REVISTA DYNA ENERGÍA

El agua y la energía se encuentran íntimamente interrelacionadas. Muchos procesos de aprovechamiento, extracción y producción de energía requieren el uso del agua; así como procesos de captación, tratamiento, distribución y uso del agua consumen energía [1,2]. Por ello el agua y la energía han de considerarse de manera conjunta [3]. Esta interdependencia, denominada frecuentemente como el "nexo agua-energía", está siendo cada vez más considerada por los organismos gubernamentales para formular recomendaciones en los procesos de planificación [4].

En el ámbito del sector hídrico, la energía eléctrica empleada para la distribución y el suministro del agua es la principal fuente de gases de efecto invernadero, promotores del cambio climático [5]. Además en las regiones áridas, la escasez de agua está provocando la incorporación de recursos no convencionales con altos requerimientos energéticos. Lo que está induciendo que el consumo de energía y los impactos ambientales asociados con la obtención, tratamiento y suministro de estos recursos estén aumentando a su vez la escasez de agua [6,7].

En España cada sector que maneja agua tiene un nivel específico de consumo de energía por unidad de agua empleada. Aunque el rango es amplio, el consumo ha sido estimado en [8]: 0,21 kWh m-3 para uso urbano, 0,56 kWh m-3 para depuración y 0,34 kWh m-3 para el regadío.

Por otro lado el regadío emplea el 75% del agua total consumida en España [9], y el uso sostenible del agua en la agricultura es prioritario y requerido por la Directiva Marco del Agua (Directiva 2000/60/CE). Para cumplir con este propósito, el regadío español se ha modernización con el objetivo principal de mejorar la eficiencia del uso del agua. Esto ha provocado que mientras el consumo de agua por hectárea se ha reducido un 21% entre 1950 y 2008, la demanda de energía paradójicamente se ha incrementado un 657% [10]. Por lo tanto se ha producido un aumento considerable del consumo energético en este sector, provocado principalmente por la sustitución de los sistemas tradicionales de riego por gravedad, por sistemas presurizados [11, 12]. Por ello en los sistemas de regadío es necesario gestionar los recursos hídricos y energéticos de manera conjunta y más eficiente [13-15].

En este contexto, el trabajo analiza la relación del agua y la energía en zonas regables modernizadas del sureste español. Durante un periodo de diez años (2002-2011) se ha evaluado el consumo de energía para el riego, particularizando para los diferentes niveles de gestión del regadío [16] (cuenca, comunidad de regantes y parcela) en tres de las principales y más representativas comunidades de regantes (CCRRs) de la Cuenca del Segura: Comunidad de Regantes del Campo de Cartagena (CRCC), Comunidad de Regantes Trasvase Tajo Segura Calasparra-Cieza (CRTCC) y Comunidad de Regantes de Miraflores (CRM). Para caracterizar la relación entre el agua y la energía se han empleado indicadores de gestión que han permitido evaluar: (a) los consumos de agua y energía en cada uno de los niveles de la gestión considerados, y (b) las relaciones entre los requerimientos de energía y el uso de agua.

Los resultados de la cuantificación del consumo de agua y energía son de utilidad para la formulación de recomendaciones que permitan racionalizar su uso en el regadío.

INDICADORES APLICADOS

Los indicadores hídricos y energéticos en el estudio de las zonas regables han sido considerados previamente en la literatura [17-19]. La Tabla 1 describe el conjunto de indicadores seleccionados para abordar el análisis en los diferentes niveles de gestión.

Los indicadores de rendimiento están relacionados con la capacidad de los gestores de las CCRRs para satisfacer la demanda de los usuarios y optimizar el uso del agua. La capacidad del sistema de distribución de las CCRRs viene definido por la eficiencia de distribución (ED) que es la relación entre el agua suministrada y el agua que entra en el sistema de distribución, por lo que representa las pérdidas de agua producidas por las fugas en las conducciones y las pérdidas por evaporación en las balsas de riego colectivas [20, 21]. El suministro de agua por unidad de área regada (VsSr) analiza la cantidad de agua suministrada a los usuarios.

Los indicadores energéticos miden la energía requerida en cada nivel de gestión en términos de volumen y superficiales. El indicador energético más representativo es la energía específica (EacVs) [18], que muestra la relación entre el consumo de energía y el volumen de agua suministrado; mientras que la energía activa consumida por unidad de superficie regada (EacSr) se emplea para determinar el consumo de energía por superficie.

TOMA DE DATOS A NIVEL DE CUENCA

En el nivel de cuenca se considera la obtención, tratamiento y transporte del agua desde las fuentes de origen hasta el punto de suministro de cada CCRR. Cinco fuentes de agua diferentes se han considerado: superficial, subterráneas, trasvase, desalinizada, y reciclada.

La captación de agua superficial tiene un reducido consumo de energía, ya que sólo requiere un pequeño bombeo para el suministro hasta las CCRRs. De las tres CCRRs analizadas, sólo la CRCC empleó agua superficial. Los datos del consumo de agua y energía fueron facilitados por la Confederación Hidrográfica del Segura (CHS).

La energía necesaria para impulsar las aguas subterráneas depende de numerosos factores como la altura manométrica, la velocidad de transporte y el rendimiento grupos de bombeo [22]. Los datos sobre la captación de aguas subterráneas y el consumo de energía fueron proporcionados por los gestores de los sondeos implicados.

En 1979 se inició el Trasvase de agua desde la cuenca del Tajo a la del Segura. La cantidad anual trasvasada es variable y depende de las reservas en cabecera, con un máximo de 400 hm3 anuales para regadío. Durante el periodo de estudio los volúmenes medios trasvasados han sido de 221 hm3 año-1 [23]. Los datos sobre el consumo de energía necesaria para el suministro a la CRCC y a la CRTCC con agua del Trasvase fueron obtenidos de la CHS y del Sindicato Central de Regantes del Acueducto Tajo-Segura (SCRATS).

La desalinización es considerada una fuente de agua viable en las regiones áridas y costeras. Sin embargo, el empleo de esta tecnología para la obtención de nuevos recursos hídricos no está exenta de críticas [24], debido a su alto consumo energético y por su consecuente impacto medioambiental. El consumo energético de la desalinización aumenta con la salinidad del agua. El volumen de agua utilizada y los datos del consumo de energía se han tomado de la planta desalobradora "El Mojón". Esta planta, que emplea la tecnología de ósmosis inversa, abastece a la CRCC.

Aunque el empleo de aguas residuales depuradas para riego suscita mucha preocupación a los consumidores y a las autoridades sanitarias, la reutilización se considera una solución para la escasez de agua [25]. El consumo de energía en el proceso de depuración depende del tamaño de la planta, de la cantidad de materia orgánica eliminada, el tipo del reactor biológico empleado, y si se produce tratamiento terciario [26]. Los datos utilizados en este estudio fueron proporcionados por la Entidad de Saneamiento y Depuración de Aguas Residuales de la Región de Murcia. El volumen de agua tratada y el consumo de energía se obtuvieron de las cuatro estaciones de depuración de aguas residuales, con tratamiento terciario que proveían de agua reutilizada a la CRCC.

TOMAS DE DATOS A NIVELES DE COMUNIDAD DE REGANTES Y DE PARCELA

El nivel de CCRR se refiere a la distribución del agua desde el punto donde la CCRR capta el recurso hasta la toma de riego del regante. A nivel de parcela se consideran las instalaciones en las explotaciones agrícolas para la aplicación de agua a los cultivos, que consisten en los elementos del sistema de riego.
Las principales características de las CCRRs analizadas en este estudio se muestran en la Tabla 2. Los datos, para poder analizar el consumo hídrico y energético de estas CCRRs, fueron proporcionados por los gestores de las mismas, procedentes de sus bases de datos.

El manejo del sistema de riego a nivel parcela está condicionado por el sistema de distribución de la CCRR. Las dos alternativas más comunes son:

• Parcelas con su propio sistema de bombeo. En la CRCC la distribución del agua se organiza por turnos. Los agricultores captan el agua de las tomas de riego de la red colectiva y la almacenan en sus balsas particulares. En estas condiciones, cada agricultor tiene un sistema de bombeo propio para suministrar el agua con la presión necesaria para el correcto funcionamiento de su sistema de riego.
• Parcelas sin sistema de bombeo propio. En la CRTCC y la CRM se suministra el agua a la demanda y con presión. Los agricultores tienen conectados sus sistemas de riego directamente a la toma de la de la red colectiva.

Los datos necesarios para calcular los indicadores en parcela fueron obtenidos a través de encuestas realizadas a los agricultores en el invierno de 2012. El tamaño de la muestra total fue de 1.190 parcelas, con una superficie de 2.467 hectáreas, lo que representó un 7,62% de la superficie regada en 2011.

CONSUMO AGUA Y ENERGÍA

La Tabla 3 presenta el valor medio y el rango de variación para el periodo de estudio de la EacVs consumida en cada nivel de gestión por CCRR.

Nivel de cuenca

El agua superficial se empleó sólo en la CRCC, y el valor medio de EacVs fue de 0,06 kWh m-3 (Tabla 3). Este valor es similar al indicado en EEUU para esta fuente de agua [7]. Este recurso representó del 1 al 10% del agua total suministrada (Tabla 2), por lo que su impacto relativo en el consumo total de energía fue el más bajo. El uso de una mayor cantidad de agua superficial sería lo aconsejado desde un punto de vista energético, sin embargo por lo general su disponibilidad es muy irregular.

Las aguas subterráneas fueron empleadas en todas las CCRRs. Los valores medios de EacVs fueron de 0,95 kWh m-3 para CRCC, 0,90 kWh m-3 para CRTCC y 0,81 kWh m-3 para CRM. Los valores de EacVs obtenidos fueron superiores a los indicados en California (0,14-0,69 kWh m-3) por Plappally y Lienhard [27].
El Trasvase Tajo-Segura fue la fuente principal de agua en la CRCC y la CRTCC, excepto en los años de sequía para la CRTCC, donde se produjo una reducción del porcentaje de este recurso en un 82% (Tabla 2). El valor de EacVs obtenido para el agua trasvasada es la misma para CRCC y CRTCC (0,98 kWh m-3).
El agua salobre desalinizada sólo se empleó en la CRCC. Esta fuente presenta los más altos valores de EacVs (1,4 kWh m-3), de acuerdo con el rango de EacVs para agua salobre desalada (1-1,5 kWh m-3) indicado por Melgarejo y Montaño [28]. El porcentaje de agua salobre desalada en relación con el agua distribuida por la CRCC fue bastante pequeño (1-7%, Tabla 2) y, en consecuencia, casi no influyó en el consumo total de energía. El consumo de energía para la desalinización de agua de mar por ósmosis inversa es muy superior al resultado obtenido, estando comprendido en un rango entre 3,5 y 5 kWh m-3[28].

La reutilización sólo se empleó en la CRCC. La EacVs del agua reutilizada fue de 0,78 kWh m-3 (Tabla 3), un valor parecido a los obtenidos en California, donde la horquilla está entre 0,30-0,50 kWh m-3 y el tratamiento terciario supone 0,25 kWh m-3 adicional [29]. Algunos autores han atribuido el bajo uso de este tipo de agua por la estricta legislación vigente para su aplicación [30].

Las medidas para el ahorro de energía a nivel de cuenca son las más interesantes, ya que en este nivel se produce el mayor consumo de energía, suponiendo el 71% del total de EacVs en la CRCC, y el 82% en CRTCC y CRM. Además, en relación con la EacVs obtenida, sería aconsejable el empleo de las fuentes de agua por este orden: superficial, reutilización, subterránea, Trasvase y agua salobre desalada.

Niveles de comunidad de regantes y de parcela

El método de distribución del agua en la CRCC es por turnos, siendo el sistema de riego localizado el mayoritario en su zona regable. Los agricultores almacenan el agua proporcionada por la CRCC en sus balsas de riego y autogestionan el riego de sus parcelas. La presión disponible en las tomas de riego de la red colectiva no es aprovechada produciendo un consumo adicional de energía a nivel parcela.

En la CRTCC y la CRM el método de distribución del agua es a la demanda. Los regantes tienen conectados sus sistemas de riego a las tomas de riego de las redes colectivas, con lo que aprovechan la presión disponible en las mismas para el funcionamiento de sus equipos de riego.

La EacVs a nivel de CCRR y parcela para la CRCC fue de 0,16 kWh m-3 y 0,17 kWh m-3, respectivamente (Tabla 3), siendo por tanto el total de ambos niveles 0,33 kWh m-3. La EacVs a nivel de CCRR para CRTCC y CRM fue de 0,18 y 0,15 kWh m-3 respectivamente, no teniendo un consumo de energía adicional para riego a nivel parcela.

Estudios previos a nivel parcela [10] indicaron que el consumo medio de energía para el riego localizado en España fue de 0,18 kWh m-3. Este valor es similar al obtenido en la CRCC (0,17 kWh m-3). Valores más altos fueron obtenidos en Australia, donde el empleo del riego localizado presenta una EacVs de 0,22 kWh m-3 [31].

Consumo global de energía

La Fig. 1 muestra la evolución de los valores totales de EacVs por CCRRs para el período de estudio.

En la CRCC el Trasvase proporcionó entre el 88 y el 97% del total de agua suministrada en los años considerados como normales (2002, 2003, 2004 y 2011), el volumen restante, 12-3%, fue desalada, superficial y reutilizada. La EacVs total en este período estuvo comprendida entre 1,20 y 1,32 kWh m-3 (Fig. 1). Del año 2006 al 2009 hubo una sequía intensa, lo que provocó: un empleo mayor del agua desalada; la utilización de aguas subterráneas proporcionadas por el SCRATS, previa autorización de la CHS; y el comienzo del uso de la reutilización. Como consecuencia de ello, la EacVs total aumentó en este período, llegando a ser de hasta 1,55 kWh m-3 en 2006 (Fig. 1).

En la CRTCC los recursos procedieron del Trasvase, aunque durante los años 2005 a 2010, la CHS autorizó la captación de las aguas subterráneas para mitigar los efectos de la sequía, lo que significó un porcentaje del total de agua suministrada que osciló entre el 23 y el 82%. La EacVs total en la CRTCC se mantuvo bastante constante durante el periodo de estudio (Fig. 1) ya que el valor de EacVs para ambos recursos fue similar, 0,98 kWh m-3 para el agua del Trasvase y 0,95 kWh m-3 para las aguas subterráneas.

En la CRM el valor de EacVs fue bastante uniforme, variando entre 0,95 y 1,02 kWh m-3, con un valor medio de 0,99 kWh m-3 (Fig. 1). El uso de una única fuente de agua (aguas subterráneas) justifica el valor uniforme de este indicador.

En síntesis, el valor medio global de EacVs para las CCRRs analizadas fue de 1,17 kWh m-3, que varió entre 0,95 y 1,55 kWh m-3 (Tabla 3). Este valor es muy superior a la EacVs total media para los sistemas de riego localizado en España, que es de 0,53 kWh m-3[10]. La principal razón que justifica esta gran diferencia es que el 79% del agua empleada para riego en España es agua superficial [9], siendo el recurso que necesita una menor energía específica, mientras que en este estudio, solo la CRCC ha empleado este tipo de agua, representando un 6% de los recursos consumidos.

RELACIÓN ENTRE EL CONSUMO DE ENERGÍA Y AGUA

En la Fig. 2 se evalúa la sensibilidad de EacVs a la variación de VsSr mediante regresión potencial entre estas variables en la CRCC, la CRTCC y la CRM.

Se observa una gran sensibilidad a la sequía en la CRCC, ya que VsSr disminuye un 70% entre los años normales y el periodo de sequía. Esto se debe a la gran dependencia de la CRCC con el Trasvase Tajo-Segura. Se observa cierto paralelismo entre EacSr y VsSr, aunque el análisis de regresión entre EacVs y VsSr (Fig. 2) pone de manifiesto que para valores menores de VsSr aumenta EacVs, lo que representa una disminución de la eficiencia energética del sistema durante los periodos de escasez de agua. Este resultado se debe a tres motivos: (a) durante la sequía se produce una disminución de los recursos procedentes del Trasvase, aumentando el porcentaje del consumo de otros recursos alternativos con un mayor EacVs; (b) la ED disminuyó en los periodos de sequía, pasando del 98% en años normales al 89% en los años más secos; y (c) disminución del rendimiento hidráulico de los grupos de bombeo cuando se manejan caudales inferiores a los de diseño.

La CRTCC muestra una sensibilidad a la sequía intermedia, con una disminución del 33% en VsSr durante el periodo seco. El comportamiento de la CRTCC debería ser similar a la CRCC, ya que en condiciones normales se abastece exclusivamente del agua del Trasvase Tajo-Segura. Sin embargo, la CHS le autoriza el uso de agua subterránea en periodo de sequía, lo que le permite paliar parcialmente sus efectos. La Fig. 2 muestra un ligero descenso de la EacVs con la sequía, resultado que está justificado por un mayor porcentaje de agua subterránea, con una menor EacVs que el agua trasvasada.

En el comportamiento de la CRM apenas se observa sensibilidad a la sequía ya que VsSr sólo disminuyó un 9% durante el periodo seco. Esto se debe a que la CRM se abastece exclusivamente de agua subterránea. Aun así la Fig. 2 muestra una ligera tendencia a aumentar en EacVs frente a valores de decrecientes de VsSr, circunstancia que puede estar justificada por descensos en los niveles piezométricos habituales durante los ciclos de sequía.

La Fig. 3 muestra la evolución de EacSr durante el periodo de estudio. La EacSr media total varió entre 2.586 kWh ha-1 en la CRCC a 3.707 kWh ha-1 en CRTCC. En España, con la aplicación de unos 5.000 m3 ha-1 por los sistemas de riego localizado, se estima que la energía requerida es aproximadamente de 2.640 kWh ha-1[10].

CONCLUSIONES

Tres niveles de gestión del agua están implicados en el suministro para el riego de los cultivos agrícolas: cuenca, comunidad de regantes y parcela. El análisis correcto del consumo de energía en cada nivel de gestión es necesario para conocer el valor global de los indicadores energéticos en la producción agrícola, así como para poder realizar un análisis comparativo local o regional.

Del presente estudio se desprende que el mayor consumo de energía por metro cúbico del agua suministrada o energía específica (EacVs) se produjo a nivel de cuenca, representando entre un 71 y un 82 % del total. En este nivel el factor que más influyó en el consumo de energía fue el origen del agua, siendo el agua superficial la que presentó menor EacVs, y el agua salobre desalada la de mayor. La EacVs consumida en el nivel de CCRR representó entre el 12% y el 15% del total, con consumos muy similares entre las tres CCRRs consideradas en este estudio. A nivel parcela, la disponibilidad de la presión en las redes colectivas de riego eliminó el consumo de energía adicional para el sistema de riego cuando el método de distribución fue a la demanda, mientras que implicaba la re-presurización del sistema de riego cuando el método de distribución era por turnos. En este último caso, EacVs a nivel parcela representó el 13% del total.

El valor medio global de EacVs para las CCRRs seleccionadas fue de 1,17 kWh m-3, lo que significa más de dos veces la EacVs media para los sistemas de riego localizado en España. Esta gran diferencia es inherente a la escasez habitual de las aguas superficiales en zonas semiáridas, donde otros recursos de agua con altos requerimientos de energía son empleados para riego.

El análisis del efecto de la escasez de agua durante los periodos de sequía sobre los indicadores energéticos pone de manifiesto una respuesta muy distinta de las CCRRs en función de sus recursos. La EacVs mantuvo valores muy constantes para distintos niveles de VsSr, destacando únicamente una ligera tendencia a incrementarse para valores bajos de VsSr como consecuencia principalmente de la disminución de la eficiencia de distribución (ED).

En consecuencia, a nivel de cuenca, las iniciativas públicas deben estar enfocadas en la optimización de la gestión de los recursos hídricos disponibles, con el fin de priorizar el uso de aquéllos con menor consumo de energía. A nivel de CCRR se propone utilizar técnicas de manejo que permitan agrupar la demanda en función de los requerimientos de presión (agrupando las tomas de riego en los sectores) y aprovechar así la capacidad de control y gestión que ofrecen las nuevas tecnologías, así como la realización de auditorías energéticas. A nivel parcela, se recomienda el riego a la demanda, porque permite aprovechar la presión disponible en la red colectiva de riego y eliminar así el consumo de energía a este nivel.

AGRADECIMIENTOS

Proyecto Europeo SIRRIMED (Sustainable use of IRRIgation water in the MEDiterranean region, FP7-KBBE-2009-1-2-03). SIRRIMED grant agreement nº 245159. www.sirrimed.org.

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