Viabilidad económica de diferentes técnicas de riego presurizado a pequeña escala con bombeo fotovoltaico

Características de los sistemas de riego diseñados (SR)

En la Tabla 1, se presentan los principales elementos agronómicos e hidráulicos que fueron utilizados para el diseño de las diferentes variantes de técnicas de riego a comparar, en función de conocer la de mayor viabilidad económica con el uso de la energía FV.

Características de los sistemas fotovoltaicos (SFV)

A partir de las potencias demandadas por los equipos de bombeo de los diferentes SR, se diseñaron los correspondientes SFV. Para esto fueron seleccionados los paneles marcas Poly DHP 72 - 330, cuyas principales características físicas y eléctricas utilizadas en estos diseños se presentan en la Tabla 2. Estos SFV en todos los casos fueron situados próximos a la estaciones de bombeo, fuera del área de cultivo.

Para el diseño de los sistemas de riego fueron consultadas las metodologías descrita por Rodrigo et al. (1992)Rodrigo, J., Hernández, A. J. M., Pérez, R. A., & González, H. J. F. (1992). Riego Localizado. Ed. Mundi-Prensa, Madrid, España. y Tarjuelo (2005)Tarjuelo, M. J. M. B. (2005). El riego por aspersión y su tecnología (3ra.). Mundi-Prensa, ISBN: 84-8476-225-4, Madrid, España..

En la Figura 1, se muestran esquemas de las formas en que fueron diseñados y explotados los diferentes sistemas evaluados.

Para el diseño se tomo como referencia del recurso solar el potencial reportado por Mavilio y Sifontes (2013), citados por Díaz et al. (2018) Díaz, S. R., Castro, F. M., Santos, F. A., & Vilaragut, L. M. (2018). Análisis de la influencia del ángulo de inclinación en la generación de una central fotovoltaica. Ingeniería Energética, 39(3), 146-156. www.rescarchgate.net/publication/317949936 , existente en el municipio Cantarrana, de la provincia Cienfuegos, ubicado en los 22.5⁰ de latitud norte y los 80.51⁰ de longitud oeste, mostrados en la Figura 2.

En este caso para el diseño de los SFV fue seleccionado el valor del mes más crítico (diciembre con 5.5 kWh/m² - día).

La metodología para el diseño de los arreglos FV se fundamentó en lo descrito por Arceda & Hernádez, (2012)Arceda, R. M., & Hernádez, D. A. (2012). Proyecto de riego por goteo utilizando energía solar, para el cultivo de Aguacate en la finca Ojo de agua, en la localidad de San Francisco Libre [Trabajo monográfico (como requisito para optar al título de Ingeniero Agrícola)]. Universidad Nacional de Ingeniería, Managua, Nicaragua.; Dávalos (2019)Dávalos, P. J. (2019). Diseño de un Sistema de Bombeo Fotovoltaico para Riego Agrícola en el Caserío La Guayaba, Distrito de Bellavista, Jaén-Cajamarca [Tesis (para optar al título de profesional de Ingeniero mecánico electricista)]. Universidad Nacional de Jaén. y Lara (2007)Lara, Y. F. A. (2007). Diseño de un sistema de riego por medio de energía solar, a través de paneles FV [Trabajo de Diploma (para optar al Título de Ingeniero Mecánico)]. Universidad Austral de Chile..

Evaluación económica

Para el análisis económico fueron determinados los valores de inversión inicial por separado, en cada uno de los SR y su correspondiente SFV, a partir de los precios unitarios de cada parte, pieza y agregado (PPA) ofertados por el proveedor, los cuales fueron sumados posteriormente según variante, para conocer su monto total. Como quiera que estos precios fueron ofertados en USD, se trasformaron a CUP, a través de la relación; 1 USD = 24 CUP.

Los costos de explotación fueron determinados en CUP, a partir de las siguientes partidas y procedimientos:

En la Tabla 3 se muestran las partidas y procedimientos para el cálculo de los costos de explotación.

En los ingresos brutos solo fueron tenidos en cuenta los correspondientes a la comercialización de los productos agrícolas (en CUP), toda vez que estos son sistemas aislados donde la energía sobrante no fue comercializada, ni usada en otras actividades con fines de lucro.

Para determinar los mismos, fueron multiplicados los rendimientos esperados con riego en cada uno de los cultivos involucrados en la rotación (frijol; 1.1 t/ha, maíz; 2.3 t/ha y tomate; 11.5 t/ha) ⁽⁸⁾, por sus respectivos precios oficiales en el mercado nacional (frijol negro vendido a acopio; 26909 CUP/t, maíz seco en grano vendido en almacén del productor; 14156 CUP/t y tomate para la industria vendido en almacén del productor; 5674 CUP/t) ⁽⁷⁾, valores estos que fueron sumados para obtener el ingreso anual y multiplicados por las cinco hectáreas de cada variante.

Los indicadores económicos utilizados en este trabajo se determinaros a partir de:

donde:

Sistemas de riego

En la Tablas 4 y 5, se presentan los valores de los elementos agronómicos e hidráulicos obtenidos como resultados de los diseños modulares de cinco hectáreas, con riego por goteo, aspersión semiestacionaria y enrolladora, realizados con jornadas de riego de 6 horas diarias.

En la Tabla 4 se observa, como el hecho de tener que acortar las jornadas de riego producto de las horas de sol disponibles y mantener una velocidad del agua no superior a 2,2 m/s en las tuberías conductoras y distribuidoras, obligó a utilizar en las tres técnicas la mayor cantidad de éstas con diámetro de 110 y 125 mm, lo cual no es usual en áreas modulares pequeñas cuando se diseñan para jornadas de 12 horas de riego. Como consecuencia de esto se aprecia en esta misma tabla el peso que tuvo esta parte de la red en el costo total de cada sistema, lo cual influyó en el encarecimiento de las diferentes alternativas de riego sobre todo en la técnica de goteo donde alcanzó los 29.93 MCUP.

Como resultado de los diseños realizados se muestra en la Tabla 5, las características agronómicas e hidráulicas de las diferentes técnicas empleadas. Independientemente de las diferencias lógicas que existen entre ellas, en la siguiente tabla se presentan de forma comparativa con vista a facilitar su comparación visual.

Como resultado de todo esto, se observa que las potencias requeridas por los equipos de bombeo de cada técnica se incrementa a partir del riego por goteo (6,7 kW) hasta el enrollador (25,7 kW), más por la carga necesaria que por el gasto, los cuales no mostraron grandes diferencias.

Sistemas fotovoltaicos (SFV)

A partir de la potencia demandada por cada equipo de bombeo y la mínima a garantizar por los SFV, fueron diseñados los diferentes arreglos FV, los cuales según muestra la Tabla 6, incrementaron el número de hileras necesaria de acuerdo con la potencia demandada por cada sistema de riego, con valores de 5 para el goteo, 6 para la aspersión y 11 para el enrollador, hileras estas que multiplicadas por los 6 paneles en serie necesarios para garantizar la tensión necesaria (220 v) en los dos primeros y 10 paneles en el último (380 v), llevó los números totales de paneles a 30, 36 y 110 respectivamente, con valores totales de Wp instalados de 9900 W (9,9 kW) a 36300 W (36,3 kW). Estas tendencias se corresponde con lo planteado por López et al. (2017)López, L. R., Martínez, J., Reca, J., & Ruiz, R. (2017). Análisis de viabilidad y gestión del riego en invernaderos mediterráneos con energía solar fotovoltaica. Revista Iberoamericana del Agua Ribagua, 4(2), 74-83., quien señala entre las variables que condicionan de manera mas significativa la demanda de energía, en su caso de invernaderos, está el tamaño medio de la explotación y las características del sistema de riego.

Evaluación económica

En la Tabla 7, se presentan los costos de inversión inicial de los sistemas de riego (incluye la electrobomba y la instalación del sistema), así como de los sistemas fotovoltaicos por separado. Como se puede apreciar de los tres sistemas analizados, fue la técnica de riego por goteo la que mayor costo de inversión inicial obtuvo con un valor de 689.8 MCUP producto de su complejidad estructural y el precio unitario de sus componentes, siendo a la vez la de menor costo de inversión con respecto al sistema fotovoltaico (189.3 MCUP) por la menor potencia demandada.

Los valores de los componentes del costo de explotación de las diferentes técnicas presentados en la Tabla 8, muestra al goteo como el de mayor costos de explotación con 90.0 MCUP/año, producto de su complejidad estructural, los materiales sintéticos que lo componen y la forma de instalación, que en este caso fue diseñada con laterales superficiales.

En la Figura 3, donde se presentan estos valores de forma integrada, se observa que no fue precisamente la alternativa de riego por goteo la de menor costo de inversión total dentro del escenario analizado, siendo superada en su factibilidad de adquisición por la técnica de riego por aspersión semiestacionaria con una inversión inicial de sólo 456.6 MCUP y un costo de explotación de sólo 541.2 MCUP/año (incluido el 10% de costos indirectos).

Nota: La inversión incluye los gastos totales iníciales realizados en la adquisición y montaje de los SR+SFV, mientras que los costos de explotación (CE) los gastos efectuados durante la operación y mantenimiento de los SR+SFV+Agrotecnia (que incluye además de todas las labores culturales, las siembras anuales de las especies de ciclo corto seleccionadas para la rotación de cultivo.)

Como resultado de lo antes expuesto se aprecia en la Tabla 9, donde se presentan los indicadores de rentabilidad elegidos para el análisis del presente trabajo, que el riego por goteo no fue el más atractivo desde el punto de vista económico no obstante haber obtenido las mayores utilidades netas después de impuesto (UNDI) con valores de 122.3 MCUP/año y relación beneficio - costo (B/C = 1,20), debido a su mayor tiempo de recuperación (7,54 años) producto de su alto costo de inversión, el cual superó a la aspersión en 2,77 años. Esta diferencia provocó que al final de su vida útil, la técnica de riego por Aspersión SE fuera la más atractiva al acumular 200.2 MCUP más que la alternativa de goteo. En este caso la alternativa de riego por aspersión semiestacionario aunque obtuvo menos UNDI (95.8 MCUP/año) estuvo 5,23 años más obteniendo utilidades sin deudas lo que le permitió alcanzar al final de su Vu de 501.0 MCUP, lo que demuestra la importancia de disminuir durante el diseño y la negociación con los proveedores el costo de inversión inicial de estas tecnologías, además de incrementar las UNDI. El Enrollador no obstante obtener una relación B/C superior a uno (1,07), por su baja UNDI (39.9 MCUP/año) y altos costos de inversión inicial, mostró un tiempo de recuperación de 29,61 años, muy superior a los 25 años, que se plantean como límite de vida útil para los SFV (Lara, 2007Lara, Y. F. A. (2007). Diseño de un sistema de riego por medio de energía solar, a través de paneles FV [Trabajo de Diploma (para optar al Título de Ingeniero Mecánico)]. Universidad Austral de Chile.).