Bombeo de agua con tecnología fotovoltaica

Hay muchos sitios cuyas fuentes de agua son de bajo caudal y baja productividad que no sirven para irrigación a gran escala. Sin embargo, las energías renovables proporcionan nuevas aplicaciones para el máximo aprovechamiento de los recursos hídricos en México.

Por  Pedro Antonio Bretón Ramiro.

La CDT es la que determina el tamaño del generador fotovoltaico para una localidad dada.

Supóngase que se tiene una noria, de la cual se desea extraer agua que está a una profundidad de 20 metros, con una productividad de 5 mil litros por día y que se encuentra a 1 mil metros de la red eléctrica. Dadas las características hidráulicas de la fuente de agua, el líquido puede ser extraído y colocado al nivel de superficie con una bomba centrífuga, de superficie acoplada, a un motor eléctrico de 3/4 HP, con una razón de bombeo de 3 mil litros por hora. Si sólo se requiere electricidad para abastecer dicha bomba, según datos de CFE, el costo más barato por extender la red, a baja tensión, es de 85 mil pesos con un transformador de 10 kVA, se use o no tal potencia.

Éste es el caso típico de una línea eléctrica que estará subutilizada, ya que el motor sólo consumirá el 10 por ciento de la potencia instalada y la inversión no se puede justificar en función de la potencia a usar. La decisión puede ser aceptable si el productor requiere la electricidad para otras aplicaciones o si el motor es de más potencia que del orden de la capacidad del transformador. Sin embargo, con el uso de un sistema de bombeo fotovoltaico, que tendrá un costo menor al de la extensión de la red (estimado en 65 mil pesos para un sitio con un recurso solar de seis horas de insolación), se puede extraer el agua de la noria de una manera confiable y con un sistema totalmente autónomo.

Las experiencias acumuladas en proyectos de bombeo instalados y en operación indican que las norias de baja productividad, con profundidades de hasta 150 metros, son nichos de aplicación de los sistemas de bombeo que operan con sistemas fotovoltaicos, lo cual es una solución económica adecuada en sitios a más de 0.5 Km de la red convencional. Sin embargo, existen otros factores que hay que considerar para elegir la tecnología fotovoltaica apropiada para usarse en el bombeo de agua.

Antes de establecer dichos factores se deben analizar estos elementos involucrados en un sistema de bombeo fotovoltaico.

Para que el sistema de bombeo trabaje, y sea posible extraer el agua, es necesario que la potencia mecánica del motor, acoplado a la bomba, sea capaz de vencer la potencia hidráulica del proyecto, especificada, de una manera general, por el volumen de agua requerido al día y la altura a la que hay que elevar el agua.

Además de tener un criterio para seleccionar la bomba apropiada que proporcione el gasto requerido y la potencia mecánica del motor acoplado a la bomba para vencer la carga hidráulica, el volumen extraído al día dependerá del tiempo de operación del conjunto motor-bomba.

Como dicha bomba operará con electricidad generada por celdas solares, el otro factor a considerar es el recurso solar. La energía del Sol es absorbida por el generador fotovoltaico y es transformada en potencia eléctrica.

El motor de la bomba la convierte en potencia mecánica y, la bomba, a su vez, convierte  potencia mecánica en potencia hidráulica a cierta razón de bombeo.

Lo anterior significa que la potencia hidráulica en el sistema de bombeo define la potencia del generador fotovoltaico, mientras que el volumen de agua requerido al día queda establecido por la cantidad de horas que operará la bomba a la razón de bombeo establecida. En éste último caso, el número de horas de operación dependerá del recurso solar del sitio.

Factores técnicos de decisión
Existen varios factores técnicos importantes a considerar cuando se trata de decidir si extraer agua con energía eléctrica fotovoltaica es la alternativa a un proyecto de bombeo establecido. Los más relevantes son los siguientes:

a) Uso del agua
De manera natural, el uso del agua define el volumen requerido por día para la aplicación específica. Se ha determinado que, desde el punto de vista económico, las aplicaciones rentables son aquellas en que la demanda de agua por día es baja. Casos típicos: consumo humano, abrevaderos, huertos familiares, invernaderos, parcelas hasta de 2 hectáreas con sistemas de riego tecnificado (microriego, goteo, etc.) y cultivos de baja demanda de agua.

b) Características hidráulicas del sistema de bombeo
Un dato necesario en los sistemas de bombeo es la altura total a la que hay que elevar el agua, ya que influye directamente en la potencia hidráulica requerida para elevar un volumen de agua dado a cierta altura. Es claro que se necesita más potencia para elevar 1 litro de agua a una altura de 20 metros que la requerida para elevar ese mismo volumen a 5 metros. La altura total de elevación o Carga Dinámica Total (CDT) se halla al sumar la distancia que hay desde el punto de extracción hasta el punto de descarga, incluyendo las pérdidas por fricción natural que aparecen debido a la tubería y conexiones hidráulicas.

La CDT, expresada en unidades de longitud (m) y el volumen de agua requerido diariamente, expresado en metros cúbicos (m³), definen el concepto de energía hidráulica o ciclo hidráulico del sistema de bombeo.

Este requerimiento energético hidráulico es el que determina el tamaño del generador fotovoltaico para una localidad dada y, en consecuencia, su costo. Las unidades de medición para tal cantidad energética son (m)x(m³)=m⁴. Así, la energía hidráulica necesaria para extraer 20 m³ de agua con una CDT de 5 m es de 100 m4, que es exactamente la misma cantidad si se desea extraer 5 m³ de agua con una CDT de 20 m. Bajo estas condiciones se ha encontrado que los costos involucrados en ambos casos son muy similares.

Al considerar los costos de generación de electricidad mediante sistemas convencionales (inclusive con sistemas eólicos, aeromotores o electroeólicos) para bombas del tamaño requerido para esa energía hidráulica. Varios autores han establecido, a través de modelos económicos basados únicamente en el costo del combustible, que una cifra máxima de 1 mil 500 m⁴ es un valor adecuado para tomar las decisiones respecto del uso de la tecnología fotovoltaica para bombear agua. Se sugiere que si la energía hidráulica es mayor de ese número, se deseche la alternativa fotovoltaica.

Sin embargo, este valor no es absoluto dado que en muchos casos el costo del acarreo del combustible puede ser mucho más caro que el costo mismo del combustible y, en consecuencia, puede ser mayor. En todo caso, se sugiere que para energías mayores de 1 mil 500 m⁴ se estudien adecuadamente las tecnologías potenciales y los costos involucrados en ellas.

c) Recursos de energía renovable o de fuentes no convencionales en la región
Entre los recursos de la región que se deben identificar están los siguientes: distancia a la red eléctrica, disponibilidad de combustibles fósiles en el sitio, infraestructura de bombeo disponible y recursos renovables (solar, eólica).

Dado que el costo de la energía eléctrica es barato y subsidiado para actividades agropecuarias, la distancia a la red eléctrica puede definir la elección entre una tecnología y la red. La pregunta ahora es: ¿qué lejos puede estar la red para que ésta no sea una alternativa de uso? La respuesta no es absoluta, ya que intervienen varios factores, entre ellos están: potencia eléctrica, recurso solar y ciclo hidráulico. Los costos de extensión de la red son superiores a los 80 mil pesos por kilómetro, un valor aceptable puede ser de menos de 1.0 Km. Se ha sugerido que la opción fotovoltaica es adecuada para sitios que se encuentren a una distancia superior a 0.5 Km de la red.

La disponibilidad de combustibles en el sitio, así como la existencia de infraestructura y bombeo, pueden inclinar la balanza hacia las tecnologías convencionales. Hay una posibilidad que sea más económico reparar un sistema existente y quemar combustible, que invertir en un sistema solar. La decisión dependerá también del recurso solar de la localidad.

Una de las grandes ventajas del bombeo de agua con energía solar es el acoplamiento entre demanda mayor de agua y mayor tiempo de luz solar, el cual se da de forma natural. La energía solar se cuantifica bajo el término de insolación y se mide en unidades de energía por unidad de área (kWh/m²). Nuestro país tiene niveles altos de insolación promedio diaria, mensual o anual, lo que lo hace susceptible de tener operando sistemas fotovoltaicos para diferentes aplicaciones.

La cantidad de energía a producirse dependerá del recurso solar. A menor recurso, mayor tiene que ser el tamaño del generador fotovoltaico. Desde el punto de vista de vialidad económica, debe existir un valor mínimo de recurso solar que una localidad debe tener para que la tecnología fotovoltaica sea una alternativa económica para la extracción del agua. Siguiendo la recomendación especificada por varios autores, se sugiere como sitios potenciales de uso de la tecnología fotovoltaica, para bombeo de agua, a aquellos cuyo recurso promedio diario anual sea mayor o igual a 3 kWh/m².

d) Localización e Infraestructura de comunicación del sitio en donde está la fuente de agua
La localización del sitio y la infraestructura de comunicación influyen de manera considerable sobre la elección de tecnología. Un sitio alejado sin carreteras, de difícil acceso, traerá como consecuencia que los costos involucrados en el acarreo de combustibles sea costoso. Sin embargo, los sistemas de bombeo fotovoltaico por su modularidad son prácticamente portales. Éstos no requieren atención y al estar en sitios aislados son vulnerables a actos de robo y vandalismo.

La elección de una tecnología para satisfacer las necesidades energéticas de un proyecto no solamente está basada en consideraciones económicas o técnicas, sino que también existen otros factores difíciles de cuantificar. Uno de ellos es el impacto ambiental. En el caso de la tecnología fotovoltaica este impacto es nulo, caso contrario en los sistemas diesel. El impacto ambiental nulo del bombeo fotovoltaico es un atractivo de gran valor para los usuarios, pero que no se le puede asignar un costo o beneficio económico a favor de dicha tecnología.

Considerando lo anterior y con el objeto de condensar de una manera nemotécnica los datos proporcionados anteriormente, el diagrama de flujo mostrado en la imagen 2, permite al lector seleccionar el tipo de tecnología potencial que podría satisfacer la demanda de agua requerida por un proyecto específico de bombeo de agua. El dato fundamental que el usuario debe proporcionar es su demanda de agua diaria, las características hidráulicas de su fuente y sistema de almacenamiento.

Se han establecido los requerimientos de agua mínimos  que se necesitan para proyectos productivos agropecuarios. Sin embargo, la extracción del vital líquido está supeditada a la disponibilidad de energía eléctrica. Una manera de salvar dicha carencia es generar electricidad mediante el uso de las fuentes de energía renovable, en especial usando la energía solar a través de la tecnología fotovoltaica.

Las experiencias obtenidas durante la implementación y desarrollo de programas de bombeo de agua con sistemas fotovoltaicos, financiados por USAID-USA y administrados por Sandia National Laboratories USA, han mostrado que el uso de estos sistemas es la mejor alternativa técnica y económica para la extracción de agua, fuentes acuíferas de bajo caudal, y para resolver las necesidades del vital líquido en determinados proyectos productivos agropecuarios. Además, han permitido establecer criterios de selección dentro de las tecnologías de bombeo para decidir a priori cuál de ellas es la que presenta la mejor opción económica que satisfaga los requerimientos de agua de un proyecto determinado.
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Pedro Antonio Bretón Ramiro
Graduado por la Universidad de Almería (España) en Tecnología Solar Aplicada. Fundador y director General de SAECSA Energía Solar. Conferencista y activista internacional a favor del medioambiente.