La energía geotérmica de alta entalpía (mayor a 180°C) se usa en más de 24 países para la generación de electricidad y en unos 78 países se usa la geotermia de media y baja entalpía (menor de 90°C), para una gran variedad de actividades agrupadas bajo el nombre genérico de Usos Directos, el objetivo es aprovechar el calor geotérmico.

Algunas aplicaciones de la energía geotérmica son: acondicionamiento de espacios, acuacultura, agricultura, secado de madera, invernaderos, Bombas de Calor Geotérmicas, (BCG), etcétera.

Las BCG son máquinas térmicas que proporcionan calefacción y enfriamiento con un mismo equipo, aprovechando la energía geotérmica de muy baja temperatura (5-25°C). Estos equipos son altamente eficientes, ya que, por cada kW de electricidad consumido, aportan o extraen entre 3 y 4 kW de energía térmica, ahorran de 33 a 70% de electricidad, comparado con tecnologías convencionales (por ejemplo, Mini Splits), al consumir menos energía eléctrica contribuyen a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la demanda eléctrica de la red.

Actualmente, las BCG representan la tecnología geotérmica de mayor crecimiento en el mundo, son competitivas, tienen bajos costos de operación, son durables y confortables, de bajo mantenimiento, amigables con el ambiente, y pueden ser instaladas en prácticamente cualquier parte ya que no se requiere de una manifestación termal.

A nivel mundial, entre las aplicaciones de los Usos Directos de la geotermia, los sistemas BCG son los que han alcanzado mayor crecimiento y popularidad, es decir, del total de la capacidad instalada para aplicaciones de usos directos, el 70.9% corresponde a los sistemas BCG. La mayoría de las instalaciones se encuentran en Norteamérica, Europa y China. El número de países con instalaciones de sistemas BCG se incrementó: 26 en el año 2000, 33 en el 2005, 43 en 2010 y 48 en 2015.

Los países líderes en instalaciones son: Estados Unidos, China, Suecia, Alemania, Austria, Canadá y Suiza. Por su parte, en México, la energía geotérmica se utiliza casi exclusivamente para producir electricidad, ya que sus usos directos se encuentran en desarrollo y actualmente permanece restringida a balnearios y albercas, instalaciones con fines recreativos y algunos con usos terapéuticos.

Por otro lado, de acuerdo con el artículo "Analysis Supporting the Summit on Space Cooling Research Needs and Opportunities in Mexico", el uso de electricidad durante el verano aumenta en un 30%, a medida que los hogares y negocios mexicanos encienden sus aires acondicionados.

El consumo estimado de electricidad para enfriamiento/ climatización fue de 22.6 TWh en 2015. Aproximadamente la mitad de la electricidad destinada al enfriamiento se utiliza en los hogares, y el resto se divide casi de manera uniforme entre pequeños y grandes edificios comerciales y de servicios, y una pequeña fracción en grandes instalaciones industriales. En las regiones más cálidas, el requerimiento de energía para enfriamiento puede elevarse y representar más de un tercio de la electricidad en los meses de verano y ser responsable de más de la mitad de la demanda máxima de electricidad. Las emisiones de Gases de Efecto Invernadero asociada a la energía empleada para enfriamiento fueron de aproximadamente 10 millones de toneladas de CO₂ en 2015, pero se espera que lleguen a 20 millones de toneladas para 2030.

México tiene al menos dos regiones climáticas muy distintas: las tierras altas centrales, que disfrutan de un clima templado, y las regiones del norte y la costa que experimentan veranos calurosos y las correspondientes altas cargas de enfriamiento. Esta última región se puede subdividir en regiones áridas muy calientes y zonas de alta humedad.

Primero, el sector residencial muestra el efecto más fuerte, con el aumento en el consumo de electricidad de aproximadamente un 50% de enero a agosto para enfriamiento. Las grandes y medianas industrias comerciales consumen la mayor cantidad de electricidad en general y muestran una tendencia por requerimiento de enfriamiento, aunque más amplia y menos definida que en el caso residencial. Del mismo modo, el pequeño comercio (< 100kW) muestra un amplio incremento que alcanza su punto máximo en octubre. El consumo total de electricidad del país es aproximadamente 5 TWh más alto en agosto que el promedio de diciembre a marzo, o alrededor del 30%.

El costo para los consumidores de la energía destinada al enfriamiento es de aproximadamente 31 mil millones de pesos, según datos de 2015. Específicamente, los clientes de servicios residenciales pagaron más de 10 mil millones de pesos por enfriamiento, o alrededor de $ 1.1 MX/kWh. Esta baja tasa indica los efectos de los subsidios a la electricidad, que están altamente correlacionados con el aire acondicionado porque las tarifas residenciales se reducen en verano en las regiones cálidas.

Finalmente, el consumo de electricidad para la refrigeración está asociado con las emisiones indirectas de gases de efecto invernadero en forma de emisiones de CO₂ de las centrales térmicas. SEMARNAT estima que la generación de electricidad mexicana emitió 0,454 kg de CO₂ por kWh en 2014.

La Tierra absorbe y almacena el 48% de la energía solar, lo que da como resultado que entre los 2 a 5 m de profundidad se encuentre una temperatura casi constante de entre 8 a 21 °C, dependiendo la ubicación geográfica y las características termofísicas del subsuelo.

Un Sistema BCG aprovecha la temperatura constante del subsuelo para proveer enfriamiento (en verano) y calefacción (en invierno) a un inmueble o, por ejemplo, para mantener temperatura de confort en hospitales, cines, teatros, hoteles, centros de cómputo, escuelas, tiendas departamentales o mantener condiciones ideales para la preservación de obras de arte o con valor histórico, etc., con bajo consumo eléctrico comparado con tecnologías convencionales.

Los sistemas BCG se integran por tres componentes principales:

 Intercambiador de Calor (IC) que extrae el calor del subsuelo o lo introduce en él.

 Bomba de Calor que transfiere a conveniencia el calor entre el sistema de distribución y el IC.

 Sistema de distribución para hacer entrega de la calefacción o enfriamiento al inmueble.


El componente más importante de un sistema BCG es el Intercambiador de Calor: En modo calefacción colecta la energía almacenada en el subsuelo y la entrega al inmueble mediante los otros componentes; mientras que en el modo enfriamiento extrae el calor del inmueble y lo deposita en el subsuelo. Los cinco principales tipos de Intercambiadores de Calor son: vertical, slinky, horizontal, abierto y en cuerpo de agua.

En la mayoría de los países en donde se ha popularizado la tecnología de los sistemas BCG, ha sido necesario el concurso de inversionistas visionarios y el apoyo de autoridades para facilitar el desarrollo de los proyectos, inicialmente en aplicaciones para climatizar espacios residenciales y comerciales, especialmente en zonas con climas extremos. De acuerdo con la literatura existente en la mayoría de esos casos la alta inversión inicial es recuperada en los primeros 6 a 10 años a partir de los ahorros alcanzados en el consumo de energía eléctrica. Con base en la rentabilidad y vida útil, el número de sistemas instalados seguirá creciendo, especialmente en aquellas aplicaciones en donde la climatización se requiera durante más tiempo, porque los ahorros de electricidad serán mayores y los tiempos de recuperación de la inversión disminuirán.

En México, considerando los proyectos desarrollados por la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, la UPBC y los demostrativos instalados por el INEEL, se ha avanzado en la asimilación de la tecnología y de acuerdo con la hoja de ruta propuesta por investigadores de la Gerencia de Geotermia del INEEL se deberá seguir con aplicaciones de mayor tamaño, con investigación para sustituir componentes y materiales de importación, así como, en diseños alternativos de intercambiadores de calor acordes con las características de clima, suelo y recursos disponibles en los estados de la República Mexicana.

La tecnología de los sistemas BCG apoyaría al uso eficiente de la energía eléctrica, y contribuiría al cumplimiento de los compromisos internacionales establecidos en el COP 21, además de que podría ser la tecnología más rentable en ciudades en donde los aspectos climáticos son adversos tales como los estados del norte del país en donde las temperaturas son extremas.

Uno de los hallazgos interesantes es haber encontrado un fabricante de equipos de Bombas de Calor Geotérmicas en nuestro país cuyos equipos solo se maquilaban y se exportaban a los Estados Unidos de América.

Se realizó un análisis de los sectores residencial y comercial en los estados de las zonas norte y centro del país, identificando a usuarios que en sus procesos sustantivos o requerimientos de operación son consumidores intensivos de energía eléctrica para climatizar espacios.

Considerando el monto de la inversión inicial se estima que el mercado potencial para los sistemas BCG está conformado por viviendas del tipo residencial y residencial plus, centros comerciales, tiendas departamentales, cines, teatros, escuelas, espacios para preservar obras de arte, archivos históricos, hoteles, clínicas y hospitales.

El estudio de mercado potencial también permite identificar la necesidad de diseñar e implementar una plataforma que integre un marco regulatorio y normativo, con apoyos financieros orientados a detonar el desarrollo de la cadena de valor a nivel industrial, para derribar algunas de las barreras de entrada; se considera necesario implantar programas específicos para apoyar la migración de tecnologías convencionales a los sistemas BCG, que permitirán ahorros en el consumo de energía eléctrica de hasta un 75% y apoyará la reducción de gases de efecto invernadero al requerir una menor cantidad de energía eléctrica generada a partir de combustibles fósiles.

Adicionalmente, esta tecnología puede emplearse en sitios remotos para mejorar la calidad de vida de comunidades en condiciones desfavorables, lo que generaría un impacto social significativo.

El INEEL cuenta con la infraestructura y personal con experiencia para ser el referente ante representantes de los sectores público y privado, y con todos aquellos interesados en el uso eficiente de la energía.

Por su experiencia en temas de geotermia, especialmente por su liderazgo en la asimilación y aplicación de la tecnología de los sistemas BCG, el INEEL está llamado a aportar en los ámbitos técnicos, económicos, regulatorios y normativos relacionados con los Usos Directos de la geotermia en los siguientes temas:

 En su condición de brazo tecnológico de la SENER, el INEEL cuenta con las competencias para asesorar en temas de eficiencia energética, en la definición de una política de estado, la cual orientaría a que las nuevas edificaciones de gobierno consideren desde su diseño climatizar con sistemas de BCG.

 Asesorar y promover la creación de un programa de incentivos fiscales, créditos con tasas preferenciales, bonos, etc. Para apoyar el uso masivo de las BCG.

 Ofrecer al sector privado servicios de asesoría, acompañamiento técnico, peritajes, supervisión y certificación relacionados con el diseño, instalación y selección de equipos y materiales.

 Promover y difundir los sistemas BCG ante representantes de la iniciativa privada y funcionarios de los tres órdenes de gobierno con el fin de establecer alianzas estratégicas, organizar periódicamente el congreso nacional sobre BCG, crear una revista sobre sistemas BCG, así como, divulgar en foros nacionales e internacionales y a clientes potenciales seleccionados.

 Promover el desarrollo de la cadena de suministros, certificar proveedores de insumos, componentes y materiales para los sistemas BCG, impulsando el marco técnico-normativo.

 Orientar la creación de un programa de apoyo para que en los casos que se reúnan las condiciones técnicas y económicas las edificaciones existentes migren a usar climatización mediante sistemas BCG.

 Formar recursos humanos especializados en temas de los Usos Directos de la geotermia.

 Participar en la definición de un marco normativo y regulatorio que promueva en México un desarrollo armónico de la industria de la climatización geotérmica.

La explotación de las fuentes de energía debe realizarse bajo los conceptos de la sustentabilidad y el cuidado del medio ambiente. Incrementar la generación de la energía eléctrica no es el único medio para procurar el desarrollo y bienestar de los pueblos, es indispensable darle relevancia al uso eficiente de la energía. Aceleradamente se incrementa la necesidad de proveer confort dentro de cualquier inmueble, el uso de energía eléctrica cada vez es mayor para operar sistemas de climatización convencional.

El uso masivo de la tecnología de los sistemas BCG para climatizar espacios residenciales y comerciales en México, es técnica y económicamente viable, aun considerando la alta inversión inicial, sin embargo, también se requiere del apoyo de sector oficial para establecer el andamiaje requerido para impulsar y detonar nuevas tecnologías; mediante políticas y programas de apoyo para generar condiciones de certidumbre para inversionistas y todos los interesados que ven en la eficiencia energética una oportunidad para apoyar el cuidado del medio ambiente. Mediante la climatización geotérmica se registran ahorros de entre el 50 y el 75 % en el consumo de la energía eléctrica destinada a proveer enfriamiento o calefacción con sistemas convencionales. El tiempo de recuperación de la inversión inicial puede variar dependiendo del tamaño de la aplicación y de la frecuencia con la que se use el sistema. Para aplicaciones intensivas en consumo de energía eléctrica para climatizar espacios, el tiempo de recuperación puede disminuir entre los 6 y 10 años. Adicionalmente, con los sistemas BCG es posible apoyar la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), ya que se reduciría la demanda de energía eléctrica cuyo origen sean los combustibles fósiles.

El INEEL, a través del CECCAB, se está preparando para desempeñar un papel relevante en el uso masivo de los sistemas BCG, para contribuir a detonar el surgimiento y desarrollo de la industria de la climatización geotérmica, que implica desarrollo de proveedores, creación de empleos especializados así como formación de recursos humanos y apoyará un uso eficiente de la energía eléctrica destinada a la climatización de espacios residenciales y comerciales. Por otra parte, como se mencionó en los proyectos demostrativos de Los Humeros, Puebla, la tecnología de los sistemas BCG también es una alternativa para climatizar espacios en poblaciones de escasos recursos contribuyendo a mejorar la calidad de vida de sus habitantes.

Participantes

Autores:
Vicente Torres Luna, vicente.torres@ineel.mx
Ismael González Reyes, igr@ineel.mx