Fuera de las altas proyecciones que ofrece para obtener energía eléctrica, el uso del calor de la Tierra para fines de confort en edificios es, además de viable y sumamente eficiente, una opción para contrarrestar el desaforado consumo energético en este tipo de construcciones
Por Christopher García
A escala mundial, México se coloca como uno de los países con mayor potencial geotérmico probado, si bien éste se aprovecha mínimamente. Fuera de las altas proyecciones que ofrece para obtener energía eléctrica, el uso del calor de la Tierra para fines de confort en edificios es, además de viable y sumamente eficiente, una opción para contrarrestar el desaforado consumo energético en este tipo de construcciones.
Baste recordar que el ahorro de energía es lo de hoy. Desde la vivienda básica, hasta las grandes industrias, cada día son más las personas y organizaciones preocupadas por detectar áreas de desperdicio energético, a fin de reducir su consumo. Sea por consciencia ambiental o economía, todos se están sumando a esta tendencia.
Como en todo, hay de consumidores a consumidores. Y el sector de la edificación, que engloba a usuarios domésticos, comerciales y públicos, es uno de los más intensivos usuarios de energía. Durante 2004 y 2005, edificios, centros comerciales, espacios comunes y vivienda consumieron 35 por ciento de la energía mundial con fines de confort térmico e iluminación. Menor, pero no menos significativo, fue el porcentaje consumido por el sector de la edificación en territorio nacional, que requirió 18 % de la energía total producida.
Mucho se debe, como es sabido, a que en 70 por ciento del país predomina el clima cálido, con necesidades permanentes de aire acondicionado. Si bien mantener condiciones de confort térmico es incuestionable, cuando predominan tecnologías «que muchas veces se basan en equipos convencionales con un bajo rendimiento energético y que impactan negativamente la economía de los usuarios», según se lee en el documento Uso directo de la energía geotérmica en acondicionamiento de espacios: Bombas de Calor Geotérmicas, publicado por el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), cabe preguntarse si no existen mejores alternativas.
El cuestionamiento se vuelve más apremiante cuando el escenario ideal se presenta cada día con menor frecuencia, pues las altas temperaturas son ya pan cotidiano para muchas demarcaciones de la República (durante 2016, los estados de Veracruz, Zacatecas, León, Tabasco, Nuevo León, Chihuahua y Coahuila registraron temperaturas superiores a los 40 grados centígrados durante el verano).
Por otro lado, el crecimiento sostenido de las edificaciones de gran altura y los centros comerciales está incrementando de forma acelerada la demanda de aire acondicionado. Pese a que la tecnología se desarrolla y el desempeño de los equipos es cada día mejor, el crecimiento en el número de unidades en operación es mayor que el porcentaje de ahorro que brindan.
Quizás el mayor obstáculo para mejorar la eficiencia energética tenga que ver con la recurrencia de tecnologías convencionales. Los mercados suelen embarcarse en ciclos de innovación que se basan en desarrollos probados a los que se les aplican mejoras para optimizar su desempeño. Pero tarde o temprano los rasgos por mejorar pueden agotarse. Falte lo que falte para alcanzar tal punto, vale la pena contar con opciones de respaldo, sobre todo si ofrecen desempeños mejores incluso que los de las tecnologías actuales.
En el INEEL, diversos investigadores han enfocado sus líneas de trabajo en evaluar qué tan viable es la aplicación de la tecnología geotérmica para el acondicionamiento térmico de edificios, principalmente con el uso de la bomba de calor geotérmica. Dicha tecnología representa 49 por ciento del uso directo de la energía geotérmica en el mundo, con una capacidad instalada de 35 mil 236 MWt a 2009.
Tres de estos investigadores explican en el documento citado que las bombas de calor geotérmicas «son máquinas térmicas capaces de utilizar el gradiente térmico entre el suelo (2 a 3 m de profundidad) o el agua subterránea (~10 m de profundidad) y el ambiente para el acondicionamiento (calentamiento o enfriamiento) de edificios e instalaciones».
Una característica particular de las bombas de calor geotérmicas es su capacidad de transportar el calor en dos direcciones, «de manera que en invierno se usa el modo de calentamiento, es decir, el calor se extrae del suelo y se libera en el espacio a acondicionar, mientras que en verano el calor se extrae del espacio a acondicionar y se libera en el suelo», señalan los doctores Rosa María Barragán Reyes, Víctor Manuel Arellano Gómez y Alfonso García Gutiérrez, en el documento del INEEL, y explican que para hacerlas operar pueden acoplarse directamente al suelo o utilizar agua subterránea como fuente.
Dado que se trata de una tecnología ya existente en el mercado, y de precio competitivo, su uso se vuelve mucho más redituable al emplearse para fines tanto de calefacción como de enfriamiento. «Dependiendo de su diseño y aplicación, las bombas de calor geotérmicas reducen el consumo de energía entre 30 y 60 por ciento respecto de los sistemas de enfriamiento y calefacción convencionales, y pueden instalarse prácticamente en cualquier sitio. En Estados Unidos, Canadá, China y algunos países de Europa, se ha tenido la mayor tasa de crecimiento en el uso de bombas de calor geotérmicas, con un número estimado de 2.94 millones de unidades en operación», detallan los especialistas.
Principios de operación de la bomba de calor geotérmica
Los investigadores del INEEL explican que para que una bomba de calor aumente la temperatura de una fuente de energía de baja calidad a un nivel más útil, «es necesario aplicar al sistema una cantidad relativamente pequeña de energía de alta calidad, la cual puede ser en forma de energía mecánica, eléctrica o calorífica, a una temperatura relativamente alta». En el caso de la bomba de calor geotérmica, la energía de alta calidad es la temperatura natural de la Tierra.
Las bombas de calor geotérmicas utilizan el calor terrestre en un intervalo de temperaturas «de entre 5 y 30 grados centígrados», precisan los investigadores. Como se ha mencionado, pueden utilizarse con fines de calefacción (el calor de la Tierra es transportado hacia el área por calentar) y de enfriamiento (el calor removido de un determinado espacio es transferido a la Tierra donde se disipa de manera natural).
En ambos casos, la fuente consiste de un recurso geotérmico a temperatura constante. Éste puede encontrarse directamente bajo el suelo (a 2 o 3 metros de profundidad) y los sistemas empleados para aprovecharlo se denominan de circuito cerrado; también puede encontrarse en el agua subterránea (aproximadamente a 10 metros de profundidad), y se aprovecha mediante sistemas llamados de circuito abierto.
De la redacción
La eterna disyuntiva: inversión inicial vs eficiencia operativa
Por supuesto, cualquiera que desee poner en marcha un proyecto de acondicionamiento térmico basado en una bomba de calor geotérmica se preguntará qué tan costoso es o, cuando menos, si es más costoso que instalar una solución convencional. La respuesta es llanamente sí: un sistema a base de bomba de calor geotérmica requiere mayor inversión inicial.
¿Por qué? Responden los especialistas: «Para tener acceso a este recurso y dependiendo del tipo de bomba de calor geotérmica (de circuito cerrado o abierto), es necesario excavar un área específica de terreno para colocar los tubos intercambiadores de calor o perforar al menos un pozo. Por esta razón, las bombas de calor geotérmicas presentan un costo inicial más alto que las que emplean aire del ambiente como fuente de calor».
Sin embargo, acotan, «las bombas de calor geotérmicas tienen importantes ventajas: consumen menos energía para operar, usan un recurso de temperatura constante, no requieren un suplemento adicional de energía para mantener acondicionado el espacio durante temperaturas exteriores extremas, usan menos refrigerante, son más simples en diseño y mantenimiento, entre otras».
Cabe aclarar que no todo es miel sobre hojuelas. Además de una inversión inicial más elevada, las bombas de calor geotérmicas presentan ciertas desventajas frente a aquéllas basadas en aire. El problema principal es de índole teórica-práctica, pues hasta la fecha se carece de experiencia suficiente en su diseño y operación, al tiempo que existen pocos estímulos desde el sector gobierno.
Ventajas. Las bomas de calor geotérmicas consumen menos energía al operar, son más simples en diseño y mantenimiento, usan un recurso a temperatura constante, además de que pueden brindar tanto frío como calor al lugar donde se instalan
Proyectos en marcha
El último inconveniente fue recientemente retomado por el Gobierno Federal, y se anunció un proyecto de cooperación con la Unión Europea para la investigación de sistemas geotérmicos, a fin de desarrollar y aplicar nuevas tecnologías y metodologías en este campo.
Durante el evento protocolario, el secretario de Energía, Pedro Joaquín Coldwell, recordó que México ocupa la cuarta posición mundial en capacidad instalada en energía geotérmica, con 926 megawatts, si bien, destacó, se aprovecha menos del 10 por ciento de su potencial. Uno de los objetivos del proyecto bilateral con la Unión Europea es incrementar cuantiosamente la participación del recurso geotérmico en la matriz nacional.
En este sentido, el proyecto tendrá una inversión total de 20 millones de euros que serán aportados en igual proporción por el Fondo de Sustentabilidad Energética y la Comisión Europea (10 millones de euros cada uno), y será gestionado por un consorcio de instituciones.
Por parte de México, el consorcio estará encabezado por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, con la participación de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM), el Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), el Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada (CICESE) y la Comisión Federal de Electricidad (CFE).
La contraparte europea estará liderada por el Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungs Zentrum (GFZ) de Alemania, con la colaboración de más de 20 instituciones de Alemania, Bélgica, Francia, Grecia, Islandia, Italia, Países Bajos, Polonia, Noruega y el Reino Unido.
Este proyecto sentará las bases para transitar al aprovechamiento de los sistemas geotérmicos, y se suma a las iniciativas que se desarrollan actualmente en diversos centros de investigación nacionales, como el propio INEEL, el Centro Mexicano de Innovación en Energía Geotérmica (Cemie-Geo), con una treintena de proyectos en curso, incluido el uso de la bomba de calor geotérmica, o la Universidad Politécnica de Baja California, institución que ha puesto en marcha un proyecto de impulso a la geotermia para su uso en la climatización de invernaderos.
