El aprovechamiento de las energías del subsuelo en entornos urbanos

Los retos a que nos enfrentamos desde el punto de vista climático y desde la perspectiva de la dinámica de crecimiento urbano a nivel mundial obligan a avanzar hacia un nuevo paradigma energético en que las ciudades están llamadas a jugar un papel protagonista, dejando su papel de centros consumidores y pasando a jugar uno más activo. Esto implica necesariamente la búsqueda de todos los recursos energéticos que estén a nuestro alcance.

La Asociación Madrid Subterra, nacida en 2014 como iniciativa del Ayuntamiento de Madrid, propone una mirada más profunda al ecosistema urbano, mirando al subsuelo como un yacimiento energético hasta ahora poco considerado.

Bajo el paraguas de los recursos energéticos del subsuelo se engloban aspectos como la geotermia, la recuperación energética en las redes de distribución y saneamiento, la recuperación energética en las infraestructuras de transporte, y los sistemas estructurales enterrados (a través de la termoactivación de estructuras).

Las redes subterráneas de las infraestructuras urbanas canalizan fluidos (agua, agua residual, aire), e interaccionan con el terreno a su alrededor, lo que hace que dichos fluidos “transporten” una energía de intensidad moderada y una temperatura prácticamente constante, lo que los hacen ideales para los usos de climatización (calefacción y refrigeración) y generación de agua caliente sanitaria.

Disponemos de un recurso energético muy cercano a los potenciales usuarios y con unas ventajas considerables:

En primer lugar, el uso de este recurso es una medida de eficiencia energética obvia, estamos utilizando algo que de otra manera “tiraríamos”. Reduciríamos así el consumo energético de fuentes primarias, uno de los objetivos prioritarios de los planes europeos en la transición. La nueva Directiva Europea de Eficiencia Energética hace especial hincapié en ello.

En segundo lugar, se disminuye la dependencia energética del exterior, con las importantes repercusiones en costes y disponibilidad que eso supone.

Tercero, y consecuencia directa del primer punto, estaríamos evitando emisiones de gases de efecto invernadero.

Cuarto, en algunos casos estaríamos evitando la emisión a la atmósfera de calor residual, y por tanto disminuyendo los efectos de la conocida como “isla de calor urbana”, con la exacerbación de la temperatura como consecuencia fundamental.

El potencial de estas energías del subsuelo es considerable. El proyecto europeo ReUseHeat, finalizado en septiembre de 2022 y financiado por el programa Horizonte 2020 de la Unión Europea, ha servido para poner en valor el uso de las energías residuales (waste heat) en las ciudades. Así, las estimaciones del proyecto arrojan el dato de que se pueden recuperar unos 340 TWh anuales de infraestructuras como centros de datos, la red de metro, edificios de servicios como hospitales y las redes de aguas residuales. Esto corresponde a más del 10% de la demanda total de energía en calefacción y generación de ACS en la Unión Europea.

Este “nuevo” recurso energético es perfectamente aprovechable ya que disponemos de los conocimientos, la experiencia y los recursos técnicos necesarios. Estamos hablando de los mecanismos y principios del intercambio geotérmico a través del terreno, del agua y del aire, utilizando como intercambiador las estructuras de las redes subterráneas, y su aplicación a la climatización de edificios y espacios en superficie mediante técnicas de intercambio, aporte de energía mediante bomba de calor y acoplamiento a sistemas eficientes de transferencia de energía como las redes de calor y frío de última generación.

Veamos algún ejemplo de utilización de estas energías.

Algunas estimaciones realizadas por expertos consideran que las aguas residuales producidas por 100 personas permiten proporcionar calefacción a 10 habitantes. Extrapolando esta cifra a la ciudad de Madrid, por ejemplo, podríamos decir que existe un potencial de generación de energía para la calefacción de más de 130.000 hogares.

El Centro Deportivo Municipal de Moratalaz, una instalación que da servicio a cerca de 600.000 usuarios al año, cuenta con una serie de equipamientos y servicios consumidores de energía: la piscina cubierta, con el correspondiente calentamiento del agua, la deshumectación del aire, la calefacción del espacio y el calentamiento de agua caliente sanitaria de la piscina se resuelven con la producción de calor mediante calderas de gas. La existencia de un colector municipal de aguas residuales, que discurre junto al centro ha permitido prácticamente sustituir la instalación existente por otra de intercambio instalada en la galería del colector.

El colector de aguas residuales asegura un caudal mínimo de 50 l/s de agua residual a un promedio de temperatura de 15°C. El colector discurre en paralelo al polideportivo y resulta sencillo hacer una conexión directa entre el sistema de intercambio y la sala técnica del edificio de la piscina cubierta donde se ubica la bomba de calor y los intercambiadores que conectan con los sistemas interiores del edificio.

El intercambiador diseñado para el colector se compone de 48 secciones de 3m de longitud, introducidas una a una, ancladas a la fábrica del colector. Con un salto térmico de 4,38°C y un caudal de 46m³/h el intercambiador tiene una potencia de intercambio de 235,7 kW. (Gráfica 1).

Gráfica 1. esquema de funcionamiento en el CDM de Moratalaz

El intercambiador integrado en el colector trabaja contra una bomba de calor que en el lado del intercambiador, su foco frío, produce un caudal de agua de 45,64 m³/h a 6,7°C, dado que produce una potencia frigorífica de 228 kWt.

Dicha potencia es disipada; gracias al intercambiador de aguas residuales, y la temperatura de ese caudal de agua se eleva 4,3°C y se obtiene una temperatura final de 11°C. Ese caudal de agua de 45,64 m3/h calentado a 11°C es de nuevo introducido en la enfriadora.

La bomba de calor en su foco caliente a baja temperatura produce un caudal de agua de 47,25 m³/h (24) a 35°C, dado que produce una potencia calorífica de 274,75 kWt. Dicha potencia es aportada a la instalación, por lo que la temperatura del agua disminuye 5°C y la temperatura que de nuevo entra a la enfriadora para ser calentada es de 30°C.

La bomba de calor en su foco caliente a alta temperatura produce un caudal de agua de 41,45 m³/h a 55°C, dado que produce una potencia calorífica de 241,00 kWt. Dicha potencia es aportada a la instalación, por lo que la temperatura del agua disminuye 5°C y la temperatura que de nuevo entra a la enfriadora para ser calentada es de 50°C.

La monitorización del funcionamiento y consumos del sistema ha permitido verificar una reducción porcentual de las emisiones de un 37,5% y una reducción porcentual de los costes de energía de un 39,2%.

En la sexta edición del Congreso Madrid Subterra, en 2021, Rodrigo Herrero, de la división de ingeniería de Metro de Madrid, nos mostraba una cuantificación del calor generado en la red de metro, de casi 300 km de longitud, en el rango de los 350 a 450 GWh anuales (entre el 65 y el 80% de la energía eléctrica que consume la infraestructura). Este calor, procedente fundamentalmente de la tracción de los trenes y los sistemas de climatización, se disipa a través del terreno y del aire, que se evacúa a través de los pozos de ventilación.

Podríamos aprovechar directamente el aire caliente que se genera a través de intercambio térmico directo, o hacerlo pasar por una bomba de calor para aumentar la temperatura en función del uso que queramos darle.

Es el caso del proyecto Bunhill 2, en el distrito de Islington, en Londres, en el que se recupera el calor evacuado a través del pozo de ventilación localizado entre las estaciones de metro de Angel y Old Street.

Central de energía del proyecto Bunhill 2.

Los principales componentes del sistema de recuperación de calor son un ventilador reversible de 780 kW de potencia nominal, una bomba de calor de dos etapas de 1MW de potencia, y un circuito cerrado refrigerante que conecta el intercambiador de calor a la bomba de calor. En la central de energía existe igualmente un sistema de almacenamiento térmico de 50 m³ y dos unidades de producción combinada de calor y electricidad (CHP) de 237 kWe y 372 kWt.

El calor producido por ambos sistemas (bomba de calor y CHP) se vierte a una red de calor de más de un kilómetro de longitud que, conjuntamente con la desarrollada anteriormente en el proyecto Bunhill 1, da servicio a 1350 viviendas, dos centros comerciales y un centro educativo. Las temperaturas de trabajo de la red son de 75°C en el suministro y de 55°C en el retorno a la central de energía.

El sistema de recuperación de calor tiene a su vez la capacidad de suministrar aire fresco a los túneles del metro, recuperando parte de su calor para la red, gracias a la reversibilidad del ventilador.

Esquema de funcionamiento en modo refrigeración.

Así, hemos promovido proyectos de gran calado como la termoactivación de la futura ampliación de la línea 11 de metro en la estación de Conde de Casal para la climatización del futuro intercambiador de transporte, o la termoactivación del túnel correspondiente al soterramiento de la A5 (Paseo verde del Suroeste) y la construcción de una futura red de calor y frío aprovechando la energía geotérmica obtenida en el túnel.

Trabajamos con las administraciones para participar de sus estrategias en energía y clima, como en el caso de la Estrategia de Energía, Clima y Aire de la Comunidad de Madrid Horizonte 2030.

Y procuramos que las leyes y normas sobre energía incluyan nuestras sugerencias, como es el caso de la Ley 7/2021 de Cambio Climático y Transición Energética.

Animamos a todos los que lean este artículo a participar de nuestra visión, que estamos convencidos se hará una realidad en un futuro no muy lejano.