Sistema de Abastecimiento Urbano de Agua mediante Energía Solar


Paneles Solares
Este artículo describe y analiza conceptos nuevos e innovadores para la posible integración de la energía solar fotovoltaica (PV) en los sistemas de abastecimiento urbano de agua. El sistema propuesto consiste en un generador fotovoltaico y un inversor, una estación de bombeo y un depósito de agua. 


El sistema se dimensiona de tal forma que cada una de sus partes se clasifica por separado y luego se integran en un todo. Dicha integración es deseable por varias razones: la más importante es el éxito de los objetivos de la vida sostenible en las zonas urbanas, esto es, el desarrollo de un sistema sostenible de abastecimiento urbano de agua. El mayor desafío tecnológico asociado con el uso de energía solar, eólica y otras fuentes de energía renovable intermitentes, es que el almacenamiento de energía eléctrica sea económico y amable con el medio ambiente. En este artículo se revisa el uso de reservorios de agua en los sistemas de abastecimiento, como una forma de almacenamiento de energía eléctrica. La solución propuesta es aún más costosa que la tradicional y, hoy en día, es económicamente aceptable en los casos de sistemas aislados de agua urbana y situaciones especiales. Una aplicación más amplia dependerá de las futuras tendencias de los precios de la energía, los costos de construcción de los generadores fotovoltaicos y las necesidades de reducción de CO2 por la infraestructura de agua urbana.

El mundo actual se enfrenta a un número creciente de habitantes que se concentran en todas las principales ciudades, principalmente en la zona marítima costera. En un mundo cada vez más urbanizado, es necesario planificar y gestionar nuestras ciudades para mantenerlas. Es necesario esforzarse por las zonas urbanas que contribuyen al desarrollo sostenible local, regional y mundial. Naturalmente, esto también se aplica a las infraestructuras y servicios urbanos, incluido el sistema de agua urbano (UWS). Los sistemas urbanos de agua (UWS) es decir, abastecimiento de agua y saneamiento, prevención de inundaciones y drenajes, controles de contaminación, son infraestructuras que reducen significativamente los problemas de salud ambiental y contribuyen así a la sostenibilidad de las ciudades y al desarrollo sostenible en general.

El mayor desafío para la operación del sistema de agua urbana moderna es mantener el agua y las aguas residuales fluyendo a un ritmo asequible, sin amenazar el entorno natural urbano y más amplio. Esto se logra de varias maneras, y una es mediante el uso de recursos renovables (ONU, 1992). El agua es un recurso principal del sistema de abastecimiento urbano de agua (UWSS) y el otro recurso clave para el funcionamiento de UWSS es la energía.

Sostenibilidad, UWSS y energías renovables

La energía es necesaria para llevar el agua a los consumidores y tomar aguas residuales de las ciudades a los recursos hídricos, o para reciclar. Una característica de UWSS es que el agua el consumo va de la mano con el consumo de energía, Dado que la energía es necesaria para la producción de agua, el tratamiento y distribución, y recolección y tratamiento de aguas residuales. Significa que las utilidades compran más energía al precio más alto durante el día. Las actividades UWSS son intensivas en energía y en general, crecen como la ciudad y el consumo total de agua crecer. Cerca de 80-90% de los costos de operación para la utilidad del agua son directamente relacionado con el costo del bombeo de agua, ya que el agua tiene que ser traída a una elevación más alta para producir la presión de agua requerida en la red de agua, que es cerca de 4-6 bares. Con el aumento esperado en los precios de la energía, la parte de los costos de energía en los costos de operación de UWSS sin duda crecerá y la pregunta es exactamente cómo mucho y con qué impacto en la sostenibilidad de la UWS. El consumo de energía eléctrica en el UWSS depende sobre las características del entorno urbano y la UWSS y gamas a partir de 100-200 kWh/cápita/año. Esto significa que el UWSS es una importante fuente de emisiones de CO2 como resultado del uso de
energía de los combustibles fósiles.

Además de las medidas de eficiencia energética, la reducción en los costos de energía se consigue generalmente cambiando el consumo de energía tanto como sea posible a los períodos fuera de pico (energía más barata), y por el uso de energías renovables. Así, sustentabilidad se puede mejorar por el desarrollo renovable "energía producida y consumida localmente".

Producción de energía del viento y de la energía solar, pequeño hidroeléctrico plantas, biomasa y geotermia se considera energía verde. La energía renovable es una fuente inagotable de energía que se reabastece rápidamente. Estas fuentes de energía no causan contaminación ni liberan sustancias tóxicas. Sin embargo, las fuentes de energía renovables de baja intensidad de energía, por lo que a fin de convertirlos en útiles energía la colección necesita ser distribuida en grandes áreas. Hay que subrayar que la energía renovable es subconjunto a la energía sostenible.
paneles solares
Esto plantea la cuestión de si la RES puede ser elegible y cómo deben ser utilizadas por el UWSS, como sistema autónomo de producción de energía para diferentes usuarios de UWSS (es decir, para estaciones de bombeo), o por conexión con la red de redes de energía, local o regional. El desarrollo tecnológico actual y el uso de res no sin embargo, una alternativa completa y productiva a los fuentes de energía. El problema es que la más importante fuente RES, tales como energía solar y eólica, llamadas intermitentes RES, no se puede dirigir hacia el consumo de energía y siguen siendo fuentes estables y controlables, tales como Hydro, Geotermia, biomasa y otros, llamada constante (res-C). Energía solar y eólica no son constante, ya que los generadores eólicos producen energía un viento apropiado sopla y los generadores solares solamente durante el período de la luz del sol. Por lo tanto, estos RES no pueden producir energía continuamente y abastecer a un consumidor, así que es necesario hibridarlos con fuentes convencionales mediante el sistema de red de energía eléctrica o el uso de Almacenamiento de energía (EES).

De esta manera, EES tiene el papel más importante en la realización de suministro de energía verde a UWSS. Numerosas tecnologías de almacenamiento de energía conocidos hoy en día (baterías, volante, presión (buques, etc), que difieren en: tamaño, los costos de almacenamiento de energía, eficacia, curso de la vida, costes por ciclo, etc. Es bien sabido que ninguna de las tecnologías actuales podría, en términos de calificaciones, ser comparada con el almacenamiento por bombeado en planta hidroeléctrica de almacenamiento (PSH). Precisamente debido a eso, PSH es hoy todavía la EES más significativa, que es una tecnología madura con el volumen grande, almacenaje largo de alta eficiencia y fiabilidad, mientras que el costo de capital por la unidad de energía es baja.

Obviamente la solución más confiable para UWSS es el uso de energía verde del sistema de energía verde/red. Tales sistemas de energía todavía no existen y esto es para UWSS una solución a largo plazo para el momento en que dicha energía verde red estará disponible. Naturalmente, la pregunta es Si existe una solución local para el uso de la energía verde (sistema autónomo) que satisfaría los rigurosos criterios relacionados con la fiabilidad del UWSS y contribuyen a el logro de los objetivos de sostenibilidad. Esto debe ser una solución que utilizaría la res disponible localmente y su propio sistema de infraestructura como almacenamiento de energía, y si es posible como recurso energético. Por lo tanto, a la res intermitente, el viento y solar las fuentes RES -I, podrían usarse con hidro, biomasa y otros estable RES -C, si está disponible dentro o cerca del área urbana. Esta solución obviamente requiere fiabilidad y económicamente solución asequible de almacenamiento y red de energía; Una la solución posible se presenta en este papel.

Integración de RES con UWSS

La RES -I que, debido a su distribución global, puede ser ampliamente utilizados en el UWSS son el viento y la energía solar. El viento es una fuente de energía global y local, disponible en numerosas ubicaciones con diferente potencial energético. Energía eólica deriva de vientos que son generados por la energía solar. El Proyecto de desarrollo eólico comienza con el análisis de un sitio ventoso, ya que la economía de la energía eólica depende estrictamente en la velocidad del viento y la duración durante el año. La energía real contenida en el viento varía con la tercera potencia de la velocidad del viento. Una cosa es seguro: no hay una ubicación de viento cerca de la UWSS que es suficientemente fiable y golpes a la velocidad adecuada en todo el año y así, de año en año. Por lo tanto, la producción es posible y su característica es una alta imprevisión de ocurrencia y duración. Esta característica de las turbinas eólicas es en realidad el más grande problema para la fuente de energía fuera de la red para UWSS. En la otra mano, más o menos energía solar está sobre todo disponible todos los días y el sol como fuente de energía para la energía la generación es más confiable que el viento. Esta energía es gratis y está disponible en cada lugar donde la gente vive. En principio, la energía solar se puede generar dondequiera en la tierra, pero con una productividad diferente; cuanto más brillante sea la luz del sol, más alto el rendimiento y mejores características económicas del generador de energía. Obviamente, una solución prometedora para el suministro de energía sostenible puede ser por el uso de la energía solar.

Dos tipos de generadores solares en uso son las plantas solares fotovoltaicos (PV) y plantas solares térmicas (St). Las Plantas fotovoltaicas convierten la luz del sol directamente en energía eléctrica. Son muy simples las plantas, pero basadas en tecnología innovadora que es energía intensiva. Las plantas del St utilizan el sol simplemente como la fuente del calor. El calor es capturado, concentrado y utilizado para conducir el calor motores y generadores de electricidad. Son plantas complejas sobre todo basado en la tecnología existente de la central eléctrica. Sólo pueden generar electricidad cuando el sol brilla. Durante la noche no hay sol y electricidad, que es la mayor debilidad de las plantas. Para poder producir energía continua fuera de los usuarios de la red que requieren algún tipo de combustible clásico de respaldo o incorporar energía eléctrica almacenamiento. Es importante enfatizar que la "energía solar libre" energía "está disponible en el período en que la energía del sistema energético regional es el más costoso (generalmente de 6 a 18 horas) y los ahorros en costos de energía son el más grande. Además, la producción anual de energía en algunas áreas coinciden con el aumento anual de consumo del agua (por ejemplo áreas turísticas mediterráneas).

El res-C que podría tener su aplicación en el UWSS es Geotermia, biomasa y pequeñas centrales hidroeléctricas. Estos son fuentes específicas de energía del sitio, y tecnológicamente muy diferentes. La energía geotérmica se obtiene de la tierra el calor interno y se puede utilizar para generar el vapor para funcionar turbinas de vapor y generadores de electricidad. Un prerrequisito para la instalación de esta fuente de energía es la existencia de condiciones geotérmicas favorables cerca o en las ciudades. La biomasa incluye cualquier materia orgánica que esté disponible sobre la base renovable o recurrente. La energía de la biomasa puede ser derivado de la biomasa gaseosa, sólida o líquida. Ya que es renovable y abundante, la biomasa tiene el potencial de ofrecer fuente diversa de confiable, comprable y ambientalmente productos químicos sólidos y energía para reemplazar los combustibles fósiles. La Biomasa incluye cultivos energéticos y árboles, cultivos agrícolas residuales, los abonos animales y otros materiales de desecho orgánico, así como lodos de plantas de tratamiento de aguas residuales. Biomasa la energía (biomasa gaseosa) se ha utilizado durante mucho tiempo en las plantas de tratamiento de aguas residuales, pero no en UWSS. La fuente de energía es gas metano (Bio-metano) generado por la energía almacenada en lodo, por el proceso de anaerobios digestión del lodo.
sistema de aguas residuales

La avanzada tecnología de lecho fluidizado también se ha utilizado para tratamiento del lodo produciendo energía eléctrica y calor. Es una tecnología probada, así como su economía. Desafortunadamente, la energía disponible no es suficiente para satisfacer todas las necesidades de UWSS. La energía hidroeléctrica es una fuente clásica y económicamente ventajosa de energía verde, pero a menudo no está disponible localmente o en las ciudades. No produce gases de efecto invernadero significativos. Sin embargo, puede tener otros impactos ambientales relacionados a la construcción del almacenaje, pero las plantas o las plantas pequeñas sin los pequeños almacenes tienen impactos ambientales insignificantes.

Los conceptos de integración de la energía solar energía fotovoltaica y UWSS

Sistema solar fotovoltaico de bombeo de agua

Un prerrequisito para el uso de la energía solar es la implantación de almacenamiento de energía eléctrica. Si algunos de la operación EES (mecánica, eléctrica, química y (electroquímica) no se puede utilizar porque son caros y de las características inaceptables para el trabajo en UWSS verde (operación libre de la contaminación, alta eficacia del redondo-viaje, energía flexible, vida de ciclo larga y mantenimiento bajo), la única solución es la integración interna de la energía solar con UWSS en una manera tal que elimine el uso de tales EES (pilas). La integración interna con UWSS se refiere al uso de embalses de agua UWSS como EES. Esto es un poco concepto innovador que se elabora en este documento. La solución para el uso de res intermitentes está relacionada con el uso de los almacenajes del agua en el sistema de UWSS, que esencialmente actúa como almacenamiento de energía. En los sistemas de abastecimiento de agua, almacenamientos son acumulaciones o embalses de agua cruda y reservorios de servicio en el sistema de distribución de abastecimiento de agua.

El concepto de usar energía solar y reserva/almacenaje es conceptualmente simple. Es el concepto de agua bombeo en el almacenaje: por ejemplo, en el caso del agua depósitos de servicio el agua se bombea en los depósitos de servicio en el período en que la energía solar está disponible. La reserva de se utiliza continuamente en el sistema de acuerdo con necesidades.

La insolación diaria varía considerablemente día a día, dependiendo de las condiciones climáticas (nubosidad) en el día en cuestión. Sin embargo, la tendencia general de los cambios es estable durante todo el año (valores medianos mensuales) y en según las características climáticas del área. También, el patrón de irradiación del sol es generalmente muy estable durante el día. Puede ser interrumpido dependiendo del día nubosidad.

En el concepto propuesto la planta de energía fotovoltaica recibe energía del sol. Esta energía se convierte en trabajo (energía mecánica) de la bomba, que aumenta la energía interna del volumen del líquido o del agua en el particular elevación necesaria. De esta manera, sin aplicar calor, el trabajo hecho en el líquido a través de la bomba levanta el interno energía del líquido del más bajo al nivel del agua superior o de la ingesta de agua al reservorio. Parte de la energía se pierde en este proceso. Las pérdidas se asocian con el flujo másico, el trabajo interacción e interacción térmica. Las pérdidas son las más altas en el generador fotovoltaico, y se refieren a la conversión de solar a energía eléctrica (cerca de 87%;) mientras las pérdidas son significativamente menores en el sistema de bombeo (10- 15) y se relacionan sobre todo con pérdidas en fricción debido al movimiento fluido a través de las pipas y del equipo. El agua en el depósito/cámara es el potencial disponible energía para el flujo de agua.

Puesto que la irradiación solar está sobre todo más o menos disponible cada día durante unas 12 horas, la realización de este concepto para bombear el agua en el sistema de abastecimiento de agua es factible y barato. El agua se bombea en el período donde el consumo es el más alto, por lo que en principio, no aumente el volumen del depósito de servicio. Durante el día todas las cantidades que se consumen durante la noche también deben se bombean y son significativamente menos que el diario cantidad. En cualquier caso, el volumen del depósito de servicio debe sea más pequeño que en el caso cuando el agua se bombea solamente en noche debido al uso de energía más barata. El espacio de repuesto puede ser proporcionado en el embalse para el caso de interrupciones en la energía y el suministro de agua. La solución debe tener el nivel requerido de seguridad de acuerdo con las características de la irradiación solar en el período de diseño/planificación, uno o varios años críticos, que se puede conseguir con la selección apropiada del PV del generador de energía y del depósito del volumen servicio.

Discusión y Conclusiones

En conclusión, se puede decir que el concepto propuesto ya tiene su aplicación en ciertas situaciones y en el futuro, las condiciones para la aplicación es más favorable. Esto es particularmente cierto para el sistema de abastecimiento de agua existente con exceso de capacidad depósito de servicio y estación de bombeo para que la inversión sólo se aplica al generador PV. Sin embargo, la más importante conclusión es que el concepto propuesto puede ser un sustituto del suministro de energía eléctrica convencional y que es localmente sustentable.

Este concepto ya ha justificado su uso en todas las situaciones cuando no es posible utilizar energía eléctrica del sistema energético regional o cuando el uso es poco fiable y irregulares debido a las malas condiciones o a la falta de capacidad sistema de energía. Estos son sistemas de suministro de agua Islas o lugares significativamente distantes de la electricidad, redes de suministro y centrales eléctricas convencionales.

El concepto propuesto también se puede utilizar como una forma de sistema de respaldo que durante los períodos de insolación diaria trabaja y cubre el consumo máximo de energía en el sistema (la energía más costosa) y también sirve como un suministro parcial de energía si hay una interrupción del suministro del poder de la red eléctrica. La capacidad óptima de PV se debe determinar el generador y otras infraestructuras mediante la aplicación de un análisis exhaustivo de la cuestión concreta. Apoyo energético al suministro de energía clásica puede también tener carácter estacional, cuando debido al verano el consumo de agua aumenta, pero al mismo tiempo, debido a la mayor insolación del verano (que es) la razón usual para el turismo), la producción de energía solar aumentos (zona mediterránea). Por lo tanto, es posible producción local de energía y aumentar así la seguridad y posiblemente la eficiencia del suministro de energía, sin aumentar la capacidad de las líneas de suministro de energía para necesidades durante la temporada de turismo corto (3-5 meses). Durante el período fuera de temporada el generador PV sirve como sistema de suministro de energía completo o de reserva. En este caso hay no aumenta la capacidad de la infraestructura de agua (bomba (estación y Embalse), ya que son de tamaño a los picos de verano en consumo de agua que son 5-10 veces más alto que el invierno consumo.

Normalmente, todas las posibilidades de aplicar el concepto propuesto no se han agotado. Ahora depende de los ingenieros y investigadores a investigar y estudiar y actualizar la concepto propuesto y su posible aplicación. Este tipo de inversión podría cambiar el sistema de agua urbano y proporcionar a las generaciones venideras un futuro más brillante.


 Margeta J., and Đurin, B. (2017).Innovative approach for achie- ving sustainable urban water supply system by using solar photovoltaic ener- gy. Ingeniería e Investigación, 37(1) 58-67. DOI 10.15446/ing.investig.v37n1.57983

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