Flujo energético e indicadores de eficiencia en pivotes centrales de riego

Energetic flow and efficiency indicators in center pivot irrigation

Aureo Cezar-de-Lima¹*, Sebastião Camargo-Guimarães-Jr.², Carlos R. Fietz³, José R. Camacho²

¹ Centro Federal de Educação Tecnológica de Petrolina. CEFET-Petrolina. Unidade Industrial, BR 407, km 08, jardim São Paulo, Petrolina, PE-Brasil. *Autor responsable. (aureocl@terra.com.br).

² Núcleo de Eletricidade Rural e Fontes Alternativas de Energia. Universidade Federal de Uberlândia. Av. Engenheiro Deniz, 1178, Caixa postal 593, CEP 38.400-902. Uberlândia, MG-Brasil (scguimaes@ufu.br) (jrcamacho@ufu.br).

Recibido: Noviembre, 2007.
Aprobado: Septiembre, 2008.

Resumen

Con un área de riego de aproximadamente 710.6 mil ha, se calcula un consumo anual de 1928 GWh en los sistemas de riego por pivote central instalados en Brasil. Considerando la necesidad de reducir los costos de producción, en este trabajo se estratifican las energías en pivotes centrales y se proponen indicadores que asocian la eficiencia energética a la hídrica y permiten comparar los sistemas de riego en condiciones topográficas diferentes. Estos indicadores fueron aplicados a tres sistemas de riego donde se verificó consumos específicos normalizados, variando entre 12.89 y 31.24 kWh mm ¹ ha^-110^-2 m^-1, y eficiencias de riego entre 8.7% y 21.1%.

Palabras clave: Consumo específico, evaluación, rendimiento, riego por aspersión.

With an irrigated area of approximately 710.6 thousand ha, an annual consumption of 1928 GWh is calculated in the systems of center pivot irrigation installed in Brazil. Considering the need to reduce production costs in this paper, the energies are stratified in center pivot and indicators are proposed that associate energetic efficiency to hydric efficiency and make it possible to compare the irrigation systems under different topographic conditions. These indicators were applied to three irrigation systems where normalized specific consumptions were verified, varying between 12.89 and 31.24 kWh mm^-1 ha^-1 10^-1 m^-1, and irrigation efficiencies between 8.7% and 21.1%.

Key words: Specific consumption, evaluation, yield, sprinkler irrigation.

INTRODUCCIÓN

El área irrigada en el Brasil es 3.4 millones ha, o sea, 7.1% del total agrícola sembrada con los 13 principales cultivos en el país. El método de riego por superficie ocupa 1729.8 mil ha, los pivotes centrales 710.6 mil ha, la aspersión convencional 662.3 mil ha, y el riego localizado 337.8 mil ha (Christofidis, 2006).

En la región de Dourados, en la cual está enclavado el Asentamiento Itamarati, pueden ocurrir altos índices de deficiencia hídrica todo el año, justificando técnicamente el uso del riego, en carácter complementario, en los cultivos de soya (Glycine max) (Fietz y Urchei, 2002), trigo (Triticum aestivum) (Fietz y Urchei, 2003) y maíz (Zea mays) (Fietz y Urchei, 2006). Con base en la distribución de la frecuencia de la evapotranspiración de referencia en la región Dourados, se ha objetado el dimensionamiento de sistemas de riego. Para el cultivo del maíz, se tomó 75% como nivel de probabilidad y con un coeficiente de cultivo de 1.05, la evapotranspiración recomendada como parámetro para dimensionamiento de sistemas de riego es 6.2 mm día^-1.

Con 20.65% del área regada en Brasil, el riego utilizando pivotes centrales, aún en la concepción y proyecto, se hace con conflictos de intereses. Equipos con alto índice de eficiencia propician economía de energía, aumento en la inversión, pero el desconocimiento de indicadores de eficiencia y la competencia entre proveedores resultan en proyectos con elevadas pérdidas. Además, el rendimiento de los pivotes centrales se reduce durante su vida útil debido al desgaste de la bomba y difusores, incrustaciones en las tuberías y fugas. Así, la evaluación de estos sistemas puede determinar el potencial para implementar medidas de eficiencia energética, reducir el desperdicio de energía y agua, y aumentar la productividad del cultivo regado. En Brazil, este potencial está calculado en 20% en el consumo de agua y 30% en el consumo de energía (CEMIG, 1993).

La eficiencia de un sistema de riego por pivote central puede ser analizada mediante indicadores agrícolas y energéticos. Los indicadores agrícolas buscan evaluar la distribución de la lámina de agua en el área de riego y su aprovechamiento; los indicadores energéticos evalúan el consumo específico de energía en los componentes del pivote central.

La calidad de riego de los sistemas pivotes centrales puede ser evaluada por el Coeficiente de Uniformidad de Heerman y Hein (ABNT, 1998) y por la Eficiencia de Aplicación (Bernardo et al., 2005). El Coeficiente de Uniformidad de Heerman y Hein es un indicativo del desempeño del conjunto de emisores en las condiciones de campo, ambiente y presión, donde un valor menor que 80% es caracterizado como malo, entre 80% y 84% regular, 85% y 90% bueno, y, sobre este valor, muy bueno. La Eficiencia de Aplicación alcanza 98% en el riego localizado, se encuentra entre 65% y 85% para riego por aspersión y puede ser inferior a 40% para riego por inundación (Moreira, 2006).

Los indicadores energéticos de potencia y consumo específico actualmente utilizados no son suficientes para caracterizar la eficiencia global de un sistema de riego. Diferentes topografías pueden ocultar las evaluaciones donde, por ejemplo, una mayor relación potencia por metro cúbico puede estar asociada a un mayor desnivel entre la fuente de abastecimiento y el área de riego y no a la menor eficiencia energética. Así, los indicadores de potencia o consumo específico de energía necesitan ser adaptados para caracterizar la eficiencia energética del sistema, posibilitando la comparación entre equipos instalados en condiciones topográficas diferentes a través de un patrón de eficiencia.

En este trabajo se determinan el flujo energético y se proponen indicadores que asocian la eficiencia hidráulica a la energía disipada en sistemas de riego de pivote central. Esta evaluación es aplicada a tres equipos instalados en el Asentamiento Itamarati I, localizado en Ponta Porã, MS, Brasil, (22° 32' S y 55° 43' O). En los últimos treinta años, la Hacienda Itamarati fue un símbolo nacional de la agricultura moderna, combinando técnicas innovadoras con tecnología de punta, como sistemas de riego del tipo pivote central. Los sistemas pivote central fueron dimensionados para el cultivo de trigo, pero debido a los cambios en el mercado agrícola brasileño y mundial, esos equipos son actualmente utilizados principalmente en el riego de soya y maíz, alcanzando productividad media de 3.0 y 6.5 t ha^-1.

El consumo específico normalizado en el riego propuesto determina la energía necesaria para regar 1 mm en por lo menos 80% de 1 ha para un desnivel topográfico igual a 100 m. La eficiencia de riego propuesta parte de la obtención de la potencia útil del sistema de riego a partir del caudal útil y del desnivel topográfico de bombeo. Así, el consumo específico normalizado en el riego y la eficiencia de riego en un pivote central posibilitan asociar los indicadores agrícolas a los energéticos del sistema, determinando la dependencia entre energía, eficiencia de aplicación y coeficiente de uniformidad de Heerman y Hein cuando se establece un área adecuadamente regada.

De esta forma, a partir de los indicadores propuestos se puede evaluar y comparar un sistema de riego por pivote central mediante un patrón de eficiencia bajo cualesquiera condiciones topográficas de instalación. Estos indicadores propician además la competencia por productos más eficientes entre proveedores, así como el seguimiento del desempeño energético durante la vida útil de esos sistemas.

MATERIALES Y MÉTODOS

Desarrollo de los indicadores de eficiencia

Un pivote central puede ser analizado según su flujo energético (Figura 1). Así, si la potencia de entrada del equipo (Ecuación 1) puede ser obtenida a partir de la energía medida en el motor de la bomba, la potencia útil de salida debe ser caracterizada. Partiendo de la conceptuación física, la potencia útil del equipo puede ser determinada a partir del desnivel topográfico entre la fuente de abastecimiento y el punto más desfavorable del área de riego (Ecuación 2).

Las potencias disipadas en la línea de conducción, línea lateral y aspersión pueden ser determinadas a partir de la pérdida de carga (Δh) en cada uno de estos elementos, conforme la Ecuación 3. La potencia disipada en el conjunto motobomba (Ecuación 5) puede ser obtenida a partir de la diferencia entre la potencia de entrada del equipo (Ecuación 1) y la potencia hidráulica en la salida de la bomba (Ecuación 4).

donde, P_e es la potencia eléctrica medida en el motor (kW); ϒ es el peso específico del agua a 4 °C (9.81 kN m^-3); Q_s el caudal bombeado por el sistema (m³ s^-1); H_m es la altura manométrica proporcionada por la bomba (mca); η_mb es el rendimiento del conjunto motobomba (%); P_UE es la potencia útil del equipo (kW); hg es el desnivel topográfico entre la fuente de abastecimiento y el aspersor en la condición más desfavorable del sistema (m); P_d es la potencia disipada en el elemento (kW); Δh es la pérdida de carga en el elemento (mca); P_H es la potencia hidráulica en la salida de la bomba; P_dmb es la potencia disipada en el conjunto motobomba (kW).

Obtenidas las potencias disipadas en cada elemento del pivote central de riego, es posible determinar sus indicadores de eficiencia. Dividiéndose la potencia de entrada (Ecuación 1) por el caudal a 100 m de altura manométrica, considerando las conversiones de las unidades utilizadas, se obtiene el indicador de eficiencia del conjunto motobomba presentado en IWA (2000) (Ecuación 6).

donde, C_EN es el Consumo de energía normalizado en el conjunto motobomba (kWh m^-3 10^-2 m^-1).

Dividiendo la potencia disipada en la succión, línea de conducción y línea lateral (Ecuación 3) por el caudal y 1 km de tubería, considerando las conversiones de las unidades utilizadas, se determina el consumo específico normalizado en la tubería para 1 km, o sea, la potencia hidráulica por metro cúbico necesaria para conducir el fluido en 1 km de tubería a nivel (Ecuación 7).

donde, C_ENT es el consumo específico normalizado en la tubería para 1 km (kWh m^-3 km^-1); l es la longitud de la tubería (m).

donde, EA₈₀ es la eficiencia de aplicación para 80% del área adecuadamente regada (%); es el caudal que riega adecuadamente 80% del área (caudal útil) (m³ s^-1); C_EAsp es el consumo específico para riego por aspersión (kWh mm^-1 ha^-1).

La evaluación completa del sistema propuesta en este trabajo puede ser determinada por el consumo específico normalizado en el riego por aspersión (Ecuación 10) y por la eficiencia de riego (Ecuación 11), determinada por la relación entre la potencia útil al riego (Ecuación 12) y la potencia eléctrica de entrada (Ecuación 1).

donde, C_ENI es el consumo específico normalizado en el riego en 100 m de desnivel topográfico (kWh mm^-1 ha^-1 10^-2 m^-1); E¡ es la eficiencia del riego (%); P_m es la potencia útil en el riego (kW).

Aplicación de los indicadores

El flujo energético y los indicadores propuestos en este trabajo fueron aplicados a tres equipos instalados en el Asentamiento Itamarati I, localizado a 22° 32' S y 55° 43' O, en el municipio de Ponta Porã-MS (Cuadro 1). El área del asentamiento es 25.1 mil ha donde 1145 familias riegan 7.2 mil ha por medio de 58 pivotes centrales (INCRA, 2002). Con aproximadamente 1% del área de riego por pivotes centrales en Brasil, los equipos instalados en el Asentamiento Itamarati I poseen una vida media superior a 15 años, 943 motores con potencia total de 16.3 mil cv, un consumo de 8.3 GWh y factura de energía de 665.6 mil dólares en 2004.

El caudal fue obtenido a través del medidor ultrasónico del caudal y velocidad de líquidos Fuji Portable Flowmeter PORTAFLOW X. La velocidad del viento fue determinada por un anemómetro ANM-10 de Hidrología S. A., y la temperatura y humedad por un termo-higrómetro MF972B de More Fitness.

Para determinar el Coeficiente de Uniformidad de Heerman y Hein se realizó el ensayo del pivote central conforme a ABNT (1998). Los colectores fueron instalados en dos líneas formando un ángulo de 3° y espaciados a 3 m. Se hizo un ensayo en cada pivote con velocidad de rotación de la línea lateral ajustada para aplicar una lámina superior a 15 mm.

La potencia del motor fue obtenida por medio del medidor universal de grandezas MUG - Elo Sistemas Electrónicos. El desnivel y la longitud de la línea de conducción fueron obtenidos por un GPS Garmin etrex modelo Vista y el perfil topográfico de la parcela regada fue determinada con un nivel Heerbrugg Wild NA 2 GPM3.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los resultados se presentan en el Cuadro 2. La baja eficiencia de aplicación verificada en los tres pivotes se debe a fugas en la línea lateral, pérdidas por evaporación y deriva por viento y, más significativamente, al volumen del agua percolada profundamente (Figura 2).

Las láminas líquidas obtenidas a partir del Cuadro 2 fueron 6.51, 2.98 y 5.74 mm d^-1 para los pivotes 1, 2 y 3. Se observó que el pivote 1 atiende la demanda hídrica para el cultivo del maíz, y los pivotes 2 y 3 proporcionan sólo 48% y 93% de la evapotranspiración recomendada.

Los indicadores energéticos, potencia y consumo específico reportados se muestran en el Cuadro 3. Considerando la potencia instalada, el pivote 1 fue el equipo más eficiente con 1.56 kWh ha^-1; el pivote 3, con 2.04 kWh ha^-1, presentó la mayor potencia específica. El consumo específico nuevamente determinó al pivote 1 como el más eficiente y el pivote 2 fue el que consumió más energía en el riego.

A partir de las características determinadas en el ensayo (Cuadro 4), los flujos de potencia de los equipos fueron obtenidos a través de la potencia disipada en cada elemento del pivote central (Figura 3).

Debido a la menor longitud de la tubería, las pérdidas en la succión tienen poca representatividad en el conjunto; sin embargo, la potencia disipada en la línea de conducción del pivote 2, con 1466 m y velocidad del fluido igual a 2.5 m s^-1, equivale a 31.8%, mientras que con 2298 m y velocidad igual a 1.5 m s^-1 esta tubería del pivote 3 pierde apenas 5.0% de su energía total. Las condiciones de uso y manutención pueden justificar la elevada pérdida encontrada en la línea de conducción del pivote 2. Con velocidad del fluido de hasta 5.1 m s^-1, las pérdidas energéticas en las líneas laterales representan 11.1% y 26.8% para los pivotes 2 y 1. Considerando útil toda agua bombeada, se obtienen los porcentajes de potencia disipada en los aspersores entre 5.2% y 9.1% para los pivotes 2 y 1. Los porcentajes de la potencia útil del equipo varían entre 14.8% para el pivote 2 y 26.6% para el 3.

Así, la evaluación directa por potencia o consumo específico de un sistema de riego, conforme puede observarse en el flujo energético (Figura 3), no permite determinar un patrón y caracterizar la eficiencia de sistemas diferentes, una vez que se consideran conjuntamente las potencias útiles y las pérdidas. De esta forma, la evaluación energética de los sistemas de riego fue obtenida a partir de los indicadores de eficiencia presentados y propuestos en este trabajo.

Iniciando por el conjunto motobomba se determinó el consumo específico normalizado (Figura 4), se puede verificar que el conjunto motobomba del pivote 1 presenta el mejor desempeño, con consumo igual a 0.365 kWh m^-3 10^-2 m^-1 y el conjunto motobomba del pivote 3 posee el mayor consumo específico normalizado (0.463 kWh m^-3 10^-2 m^-1).

A partir de las pérdidas de carga de las tuberías de succión, conducción y línea lateral (Cuadro 4) se determinó el consumo específico normalizado en las tuberías (Ecuación 5), como se presenta en la Figura 5. En la Figura 5b se aprecia una variación en el consumo entre 0.01 y 0.24 kWh m^{- 3} km^-1 en la línea de conducción y la línea lateral del pivote 3. Altas velocidades del fluido justifican el consumo de energía obtenido en esta tubería.

Analizando el sistema de riego completo (Figura 6a), se obtiene el consumo específico normalizado en el riego donde, con 12.89 kWh, el pivote 3 proporciona 1 mm de agua en por lo menos 80% del área de riego cuando el desnivel topográfico es igual a 100 m, mientras que los pivotes 1 y 2 necesitan 14.91 y 31.24 kWh mm^-1 ha^-1 10^-2 m^-1. Así, a diferencia de la evaluación inicial presentada en el Cuadro 3, a pesar de la mayor potencia específica instalada, el pivote 3 es 2.42 veces más eficiente que el pivote 2 y 1.15 veces que el pivote 1.

El desgaste, la baja presión en el final de la línea lateral y, en especial, la utilización de bocales fuera de especificación, determinaron el elevado consumo específico normalizado del pivote 2 del Asentamiento Itamarati I.

La eficiencia de riego (Figura 6b) varía de 8.7% a 21.1% para los pivotes 2 y 1 y determina que en el primero 91.3% de la energía absorbida por el motor es disipada en el conjunto motobomba debido a su rendimiento, en las tuberías de succión, conducción y línea lateral por roce, en los reguladores de presión y en los difusores para la formación y distribución de las gotas, por evaporación, deriva por viento, fugas y percolación profunda.

El consumo específico normalizado de 31.24 kWh mm^-1 ha^-1 10^-2 m^-1 y la eficiencia de riego igual a 8.7% obtenidas para el pivote 2 caracterizan elevadas pérdidas de agua y energía eléctrica en el Asentamiento Itamarati I. De esta forma, la evaluación de la eficiencia energética durante el proyecto y a lo largo de la vida útil de los pivotes puede auxiliar al agricultor en la elección y el monitoreo de su sistema, así como estimular el desarrollo de proyectos y equipos de riego más eficientes.

La substitución de los aspersores y reguladores de presión de los tres equipos ensayados, la utilización de bombas con rendimiento igual a 0,8 en los pivotes 2 y 3 y la manutención de la línea de conducción del pivote 2, pueden elevar la eficiencia de los equipos para 23.4, 27.8 y 31.4% y reducir el consumo específico normalizado para 11.63, 9.82 y 8.68 kWh mm^-1 ha^-1 10^-2 m^-1 en los pivotes 1, 2 y 3.

CONCLUSIONES

A pesar de que los indicadores existentes permitieron caracterizar un pivote central en particular, la metodología propuesta integra los indicadores agrícolas y energéticos en una evaluación global de este sistema de riego, y a su vez, permiten determinar un patrón de eficiencia.

El conocimiento de los consumos normalizados en el conjunto motobomba y en las tuberías permite evaluar los gastos energéticos de cada elemento del sistema, comparar diferentes proyectos y evaluar la eficiencia a lo largo de la vida útil de un sistema de riego.

El indicador propuesto para evaluar los aspersores, integrando el consumo específico de energía al aprovechamiento hídrico a través de la eficiencia de aplicación, determina el gasto energético real de este elemento y puede ser utilizado como parámetro para la valorización de tecnologías eficientes. La eficiencia de riego, a partir de la caracterización de la energía útil de un sistema de riego, a su vez, posibilita visualizar el potencial para reducción de las pérdidas de agua y energía en un pivote central.

El indicador general, consumo específico normalizado en el riego, complementa la evaluación actualmente empleada en pivotes centrales de riego, permitiendo integrar los parámetros agrícolas y energéticos para caracterizar estos sistemas con cualesquiera características de instalación.

La evaluación de los sistemas de pivotes central y la implementación de medidas de eficiencia energética pueden reducir el desperdicio de energía y agua, y aumentar la productividad del cultivo regado.

LITERATURA CITADA

ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas). 1975. NBR 6397 - Ensaios em bombas hidráulicas de fluxo. 48 p.         [ Links ]

ABNT. 1998. NBR 14244 - Equipamento de irrigação mecanizada - Pivô central e lateral móvel providos de emissores fixos ou rotativos - Determinação da uniformidade de distribuição de água. 11 p.         [ Links ]

Batista M. B., e M. M. L. P. Coelho. 2003. Fundamentos de Engenharia Hidráulica. Belo Horizonte: Editora UFMG - Escola de Engenharia da UFMG, 440 p.         [ Links ]

Bernardo S., A. A. Soares, e E. C. Mantovani. 2005. Manual de Irrigação. 7^a ed. Viçosa: Ed. UFV. 611 p.         [ Links ]

Christofidis, D. 2006. Água: gênesis, gênero e sustentabilidade alimentar no Brasil. Brasília. Febrero. http://www.pt.genderandwater.org/content/download/2996/33129/file/AguaesustentabilidadealimentarBrasil1.pdf. 18 p.         [ Links ]

CEMIG (Companhia Energética de Minas Gerais). 1993. Estudo de Otimização Energética. Belo Horizonte, 1993. 22 p.         [ Links ]

Fietz R., C., e M. A. Urchei. 2002. Deficiência hídrica da cultura da soja na região de Dourados, MS. Rev. Bras. Engenharia Agríc. e Ambiental, Campina Grande (PB), 6(2): 262-265.         [ Links ]

Fietz R., C., e M. A. Urchei. 2003. Deficiência hídrica da cultura de trigo na regiao de Dourados, MS. In: XXXII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, 2003, Goiânia (GO). XXXII Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola. Jaboticabal (SP): Sociedade Brasileira de Engenharia Agrícola.         [ Links ]

Fietz R., C., e M. A. Urchei. 2006. Influência da época de semeadura na deficiéncia hídrica do milho safrinha na região de Dourados, MS. ín: XXXV Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola, 2006, João Pessoa. XXXV Congresso Brasileiro de Engenharia Agrícola. Jabodicabal (SP): Sociedade Brasileira de Engenharia Agrícola.         [ Links ]

INCRA (Ministério do Desenvolvimento Agrário. Instituto Nacional de Colonização e Reforma Agrária). 2002. Superintendência Regional do Mato Grosso do Sul - Cartografia e Geoprocessamento. Mapa Assentamento Itamarati I. Campo Grande. Gome Brasil.         [ Links ]

IWA (International Water Association). 2000. Performance indicators for water supply services. Versão portuguesa: Indicadores de desempenho para serviços de abastecimento de água. Lisboa: Laboratório Nacional de Engenharia Civil. 200 p.         [ Links ]

Moreira, H. 2006. Sistema de suporte à decisão agrícola (SISDA): manejo dos cultivos e dos recursos hídricos. 8 p. Mayo. http://www.mma.gov.br/port/srh/acervo/publica/doc/anais2.pdf.         [ Links ]

Oliveira, A. S., F. A. C. Pereira, V. P. S. Paz, e C. A. Santos. 2004. Avaliaçãao do desempenho de sistemas pivô central na região oeste da Bahia. Irriga 9: 126-135.         [ Links ]

Souza, G. H. F., R. A. L. Brito, J. Dantas Neto, J. M. Soares, e T. Nascimento. 2001. Desempenho do distrito de irrigaçãao Senador Nilo Coelho. Rev. Bras. Engenharia Agríc. Ambiental 5: 204-209.         [ Links ]