UNIVERSIDAD DEL BÍO-BÍO FACULTAD DE INGENIERÍA DEPTO. ING. MECÁNICA
“IMPLEMENTACIÓN
DE UN SISTEMA DERIEGO LOCALIZADO SUSTENTABLE, UTILIZANDO ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA”.
NOMBRE PROFESOR ASIGNATURA
: SEBASTIÁN AGUILLÓN NAVARRETE : REINALDO SÁNCHEZ ARRIAGADA :PROYECTO DE INGENIERÍA
Concepción, 07/07/2014
Índice.
TEMA Introducción Planteamiento del problema Objetivos generales y específicos Metodología de trabajo Emplazamiento Necesidad de riego y consumo de agua Resultados y ecuacionamiento ecuacionamiento Resumen Bomba centrifuga Panel solar Resumen equipos a instalar Costos asociados Análisis económico Conclusiones
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Introducción. En la actualidad, las crecientes necesidades de agua en actividades industriales y agr ícolas, además de las de consumo humano, hacen de este recurso un bien escaso, por lo que el manejo eficiente se vuelve importante. En chile, considerando solo los usos consuntivos del agua, la agricultura posee un 73% del total del recurso hídrico, sobrepasando al sector industrial y minería, que poseen un 12% y 9% respectivamente.(Fuente: Estrategia nacional de recursos hídricos 2012-2025, MOP). Considerando esto, el desafío de este proyecto está enfocado en el aumento de la eficiencia en el uso de este recurso en el sector agrícola, lo que se traduce en un aumento en la tecnificación del riego, dado que en promedio el riego tecnificado permite reducir el consumo de agua por hectárea en un 50%. En la agricultura, el sistema tecnificado de riego por goteo, es considerado uno de los más eficientes, ya que además de reducir los caudales necesarios en riego, permite incorporar agua filtrada y fertilizantes, lo que se traduce en una distribución homogénea de los componentes necesarios para el óptimo crecimiento radicular del cultivo. Complementando la idea, y generando un mayor impacto en la tendencia sustentable del proyecto, se vuelve necesario considerar las demandas energéticas de un sistema de riego tecnificado. En este caso, la demanda energética se manifiesta en el consumo eléctrico que genera el bombeo del agua para satisfacer la necesidad de riego. Como solución, se plantea la implementación de un sistema de generación eléctrica solar fotovoltaica. La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene mediante la transformación de la energía solar en energía eléctrica a través del efecto fotoeléctrico. El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones (corriente eléctrica) que se produce cuando la luz incide sobre ciertas superficies. Cuándo más intensa sea la luz solar, mayor será el flujo de electricidad, por lo mismo, es importante considerar la irradiación solar en la implementación de este sistema. En chile, la VIII región posee una irradiación solar promedio de 1500 [kWh/m2] anual, por lo que optar por una generación eléctrica de este tipo no se vuelve descabellado, considerando que el norte grande de nuestro país, poseen una irradiación promedio de 2500 [kWh/m2] anual. (Fuente:ECOFYSVALGESTA. Informe final de estudio: “Antecedentes para la Especificación de Requerimientos Técnicos para el Desarrollo de los Colectores” )
Planteamiento del problema. La utilización de un riego localizado, en este caso, riego por goteo, ofrece la aplicación de agua en una cantidad necesaria para la planta sin tener que humedecer todo el terreno haciéndolo un método altamente eficiente. En al área de la agronomía, se sabe que este sistema impacta fuertemente en la productividad del cultivo, entregando un producto de alta calidad ya que en la zona humedecida es posible entregar los nutrientes necesarios para el óptimo desarrollo de la planta. Considerando lo anteriormente expuesto, surge la necesidad de implementar un sistema de riego tecnificado y sustentable para el sector agrícola, que genere un impacto positivo en la productividad del cultivo y se aproveche de la mejor manera el uso delrecurso hídrico. Solución Implementación de un sistema de riego localizado sustentable, utilizando energía solar fotovoltaica. Objetivo general. Elaborar un estudio de factibilidad en la implementación de un sistema tecnificado de riego, con el uso de energías renovables no convencionales en la localidad de Mulchén, VIII región del Bio Bio, para una producción de aproximadamente 3000 [m2] de frutilla. Objetivos específicos. - Realizar una evaluación económica de la implementación de un sistema tecnificado de riego. - Realizar un estudio técnico para la implementación de un sistema de riego tecnificado sustentable, utilizando variables mecánicas e hidráulicas necesarias para el cálculo, apoyado por los requerimientos agronómicos básicos que se involucran en un sistema de riego, desde el punto de vista del cultivo y su entorno. Metodología de trabajo. - Obtener variables necesarias para el cálculo de implementación del sistema de riego. - Esquema del emplazamiento, identificando las ubicaciones del centro de consumo y abastecimiento. - Obtener el consumo de agua diario de acuerdo a los requerimientos de cada planta. - Considerando las pérdidas involucradas en el riego, obtener la altura manométrica total del circuito.
- Dimensionar el sistema y obtener el consumo eléctrico en [Wxh]. - Obtener variables necesarias para el cálculo de implementación del sistema solar fotovoltaico que satisfaga la demanda eléctrica del sistema de riego. - Realizar una estimación del costo asociado a la implementación y funcionamiento. - Obtener cifras económicas como el periodo de recuperación, VAN y la TIR, considerando los rendimientos de la plantación y la venta del producto en el mercado actual, para comprobar la rentabilidad del proyecto. Esquema básico del sistema de riego.
Emplazamiento. La siguiente imagen muestra el esquema del emplazamiento del sistema de riego, identificando cotas necesarias para el cálculo de la altura manométrica total del circuito. El suelo en donde se instalará el sistema de riego no presenta diferencia de cotas significativas, por lo que todos los puntos de análisis expuestos a continuación están a un nivel del referencia 0 [m].
Se identifican los puntos 1, 2, 3, 4 y 5 como puntos de interés para realizar el cálculo. Se toma el punto 4 como el último gotero de la línea más lejana al punto 1, que es el punto en donde descarga la bomba. Existe un punto 0, que se encuentra por debajo del punto 1, que corresponde al punto en donde se encuentra en el nivel de agua que contiene el pozo de succión. A través de datos obtenidos de los habitantes de sectores cercanos a la instalación, la profundidad promedio para encontrar un nivel de agua es de 5 [m], por lo que se considerará esta profundidad para el diseño del sistema de riego.
Necesidad de riego. Para calcular la cantidad de agua necesaria en el riego, se considerarán dos factores sumamente importantes, que son la evapotranspiración del suelo, en el periodo de crecimiento y cosecha de la planta, y la necesidad de agua por planta, además de un porcentaje de pérdidas por filtración del suelo. A continuación se muestra la distribución de goteros y plantas a lo largo de la línea de goteo.
Consumos de agua. - Superficie a humedecer por gota = 0.375 [m] x 0.3 [m]=0.1125 [m2] - Agua requerida por 1 planta de frutilla = 600 [mm] anuales 2 [mm] diario. - Evapotranspiración promedio en Mulchén = 5 [mm] diario. (Octubre-Marzo) - Porcentaje de filtración del suelo: 90% sobre la necesidad de riego de una planta. - Considerando el consumo de una planta por gota, más la evapotranspiración y porcentaje de filtración, nos entrega un consumo diario de 8.8 [mm] diarios.
- Volumen de agua necesario por gotero: 0.0088 [m] x 0.1125 [m2] = 0.00099 [m3/día] por gotero. - Tomando en cuenta 90 líneas de goteo, con 167 goteros cada una, nos entrega un consumo diario de 14.88 [m3/día] Proceso de cálculo. Para este caso, se utilizara una cinta de goteo marca SEOWON, modelo GOLDEN DRIP 8000, cuyo diámetro interior es de 19 [mm]. La siguiente tabla muestra la relación de presiones y caudales que entrega la cinta:
Para efectos de cálculo, se diseñara de acuerdo a una presión fija de 0,8 [bar], entregando un caudal promedio de 1 [lt/h] Considerando este caudal, y la presión mínima de trabajo se procede a realizar los cálculos de la altura manométrica total del circuito. El ecuacionamiento y resolución de éstas se realizará por medio del software EES, proporcionando rapidez y exactitud en los cálculos.
Resultados.
Ecuacionamiento.
Resumen. Realizado los cálculos necesarios obtenemos los siguientes datos. D01 50,8 [mm]
D12 50,8 [mm]
D23 63.5 [mm]
D26 63,5 [mm]
D34 63,5 [mm]
D45 19 [mm]
Caudal. Q: 15,03 [m3/h] Energía. Hb: 18,09 [m] Potencia. Nb: 740,3 [W] 0,99 [Hp] Con los datos obtenidos ya es posible seleccionar la bomba necesaria para satisfacer la demanda de riego. Utilizando el catálogo proporcionado por el fabricante se podrá obtener el consumo eléctrico, y dar paso al diseño de la instalación de generación eléctrica a través de paneles solares fotovoltaicos. El dimensionamiento del proyecto no involucra almacenamiento de agua ni de energía eléctrica ya que estas instalaciones requieren de una inversión mayor, por lo que se trabajará de manera continua de acuerdo a las capacidades de generación eléctrica y extracción de agua.
Selección de Bomba Centrifuga. Con los datos obtenidos por el software EES, estamos en condiciones de seleccionar la bomba adecuada para satisfacer la necesidad de riego. En este caso, se seleccionara una bomba centrifuga marca “Pedrollo”, modelo HFm 70C.
Las especificaciones técnicas se detallan claramente en la web del fabricante. (www.pedrollo.com) Considerando la bomba seleccionada, se procede a seleccionar la instalación solar fotovoltaica que satisfaga la necesidad de corriente eléctrica que demanda la bomba. En este caso, el consumo eléctrico es de 1100 [W], a 220 [V], por lo que se vuelve necesario considerar un inversor de tensión para generar las condiciones de operación, ya que los paneles solares entregan su carga en voltajes que van de 12 a 38 [V] en algunos casos. El estudio comenzó con la idea de ocupar una bomba que aceptara la tensión que entregan los paneles solares, sin la necesidad de considerar un inversor de tensión, pero de acuerdo a los valores entregados en el proceso de cálculo, se consideró la opción de ocupar una bomba convencional, y así la instalación del inversor se vuelve necesario, haciendo aún más versátil el sistema solar fotovoltaico. Para satisfacer la necesidad, se utilizaran 6 paneles solares de 250 [w], a 24 [V], marca “CSUN”; generando potencialmente 1500 [W], claramente en óptimas condiciones en cuanto a la orientación de los paneles con respecto al sol, y además, la irradiación presente en el terreno a utilizar. En función de la economía y presupuesto del proyecto, no se consideraran baterías y se trabajará de manera continua. En el periodo en que no se riegue el terreno, la energía generada se conectará a la red convencional, vendiéndose a precio del mercado. Aplicando esta medida no involucramos el costo de baterías, ni corremos el riesgo de dañar equipos eléctricos debido a
variaciones de la carga eléctrica. Además, al vender esta energía nos genera un ingreso extra que puede impactar en la rentabilidad del proyecto. Selección de panel solar. 6 paneles solares de 250 [W], 24v polycristalino marca “CSUN”, modelo CSUN 250-60P, entregando un potencial eléctrico de 1500 [W]. El fabricante proporciona información sobre el rendimiento de los paneles a diferentes intensidades de insolación, como se muestra a continuación.
Tal cual se detalla en la figura, el máximo rendimiento del panel se produce cuando la insolación solar llega a 1000 W/m2, y temperaturas promedio de 25°C. La siguiente tabla entrega los valores de la insolación solar promedio para la ubicación del terreno de riego, obtenidos de la página “ ATMOSPHERIC SCIENCE DATA CENTER”
Como se puede apreciar, los registros solares son superiores a lo especificado por el fabricante del panel solar fotovoltaico, lo cual no nos proporciona inconvenientes al momento de generar la energía eléctrica. Resumen. Concluyendo, se tienen los siguientes equipos: -
Bomba centrifuga “PEDROLLO, modelo HFm 70c”
-
Panel solar 250w 24v polycristalino marca “CSUN” (Cantidad=6)
-
Inversor de carga “VICTRON PHOENIX 1.600W 24V ONDA PURA”
Costos Asociados. ELEMENTO PANEL SOLAR CSUN BOMBA CENTRIFUGA INVERSOR DE CARGA REGULADOR DE PRESION CINTA DE GOTEO (1000 [m]) CAÑERIA PRINCIPAL CAÑERIA SECUNDARIA FILTRO DE MALLA VALVULAS DE REGULACION EN CINTA DE GOTEO CONECTORES CINTA DE GOTEO PLANTAS DE FRUTILLA
COSTO UNITARIO $ 199.000 $ 336.516 $ 565.000 $ 47.844 $ 43.000 $ 4.970 $ 5.209 $ 19.390 $ 280
CANTIDAD 6 1 1 1 5 7 10 1 90
COSTO TOTAL $ 1.194.000 $ 336.516 $ 565.000 $ 47.844 $ 215.000 $ 34.790 $ 52.090 $19.390 $25.560
$50 $ 58
90 15000 TOTAL
$4.500 $ 870.000 $ 3.364.690
El costo del fitting hidráulico no se considerará en el análisis ya que es poco relevante en el precio global de instalación del sistema de riego, además, en bodega se dispone de gran cantidad de elemente utilizables en la instalación, sobrantes de un proyecto anterior.
Análisis económico. Para evaluar económicamente el proyecto se considerarán dos casos. - Método convencional utilizando energía eléctrica de la red y agua potable. - Método no convencional utilizando energía eléctrica solar fotovoltaica y agua de pozo. El horizonte de evaluación a utilizar será la vida útil de una planta de frutilla, que es de dos años, luego se debe realizar una reinversión en plantas. Costos generales asociados se detallan a continuación. PRECIO DEL KWh PRECIO DEL m3 DE AGUA PRECIO DE VENTA DE FRUTILLA (Kg)
$ 95 $ 408 $ 500
Para nuestro análisis, se considerará que el precio de venta de energía eléctrica al SIC es el mismo que pagamos por el uso de la misma. Una planta de frutilla posee un rendimiento de 0.8 [kg] por planta en la primera cosecha realizada en diciembre, luego, esta misma planta produce alrededor de 0.3 [kg] en el mes de abril, para luego volver a producir frutillas en el mes de diciembre. Todas estas cifras proporcionadas por la experiencia en terreno de agricultores. - Costos e ingresos asociados a operación. Los costos de operación aparecen al momento de considerar el método convencional, ya que se ocupara energía de la red eléctrica y agua potable de uso residencial. Estos costos, se detallan de manera mensual a continuación. Se debe aclarar que el uso de la bomba es de 59.4 minutos, por lo que se aproximará a 1 hora diaria. ITEM Energía eléctrica Agua potable
CONSUMO 1.1 [kW/día] 15 [m3/día]
PRECIO DEL MERCADO 95 [$/kW] 408 [$/m3]
COSTO TOTAL MENSUAL $ 3.135 $ 183.600
Al utilizar el método no convencional, obtenemos ingresos extras ya que la bomba solo trabaja 1 hora diaria, teniendo como potencial generador eléctrico las horas restantes de luz solar. Siendo bien conservador en los cálculos, se considerará para los meses de Noviembre a Abril 6 horas de luz efectiva, y para los meses restantes solo 3, además de tener en cuenta que nuestro potencial instalado es de 1500 [W], lo cual nos arroja las siguientes cifras. PERIODO
NOVIEMBRE-ABRIL MAYO – OCTUBRE
HORAS EFECTIVAS GENERACION DE LUZ SOLAR ELECTRICA MENSUAL 6 270 kW 3 135 kW
PRECIO DE INGRESOS VENTA AL SIC MENSUALES 95 [$/kW] 95 [$/kW]
$ 25.650 $ 12.825
Considerando todas las variables anteriormente mencionadas es posible realizar un simple análisis económico. Cabe mencionar que en este análisis quedaron fuera algunas variables, como por ejemplo los impuestos a las ventas, precio de mano de obra y posibles variaciones en los precios del mercado.
Detallando un poco la inversión, para el primer caso, la inversión contempla el detalle de los costos asociados a la instalación, menos los valores de paneles solares e inversor de carga. Como se logra apreciar, con la instalación de un riego localizado sustentable se obtienen cifras un poco superiores a las de un método convencional, y viéndolas desde un punto de vista global, el proyecto no resulta llamativo económicamente ya que las ganancias obtenidas no son significativas, considerando un periodo de evaluación de 2 años, con una tasa de descuento del 10%. Este análisis nos lleva a concluir que para obtener ganancias aún más significativas debemos ampliar la envergadura del proyecto, tal cual como productores con experiencia aconsejan. Para que un proyecto de cultivo de frutillas resulte significativamente rentable, se debe cosechar una zona de alrededor de no menos 2 hectáreas.
Conclusiones. El uso eficiente del recurso hídrico se vuelve importante hoy en día dada la expansión territorial de las zonas urbanas, aumentando cada vez más el consumo de agua potable, además, las crecientes tendencias de los empresarios en utilizar los suelos en el cultivo de bosques, conlleva a que las napas subterráneas disminuyan sus caudales, provocando sequías devastadoras y acidificando suelos, lo que no permiten el libre desarrollo de la agricultura. El desafío está puesto en desarrollar tecnologías, o más bien, utilizar las que tenemos al alcance para lograr que el desarrollo humano sea sustentable. Apoyando esta línea, el potencial solar para la generación de energía, ya sea eléctrica o térmica es inagotable, lo que hace muy llamativo el uso de tecnologías para el aprovechamiento de este potencial. Llevando este análisis a lo específico, el uso de energías renovables en la agricultura es una tendencia que se está marcando con el pasar de los años, ahora, si esta tendencia la mezclamos con el uso eficiente del recurso hídrico, hace que nuestro actuar como humanos sea más amigable con el ecosistema. La propuesta que debemos realizar como ingenieros es optimizar el uso de recursos, con tecnologías que sean accesibles no solo para la gran industria. El proyecto presentado anteriormente realiza un estudio de factibilidad en la instalación de un sistema de riego localizado sustentable, utilizando energía solar fotovoltaica. Luego de toda una investigación técnica y análisis económico podemos obtener cifras que nos permiten definir si un proyecto de tales características es rentable o no. Como se muestra en tablas anteriores, se obtienen valores económicos positivos, si bien, no son cifras significativamente poderosas, no debemos dejar de lado que el eje de este proyecto es realizar una instalación sustentable, con un manejo de tipo orgánico sin perjudicar la calidad del suelo ni de las napas subterráneas con fertilizantes y pesticidas químicos. Si vamos aún más a fondo, el objetivo de una empresa es la creación de riquezas como fuente generadora de recursos a largo plazo, no a corto plazo, por lo que nuestro proyecto, desde este punto de vista, es totalmente viable y rentable.
