Tecnologías y tipos de aprovechamiento de la geotermia
1. Tecnologías geotérmicas
Las tecnologías actuales permiten aprovechar recursos de distintas temperaturas mediante plantas de vapor seco, sistemas flash y ciclos binarios (ORC), los cuales convierten el calor del subsuelo en electricidad de forma eficiente y continua. Además, han avanzado la perforación profunda, los sistemas de control digital y las bombas de calor geotérmicas, ampliando el uso de la geotermia tanto para generación eléctrica como para climatización.
2. Tipos de aprovechamiento
· Generación eléctrica: Utiliza recursos de alta y media entalpía, se emplean plantas de vapor seco, sistemas flash y ciclos binarios (ORC). Produce energía firme y continua, adecuada para abastecer la red eléctrica.
· Usos directos del calor: Incluye calefacción urbana, balnearios, invernaderos y acuicultura, aprovecha el calor geotérmico sin necesidad de generar electricidad y es eficiente para procesos industriales que requieren temperaturas moderadas.
· Bombas de calor geotérmicas: Funcionan con recursos de baja temperatura, se utilizan para climatización eficiente en viviendas, edificaciones y comercios. Reducen significativamente el consumo energético convencional.
· Sistemas híbridos y coproducidos: Combina geotermia con otras energías o aprovecha fluidos de pozos petroleros, aumentan la eficiencia y diversifican el uso del recurso. Son útiles en regiones donde la geotermia no es suficientemente alta para uso directo.
3. Bombas de calor geotérmicas
3.1. ¿Qué es una bomba de calor geotérmica?
Una bomba de calor geotérmica (GSHP) extrae o cede calor al subsuelo (o a un acuífero/masa de agua) mediante un circuito de intercambio térmico. Aprovecha la relativamente constante temperatura del terreno a profundidad para climatizar (calefacción/refrigeración) y producir agua caliente sanitaria con alta eficiencia energética.
3.2. Tipos principales (configuraciones de intercambio con el terreno)
1. Circuito cerrado vertical (sondas verticales, U-tube)
· Perforaciones verticales (sondas) con un U-tube (tubo en U) por pozo, relleno con lechada térmica.
· Usado cuando el terreno útil en superficie es limitado o para grandes exigencias.
2. Circuito cerrado horizontal
· Tubos enterrados a 1–2 m de profundidad en zanjas horizontales.
· Menor coste de perforación; requiere terreno amplio.
3. Circuito cerrado en agua
· Tubo sumergido en lago/estanque; alto intercambio térmico por contacto con agua. Requiere masa de agua disponible.
4. Circuito abierto
· Agua subterránea extraída por pozo, pasa por el evaporador y se reinyecta; alta eficiencia pero exige recurso hídrico y cumplimiento ambiental.
5. Sistemas híbridos
· GSHP + caldera, GSHP + PV, GSHP + almacenamiento estacional (BTES), o GSHP con recuperación de calor industrial.
3.3. Componentes básicos de un sistema GSHP
· Sonda/bucle geotérmico (vertical/horizontal/agua).
· Bomba de circulación para el fluido del bucle (agua+glicol en circuito cerrado).
· Intercambiador de calor/evaporador del lado geotérmico.
· Compresor de la bomba de calor (parte frigorífica).
· Condensador (intercambio con circuito de calefacción o ACS).
· Válvulas, purgadores, filtros, vasos de expansión y controladores.
· Control electrónico / termostatos / gestión energética.
3.4. Rendimiento y factores que lo afectan
· Temperatura del fluido de terreno: cuanto más estable y cercano a la temperatura de entrega, mayor COP.
· ΔT de emisión: sistemas de baja temperatura (suelo radiante, fan-coils a baja temperatura) permiten COP más altos.
· Permeabilidad y conductividad térmica del terreno: mayor conductividad ⇒ menor longitud de sondeo.
· Calidad del diseño hidráulico (caudales, bombas) y del circuito frigorífico.
· Operación y control: regulación, by-pass, y estrategias de modulación afectan eficiencia estacional.
· Sistemas con ACS + calefacción integrada presentan buenos coeficientes de uso.
3.5. Costes (orientativos) y análisis económico
· Coste de la bomba de calor unitaria (residencial, 3–15 kW térmicos): varía ampliamente; ejemplo: $3,000 - 8,000 según capacidad y marca.
· Coste de campo geotérmico (sondas verticales): uno de los mayores costes. Rango aproximado: $30 - 120 por metro lineal según región, profundidad, accesibilidad y perforadora.
· Sistema completo residencial (GSHP con sondas verticales): suele estar $10,000 - 30,000 (depende de número de sondas y tarifa local).
· Nivelizado coste de energía (LCOE térmico): competitivo frente a combustibles fósiles para calefacción en proyectos con larga vida útil.
· Payback: depende de precio de la energía convencional, incentivos y eficiencia; típicamente 5–15 años.
Estos rangos son indicativos: los costes locales (mano de obra, permisos, roca difícil) cambian mucho el presupuesto. Para proyectos medianos/grandes conviene estudio económico detallado.
3.6. Instalación: pasos y buenas prácticas
1. Estudio geotécnico y permisos.
2. Ensayo TRT para obtener conductividad térmica.
3. Perforación de sondeos (vertical) o excavación de zanjas (horizontal).
4. Inserción de U-tube, inyección de lechada térmica y sellado.
5. Tendido de colectores horizontales (si aplica) y pruebas de presión hidráulica.
6. Instalación de la bomba de calor, intercambiadores, bombas de recirculación y control.
7. Puesta en marcha, ajuste hidráulico y verificación de rendimiento.
8. Documentación: esquema, planos de sondeos y garantía.
3.7. Operación, mantenimiento y vida útil
· Mantenimiento: reducido. Inspecciones anuales: bombas de circulación, filtros, presión del circuito, compresor revisión cada 5–10 años, recarga de glicol según requerimiento.
· Vida útil:
o Equipo frigorífico (bomba de calor): 15–25 años (según calidad).
o Sondeos verticales / tubería enterrada: 50–100 años (generalmente muy larga si la instalación es correcta).
· Problemas comunes: fugas en bucle, pérdida de caudal, incrustaciones en sistemas abiertos, degradación del fluido anticongelante.
3.8. Ventajas y desventajas
Ventajas
· Alta eficiencia energética (COP elevado).
· Emisiones directas de CO₂ muy bajas.
· Vida útil del campo geotérmico muy larga.
· Idóneo para edificaciones con demanda térmica constante.
Desventajas / retos
· Alto coste inicial (principalmente perforación).
· Requiere espacio (horizontal) o perforadora especializada (vertical).
· Posibles complicaciones regulatorias o ambientales (sistemas abiertos, reutilización de aguas).
· Diseño deficiente puede causar enfriamiento progresivo del terreno y pérdida de rendimiento.
3.9. Aplicaciones típicas y casos de uso
· Residencial unifamiliar: calefacción, ACS y refrigeración (suelo radiante + ACS).
· Edificios comerciales: oficinas, hoteles con ACS centralizado.
· Edificios públicos y distritos: district heating urbano con múltiples bombas y BTES (almacenamiento estacional); ejemplos en Europa y EE. UU.
· Industrial: precalentamiento de procesos, recuperación de calor.
· Agricultura: invernaderos (temperatura controlada), acuicultura.
3.10. Normativa, guías y estándares (principales referencias)
· IGSHPA (International Ground Source Heat Pump Association): manuales de diseño y buenas prácticas.
· ASHRAE: guías para bombas de calor y diseño HVAC (por ejemplo ASHRAE 90.1 para códigos de energía).
· Normas ISO/EN: relacionadas con rendimiento y ensayos de bombas de calor.
· Guías nacionales: de diseño geotérmico y reglamentación ambiental según país.
3.11. Innovaciones y líneas de I+D
· Integración con almacenamiento térmico estacional (BTES): permite equilibrar calor anual (almacenar verano → usar en invierno).
· Mejora de fluidos secundarios y desarrollo de bombas de calor con baja GWP.
· Sistemas híbridos GSHP + PV + baterías para maximizar autoconsumo y flexibilidad.
· Optimización por control avanzado / digital twins para máxima eficiencia operativa y detección temprana de degradación.
· Perforación más económica y técnicas de sondeo múltiples (multilateral), adaptadas desde oil & gas.
4. Bibliografía
[1] C. Sáez-Blázquez, I. Martín-Nieto, A. Farfán-Martín y D. González-Aguilera, “Evaluación de diferentes metodologías para el diseño del campo de captación de sistemas geotérmicos someros”, Revista Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, vol. 21 (o el volumen apropiado), 2021.
[2] F. Rivas-Cruz, E. G. Hernández-Martínez y L. E. Papadimitriou-Suárez, “Calefacción y Refrigeración con Bombas de Calor – Proyectos desarrollados en México”, Tendencias en Energías Renovables y Sustentabilidad (TERYS), vol. 1, no. 1, 2022 (o año de publicación correcto).
[3] C. G. Arroyo, Diseño de una bomba de calor a partir de la energía geotérmica para acondicionar un invernadero florícola, Tesis (Ingeniería Química), Universidad Central del Ecuador, Quito, 2019.
[4] E. S. Chávez Yanchapaxi, Diseño y construcción de una bomba de calor geotérmica, Proyecto de grado, Escuela Politécnica Nacional, Quito, 2016. [En línea]. Disponible: https://bibdigital.epn.edu.ec/handle/15000/16559
[5] A. G. García Gutiérrez e I. Martínez Estrella, “Estado actual de desarrollo de las Bombas de Calor Geotérmico”, Geotermia, vol. 25, no. 2, pp. 58–65, 2012. [En línea]. Disponible: https://biblat.unam.mx/hevila/Geotermia/2012/vol25/no2/7.pdf
[6] M. A. Palacio-Villa, D. Blessent, J. López-Sánchez y D. Moreno, “Sistemas geotérmicos mejorados: revisión y análisis de casos de estudio”, Boletín de Geología, vol. 42, no. 1, pp. 101–118, 2020.