Desarrollo de un sistema para la generación de clima controlado a partir del intercambio de calor con el subsuelo y el aprovechamiento de la inercia térmica de la corteza terrestre, con aplicaciones en complejos industriales, comerciales, públicos y domés

Número de proyecto

P30

Título de proyecto

Desarrollo de un sistema para la generación de clima controlado a partir del intercambio de calor con el subsuelo y el aprovechamiento de la inercia térmica de la corteza terrestre, con aplicaciones en complejos industriales, comerciales, públicos y domésticos

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Crisanto Mendoza Covarrubias

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Prados Camelinas, S.A. de C.V.

Antecedentes y justificación

Los antecedentes en el desarrollo del modelo propuesto se describen a partir de tres componentes tecnológicos que integran el proceso de clima controlado. El proceso integral de generación de clima controlado mediante el intercambio de calor con el subsuelo se compone de tres elementos:

  • Un intercambiador de calor que se coloca en el subsuelo, siendo el medio para que la corteza terrestre sirva como sumidero o fuente de calor.
  • Un sistema de generación de clima controlado que transfiere la temperatura del subsuelo al medio ambiente, utilizando agua como medio de transporte.
  • Un sistema de distribución de aire que acondiciona el espacio en el cual se pretende generar un ambiente de clima controlado.

La evolución del proceso integral de generación de clima controlado a nivel se describe a continuación:

  • La tecnología de generación de clima controlado presenta una tendencia de crecimiento acelerado en su desarrollo y aplicación en Europa, China y Estados Unidos principalmente, que incluso ha superado las aplicaciones geotérmicas para la generación de electricidad, como lo muestra la Tabla 5-1.
  • Esta tecnología compite favorablemente con la tecnología convencional de aire acondicionado (HVAC), ofreciendo la ventaja de que la generación de clima controlado no solo provee aire acondicionado durante la época de calor como los HVAC, sino que además suministra aire caliente durante el invierno. Adicional a lo anterior, el consumo eléctrico de la generación de clima controlado geotérmica puede llevar a ser inferior en un 25 a 50% comparado con los equipos convencionales de baja eficiencia.
  • A pesar de que México ocupa el cuarto lugar mundial en aprovechamiento geotérmico para generar electricidad como se observa en la Tabla 5-1, en aplicaciones directas como la generación de clima controlado, no se ha desarrollado anteriormente ningún proyecto en el país. Esto deriva en que el mercado para aplicación de esta tecnología sea extenso e inexplorado.
Producción de electricidad geotérmica (2010) Usos directos geotérmicos (2010)
País GWHe/año País GWHt/Año
Estados Unidos 16 603 China 20 932
Filipinas 10 311 Estados Unidos 15 710
Indonesia 9 600 Suecia 12 585
México 7 047 Turquía 10 247
Italia 5 520 Japón 7 139

Tabla 5-1 [1]. Principal capacidad geotérmica instalada en el mundo en generación eléctrica y usos directos.

50% de las aplicaciones de usos directos de la energía geotérmica corresponden a generación de clima controlado.

El proyecto planteado en este documento por la Universidad Michoacana en vinculación con Prados Camelinas S.A. de C.V. consiste en diseñar e implementar con éxito un modelo físico (prototipo) de generación de clima controlado basado en el intercambio de calor con el subsuelo, integrando para ello la tecnología de sistema de generación de clima controlado y sistemas de distribución de aire con un intercambiador de calor innovador adaptado a las condiciones del subsuelo nacional.

Para lograr el objetivo del proyecto, se requiere la inversión de capital financiero y capital humano en investigación y desarrollo tecnológico para la generación de un prototipo eficiente en el aprovechamiento de los recursos de energía renovable.

El proyecto tendrá como consecuencia la formación especializada de capital humano, la aplicación amplia del nuevo modelo desarrollado y la generación de un acervo tecnológico que incluya los conocimientos necesarios el diseño e implementación de un prototipo con tecnología mexicana. El proyecto será detonante de un mercado y una industria generadora de empleos directos e indirectos a través de la creación de una nueva cadena de valor en el país.

Los beneficios esperados en el desarrollo de una tecnología nacional que abata costos en el campo de la generación de clima controlado geotérmico y que se aplique ampliamente en el territorio nacional, ya que en todas las partes del país se utiliza de manera prácticamente permanente el aire acondicionado.

Este proyecto, desarrollará tecnología propia y experiencia en la instalación, operación y mantenimiento de estos equipos, lo cual se traduce en una fuente de trabajo importante para generar empleos directos e indirectos en el país. Adicional a este importante beneficio, el uso de las energías renovables en un campo que consume grandes cantidades de energía eléctrica como es el aire acondicionado, permitirá hacer un uso más racional de nuestros recursos energéticos y reducir la emisión de gases efecto invernadero.

Dado que, dos de los tres componentes tecnológicos requeridos para el desarrollo del presente modelo constituyen una tecnología con amplia probada y dominada ampliamente, que se encuentra disponible en el mercado mundial, la factibilidad técnica y financiera del proyecto depende del diseño del intercambiador de calor que sea eficiente y adaptable a las condiciones del subsuelo nacional. Por lo anterior, se considera que existe una amplia probabilidad de éxito con riesgos manejables y controlables en el desarrollo del proyecto.

El mercado nacional y mundial, de aplicación y comercialización actual de la tecnología de generación de clima controlado, se encuentra dominado por tres sistemas:

  • Aire acondicionado de alto vacío (HVAC). Este sistema genera únicamente temperaturas de confort en épocas calurosas, sin proporcionar una solución a la fluctuación del clima en otras épocas del año como lo es el invierno.
  • Sistemas de calefacción convencionales. Estos sistemas utilizan energía calorífica proveniente de una fuente eléctrica o combustible para calentar el aire en épocas de invierno, sin ofrecer una alternativa en épocas calurosas.
  • Sistema de generación de clima controlado. Este sistema proporciona una alternativa para la generación de temperaturas controladas tanto en época de invierno como en época de calor, mediante el consumo de energía eléctrica, gas y/o de un combustible fósil. Los costos operativos del sistema de generación de clima controlado son excesivamente elevados.

La justificación de este proyecto, se detalla a continuación:

Motivación: no existe en el país actualmente, un modelo tecnológico que ofrezca la generación de clima controlado con consumos eléctricos reducidos, y por consecuencia con bajos costos operativos. De acuerdo a estadísticas e información proporcionada por la Universidad Estatal de Oklahoma (EEUU), quien es la autoridad a nivel internacional en tecnología y sistemas de generación de clima controlado y sistema de generación de clima controlado geotérmico, no existen en México investigadores, especialistas, técnicos, contratistas o desarrolladores capacitados/certificados en estas áreas. Este proyecto arrojará, además del primer sistema de generación de clima controlado basado en la tecnología de sistema de generación de clima controlado geotérmico adaptado 100% a condiciones del subsuelo mexicano, la formación de especialistas capaces de profundizar en las aplicaciones de dicho sistema y apoyar el desarrollo de esta tecnología en el país.

[1] Alfonso García Gutiérrez, Ignacio Martínez Estrella. Estado actual del desarrollo de las sistema de generación de clima controlado geotérmicas. XIX Congreso Anual 2011, Asociación Geotérmica Mexicana. Instituto de Investigaciones Eléctricas, Septiembre 2011.

Objetivos y metas

El objetivo del proyecto incluye dos componentes generales:

  1. Desarrollar una tecnología basada en el aprovechamiento del comportamiento térmico del subsuelo como energía renovable, aplicable a un modelo de generación de clima controlado replicable con beneficios a nivel industrial, comercial y doméstico.
  2. Formación de especialistas en el área de generación de clima controlado basado en el aprovechamiento de energías renovables.

Para lograr el objetivo del proyecto, se requiere la inversión de capital financiero y capital humano en investigación y desarrollo tecnológico para la generación de un prototipo eficiente en el aprovechamiento de los recursos de energía renovable.

El objetivo general del proyecto se centra en el diseño e implantación de un sistema de generación de clima controlado a partir del aprovechamiento de energías renovables, el cual se llevará desarrollará en la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo y se implementará posteriormente en distintos sitios del subsuelo mexicano, donde se registran climas extremos tanto en el invierno como en el verano.

Los objetivos específicos del proyecto son:

  • Implementar exitosamente la tecnología de generación de clima controlado con intercambio de calor con el subsuelo en terrenos nacionales, verificando la viabilidad técnica y económica, así como el correcto desempeño de la tecnología aplicada.
  • Replicación del modelo tecnológico a lo largo del territorio nacional con el beneficio de ingresos adicionales por concepto de comercialización de bonos de carbono.
  • Promover el aprovechamiento de las energías renovables en el acondicionamiento de espacios, reduciendo los consumos eléctricos y la emisión de gases de efecto invernadero a la atmósfera que producen las centrales generadoras de electricidad convencionales.
  • Contar con una plataforma tecnológica que permita la capacitación de personal técnico en las áreas de diseño e instalación de sistemas de generación de clima controlado geotérmico y el aprovechamiento del acervo tecnológico acumulado en el proyecto.

Para alcanzar los objetivos específicos planteados, el proyecto contempla la capacitación de especialistas y la construcción de dos prototipos demostrativos que cumplan con las siguientes funciones:

  • Intercambiador de calor de tipo vertical

    • Definir las propiedades termodinámicas del subsuelo a través de un estudio experimental cuyo resultado permitirá dimensionar el intercambiador de calor vertical, adaptado a las características geológicas del subsuelo en que se instalará el sistema.
    • Diseñar el modelo tecnológico integral, incluyendo la construcción del intercambiador de calor, selección de la bomba de calor y diseño del sistema de distribución de aire.
  • Intercambiador de calor de tipo horizontal

    • Diseñar el sistema completo de manera similar a lo que se realiza en el intercambiador de calor vertical.

El proyecto contempla la evaluación y comparación del comportamiento termodinámico de ambos intercambiadores de calor (vertical y horizontal), así como el análisis de los costos y beneficios asociados a su aplicación.

Número de proyecto

P30

Título de proyecto

Desarrollo de un sistema para la generación de clima controlado a partir del intercambio de calor con el subsuelo y el aprovechamiento de la inercia térmica de la corteza terrestre, con aplicaciones en complejos industriales, comerciales, públicos y domésticos

Tipo de proyecto

Estratégico

Línea de investigación

Usos directos del calor geotérmico

Responsable de proyecto

Crisanto Mendoza Covarrubias

Institución

Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo, UMSNH

Instituciones y/o empresas asociadas

Prados Camelinas, S.A. de C.V.