Yacimientos individuales y colectivos

Los campos de perforación geotérmicos pueden utilizarse en muchos escenarios diferentes, pero una distinción general es la que existe entre los sistemas geotérmicos individuales y los colectivos. En este capítulo se analizan tres tipos diferentes de sistemas geotérmicos, desde los totalmente individuales hasta los totalmente colectivos, y se explica en qué casos uno podría ser una mejor opción que el otro. Las distinciones que se exponen en este capítulo ayudarán a comprender el concepto de simultaneidad e interferencia que se tratará a continuación.

Tres tipos de sistemas geotérmicos de borefield

Cuando se tiene un proyecto con diferentes unidades o edificios, como un barrio de nueva construcción o un edificio de apartamentos al que se quiere dotar de calefacción y refrigeración geotérmicas, se plantea una pregunta: ¿instalamos un sistema colectivo o individual? En la imagen siguiente se muestran tres tipos generales de soluciones.

En un extremo se encuentra la solución totalmente individual (izquierda). En este caso, cada piso o unidad del edificio cuenta con su propio sistema de calefacción y refrigeración (es decir, su propia bomba de calor geotérmica), conectado a su propio pozo o campo de pozos independiente.

En el otro extremo se encuentra la solución totalmente colectiva (a la derecha). En este caso, la producción de calefacción y refrigeración está centralizada y se distribuye a las diferentes unidades del edificio. Cuando las unidades se encuentran en edificios separados (por ejemplo, todo un barrio), esta solución se convierte en la red tradicional de calefacción y refrigeración.

La última opción consiste en utilizar unidades de producción individuales de calefacción y refrigeración conectadas a un campo de perforaciones centralizado. Esta solución, que ha suscitado un gran interés últimamente en regiones como los Países Bajos, es similar a lo que se denomina calefacción y refrigeración urbanas de quinta generación (5DHC), en las que las temperaturas geotérmicas se comparten entre diferentes usuarios, quienes pueden decidir por sí mismos si desean utilizarlas para calefacción o refrigeración.

Las tres opciones anteriores tienen sus propios casos de uso, ventajas y desventajas. En las secciones siguientes se analizará cada una de estas opciones con más detalle, centrándose en los aspectos relacionados con el diseño geotérmico (potencia máxima y desequilibrio), así como en cuestiones generales (coste, mantenimiento e impacto social).

Producción individual, yacimiento individual

Cuando todos tus edificios o unidades de vivienda (como los apartamentos) cuentan con su propio sistema individual de bomba de calor geotérmica, el diseño es idéntico al que hemos visto anteriormente en este curso. En términos conceptuales, hay que asegurarse de que cada pozo geotérmico (o campo de pozos) pueda cubrir 100% de las cargas máximas del edificio, así como la demanda energética anual. La combinación de estos factores puede suponer una presión considerable para el diseño de los campos de pozos individuales.

A diferencia de los sistemas geotérmicos colectivos, los pozos individuales o los campos de pozos suelen estar situados a mayor distancia entre sí que en el caso de un campo de pozos tradicional con una separación fija entre pozos. Imaginemos, por ejemplo, un barrio en el que cada vivienda disponga de su propio pozo o pozos geotérmicos. Normalmente, estos pozos estarían más separados entre sí que si estuvieran agrupados en un único campo. Esta mayor separación puede ayudar a hacer frente al desequilibrio, tal y como se explica en Parte 5.5.

No obstante, el hecho de que los campos de perforación estén conectados a instalaciones individuales no significa que estén completamente separados entre sí. Al igual que los distintos pozos de un mismo campo se influyen mutuamente, cualquier par de campos de perforación geotérmicos presenta un cierto grado de interferencia térmica. Esto se tratará en Parte 8.2.

Conclusión

En resumen, se puede decir que la longitud total del pozo necesaria para un sistema totalmente individual depende de tres factores:

• Una potencia máxima resultante más elevada (100% de la carga del edificio).
• Un mayor desequilibrio geotérmico.
• Una influencia potencialmente menor del desequilibrio, debido a la distancia entre los pozos.

Aunque la importancia relativa de estos tres factores puede variar de un proyecto a otro, se puede afirmar que, en el caso de los edificios de viviendas, donde los pozos están relativamente cerca unos de otros debido al espacio limitado, una solución individual supondrá un mayor número de metros de pozo. En el caso de un barrio, donde los pozos están más separados entre sí, la solución individual puede ser ligeramente menor.

En cuanto a los costes de mantenimiento, estos son relativamente elevados para este tipo de solución, ya que el mantenimiento de múltiples bombas de calor conlleva unos gastos acumulados más elevados. Además, dado que cada edificio cuenta con su propia unidad de calefacción y refrigeración, esto provocará mayores picos de demanda eléctrica en la red, lo que requerirá una mayor capacidad (tal y como se explica en Parte 1.1).

Producción individual, perforación colectiva

Una segunda solución, cada vez más popular, consiste en descentralizar las bombas de calor geotérmicas, pero conectarlas a un único campo de perforaciones. Esto podría resultar especialmente interesante en casos en los que, debido, por ejemplo, a restricciones de espacio, los pozos ya estuvieran bastante próximos entre sí, o en el contexto de una red de calefacción urbana de quinta generación con edificios en los que predominan tanto la calefacción como la refrigeración. El uso de un campo de pozos centralizado ofrece dos ventajas principales:

1. Dado que ahora todas las unidades están conectadas a la misma fuente geotérmica, solo es necesario tener en cuenta el desequilibrio acumulado a la hora de diseñar el campo de pozos. Este desequilibrio será siempre igual o menor que la suma de los desequilibrios individuales de cada unidad; por ejemplo, en el caso de un edificio de varios niveles con una tienda en la planta baja con una elevada demanda de refrigeración y apartamentos residenciales en las plantas superiores. Por lo tanto, el campo de perforaciones resultante estará más equilibrado que en el caso individual, en el que cada pozo debería ser capaz de hacer frente al desequilibrio individual.
2. Dado que no todas las bombas de calor funcionan al mismo tiempo, la potencia máxima resultante en superficie también puede ser menor. Este efecto se denomina «simultaneidad» y se analizará más adelante en Parte 8.3.

Conclusión

Al trabajar con un campo de perforaciones colectivo, se puede considerar la posibilidad de reducir la potencia máxima y el desequilibrio, lo que daría lugar a un diseño más económico. Sin embargo, si los pozos están ahora más próximos entre sí que en el caso individual, la influencia del desequilibrio podría ser mayor. La decisión final sobre si esto resulta beneficioso o no depende, en última instancia, del proyecto concreto.

En términos generales, en el caso de los bloques de pisos en los que los pozos ya están bastante próximos entre sí, es probable que un campo de pozos colectivo resulte rentable. En el caso de los barrios, esto no suele ser así, debido al elevado coste de inversión que suponen las tuberías de distribución de la red de calefacción y refrigeración urbana de quinta generación, a menos que el desequilibrio de todo el sistema se reduzca considerablemente gracias a su carácter colectivo.

Dado que siguen instaladas varias bombas de calor, el coste acumulado de mantenimiento de esta solución sigue siendo relativamente elevado, al igual que la potencia eléctrica máxima total necesaria en la red eléctrica. Como no se puede garantizar la simultaneidad y la regeneración resulta algo más compleja en este caso, el campo de perforaciones suele ser más extenso que en la siguiente opción.

Producción colectiva, perforación colectiva

La última opción consiste en optar por un sistema centralizado de producción de calefacción y refrigeración acoplado a un campo de perforaciones centralizado. Se trata, básicamente, del concepto tradicional de una red de calefacción y refrigeración urbana con un sistema de producción centralizado. Debido al carácter centralizado de la fuente, el diseño puede beneficiarse de un desequilibrio general normalmente menor en comparación con los diseños individuales.

Sin embargo, a diferencia del campo de perforación colectivo con bombas de calor individuales, contar con un sistema de producción centralizado nos permite ahora estar seguros de que nuestra potencia máxima será menor, tanto desde el punto de vista térmico como hidráulico, ya que esta bomba de calor centralizada suele ser más pequeña que la suma de todas las instalaciones individuales.

Debido al diseño centralizado, es probable que los pozos estén más próximos entre sí, lo que puede aumentar el efecto del desequilibrio. No obstante, dado que también contamos con una unidad de producción centralizada, resulta relativamente fácil mitigar este efecto creando un sistema híbrido o incorporando la regeneración, tal y como se analizará en las partes 9 y 10.

Conclusión

Contar con un sistema totalmente colectivo se traducirá en menores picos de demanda de potencia en el campo de perforaciones y, por lo general, en un menor desequilibrio. Por lo tanto, en comparación con el caso de unidades de producción individuales y un campo de perforaciones colectivo, esta solución dará lugar, en general, a sistemas geotérmicos de menor tamaño, aunque esto seguirá dependiendo del proyecto específico y de la geometría del campo de perforaciones. En general, esta solución suele ser más rentable para los bloques de pisos, mientras que puede resultar más costosa para los barrios debido a la necesidad de tuberías de distribución aisladas para la calefacción y la refrigeración en los sistemas de calefacción y refrigeración urbanos de cuarta generación.

Dado que ahora solo tenemos que mantener un único sistema, el coste acumulado de mantenimiento es menor y la capacidad eléctrica necesaria de la red también se reduce. Los sistemas colectivos son más fáciles de optimizar y, por lo tanto, a veces constituyen la opción preferida por una empresa de servicios energéticos (ESCO).

Conclusión

En este capítulo se han analizado tres soluciones geotérmicas diferentes: el sistema totalmente individual (en el que tanto la bomba de calor como los pozos son individuales), el sistema totalmente colectivo (con una bomba de calor colectiva y un campo de pozos compartido) y una solución combinada, en la que se conectan bombas de calor independientes para cada unidad a una fuente geotérmica central.

Aunque el ahorro concreto en los costes que supone pasar de sistemas individuales a sistemas colectivos puede depender de las características de cada proyecto, optar por un campo de pozos colectivo ofrece la ventaja de gestionar el desequilibrio de forma conjunta, en lugar de abordarlo edificio por edificio. Además, la centralización de la producción puede ayudar a reducir los costes de mantenimiento, limitar la potencia máxima del campo de perforación y reducir la capacidad eléctrica necesaria.

En el próximo capítulo, Se analizará el concepto de interferencia entre distintos sistemas geotérmicos separados hidráulicamente.

Preguntas

Referencias

• Lund, H., Werner, S., Wiltshire, R., Svendsen, S., Thorsen, J.E., Hvelplund, F., Mathiesen, B.V. (2014). Calefacción urbana de cuarta generación (4GDH): integración de redes térmicas inteligentes en los futuros sistemas energéticos sostenibles, Energía, volumen 68, páginas 1-11, 0360-5442, https://doi.org/10.1016/j.energy.2014.02.089.