Bombeo solar, experiencias en Uruguay y la región. Perspectivas de futuro

Un poco de historia

Uruguay es un país principalmente de producción agropecuaria. Por su clima templado húmedo es posible la producción de muchos rubros solo con el aporte de agua de lluvia (régimen de secano), pero expuestos a la incertidumbre por la irregularidad y variación que estás precipitaciones tienen, tanto en volumen como en su frecuencia. Se han tenido tanto eventos prolongados de sequía como de exceso de lluvias. Las condiciones de evapotranspiración variaron en los últimos años (cambio climático). Esto hace que la producción agropecuaria dependa de estos eventos.

Por otra parte, el aumento del valor de la tierra en los últimos 10 años, las mejoras en tecnología ofrecidas en el mercado, la baja relativa de costos de las infraestructuras de riego, entre otras cuestiones, conduce naturalmente a los productores a realizar acciones que incrementen la rentabilidad de su activo principal, el suelo, con aumento de la productividad de sus emprendimientos. La inversión en riego se hizo tres veces más atractiva en los últimos 10 años. La situación llevo a incrementar los sistemas con riego controlado, por parte de los productores, solo ayudado en los últimos años por algunas acciones de parte del gobierno como otorgamiento de créditos o beneficios fiscales.

Por otra parte se constataba que el desarrollo de los sistemas con riego se orientaba hacia soluciones individuales, prediales, haciéndose necesario dar un tratamiento más genérico e inteligente del recurso agua, a nivel de cuencas, con una gestión diferente de este recurso, para garantizar la sustentabilidad del sistema.

Frente a esta situación se están desarrollando coordinaciones a nivel interinstitucional a los efectos de hacer sustentable el sistema productivo y continuar fomentando la implementación de sistemas con riego a nivel nacional.

Hay varios factores que analizaremos a continuación que colaboran en este sentido.

Disponibilidad del recurso energía

Uruguay logro tener una política de Estado en el tema Energía. Esto da posibilidades para un importante desarrollo de varios sectores de la economía en los últimos años. Del Uruguay, en general, podemos decir que al año 2015 la matriz primaria global estaba en esta situación (Figura 1).

Y la matriz eléctrica marca la fuerte influencia de las energías renovables.

Potencial de Energía Solar en Uruguay

Los estudios de irradiancia realizados por la empresa estatal eléctrica UTE y la Facultad de Ingeniería de la Universidad de la República, llevaron a la confección del mapa solar del Uruguay (Figura 2), mostrando un buen potencial para la generación a partir de fuente solar. (FA, 2015).

Se indican mapas para cada mes del año y un mapa promedio anual para todo el país (FING, 2015). https://www.fing.edu.uy/if/solar/

Disponibilidad del recurso agua

A continuación se transcribe información del Ministerio de Ganadería, Agricultura y Pesca (MGAP) respecto a este tema: Datos de ingreso de agua: las lluvias. MGAP presenta algunos datos básicos del riego: Datos de lluvia: Precipitación media anual en todo el Uruguay es de 1 300 mm, lo que equivale a 229 000 000 de m³ de agua, 1 300 mm/m², equivalen a 1 300 L/m².

Distribución del agua de lluvia caída (Figura 3):

Según el MGAP y como se aprecia en el gráfico anterior, 40% (92 000 000 m³) escurren por superficie, ríos y arroyos.

Para riego se encontrarían disponibles 2 237 000 de m³ de agua por año (represas), 1 334 000 de m³ de agua por año (tomas de ríos y arroyos) que representa menos del 4% del agua que escurren por superficie. Se riega menos del 2% de la superficie total del país.

Disponibilidad de agua subterránea

Casi 2/3 de la superficie del país está sobre sistemas acuíferos: Raigón (San José), Acuífero Salto, Acuífero Guaraní (Rivera y Tacuarembó), Mercedes Asencio (Litoral Oeste, Durazno y Canelones).

Actualmente se cuenta con el registro de los emprendimientos que utilizan agua subterránea. De acuerdo a lo que figura en el Plan Nacional de Agua, se tienen las productividades de los acuíferos (Figura 4):

Demandas de agua

Evolución del área regada en Uruguay

En un estudio realizado en el año 2013, se marcaba la situación del área regada en Uruguay. El riego ha venido creciendo sostenidamente en los últimos años pasando de tener en 1970 regadas 55 000 ha a tener en 2013 entre 255 000 y 270 000 ha regadas. Hay algunos datos de FAO-AQUASTAT (2015), que se contrastan con datos del MGAP. El agua consumida por ha varía de acuerdo al rubro.

La introducción de tecnología y conocimiento permite implantar sistemas de riego más eficientes. Conceptos como evapotranspiración del cultivo de referencia (ETo), tecnologías como los variadores de frecuencia en la instalación de bombeo o la utilización de las cintas exudantes de riego a baja presión en la distribución del agua, así como la utilización de Tecnologías de Información Geográfica o Tecnologías de Información y comunicación, permiten tener un manejo inteligente y eficiente de nuestros sistemas de riego. Hay variados sistemas de riego implantados y a implantar, con un crecimiento importantes de los pivots pasando de casi ninguno en 2005 a más de 400 en 2015.

Sin lugar a dudas la presencia de riego en el área disminuye los coeficientes de variabilidad en la producción en forma importante.

Según lo visto en el gráfico del MGAP, el área regada, está en el orden de las 255 000 a 270 000 ha, lo que equivale a menos de 2% de la superficie total del país

Según el MGAP para el año 2015 eran 210 000 ha regadas, considerando todos los cultivos. El arroz correspondía a 160 733 ha en el periodo 2014-2015. En el año 1970 era de 52 000 ha para todos los cultivos y el arroz representaba 35 691 ha.

El DINAGUA identifica los puntos de ubicación de represas y tomas, y su número. Se grafica también la evolución del área regada (Figura 5).

Según datos del MGAP, en cultivos de verano hay aproximadamente 1 400 000 ha, de lo cual el área regada es de 30 000 ha bajo pivot central, con un 85% a 90% instalados de los 470 importados.

Uruguay ha venido impulsando dentro de sus medidas estratégicas una política pública de conservación de los recursos naturales que se materializó en la implementación de los Planes de Uso y Manejo Responsable del Suelo. El riego y drenaje refuerzan la política de manejo sustentable del suelo. Se trata de establecer una Política de Riego, a los efectos de concretar el desarrollo del agua en cuencas hidrológicas, y fomentar la instalación de sistemas de riego multipredial. Se apunta a reservorios nuevos y gestión de los mismos. Los objetivos son:

El propio Ministerio de Ganadería fomenta la cultura y formación de productores brindando talleres de capacitación, bibliografía en línea, y apoyo económico en otros casos (MGAP, 2015a). Parte de este material se puede encontrar en http://www.aguaparaproducir.uy/biblioteca/publicaciones.html

Esto hace que al día de hoy existan experiencias de riego multiprediales y colectivo, y las registradas son del orden de 20 000 ha.

La incidencia del Cambio Climático

Estamos en camino a la sexta extinción masiva en la Tierra. Esta vez, a diferencia de las cinco anteriores, hay una gran incidencia de las acciones antrópicas que contribuyen a algunos de los cambios, manifestándose en diferentes formas la preocupación mundial por disminuirlos. En la COP21 se lograron avances y acuerdos importantes en este sentido, y fundamentalmente compromisos para llevar adelante esos acuerdos. Actualmente se está desarrollando la COP22.

En el MGAP la Oficina de Desarrollo y Adaptación al Cambio Climático, pone a disposición Documentos de Interés que muestran la preocupación por estos temas como por ejemplo “Instructivo para el procedimiento de evaluación de Estrategias Asociativas de Agua para la Producción (EAAP)”, “Clima de Cambios. Nuevos desafíos de adaptación en Uruguay”, “Primer estudio de la Huella de Carbono de tres cadenas agroexportadoras del Uruguay: carne vacuna, lácteos y arroz”, “Resultado del proyecto: TCP/URU/3302 Nuevas Políticas para la Adaptación de la Agricultura al Cambio Climático”, “Variabilidad climática de importancia para el sector productivo (Estudio SARA´s - Proyecto TCP/FAO)”, “Manual para el diseño y la construcción de Tajamares de Aguada”, “Manual para el manejo de Efluentes de Tambo”, “Manual de agua subterránea”, “Programa de balance de tajamares”, entre otros (MGAP, 2015b).

Hay una preocupación a nivel nacional por este tema.

Políticas de Estado

Uruguay tiene una política de estado en el tema energético que le permite avanzar firmemente en este tema.

Se están encaminando acciones para lograr una política del agua a nivel nacional.

La disponibilidad de agua se está orientada a la creación de reservorios dentro de una gestión por cuencas hidrológicas y manejo multipredial. La normativa nacional deberá adaptarse también para alinearse a estos objetivos.

Hay una gran preocupación también por el Cambio Climático que lo lleva a crear una secretaria de estado exclusivamente para este tema, la Secretaria de Agua, Ambiente y Cambio Climático, y paralelamente la formación de un gabinete ambiental, integrado por varios ministerios y la secretaria antes nombrada. Fundamentalmente se trata de aunar esfuerzos y realizar coordinaciones que logren una sinergia en estos temas. La política de agua es uno de estos caminos emprendidos y en avance.

Hay diversas acciones que se encaminan a contribuir en la disminución de los efectos del cambio climático y a garantizar un desarrollo sustentable del país.

Bombeo utilizando energía solar (Figura 6)

¿Cómo puede incidir en este panorama?

Este es un esquema genérico. De esta forma el esquema general consistiría en un área de generación de energía, un área de control, un área de bombeo que puede o no ser sumergible, y una área de utilización, además de los cableados y tuberías necesarios.

Esta instalación básica puede complementarse con mayor cantidad de cada uno de los elementos, con incorporación de inverter, de variadores de velocidad, o con sistemas de conexión a la red eléctrica para la utilización de los paneles como generación de energía distribuida y vertimiento a la red general. También incorporando adicionales como el tratamiento de agua.

El dimensionamiento de los sistemas dependerá de varios factores, tales como:

El dimensionamiento se ayuda con la utilización de software de los fabricantes de bombas y/o paneles. Para el caso de análisis de sistemas híbridos también se cuenta con software que ayuda a su análisis.

Otras posibles aplicaciones del bombeo solar y energía solar fotovoltaica

Las demandas de agua para grandes emprendimientos, como el caso de riego en plantaciones arroceras, o en caña de azúcar, no sean los sectores de aplicación más claros. Estos sistemas en general ya están conectados a la red eléctrica nacional y los potentes sistemas de bombeo funcionan con energía eléctrica de red, cuando antes lo hacían con generadores alimentados con combustibles fósiles. Algún emprendimiento también tiene autogeneración con energía eléctrica proveniente de biomasa (quema de cascara de arroz).

Quizás el sector donde la aplicación sea más clara es el de instalaciones aisladas de la red eléctrica, tanto de productores, como de organizaciones estatales, o de viviendas.

Un campo también de aplicación de energía solar vinculado a la gestión del recurso agua es el de mediciones, realizadas en lugares alejados de la red eléctrica y donde los equipos de medición son alimentados con energía solar fotovoltaica, con almacenamiento y transmisión de datos, y Control a distancia.

No es el tema que ahora se está abarcando, pero es claro que la energía solar aplicable no es solo la fotovoltaica. El calentamiento de agua con sistemas térmicos, el secado solar de productos, las cocinas solares, potabilización y tratamiento de agua, son también aplicaciones que se utilizan o pueden utilizar en emprendimientos aislados de la red.

La acumulación de energía

Los sistemas que incorporan baterías para la acumulación de energía deberían evitarse o al menos, tratar de disminuirlos a la menor expresión posible.

Efectivamente, las baterías encarecen el sistema en costo inicial y en mantenimiento y son un problema para su disposición final.

La mejor forma de acumular energía es acumulando agua en depósitos donde luego se regule con mecanismos de regulación y por la acción de la gravedad. Hay otros mecanismos como generación de gas hidrogeno, que aún están en etapas de estudio para universalizarlo.

Se trata entonces de implementar sistemas sencillos y “robustos” con poco requerimiento de mantenimiento, y poco requerimiento de operación diaria. Pocos elementos en el sistema que nos garanticen lo necesario para poder cubrir la demanda del recurso en forma sustentable.

Experiencias de bombeo solar en Uruguay

Existen en el país empresas que suministran todo el sistema completo (bomba, controlador, sensor de bajo nivel, protecciones atmosféricas, paneles fotovoltaicos, estructuras, etc.) y con Instalación Certificada Incluida. (Bombas Lorentz-Empresa Kivoy, 2015)

Entre las dos empresas principales consultadas se cuenta con más de 330 plantas instaladas, con más del 80% de ellas vinculadas a actividades agropecuarias. Se cuenta con respaldo de distribuidores en todo el país. Los montos invertidos varían de acuerdo a las características de cada instalación.

En total hay instalaciones con 16 MW de potencia. La distribución de las mismas es en todo el país.

Los sistemas instalados son para abrevadero de ganado y algo de riego, desde 2 500 L/h (20 000 L/día) (Figura 7). La más grande Instalada en Uruguay es de 40 000 L/h (350 000 L/dia) con una altura dinámica total (HDT) de 90 mca

El acceso a un abastecimiento de agua fiable y limpio es esencial para la supervivencia de personas y animales. Las fuentes de agua subterránea proporcionan un abastecimiento limpio y fiable de agua potable. Se recomienda periódicamente el control de calidad de agua.

La utilización de controladores y motores sin escobillas, de corriente continua directa de los paneles para la alimentación en las bombas sumergibles, da fiabilidad y eficiencia.

La calidad de los elementos es clave para garantizar una larga vida útil y un funcionamiento sin problemas, además de un mantenimiento mínimo y unos bajos costos de operación.

La configuración con electrónica en superficie para los equipos de bombeo, es también un elemento de robustez del sistema.

Como se dijo ya antes, el bombeo puede ser o no de agua subterránea. En efecto, se cuenta también con sistemas de bombeo para elevación o traslado de caudales a reservorios o puntos de demanda.

Otra de las empresas que en Uruguay ha desarrollado la instalación de generación con paneles fotovoltaicos, considera en su línea estratégica de trabajo que dado el alto porcentaje de electrificación rural en Uruguay, ya en 99%, la empresa no ha implementado el tipo de sistemas de bombeo aislado, pues a su entender, generalmente el riego lo hacen conectado a la red de UTE. Pero si considera la instalación adicional de paneles fotovoltaicos para generación eléctrica asociados a instalaciones que ya tienen riego y conexión por red, pero para aplicarlos en inyección a la red eléctrica a través del decreto de micro generación que está vigente en Uruguay.

Experiencias de bombeo solar en la región

Perspectivas de futuro para el bombeo solar

Se hace necesario gestionar el recurso agua para realizar un manejo inteligente del mismo incrementando el área regada. Uruguay cuenta con el recurso y debe mejorar e incrementar la infraestructura necesaria para manejarlo.

La necesidad de energía a futuro se cubrirá en su mayor parte con energía solar. Para el año 2100, se espera que más del 70% de la demanda de energía será cubierta con fuente solar. Por este lado, la apuesta a desarrollar sistemas de manejo de agua con esta base, no parece desacertada.

Los sistemas solares, en instalaciones de las características “robustas” antes descriptas, y ejecutadas según el arte de la buena construcción a partir de proyectos de calidad, requieren poco mantenimiento o casi nada de él.

Los sistemas solares, en instalaciones de las características “robustas” antes descriptas, y ejecutadas según el arte de la buena construcción a partir de proyectos de calidad, requieren poco mantenimiento o casi nada de él. Presentan ventajas adicionales frente a otros sistemas, de costos a largo plazo, beneficios ambientales, mejores condiciones de eficiencia, que favorecen las instalaciones de bombeo solar. La inversión inicial, en general, es más costosa.

Las condiciones de mercado en paneles FV marca un descenso de precios de los mismos, haciendo ya competitivos los sistemas FV con los eólicos en grandes emprendimientos.

Sistemas de apoyo para la instalación, que encarecían las ofertas para cumplir requerimiento de maximización de la generación, dejan de ser imprescindibles, optando por utilizar instalaciones más económicas aumentando el área de paneles.

Los planes de gobierno que incentivan la instalación con beneficios fiscales o créditos de bajo costo, aumentan el interés por este tipo de instalaciones. El decreto de micro generación, que permite al usuario ser generador y disminuir costos, aporta un elemento más para la toma de decisiones.

Por otro lado, los sistemas de bombeo solar a partir energía eléctrica generada en paneles fotovoltaicos, tiene un periodo de funcionamiento en horas por día, con una capacidad que varía estacionalmente y a lo largo del día, dependiente de la radiación solar. Se debe aprovecha ese periodo para elevar la cantidad de agua necesaria al tanque de almacenamiento para luego utilizarla en los puntos de demanda a lo largo del día.

La robustez de este sistema se marca también en la operación del mismo, donde un operario que sea locatario del emprendimiento o un usuario del sistema, puede ser instruido en lo necesario para mantener operativo el sistema en el periodo de vida útil del mismo, haciendo sostenible el emprendimiento. La sencillez del sistema lo hace robusto.

El potencial del bombeo solar para la gestión del recurso agua parece muy claro.

La asociación de sistemas aislados, de medición a la instalación de bombeo, con comunicación telemétrica,, es un campo que se abre para incluir otros sistemas de medida o aforos que reportan en tiempo real a las bases respectivas, y con posibilidad de contar con control del sistema a distancia.

La incorporación de sistemas de tratamiento de agua, tanto para tratamiento bacteriológicos como para quitar otras impurezas, (desalación, osmosis inversa, etc), podría utilizar la fuente solar fotovoltaica para tomar energía eléctrica.

Las evaluaciones de proyectos con ERNC deberían tomar en cuenta el ciclo de vida, los beneficios ambientales y el peso de la huella hídrica.