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Trazando el Futuro Energético Sostenible

El proyecto SAGE4CAN y su impulso a la transición hacia energías limpias en las Islas Canarias mediante la Geotermia y el conocimiento hidrogeológico

Alejandro García-Gil1, Juan Carlos Santamarta Cerezal2, Carlos Baquedano Estévez1, Jorge Martínez León1, Miguel Ángel Marazuela1, Samanta Gasco Cavero1, Jon Jimenez1, Teresa Alonso Sánchez3, Miguel Ángel Rey Ronco3, José Ángel Sánchez-Navarro4, Alicia Andreu Gallego5, Juan Miguel Tiscar Cervera5, Jesica Rodríguez-Martín6, Noelia Cruz-Pérez2, Joselin Sarai Rodríguez-Alcántara2

1Instituto Geológico y Minero de España (IGME), Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), Madrid, España

2Departamento de Ingeniería Agraria y del Medio Natural, Universidad de La Laguna (ULL), San Cristóbal de La Laguna, Tenerife, España

3Departamento de Energía, Universidad de Oviedo (UNIOVI), Oviedo, España

4Departamento de Ciencias de la Tierra, Universidad de Zaragoza (UNIZAR), Zaragoza, España

5Departamento de Sostenibilidad, Instituto de Tecnología Cerámica (ITC), Castellón de la Plana, España

6Departamento Técnicas y Proyectos en Ingeniería y Arquitectura, Universidad de La Laguna (ULL), San Cristóbal de La Laguna, Tenerife, España

02/02/2024
Integrar el régimen hidrogeológico en el cálculo del potencial teórico y técnico de la energía geotérmica somera en las Islas Canarias, es el principal objetivo del proyecto SAGE4CAN. Es un proyecto innovador en su aproximación al problema, ya que se considera por primera vez la renovabilidad del recurso y, por tanto, la sostenibilidad. Promoviendo así el uso de esta forma de climatización urbana, muy poco usual en el archipiélago, siguiendo los objetivos de eficiencia energética y energía renovable en España y la Unión Europea. Además, el proyecto contribuye así a la protección de los recursos hídricos públicos y a abordar las preocupaciones sobre el uso del agua subterránea. SAGE4CAN coincide con las prioridades de investigación y desarrollo de España en tecnologías bajas en carbono e innovación sostenible de recursos.
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Introducción

En respuesta al Acuerdo de París de 2015, que pretendía dar una respuesta internacional coordinada al reto del cambio climático, la Unión Europea (UE) ratificó el acuerdo en 2016, seguida de España en 2017. Si bien se han logrado avances significativos en la transición hacia energías limpias para la generación de electricidad, el sector de la calefacción y la refrigeración sigue rezagado. En 2018, la producción de calor representó el 49% del consumo total de energía final y fue responsable del 40% de las emisiones de gases de efecto invernadero relacionadas con la energía (Ferroukhi et al., 2020). En 2019, más del 77% de la demanda de calefacción y refrigeración se cubrió con combustibles fósiles y electricidad no renovable (IEA, 2020). Además, el cambio climático provoca un aumento tanto de la frecuencia como de la intensidad de las olas de calor, ya que miles de millones de personas en todo el mundo necesitan más aire acondicionado y refrigeración.

Para hacer frente a este problema, puede conseguirse una electrificación basada en energías renovables del suministro de calefacción y refrigeración mediante el uso de bombas de calor. Cuando se combinan con sistemas eficientes de tecnología de edificios, las bombas de calor pueden reducir significativamente el consumo de energía primaria y los costes de funcionamiento. Cuando las bombas de calor de baja temperatura modernas se combinan con intercambiadores de calor geotérmicos, conocidos como bombas de calor geotérmicas (GHP, del inglés geothermal heat pumps), pueden alcanzar valores COP superiores a 9 y 15 para la calefacción y la refrigeración de edificios, respectivamente (Gasser et al., 2017). Hay dos tecnologías principales de GHP comúnmente utilizadas: (I) sistemas de circuito abierto o bombas de calor de agua subterránea (GWHP, del inglés groundwater heat pumps). Estos sistemas extraen el agua subterránea para intercambiar calor directamente con ella, ya sea para extraer o disipar calor, antes de devolverlo al acuífero del que se extrajo. El texto describe dos tipos de sistemas de intercambio de calor con el subsuelo: (I) sistemas de circuito abierto, y (II) sistemas de circuito cerrado o bombas de calor acopladas al subsuelo (GCHP, del inglés ground-coupled heat pumps). En los sistemas de circuito cerrado, se utilizan una o varias perforaciones verticales profundas que contienen un circuito intercambiador de calor, conocido como intercambiador de calor de sondeo (BHE, del inglés borehole heat exchanger), para intercambiar calor directamente con el suelo.

Propósito del proyecto

El proyecto SAGE4CAN pretende avanzar en la integración real del régimen hidrogeológico en el cálculo del potencial teórico y técnico de la energía geotérmica somera (SGE, del inglés shallow geothermal energy) (García-Gil et al., 2015). Para ello se incluirá la dimensión renovable del recurso, que no ha sido considerada previamente. El ámbito del proyecto abarca las Islas Canarias, tanto a escala insular como urbana. Es necesaria una revisión y síntesis exhaustiva de la Hidrogeología de la región (Custodio, 2020; Santamarta, 2017). El equipo de investigación de SAGE4CAN ya ha observado signos iniciales de una transición energética limpia de calefacción y refrigeración en infraestructuras turísticas utilizando SGE en las Islas Canarias (Santamarta et al., 2021). Esta observación inicial establece un estándar prometedor en un dominio volcánico con condiciones particulares dadas, permitiendo la comparación de los métodos actuales para estimar el potencial de SGE y la propuesta de nuevos enfoques para una evaluación fiable del potencial de SGE. Este es un requisito esencial para la gestión de los recursos de SGE (García-Gil, Goetzl, et al., 2020).

Para alcanzar estos objetivos, el proyecto utilizará enfoques multiescala, incluyendo evaluaciones a nivel de instalación, para determinar la demanda real de energía térmica y los patrones de explotación del sistema (García-Gil, et al., 2020). El proyecto evaluará diferentes tecnologías geotérmicas y modos de funcionamiento, como la calefacción, la refrigeración y el almacenamiento de calor, al tiempo que tendrá en cuenta los posibles conflictos con otros usos del subsuelo, especialmente en las zonas urbanas. Además, las Islas Canarias ofrecen la oportunidad de evaluar el potencial geotérmico para las necesidades de calefacción y refrigeración. Esto facilitará los debates sobre la densidad, al tiempo que se tiene en cuenta la reposición activa de calor durante los periodos de demanda térmica sesgada.

SAGE4CAN también considerará la realización de pruebas de respuesta térmica (TRT, del inglés thermal response tests) para validar las estimaciones del potencial SGE y realizar un seguimiento de las temperaturas de las aguas subterráneas a lo largo del tiempo. La realización de TRTs puede contribuir al desarrollo de un marco teórico para identificar los parámetros de difusividad térmica (Rey-Ronco et al., 2020), al desarrollo de software (https://intgeother.com/), y a modelos potencialmente útiles para reducir los costes económicos de las TRTs. Esto puede hacerlas más accesibles para la industria y eliminar la necesidad de datos tabulados en el diseño de instalaciones, como se observa habitualmente en España (Arias-Penas et al., 2015).

Además, SAGE4CAN simulará el uso integrado y espacialmente variable de la energía geotérmica en los planes energéticos y climáticos urbanos, tanto a escala de ciudad como de isla. El sistema energético canario, dependiente de los combustibles fósiles y muy dependiente de las importaciones, ofrece un contexto óptimo para dar a conocer la tecnología SGE en la transición del sector de la calefacción y la refrigeración.

Los principales objetivos del proyecto SAGE4CAN se alinean con el Plan Nacional de Investigación Científica y Técnica 2017-2020 de España. Están en línea con el quinto reto de la sociedad, Cambio Climático y Aprovechamiento de Recursos y Materias Primas, así como con los compromisos adquiridos por Europa y España en el Acuerdo de París y el Marco 2030 para el Clima y la Energía, incluyendo el Plan Nacional Integrado de Energía y Clima 2021-2030 (INECP) español. La SGE es un activo económicamente viable y renovable en el marco del nuevo Paquete 'Energía limpia para todos los europeos', que establece un ambicioso objetivo de al menos una cuota del 32% en energías renovables para 2030. Además, la SGE fomenta el ahorro energético en el sector de la calefacción y la refrigeración, en consonancia con el principio básico del INECP español: la eficiencia energética es lo primero.

El INECP ha fijado un objetivo del 42% para las energías renovables en el uso final de la energía para 2030. Se espera que las bombas de calor aumenten de 629 a 3.523 ktep entre 2021 y 2030. SAGE4CAN contribuirá a alcanzar este objetivo mediante la promoción de la SGE y la evaluación del ahorro energético en las Islas Canarias.

El Plan Nacional de Acción de Eficiencia Energética 2017-2020 implementa una política de eficiencia energética que hace hincapié en la promoción de la eficiencia energética en las ciudades a través de dos componentes principales. 'Edificios' hace referencia a la Directiva 2018/844/UE relativa a la eficiencia energética de los edificios y a la 'Mejora de la eficiencia energética de los edificios: estrategia a largo plazo para la rehabilitación energética del sector de la edificación en España (ERESEE)'. Esta estrategia pasa por actualizar el Código Técnico de la Edificación (CTE), el Reglamento de Instalaciones Térmicas en los Edificios (RITE) y establecer un Sistema de Certificación Energética de Edificios. Estas actualizaciones promueven las energías renovables térmicas, incluida la SGE. La administración pública coordina la eficiencia energética en las ciudades a través de estrategias integradas de desarrollo urbano sostenible (SUDS). La SGE está reconocida por la Agencia de Energía Medioambiental de Estados Unidos como la tecnología más eficiente y limpia para la climatización de edificios.

Por otro lado, el uso de aguas subterráneas con fines térmicos ha suscitado preocupación entre las autoridades del agua en España. Como consecuencia, se han incluido marcos jurídicos relacionados con el SGE en los Planes Hidrológicos, incluidos los de las Islas Canarias. SAGE4CAN contribuirá a proteger los recursos hídricos públicos y el estado de las masas de agua subterránea.

Por tanto, los objetivos de SAGE4CAN se alinean con las prioridades temáticas del quinto reto del plan español de I+D, concretamente con las prioridades temáticas IV (tecnologías bajas en carbono) y VII (innovación y sostenibilidad de los recursos).

Objetivos del proyecto

El objetivo general del proyecto SAGE4CAN es demostrar el importante potencial de la energía geotérmica somera en la descarbonización del sector de la calefacción y la refrigeración, especialmente en entornos urbano-volcánicos como las Islas Canarias. El proyecto enfatiza la importancia de considerar la priorización energética en el mercado de la calefacción. Los objetivos específicos son los siguientes:

1) Mejora de la evaluación y cartografía del SGE

1.1. Obtención de modelos hidrogeológicos acoplados al calor para las siete islas principales del Archipiélago Canario. Interpretación hidrogeológica precisa del régimen térmico a escala insular regional de los primeros 400 m subsuperficiales para la comprensión de la renovabilidad transitoria del recurso.

1.2. Desarrollo de métodos novedosos para la evaluación y cartografía del potencial teórico de SGE, y su aplicación a las siete islas principales del Archipiélago Canario.

1.3. Crear una interpretación hidrogeológica detallada del régimen térmico local a escala de ciudad de los primeros 400 m subsuperficiales, con el objetivo de desarrollar nuevos métodos para cartografiar el potencial SGE técnico de las ciudades. Finalmente, se aplicarán al área metropolitana de Santa Cruz de Tenerife.

1.4. Validación de la cartografía del potencial técnico de bucle cerrado para el área metropolitana de Santa Cruz de Tenerife mediante su comparación con las TRT realizadas (objetivo específico 2.3).

2) Desarrollo de procedimientos novedosos para pruebas de respuesta térmica (TRT) rentables en entornos urbano-volcánicos

2.1. Impulsar desarrollos en el diseño de bancos de ensayo para obtener diseños más competitivos económicamente de medidas de temperatura en fondo de pozo mediante sensores sumergibles cableados. La meta final de este objetivo específico es obtener sensores de temperatura de coste optimizado lo suficientemente fiables como para registrar una respuesta térmica puntualmente distribuida a lo largo de los BHE's que realizan un TRT, tanto durante la prueba como posteriormente durante la fase de explotación de los recursos SGE.

2.2. Diseño y ejecución de al menos siete TRT en el área metropolitana de Santa Cruz de Tenerife, en función de las condiciones hidrogeológicas y térmicas (entorno de isla volcánica).

2.3 Realización de una caracterización del terreno explotable de la SGE mediante técnicas geofísicas de sondeos y aplicación de métodos de laboratorio para analizar las muestras recogidas de los testigos de sondeos. Esto permitirá obtener un modelo estratigráfico más detallado de la geología del sondeo necesario para la interpretación de las TRTs, permitiendo incluso deducir conductividades térmicas a partir de fórmulas tabuladas y estableciendo la relación entre los registros sónicos y de densidad con dichas propiedades.

2.4. Interpretación precisa de los registros TRT mediante métodos novedosos (modelos analíticos y numéricos) para obtener in situ determinaciones de la conductividad térmica, capacidad calorífica específica y difusividad térmica, junto con la determinación de la resistencia térmica equivalente como suma de la resistencia de perforación y la resistencia interna. Los valores obtenidos se facilitarán como referencias tabuladas a los planificadores e instaladores de sistemas SGE.

3) Estudio del rendimiento de los sistemas SGE y evaluación de los posibles conflictos de uso, riesgos e impactos medioambientales asociados al uso de SGE

3.1. Aportar pruebas de ahorro energético, económico y de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) utilizando la tecnología GEE en el sector de la producción de calor (calefacción y refrigeración), realizando un análisis de los sistemas geotérmicos poco profundos ya existentes y en funcionamiento en islas volcánicas.

3.2. Evaluación de los posibles riesgos medioambientales asociados a la interacción de los sistemas de SGE con los recursos hídricos subterráneos de los acuíferos costeros, con especial atención a los posibles fenómenos de intrusión salina.

4) Integración de la SGE en las estrategias y planes de actuación en materia de calefacción y refrigeración

4.1. Análisis del impacto en términos de emisiones de GEI de un posible cambio masivo del sector de la calefacción y la refrigeración a la geotermia somera en las Islas Canarias. Se espera que este cambio de paradigma impulse la transición energética y la cuota de las energías renovables en el consumo total de energía.

Uno de los casos de éxito de aplicación del proyecto, se trata de una bodega de vinos en Lanzarote, donde se buscaba investigar la rentabilidad y adaptabilidad térmica de instalaciones geotérmicas de baja temperatura aplicada a esta edificación (Gasco Cavero et al., 2023; Santamarta et al., 2023). Las necesidades de refrigeración y calefacción varían a lo largo del proceso de elaboración del vino, alcanzando su punto máximo en la fase de vendimia, cuando se llevan a cabo los procesos con mayores demandas térmicas. La producción de vinos de calidad exige una gran flexibilidad a la instalación, principalmente por las características de la cosecha, así como a las decisiones técnicas adoptadas por el enólogo, que pueden variar en función de los nuevos métodos de producción, las condiciones de la materia prima y las necesidades del mercado. En las figuras 1 y 2 se puede apreciar algunos detalles del caso de estudio.

Figura 1...
Figura 1. Ejemplo de aplicación en la isla de Lanzarote, en una bodega de vinos donde: (A) Se muestra la malla de elementos finitos creada para el modelo de transporte de calor geotérmico. Los piroclastos intercalados dentro de las corrientes de lava basáltica se destacan en azul, mientras que los materiales no destacados consisten predominantemente en basaltos. (B) Una vista detallada ofrece una visión detallada del conjunto de 12 Intercambiadores de Calor de Sondeo (BHEs), cada uno con una profundidad de 109 m.
Figura 2...
Figura 2. Ejemplo de un perfil vertical en las proximidades del campo de 12 Intercambiadores de Calor de Sondeo (BHE) de una bodega de vinos en Lanzarote. (A) Representa el escenario de basaltos masivos homogéneos, mientras que (B) representa el escenario de corrientes de lava basáltica intercaladas con capas de piroclastos. Las capas piroclásticas (P) están representadas por polígonos oscurecidos en negro.

Las principales conclusiones prácticas fueron que las instalaciones geotérmicas de baja temperatura aplicadas a edificios son rentables y adaptables. Permiten una menor dependencia de la energía primaria y reducen las emisiones de CO2. Además, son una buena alternativa a los sistemas convencionales de calefacción y aire acondicionado residencial. La monitorización en el interior de la instalación mediante un sistema de control inteligente la hace más rentable en términos de mantenimiento y más eficiente energéticamente.

Las capas piroclásticas porosas presentes en las islas volcánicas activas afectan a las profundidades de perforación de los intercambiadores de calor geotérmicos (que pueden llegar a los 262,8 m), planteando un desafío adicional para el desarrollo de la energía geotérmica de poca profundidad en estas zonas. Los costos de perforación también son más altos en comparación con las zonas continentales. Por lo que se hace necesario identificar y tener en cuenta la presencia de estas capas para el diseño de los sistemas geotérmicos.

Conclusiones, impactos esperados del proyecto

La transición energética en las Islas Canarias es crucial para garantizar los recursos energéticos y reducir al mismo tiempo la dependencia de las importaciones de combustibles fósiles. La introducción de la Energía Geotérmica Sostenible (EGS) en el sector de la energía térmica podría aliviar los elevados costes económicos de las importaciones de combustibles fósiles, influidos por factores geopolíticos y la volatilidad de los precios. Por lo tanto, son esenciales las estrategias centradas en la “eficiencia energética primero”. El uso de SAGE para calefacción, refrigeración y almacenamiento estacional podría reducir significativamente las importaciones de energía y las emisiones, facilitando así la descarbonización del mercado de la calefacción y la refrigeración.

Abordando estos aspectos, SAGE4CAN pretende potenciar y gestionar el uso sostenible y eficiente de los métodos de SGE para promover la adopción de la energía verde en las Islas Canarias. El proyecto se alinea con los objetivos del quinto reto de la sociedad: Cambio Climático y Utilización de Recursos y Materias Primas:

  • Introducción de metodologías novedosas para evaluar el potencial de los SGE como recurso energético renovable, teniendo en cuenta el flujo de aguas subterráneas y la renovabilidad del recurso. Este enfoque también tiene en cuenta la recuperación de energía, el efecto isla de calor y la competencia por los recursos entre los usuarios de SGE, haciendo hincapié en la necesidad de un enfoque multidisciplinar.
  • Proporcionar una base de conocimientos bien documentada para evaluar los recursos y abordar los conflictos relacionados con la energía geotérmica somera en zonas urbanas.
  • Identificar los riesgos técnicos y medioambientales asociados al uso inadecuado de la energía geotérmica somera en acuíferos costeros y proponer medidas de intervención y mitigación de la intrusión salina.
  • Demostrar los métodos, flujos de trabajo y conceptos desarrollados en los sistemas de SGE específicos de las Islas Canarias.
  • Involucrar a las partes interesadas locales a través de actividades específicas de comunicación y transferencia de conocimientos para garantizar impactos a largo plazo en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero y la mejora de la calidad del aire y el bienestar urbano.

Tras la conclusión de SAGE4CAN, los resultados pueden transferirse a las autoridades insulares de agua y energía o a entidades similares para su aplicación en otros sectores de las islas. Las completas cajas de herramientas proporcionadas pretenden cubrir todos los aspectos relevantes de la evaluación de los recursos de SGE para promover su uso futuro en la región.

Las Islas Canarias proporcionan un sistema único y susceptible de investigación para demostrar el papel potencial de los SGE en las transiciones energéticas comunitarias, lo que representa el importante valor añadido de SAGE4CAN, junto con resultados temáticos, estrategias y publicaciones científicas adaptadas.

Agradecimientos

Esta investigación está financiada por el proyecto SAGE4CAN, financiado por la Agencia Estatal de Investigación de España (AEI), proyecto PID2020-114218RA-100.

Referencias

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