En esta parte, nos centraremos en los sistemas híbridos y, más concretamente, en los sistemas geotérmicos híbridos. En este capítulo se presentará el concepto de sistemas híbridos, explicando sus ventajas e inconvenientes. A continuación, se analizará el concepto de potencial geotérmico, así como la diferencia entre la optimización y la simulación de sistemas.
¿Qué son los sistemas híbridos?
En el caso de los sistemas de mayor envergadura (pensemos, por ejemplo, en un edificio con múltiples servicios o en redes de calefacción y refrigeración urbanas de quinta generación), las demandas acumuladas de los edificios suelen ser muy elevadas, tanto en lo que respecta a la demanda anual como a la potencia máxima resultante. Si 100% de esta carga tuviera que ser suministrada únicamente mediante una única tecnología (en nuestro caso, el campo de perforaciones), probablemente se necesitarían muchas perforaciones. Pero quizá no haya espacio suficiente para instalar un campo de perforaciones del tamaño necesario, o no se disponga del presupuesto suficiente para ello. O, lo que ocurre con mayor frecuencia, existe una alternativa más rentable.
Es precisamente aquí donde entra en juego el concepto de sistemas geotérmicos híbridos. Un sistema híbrido, en GHEtool, se define como una combinación de varias tecnologías que, en conjunto, satisfacen las necesidades energéticas del edificio. En un sistema geotérmico híbrido, como su nombre indica, la tecnología geotérmica desempeña un papel fundamental. A continuación se muestra gráficamente.
La ventaja de los sistemas híbridos es que no importa qué tecnologías se combinen. A menudo, un campo de perforaciones con una bomba de calor geotérmica puede combinarse con una bomba de calor aerotérmica para dar apoyo durante las horas de máxima demanda, o bien puede disponerse de una red de calefacción urbana para cubrir la parte restante de la carga. La combinación ideal de tecnologías depende exclusivamente de las necesidades de su edificio (por ejemplo, ¿necesitamos una tecnología que pueda dar apoyo durante los picos de carga elevados o simplemente una que pueda cubrir la carga base?), del espacio disponible (¿hay espacio para instalar una bomba de calor aerotérmica?) o de los sistemas existentes (por ejemplo, una caldera de gas en proyectos de rehabilitación).
Ventajas de un sistema híbrido
Los sistemas geotérmicos híbridos son, en ocasiones, la única opción práctica y viable para un proyecto, por ejemplo, cuando el espacio disponible para la perforación es limitado. Sin embargo, también presentan otras ventajas:
Menores costes de inversión: Los sistemas híbridos permiten combinar las ventajas de diferentes tecnologías para ahorrar dinero. Algunas tecnologías tienen unos costes iniciales más bajos, pero unos costes de funcionamiento más elevados, mientras que los campos de perforación suelen ser la parte más cara del sistema desde el punto de vista de la inversión, aunque ofrecen una excelente eficiencia para la bomba de calor geotérmica. Por ejemplo, reducir el tamaño del campo de perforación en un 10% mediante un diseño híbrido puede reducir significativamente los gastos de capital (CAPEX) y hacer que el proyecto resulte 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.
Design: retos de un sistema híbrido
Seleccionar la combinación ideal de tecnologías es, por supuesto, un primer reto de diseño, aunque bastante sencillo, ya que a menudo viene determinado por los límites del proyecto (superficie disponible en la azotea, restricciones de ruido, disponibilidad de calefacción urbana…). El principal reto consiste en determinar el tamaño necesario de cada tecnología para que, al final, se obtenga el mejor sistema. Dado que en este curso todo gira en torno al diseño de campos de perforaciones geotérmicas, la pregunta clave de diseño para cualquier sistema geotérmico híbrido es: “¿Cuál es la proporción de energía geotérmica que podemos obtener con un número determinado de perforaciones?”.”
Esto nos lleva directamente al concepto de potencial geotérmico.
¿Qué es el potencial geotérmico?
En lo que respecta al potencial geotérmico de un campo de perforaciones, existen tres opciones diferentes:
- Potencial de poder: la capacidad de proporcionar una mayor potencia de calefacción o refrigeración en momentos de máxima demanda.
- Potencial energético: la capacidad de intercambiar más energía con el suelo a lo largo del tiempo, incluso cuando ya se hayan cubierto las demandas máximas.
- Sin potencial geotérmico: cuando el campo de perforación ya está funcionando a plena capacidad, tanto en potencia como en energía.
A continuación se explican brevemente estas tres opciones.
Potencial geotérmico
Imaginemos un campo de perforaciones con un perfil de temperatura como el de la figura siguiente. Como se aprecia claramente, el campo de perforaciones alcanza sus límites en el primer año de funcionamiento al alcanzar el límite máximo de temperatura del fluido. No es posible aumentar la potencia de inyección de calor, ya que ello superaría los límites de temperatura. Por otro lado, si nos fijamos en la temperatura mínima del fluido, esta no se acerca en absoluto al límite mínimo de temperatura del fluido. Esto significa que podemos extraer más calor del suelo y proporcionar a nuestro edificio potencia de calefacción adicional. Por lo tanto, podemos concluir que este campo de perforaciones tiene potencial de poder, en este caso, la potencia de extracción.
Potencial geotérmico para la energía
Cuando se aumenta la carga de extracción en el campo de perforaciones anterior, se obtiene el perfil de temperatura que se muestra a continuación. Ahora, la temperatura del fluido alcanza los límites establecidos tanto en el primer como en el último año del periodo de simulación, lo que hace imposible aumentar aún más la potencia de inyección o extracción, ya que, de hacerlo, se volverían a sobrepasar los límites del fluido. Sin embargo, esta limitación solo se produce en el primer año en el caso de la inyección máxima y en el último año en el caso de la extracción máxima. En los primeros años, todavía existe potencial para extraer más calor del suelo, mientras que en los últimos años existe potencial para inyectar calor adicional.
Si instaláramos más potencia geotérmica en este campo de perforaciones, podríamos intercambiar más energía con el suelo, pero no podríamos extraer más potencia durante los periodos de máxima demanda. Por eso decimos que este campo de perforaciones tiene potencial energético pero no para la potencia, ya que el pico de potencia ya alcanza las limitaciones de temperatura.
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
En el perfil de temperatura que se muestra a continuación, queda claro que hay ya no queda potencial geotérmico, ya que las temperaturas del fluido alcanzan tanto los límites máximos como los mínimos en cada año del periodo de simulación.
- El concepto de potencial geotérmico siempre es relativo a la carga requerida por el edificio. Si el edificio no tiene demanda de refrigeración en invierno, no existe potencial para una carga de inyección mayor, ya que no hay demanda alguna.
- No obstante, es posible pensar con originalidad y buscar edificios cercanos que podrían beneficiarse de estar conectados al mismo campo de perforaciones. Este es, por ejemplo, el caso de edificios con cargas opuestas, como edificios residenciales y de oficinas o piscinas y pistas de patinaje sobre hielo.
La diferencia entre optimizar y simular un sistema híbrido
En esta parte se analizarán dos enfoques diferentes para el diseño de sistemas híbridos: la optimización y la simulación de sistemas híbridos. Aunque ambos son complementarios, es importante comprender sus diferencias fundamentales para saber cuándo utilizar cada uno de ellos.
Optimización de los sistemas híbridos
A la hora de optimizar un sistema geotérmico híbrido, la pregunta fundamental es siempre: “¿Qué podemos hacer con un campo de perforaciones de un tamaño determinado?”, lo que vincula directamente el diseño del sistema con el concepto de potencial geotérmico. En otras palabras, se trata de un metodología «borefield-first» donde el objetivo es, en primer lugar, conseguir la mayor potencia posible (Parte 9.2) o energía (Parte 9.3) del campo de perforaciones geotérmicas, y lo que este no pueda aportar debería aportarlo otra fuente. Su objetivo es sacar el máximo partido al que (probablemente) sea tu componente más caro.
Simulación de sistemas híbridos
Cuando se simula un sistema geotérmico híbrido, la situación es ligeramente diferente. En este caso, se selecciona a priori el tamaño de cada tecnología híbrida y el umbral de temperatura por encima o por debajo del cual debe activarse dicha tecnología. Por ejemplo, cuando la temperatura del aire exterior supera los 12 °C, probablemente resulte más eficiente utilizar una bomba de calor aerotérmica en lugar de una geotérmica. En ese caso, basta con indicar que la bomba de calor aerotérmica de x kW se activa por encima de los 12 °C. Este enfoque también puede considerarse como «híbrido primero», ya que, en función de los umbrales establecidos, primero retira parte de la carga del campo de perforación, tras lo cual este puede simularse simplemente como antes.
Este método de simulación es más rápido que el de optimización, pero no te proporcionará el mismo porcentaje de energía geotérmica, ya que no está directamente relacionado con el concepto de potencial geotérmico. Esto se tratará en Parte 9.5.
Conclusión
En este capítulo se ha presentado el concepto de sistemas híbridos, explicando tanto sus ventajas como sus inconvenientes, así como el concepto de potencial geotérmico. Se ha señalado que el diseño de estos sistemas híbridos, especialmente la cuestión de cuál es la proporción de energía geotérmica en un sistema híbrido geotérmico concreto, dista mucho de ser trivial, y que existen diferentes formas de abordar este problema, dependiendo de si se desea optimizar el sistema híbrido o simplemente simularlo.
En los próximos capítulos se analizarán diferentes metodologías de diseño para sistemas híbridos, cada una con su propio caso de uso, ventajas y desventajas. En conjunto, constituirán una caja de herramientas de la que el diseñador de campos de perforación podrá elegir y combinar lo que necesite para tomar una decisión fundamentada sobre el sistema definitivo.
Referencias
- Peere, W. (2025). Tres formas de diseñar un sistema híbrido de calefacción y refrigeración geotérmica para un edificio de oficinas. En Actas de la Conferencia Geo-Rin. Benasque (España), del 2 al 6 de junio de 2025. [en línea]