Bombeo solar, una solución sostenible y rentable para instalaciones agrícolas

Parece que el concepto que la gran mayoría de nosotros tenemos sobre la energía fotovoltaica, es la de instalar placas en los tejados para producir electricidad que reduzca notablemente la factura de nuestros hogares o industrias, o bien, la de las grandes plantas que vemos por las carreteras que venden energía directamente a la red eléctrica.

Es cierto que esta es la aplicación mayoritaria de esta tecnología, sin embargo, existen otras aplicaciones muy rentables y con periodos de retorno de la inversión mucho más cortos que en las aplicaciones anteriores.

Una de estas aplicaciones es la de emplear la energía solar para el bombeo de agua, bien sea para riego, transporte o abastecimiento para consumo. De este tema es del que se va a hablar en este texto con un carácter técnico, pero simplificado.

Para entender bien cómo funciona este sistema entender sus beneficios, tenemos que compararlo con un sistema más tradicional; por ejemplo, el sistema de bombeo de una finca remota, con una bomba alimentada mediante un grupo electrógeno (gasolina, diésel o gas) y un deposito que almacena cierta cantidad de agua.

En este sistema, el propietario arrancará su grupo para alimentar la bomba y extraer la cantidad de agua necesaria. Se entiende inicialmente que el dimensionamiento de la bomba se ha realizado correctamente en función de las necesidades de agua. En caso del tamaño de grupo, en la gran mayoría de los casos, éste, se habrá sobredimensionado con respecto a la potencia de la bomba para suplir las corrientes de arranque de la misma. La realidad es que, técnicamente, este sistema es muy sencillo y muy flexible. El grupo arranca, sale agua. El esquema de una instalación fotovoltaica para el mismo fin sería:

MODULOS FOTOVOLTAICOS – CONVERTIDOR – BOMBA

Aparentemente muy similar al de cualquier instalación FV, exceptuando la bomba que es el elemento al que se abastece de energía. En la realidad, en esta aplicación, el elemento que más importancia cobra es el convertidor de energía.

Si observamos la placa de características de la bomba encontraremos los parámetros nominales de la misma como son la potencia nominal, el régimen de giro y otros relacionados directamente con el bombeo como son el caudal o la altura máxima de bombeo.

Parece evidente pensar que para mover la bomba será necesaria una instalación de módulos fotovoltaicos capaces de dar, al menos, la potencia nominal de la bomba. Sin embargo, continuando con el diseño, es sabido que según las condiciones climatológicas y por supuesto la hora del día, nuestro campo dará más o menos potencia. Entonces, durante cuántas horas al año producirá nuestro campo la potencia necesaria para mover la bomba.
La conclusión, por supuesto, es la de sobredimensionar mucho nuestro campo para tener el mayor número de horas a potencia nominal de la bomba. Claro, nos sobra muchísima energía, ya se empieza a poner en duda la rentabilidad del sistema…

En este punto es donde entra la ingeniería

Si arañamos un poco en el funcionamiento de las bombas sabemos que, si “enchufamos” la bomba, ésta girará a unas revoluciones determinadas en función de la frecuencia de la red (50 Hz en España), el número de pares de polos de la misma y otros parámetros constructivos que marcarán el deslizamiento de la misma. Sin entrar en detalles a esta velocidad de giro la bomba demandará una potencia determinada (nominal) extrayendo en función de la altura de bombeo un caudal determinado.

En caso de no disponer de esta potencia, como ocurrirá en las primeras u últimas horas del día, la bomba no arrancará.
Sin embargo, la clave es saber que esto es así cuando la bomba gira a sus revoluciones nominales, pero que estos parámetros cambian cuando alteramos las revoluciones; matemáticamente:

Se puede observar como al variar la velocidad (n), el caudal (Q) varía linealmente con ella. Sin embargo, la potencia no, ésta lo hace con el cubo de la velocidad. Simplificadamente significa que, reduciendo la velocidad de la bomba, el caudal de agua a extraer disminuirá también pero que la potencia necesaria para extraerlo será mucho menor que en el estado anterior.

Es aquí donde entra el convertidor de la instalación fotovoltaica. Además de transformar la corriente continua del campo fotovoltaico en corriente alterna apta para la bomba, es el encargado de “leer” la potencia disponible en los módulos solares. De esta forma modificará la velocidad de giro de la bomba para que la potencia que demande coincida con la disponible en el campo.

De esta forma se aprovechará la mayor parte de la curva de producción que se da debido al cambio de radiación solar a lo largo del día y maximizar la extracción de agua.

No obstante, es cierto que la extracción estará condicionada durante las horas de sol lo que, en comparación con el caso del grupo electrógeno, resta al sistema flexibilidad impidiendo la extracción durante la horas nocturnas. Desde luego esto sería así si nos centramos únicamente en el sistema de extracción. Nos estamos olvidando del último elemento del sistema: el depósito.

La función del depósito en una aplicación de bombeo es equivalente a una batería en una aplicación eléctrica. ¿Por qué se van a instalar batería para extraer agua durante la noche si puedo extraerla durante el día y almacenarla en el depósito? ¿Por qué voy a emplear un generador que me permita extraer agua durante la noche si ya tenía un depósito instalado? ¿Cuál es la diferencia entre un sistema de bombeo solar y uno con grupo electrógeno en cuestión de costes? ¿Cuándo interesa uno u otro? Bueno, solo el coste ambiental que diferencia ambas tecnologías es una razón de peso en la elección del sistema pero, yendo exclusivamente al tema económico, vamos a dejar este punto a un lado.

Los costes económicos de ambas tecnologías son por naturaleza opuestos

La inversión inicial a la hora de comprar un grupo electrógeno es relativamente pequeña. No es así en el caso de la instalación solar, en la que el coste de los equipos es el gasto fundamental de la misma.

Por otro lado la instalación solar, una vez instalada, funciona de forma autónoma prácticamente sin mantenimiento y sin costes variables asociados a la misma. El coste fuerte del grupo diésel, sin embargo, es el gasto en combustibles que conlleva. Siendo opuestos sus costes, el parámetro clave para saber qué sistema compensa o si merece la pena sustituir uno por otro, son las horas de bombeo.

El sistema solar va a extraer (o tiene la capacidad de extraer) agua durante todas las horas de sol del año siendo la inversión inicial la misma haga o no haga falta la extracción. El grupo electrógeno sin embargo, podremos conectarlo o desconectarlo a criterio, sin conllevar un gasto en combustible en caso de estar éste parado.
Año tras año los precios de los combustibles van aumentando mientras que el coste de la energía fotovoltaica va bajando. Es esta diferencia de costes, que aumenta con el tiempo, la que dicta que el coste unitario del bombeo solar es más barato que con grupo.

Puesto que el coste de la instalación fotovoltaica es fundamentalmente un pago inicial y el del grupo un coste repartido en el tiempo según el combustible gastado, la amortización del sistema fotovoltaico se acelerará cuantas más horas de bombeo se efectúen al año, llegando a tasas de retorno de la inversión en muchos casos menores a 2 años.

Este estudio debe hacerse en cada caso, en función de los hábitos de extracción, y cotejarlo para determinar la tasa de retorno de la inversión para que el interesado decida si le conviene o no.

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