Caracterización multidimensional de alternativas energéticas en el bombeo de aguas subterráneas para la agricultura de regadío

Resumen

Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la última década se han alcanzado numerosos acuerdos internacionales en materia ambiental con el objetivo principal de paliar los efectos del cambio climático promoviendo acciones que se dirijan hacia la reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera, y la integración de soluciones energéticas renovables en todos los sectores de la sociedad. Entre estos sectores destaca la agricultura como uno de los más susceptible cambiar su modelo energético. En el panorama internacional, el desarrollo del sector agrario, y concretamente la agricultura que se provee de aguas subterráneas para el riego, debe afrontar de manera añadida una serie de retos de cara al futuro. Entre ellos destaca el problema energético, principalmente debido a su fuerte dependencia de los combustibles fósiles afectando finalmente al coste de producción. Sin embargo, no hay que olvidar la dependencia con los recursos hídricos, muy escasos en la franja mediterráneas, y los problemas de emisiones a los que contribuye la agricultura. En la actualidad, algunos organismos y administraciones, como la Unión Europea (UE), están propiciando ese cambio de modelo energético a través de mejoras en los procesos e instalaciones agrícolas, integrando sistemas de energía de carácter renovable por sus beneficios hacia la independencia energética del sector y por su positivo impacto ambiental en cuanto a las emisiones de CO2. De manera más concreta, en el sector de la agricultura por bombeo de aguas subterráneas los sistemas PVWP (Photovoltaic Water Pumping) ya han sido propuestos como alternativa directa como protagonistas de la sustitución de los equipos diésel. Sin embargo, aunque muchos estudios anteriores versan sobre estos sistemas, la mayoría de ellos solamente analizan su integración en zonas rurales remotas de África o Asia, o se centran en aplicaciones agrícolas de pequeño tamaño. Por lo tanto, se observa que, a tenor de los pocos estudios existentes en profundidad (como el de Kelley en al., en 2010), esta transición se está realizando sin el rigor de un análisis académico en profundidad que indague de las configuraciones óptimas o más idóneas para su aplicación en el sector. Este escenario genera algunas cuestiones sobre la eficacia en su aplicación, dimensionamiento o nivel de aprovechamiento de la energía capaz de generar el sistema respecto de la requerida para el bombeo. Por tanto, se destaca la necesidad de un examen exhaustivo de las soluciones energéticas para la agricultura abastecida por el bombeo de aguas subterráneas y la forma óptima de aplicarlas desde un enfoque multidimensional: económico, energético, hídrico, ambiental y social. Este enfoque supone el punto de partida de la presente tesis doctoral y la base de las aportaciones realizadas. Así, la metodología general de la investigación llevada a cabo partió de la recopilación de datos solares e hídricos de dos zonas agrícolas con un evidente problema de sobreexplotación de los recursos hídricos del acuífero: el área de La Mancha (Acuífero 23) en España y la zona de la llanura de Fès-Meknès (Acuífero Saïss) en Marruecos. Posteriormente, se realizó un estudio estadístico de los recursos y se integró un Sistema de Información Geográfica (SIG) con el que analizar geográficamente la distribución de los recursos y su aplicabilidad. Con el fin de considerar otras alternativas y configuraciones en los sistemas de bombeo, más allá de los que el mercado ofrece para los agricultores, se diseñó una red de alternativas a partir de varias opciones, entre ellas: los equipos diésel, los sistemas PVWP aislados y conectados a la red eléctrica, y los sistemas abastecidos solamente por la red eléctrica. A continuación, y con el objetivo de poder evaluar cada alternativa, se caracterizaron desde un punto de vista multidimensional, atendiendo a diferentes criterios dentro de los ámbitos económicos, energéticos, ambientales, hídricos y sociales. Para visualizar los resultados de este proceso de caracterización, se utilizaron gráficas 4D con las que ofrecer una información lo más completa y visual posible. Tras ello, se hizo uso de técnicas de toma de decisiones multicriterio (MCDM), a través de una metodología conjunta AHP-TOPSIS, con la que, a partir de los criterios con los que se evaluaron las alternativas, clasificar en orden de idoneidad la solución que mejor se adaptase a las condiciones del caso de estudio. Este proceso conllevó también una encuesta previa a expertos. Atendiendo a los resultados, esta tesis doctoral ha supuesto una serie de contribuciones relevantes en la integración de soluciones de carácter renovable en el sector de la agricultura de bombeo de aguas subterráneas. Entre ellas destacan: (i) la determinación y el análisis de los principales impactos que afectan al sector desde diferentes puntos de vista; (ii) la caracterización multidimensional de las alternativas energéticas dirigidas al bombeo de aguas subterráneas; (iii) el análisis geográfico con el apoyo de una metodología de información geográfica (GIS) exportable y escalable de los recursos hídricos y solar para la implantación de PVWP; (iv) y finalmente la utilización de un proceso AHP-TOPSIS de toma de decisiones multicriterio (MCDM) para evaluar la idoneidad de las configuraciones y alternativas con el fin de suministrar y cubrir las necesidades energéticas los sistemas de bombeo. Finalmente, una de las contribuciones destaca sobremanera, y es la puesta en relevancia de los sistemas de bombeo cooperativo abastecidos por instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica, por sus posibles beneficios económicos al sector y el mayor aprovechamiento de la energía y de la instalación de un examen exhaustivo de las soluciones energéticas para la agricultura abastecida por el bombeo de aguas subterráneas y la forma óptima de aplicarlas desde un enfoque multidimensional: económico, energético, hídrico, ambiental y social. Este enfoque supone el punto de partida de la presente tesis doctoral y la base de las aportaciones realizadas. Así, la metodología general de la investigación llevada a cabo partió de la recopilación de datos solares e hídricos de dos zonas agrícolas con un evidente problema de sobreexplotación de los recursos hídricos del acuífero: el área de La Mancha (Acuífero 23) en España y la zona de la llanura de Fès-Meknès (Acuífero Saïss) en Marruecos. Posteriormente, se realizó un estudio estadístico de los recursos y se integró un Sistema de Información Geográfica (SIG) con el que analizar geográficamente la distribución de los recursos y su aplicabilidad. Con el fin de considerar otras alternativas y configuraciones en los sistemas de bombeo, más allá de los que el mercado ofrece para los agricultores, se diseñó una red de alternativas a partir de varias opciones, entre ellas: los equipos diésel, los sistemas PVWP aislados y conectados a la red eléctrica, y los sistemas abastecidos solamente por la red eléctrica. A continuación, y con el objetivo de poder evaluar cada alternativa, se caracterizaron desde un punto de vista multidimensional, atendiendo a diferentes criterios dentro de los ámbitos económicos, energéticos, ambientales, hídricos y sociales. Para visualizar los resultados de este proceso de caracterización, se utilizaron gráficas 4D con las que ofrecer una información lo más completa y visual posible. Tras ello, se hizo uso de técnicas de toma de decisiones multicriterio (MCDM), a través de una metodología conjunta AHP-TOPSIS, con la que, a partir de los criterios con los que se evaluaron las alternativas, clasificar en orden de idoneidad la solución que mejor se adaptase a las condiciones del caso de estudio. Este proceso conllevó también una encuesta previa a expertos. Atendiendo a los resultados, esta tesis doctoral ha supuesto una serie de contribuciones relevantes en la integración de soluciones de carácter renovable en el sector de la agricultura de bombeo de aguas subterráneas. Entre ellas destacan: (i) la determinación y el análisis de los principales impactos que afectan al sector desde diferentes puntos de vista; (ii) la caracterización multidimensional de las alternativas energéticas dirigidas al bombeo de aguas subterráneas; (iii) el análisis geográfico con el apoyo de una metodología de información geográfica (GIS) exportable y escalable de los recursos hídricos y solar para la implantación de PVWP; (iv) y finalmente la utilización de un proceso AHP-TOPSIS de toma de decisiones