INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIX, No. 1, 2008

Mercedes Menéndez González, Ingeniera Mecánica. Doctora en Ciencias Técnicas, Profesora Auxiliar, Centro de InvestigacionesHidráulicas (CIH), Facultad de Ingeniería Civil, CUJAE, Cuba.Email: mercedes @cih.cujae.edu.cu

Energías renovables: una opciónpara el ingeniero hidráulico para lograrel suministro de agua

Resumen / Abstract

Cuba posee asentamientos poblacionales donde a vecesno hay electricidad y existe escasez de agua. Este trabajoaborda tendencias mundiales recientes de aplicación deenergías alternativas, basadas en las energías solartérmica y fotovoltaica y en el empleo de la energia eólica,además de los atrapanieblas en las zonas montañosas. Seplasman criterios técnicos necesarios para la seleccióndel tipo de instalación conveniente. Todos estos sistemasno tradicionales se utilizan para el suministro de agua enzonas de difícil acceso en varios países como una soluciónpara garantizar esa necesidad vital del ser humano y sinafectar el medio ambiente.

Palabras clave: abastecimiento, energía renovable, medio am-biente.

Cuba has several regions where people live withoutelectricity and with water scarcity. In this work it is shownhow many systems employing renewable energy could beone solution to solve the water and electricity supply. Windenergy and solar photovoltaic among others areconsidered together with different technical and economicaspects in each system which must be taken into account.All this should help the hydraulic engineer in thisimportant problem on isolated regions.

Key words: enviroment, renewable energy, water supply.

INTRODUCCIÓNEl empleo de las energías alternativas en el mundo

actual cubre cada vez mayor importancia por las ventajasque las mismas reportan, por ello la problemática delanálisis de la utilización de ambos recursos energéticoses de gran importancia por los siguientes aspectos:

• El alto costo del traslado de la energía eléctrica aregiones de difícil acceso.

• La no presencia de gases contaminantes en lautilización de estas fuentes de energía es un elementoque avala el campo de aplicación de las mismas, si setiene en cuenta que la preservación del medio ambientees un objetivo de trabajo fundamental para la Humanidad.

• El agua es un recurso limitado, finito. Se estima queen el planeta existen unos 1 400 000 000 km3, pero lamayor parte de ella 97,2 % es agua salada de muy escasautilidad para el consumo humano.

• El rápido crecimiento de la población, combinado conla industrialización, la urbanización, la intensificación delos cultivos agrícolas y estilos de vida que provocan unalto consumo de agua, han dado como resultado unacrisis mundial de abastecimiento.1-4

Las evidencias indican que el clima de Cuba se hahecho más cálido. Durante las últimas cuatro décadas latemperatura media anual ha aumentado cerca de 0,5 C,con el período más cálido en los años 80 y 90.

Aunque las precipitaciones en el país no han mostradovariaciones significativas para períodos largos registrados,en las últimas décadas ha existido un incremento en lasfrecuencias de las sequías desde 1980, aunque el año2007 se caracterizó por ser un año lluvioso. Estasvariaciones parecen estar relacionadas con la posiblereintensificación del ciclo hidrológico causada por losprocesos de calentamiento, siendo la falta de agua unalimitación importante para el desarrollo.

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Las energías renovables: Una opción para el ingeniero hidráulico para lograr el suministro de agua

Actualmente el agua se colecta mediante este sistemay es conducida por una tubería de 6 km a un sistema deestanques de casi 180 m3 y distribuida a cada casa.El incremento de la producción de agua por habitante estácerca de 33-57 L/d.

Existen dos tipos de neblineros que responden a lasdimensiones de la malla:

• Pequeños colectores con mallas de 1 m2

• Largos colectores con mallas que tienen superficiesentre 40-50 m2.

A continuación se muestra un colector de grandesdimensiones, ubicados en la localidad del Tofo, en Chile yen la figura 2 una instalación existente en el Cerro Orara,Perú (altitud de 430 m) con un colector de pequeñasdimensiones.

Trabajos desarrollados4-7 demuestran que existenveintidós zonas distribuidas a lo largo de los seiscontinentes donde se puede aprovechar este recurso.Existen aplicaciones en otros países como en el Perú,Ecuador, Yemen, etcétera.

En Cuba el 95,5 % de la población tiene acceso a losservicios de agua potable (98,9 % en el sector urbano y85,2 % en el rural), pero existen aproximadamente496 930 personas sin acceso adecuado al agua (ubicadosfundamentalmente en la zona oriental del País).

Estos elementos hacen que en algunos asentamientospoblacionales, sobre todo de la región oriental cubana,exista escasez de agua y que se hace necesario trabajarpor aliviar esta situación mediante el empleo de técnicasnovedosas, para garantizar el suministro de agua en estaszonas con el mínimo de los recursos necesarios.

UTILIZACIÓN DE LAS ENERGÍAS ALTERNATIVAS PARA EL SUMINISTRO DE AGUA

La escasez de agua en las Islas Canarias5 ha sido unproblema histórico a partir de 1964, ellos emplean plantasdesalinizadoras para el consumo de agua, actualmente el25 % del consumo de todas las islas son producidos enplantas desalinizadoras. Los sistemas de desalación sepueden clasificar de manera conveniente frente a lossistemas de generación con energías renovables de lasiguiente manera:

1. Sistemas de desalación conectados a red con apoyode energía eólica.

2. Sistemas de desalación con energías renovables ensistemas aislados, que pueden ser: eólicos, solares ehíbridos.

Actualmente los sistemas de desalación conectados ared con apoyo de energía eólica son una rentabilidadcomprobada en el marco de la legislación española,pudiendo reducirse el coste del agua desalada en un25 %.

UTILIZACIÓN DE LA NIEBLA PARA OBTENERAGUA POTABLEExiste un recurso hidrológico poco utilizado hasta ahora

y que en la actualidad cuenta ya con la tecnología quepermite aprovecharlo racionalmente. Se trata de la nieblao camanchaca costera, esta se define como la masa deaire que contiene infinitas gotas de agua que reducen lavisibilidad a menos de 1 km, estas gotas son de pequeñodiámetro (menor de 40 m), pueden ser colectadasmediante sistemas naturales o artificiales y luegotransportadas al lugar de demanda, se pueden producirtambién en zonas montañosas.4,6-8

Chile ha sido pionero en el empleo de los atrapanieblaspara el abastecimiento regular de agua potable a unalocalidad rural de más de trescientos habitantes. A partirde 1992, el pueblo de Chungungo, ubicado al norte de laSerena en la región de Coquimbo, con una altitud entre500 - 200 m sobre el nivel del mar, cubre sus necesidadesde agua potable mediante noventa y un atrapanieblas,cada uno de ellos con una superficie de 48 m2 de mallaRaschel, los trescientos treinta habitantes que vivían eneste pueblo de pescadores consumían antes del proyectoun promedio de 14 L de agua diaria por pesona y pagaban$ 8/m3.

FIGURA 1Neblineros en la localidad del Tofo, Chile.

FIGURA 2Instalación existente en el cerro Orara, Perú(altitud de 430 m).

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M. Menéndez

ALGUNOS ASPECTOS ECONÓMICOS DE LOS SISTEMAS CON NEBLINEROS

El costo de estos sistemas depende en gran medidade si se emplean materiales locales, como por ejemplomadera en las torres de los neblineros, pero en generalson sistemas sencillos, donde lo más importante para larentabilidad de los mismos es el trabajo de prospecciónnecesario para conocer las características climatológicasdel lugar objeto de estudio. En general se puede planearque:

• Costo de la malla: su valor oscila alrededor de$ 0,25/m2

• Colector de 50 m2: el costo es alrededor de$ 300-500.

• Costo total de una instalación de cien neblineros(grandes) aproximadamente $40 000.

Todos estos sistemas constituyen una soluciónalternativa para lograr el suministro de agua en zonasrurales, comunidades alejadas, etcétera que pueden ayudara resolver este problema tan difícil para la humanidad.

Entre las aplicaciones más utilizadas de las energíasalternativas, se encuentra el bombeo de agua .

BOMBEO CON ENERGÍA EÓLICA5

Las turbinas eólicas se han utilizado desde hace muchossiglos para el bombeo de agua, la trituración de granospara cortar madera, etc. La primera referencia de un molinode viento aparece en los escritos del historiador árabeTabari del año 850 d. de C, sobre la existencia de estasmáquinas en la provincia de Seistan en Persia en el 644d. de C. La crisis del petróleo en 1973 causó un interésrenovado en las fuentes renovables de energía, enparticular en la energía eólica y las inversiones en lafabricación de molinos de viento se tornaron de nuevocomo una solución atractiva.5

TIPOS DE SISTEMAS DE BOMBEO EÓLICOMolino de viento multipala tradicional

El diámetro del rotor de estos molinos se fabrica entre2 y 5 m generalmente, pudiendo llegar excepcionalmentehasta 10 m. Estas máquinas pueden ser instaladas ensitios con bajas velocidades del viento, entre 2 y 5 m/s.

A pesar de las bondades de estos molinos, presentanuna serie de problemas, como son:

1. La construcción es muy pesada.2. Tienen poca resistencia al polvo y a la arena que

penetra en el mecanismo de transmisión.3. El molino de viento debe ser ubicado sobre el pozo o

cercano a él. Esto trae serios problemas en el caso deterrenos que no son planos.

4. La eficiencia general es muy baja.

Aerobombas de segunda generaciónUtilizan pocos álabes ( 3-8 álabes para bajas cargas).

La vida útil estimada de estas máquinas es de solo diezaños, contrastando apreciablemente con el molino

tradicional que en muchos alcanza más de cincuenta años.Una de las desventajas fundamentales de este tipo demáquinas es que solo son capaces de trabajar a bajascargas como consecuencia de las transformaciones delrotor y la transmisión.

Sistema avanzado de bombeo eolo-eléctrlcoLas principales ventajas con respecto a los sistemas

mencionados anteriormente son:1. Mayor flexibilidad en cuanto a la ubicación, o sea,

se puede ubicar el aerogenerador en el lugar de más fuerteviento aun cuando este no coincida con el lugar del pozo.

2. Mayor eficiencia de bombeo (10-12 %).3. Incremento del volumen de agua bombeada, mayores

cargas, debido a la posibilidad de usar rotores de mayordiámetro (10-40 m).

4. Mayor versatilidad en su uso (bombeo, iluminación,etcétera) y mayor fiabilidad.

5. Menor requerimiento de mantenimiento.Las desventajas principales son:1. Mayor coste de la inversión inicial, para la instalación

y mantenimiento se necesita personal especializado.2. Necesita mayores velocidades del viento para operar

(v > 4 m/s).En la figura 3 se presentan según la clasificación

anterior, los campos de aplicación aproximados de cadauno de los sistemas analizados, lo cual puede constituiruna guía para la selección de estos sistemas.

Las bombas que se utilizan para el bombeo de aguason por lo general de dos tipos, bombas centrífugas obombas de desplazamiento positivo, entre estas últimasse encuentran las bombas reciprocantes o de pistón. Lasbombas de pistón, son las que se usan más comúnmenteen los molinos de viento.

FIGURA 3Campos de aplicación de los diferentes sistemasde bombeo eólico.

BOMBEO CON ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICALos sistemas de bombeo solares fotovoltaicos se

encuentran comercialmente en paquetes que incluyen unaserie de paneles fotovoltaicos y el conjunto bomba motor.3

Cuando las profundidades del pozo son mayores que10 m se emplean motores sumergidos con bombascentrífugas de varias etapas o motores en superficie conbombas de pistón o rotatorias sumergidas. Cuando laprofundidad es menor de 10 m se emplean bombasubicadas en la superficie.

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Las energías renovables: Una opción para el ingeniero hidráulico para lograr el suministro de agua

El coste capital del watt pico se presenta en la tabla 1,donde se observa que este disminuye al aumentar eltamaño del sistema de bombeo fotovoltaico. Los costesde mantenimiento se estiman alrededor de 50 USD anualesy 12 USD por cada 1 000 h de operación del conjuntobomba motor.

La figura 4 muestra la aplicación de diferentes sistemasen función del volumen de agua.

Todos estos sistemas constituyen una soluciónalternativa para lograr el suministro de agua en zonasrurales, comunidades alejadas, etcétera que pueden ayudara resolver este problema tan difícil para la humanidad.• Estado del arte de estos sistemas en Cuba

En Cuba existen zonas con potencial eólicoaprovechable y con dificultades en el suministro de agua.Existen múltiples aplicaciones del empleo de la energíaeólica para el bombeo de agua en zonas ruralesfundamentalmente, se trabaja en la recuperación de estos,sobre todo teniendo en cuenta la sequía que azota al País.

FIGURA 4Campo de aplicación de diferentes sistemas empleandoenergías alternativas.

Tablas 1 Costos capitales de sistemas de bombeo fotovoltaico

Clasificación Tamaño del arreglo de celdas

(Wp)

Rango costos (USD/Wp)

Pequeño

Menos de 500

20 - 25

Mediano

500 – 3 000

12 - 20

Grande

Más 3 000

10 - 15

Vinculado con el bombeo solar, se trabaja por laincorporación de la energía solar en esta aplicación, aunquela radiación solar es prácticamente constante todo el año,y no existen instalaciones en el País que empleen estossistemas. El Ministerio de la Agricultura y Centros deinvestigaciones trabajan en el desarrollo de esta temática.

Por otro lado no existen instalaciones que utilicen losneblineros, se han desarrollado trabajos teóricos sobrelos mismos que aún no se han materializado por lacarencia de recursos materiales, a pesar de conocer queaunque no se ha cuantificado profundamente, existenregiones montañosas donde la neblina cumple lascondiciones necesarias para su captación.

Aunque en Cuba se debe trabajar en esta línea, seconoce que estos sistemas en general pueden ayudar enla solución de la sequía y contribuir a mejorar lascondiciones de vida del hombre sin afectar el medioambiente.

CONCLUSIONES1. Existen soluciones que no afectan el medio ambiente

y pueden ayudar al suministro de agua en zonas aisladas(rurales, cayos, zonas montañosas, etcétera).

2. En el trabajo se muestran las últimas tendencias enel empleo de las energías renovables eólica y solar parael bombeo de agua, así como el empleo de los neblinerospara lograr el suministro de agua en zonas aisladas.

3. En Cuba existen recursos naturales que pueden serempleados en sistemas de bombeo, los cuales puedensuministrar agua para el consumo y se debe trabajar porla búsqueda de financiamiento para la incorporación deotros sistemas como los neblineros en los lugares que nopermitan las condiciones meteorológicas.

REFERENCIAS1. "Y no llueve" periódico cubano Trabajadores del día 29

de mayo del 2004.2."Desarrollo tecnológico de sistemas aislados con

energía eólica". Curso, Instituto de Estudios de laEnergía, CIEMAT octubre 2000, España.

3. "Asuntos y mejores prácticas ambientales para laenergía renovable", Guía Ambiental de USAID, Buróde Latinoamérica y del Caribe, Ecuador, 2007.

4. "Energía renovable para la agricultura, bombeo de aguacon energía solar para la agricultura", Revista Cienciay Tecnología. No. 39, Méjico, abril de 2003.

5. http://solar.nmsu.edu6. Cereceda, P: "La niebla, agua potable para zonas

rurales", Revista G eográfica de Chile,Terra, Australia,2000.

7. SCHEMENAUER, ROBERT: "Fog Collection's Role inWater Planning for Developing Countries" , NaturalResources Forum, Vol. 18, No. 2, pp. 91-100,1994.

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M. Menéndez

Recibido: enero 2007Aprobado: marzo 2007

8.SCHEMENAVIER, ROBERT: "A Proposed Standard FogCollector for Use in High-Elevation Regions", Journal ofApplied Metereology , Vol. 33, No. 11, pp. 1313 -1322,1994.

BIBLIOGRAFÍA CONSULTADACARDOZO, CAROLINA: "Energía solar aplicada en lapotabilización", Premio Junior 2002, AIDIS-WEF.http : /// energías.renovables.comMENÉNDEZ, G., MERCEDES: "Diseño de sistemashíbridos eólico-fotovoltaico para la generación de electrici-dad en instalaciones autosustentables de pequeña capaci-dad en Cuba.Tesis para obtener la categoría de Doctor enCiencias Técnicas, ISPJAE, Ciudad de La Habana, 2001.

MENÉNDEZ SOSA, A.: "Sistemas de desalaciónbasados en las energías renovables y su aplicación enel sector turístico", Instituto Tecnológico deCanarias, s/f.OSSES, PABLO: "Los atrapanieblas del Santuario PadreHurtado y sus proyecciones en el combate a ladesertificación", Revista de Geografía Norte Grande 27,pp. 61- 67, 2000.