo de perforación.
Sistemas híbridos con cierto potencial geotérmico remanente para la energía
Una posibilidad es diseñar el yacimiento de manera que no quede potencial de potencia, pero sí de energía (la segunda situación descrita anteriormente). En este caso, se sabe que se puede extraer una cantidad específica de energía de forma fiable durante cada año del periodo de simulación. El sistema híbrido puede entonces diseñarse para cubrir la parte restante de la carga. Este enfoque garantiza un sistema que cubre 100% de la carga con un sobredimensionamiento cero, minimizando los costes de inversión (CAPEX).
El inconveniente de este diseño es que no aprovecha todo el potencial energético del yacimiento. Si se instalara más potencia, se podría intercambiar más energía con el suelo. Dado que la GSHP (y especialmente la refrigeración pasiva) suele tener la mayor eficiencia dentro del sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado, no aprovechar todo su potencial da lugar a una eficiencia subóptima. En consecuencia, los costes operativos (OPEX) serán más elevados de lo necesario.
Sistemas híbridos sin potencial geotérmico remanente
La otra posibilidad es diseñar el campo de perforación de forma que no quede potencial energético (la tercera situación descrita anteriormente). En este caso, se instala más potencia de la que puede utilizarse en cada año del periodo de simulación. Este enfoque maximiza la energía intercambiada con el suelo, utilizando plenamente su potencial y sin dejar ninguna capacidad geotérmica sin utilizar. Garantiza la mayor cuota de energía geotérmica en el sistema, lo que se traduce en el mejor rendimiento global del sistema y el menor OPEX.
El inconveniente de este planteamiento es que la potencia instalada no siempre puede aprovecharse al máximo, por lo que es necesario compensarla mediante el sistema híbrido. El resultado es un sistema con más potencia instalada de la que realmente necesita el edificio, lo que conlleva mayores costes de inversión debido al sobredimensionamiento.
Nota
El sobredimensionamiento no siempre es una desventaja. En algunos casos, puede ser conveniente disponer de energía de reserva adicional que aporte más fiabilidad al sistema.
Conclusión
En este artículo hemos introducido los conceptos de sistemas híbridos y potencial geotérmico. Demostramos que los campos de sondeo pueden tener potencial geotérmico para energía, potencial geotérmico para energía o ningún potencial geotérmico. A continuación, se relacionaron estos conceptos con el diseño de sistemas geotérmicos híbridos, en los que la decisión de diseñar un sistema con potencial energético remanente o sin potencial alguno conlleva distintos costes de inversión (CAPEX) y de explotación (OPEX).
En el próximo artículo, profundizaremos en estos dos conceptos y analizaremos la metodología para diseñar un campo de perforación con el fin de alcanzar un tipo u otro de potencial geotérmico.
Referencias
- Vea nuestro vídeo explicativo en nuestra página de YouTube haciendo clic en aquí.