Bombes de calor geotèrmiques

El 2017, la Universitat d’Estat de Ball a Indiana va tancar l’última de les quatre calderes de carbó que havien escalfat el seu campus durant dècades. En el seu lloc, va perforar uns 3.600 forats sota els seus terrenys i els va connectar, a través de dues estacions d’energia, a bombes de calor que escalfen i refreden el campus. El sistema va costar uns 65 milions de dòlars, i la universitat es va comprometre a reduir les seves emissions de gasos d’efecte hivernacle en gairebé 80.000 tones per any (Wikipedia, Ball State University).

Una bomba de calor geotèrmica no és una nova font d’energia. És un multiplicador: utilitza electricitat per moure la calor que ja està en el sòl a un edifici, i lliura de tres a cinc unitats de calor per cada unitat d’electricitat que fa servir (IEA, 2022). És madura, fiable i tranquil·la. També és car d’instal·lar, i per això aquesta pàgina dedica tant de temps al cost com a la física.

Què és

Una bomba de calor geotèrmica té tres parts: a bucle de terra de canonades de plàstic enterrades en trinxeres o deixades caure a forats, plens d’aigua i anticongelant; bomba de calor de la mida d’una nevera, normalment a l’interior; i un Sistema de distribució de calor, com ara radiadors o calefacció per terra. A l’hivern el fluid en el bucle recull la calor del sòl i la bomba de calor la concentra a 35 a 55 °C per a la casa. A l’estiu la mateixa màquina pot funcionar en revers, refrigerant l’edifici i posant calor de nou al terra.

Les cases petites amb jardins poden utilitzar bucles horitzontals posats d’1 a 2 m de profunditat. La majoria dels altres edificis utilitzen forats verticals, típicament de 15 a 150 m de profunditat; una casa unifamiliar que necessiti 10 kW de calor podria necessitar tres forats de 80 a 110 m (Wikipedia, Ground source heat pump). Carrers i campus sencers poden compartir un camp de forats a través d’un xarxa tèrmica: un bucle d’aigua a temperatura ambient que connecta molts edificis, cadascun amb la seva pròpia bomba de calor.

Com funciona

Una bomba de calor és una nevera girada del revés. Un fluid de treball (el refrigerant) s’evapora a baixa temperatura en un intercanviador de calor connectat al bucle de terra, absorbint la calor. Un compressor esprémer el vapor, que eleva la seva temperatura. En un segon intercanviador de calor es condensa i allibera aquesta calor a l’aigua que va als radiadors. Una vàlvula d’expansió baixa la pressió i el cicle comença de nou.

El multiplicador. La calor lliurada dividida per l’electricitat utilitzada és el coeficient de rendiment, COP. El millor que pot fer una bomba de calor és el COP Carnot:

COP_max = T_hot / (T_hot − T_cold), amb temperatures en kelvin.

Lliurar aigua a 40 °C (313 K) des del sòl a 5 °C (278 K) després de les pèrdues d’intercanviador de calor dóna 313 / 35 ≈ 8.9. Les màquines reals arriben aproximadament a meitat de la xifra de Carnot, per tant al voltant de 4.5. Dues coses segueixen directament de l’equació:

• L’ascensor importa més que res. Cada grau entre la font i els radiadors costa eficiència. Elevar la temperatura del flux de 35 °C a 55 °C fa baixar el nostre modelat COP de font terrestre d’uns 4,5 a 3,0. Els radiadors més grans o la calefacció per terra, que funcionen a temperatures més baixes, fan que cada bomba de calor sigui millor.
• La temperatura de la font importa. L’aire exterior és més fred exactament quan es necessita més calor. A -7 °C i 55 °C de flux, una unitat d’origen aeri en el nostre model cau a uns 2,3; el sòl, a uns 10 °C, dóna 3,0 a la mateixa temperatura de flux. Aquest és l’avantatge del terreny.

El sòl és una bateria lenta. A uns quants metres a baix, els canvis diaris desapareixen; de 10 a 20 m el sòl es troba prop de la temperatura mitjana anual local de l’aire, i més endins s’escalfa aproximadament 0,025 °C per metre (Wikipedia, Ground source heat pump). La calor en ella prové principalment del sol escalfant la superfície, no del nucli de la Terra. Un forat que només extreu calor lentament refreda la roca al seu voltant amb els anys, i un camp de forats ben embalat pot refredar més ràpid que el terra es recupera. Tornar a posar calor a l’estiu, refrigerant els edificis, manté l’equilibri. És per això que les xarxes compartides que barregen càrregues de calefacció i refrigeració funcionen tan bé.

El número estacional. El COP en un full d’especificacions es mesura en una condició de prova. El que importa és el factor de rendiment estacional (SPF): la calor lliurada durant un any sencer dividida per tota l’electricitat utilitzada, incloent-hi bombes i escalfadors de reserva. Les proves de camp mesuren el SPF, i sempre és més baix que el COP del laboratori.

Els límits

• Física. El límit de Carnot limita el COP per a un ascens donat; cap refrigerant o compressor escapa d’ell. Les màquines reals ja estan a la meitat, i les millors una mica més.
• Capacitat del sòl. Cada metre de forat només pot produir unes quantes desenes de watts d’energia tèrmica, depenent de la roca i l’aigua subterrània, per tant, la demanda de calor d’un edifici determina quants metres s’han de perforar. La perforació és el cost més gran.
• Espai i accés. Les perforacions necessiten accés; les zones urbanes denses, els edificis catalogats i les parcel·les petites poden no tenir cap lloc on perforar.
• Qualitat de l’edifici. Una casa amb fuites i radiadors petits necessita una temperatura de flux alta, que redueix el COP; l’aïllament i els emissors més grans solen ser primers.
• Preus de l’electricitat. El cost de funcionament depèn del preu de l’electricitat dividit pel preu del combustible que substitueix. On l’electricitat costa més de tres vegades més que el gas per kWh, com al Regne Unit, la bomba de calor necessita un COP anual prop de 3 només per acabar amb els costos de funcionament.
• Habilitats. Un bon disseny i una bona posada en marxa fan una gran diferència amb l’SPF real, i les habilitats d’instal·lador són escasses en molts països.

Projectes reals, mesurats

Projecte	On, quan	Escala	Què s’ informa
Prova de camp Fraunhofer ISE, WPsmart en stock	Alemanya, cases existents construïdes entre 1850 i 2001, seguiment des de 2017	Sistemes de font aèria i de terra en llars ocupades	FPS anual: font terrestre aproximadament 4,1 (rang d’uns 3,3 a 4,7), font aèria aproximadament 3,1 (rang d’uns 2,5 a 3,8) (Fraunhofer ISE)
Sistema geotèrmic de la Universitat d’Estat de Ball	Muncie, Indiana, EUA, acabat el 2017	Al voltant de 3.600 forats, dues estacions d’energia, uns 65 milions de dòlars	S’han substituït les quatre calderes de carbó; la universitat es va comprometre a reduir en gairebé 80.000 tones l’any els gasos d’efecte hivernacle (Wikipedia)
Pilot geotèrmic en xarxa Eversource	Framingham, Massachusetts, EUA, 2024	Una trentena de cases i edificis municipals en un bucle d’una milla.	La primera xarxa tèrmica gestionada per una empresa pública als Estats Units; un edifici d’administració escolar, una estació de bombers i habitatges públics entre els usuaris; uns 18,6 milions de dòlars; es preveu que la xarxa doblegi la seva grandària (PBS NewsHour, 2025)
Intercanvi geogràfic de la Universitat de Colorado Mesa	Grand Junction, Colorado, EUA	16 edificis, 1.2 milions de peus quadrats, en un bucle ambiental compartit	Proporciona el 90% de la calefacció i refrigeració del campus; la universitat informa d’1,5 milions de dòlars anuals en estalvis energètics (Estudi de cas US DOE)
Esquema d’actualització de calderes	Anglaterra i Gal· les, 2022 a 2026	82.651 subvencions pagades per a bombes de calor i calderes de biomassa fins a l’abril del 2026	La font terrestre és una petita minoria: el 98% de les aplicacions eren per a bombes de calor aire-aigua (DESNZ, 2026)

Les xarxes de calor de cinquena generació d’Europa, bucles de temperatura ambient que comparteixen la calor entre edificis a través de bombes de calor individuals, s’han revisat en dotzenes de llocs (Buffa et al., 2019). La seva eficiència depèn molt de com s’equilibren les demandes d’escalfament i refrigeració.

Quant costa

Una bomba de calor no genera electricitat, per la qual cosa la comparació amb el nostre punt de referència a tot el lloc (solari del sostre al voltant de $ 0.19 per kWh en el model Fan Wall, dins de l’interval de juny de 2026 de Lazard de $0.09 to $0.20 per a solar comercial del sostre) és indirecte: una bomba de calor de font terrestre converteix cada kWh d’aquesta electricitat solar en uns quatre kWh de calor. El competidor directe és una caldera de gas, i la mesura justa és el cost per kWh de calor, incloent-hi la instal·lació.

Utilitzem les xifres del Regne Unit perquè són públiques i recents: costos mitjans instal·lats de l’Esquema d’actualització de calderes per al gener a març de 2026 (£27.352 per a la font terrestre, £13.100 per a la font d’aire, ambdós incloent el IVA) (DESNZ); la subvenció de £7.500; preus unitaris amb un preu màxim per a octubre a desembre de 2026 de 26,32 pence per kWh d’electricitat i 7,97 pence per kWh de gas (Desa); els SPFs de camp Fraunhofer; una casa que utilitza 12.000 kWh de calor a l’any; i 20 anys amb un descompte real del 7%, com a la nostra pàgina sobre el vent. Per a la caldera de gas, assumim 3.000 lliures instal·lades i un 90% d’eficiència.

Sistema de calefacció	Cost instal· lat	Cost d’ execució per kWh de calor	Cost total per kWh de calor, sense subvenció	Amb la subvenció de 7.500 lliures
Caldera de gas	3.000 lliures (suposat)	8.9p	11.2p	no és vàlid
Bomba de calor d’aire, SPF 3.1	£13,100	8.5p	18.8p	13.9p
Bomba de calor geotèrmica, SPF 4.1	£27,352	6.4p	27.9p	22.0p

*El nostre càlcul. Les càrregues permanents i el manteniment són deixats fora; són similars a través de les opcions. *

La taula és incòmoda, i ho hauria de ser. A preus britànics, una bomba de calor geotèrmica per a una sola llar costa aproximadament el doble per kWh de calor que el gas, fins i tot amb la subvenció, gairebé íntegrament a causa de la instal·lació. El cost de funcionament ja és més baix. La imatge canvia quan:

• L’electricitat és més barata que el gas, com a Suècia, Noruega i França, o amb una tarifa de temps d’ús.
• El bucle de terra dura més de 20 anys. S’espera que els forats ben instal·lats sobrevisquin a diverses bombes de calor; repartits durant 50 anys en lloc de 20, el cost anual del bucle cau aproximadament un quart.
• Molts edificis comparteixen un mateix camp de perforació, reduint el disseny, la mobilització i els costos de perforació per casa, i deixant que les càrregues de refrigeració recarreguin el sòl.
• L’alternativa és l’oli, el GLP o la calefacció elèctrica directa, que costa més que la gasolina.
• L’edifici necessita refrigeració i calefacció., que el mateix sistema proporciona a un cost extra.

On pot guanyar, i on no pot

Pot guanyar:

• Campus, hospitals, oficines i nous edificis d’habitatge, on un camp de perforació serveix a molts edificis i es necessiten tant calefacció com refrigeració.
• Off-gas-grid homes i granges substituint el petroli o GLP.
• Climats freds, on les bombes de calor d’aire lluiten en les setmanes més fredes i el sòl manté la seva temperatura.
• Carrers reconstruint la seva xarxa de gas. Les xarxes tèrmiques gestionades per empreses, com la de Framingham, podrien substituir els envellits tubs de gas per bucles d’aigua compartits.
• Nous edificis, on es poden perforar forats abans de les bases i l’escalfament del sòl manté la temperatura del flux baixa.

No pot guanyar:

• Unes llars existents on el gas és barat i l’electricitat cara, com mostra la taula de costos, a no ser que el preu de la instal·lació caigui bruscament.
• Mansones de ciutat velles i denses sense espai per a foradar.
• Edificis mal aïllats amb radiadors petits, fins que l’edifici es millori.
• Com a font d’electricitat. Utilitza electricitat; no la produeix.

El que és provat, plausible i especulatiu

Provat: el límit de Carnot i la importància de l’elevació a baixa temperatura; temperatures del sòl estables; SPF anuals mesurats en camp al voltant de 4 per a sistemes de font terrestre ben dissenyats; dècades d’operació fiable a Suècia, Suïssa, Alemanya i Amèrica del Nord; sistemes a escala de campus que substitueixen el carbó i el gas.

Plausible: xarxes tèrmiques de propietat d’empreses que fan assequible la calor geotèrmica per als carrers ordinaris; forats molt més barats a través de millors aparells, dissenys estàndard i escala; camps de forats que emmagatzemen la calor d’estiu per a ús hivernal.

Especulatiu: costos instal·lats propers als d’una caldera de gas per a cases individuals; bombes de calor que superen àmpliament el 60% del límit Carnot en el camp; forats profunds (500 m i més) que es tornen prou barats per a l’ús dens de la ciutat.

Preguntes obertes de recerca

• Perforació més barata. La perforació pot ser el cost més gran d’un sistema de font terrestre. Els aparells més ràpids, els dispositius de densitat més superficial, les piles d’energia en les bases i la perforació horitzontal direccional necessiten dades de cost real.
• Disseny de xarxa. Com mesurar els bucles compartits i els camps de perforació perquè l’escalfament i el refredament es balancegin durant dècades, i qui hauria de ser-ne propietari.
• Rendiment real a escala. Monitoratge independent de xarxes com la de Framingham: SPF anual, energia de bombeig, tendències de temperatura del sòl i factures dels clients.
• Refrigerants de baix GWP. Bomba de calor de propà i CO2 amb alta eficiència i instal·lació segura a l’interior.
• Grid effects. How millions of heat pumps change winter peak demand, and how ground-source systems reduce it compared with air source. (en anglès).
• Retrofit pathways. L’ordre més barat d’aïllament, millores de radiadors i bombes de calor per a diferents tipus de llars.

El que necessitaria un prototip de treball

Les bombes de calor en si mateixes estan madures; les idees útils són els bucles de terra més barats, xarxes compartides i control més intel·ligent. Un model de treball hauria d’oferir calor mesurada, amb electricitat mesurada i calor.

Fase	Treball	Decisió que habilita	Cost aproximat	Hora
1. Desk study	Demanda de calor d’ edificis reals, dades del sòl de sondejos geològics, disseny de bucles amb programari estàndard, cotitzacions de costos de perforadors	És la idea més barata per kW que els forats actuals?	$5k to $20k	2 a 3 mesos
2. Bucle de prova	Un forat o un nou disseny d’intercanviador de terra amb una prova de resposta tèrmica, una petita bomba de calor, comptadors de calor i electricitat, sensors de temperatura del sòl	Calor mesurada per metre i SPF durant un hivern	$30k to $80k	6 a 12 mesos
3. Pilot de carrer	De 5 a 20 edificis en un bucle compartit, un any de dades mesurades, factures dels clients.	Cost real per habitatge i per kWh de calor	$0.5M to $3M	18 a 24 mesos

Qui necessitem

• Geòlegs i hidrogeòlegs per llegir el terreny i modelar els camps de prospecció.
• Contractistes de perforació disposats a provar nous mètodes i compartir costos reals.
• Enginyers de bombes de calor i HVAC per al disseny, la posada en marxa i el seguiment.
• Planificadors d’energia i utilitats del districte per a xarxes compartides i models de propietat.
• Especialistes en física de construcció per a la seqüenciació de retrofit i emissors de baixa temperatura.
• Economistes i dissenyadors de tarifes per a fixar un preu just de la calor i recompensar la flexibilitat.

Tens una idea millor?

Alguns membres de la Fundació poden tenir contactes que podrien escoltar un pitch per a una idea d’energia forta. Per ser llançada, una idea necessita un model de treball, real que produeix energia; per a una idea de calor com aquesta, això significa un model que proporciona calor mesurada, amb la seva sortida i el seu ús d’electricitat registrats en instruments, no reclamats. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Però recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i res aquí no és una promesa de finançament, rendibilitat o introduccions.

Envieu la vostra idea a través del formulari de contribució amb el problema que resol, la comprovació física, un cost aproximat per kWh de calor i la prova més barata que podria demostrar-ho erròniament. Si teniu un model de treball, incloeu la seva sortida mesurada i com l’ heu mesurat. La pàgina fuentes d’energia compara aquesta i les altres alternatives del radar d’idees.

Fonts

1. Viquipèdia. Ball State University: sistema geotèrmic completat el 2017.
2. IEA (2022). El futur de les bombes de calor.
3. «Fraunhofer ISE» (en anglès). WPsmart im Bestand: bombes de calor en edificis existents, prova de camp.
4. Viquipèdia. Bomba de calor de font terrestre: profunditats dels forats, temperatures del sòl i el gradient geotèrmic.
5. Departament de Seguretat Energètica i Net Zero (2026). Boiler Upgrade Scheme statistics, April 2026, taules Q1.1A i 1.1.
6. «Offgem (2026)» (en anglès). Preus unitaris màxims del preu de l’energia, 1 d’octubre al 31 de desembre de 2026.
7. PBS NewsHour (2025). Una aliança improbable construeix una xarxa d’energia geotèrmica més neta a la comunitat de Massachusetts.
8. Departament d’Energia dels Estats Units. Geothermal heat pump case study: Colorado Mesa University (en anglès).
9. Buffa, S., Cozzini, M., D’Antoni, M., Baratieri, M. i Fedrizzi, R. (2019). 5th generation district heating and cooling systems: a review of existing cases in Europe (en anglès). Renovable and Sustainable Energy Reviews 104, 504-522..
10. Staffell, I., Brett, D., Brandon, N. i Hawkes, A. (2012). Una revisió de les bombes de calor domèstiques. Ciència i Tecnologia 5, 9291.
11. Lazard (juny de 2026). Levelized Cost of Energy+, versió 19.
12. Fundació Local Solar System. El model obert de la paret del ventilador: el punt de referència solar del terrat de 0,19 dòlars per kWh.
13. En Kusuda, T. i Achenbach, P.R. (1965). «Earth temperature and thermal diffusivity at selected stations in the United States» (en anglès). «National Bureau of Standards Report 8972» (en anglès).
14. Viquipèdia. Refrigeració de compressió de vapor: l’evaporador, el compressor, el condensador i la vàlvula d’expansió.
15. Viquipèdia. Perforació direccional: perforació sense trinxeres en un arc superficial.