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

Abstract

[SPA] 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.

[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. During the last decade, numerous international environmental agreements have been reached with the main objective of mitigating the climate change effects by promoting actions aimed to reduce CO2 emissions, and integrate renewable energy resource solutions in most sectors of society. Among these sectors, agriculture is susceptible to changing its energy model. From an international point of view, the agricultural sector, and more specifically such agriculture based on groundwater for irrigation, must achieve a set of energy, environmental and economic challenges for the future. Among them, the energy problem emerges as a relevant target, mainly due to the high fossil fuel dependence and its production cost influence. Others aspects, such as the relevant water resource dependence (very scarce in the Mediterranean area), as well as emissions should be also considered and solved. Nowadays, different organizations and administrations, such as the European Union (EU), are promoting a variety of energy model changes through agricultural process and facilities improvements. These solutions are mainly based on the integration of renewable energy systems, due to their potential energy independence benefits their positive environmental impact in terms of emissions. Focused on the groundwater pumping agriculture sector, PVWP (Photovoltaic Water Pumping) systems were proposed in the specific literature as a remarkable alternative to replace current diésel equipment. Nevertheless, most of the reviewed works only analyze their integration in remote rural areas of Africa or Asia, or small agricultural applications. Only a few of papers describe an extensive study (such as Kelley et al., in 2010). Therefore, there is a lack of contributions that address this integration and transition from a multidimensional point of view: economic, energy, environmental, social and hydric management. Moreover, some questions regarding efficiency, sizing or level of use of the energy capable of providing the required pumping power should be analyzed. This scenario thus represents the starting point of this thesis, underlying the developed contributions The proposed methodology of this thesis was based on the solar and water data gathered from two agricultural areas with an over-exploitation problem of the water resources: the aquifer in the region of La Mancha (Aquifer 23) in Spain; and the aquifer in the area of the Fès-Meknès plain (Saïss Aquifer) in Morocco. Subsequently, a statistical study of the resources was carried out and a Geographic Information System (GIS) was integrated into the study, in order to analyze geographically the distribution of resources and their applicability. With the aim of considering other alternatives and pumping system configurations, beyond such solutions commercially offered by the sector, a neural network-based architecture was designed to configure a map of potential alternatives, including: diesel equipment, PVWP isolated and connected to the grid, and systems supplied only by the power systems. These alternatives were then evaluated and characterized from a multidimensional point of view, taking into account different criteria within the economic, energy, environmental, and social fields. A 4D graphical environment was used to make more friendly and easier the characterization and comprehension of the results. Additionally, it was selected a multi-criteria decision-making process (MCDM) based on the classical AHP-TOPSIS methodologies to order the group of identified alternatives. Consequently, these alternatives were classified and prioritize according to their suitability, reliability, benefits and their adaptation to the conditions of each specific case study. This process entailed a preliminary inquiry of experts. From the results, this thesis provides a series of relevant contributions to the integration of renewable energy sources in the groundwater pumping agriculture sector. These contributions include: (i) the determination of the main impacts affecting the sector from a multi-focus analysis; (ii) the multidimensional characterization of energy alternatives aimed at pumping groundwater; (iii) a statistical and geographical analysis with the support of both exportable and scalable GIS methodology for the PVWP implementation and hydric resource management; and (iv) the application of an AHP-TOPSIS decision-making process (MCDM) to evaluate the suitability, reliability and benefits of the different alternatives to supply energy to the pumping systems. Finally, note the relevance of cooperative pumping systems supplied by PV installations connected to grid; mainly due to their potential economic benefits to the sector, their relevant use-of-energy and their high utilization of these renewable installations

[FRA] Au cours de la dernière décennie, de nombreux accords environnementaux internationaux ont été conclus avec pour l’objectif principal d'atténuer les effets du changement climatique en promouvant des actions visant à réduire les émissions de CO2 dans l'atmosphère et l'intégration de solutions d'énergie renouvelable dans tous les secteurs de la société. Parmi ces secteurs, l'agriculture est susceptible de changer son modèle énergétique. D'un point de vue international, le développement du secteur agricole, et plus particulièrement l'agriculture basée sur les eaux souterraines pour l'irrigation doit faire face à une serie de défis énergétiques, environnementaux et économiques pour l'avenir. Parmi eux, la problématique énergétique se démarque, principalement en raison de la forte dépendance aux énergies fossiles et de son influence sur les coûts de production. D'autres aspects doivent également être pris en compte et résolus, comme la dépendance à la ressource en eau (très rare en región méditerranéenne), ainsi que les émissions. Actuellement, certaines organisations et administrations, comme l'Union européenne (UE), promeuvent ce changement de modèle énergétique par l'amélioration des processus et des installations agricoles. Ces solutions reposent principalement sur l'intégration de systèmes d'énergie renouvelable, en raison de leur indépendance énergétique potentielle et de leur impact environnemental positif en termes d'émissions. Plus précisément, dans le secteur agricole du pompage des eaux souterraines, les systèmes PVWP (Photovoltaic Water Pumping) ont déjà été proposés comme une alternative directe pour remplacer les équipements diesel. Néanmoins, la plupart des travaux examinés n'analysent que leur intégration dans les zones rurales reculées d'Afrique ou d'Asie, ou les petites applications agricoles. Seuls quelques articles décrivent une étude approfondie (tels que Kelley et al., in 2010). On manque donc de contributions qui abordent cette intégration et cette transition d'un point de vue multidimensionnel: gestion économique, énergétique, environnementale, sociale et hydrique. De plus, certaines questions concernant l'efficacité, le dimensionnement ou le niveau d'utilisation de l'énergie capable de fournir la puissance de pompage requise doivent être analysées. Cette approche est le point de départ de cette thèse de doctorat et la base des contributions apportées. La méthodologie proposée dans cette thèse est basée sur les données solaires et hydriques recueillies dans deux zones agricoles présentant un problème de surexploitation des ressources en eau: l'aquifère de la région de La Mancha (Aquifère 23) en Espagne, et l'aquifère de la región de la plaine de Fès-Meknès (Aquifère de Saïss) au Maroc. Ensuite, une étude statistique des ressources a été réalisée, ainsi qu'une analyse géographique de la distribution des ressources et de leur applicabilité avec un système d'information géographique (SIG). Dans le but d'envisager d'autres alternatives et configurations de systèmes de pompage, au-delà des solutions proposées commercialement par le secteur, un réseau neuronal artificiel a été conçu pour configurer une carte des alternatives potentielles, incluant: équipement diesel, systèmes PVWP isolés et connectés au réseau, et systèmes fournis uniquement par les réseaux électriques. Ces alternatives ont ensuite été évaluées et caractérisées d'un point de vue multidimensionnel, en tenant compte de différents critères dans les domaines économique, énergétique, environnemental et social. Un espace graphique 4D a été utilisé pour visualiser plus facilement la caractérisation et la compréhension des résultats. De plus, un processus d'aide à la decisión multicritères (MCDM) basé sur les méthodologies classiques AHP-TOPSIS a été sélectionné pour classifier le groupe d'alternatives identifiées. Par conséquent, ces alternatives ont été classifiées et hiérarchisées en fonction de leur adéquation, de leur fiabilité, de leurs avantages et de leur adaptation aux conditions de chaque étude de cas spécifique. Ce processus impliquait une enquête préliminaire d'experts. A partir des résultats, cette thèse fournit une série de contributions pertinentes à l'intégration des sources d'énergie renouvelables dans le secteur agricole du pompage des eaux souterraines. Ces contributions comprennent: (i) la détermination des principaux impacts affectant le secteur à partir d'une analyse multi-focus; (ii) la caractérisation multidimensionnelle des alternatives énergétiques visant le pompage des eaux souterraines; (iii) une analyse statistique et géographique avec le soutien d'une méthodologie SIG exportable et évolutive pour la mise en oeuvre des systèmes PVWP et la gestion des ressources hydriques; et (iv) l'application d'un processus d’aide à la décision AHP-TOPSIS (MCDM) pour évaluer l'adéquation, la fiabilité et les avantages des différentes alternatives pour fournir de l'énergie aux systèmes de pompage. Enfin, l'une des contributions plus importantes est la mise en évidence des systèmes de pompage coopératifs alimentés par des installations photovoltaïques connectées au réseau électrique, en raison de leurs avantages économiques potentiels pour le secteur et de la plus grande utilisation de l'énergie et de l'installation.