Análisis de factibilidad, comparación de tecnologías, estudio de mercado y desarrollo de un proyecto demostrativo de bombas de calor geotérmicas para acondicionamiento de espacios habitacionales y comerciales en las regiones centro y norte de México

Número de proyecto

P13

Título de proyecto

Análisis de factibilidad, comparación de tecnologías, estudio de mercado y desarrollo de un proyecto demostrativo de bombas de calor geotérmicas para acondicionamiento de espacios habitacionales y comerciales en las regiones centro y norte de México

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Vicente Torres Luna

Institución

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Instituciones y/o empresas asociadas

Universidad Politécnica de Baja California, UPBC

Antecedentes y justificación

La energía geotérmica se usa hoy en día para generación de electricidad en más de 24 países y en una gran variedad de actividades del uso del calor geotérmico (e.g., bombas de calor geotérmicas (BCG) para acondicionamiento de espacios, acuacultura, agricultura, industria, etc.) agrupadas bajo el nombre genérico de usos directos en unos 78 países. México es líder internacional en generación de electricidad con geotermia ocupa el cuarto lugar en el mundo con 958 MW e instalados, sin embargo el uso directo del calor geotérmico es marginal, ascendiendo a solo 156 MWt, lo que representa una fracción sumamente pequeña de su potencial nacional y su uso principal es en balneología y balnearios. Por otro lado, las BCG a nivel internacional 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. Sin embargo, a pesar de lo anterior, actualmente no se tiene ninguna BCG instalada en México.

Las BCG son máquinas térmicas que proporcionan calefacción y enfriamiento de espacios con un mismo equipo aprovechando energía geotérmica de muy baja temperatura (5-25°C). 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 mantenimiento, amigables con el ambiente y requieren de poco espacio, y pueden ser instaladas en prácticamente cualquier parte.

Algunos de los ejemplos más notorios de su uso incluyen las 6749 casas equipadas con BCG en Ontario, Canadá en 1990; el Hotel GaltHouse East Hotel, Louisville, KY , EUA con 161,650 m²; 600 cuartos; 100 departamentos y 89,000 m² de oficinas; las Oficinas de control de tráfico aéreo del Aeropuerto de Frankfurt, Alemania con 57,800 m² y 340 kW para A/C y 330 kW de calefacción; la Estación Pacífico del Metro Madrid, España, con 1,090 m² de espacio y la Universidad de BallState en Muncie, Indiana, EUA que está 100% acondicionada con BCG, y el Palacio de Buckingham en Londres, UK.

Justificación

Actualmente en México no se cuenta con ninguna Bomba de Calor Geotérmico. Sin embargo las BCG se usan comercialmente en más de 43 países para acondicionamiento de casas, escuelas, hoteles, universidades, centros comerciales, aeropuertos, hospitales, etc., y hacia principios de 2010 su capacidad instalada alcanzó los 33,134 MWt con un uso de energía de 200,140 TJ/año, mientras que en 2005, las BCG se usaban en 33 países, con una capacidad instalada de 15,384 MWt y un uso de energía de 87,503 TJ/año (Lund, et al., 2011). Estas cifras indican un crecimiento de la capacidad instalada de 2.19 veces a un ritmo promedio anual de 23.1 %, y un crecimiento de uso de energía de 2.29 veces a un ritmo promedio anual de 25.8%.

Los países líderes en unidades instaladas son EUA, China, Suecia, Alemania y Suiza, y su uso ha sido muy exitoso desde ya varios años en los sectores residencial, comercial y de servicios, donde se ha demostrado una reducción considerable en costos operativos y ahorros sustanciales en el consumo de electricidad. Es así que las BCG representan el segmento de la tecnología geotérmica de mayor crecimiento a nivel mundial. Es difícil precisar el número de BCG instaladas en el mundo.

En el Congreso Mundial de Geotermia de 2010 se estimo que existen 2.94 millones de unidades en el mundo de 12 KW de capacidad. (Lund, et al., 2011). Existen más de 550,000 BCG acopladas al subsuelo (GCHP), 80 % son unidades domesticas y se instalan más de 66,000 unidades nuevas cada año, aunque en China las ventas de acondicionadores de aire para habitaciones (room air conditioners), ascendieron a 27 millones de unidades en 2009 y se estima que globalmente existen 800 millones de BC instaladas, incluyendo unidades para habitación, enfriadores y bombas de calor para calefacción de espacio y de agua. En EUA se instalaron 121,434 BCG en 2008 y existen al menso 1 millón de unidades instaladas: 70% en edificios residenciales y 30% en edificios comerciales e institucionales; 90% son de circuito cerrado conectado a tierra (45% vertical, 45% horizontal) y 10 % son de circuito abierto (agua subterránea), y se estima que para el 2016 se instalen 1 millón de unidades por año. Globalmente, se contemplan 3.5 billones de unidades instaladas en 2050 en el sector residencial para calefacción, A/C y agua caliente doméstica (García y Martínez, 2011).

En México se han efectuado estudios y desarrollo de tecnología de bombas de calor de tipo compresión mecánica, absorción y transformadores térmicos por el Instituto de Investigaciones Eléctricas y la CFE operando con energía geotérmica. Sin embargo, dichos estudios no fueron orientados al acondicionamiento de espacios (García-Gutiérrez et al., 2010).

La tecnología de las BCG está bien establecida internacionalmente después de mas de 40 años de popularidad en EUA y Europa principalmente y existe suficiente conocimiento sobre su tecnología para aplicarla en México con alto valor de ahorro de energía, uso sustentable basado en una fuente alterna de energía, retorno de capital satisfactorio y apoyo a la economía de los usuarios. Por ello, se considera que el riesgo del proyecto en general es muy bajo, tanto en tecnología como en equipos y materiales requeridos. El proyecto se considera pionero en México y una alternativa viable para acondicionamiento de espacios en forma eficiente y económica.

Objetivos y metas

El objetivo del presente proyecto consiste en “Evaluar y demostrar el potencial de aplicación y de ahorro de energía de las Bombas de Calor Geotérmicas en sus diferentes configuraciones, como una tecnología limpia, sustentable y altamente eficiente para acondicionamiento de espacios habitacionales y comerciales en la Región Centro y Norte  de México”.

Objetivos específicos

  1. Generar un proyecto demostrativo de Bombas de Calor Geotérmicas (BCG) instalado, evaluado y operando en el país.
  2. Desarrollo de un paquete tecnológico para BCG, con el fin sentar las bases para introducir en México la tecnología BCG, a partir de la caracterización de sitios seleccionados y la evaluación de los sistemas demostrativos.
  3. Realizar un estudio técnico-económico de la factibilidad de las BCG.
  4. Realizar un estudio comparativo contra tecnologías convencionales de acondicionamiento de espacios.
  5. Realizar un estudio del mercado potencial de la aplicación de las BCG en México.
  6. Formación de recursos humanos especializados.
  7. Difusión y publicación de resultados.

Metas

  1. Un proyecto demostrativo pionero de dos BCG evaluadas y operando.
  2. Un sistema de BCG para capacitación y evaluación, con el equipo y herramientas  necesarias para la asimilación de la tecnología.
  3. Una base de datos útil para diseño y operación y un estudio técnico- económico sobre el comportamiento de las BCG operando en los modos de calefacción y enfriamiento (aire acondicionado), con evaluación de los ahorros reales de electricidad y reducción equivalente de emisiones de gases de efecto invernadero.
  4. Un estudio de factibilidad técnico-económica de la aplicabilidad de las BCG en México.
  5. Un estudio comparativo entre las tecnologías convencionales de acondicionamiento de espacios y las BCG en el norte y centro de México.
  6. Un estudio del mercado potencial de las BCG en los sectores de potencial aplicación del norte y centro de México.

Número de proyecto

P13

Título de proyecto

Análisis de factibilidad, comparación de tecnologías, estudio de mercado y desarrollo de un proyecto demostrativo de bombas de calor geotérmicas para acondicionamiento de espacios habitacionales y comerciales en las regiones centro y norte de México

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Vicente Torres Luna

Institución

Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias, INEEL

Instituciones y/o empresas asociadas

Universidad Politécnica de Baja California, UPBC