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INGENIERIA Y COMPUTACIÓN “Estudio preliminar para la implementación de sistemas de riego tecnificado con agua purificada por osmosis inversa utilizando energía solar en el valle de Majes”. OPERACIONES UNITARIAS Coaguila Gonzales fiorella Huerta Herrera Ana Perez Dias Carlos Veliz Herrera Johann Velarde Mamani Pierre Yepez Ayanqui Stefany VII 2018

“Los alumnos declaran haber realizado el presente trabajo de acuerdo a las normas de la Universidad Católica San Pablo”

“Estudio preliminar para la implementación de sistemas de riego tecnificado con agua purificada por osmosis inversa utilizando energía solar en el valle de Majes”.

ÍNDICE 1.

TITULO: .............................................................................................................. 5

2.

AUTOR:............................................................................................................... 5

3.

RESUMEN ........................................................................................................... 5

4.

INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 6

5.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...................................................................... 7 A.

RELEVANCIA PERSONAL......................................................................................... 8 RELEVANCIA SOCIAL .............................................................................................. 8 RELEVANCIA ACADÉMICA ...................................................................................... 8

B. C.

6.

OBJETIVO GENERAL ............................................................................................ 8

7.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................................... 9

8.

MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 10 8.1. 8.2. 8.3. 8.4.

ANTECEDENTES .................................................................................................... 10 OSMOSIS INVERSA................................................................................................. 11 ÓSMOSIS INVERSA EN EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ....................................... 15 DESCRIPCIÓN GENERAL DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO ................................................. 16

METODOLOGÍA................................................................................................. 20

9.

9.1. 9.2.

NATURALEZA DE LA INVESTIGACIÓN ............................................................... 20 INGENIERÍA DEL PROYECTO ............................................................................. 21

10.

RESULTADOS ................................................................................................. 26

11.

APRECIACIÓN CRITICA ................................................................................... 28

12.

CONCLUSIONES ............................................................................................. 28

13.

BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 30

14.

ANEXOS ........................................................................................................ 31

• •

ANEXO 1 ................................................................................................................ 31 ANEXO 2 ................................................................................................................ 34

1.

TITULO:

“ESTUDIO PRELIMINAR PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMAS DE RIEGO TECNIFICADO CON AGUA PURIFICADA POR OSMOSIS INVERSA UTILIZANDO ENERGÍA SOLAR EN EL VALLE DE MAJES”.

2.

AUTORES Carlos Jonathan Pérez Diaz Fiorella julia Coaguila Gonzales Ana Paula Huerta Herrera Pierre Eugenio Velarde Mamani Johann Alejandra Veliz Herrera

3.

RESUMEN

El presente trabajo se realizó con el propósito de conocer la demanda de agua limpia en el valle de Majes, y como poder suministrar el agua purificada por osmosis

inversa

hacia

los

consumidores,

quienes

utilizan

el

agua

principalmente en la agricultura y ganadería que es la actividad principal del valle. En los últimos años en el valle de Majes se acrecentó la demanda del líquido vital, agua de calidad, hubo periodos donde se escuchó y leyó en las noticias que a dicha localidad llegaba agua salada y turbia, esto nos motivó a proponer un sistema de desalinización y purificación de agua mediante osmosis inversa,

para finalmente utilizar el agua para el riego por goteo, así florezca una agricultura tecnificada en la zona. El método de obtención de agua limpia por Osmosis inversa se ha convertido en un método muy difundido y utilizado en diferentes lugares del mundo, y es perfectamente aplicable a nuestra región, donde la creciente demanda de agua, hace posible y factible su instalación. La energía eléctrica que es necesaria para su funcionamiento provendría de la energía solar, mediante la instalación de paneles solares fotovoltaicos, dicha energía se utilizaría directamente durante el día, el excedente se almacenaría en sistemas de acumuladores de carga (baterías) y utilizadas en las noches, para de esta manera tener un suministro contante de agua limpia para la población. PALABRAS CLAVE: Osmosis inversa - agua limpia– agricultura tecnificada – energía solar.

4.

INTRODUCCIÓN

El suministro de agua para uso agrícola, industrial, y urbano en las zonas desérticas de la costa arequipeña tiene un problema de índole energético-económico. En los valles costeños se puede aprovechar al agua de los ríos cercanos, el agua del mar, depósito de aguas residuales, donde todos ellos necesitan purificación para su utilización, Si suponemos que para el aprovisionamiento del agua para el valle de majes se hubieran ya resuelto las cuestiones financieras para dotarlas de estructura física y la organización humana para operarla. Se requiere de energía para separar el agua de sustancias indeseables, purificarla, y transportarla hasta lugares de consumo, ello implica un costo diario de energía, esta energía se puede obtener de manera abundante de la radiación solar intensa de nuestra región.

Cuando se piensa en grandes obras de ingeniería para purificar agua, el problema no es tecnológico, puesto que ahora se conoce diversas tecnologías de purificación, como es el caso del osmosis inversa, en la mayoría de procesos de purificación de agua es necesario el uso de energía eléctrica puesto que es necesario en sistemas de bombeo, para el movimiento del agua desde las fuentes de agua, los purificadores de agua y finalmente transportar el agua hacia los usuarios consumidores. Muchas obras de ingeniería de potabilización de agua no proceden por el excesivo costo del uso de la energía eléctrica, es por ello que se busca fuentes de energía renovables y de bajo costo. Una alternativa es el uso de la energía solar que se recibe gratuita en la tierra, en forma continua y en cantidad muy superior a toda la energía requerida en nuestro planeta. Para poder captar la energía solar y convertir en electricidad, se cuenta con sistemas fotovoltaicos que son capaces de convertir la energía solar en eléctrica, la energía eléctrica es utilizada de manera eficiente en los procesos de purificación del agua. El beneficio de la utilización de sistemas fotovoltaicos se obtiene en un plazo más o menos corto, esto dependiendo que tan sofisticado sea una instalación de purificación o desalinización de agua, puesto que los equipos para la puesta en marcha del sistema tienen un costo por lo general elevado, pero que vale la pena su instalación, puesto que utilizar agua limpia genera recursos en cuanto a su uso en agricultura, industrial y urbano.

5.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Se busca estudiar e investigar la factibilidad económica energética de la puesta en marcha de plantas purificadoras de agua, mediante osmosis inversa en el valle de Majes, debido a su creciente demanda por parte de los agricultores, quienes harán uso del agua en el riego tecnificado de sus cultivos, consumo humano y ganadería.

a. RELEVANCIA PERSONAL

Este proyecto me servirá para darme cuenta de lo valioso que es el agua y cuánto cuesta realmente obtenerla, donde pondré en práctica mis conocimientos de los cursos de ingeniería que se imparte en nuestra Universidad. b. RELEVANCIA SOCIAL

En la presente investigación, se promociona una forma de obtención de agua limpia mediante energía solar, de forma ecológica y amigable con el medio ambiente además de abaratar los costos, para de esa manera más personas puedan tener acceso al agua, que es fundamental para el progreso y la vida. c. RELEVANCIA ACADÉMICA

La mejor manera de proyectarnos a la sociedad es haciendo propuestas desde la Universidad de cómo mejorar la calidad de vida de las personas, en este caso nos proponemos solucionar la demanda de agua limpia que hace falta para el regadío de los valles de nuestra región, proponemos la osmosis inversa que es un método eficiente que junto a la utilización de energía solar tienen costos accesibles a la población.

6.

OBJETIVO GENERAL

El presente tema de investigación, busca realizar una evaluación económica y técnica, respecto a la obtención de agua limpia mediante Osmosis inversa, además que la energía eléctrica para conseguir tal objetivo provenga

de la energía renovable y abundante que es la energía solar. La propuesta busca implementarse en el valle de Majes, donde la demanda es cada vez más creciente, por el incremento de la población, tierras cultivables y el agua de poca calidad que poseen los pobladores.

7.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Se busca cumplir con los siguientes objetivos: 1. Ubicar las fuentes de agua en el valle de Majes, y medir el grado de impurezas que presentan en cuanto a ppm (partes por millón) medido en mg/L, para ello además buscaremos datos del ministerio del ambiente, quienes son encargados de velar por la calidad del agua. 2. Establecer la demanda insatisfecha del recurso hídrico en el valle de Majes, y la demanda especifica en cuanto a su uso en agricultura. 3. Medir las horas de sol y la cantidad de radiación y el balance energético para la implementación de paneles fotovoltaicos para las necesidades energéticas de la planta de purificación de agua. 4. Incentivar el uso de las energías renovables y su utilización para la obtención de agua limpia y mejorar la calidad de vida de los pobladores del valle de Majes.

8.

MARCO TEÓRICO

8.1.

Antecedentes

El proceso de ósmosis a través de membranas semipermeables fue observado por primera vez en 1748 por Jean Antoine Nollet al colocar una membrana de vejiga animal entre alcohol y agua. Nollet observó que el agua fluía a través de la vejiga para mezclarse con el alcohol, pero de ninguna manera el alcohol se mezclaba con el agua. La vejiga animal actúa como una membrana semipermeable que permite el paso de uno de los componentes de una solución y evita la difusión de otros. La explotación del proceso de osmosis no se dio hasta 1949, cuando la Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) investigó por primera vez la desalinización de agua de mar mediante membranas semipermeables. A mediados de la década de 1950, investigadores de UCLA y la Universidad de Florida produjeron con éxito agua dulce a partir de agua de mar. Para finales de 2001, unas 15,200 plantas de desalinización se encontraban en funcionamiento o en fase de planificación en todo el mundo, sin embargo, la tecnología de osmosis inversa no ha cambiado significativamente desde los años 50. (Glater 1998) Las membranas de osmosis actuales están constituidas de capas delgadas de poliamidas sobre poliésteres porosos y un material fibroso. El diseño y composición de las membranas se realiza de acuerdo al agua que se trataran. En cuanto a la fuente de energía, se emplea energía solar para alimentar instalaciones de bombeo para sistemas de riego, agua potable en áreas rurales y abrevaderos para el ganado, o para sistemas de desalinización de agua Los sistemas de bombeo fotovoltaico (al igual que los alimentados mediante energía eólica) son muy útiles allí donde no es posible acceder a la red general de electricidad o bien supone un precio prohibitivo. Su coste es generalmente más económico debido a sus menores costes de operación y mantenimiento,

y presentan un menor impacto ambiental que los sistemas de bombeo alimentados mediante motores de combustión interna, que tienen además una menor fiabilidad. Las bombas utilizadas pueden ser tanto de corriente alterna (AC) como corriente continua (DC). Normalmente se emplean motores de corriente continua para pequeñas y medianas aplicaciones de hasta 3 kW de potencia, mientras que para aplicaciones más grandes se utilizan motores de corriente alterna acoplados a un inversor que transforma para su uso la corriente continua procedente de los paneles fotovoltaicos. Esto permite dimensionar sistemas desde 0,15 kW hasta más de 55 kW de potencia, que pueden ser empleados para abastecer complejos sistemas de irrigación o almacenamiento de agua.

8.2.

Osmosis inversa

La ósmosis inversa puede ser considerada como el grado más avanzado de filtración que se ha inventado para la purificación del agua y sin añadirle ninguna sustancia química. Es tal su ventaja, que es la tecnología que se utiliza en algunos países en la actualidad para convertir el agua de mar (salada) en agua desalinizada o apta para el consumo.

Ilustración 1:Cuadro comparativo de la osmosis inversa con otros sistemas de filtración

Los sistemas de ósmosis inversa generalmente se dividen en tres categorías

principales:

tradicional

(agua

dulce),

salobres

o

desalinización. Sistemas de ósmosis inversa tradicionales funcionan con una alimentación de 200 psi a 400 psi. Esto significa que una cantidad mínima de energía se utiliza para bombear el agua de alimentación a través de las membranas para superar la presión osmótica. Sistemas de ósmosis inversa salobres tienden a operar más de 400 psi y requieren más energía que una bomba de alta presión. El agua salobre tiene mayor contenido de sólidos totales disueltos que el agua que se alimenta a través de un sistema de ósmosis inversa tradicional.

Desalinización estos sistemas de ósmosis inversa funcionan a 800 psi a 1200 psi. A 800 psi y más, una bomba especial de alta presión se requiere. Estas bombas no sólo producen alta presión, pero necesitan ser hechas de aleaciones especiales. Debido a la creciente cantidad de energía que se requiere para superar la presión osmótica, los dispositivos de recuperación de energía se utilizan típicamente. La ósmosis es un proceso natural que ocurre en todas las células vivas. Esta permite la vida de todos los seres tanto animales como vegetales, al inducir que el agua fluya por difusión desde zonas donde se encuentra relativamente pura, con baja concentración de sales, a zonas donde se encuentra con alta concentración a través de una membrana semipermeable. El resultado final es la extracción de agua pura del medio ambiente. La ósmosis inversa es un proceso inventado por el hombre que invierte el fenómeno natural de ósmosis. El objetivo del ósmosis inversa es obtener agua purificada partiendo de un caudal de agua que está relativamente impura o salada. En el caso del ósmosis Inversa, el agua es obligada a pasar por una membrana semi-permeable, dejando pasar solo agua pura, por lo que, a la inversa del sistema natural, el desplazamiento del agua va desde la zona de mayor concentración a la zona de menor concentración (agua purificada), razón por la que este sistema recibió el nombre de inverso. La molécula de agua es tan pequeña que es la única capaz de pasar por los poros de la membrana.

Ilustración 2: Proceso de osmosis inversa

El agua por ósmosis inversa es ideal. Se eliminan así en su totalidad o casi,

nitratos,

pesticidas,

bacterias,

virus,

microbios,

amianto,

herbicidas, cal, mercurio, plomo y otros metales pesados, así como todo lo que está disuelto. La membrana ósmosis inversa permite el mayor filtrado; ningún otro filtro llega hasta este nivel. Los filtros más eficientes se limitan a un filtrado del orden del micrón. (Un micrón es la milésima parte de un milímetro). Sólo la ósmosis inversa permite filtrar muy por debajo de 0,0001 micrón. “La ósmosis inversa permite filtrar muy por debajo de 0,0001 micrón” Para comparar, el tamaño de la mayoría de las bacterias se mide en el orden de micrones. (Ver ilustración 3)

Ilustración 3: comparación de tamaños

El agua por ósmosis inversa es ligera y muy débilmente mineralizada. Por su pureza, ayuda a nuestro organismo en los intercambios y la evacuación de las toxinas. Es un agua completamente bio-disponible. De hecho, la ósmosis inversa es el proceso que se utiliza desde hace muchos años en hemodiálisis. Se utiliza también en todos los sitios que necesitan agua de alta pureza (clínicas, laboratorios, industrias, etc.). Es de sabor muy agradable y está libre del sabor indeseable que caracteriza a las aguas de tratamiento público, así permite aumentar la calidad y los sabores de las sopas, jugos, bebidas, legumbres, pastas, cubos de hielo, etc. y en general de todo lo que necesitamos. 8.3.

Ósmosis inversa en el tratamiento de aguas residuales

Si el agua se pretende verter requiere un grado de tratamiento mayor que el que puede aportar el proceso secundario, o si el efluente va a reutilizarse, es necesario un tratamiento avanzado de las aguas

residuales. a menudo se usa el término tratamiento terciario como sinónimo de tratamiento avanzado, pero no son exactamente lo mismo. El tratamiento terciario, o de tercera fase, suele emplearse para eliminar nutrientes como el fósforo, mientras que el tratamiento avanzado podría incluir pasos adicionales para mejorar la calidad del efluente eliminando los contaminantes recalcitrantes. hay procesos que permiten eliminar más de un 99% de los sólidos en suspensión y reducir la DBO5 (demanda biológica de oxigeno) en similar medida. Los sólidos disueltos se reducen por medio de procesos como la ósmosis inversa y el proceso de electrodiálisis. La eliminación del amoníaco, la desnitrificación y la precipitación de los fosfatos pueden reducir el contenido en nutrientes. Si se pretende la reutilización del agua residual, la desinfección es un paso obligado para cumplir con las normas vigentes en materia ambiental. Es probable que en el futuro se generalice el uso de estos y otros métodos de tratamiento de los residuos a la vista de los esfuerzos que se están haciendo para conservar el agua mediante su reutilización. 8.4.

Descripción general de un sistema fotovoltaico

Se define el sistema fotovoltaico como un conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren a captar y transformar la energía solar disponible, transformándola en utilizable

como energía eléctrica. Los principales elementos que constituyen un sistema fotovoltaico son: •

Generador fotovoltaico

•

Regulador de carga

•

Sistema de acumulación

•

Inversor

•

Carga

Ilustración 4: Sistema fotovoltaico

generador fotovoltaico: transforma la energía del sol en energía eléctrica y carga las baterías. regulador de carga: controla la carga de la batería evitando que se produzcan sobrecargas o descargas excesivas, que disminuyen la vida útil del acumulador. un problema importante que es fundamental para el correcto funcionamiento de todo el sistema, que es la protección de la batería de procesos inadecuados de carga y descarga, que se hace mediante un

regulador o controlador de carga. este dispositivo electrónico, controla tanto el flujo de la corriente de carga desde los módulos hacia la batería, como el de descarga que va desde la batería hacia el consumo. cuando la batería está cargada, el regulador interrumpe el paso, y cuando se alcanza el nivel mínimo de descarga, este interrumpe el paso hacia el consumo. puede incorporar un sistema de seguimiento del punto de máxima potencia, que es un dispositivo que aumenta el rendimiento de la instalación. sistema de acumulación. baterías: acumulan la energía entregada por los paneles. cuando hay consumo, la electricidad la proporciona directamente la batería y no los paneles. las baterías para aplicaciones fotovoltaicas están construidas especialmente para trabajar con ciclos de carga/ descarga lentos. la vida útil de una batería se encuentra entre 3 y 5 años, pero depende del correcto uso que hagamos de ella y el mantenimiento, que en algunas no se hace necesario, pero sin en otras, como puede ser la adición de agua destilada o electrolito. inversor: la corriente que entrega la batería es corriente continua y la mayoría de los electrodomésticos que se comercializan funcionan con corriente alterna. por este motivo se utilizan inversores que convierten la corriente

continua en alterna, desde los módulos que proveen corriente directa a 12 o 24 Voltios, a corriente alterna a 120 V. •

El inversor realiza las siguientes funciones:

•

Transformar la corriente continua en alterna.

•

Conseguir el mayor rendimiento del campo fotovoltaico.

•

Realizar el acoplamiento a la red.

•

Protecciones.

Carga: Por último, en los componentes del sistema, tenemos los aparatos eléctricos que van a consumir la corriente generada o almacenada, como pueden ser: paneles de control, pequeñas bombas dosificadores, etc., y la bomba de alta presión. La selección de estas cargas es tan importante como el resto de los equipos fotovoltaicos, y para esto hay que tener en cuenta lo siguientes aspectos, que el consumo diario no debe sobrepasar la cantidad de energía diaria producida por el sistema fotovoltaico, y tener en cuenta el tipo de energía que necesitan los aparatos eléctricos que se van a utilizar con el fin de determinar si se necesita un inversor o no. Es

recomendable el uso de aparatos modernos de bajo consumo energético y alta eficiencia. Para dimensionar la instalación, tendremos que tener en cuenta que la suma instantánea de las potencias individuales no debe ser mayor que la capacidad máxima en vatios (W) del inversor.

9.

METODOLOGÍA 9.1.

NATURALEZA DE LA INVESTIGACIÓN

Se trata de una investigación de naturaleza exploratoria retrospectiva que estará basada en: •

Diagnósticos realizados sobre recursos hídricos disponibles y de energía solar fotovoltaica para ver la viabilidad del proyecto.

•

Estadísticas de Demanda de agua limpia, sobre todo en el área de agricultura de riego tecnificado por goteo

De naturaleza descriptiva, porque el estudio preliminar planteado será detallado en forma objetiva teniendo como base dos aspectos: •

El contexto socio económico en que se desarrollan el valle de Majes, describiendo la principal actividad que es la agricultura, las tecnologías de que hace uso el agricultor a la fecha, cuáles son sus expectativas en cuanto a incrementar la producción agrícola de la zona, y en cuanto a la agroindustria que dificultades presenta el panorama actual para instalar empresas que den mayor valor agregado al producto agrícola.

•

Se describirán los sistemas de purificación de agua mediante sistemas de Osmosis inversa, con la utilización de energía solar mediante la instalación de paneles fotovotaicos.

Y será de naturaleza analítica, porque todo proceso que aborda un problema y que tiene como fin obtener resultados válidos y útiles, requiere que se realice un análisis de criterios, variables, limitaciones y restricciones que presenta la situación actual objeto de estudio. 9.2.

INGENIERÍA DEL PROYECTO

Desde el punto de vista industrial, el proceso de ósmosis inversa se desarrolla como se muestra, de forma simplificada, en la ilustración 5. En el esquema se indica la configuración básica del diagrama de flujos de una membrana de ósmosis inversa, que consta de tres soluciones principales: • Alimentación (a), es la solución de agua de mar que llega a las membranas de ósmosis inversa previamente presurizada por la bomba de alta presión. Al compartimento que contiene esta solución se le conoce con el nombre de "lado de alta". • Permeado (p), es la solución que se obtiene al otro lado de la membrana, después de atravesarla. Al compartimento que contiene esta solución se le denomina de "baja presión". • Rechazo (r), es la solución más concentrada que el aporte, que no puede atravesar la membrana. El rechazo (salmuera) presentará una elevada concentración de sales, siendo la del permeado (agua dulce) baja en sólidos disueltos. Mientras que la planta está en el modo de producción se controla la presión de

salida con una válvula de regulación.

Ilustración 5: Procesos de osmosis inverso

La cantidad de permeado dependerá de la diferencia de presiones aplicada a la membrana, sus propiedades y la concentración del agua bruta; la calidad del agua permeada suele estar en torno a los 300-500 ppm de TDS (Total Sólidos Disueltos). Una membrana para realizar ósmosis inversa debe resistir presiones mucho mayores a la diferencia de presiones osmóticas de ambas soluciones. Por ejemplo un agua bruta de 35.000 ppm de TDS a 25ºC tiene una presión osmótica de alrededor de 25 bar, pero son necesarios 70 bar para obtener permeado. El proceso de ósmosis inversa es tan simple que a priori solo son necesarias las membranas que filtren el contenido salino y el equipo presurizador. Pero una planta de ósmosis inversa es mucho más compleja que una agrupación de módulos y una o varias bombas. Las membranas se ensucian rápidamente con la operación continuada y el

agua de mar necesita un pretatamiento intensivo (mucho mayor que en los procesos de destilación), que comprende entre otros: • Clorado para reducir la carga orgánica y bacteriológica del agua bruta. • Filtración con arena para reducir la turbidez. • Acidificación para reducir el pH y limitar la formación de depósitos calcáreos. • Inhibición con polifosfatos de la formación de sulfatos de calcio y bario. • Declorado para eliminar el cloro residual. • Cartuchos de filtrado de partículas requeridos por los fabricantes de membranas. El objetivo es alcanzar una producción de 160 m3 al día de agua purificada que es el volumen necesario para irrigar un tamaño de parcela piloto de 1 hectárea, para ello se va a diseñar una planta desalinizadora de agua con régimen continuo, ya que las membranas que se van a utilizar, tanto para el proceso de ultrafiltración como para la osmosis inversa, necesitan estar constantemente húmedas. La planta desalinizadora se va a diseñar con el objetivo de producir160 m3 diarios. La ubicación de la planta tiene que ser a las afueras de la campiña del valle, puesto que los desechos de la planta purificadora, podrían poner en riesgo la ecología y las tierras del valle, las sales y demás desechos tendrán que ser evacuados en un relleno sanitario.

PROCESO GENERAL La planta purificadora se va a diseñar para un rendimiento del proceso de osmosis inversa de 45 %, para cumplir con el objetivo de 160 m3 diarios de agua producto se debe captar: Qc =

Qp

r Qc : caudal captado, m 3 / dia Q p : caudal de agua producto, m 3 / dia r : Rendimiento del proceso en % Qc =

160m3 = 355.55m3 / dia 0.45

La cámara de captación es el lugar donde se almacenará el agua a tratar para ser posteriormente bombeada a la planta. Esta cámara estará construida en hormigón y estará compuesta por 2 secciones. La primera sección servirá para que la entrada del agua procedente del inmisario no se produzca de forma brusca. En la siguiente sección se situarán las bombas de captación, que serán las encargadas de bombear el agua hacia la planta desalinizadora. A modo de separación, se colocarán unas rejillas para evitar el paso de partículas más grandes. La altura de bombeo se calcula mediante la ecuación de Bernoulli, tomando la diferencia de cotas de altura de succión y descarga, más las perdidas por fricción, estimándose una altura total de 6 metros. Por lo tanto, podemos calcular la potencia eléctrica necesaria en cada bomba de acuerdo a:

P=

g Qc hb h

g : peso especifico del agua Qc : caudal captado. h b : altura de bombeo

h : eficiencia de la bomba=79% m3 1dia 1h = 0.004115m3 / s dia 24h 3600 s (9810 N / m3 )(0.004115m3 / s)(6m) P= = 306.6W 0.79

Qc = 355.55

Lo cual nos indica que nuestro sistema de suministro eléctrico por paneles fotovoltaicos debe suministrar una potencia superior a los 306.6 W, y dependiendo del número de bombas a instalar y otras necesidades energéticas del sistema de purificación de agua. RIEGO POR GOTEO El riego por goteo es un sistema que se utiliza para regar las plantas con el agua gota a gota. Hay diferentes formas de instalar estos sistemas, puede ser con la cinta de goteo “T tape”. Esta es una marca bien conocida, el nombre correcto es cinta de goteo. También puede ser con emisores, los cuales se colocan cerca de la planta y estos liberan el agua gota a gota. En ambos casos es necesario una línea principal que abastece el agua a las cintas o los emisores. La fuente de agua podría ser desde un galón hasta un lago. Un sistema de goteo tiene la ventaja que se puede diseñar en diferentes escalas, desde una hasta miles de plantas. En un sistema de riego por goteo tenemos unas ventajas sobre otros sistemas. El agua va directa donde la necesitamos, realmente no existe escorrentía en este riego. Se puede subministrar diferentes fertilizantes y otros productos directo a nuestras plantas por el riego.

En el diseño de un sistema de riego por goteo toma en cuenta muchas cosas. Es importante conocer el área, distancias, necesidad de agua (dependiendo el tipo de cultivo) y el equipo necesario. Los componentes principales del sistema de goteo son: •

Depósito de agua (lugar de donde obtenemos el agua)

•

Bomba (en algunos casos no es necesaria)

•

Filtro

•

Inyectores (entrada de fertilizantes y otros al sistema)

•

Línea principal

•

Cintas o líneas secundarias (gota a gota)

•

Válvula de escape de aire (saca el aire del sistema para evitar roturas)

•

Válvulas

En sistemas pequeños si nuestra fuente de agua es acueducto, no es necesario un motor o bomba. También podría usarse un tanque, cisterna o alguna fuente de agua más alta que el área de siembra y usar la gravedad. El filtro es de suma importancia, ya que los emisores se obstruyen con facilidad. Utilizando el filtro buscamos sacar las partículas sólidas de agua para evitar complicaciones.

10.

RESULTADOS

Luego del análisis de requerimientos de agua limpia, y de energía para producirla para un cultivo de una sola hectárea como modelo, observamos que es posible la instalación de dicho modelo de purificación de agua, e incluso ampliar su utilización para volúmenes más grandes de agua.

Según la autoridad nacional del agua, en el valle de majes se tiene el siguiente balance hídrico: Tabla 1: Balance hidrico Valle de Majes Fuente

Oferta

Demanda

Déficit

Superávit

MMC

agrícola

MMC

MMC

0

1304.04

MMC Rio majes

1664.98

360.94

Total

1664.98

360.94

(MMC)

De la tabla N° 1 se observa que existe una oferta superior a la demanda de agua para uso agrícola actual, por lo que se tiene que hacer es distribuir mejor el agua y tratarla de manera adecuada para su consumo y utilización en la agricultura. En cuanto a los ahorros en costos de energía por uso de sistema fotovoltaico, la inversión de un kit básico de energía solar de 1000 W, tiene un costo en el Perú de aproximadamente S/. 3000.00, Aunque existen muchos factores que afectan a la capacidad de ahorro que ofrecen los paneles solares, un sistema de energía solar promedio, que produce alrededor de 430 kWh por mes, puede ayudarte a ahorrar cerca de 150 soles al mes. En los meses más fríos, tal vez este número caiga a alrededor de 90 soles, mientras que en los meses de verano puede incrementarse hasta los 180, con lo cual el periodo de recuperación de inversión se estimaría en un periodo de año y medio a dos años de utilización.

11.

APRECIACIÓN CRITICA

Es posible tratar aguas no potables por medio de Osmosis inversa y con energía

solar,

pero

debe

estudiarse

inicialmente

el

tipo

de

contaminantes que se encuentra en las aguas para saber elegir el tipo de colector apropiado de tratarla. Los sistemas de purificación de agua con energía solar permiten a los agricultores obtener agua limpia para sus cultivos y ganado, esto les beneficia en cuanto a su economía, puesto que así sus productos se valoran más en el mercado. Los equipos de tratamiento de agua pueden ofrecer diferentes posibilidades, según el costo de implementación, la temperatura o la eficiencia; los equipos de purificación basados en tecnología de osmosis inversa, pueden permitir que una comunidad costera obtenga agua limpia a partir de agua salina o residual y en zonas desérticas donde la radiación solar es alta y la cantidad y calidad del agua es deficiente.

12.

CONCLUSIONES

Hoy en día el problema del agua limpia para consumo humano o agricultura es uno de los grandes problemas al que debemos enfrentarnos, la solución aquí desarrollada debe ser una herramienta más para que aquellas zonas que tiene este problema y que se encuentran en zonas remotas. El tamaño de la solución desarrollada permite su instalación en sitios remotos y cubre todo el rango de aplicaciones para agua purificada de contaminantes.

El objetivo es desarrollar un sistema completo de purificación de agua mediante osmosis inversa alimentado con energía solar fotovoltaica, consiguiendo en éste desarrollo el mayor rendimiento posible, de tal manera que el tamaño y por ende el coste disminuyan, y sean accesibles para una gran parte de la población de los valles de nuestra costa peruana donde, por su escasez y mala calidad, es más necesaria ésta solución. En la búsqueda de esta solución apostamos por la robustez de un sistema basado en equipos estandarizados y soluciones cuya innovación este en la unión de dos tecnologías probadas y de altos rendimiento por separado. La necesidad de esa robustez viene de la mano con las localizaciones donde estos sistemas van a ser instalados, estas son zonas donde la mano de obra cualificada, así como las piezas de recambio no son fáciles de encontrar

13. •

BIBLIOGRAFÍA

Proyecto “Obras de control y medición de agua por bloques de riego en el valle de Majes” Estudio de Pre inversión a nivel de perfil. Lima, mayo 2008.

•

Espino Tomas, 2014. Osmosis inversa alimentada mediante energía solar fotovoltaica. Universidad de Canarias – España

•

Castrillón Forero Javier Ernesto, 2012. Potabilizar agua con energía solar, una alternativa para las comunidades más lejanas de centros urbanos. Universidad de Medellín – Colombia

•

Mercado Carolina, 2015. Evaluación de un sistema de desalinización solar, tipo concentrador cilíndrico parabólico de agua de mar. Universidad Católica del Norte – Antofagasta Chile.

•

Hermosillo

Villalobos

Juan,

2001.

Agua

potable

para

micro

comunidades con energía solar. Instituto tecnológico y de estudios Superiores de Occidente – Mexico.

14. •

ANEXOS

Anexo 1

EL DESARROLLO DE LA ENERGÍA SOLAR EN EL PERÚ La energía solar es una de las opciones que se están desarrollando como alternativas a las energías provenientes de la quema de combustibles fósiles. A diferencia de los países nórdicos, el territorio peruano, por estar mucho más próximo al Ecuador, cuenta con sol durante la mayor parte del año. Según el Atlas Solar del Perú elaborado por el Ministerio de Energía y Minas, el Perú tiene una elevada radiación solar anual siendo en la sierra de aproximadamente 5.5 a 6.5 kWh/m2; 5.0 a 6.0 kWh/m2 en la Costa y en la Selva de aproximadamente 4.5 a 5.0 kWh/m2. En el Perú hay tres ámbitos donde se ha desarrollado el uso de energía solar en el Perú. El primer ámbito (y más tradicional) es el uso como fuente térmica a través de termas de agua en zonas del sur peruano, principalmente Arequipa y Puno, departamentos en los que existe cerca de 30 empresas dedicadas a la fabricación y mantenimiento de estos aparatos. No obstante, aún es amplio el camino a recorrer para masificar el uso de paneles solares tanto para áreas urbanas como rurales destinados al uso térmico el cual implicaría menor consumo de la red eléctrica en los hogares (una terma eléctrica es uno de los principales consumidores de energía eléctrica en un hogar). Asimismo, su uso no se limitaría a lo domestico sino también podría incluirse en usos productivos como secadores de granos para la agricultura (en la zona sur la producción de granos andinos como kiwicha, quinua, kañihua es

alta) así como para como la potabilización de agua en aquellas zonas que lo requieran. Otro ámbito donde existen avances es en la provisión de electricidad a las zonas rurales. Según datos del 2011, el 16% población peruana no tiene electricidad en sus casas, cifra que se eleva a 22% en las zonas rurales. Según la Dirección General de Electrificación Rural aún existen cerca de 500 000 hogares ubicados en zonas rurales que quedarían sin ser atendidos por los programas públicos de electrificación. El Plan de Electrificación Nacional de Electrificación Rural cerca de 345 823 hogares deberán ser cubiertos con módulos fotovoltaicos en espacios rurales. Entre los proyectos existentes esta el financiado por el Banco Mundial, el Global Environment Facility – GEF

y el MEM que ya ha

subvencionado la provisión de electricidad a 2 216 hogares que con sistemas fotovoltaicos pilotos. Asimismo, dentro de este esquema existiría en cartera otro subproyectos para llegar a 7 000 hogares más. Otro programa es Euro Solar, que provee 130 pequeñas centrales de energía hibrida (eólico-solar) destinadas a abastecer de energía a postas, colegios y locales comunales rurales. Asimismo, el programa Luz para Todos del Gobierno Central contempla que cerca de 11 640 nueva localidades con servicio eléctrico serán atendidas con fuentes renovables siendo una buena parte de ellas a través de sistemas fotovoltaicos. Entre las opciones para la electrificación rural están los sistemas fotovoltaico domiciliario (SFD). La empresa estatal ADINELSA, encargada de la promoción de la electrificación rural en áreas no concesionadas, ya posee más 1500 SFDs operativos en el sur del país. El tercer ámbito de desarrollo, y el más promisorio, es el que ha surgido con la concesión de las 4 centrales solares que se enlazaran al Sistema

Eléctrico Nacional (SEIN) luego de la primera subasta de suministro de electricidad de Recursos Energéticos Renovables (RER) llevada a cabo por el Ministerio de Energía y Minas. Las compañías españolas T-Solar Global y Solarpack Corporacion Tecnológica son las que construirán estas cuatro centrales fotovoltaicas, con una potencia conjunta de 80 megavatios (mw). Estas empresas han firmado contratos con el Gobierno Peruano que les permite asegurar la venta de electricidad producida de fuentes solares durante un lapso de 20 años. Según Juan Laso, Director General de T Solar, esta adjudicación le permitirá “incrementar la cartera de proyectos en fase de desarrollo de T-Solar, que suman una potencia superior a los 650 MW”. Como vemos, el sector de la energía solar va desde pequeñas instalaciones familiares hasta grandes proyectos de centrales solares. Es interesante que los avances, en este último caso, generen el desarrollo tecnológico y la difusión de esta fuente de energía renovable en el país. Una característica primordial de la energía solar es su capacidad para adecuarse a proyectos de mediana y pequeña envergadura para usuarios individuales. Por ejemplo, en ámbitos urbanos se pueden desarrollar instalaciones fotovoltaicas que se integren a grandes superficies expuestas como estacionamientos, edificios, marquesinas. De hecho, la T –Solar ya desarrolla proyectos de este tipo en España. Este tipo de innovaciones permite acercar la producción de electricidad al punto de consumo evitando pérdidas durante el transporte y además de reemplazar el consumo de energía eléctrica de la red nacional y ahorrar costos a quienes la implementan. No cabe duda de que las opciones de uso de la energía solar son grandes. Lamentablemente, aún existe desconocimiento de aquellos sectores que pueden aprovecharlo más intensamente. Desarrollar este

subsector energético sería crucial ya que es una de las mejores opciones para cambiar la actual matriz energética mundial intensiva en gases de efecto invernadero. •

Anexo 2

¿Cuál es el marco legal de la energía solar en Perú? Por: José Rivera Vila Dentro del marco normativo de Perú, contamos con el Decreto Legislativo Nº 1002, de Promoción de la Inversión para la Generación de Electricidad con el Uso de Energías Renovables. Conozcamos el alcance de éste. Hasta la fecha no se ha estimado el potencial en términos de capacidad de proyectos solares para generación eléctrica. El actual marco normativo de la fotovoltaica es el siguiente: – Ley de promoción de la inversión para la generación de electricidad con el uso de energías renovables – Decreto Legislativo 1002 (mayo 2008). – Reglamento de la generación de electricidad con energías renovables Decreto

Supremo

012-2011-EM

(Marzo

2011).

Reemplaza

al

Reglamento original (Decreto Supremo 050-2008-EM). – Bases Consolidadas de la primera Subasta con Recursos Energéticos Renovables (RER) , aprobadas mediante Resolución Viceministerial N° 113-2009-MEM/VME del Ministerio de Energía y Minas. – Bases Consolidadas de la segunda Subasta con Recursos Energéticos Renovables (RER) , aprobadas mediante Resolución

Viceministerial N° 036-2011-MEM/VME del Ministerio de Energía y Minas. Decreto Legislativo Nº 1002: Decreto Legislativo de Promoción de la Inversión para la Generación de Electricidad con el Uso de Energías Renovables Define como Energías renovables no convencionales a: – Solar Fotovoltaico – Solar Térmico – Eólico– Geotérmico – Biomasa – Hidroeléctrico sólo hasta 20 MW Alcances del Marco Normativo – Energías Renovables en la Matriz de Generación Eléctrica Indica que el MINEM establecerá cada 5 años un porcentaje objetivo en que debe participar, en el consumo nacional de electricidad, la electricidad generada a partir de Recursos Energéticos Renovables (RER), tal porcentaje objetivo será hasta 5% anual durante el primer quinquenio. – Comercialización de energía y potencia generada con Energía Renovable Tiene prioridad en despacho (se le considera con costo variable de producción igual a cero), primas preferenciales en subastas (recargadas

al peaje de transmisión), prioridad en conexión a redes, además de fondos para investigación y desarrollo. – OSINERGMIN fija las tarifas base (máximas) y primas, por categorías y tecnología de ER y mediante mecanismos de subasta. – Las primas son cubiertas por los usuarios como un recargo anual en el Peaje por Transmisión. – OSINERGMIN convocará la subasta en un diario nacional y un medio especializado internacional.