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

  1. Área de Proyectos de Ingeniería
  2. 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

  1. COMISIÓN EUROPEA (1997). Libro blanco para una estrategia y un plan de acción comunitarios. Energía para el futuro: fuentes de energía renovables. Bruselas.
  2. 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
  3. IDAE (INSTITUTO PARA LA DIVERSIFICACIÓN Y AHORRO DE LA ENERGÍA) (1998). Las energías renovables en España: balance y perspectivas 2000. Ed. IDAE. Madrid.
  4. LÓPEZ M. (1997). Aspectos socioeconómicos de la organización común de mercados del aceite de oliva. Comunicación presentada en el VIII Simposium Científico-Técnico. Jaén.
  5. ORELLANA R., ZANGA O. (1996). Bombeo fotovoltaico. Ed. Energía para el desarrollo. Bolivia.
  6. 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.
  7. 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

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