BASES PARA EL APROVECHAMIENTO DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA DE BAJA Y MUY BAJA ENTALPÍA EN MÉXICO

Bases para el aprovechamiento de la energía geotérmica de baja y muy baja entalpía en México

Elaborado por Dr. en Arq. Agustín Torres Rodríguez Enero de 2020

Desde tiempos antiguos se ha tenido conocimiento de la existencia de la energía geotérmica debido a su presencia en los volcanes, geiseres, aguas termales, etc. Antiguamente se ha utilizado para el calentamiento de recintos y para aplicaciones medicinales. De acuerdo con Jutglar et al. (2011) los yacimientos de baja entalpía son mucho más abundantes que los de alta entalpía y están distribuidos de forma homogénea sobre la superficie de la Tierra. Para Jutglar et al. (2011) los recursos de alta entalpía generan calor y se utilizan más en aplicaciones industriales y para la generación de electricidad. En el caso de México los recursos de alta entalpía (superior a 150 °C) se han utilizado para la generación de electricidad y los de baja (inferior a 100 °C) y muy baja entalpía (50-40 °C) para usos terapéuticos y medicinales. Los recursos geotérmicos de baja y muy baja entalpía no se han utilizado para la climatización de viviendas y edificios en México debido principalmente al alto costo inicial que representa la instalación de un sistema con bomba de calor geotérmica.

Breve descripción de una bomba de calor La bomba de calor es un sistema convencional de climatización que puede calentar o enfriar un espacio. Esta es controlada por medio de un termostato de cuarto en donde se pueden programar las temperaturas de calentamiento y enfriamiento del sistema. Las bombas de calor se pueden clasificar en fuente el aire, fuente la tierra y fuente el agua. Las primeras aprovechan la temperatura del aire para calentar o enfriar las viviendas, los locales comerciales, las universidades y otras instalaciones públicas y privadas. Pero el principal inconveniente de este tipo de sistemas se tiene cuando opera en el modo de calentamiento y la temperatura del aire exterior desciende a menos de 0 °C lo que ocasiona que el vapor del agua del aire exterior se empiece a congelar en el serpentín evaporador. Otras causas que originan este congelamiento son el flujo de aire alrededor del serpentín de enfriamiento puede estar bloqueado debido a la suciepuede estar bloqueado debido a la suciedad; un filtro de aire sucio o al aislamiento defectuoso del conducto de suministro de aire principal. Cuando el sistema de refrigeración por compresión de vapor tiene poco refrigerante, los serpentines se enfrían de manera desigual, lo que puede ocasionar la formación de hielo. Parte del serpentín se enfría mucho y la humedad en el aire comienza a condensarse en el serpentín, causando la formación de hielo. El hielo entonces actúa como un aislante térmico. Esto provoca una falta de calentamiento y una baja en la eficiencia térmica de la bomba de calor. Además, el tiempo de vida de las válvulas reversibles que cambian los modos de climatización (enfriamiento/calentamiento) es relativamente corto (de 5 a 7 años de operación diaria).

Los segundos sistemas aprovechan la temperatura en el interior del suelo, subsuelo o roca para climatizar las edificaciones. Las bombas de calor con fuente el agua puede tomar o enviar el calor a un acuífero, lago, laguna o estanque. Tres componentes integran una bomba de calor geotérmica: el sistema de refrigeración por compresión de vapor con válvula reversible, el intercambiador de calor geotérmico y el sistema de distribución.

El intercambiador de calor geotérmico colecta el calor y lo transfiere al refrigerante que fluye a través del sistema de refrigeración mecánica para calentar la vivienda o edificio. En el modo de enfriamiento el refrigerante toma el calor del aire interior de la vivienda, y lo transfiere al agua interior del intercambiador de calor geotérmico para ser después depositado en el subsuelo, suelo o acuífero. Dependiendo de las características geológicas o hidrogeológicas del sitio, los intercambiadores de calor geotérmi-

cos pueden ser instalado verticalmente u horizontalmente y pueden ser conectadas a una serie de tuberías en forma de circuitos en paralelo para extraer o depositar el agua o el calor. Si lo que se deposita o extrae es el agua se llama sistema abierto y si esta agua circula por el interior de tuberías de polietileno de alta densidad se llama sistema cerrado.

Tabla 1. Parámetros de diseño de los sistemas de bomba de calor con intercambiador de calor geotérmico de tipo cerrado.

Tipo de sistema

Intercambiador de calor geotérmico horizontal

Intercambiador de calor geotérmico vertical

Intercambiador de calor geotérmico sumergido Usos comunes Configuración Profundidad de la tubería

Uso residencial con lotes de grandes tamaños y acceso a la tierra Recto, múltiple o sinuoso

Uso comercial o aplicaciones de alta demanda energética.

Cualquier sitio con acceso a un estanque, lago o río Tubería en U o coaxial; paralelo o serie

Tubería sumergida 0.4-1.5 m (promedio)

15-120 m

2 m

Estudios del potencial geotérmico de los sistemas cerrados En 2014 el Servicio de Manejo Ambiental (EMS, por sus siglas en inglés), el grupo de Ciencia GNS y la Autoridad en Conservación y Eficiencia Energética (EECA, por sus siglas en inglés) de Nueva Zelanda recomendaron los parámetros mostrados en la tabla 1 para el diseño e instalación de los sistemas de bomba de calor geotérmicas con intercambiador de calor geotérmico de tipo cerrado.

Espaciado entre serpentines

1-3 m (entre zanjas) Espaciado entre tubos

≥0.3 m (tuberías múltiples dentro de la zanja)

10 m

Varios Material de la tubería

Polietileno de alta densidad Diámetro del tubo

20-40 mm

Polietileno de alta densidad o polietileno enlazado de forma cruzada

Polietileno de alta densidad. Otras opciones incluyen intercambiador de placas o sistemas tipo mantel 20-40 mm

20-40 mm

Fuente: Servicio de Manejo Ambiental, el grupo de Ciencia GNS y la Autoridad en Conservación y Eficiencia Energética (2014).

17 Desde la creación del Centro Mexicano de Innovación en Energía Geotérmica (CEMIE-GEO) a finales de 2014 se han estado haciendo esfuerzos por estimar el potencial geotérmico que tiene México para instalar sistemas de bombas de calor geotérmicas a partir de las temperaturas que se pueden alcanzar en el suelo y subsuelo de México. Como parte de los diferentes proyectos del CEMIE-GEO en octubre de 2018 la Dra. Rosa María Prol Ledesma y un grupo de investigadores del Posgrado en Ciencias de la Tierra, del instituto de Geofísica de la UNAM y de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo presentaron un mapa del flujo de calor y recursos geotérmicos de México. Prol-Ledesma et al. (2018) estimaron que las zonas con mayor potencial geotérmico son: Cerro Prieto, en Baja California; Tres Vírgenes, en Baja California Sur; los Azufres, en Michoacán; los Húmeros, en Puebla y el Domo San Pedro, en Nayarit. Estas zonas se puede tener flujos de calor superiores a 200 mW/m 2 . En este documento, Prol-Ledesma et al. (2018) calcularon que un pozo localizado en la latitud 19.50729° y longitud -98.84960° en Texcoco, Estado de México podía tener un gradiente geotérmico de 29.4° C/ km, un flujo de calor de 73.6 mW/m 2 , una conductividad térmica del suelo y subsuelo de 2.50 W/mK a una profundidad de 337 m. Esto sería adecuado para instalar bombas de calor con intercambiador de calor geotérmico vertical o horizontal cerrado en las zonas de Texcoco. Pero en pozos más profundos de otras partes del país como son el MEX051 (latitud 19.69° y longitud -97.46°) y el Grad-T-a 34 (latitud 19.78° y longitud -100.76°) Pol-Ledesma et al. (2018) reportaron un flujo de calor de hasta 515.5 y 547.2 mW/m 2 a profundidades de 1700 y 860 m respectivamente. En abril de 2019, Torres et al. (2019) estimaron que una muestra de la arena de las playas mexicanas con número 30 de la Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM por sus siglas en inglés) y 600 micras de tamaño podría alcanzar una temperatura de 51.5° C a una profundidad de 10 cm cuando era expuesta a la radiación solar de la ciudad de México. En este estudio los autores concluyeron que la alta temperatura registrada por la arena se debía a factores como la forma del grano, tamaño de grano, color de grano, y contenido de humedad. Además, Torres et al. (2019) indicaron que los granos de cuarzo que estaba presente en la muestra de arena y con forma sub-angular incrementaban los puntos de contacto entre granos lo que facilitaba el flujo de calor y por consecuencia se tenían temperaturas por encima de los 40° C. Con estos resultados se puede estimar un potencial geotérmico de baja profundidad en el cinturón volcánico de México y en algunas playas de los estados de Guerrero y Veracruz. Carbajal-Martínez (2019) registró una temperatura de entre 70 y 93° C a una profundidad de 10 cm en un área de 1300 m 2 en la playa de la Jolla en Ensenada Baja California. Carbajal-Martínez (2019) dedujo que estas temperaturas de la arena se debían al oleaje del mar y a la descarga de fluidos calientes sobre la arena. Este autor concluyó que a profundidades de entre 1 y 15 m en esta zona el vapor de agua podría alcanzar temperaturas de hasta 180° C. En esta zona se podría enterrar un intercambiador de calor geotérmico horizontal cerrado en forma de U y conectarse a una bomba de calor geotérmica para enfriar viviendas u hoteles cercanos a la costa en la época de verano o

Si se utilizaran enfriadores de líquido por absorción de simple efecto para el enfriamiento de alguna edificación en la zona de la Jolla se podría instalar un intercambiador de calor geotérmico horizontal cerrado en forma de U a una profundidad de 2 m y conectarlo a la entrada del haz de tubos que se sumerge en el generador para que la solución a 102 °C cree vapor de refrigerante a 97 °C. En el caso de los enfriadores de líquido por absorción de doble efecto se podría conectar el intercambiador de calor geotérmico en U al haz de tubos que se sumerge en el generador del primer efecto para que el vapor de refrigerante a aproximadamente 149 °C fluya hacia el generador de baja temperatura del segundo efecto. Los intercambiadores de calor geotérmicos podrían estar hechos de cobre tipo K para soportar temperaturas superiores a 100 °C y presiones de hasta 792.9 kPa. Tabla 2. Parámetros de diseño de los sistemas de bomba decalor e intercambiador de calor geotérmico abierto. El Servicio de Manejo Ambiental, el grupo de Ciencia GNS y la Autoridad en Conservación y Eficiencia Energética también recomendaron los parámetros mostrados en la tabla 2 para el diseño e instalación de sistemas con bomba de calor e intercambiador de calor geotérmico abierto. En esta se puede observar que es importante tomar en cuenta las condiciones del acuífero, los lagos, las lagunas y los ríos del país donde se quieren diseñar e instalar esta clase de sistemas. Como uno de los avances con los que se cuenta hoy en día y que ayudan al estudio de los sistemas abiertos se tienen los Sistemas de Información Geográfica (SIG). De estos se utilizan con bastante frecuencia las interfaces gráficas ARGIS y QGIS, siendo este último más popular porque es de descarga gratuita. Las herramientas computacionales utilizadas por el Sistema de Información Geográfica QGIS para estimar el potencial geotérmico de un acuífero o del subsuelo de una región son QGeoTherTools. Para el caso mexicano partir de las condiciones actuales en que se encuentran los acuíferos es de vital importancia para estimar este potencial geotérmico nacional. La figura 1 muestra un mapa de la distribución de los acuíferos de México en 2018.

Fuente de calor Usos comunes

Agua subterránea Uso comercial o aplicaciones de alta demanda energética Configuración Espaciado entre pozos Material de la tubería

Un solo pozo, doble pozo, pozo de columna 60-180 m Acero y polietileno de alta densidad

Agua superficial Uso comercial o aplicaciones de alta demanda energética. Frecuentemente utilizados para el enfriamiento. Requiere el acceso a grandes volúmenes de agua. Agua de mar, lago o río

Fuente: Servicio de Manejo Ambiental, el grupo de Ciencia GNS y la Autoridad en Conservación y Eficiencia Energética (2014).

Además de conocer parámetros como la conductividad hidráulica del acuífero se deben conocer la conductividad térmica y la capacidad calorífica volumétrica. Para esta localización se tiene que recurrir a la piezometría (distribución de los pozos) del país por lo que para ello se deberán utilizar metadatos preferentemente en formato vectorial SHP (Shape en inglés), KLM, Raster (TIFF) y Modelos de Elevación Digital (DEM, por sus siglas en ingles). La figura muestra la distribución de pozos en México en el año 2016.

Fuente: CONAGUA (2019b) Figura 2. Distribución de pozos en México. Mapa de piezometría creado con la interface QGIS.

Fuente: INEGI (2019) Figura 3. Localización de ríos, lagos y lagunas de México. Mapa de hidrografía creado con la interface QGIS.

La localización de los ríos es importante para los sistemas superficiales. Para el caso de México se cuenta con la información proporcionada por el Instituto Nacional de Estadística y Geografía (INEGI). La figura 3 muestra los ríos, lagos y lagunas de México. Otros mapas importantes a tomar en cuenta en un SIG del acuífero son: la velocidad del agua subterránea, su espesor, transmisividad, gradiente hidráulico, conductividad térmica y capacidad calorífica volumétrica.

Red Iberoamericana de Geotermia Somera En junio de 2018 se inicia la conformación de la Red Iberoamericana de Geotermia Somera (RIGS) a cargo de la Dra. María del Mar García Alcaraz investigadora del Instituto de Hidrología de Llanuras (IHLLA) y del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). La primera reunión se celebró los días 7 al 11 de octubre de 2019 en las instalaciones de la Universidad de San Martín, en Buenos Aires, República de la Argentina. La red forma parte del Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología (CYTED) en su apartado de energía y tiene como objetivo principal contribuir con la instalación, investigación, desarrollo e integración de los sistemas de geotermia somera para el desarrollo de actividades productivas y acondicionamiento térmico de edificaciones de distintos tipos, tanto en zonas urbanas como rurales e industriales, utilizando tecnologías probadas y disponibles en los países de Iberoamérica. Los países integrantes de la red son Argentina, Chile, Colombia, Ecuador, España, México y Uruguay.

Para el caso de México él grupo está integrado por el Dr. David Morillón Gálvez investigador del Instituto de Ingeniería de la UNAM, el Dr. Álvaro Lentz Herrera investigador de la Universidad Autónoma de la Ciudad de México, el Doctor Agustín Torres Rodríguez colaborador externo del Instituto de Ingeniería y el Maestro Oscar Daniel Rivera del Programa de doctorado en Urbanismo de la UNAM. En la actualidad este grupo de investigación está elaborando los mapas de potencial geotérmico de todo el país. Con los mapas se busca evaluar las condiciones de aplicación de las bombas de calor geotérmica y así identificar sus oportunidades y vulnerabilidades.

De acuerdo con los estudios y recomendaciones antes presentadas es tiempo de que México empiece a utilizar el potencial geotérmico para climatizar viviendas y edificios. Especial importancia tienen los trabajos realizados por el grupo de investigadores mexicanos para la elaboración de mapas de potencial geotérmico somero y como parte de uno de los objetivos principales de la RIGS. El cálculo de este potencial permitirá el mejor aprovechamiento y desarrollo de la tecnología de acuerdo con los recursos naturales de México para que puedan ser utilizados de manera racional y eficiente.

Los trabajos que realiza el CEMIE-GEO también contribuyen con las bases para el uso de la geotermia de baja y muy baja entalpía en México.

Referencias

[1] Carbajal-Martínez, D. (2019). Exploración geotérmica en el municipio de Ensenada, Baja California, mediante métodos geoquímicos y geofísicos. Tesis de maestría. Centro de Investigación Científica y de Educación Superior de Ensenada, Baja California.

[2] Comisión Nacional del Agua (2019a). Condición de los acuíferos. Consultado el 17 de diciembre de 2019 en: http://sina.conagua.gob.mx/sina/tema.php?tema=acuiferos&ver=mapa&o=1&n=nacional

[3] Comisión Nacional del Agua (2019b). Condición de los acuíferos. Consultado el 17 de diciembre de 2019 en: https://datos.- gob.mx/busca/dataset/red-piezometrica-mapas

[4] Instituto Nacional de Estadística y Geografía (2019). Hidrografía. Entidad Estados Unidos Mexicano. Consultado el 17 de diciembre de 2019 en: https://www.inegi.org.mx/temas/hidrografia/default.html#Descargas

[5] Jutglar, L., Miranda, A. L., y Villarrubia, M. (2011). Manual de calefacción (1a. Ed.). Barcelona, España: Ediciones técnicas Marcombo.

[6] Prol-Ledesma, R. M., Carrillo-de la Cruz, J. L., Torres-Vera, M. A., Membrillo-Abad, A. S., y Espinoza-Ojeda, O. M. (2018). Heat flow map and geothermal resources in Mexico. Terra digitalis International e-journal of maps. 2, Issue (2), 1-15.

[7] Servicio de Manejo Ambiental, el grupo de Ciencia GNS y la Autoridad en Conservación y Eficiencia Energética (2014). Geothermal Heat Pumps in New Zealand Introductory Technical Guide. (54), 1-60.

[8] Torres-Rodríguez, A., Morillón-Gálvez, D., Aldama-Ávalos, D., Morales-Ramírez, J.D., García-Kerdán, I. (2019). Predicting the thermal behaviour of sands considering its moisture content and grain size with applications to geothermal heat pump installations. Energy and Buildings, 194, 85-104.