Anaktuvuk Pass, Alaska, en invierno. Crédito: Molly Rettig, Nrel
La nueva investigación de almacenamiento de energía de NREL, un Laboratorio Nacional del Departamento de Energía de los Estados Unidos, ha demostrado una forma de almacenar y reutilizar el calor bajo tierra para satisfacer las demandas de calefacción de regiones frías como Alaska.
Publicado el 17 de junio en la revista Energía y edificiosEl estudio de viabilidad examinó un período de 20 años en el que el almacenamiento de energía térmica del pozo (BTE), un sistema que almacena la energía de calefacción o enfriamiento bajo tierra, podría suministrar calentamiento de manera confiable a dos edificios del Departamento de Defensa de los Estados Unidos en Fairbanks, Alaska.
A través del uso de la energía del uso de energía y el modelado de rendimiento del sistema, los investigadores muestran cómo el calor residual de una planta de carbón cercana podría capturarse durante los meses de verano, almacenarse bajo tierra y luego dibujarse en invierno para calentar los edificios a través de bombas de calor geotérmica (GHP).
El análisis fue dirigido por Hyunjun OH, un ingeniero de investigación geotérmica en el Grupo de Investigación de Ciencia y Tecnologías de Energía Térmica de Nrel, en colaboración con los investigadores Conor Dennehy, Saqib Javed y Robbin Garber-Slaght en el campus de Nrel en Alaska. El programa de investigación aplicada de NREL para comunidades en ambientes extremos es una iniciativa sin fines de lucro basada en la industria dedicada a avanzar en la eficiencia energética extrema, la ciencia de la construcción y la investigación socioeconómica para las comunidades en Alaska y el norte más amplio. El proyecto también estaba en asociación con el Laboratorio de Investigación e Ingeniería del Cuerpo de Ingenieros de Ingenieros del Ejército de EE. UU.
BTES se basa en una red de agujeros estrechos perforados verticalmente bajo tierra, conocidos como pozos, que actúan como una batería recargable para el calor. Durante los meses más cálidos, el calor de los desechos se puede bombear a los pozos, donde está aislado por el suelo y la roca circundantes hasta que sea necesario.
En el invierno, las bombas circulantes mueven una solución antifreída de agua a través de los pozos para recoger el calor almacenado y entregarlo a la bomba de calor geotérmica del edificio. En lugar de extraer calor del aire exterior frío, la bomba de calor utiliza este fluido más cálido para transferir eficientemente el calor al sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado del edificio.
Los investigadores de NREL modelaron las demandas de calefacción y enfriamiento de los edificios de clima de frío utilizando el software EnergyPlus y descubrieron que la demanda de calefacción anual era 5.6 veces mayor que la demanda de enfriamiento: un desequilibrio típico de los climas como los de Alaska, donde los inviernos son largos y fríos y los veranos son cortos y suaves.
Para cumplir con esta carga de calefacción, el equipo predesignó un sistema de 40 pozos a una profundidad de 91 metros ubicados a unos 100 metros de los edificios, alineado con las pautas regulatorias y la disponibilidad de tierras cercanas. Luego modelaron el rendimiento de 20 años del sistema BTES, ejecutando simulaciones para dos escenarios: uno en el que el subsuelo terrestre se precalentó durante cinco años utilizando una inyección de agua caliente antes de suministrar calor a los edificios y otro sin precalentamiento.
En ambos escenarios, los pozos en el centro del campo del pozo produjeron aproximadamente un tercio más de energía térmica que los de los bordes exteriores, probablemente porque los pozos externos perdieron calor en el suelo circundante. Este hallazgo ofrece información sobre cómo los campos de pozo se pueden diseñar y aislar mejor para una distribución de energía más equilibrada.
Además, los sistemas que se sometieron a precalentamiento antes del uso regular mostraron un rendimiento aún mejor, con temperaturas subterráneas más altas y una mayor producción de energía térmica durante los primeros ocho años de operación en comparación con los sistemas sin precalentamiento.
En total, los resultados apuntan hacia BTES como una solución de calentamiento confiable en climas fríos, ayudando a las comunidades a capturar el calor de los residuos y usar energía de manera más eficiente.
Oh, dijo que, si bien ha habido extensos estudios de casos que validan el rendimiento de GHP en las regiones frías de Europa, este es uno de los primeros en mostrar el potencial de los GHP conectados a BTE en los Estados Unidos.
“Este documento demuestra que incluso las condiciones del subsuelo en frío, como las de Alaska, donde del 50% al 90% del suelo tienen permafrost, se pueden usar para calefacción”, dijo Oh. “Un sistema de bomba de calor geotérmica puede suministrar una mayor eficiencia si consideramos operaciones estacionales o integradas en el sistema de almacenamiento”.
El estudio también mostró que el subsuelo local en Fairbanks también es muy adecuado para otros tipos de sistemas geotérmicos. El equipo de investigación utilizó pruebas de respuesta térmica y literatura previa para estimar el gradiente geotérmico, la velocidad a la que aumenta la temperatura con la profundidad, a aproximadamente 27.9 grados centígrados por kilómetro.
Este gradiente permite que se acceda al calor utilizable a profundidades relativamente poco profundas bajo tierra, lo que lo convierte en un candidato para uso directo o un sistema de energía distribuido futuro, dijo OH.
Como este estudio tenía la intención de evaluar la practicidad de BTES y GHP en una ubicación específica en Fairbanks, el equipo recomienda futuros análisis completos que van más allá de los escenarios descritos aquí para adaptar mejor los sistemas de energía a las condiciones locales y las fuentes de calor de residuos disponibles.
Más información: Hyunjun Oh et al, viabilidad technoeconómica del sistema de almacenamiento de energía térmica del pozo conectado a las bombas de calor geotérmica para la carga de calefacción estacional de dos edificios en Fairbanks, Alaska, energía y edificios (2025). Doi: 10.1016/j.enbuild.2025.116036
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable
Cita: el modelado muestra que el almacenamiento de energía térmica geotérmica y de pozo puede calentar los edificios de manera confiable en un frío extremo (2025, 10 de julio) Recuperado el 10 de julio de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-07-geothermal-borehole-Thermal-nergy-storage.html
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