Análisis de factibilidad y desarrollo de un prototipo de proyecto demostrativo del uso de energía geotérmica para climatización de invernaderos

Número de proyecto

P10

Título de proyecto

Análisis de factibilidad y desarrollo de un prototipo de proyecto demostrativo del uso energía geotérmica para climatización de invernaderos

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Abelardo Mercado Herrera

Institución

Universidad Politécnica de Baja California, UPBC

Instituciones y/o empresas asociadas

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Secretaría de Fomento Agropecuario de Baja California, SEFOA

Antecedentes y justificación

La geotermia es una fuente alterna de energía utilizada extensivamente dentro el sector energético mundial. La principal razón de la utilización de este recurso radica en que este puede ser ampliamente aprovechado para cubrir diversas necesidades de temperatura para diferentes sectores. Actualmente el sector primario tiene grandes necesidades de implementar tecnologías eficientes para incrementar la producción de cultivos, ejemplo de esto son los invernaderos. Debido a sus características permiten mantener climas idóneos para el desarrollo de las plantas sin embargo, en algunas regiones durante el invierno dar calefacción a un invernadero es un requisito esencial para el crecimiento y desarrollo adecuado del cultivo.

Diferentes investigadores han estudiado sistemas de calefacción en invernaderos empleando métodos pasivos (Hussaini y Suen, 1998; Ismail y Goncalves, 1999; Santamouris et al, 1994a, b; Tiwari. y Dhiman, 1986; Abak et al, 1994) y activos (Bargach et al, 2000;. Connellan, 1986; Santamouris et al, 1996;. Kurpaska y Slipek, 2000; Jain y Tiwari, 2003).

Entre la calefacción pasiva el uso de cortinas térmicas es uno de los medio más prácticos y apropiados para reducir la necesidad de calefacción en un invernadero (Zhang et al., 1996). El aislamiento proporcionado por la cortina ayuda en la retención de la energía térmica cerca de las plantas y evita las pérdidas de calor por radiación al cielo además de que mantiene una mejor distribución del calor en el interior del invernadero (Nelson, 1985). El efecto principal de la cortina es proporcionar resistencia térmica por lo que se reduce el coeficiente global de perdidas de transferencia de calor a los alrededores (Arinze et al., 1986).

Una cortina colocada entre el cultivo y la cubierta estructural del invernadero se llama cortina térmica, mientras que una cortina externa se coloca entre la cubierta y el invernadero. Los resultados experimentales (Bailey, 1981;. Roberts et al, 1981) y los resultados analíticos (Chandra y Albright, 1980; Seginer y Albright Louis, 1980) apoyan el uso de cortina térmica para la conservación de la energía en el invernadero. Además de la utilización de la cortina térmica para disminuir las pérdidas de calor en el invernadero se requiere para dar calefacción al suelo. La condición del suelo influye en la disponibilidad, absorción, utilización de elementos minerales, germinación de semillas y el sistema radicular de la planta (Buckman y Brady, 1971). Por otra parte, suelo actúa como una superficie radiante por que emite calor al ambiente del invernadero (Pucar, 2002).

Experimento en el que los tomates se cultivaron en condiciones arraigadas cálidos indican que el crecimiento y el total de rendimiento se incrementaron en comparación con las plantas cultivadas en invernadero caliente y calefacción convencional (Janes et al., 1981). Teniendo en cuenta el aumento de la temperatura en aérea parte de las plantas, así como suelo en el invernadero, agua al intercambiador de calor de aire (Saravia et al., 1997) y la explotación de la energía geotérmica (George et al., 1999) siempre que esté disponible con la ayuda de tubo de polietileno puede ser la opción adecuada, debido a la capacidad térmica mayor de agua.

Por otra parte la energía geotérmica es una fuente de energía muy económica capaz de satisfacer las necesidades de calefacción de un invernadero. Sin embargo debido a la alta concentración de sales, utilizar sistemas de intercambio de calor geotérmicos, presenta problemas de corrosión y de incrustaciones en las tuberías de acero. Por lo tanto los tubos de polietileno pueden ser una alternativa viable para la utilización de la energía geotérmica extraída por agua, sin que esta supere los 100 C.

Se ha estudiado el calentamiento de invernadero mediante aire, aprovechando el proceso de intercambio de calor de un fluido caliente que pasa por tubos de polietileno y son colocados cerca de las plantas cultivadas. Este método presenta la ventaja de calentar el suelo y a la planta. El utilizar sistemas de calefacción por agua caliente proveniente de un recurso geotérmico y cortinas térmicas dentro del invernadero proporciona resultados satisfactorios, además de prevenir la congelación y mantener un crecimiento optimo del cultivo a pesar de presencias de heladas (Adaro et al., 1999).

El sistema de climatización de un invernadero geotérmico y la cortina térmica puede incluir una mejora adicional cubriendo las plantas con manta térmica (Barral et al., 1999). Como resultado el volumen del espacio de aire a calentar disminuye por lo que se incrementa la eficiencia del sistema. Una manta térmica está hecha de un material sintético transparente ligero y no impermeable. El proceso de montaje de la manta es fácil y no es mucho tiempo.

El uso mundial de la energía geotérmica para calefacción de invernaderos aumentó un 10% de la capacidad instalada y el 13% de la energía anual utilizada en los últimos 10 años. La capacidad instalada es de 1.544 MWt y 23.264 TJ / año en energía. Para el 2010 un total de 34 países han utilizado sistemas de calefacción geotérmicos en invernaderos, los países líderes en anual el consumo de energía son: Turquía, Rusia, Hungría, China e Italia. Los principales cultivos en invernaderos son hortalizas y flores, sin embargo, las plántulas de árboles (EE.UU.) y frutales como plátanos. Los países desarrollados están sufriendo la competencia de los países en desarrollo debido a los costos de mano de obra siendo menor, uno de los principales costos de operación de estas instalaciones. El uso de un requerimiento energético medio, determinado a partir de WGC2000 datos de 20 TJ / año / ha para calefacción de invernaderos, el 23.264 TJ / año corresponden a cerca de 1.163 hectáreas de invernaderos con calefacción en todo el mundo – un aumento de 16,3% respecto a 2005.

Justificación

La energía geotérmica hoy en día es utilizada como un medio para generar electricidad en más de 24 países, además de una gran variedad de actividades de aprovechamiento del calor geotérmico directo (e.g., bombas de calor geotérmicas para acondicionamiento de espacios, acuacultura, agricultura, industria, etc.), se estima que en 78 países se utiliza de esta forma. México es líder internacional en generación de electricidad con geotermia, ocupa el cuarto lugar en el mundo con 958 MW instalados, sin embargo el uso directo del calor geotérmico es marginal, ascendiendo a solo 156 MW, lo que representa una fracción sumamente pequeña de su potencial nacional. Su uso se delimita principalmente en balneología y balnearios.

Por otro lado, a nivel internacional los sistemas de climatización por geotermia representan el 68.3% en capacidad instalada de todos los usos directos del calor geotérmico y el 47.2 % en utilización de la energía geotérmica. A pesar de lo anterior, actualmente no se tiene ningún sistema de climatización geotérmico instalado en México (Lund et al.).

Actualmente la agroindustria nacional, ha mostrado un cierto interés por sistemas de climatización de invernaderos, esto debido a la necesidad de utilizar medios para asegurar la temperatura interna óptima de cosecha. El indiscutible calentamiento global, los constantes incrementos de precios en las tarifas eléctricas, la falta de energía eléctrica en ciertas zonas del país, entre otros motivos, han originado una búsqueda por tecnologías de climatización sustentables.

Un sistema de climatización geotérmico se compone de una o varias máquinas que proporcionan calefacción y enfriamiento a espacios, pudiendo ser con un mismo equipo. La energía geotérmica es aprovechada como un sumidero o una fuente térmica dependiendo el peral de temperatura en el suelo que se tenga. Un ejemplo son las bombas de calor geotérmicas (BCG), que son altamente eficientes ya que por cada kW de electricidad consumido, aportan o extraen 3-4 kW de energía térmica del espacio acondicionado, ahorran de 33 a 70% de electricidad, y además reducen las emisiones de gases de 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, amigables con el ambiente y requieren de poco espacio, y pueden ser instaladas en prácticamente en cualquier sitio.

Por otra parte existen BCG directas, las cuales no requieren de una máquina que realice el efecto de producción de frío o de calor, estas aprovechan el diferencial de temperaturas entre el recinto y el suelo mediante un intercambiador de calor directo. La ventaja de estos sistemas es que el consumo de energía eléctrica es mínimo y no requieren de inversiones elevadas. Su principal desventaja es que en dependencia del perfil de temperatura y el volumen de espacio acondicionar vuelve prohibitivo instalar estos sistemas debido a la gran área de transferencia de calor que requiera el intercambiador de calor del suelo.

Este proyecto se plantea como objetivo evaluar y demostrar el potencial de aplicación y de ahorro de energía en la agroindustria al implementar sistemas de climatización de invernaderos en la Región Norte de México, utilizando geotermia de baja entalpía. Como alcance se plantea generar una propuesta de un sistema de climatización de invernaderos, basado en un modelado matemático y simulación del sistema (análisis teórico), así como el diseño, construcción, análisis operativo y funcionamiento del prototipo.

Posteriormente se buscará madurar la tecnología hasta tener un escaparate de la misma, el cual catalice la transferencia tecnológica y la generación de nuevas empresas que comercialicen el equipo. La propuesta desarrollada será capaz de aportar y de proponer soluciones alternas a los esquemas que se tienen actualmente y podrá contribuir con el crecimiento económico, social y tecnológico de nuestro país.

Hasta la fecha no se ha realizado ningún proyecto de este tipo de climatización de invernaderos en México por lo que sería un proyecto pionero y con un enorme potencial de mercado ya que la tecnología se usa muy exitosamente en diversos países y es sumamente eficiente. Por lo anterior el presente proyecto tiene por objetivo evaluar y demostrar el potencial de aplicación y de ahorro de energía de sistemas de climatización de invernaderos aprovechando el calor geotérmico como una tecnología altamente eficiente para aplicaciones agroindustriales en la Región Norte de México.

Objetivos y metas

El objetivo del proyecto contempla un análisis de factibilidad técnica-económica, una comparación de tecnologías, la generación de una propuesta y el desarrollo de un proyecto demostrativo del uso del calor geotérmico para climatización de invernaderos para satisfacer la demanda térmica de un invernadero típico en México.

Objetivos específicos

  • Determinar el estado del arte de los sistemas de intercambiadores de calor geotérmico para generar una propuesta tecnológica a desarrollar.
  • Determinar el estado del arte de los invernaderos en México para establecer un modelo típico.
  • Determinar el estado del arte de los sistemas de acoplamiento entre espacios a acondicionar y sistemas de climatización geotérmicos (pudiendo ser manejadoras, suelo radiante, difusores, etc).
  • Realizar un estudio teórico del sistema, que consiste en el modelado, simulación y optimización para encontrar las mejores condiciones de operación y diseño del sistema de intercambio de calor geotérmico, el sistema de acoplamiento y el sistema de acondicionamiento del aire interno del invernadero.
  • Realizar un estudio teórico de un invernadero típico en México que consiste en el modelado y simulación para predecir el comportamiento térmico a lo largo de un año.
  • Realizar un estudio del salto térmico de un invernadero típico en México.
  • Realizar el diseño, armado, adecuación, instrumentación y prueba de un proyecto demostrativo de un sistema de climatización geotérmico.
  • Utilizando el prototipo experimental, desarrollar un proyecto demostrativo que nos sirva de escaparate para catalizar la trasferencia de la tecnología y la creación de nuevas empresas que comercialicen la innovación tecnológica propuesta.
  • Realizar un estudio para definir el impacto social, económico y ambiental con la propuesta generada.

Número de proyecto

P10

Título de proyecto

Análisis de factibilidad y desarrollo de un prototipo de proyecto demostrativo del uso energía geotérmica para climatización de invernaderos

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Abelardo Mercado Herrera

Institución

Universidad Politécnica de Baja California, UPBC

Instituciones y/o empresas asociadas

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Secretaría de Fomento Agropecuario de Baja California, SEFOA