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Riego

22 de febrero de 2017

Cosecha de energía fotovoltaica para uso en riego

La energía solar fotovoltaica va ganando terreno en la agricultura chilena, particularmente en el bombeo de agua de riego a los huertos. Algunos privados la están implementando, e incluso organismos del Estado como Indap y CNR la han promovido. ¿Sus ventajas? Sistemas cada vez más económicos y fáciles de instalar, independencia energética y, por lo general, un gran ahorro que permite mejorar la competitividad de los predios.

>>Por Jorge Velasco Cruz

Aunque totaliza sólo 100 megawatts instalados (2,8% de las energías renovables) por lo general proyectos orientados principalmente a abastecer la red eléctrica, la energía solar fotovoltaica para el uso rural y agrícola ya es una realidad en Chile.

Sus beneficios son diversos, especialmente en lugares aislados, ya que permite ahorrar en el consumo eléctrico (una vez instalado y amortizado el panel fotovoltaico, la energía que se obtiene es gratuita), independizarse de la red de suministro, y además facilita el acceso al agua en zonas donde ésta es difícil de obtener. “En los proyectos de pequeña escala, de menos de 100 kilowatts, presenta ventajas como la rapidez de instalación y una curva de rendimiento parejo durante el día, lo que permite hacer un buen manejo de la electricidad”, dice Pablo Tello, gestor de proyectos del Centro de Energías Renovables (CER), entidad perteneciente al Ministerio de Energía, la que aporta conocimiento técnico y realiza transferencia a diversas instituciones del Estado en esta materia.

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Gracias a las bondades de la energía fotovoltaica, diversas instituciones gubernamentales han estado impulsando el uso de esta tecnología para la agricultura y, específicamente, para el bombeo con fines en riego. La Comisión Nacional de Riego (CNR), desde 2009 ha incorporado concursos que apuntan a generar energías renovables no convencionales (ERNC), incluida la solar. En 2013 se llevaron a cabo dos concursos destinados a ERNC, por $ 750 millones cada uno (en 2012 se efectuó sólo uno por un monto total similar a la sumatoria de ambos), y este año se hizo otro por otros $ 750 millones en el primer semestre. De los resultados del ERNC I de 2013, al cual postularon 32 proyectos de energías renovables, hubo diez bonificados que se relacionaron con energía solar para riego, lo que muestra que esta tecnología es una alternativa contemplada por los productores agrícolas.

En 2012, Indap optó por promover el uso de sistemas de bombeo fotovoltaico en la pequeña agricultura, a través del Programa Nacional de Bombeo Fotovoltaico. En total, se colocaron 4.553 paneles equivalentes a una potencia instalada de 743.000 watts y que beneficiaron a casi 1.400 agricultores. “La energía eléctrica para nuestros usuarios es cara y eso hace que una parte significativa de sus ingresos se vaya en pagar la energía que necesitan para sus cultivos”, explicaba cuando se lanzó el programa Sergio Carvallo, entonces jefe del departamento de riego de Indap. 

Hoy los precios de la energía provistos por el Sistema Interconectado Central (SIC) y el Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) son aproximadamente el doble que hace una década. En el intertanto, el costo de los paneles fotovoltaicos ha ido bajando. Hace un año el costo de instalación alcanzaba a $2.000 por watt y hoy llega a $500, aproximadamente. Sus valores se han reducido en 60% a nivel global. La energía solar es más accesible que nunca. 

“Hay más competencia y procesos más eficientes de fabricación”, señala Erick Cartes coordinador Lorentz Chile de la empresa iEnergía. Con ello, los retornos de inversión han llegado incluso a los seis años, pero hace dos o tres ésta no se pagaba en menos de doce años. Junto con ello, los equipos duran más: hoy los fabricantes de paneles garantizan un 80 % de eficiencia hasta los 25 años de uso. Las bombas, en tanto, deben ser reemplazadas cada una década.

INDAP INCORPORA LA ENERGÍA SOLAR A LA PEQUEÑA AGRICULTURA

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Indap realizó dos licitaciones. Una se hizo en 2012 a nivel nacional desde Arica hasta Porvenir, en Tierra del Fuego. Fue adjudicada a la empresa iEnergía, que instaló 374 sistemas. La segunda se llevó a cabo en 2013 y contó con dos adjudicaciones. La primera estuvo a cargo de iEnergía, que realizó un trabajo desde Rancagua hasta Tierra del Fuego para instalar 490 equipos. La otra mitad fue entregada a la compañía Solar del Valle, que hizo lo propio en la zona norte. Hoy están todos los sistemas funcionando.

“Estamos sacando agua gratis”, decía Manuel Tapia, representante de la Sociedad Agrícola Rincón Limitada hace dos años. En 2012, la empresa había implementado 90 paneles solares que generan 15 kilowatts/hora para hacer funcionar una bomba de 20 hp. Fueron instalados en la localidad de Caimanes, comuna de Los Vilos. Gracias a ellos, la agrícola pudo regar a bajo costo doce hectáreas de nogales. Por la sequía, había bajado su producción de nueces desde un peak de 26 a un piso de 17 toneladas. Con los paneles ahorraría cerca de siete millones de pesos al año por lo que la sociedad volvería a ser competitiva. 

El sistema implementado por Indap, que a esta altura es lo más difundido en el país, consiste en paneles solares que alimentan directamente bombas que van sumergidas, y que reciben la corriente generada en forma variable por el panel solar. Las bombas extraen agua de pozos y la elevan a un estanque, desde el cual –gracias a la presión generada por la diferencia de altura- se alimentan los equipos de riego.

TIPOS DE PANELES Y SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Los paneles, por lo general, son hechos de silicio, un elemento conductor. Pueden ser mono y policristalinos. Los primeros son 2% a 3% más eficientes (15% a 19% de eficiencia frente a 13 a 15%).  Los monocristalinos ocupan un área de 6 a 8 metros cuadrados por kw, mientras que los policristalinos usan de 7 a 9 m2 por kilowatt. La utilización de uno u otro tipo de panel depende de la estructura de soporte y el tipo de cableado. Cuando el sistema se emplaza sobre estructuras fijas, para realizar un mejor cableado y aumentar el voltaje, los expertos prefieren trabajar con policristalinos. En cambio, cuando se emplean ‘seguidores de sol’ por lo que se quiere disminuir la cantidad de paneles en serie, se usan los monocristalinos.

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Los equipos están compuestos principalmente de uno o más paneles fotovoltaicos de 230 watts, una bomba de acero inoxidable, un tubo por el cual sale el agua de los pozos, un rack o soporte en aluminio Ironridge –estructura de origen norteamericano, testeada para resistir hasta 150 km/h de viento-, instalado sobre una estructura de acero fijada al suelo, y sensor de protección en seco (si se seca la fuente de agua, la bomba se detiene). A ellos se puede sumar el tracker, un robot que permite que los paneles puedan seguir el sol.

El seguidor solar se justifica sólo en algunos casos. Éste sigue el movimiento del sol desde la mañana, hasta volver a su eje en la noche. Los paneles fijos, en tanto, siempre miran hacia el norte. El sol les da unas tres o cuatro horas en forma perpendicular. En cambio, en el móvil hay cerca de diez horas con el mismo caudal uniforme. “Desde el punto de vista económico, cuando se toma el agua desde una fuente y se levanta hacia la altura para acumularla, lo que importa es cumplir con cierto número de metros cúbicos al día. Por otra parte, cuando se tiene la bomba y se conecta al cabezal de riego, se necesita cierta cantidad de horas con el mismo caudal durante una determinada cantidad de tiempo. Entonces, con paneles fijos se logra el caudal requerido durante sólo tres horas, pero con movibles se puede utilizar más tiempo”, explica Erick Cartes. Utilizar uno u otro, en definitiva, depende de las horas de riego necesarias y si se puede acumular agua con energía potencial. En ocasiones, se puede utilizar la combinación de ambos sistemas.

Los sistemas instalados por iEnergía para Indap además tienen un control con conectores Plug & Play de posición única, que permite el encendido o apagado (en el invierno, por ejemplo, cuando es época de lluvias), camisas de refrigeración y el estanque, en caso de ser necesario. Indap definió tres tipos de equipos o kits. El kit 1 es de un panel, el kit 2 es de tres paneles y el kit 3 está conformado por seis paneles.

El primero proporciona un caudal de entre 9,5 y 14 m3/día, con una presión de entre 40 y 10 metros por columna de agua, lo que se traduce en una capacidad para bombear 3 mil litros diarios a una altura de 40 metros. El segundo entrega entre 16 y 32 metros cúbicos al día, con una presión entre 50 y 30 metros columna de agua de presión. Y el tercero da entre 27 y 40 metros cúbicos diarios, con una presión entre 50 y 35 metros por columna de agua, con el potencial de bombear 30 mil litros diarios a 40 metros. Considerando que una hectárea de un cultivo en la zona central consume 7 mil litros de agua al día, los equipos pueden regar desde 0,5 a 4 ha, aproximadamente.

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“Son sistemas para soluciones puntuales orientadas a pequeños usuarios de Indap. Pero también tenemos la escala de pequeños y medianos productores”, señala Erick Cartes. Así es como, por ejemplo, iEnergía diseñó e instaló uno de los proyectos más grandes de América del Sur en Isla Huapi. 

El costo de las iniciativas depende de las características propias de cada una. Puede haber distintos tipos de motores, bombas, cabezales y variantes de potencia, caudal, tipo de terreno, horas de bombeo al día y carga manométrica total (medida en metros por columna de agua). Sin embargo, como referencia, se han realizado proyectos por $47 millones para 1.315 m3/día (36 l/s) y 42 metros de columna de agua.

El proceso para realizar el primer diseño de prefactibilidad en una empresa como iEnergía, puede demorar 48 horas y otros siete días para tener la ingeniería de detalle y la factibilidad económica. Desde que ingresa la orden de compra, se puede tener el proyecto instalado en otros quince días.

OPTIMIZACIÓN DE LOS SISTEMAS DE ENERGÍA SOLAR PARA RIEGO

Las iniciativas para aplicar la energía solar fotovoltaica a la agricultura no sólo son públicas. La Fundación para el Desarrollo Frutícola (FDF), también está interesada en fomentar esta tecnología entre los productores. Por eso presentó el proyecto “Tecnologías innovadoras para mejorar la eficiencia energética y uso de energías renovables no convencionales en el sector fruta fresca en Chile”. Financiado por el Fondo Multilateral de Inversiones del Grupo BID, tendrá un costo total de algo más de un millón de dólares y está siendo ejecutado entre los años 2013 y 2015.

“Lo que sucede con la energía fotovoltaica aplicada a riego en Chile, es que no hay capacidad instalada, los sistemas son demasiado caros y los modelos energéticos aplicados a riego son obsoletos en comparación a los sistemas modernos”, dice Gerardo Arancibia, jefe del proyecto.

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El problema, enfatiza, no está en las tecnologías utilizadas, sino en su aplicación. El 96 % del territorio, señala, está conectado a la red eléctrica local. Sin embargo, los sistemas fotovoltaicos que se están instalando para riego, se han puesto en forma aislada, sin conexión a la red. “Lo más lógico es que estuvieran conectados a la red del usuario”, afirma. En el caso de los productores de uva de mesa, sólo en noviembre y diciembre se riega todos los días. El problema es qué sucede el resto del tiempo con la energía generada por los paneles.

“Si el sistema fotovoltaico alimenta la red eléctrica interna de la casa de un agricultor, éste siempre estará tomando electricidad fotovoltaica. Lo que no se ocupa en el riego, lo usa en su hogar”, explica Arancibia. Cuando los inversores no perciben que están captando energía de los paneles, la toman automáticamente de la red tradicional. El concepto de esta integración es el de Smart Grid, que siempre prioriza el uso de energía fotovoltaica. Por su parte, un sistema fotovoltaico aislado cuesta unos $4,5 millones para regar una hectárea, ya que incluye equipos especialmente diseñados. Sin embargo, uno que está integrado a la red, solamente está compuesto por los paneles y por el inversor que cambia la corriente de 24 volts a 220 volts; con éste, el agricultor no precisa de una bomba especial.

Para validar esta idea, la FDF ha establecido cuatro proyectos piloto: dos productores de uva de mesa en la Región de Atacama, y otros productores de frutilla en Chanco y Pelluhue. Corresponden a sistemas instalados por Indap en su Programa Nacional de Bombeo Fotovoltaico, y fueron mejorados por la actual iniciativa de FDF. En el caso de los dos primeros, ambos riegan el mismo terreno (0,7  ha), pero uno es ‘on grid’ y el otro, ‘off grid’ (ver recuadro). La idea es comparar el costo de instalación y el ahorro general del consumo entre ambos. De esta forma, el sistema off grid se amortiza en diez años, mientras que el on grid lo hace en siete o menos.

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“Nosotros partimos de la base de que antes de instalar los paneles, se deben cumplir prerrequisitos de eficiencia energética para bajar el consumo energético del riego. Después, esa energía se puede abastecer con paneles. Entre los problemas, por lo general,  es que hay bombas de riego convencional  sobredimensionadas. Se compran equipos grandes que malgastan la energía. Además, no se limpian los filtros cuando corresponde, por lo que los sistemas funcionan sobrepresionados. Y, a su vez, las cañerías son más pequeñas de lo adecuado, por lo que generan más presión y consumen más energía”, explica Gerardo Arancibia.

Sobre la base de estas deficiencias, el proyecto ha buscado implementar mejoras en los sistemas de riego fotovoltaico. Para ello, además de los arreglos, FDF ha desarrollado cursos de capacitación en formato ‘blended learning’ –internet y terreno- que ayudan a los usuarios a cuidar mejor los sistemas de riego y cómo se instalan los paneles fotovoltaicos. En esta misma línea, se están adecuando cursos para integrar a la malla curricular de colegios técnicos agrícolas y eléctricos, además del desarrollo de cuatro o cinco unidades didácticas. 

Con todas estas iniciativas, lo que se busca es que los agricultores le den a la energía fotovoltaica un lugar preponderante entre sus fuentes de energía y que más que un salvavidas sea parte importante de la solución. El potencial en la mayor parte del territorio agrícola chileno está, pero lo primero es optimizar el sistema de riego tradicional que ya está instalado.

————————————-  IENERGÍA  ————————————-

iEnergía es una empresa formada el año 2008, por un grupo de personas con amplia experiencia en soluciones energéticas y con el objetivo de desarrollar una compañía enfocada en entregar soluciones a las crecientes demandas energéticas y exigencias medioambientales. “Nuestro propósito es entregar soluciones inteligentes enfocadas en los procesos, dentro de un marco de eficiencia energética”, dice Erick Cartes, coordinador Lorentz Chile de la empresa.

La compañía tiene tres áreas de negocio: generación de energía, bombeo de agua e iluminación eficiente. Cuenta con más de 1.200 instalaciones de sistemas de bombeo fotovoltaico funcionando en el país y otras 200 iniciativas de generación. En total, suma más de 2 megawatts en paneles importados para diversos usos.

iEnergía es distribuidora, entre otros productos, de bombas solares LORENTZ, empresa fundada en Alemania en 1993 que provee de bombas de superficie y sumergibles. Hoy existen sobre 75.000 bombas solares LORENTZ instaladas en más de 120 países. iEnergía, además, distribuye inversores Solarmax y Vigtron, que invierten la energía continua que viene de un panel solar, para transformarla en corriente alterna e utilizarla en el hogar o en los sistemas productivos.

————  ENERGÍA SOLAR PARA AUTOCONSUMO VS. PARA RIEGO ————

• Ventajas Riego en Autoconsumo: 

-Diseñado bajo criterios de eficiencia energética.

-Ahorro 100% en el gasto energía riego anual.

-Cuesta la mitad que un riego solar aislado.

-Ahorro 70-80% en gasto de energía domiciliaria anual.

-Se amortiza en 1/7 del tiempo que un riego solar aislado.

-No requiere modificar sistema ni gestión de riego convencional.

-No requiere pago por energía inyectada a la red eléctrica local.

-Fomenta el desarrollo local de manera equitativa y sustentable.

• Ventajas Riego Aislado:

-Ahorro 100% en gasto de energía de riego anual

-Fomenta el desarrollo local de manera equitativa y sustentable.

—————————— TECNOLOGÍA LORENTZ ——————————

La tecnología Lorentz está diseñada con paneles, un controlador y la bomba, que puede ir desde medio litro por segundo. A ellos se suma el tracker, un robot en el cual se montan los paneles y que siguen el sol. “Se puede entregar una solución para una casa con seis habitantes, un invernadero y una chacra, o para mil hectáreas de riego”, apunta Erick Cartes. “Son bombas y seguidores que no requieren de mantenimiento ni operarios. Los enciendes y te olvidas por diez años”, agrega.

—————————— GRANDES PROYECTOS ——————————

Isla Huapi se encuentra al medio del Lago Ranco. iEnergía instaló dos sistemas, uno al norte y otro al sur, compuestos por diferentes bombas para enviar agua desde el lago a un acumulador, con el fin de regar por gravedad. El proyecto nació producto de la unión de tres Programas de Riego Asociativo. Cada uno tenía un tope de $47 millones financiado por Indap, cifra que representa el 90 % del cofinanciamiento.

Impulsión Sur 

Primera impulsión

Arreglo: 240 x 230 wp

Potencia Instalada: 55,2 kw

Bombas LORENTZ: 2 bombas psk25 4212

Caudal: 804 m3/día

Segunda impulsión 

Arreglo: 120 x 250 wp

Potencia Instalada: 30 kw

Bombas LORENTZ: 2 bombas psk15 3012

Caudal: 450 m3/día

Impulsión Norte 

Arreglo: 120 x 250Wp

Potencia Instalada: 30 kw

Bombas LORENTZ: 2 bombas psk21 3016

Caudal: 500 m3/día

Inversión: $ 281.396.112

Fundo Ucuquer

Proyecto ubicado en la Región de O’Higgins. Son 410 kw de potencia que pasan por 24 inversores Solarmax de origen suizo, cada uno de 15 kw, para convertir la corriente continua en alterna.  Ésta es enviada a un generador trifásico de 380 volts, conducida en media tensión en 13,2 volts, y bajada en 380 volts para alimentar motores de bomba que toman el agua del río Rapel.

Potencia Instalada: 410 kWw

Arreglo Fotovoltaico: 1440 x 250 watts

Inversores: Solarmax 24 x 15 kw

Inversión: $ 411.000.000

—– ENERGÍA SOLAR PARA OTROS USOS AGRÍCOLAS: DESALINIZACIÓN POR ELECTRODIÁLISIS —–

La energía solar fotovoltaica no sólo puede ser utilizada para el bombeo de agua. “Los paneles siempre van a generar energía y ésta puede tener diferentes tipos de trayectoria. Se la puede llevar a un motor para iluminar un packing, por ejemplo”, dice Erick Cartes, de iEnergía.

La Universidad Católica del Norte, por ejemplo, realizó apoyada por FIA un proyecto de desalinización y limpieza de aguas salobres. La idea fue la de establecer un piloto alimentado por energía solar en Quillagua (Provincia de Tocopilla, Región de Antofagasta), donde se desarrolla agricultura a pequeña escala de alfalfa y maíz, con aguas provenientes del río Loa, muy salinas y con altos índices de arsénico y boro.

Para ello se utilizó la técnica de electrodiálisis, que plantea una alternativa al sistema tradicional de osmosis inversa (OR), que consiste en filtrar agua salada que pasa a presión a través de un filtro de nanopartículas.

La electrodiálisis (ED), en cambio, lo que hace es filtrar el agua con el uso de corrientes eléctricas, que extraen los iones disueltos en el agua con carga eléctrica. Ambos sistemas requieren de un adecuado pre-tratamiento o eliminación temprana de los sólidos suspendidos presentes en el agua. La ED funciona mejor con aguas salobres con sólidos disueltos totales (TDS) inferiores a 3.000 ppm para pequeña escala, ya que el requerimiento de energía es bajo y es factible de usar energía solar fotovoltaica. Para concentraciones similares a la del agua de mar (TDS 25.000 ppm), en cambio, la ED puede llegar a tener costos de energía superiores a la OR.

“La ventaja de la ED es que permite definir la calidad del agua que se requiere; se aplica tanta corriente según los requerimientos del riego. En la osmosis inversa, en cambio, la única calidad es la de agua muy pura”, dice Maurice Streit, ejecutivo de innovación de FIA.

El proceso, explica Javier Quispe, profesor de ingeniería química de la Universidad Católica del Norte (UCN), utiliza un campo eléctrico para eliminar los iones (sólidos disueltos totales) de sal del agua salobre que pasa a través de membranas de intercambio de cationes y aniones. Los cationes migran del agua salobre hacia el electrodo negativo, a través de las membranas de intercambio catiónico, que sólo permite pasar cationes. Por otro lado, los aniones migran hacia el ánodo a través de las membranas de intercambio aniónico. En un proceso convencional de ED, un gran número membranas de intercambio catiónico y aniónico se alternan en un rack, separados por separadores de flujo, que son láminas de plástico que permiten el paso de agua diluida o concentrada, según corresponda, en una configuración en paralelo.

 “La electrodiálisis, a diferencia de otras tecnologías, no requiere altas presiones, por lo que su requerimiento de energía es proporcional a la calidad de agua requerida. En tal sentido, es factible de usar la energía solar fotovoltaica como fuente de suministro eléctrico para desalinizar aguas salobres. Esto resulta útil en áreas remotas con nulo o limitado acceso al suministro eléctrico”, comenta Javier Quispe, quien estuvo a cargo de este proyecto desarrollado a partir de 2010.

La idea consistió en analizar si se podía obtener agua con calidad de riego a un costo económico. “Se llegó a la conclusión de que se puede producir agua con calidad de riego, que se puede manejar el agua que se quiere obtener ajustándola al tipo de cultivo, y que en Quillagua era rentable, porque allá se debe llevar el agua en camiones aljibes o es de mala calidad y no hay conexión a la red”, explica el ejecutivo de FIA. La rentabilidad de este sistema a gran escala dependerá de la resistencia del cultivo a la alta salinidad y de su retorno en el mercado. Pero se pudo determinar que el consumo de energía para producir agua con calidad de agua potable a través de ED, varía de 1,5 a 5 kwh/m3 de agua tratada.

—————————— ON GRID Y OFF GRID ——————————

En bombeo solar existen dos soluciones, la ‘off grid’ y la ‘on grid’. La primera no tiene fuente energética de respaldo como la red eléctrica convencional o el uso de combustibles fósiles, mientras que la segunda sí. A su vez, también se le llama off grid a aquel sistema que no puede inyectar energía a la red, mientras que para la on grid es posible. Por ejemplo, con el on grid, un agricultor puede abastecer el riego y la electricidad de su casa.

La solución off grid está compuesta por panel, controlador y bomba. La on grid, en tanto, está formada por panel solar, controlador y power pad. Éste último permite hacer una interfaz para conectar la bomba a la red o a un grupo generador. Si se necesita tener un riego de veinte horas o más, se pueden extraer diez de los paneles movibles y el resto de la red de respaldo. La conexión off-grid, en cambio, promueve el uso de paneles que captan más energía y por un tiempo más prolongado.

Por otra parte, el uso de baterías (de ciclo profundo) para acumular energía hoy es casi inexistente en Chile. Son caras y tienen una vida útil de apenas cuatro o cinco años. “Almacenar agua en altura es más barato que guardar agua en baterías”, dice Pablo Tello, del CNR.

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