Danilo Asimbaya, Analista técnico de la información IIGE
La calefacción de espacios representa el mayor uso final de energía en el sector de la edificación, con un uso energético por sobre el 35 %; y, conjuntamente con el enfriamiento de espacios y calentamiento de agua, constituyen más de los dos tercios de la demanda energética en edificaciones residenciales, superando los 1.600 Millones de toneladas equivalentes de petróleo (Mtep), al año a nivel mundial, según los últimos datos de la Agencia Internacional de Energía, figura 1 [1].
Este consumo y su consecuente volumen de emisiones de gases de efecto invernadero, se genera debido a la instalación de tecnologías poco eficientes que usan combustibles fósiles para su funcionamiento. En 2017, estos combustibles suministraron el 89 % de la producción de calor distrital en todo el mundo; y actualmente, la refrigeración de espacios representa el uso final de más rápido crecimiento en todo el mundo a medida que se adquieren y utilizan cada vez más aires acondicionados (AC) [1], y que para el caso de Ecuador lo demuestran estudios recientes p.ej. [2], [3].
Figura 1. Impacto ambiental del uso energético a nivel mundial, en el sector de edificaciones. Modificado de [1]
Por esta razón, la climatización urbana se considera un área de desarrollo tecnológico clave para descarbonizar el sector constructivo (desde el punto de vista de consumo energético) y reducir la dependencia de los combustibles fósiles, sobre todo gracias a su potencial para utilizar fuentes renovables, como la geotermia [4].
El uso de la geotermia como fuente para calefacción urbana se ha aplicado desde la época de los romanos, hace más de 2.000 años; sin embargo, su aprovechamiento para enfriamiento y calefacción, se lo conoció hasta 1946 cuando se instaló la primera bomba de calor geotérmica en Commonwealth Portland, Oregón, Estados Unidos [5] y, desde 1995 este último tipo de tecnología ha crecido exponencialmente, pasando de un aprovechamiento de 14.617 TJ/año a 599.981 TJ/año en 2020 [6]. A nivel mundial, la capacidad instalada para calefacción con geotermia totaliza 12.768 MWt y actualmente, los líderes en calefacción distrital con geotermia, en términos de capacidad y uso anual de energía son China, Islandia, Turquía, Francia y Alemania [6].
Se puede definir a la calefacción y enfriamiento distrital a partir de geotermia, como el uso de la energía geotérmica (es decir, la energía almacenada en forma de calor debajo de la superficie de la tierra) para climatización de edificaciones, ya sean residenciales, comerciales, o para la industria, a través de una red de distribución distrital que aprovechen recursos geotermales tanto superficiales (hasta decenas de metros) como profundos (hasta miles de metros). Los principales servicios disponibles de un sistema geotérmico distrital son calefacción de espacios, distribución de agua caliente y refrigeración de espacios [4], Figura 2.
Figura 2. Ilustración de calentamiento y enfriamiento distrital con Geotermia. ©2020 Egg Geo LLC
Los sistemas geotermales superficiales, de baja temperatura (< 32°C), usan bombas de calor geotérmicas para aprovechar la temperatura estable del suelo como medio para proveer calor en épocas frías y entregar frío en épocas calurosas. Por otro lado, los sistemas geotermales profundos de baja a media temperatura (hasta 150°C) aprovechan fluidos geotermales y dependiendo de la temperatura del fluido, puede ser ventajoso desarrollar un sistema híbrido que incluya bombas de calor [4] y/o sistemas solares [7].
Para el caso de los sistemas geotermales superficiales, su rango de aplicación no tiene restricción geográfica, se puede instalar en cualquier sitio; por supuesto, se debe evaluar el que mejor se adapte a la locación. Los distritos de climatización con sistemas geotermales profundos, ocurren donde las condiciones geológicas propiciaron la formación de cuencas sedimentarias con gradientes geotérmicos superiores al nominal (25 a 30 °C/km), por ejemplo, la cuenca del norte de Alemania y en áreas con una extensa actividad volcánica, como Islandia.
Alemania tiene una capacidad instalada de 346.2 MWt distribuidos en cinco intercambiadores de calor de pozos profundos: 1° de 2.835 m, para calentamiento de un spa; 2° de 2.786 m, para calefacción distrital; 3° de 773 m, proporciona calor para la industria; 4° de 800 m, para calefacción de espacios; y 5° de 700 m, para calefacción local. Los beneficios ambientales han sido notables. Un sistema que aprovechó fluido geotérmico a 140°C y un caudal de 110 l/s; consiguió la reducción de 36.000 toneladas de CO2 por año y calentamiento distrital de 16.000 viviendas más cogeneración [4]. Por su lado, Islandia, contiene aproximadamente 30 sistemas de calefacción distrital geotérmico, que funcionan en ciudades y pueblos del país y, además, unos 200 sistemas pequeños en áreas rurales y ha logrado suplir el 90 % de calentamiento distrital únicamente con geotermia desplazando el uso e importación de combustibles fósiles [8].
A nivel de Latinoamérica, en Colombia se instaló la primera bomba de calor para refrigeración de espacios en un parque industrial a 40 km al norte de Bogotá. La bomba de calor funciona a tiempo completo y enfría una habitación de 90 m3 hasta -10 ° C, a través de tres pozos verticales, dos de 70 m y uno de 80 m de profundidad [6]. De igual manera, en Brasil se han utilizado las bombas de calor geotérmicas para refrigeración de espacios y disminuir el impacto ambiental de sistemas convencionales [9], Figura 3.
Figura 3. Sistemas de calefacción en edificios por fuentes y sus emisiones de CO2. Modificado de [9]
Tomando en consideración los aspectos mencionados, Ecuador, debido a sus características geológicas favorables, presenta todos los tipos de recurso geotérmico para su aplicación en climatización distrital. Existen cuencas sedimentarias en las zonas más pobladas del país (región costa y valle interandino); así como, regiones volcánicas (regiones Insular y Sierra), y zonas urbanas con acuíferos subterráneos que pueden ser utilizados para la instalación de bombas de calor geotérmicas. La región Amazónica presenta zonas con gradiente geotérmico anómalo (de hasta 69.01°C) que puede ser aprovechado indirectamente de la producción petrolera para cogeneración eléctrica [10].
La climatización con geotermia aún no se ha desarrollado en nuestro país; sin embargo, a través del proyecto “Evaluación del recurso geotérmico de baja temperatura para el incremento de la productividad agrícola en invernaderos”, el Instituto de Investigación Geológico y Energético (IIGE), fomenta el uso de bombas de calor geotérmicas de mayor eficiencia energética y menor impacto ambiental.
Considerando que la calefacción y refrigeración a través de geotermia, permite la provisión de energía renovable local, base y flexible, la diversificación energética, la reducción de las importaciones de combustibles fósiles y la protección contra la volatilidad y el aumento de los precios de los combustibles fósiles [4], este recurso resulta una buena opción para su aplicación, en conjunto con otras fuentes renovables, para la climatización de edificaciones en nuestro país.
La geotermia presenta un gran potencial para su aprovechamiento en Ecuador; por ello, es importante conocer la disponibilidad de este recurso y su potencial, así como promover un marco regulatorio adecuado que permita un desarrollo sostenible de todas sus aplicaciones y que sea atractivo para la inversión. De igual manera, las políticas enmarcadas para la descarbonización del sector constructivo y los planes nacionales de eficiencia energética, deberían incluir a la geotermia como medio para su implementación. Finalmente, la creación de capacidades técnicas locales y transferencia de conocimiento a tomadores de decisiones regionales y locales permitirá apoyar proyectos futuros y fomentar el aprovechamiento de la geotermia en Ecuador.
El Instituto de Investigación Geológico y Energético (IIGE), le invita a participar en una ENCUESTA DE PERCEPCIÓN.
El objetivo de la encuesta es recibir sus comentarios para comprender de mejor manera su percepción y expectativa que nos permitan entregar un producto y servicio óptimo.
Agradecemos su participación.
Referencias Bibliográficas
[1] International Energy Agency, “Perspectives for a Clean Energy Transition. The Critical Role of Buildings.,” Energy Transit. Prog. Outlook to 2020., 2019.
[2] M. Palme, L. Inostroza, G. Villacreses, C. Carrasco, and A. Lobato, “Urban climate in the South American coastal cities of Guayaquil, Lima, Antofagasta, and Valparaíso, and its impacts on the energy efficiency of buildings,” Urban Clim. Lat. Am., pp. 33–62, 2019, doi: 10.1007/978-3-319-97013-4_3.
[3] L. Godoy-Vaca, E. C. Vallejo-Coral, J. Martínez-Gómez, M. Orozco, and G. Villacreses, “Predicted medium vote thermal comfort analysis applying energy simulations with phase change materials for very hot-humid climates in social housing in ecuador,” Sustain., vol. 13, no. 3, pp. 1–31, 2021, doi: 10.3390/su13031257.
[4] AGPE et al., “Developing Geothermal District Heating,” 2018.
[5] I. Dincer and H. Ozcan, Geothermal Energy, vol. 1–5. 2018.
[6] J. W. Lund and A. N. Toth, “Direct utilization of geothermal energy 2020 worldwide review,” Geothermics, vol. 90, pp. 1–39, 2021, doi: 10.1016/j.geothermics.2020.101915.
[7] J. Huang, J. Fan, and S. Furbo, “Demonstration and optimization of a solar district heating system with ground source heat pumps,” Sol. Energy, vol. 202, no. November 2019, pp. 171–189, 2020, doi: 10.1016/j.solener.2020.03.097.
[8] Á. Ragnarsson, “Geothermal Development in Iceland,” Proc. World Geotherm. Congr. 2015, pp. 19–25, 2015, [Online]. Available: https://www.geothermal-energy.org/pdf/IGAstandard/WGC/2015/01077.pdf.
[9] M. Younis, T. Bolisetti, and D. S. Ting, “Ground source heat pump systems: current status,” Int. J. Environ. Stud., vol. 67, no. 3, pp. 405–415, 2010, doi: 10.1080/00207231003668813.
[10] C. Angulo, “Zonificación Del Gradiente Geotérmico En La Cuenca Oriente a Partir De Temperaturas De Fondo De Pozos,” Tesis, EPN, 2020.