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PROYECTO DE SISTEMA
MIXTO DE BOMBEO FOTOVOLTAICO APLICADO AL RIEGO TECNIFICADO PARA
EL OLIVAR EN EXTREMADURA
López Rodríguez,
Fernando1 "p"
Cuadros Blázquez,
Francisco2
Marcos Hernandez, Alfonso1
Martínez Salazar,
Enrique1
- Área de Proyectos de Ingeniería
- Departamento de Física
Escuela de Ingenierías
Industriales. Universidad de Extremadura.
Campus Universitario
Apdo. Correos 382
06071-BADAJOZ
Tno.: 924-289600-Fax:
924-289601
E-mail: ferlopez@unex.es
RESUMEN
El presente proyecto trata
sobre la viabilidad y el análisis de un sistema mixto
de bombeo fotovoltaico aplicado al riego tecnificado –riego
solar- para el olivar en Extremadura, a fin de mejorar la
producción, y a la vez que se aprovecha la energía
solar - tan abundante en regiones tal como la extremeña
en los meses de verano, esto es, cuando más se necesita
el riego, optimizando los recursos hídricos.
Se trata de un proyecto
con aplicación potencial a regiones de estas características,
con unas 238.000 Ha de olivar, en su mayor parte de secano.
Está demostrado que el olivar de riego quintuplica (
y hasta sextuplica ) la producción de aceituna con respecto
al de secano.
Ese solo dato justifica
la realización de este proyecto. Añádase
a esto la utilización de tecnologías limpias y
la optimización de los recursos hídricos, cada
vez más escasos.
1.- INTRODUCCIÓN
El cultivo del olivar representa
en Extremadura un papel de primer orden. Su importancia no solo
se limita al sector agrario, sino que se extiende también
a otros sectores, tales como los económicos, sociales,
medioambientales, etc. La superficie del olivar en esta región
está en torno a las 238.000 Ha, lo que significa alrededor
del 13% de los olivos españoles. Este cultivo se ha convertido,
en los últimos años, en el segundo en importancia
en cuanto a ingresos producidos en la región extremeña.
Una alternativa, ambientalmente
recomendable, para el abastecimiento de agua la hallamos en
el bombeo fotovoltaico. En su concepción más simple,
el bombeo fotovoltaico se refiere al uso de la energía
solar para la generación de electricidad, la cual a su
vez se utiliza en la alimentación de equipos de bombeo
con la finalidad de extraer el recurso hídrico. Se prefiere
la posibilidad de usar energía solar, frente a las fuentes
de energía tradicionales, ya que estas últimas
se encuentran permanentemente cuestionadas debido a razones
ambientales, y ahora más recientemente también
debido a cuestiones económicas (aumento del precio de
los combustibles).
La integración
de los sistemas de riego tecnificado con el bombeo fotovoltaico,
en lo que podríamos llamar riego solar, orientado
a la mejora de la producción del olivar, es el tema de
la ponencia que pretendemos desarrollar. Para ello, se efectuó
un estudio sobre su viabilidad ante la posible adopción
de sistemas de riego solar en la región de Extremadura.
Posteriormente a este estudio de viabilidad se está desarrollando
un programa de investigación propiamente dicho, donde
se estudia el comportamiento de la distintas variables que intervienen
en la conexión entre los sistemas de bombeo fotovoltaico
y de riego tecnificado, que, si bien han demostrado separadamente
su utilidad y fiabilidad, no se ha realizado un estudio sistemático
sobre la optimización de dicha conexión.
2.- EL PROYECTO BAJO
DIFERENTES ASPECTOS.
Existen Diferentes aspectos
bajo los que se puede definir y justificar el proyecto, que
los sintetizaremos desde el punto de vista agronómico,
ambiental y social.
Desde el punto de vista
agronómico la perfecta adaptación del olivar
a las condiciones de secano, así como su excelente respuesta
a las aportaciones de agua de riego, se deben al eficiente uso
del agua que hace este árbol. El olivo es capaz de extraer
toda el agua aportada gracias a su rápido y gran desarrollo
radicular en la zona de los bulbos húmedos.
En diversas experiencias
previas, se ha demostrado que el riego del olivar, incluso en
dosis relativamente pequeñas con respecto a las empleadas
en otros cultivos, permite aumentar la producción del
olivar, llegando en algunos casos a multiplicarse por seis la
cosecha con respecto al secano. Sin embargo en Extremadura,
la mayor parte del olivar puesto en riego sigue con las mismas
rutinas que el cultivo de secano con, lo que la productividad
debido al riego no ha sido la ideal. Con la introducción
del riego solar en los olivares, se buscará un incremento
en la productividad de los mismos."; el cual está
últimamente de actualidad y es objeto de ayudas adicionales
por parte de la Unión Europea (UE).
Para analizar los aspectos
ambientales del riego solar es necesario examinar el
papel que juega el olivar respecto al medio, así como
los efectos del bombeo y del uso de la energía solar.
El olivar está
situado en zonas áridas, de relieve accidentado y constituye
una protección eficaz contra la desertización,
regulando el ciclo hídrico y previniendo la erosión.
En las zonas áridas y semiáridas de España,
el 80% del agua se utiliza en el riego y cada vez se cuestiona
mas el uso de los recursos hídricos en el regadío.
En lugares donde el
recurso solar es suficiente – e incluso abundante, como en Extremadura
– y la demanda de agua no es muy alta, de 50 a 2000 m4/día
– como ocurre en el riego por goteo –, la opción de bombeo,
teniendo como fuente energética la energía solar,
se presenta como una alternativa viable y competitiva ). En
la actualidad, las fuentes de energía renovables (como
la energía solar) gozan de mucha mayor aceptación
que las fuentes de energía convencionales, que son en
general contaminantes. La energía solar fotovoltaica
es intrínsecamente no contaminante.
El olivar es un cultivo
eminentemente social si nos atenemos a los puestos de
trabajo y jornales que genera, tanto en la recolección
y la poda, como en el resto de los procesos de tratamiento y
molturación. En España genera, sólo a nivel
de producción, 46 millones de jornales al año,
mientras que en la región de Extremadura esta cifra gira
en torno a los 4 millones de jornales anuales.
La posibilidad de implantar
sistemas de riego solar está orientada, en el plano más
trascendental, a mejorar el nivel de vida de los agricultores,
crear ambientes atractivos donde vivir y más oportunidades
de trabajo. Una mejora en la calidad de vida del poblador rural
es condición esencial para disminuir la migración
a las ciudades y la consiguiente "desertización demográfica"
de las zonas rurales.
3.-TECNOLOGÍA
DE LOS PROCESOS
Hay que indicar, en primer
lugar, que la investigación sobre el riego en el olivar
es escasa, también lo es la desarrollada sobre el bombeo
fotovoltaico, pero lo que es prácticamente nulo, es la
investigación sobre la integración de ambos sistemas.
Por tanto vamos a analizar, separadamente, las dos técnicas
para, posteriormente, tratar de integrarlas.
Tecnología del riego
La variable más importante
para planificar el riego de un cultivo en una región
climática determinada y en un suelo con unas características
determinadas, es la evapotranspiración del cultivo
(Etc), que es la suma del agua consumida por la planta en la
transpiración y del agua evaporada desde el suelo, y
debe ser satisfecha estacionalmente en su totalidad mediante
la lluvia y/o el riego, para que no se vea afectada la producción
potencial del cultivo.
El método más
utilizado para determinar el valor de ETc es el recomendado
por la FAO, en el que la evapotranspiración del cultivo
(en mm/mes) se calcula como el producto de tres términos:
ETc = ETo · Kc
· Kr, (1)
siendo ETo la evapotranspiración
de referencia (también en mm/mes), que depende esencialmente
de la climatología del lugar y de las características
del suelo, y que puede determinarse experimentalmente (evapotranspirómetros
o lisímetros de drenaje) o teóricamente a partir
de diferentes variables climáticas locales. Los otros
coeficientes Kc, llamado coeficiente de cultivo, caracteriza
el tipo de cultivo que estemos tratando, y Kr es el coeficiente
de desarrollo del cultivo.
En el riego es fundamental
tener en cuenta tanto la climatología de cada zona como
las características de los suelos (edafología),
ya que de ellas dependerán las dotaciones y estrategias
a utilizar en los regadíos. Durante la estación
húmeda el agua se almacena en el suelo y esta reserva
podrá ser utilizada por el cultivo durante la estación
seca. La reserva mensual de agua en el suelo (Rm, en mm/mes)
puede determinarse a través de la expresión
Rm = Pe – Etc ,
(2)
donde Pe (en mm/mes) es
la precipitación mensual efectiva, que es, para la mayoría
de los ambientes olivareros españoles, aproximadamente
el 70% de la precipitación mensual total, y ETc la evapotranspiración
del cultivo.
La suma de las reservas
mensuales de agua acumuladas durante la estación húmeda
nos indican el contenido de agua en el suelo al inicio de la
estación seca. De este contenido de agua, sólo
parte de él constituye una reserva disponible (Rd) para
las `plantas, debido a que no puede ser superior al nivel de
agotamiento permisible (NAP). Esto es:
Rd £
NAP. (3)
En el caso del olivo,
es recomendable estimar el valor de NAP en un 70% de la diferencia
entre la capacidad de campo (CC) y el punto de marchitez permanente
(PMP):
NAP = 0,7 · Zr · (CC -
PMP) , (4)
siendo Zr la profundidad
explorada por las raíces (en mm). El concepto decapacidad
de campo hace referencia al contenido de agua en el que se estabiliza
un suelo cuando cesa el drenaje libre tras ser saturado.
Cuando un suelo está
a CC se considera que está lleno de agua. El punto de
marchitez permanente corresponde al contenido de agua en el
suelo para el que se produce la marchitez irreversible en el
cultivo y por debajo del cual no puede extraer más agua.
En cuanto al valor de Zr, se recomienda limitarlo en el caso
del olivo a 1000 mm.
Sabiendo las condiciones
particulares de cada tipo de suelo y la climatología
del lugar es posible, dentro de la técnica del riego
por goteo, programar el riego de una determinada finca de olivar.
En esta programación se debe tener en cuenta la reserva
del agua del suelo que se consumiría en la época
de mayor demanda, de modo que los caudales de riego manejados
por hectárea sean los mínimos y también
lo sean las necesidades energéticas empleadas para el
riego, lo que permitirá que con un caudal disponible
podamos regar una máxima superficie; es decir, lo que
se trata es de conseguir la optimización del uso del
recurso hídrico.
Tecnología del bombeo fotovoltaico
Los sistemas de bombeo
fotovoltaico constan de tres componentes principales: los paneles
fotovoltaicos, un motor y una bomba. En el diseño a utilizar
no son necesarias baterías, ya que utilizaremos depósitos
elevados para almacenar, en forma de energía potencial,
el agua bombeada, que servirá posteriormente para regular
el caudal el tiempo necesario para la irrigación, independientemente
de las horas de sol y de la presión de salida del agua.
El sistema así constituido es más barato, sencillo
y prácticamente sin mantenimiento.
La energía hidráulica
diaria, EH, que requiere el bombeo de un volumen
Q a un altura H viene dada por:
EH = r
g H Q / 3600 , (5)
en la que EH
está expresada en Wh/día, r es la densidad
del agua (1000 Kg/m3), g la aceleración de
la gravedad (9,81 m/s2), H la altura total (m) y
Q el caudal diario (m3/día). Simplificando,
EH = 2,725´
10-3 Q H (Kwh/día). (6)
Teniendo en cuenta la
eficiencia energética del conjunto motor-bomba, h
MB, la energía eléctrica,
EEL, que es preciso proporcionar al motor será
la suma de la energía hidráulica y las pérdidas
por fricción, Pfricción, del agua en
el sistema de tuberías:
EEL = ( EH
+ Pfricción ) / h MB.
(7)
Esta energía
debe ser proporcionada por los paneles fotovoltaicos. Ahora
bien, la generación de potencia por parte de los paneles
tiene una eficiencia de operación, h G,
que tiene en cuenta los efectos de la temperatura de operación
de las células y la posible no coincidencia del punto
de trabajo del sistema motor –bomba con el punto de máxima
potencia de los paneles. También hay que tener en cuenta
la eficiencia del conversor o del inversor, según el
sistema trabaje en CC o en CA, que denotaremos por h
I. Finalmente, hay un umbral de
irradiación por debajo del cual el caudal que proporciona
la bomba es nulo. Llamando 
a la fracción del tiempo (en horas) diario en la cual
la irradación es superior al valor umbral, tenemos que
la potencia máxima requerída del generador fotovoltaico,
PMAXG, será:
(8)
Las Ecs. (7 y 8) nos
indican que la forma de optimizar un sistema de bombeo está
en conjugar los aspectos energéticos e hidráulicos.
Algunas de las precauciones a tener en cuenta son: limitar el
valor de las pérdidas por fricción, Pfricción,
a un máximo del 10% del valor de la energía hidráulica,
EH ; asegurar que el umbral de irradiación
a partir del cual comienza el bombeo efectivo sea inferior a
300 W/m2 ; y considerar que la mayoría de
estos sistemas incorporan bombas centrífugas, cuya eficiencia
es muy sensible a la altura del bombeo.
Otro de los objetivos
será bajar el umbral de radiación lo más
posible para que comience a funcionar el sistema de bombeo,
que también deberá hacerse en conjunción
entre todos los componentes del equipo de investigación.
4.- INTEGRACIÓN DE LOS SISTEMAS
DE BOMBEO FOTOVOLTAICO Y DE
RIEGO TECNIFICADO
En los apartados anteriores
se ha descrito la tecnología del riego y del bombeo fotovoltaico
y las variables que más influyen en la optimización
de ambos sistemas, de forma separada.
El objetivo fundamental
que se persigue con el presente proyecto es optimizar la conexión
(integración) de ambos sistemas; es decir, la de evaluar
y mejorar la eficiencia del riego solar. Esto es un proceso
largo que hemos comenzado y cuyos resultados tras los análisis
y ensayos que se están haciendo, se verán claramente
dentro de varios años.
Se está mejorando
la eficiencia del conjunto a fin de regar el máximo número
de olivos con un caudal dado y utilizando el mínimo número
de paneles posibles.
Por tanto, en el proyecto
se trata de integrar el riego tecnificado con el bombeo fotovoltaico,
por lo que los resultados los comportamientos de las distintas
variables que intervienen en la conexión entre los dos
sistemas, que si bien han demostrado separadamente su utilidad
y fiabilidad, no se ha efectuado un estudio sistemático
sobre la optimización de dicha conexión.
Figura 1.- Estado final de
la instalación.
La integración
de ambos aspectos lleva como resultado a instalaciones del tipo
de la figura 1, en donde los paneles se han integrado en el
tejado de una caseta en la proximidad de la zona regable.
5.- CONCLUSIONES.
Los resultados obtenidos
en el proyecto que se ejecuta serían de inmediata aplicabilidad
en el sector agrícola extremeño, ya que hay una
demanda muy grande por parte de los agricultores, acerca de
la instalación de equipos de bombeo para mejorar las
producciones de sus cultivos. Añádase a esto el
constante aumento del precio de los combustibles, y la concesión
de sustanciosas subvenciones de la Administración a las
aplicaciones de todo tipo de las energías renovables.
Estos dos factores hacen que los agricultores, cada vez más,
se estén planteando la utilización de estas nuevas
tecnologías. Por lo dicho, creemos que la potencialidad
de transferencia de resultados a los sectores empresariales
del riego tecnificado y de la energía solar, incluso
a los propios agricultores, creemos que es muy grande.
En cuanto a las novedades
y diferencias con respecto a otras tecnologías existentes
cabe destacar:
1.- Son unas tecnologías
limpias y potenciadas tanto por las UE como por los Gobiernos
nacional y autonómico.
2.- No son contaminantes.
No emiten ruidos, humos ni sustancias tóxicas.
3.- Aprovechan los recursos
energéticos regionales, lo que disminuye nuestra
dependencia con los países productores de petróleo.
4.- Potencian la diversidad
energética.
5.- No requieren apenas
mantenimiento.
6.- Son ubícuas.
Pueden instalarse en cualquier sitio. No hay que realizar
ningún tendido eléctrico, ni suministrar periódicamente
combustible.
7.- Economizan los recursos
hídricos, tan escasos en nuestra región.
8.- Los proyectos, como
el que presentamos, sirven como demostración de la
potencialidad de estas tecnologías.
6.- REFERENCIAS
- COMISIÓN EUROPEA (1997). Libro
blanco para una estrategia y un plan de acción comunitarios.
Energía para el futuro: fuentes de energía renovables.
Bruselas.
- FERNÁNDEZ J.E., MORENO F., MARTIN-ARANDA
J. (1990). Study of root dinamics of olive trees under
trip irrigation and dry farming. Acta Horticulturae, 286,
263-266
- IDAE (INSTITUTO PARA LA DIVERSIFICACIÓN
Y AHORRO DE LA ENERGÍA) (1998). Las energías
renovables en España: balance y perspectivas 2000.
Ed. IDAE. Madrid.
- LÓPEZ M. (1997). Aspectos socioeconómicos
de la organización común de mercados del aceite
de oliva. Comunicación presentada en el VIII Simposium
Científico-Técnico. Jaén.
- ORELLANA R., ZANGA O. (1996). Bombeo
fotovoltaico. Ed. Energía para el desarrollo. Bolivia.
- SMITH M., ALLEN R., MONTEITH J.L., PERRIER
A., SANTOS PEREIRA L., SEGEREN A. (1992). Expert consultation
on revision of fao methodologies for crop water requirements.
Food and Agriculture Organization of the United Nations. Roma.
- SOLÉ M.A. (1994). Influencia
del riego de auxilio por goteo con pequeñas dosis de
agua en olivar de las Garrigas (cv. Arbequina). Fruticultura
profesional, 62, 24-36.
7.- CORRESPONDENCIA
Fernando López Rodríguez
Escuela de Ingenierías
Industriales. Universidad de Extremadura.
Campus Universitario
Apdo. Correos 382
06071-BADAJOZ
Tno.: 924-289600-Fax:
924-289601
E-mail: ferlopez@unex.es
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