Las bombas de energía hidráulica (ariete hidráulico)

1) ¿En qué consiste ?

En disponer de un aparato que no solo permita bombear agua, sino también elevar automáticamente a grandes alturas el agua procedente de un depósito o un punto de alimentación (río/arroyo, lago/estanque, etc.).

2) ¿Quién utiliza principalmente este medio y desde cuándo ?

El ariete hidráulico fue inventado en 1796 por Joseph Michel Montgolfier. Se trata de un dispositivo barato y que necesita poco mantenimiento, lo que lo hace especialmente apto para el uso en zonas montañosas, como los apriscos, o en aldeas que se encuentren elevadas con respecto a los puntos de agua.
Este procedimiento se basa en un fenómeno fácilmente observable en nuestros propios sistemas de conducción de agua, y al que se denomina « golpe de ariete ». Cuando se cierra bruscamente un grifo se puede escuchar un ruido, similar a una ligera detonación ; se debe a la onda de choque generada por la detención brusca del agua en movimiento. Este fenómeno deteriora las canalizaciones y puede incluso hacerlas estallar. Se trata de transformar esta energía inútil, e incluso peligrosa, en energía útil.

3) ¿Por qué ?

Los principales puntos fuertes de las bombas de ariete hidráulico son sus reducidas necesidades de mantenimiento y la ausencia de costes relacionados con la presencia de un motor, ya que la energía que permite su funcionamiento procede de la caída del agua. Permiten paliar los problemas de las bombas aspirantes, cuya altura de aspiración disminuye con la aspiración, por lo que no posibilitan la alimentación de entornos elevados por gravedad (tuberías inclinadas por las que el agua desciende naturalmente con la pendiente), y ofrecen una alternativa a las costosas soluciones basadas en la presencia de un motor eléctrico o de gasóleo.

4) ¿Quiénes son los principales interesados ? Lugares o contextos en los que este medio parece el más adecuado

Se trata de un método particularmente adecuado para las zonas situadas a cierta altitud y próximas a un estanque o una fuente de agua. Esta tecnología posibilita el abastecimiento de agua de las aldeas o instalaciones rurales aisladas situadas a cierta altitud.

5) ¿En qué consiste este procedimiento ? ¿Cómo se pone en práctica ?

Descripción de los principales componentes de una bomba de ariete hidráulico
(Sección destinada sobre todo a aquellos que desean conocer esta bomba de manera más detallada)
- La válvula de batería (también llamada « válvula de choque ») :
Es una pieza generalmente metálica que permite provocar los golpes de ariete cuando se cierra debido a la presión del agua. Determina el rendimiento del ariete hidráulico, y sobre todo el de la bomba ; por ello, es conveniente que su instalación la realice un técnico cualificado.
- El tubo de batería (también llamado « canalización motriz ») :
Conecta la bomba al depósito.
- El cuerpo de la bomba :
El cuerpo de la bomba recibe el agua procedente de la fuente de alimentación a partir del tubo de batería y la transmite a la válvula de batería y a la válvula de descarga. El golpe de ariete se produce en el cuerpo de la bomba, por lo que esta debe estar fabricada en un material capaz de resistir las variaciones de presión y un posible ataque químico del agua procedente de la fuente de alimentación.
- La válvula de descarga (también llamada « clapeta de descarga ») :
Tiene un papel específico en cada fase del funcionamiento. Durante la fase de sobrepresión está abierta y permite el paso del agua desde el cuerpo de la bomba hacia el depósito neumático. Durante la de subpresión está cerrada e impide el vaciado del depósito en el cuerpo de la bomba.
- El depósito neumático (también llamado « cámara de aire » o « depósito de aire ») :
Recibe el agua en los periodos de sobrepresión y la libera al tubo de descarga en los periodosde subpresión en el cuerpo de la bomba. El depósito es esencial para el buen funcionamiento de la bomba, y permite incrementar el rendimiento y evitar que el cuerpo de la bomba, la canalización motriz o el propio depósito exploten como consecuencia de los golpes de ariete.
- El respiradero :
Es un pequeño orificio acondicionado por debajo de la válvula de descarga en el cuerpo de la bomba. Permite alimentar el depósito neumático de aire, necesario para liberar el agua en la tubería de descarga. Solo se instala en los arietes hidráulicos más avanzados, con el fin de evitar tener que purgar el depósito de aire.
- La válvula de retención :
Permite impedir que, en caso de parada de la bomba, el agua del conducto de descarga no llegue al depósito.
- El tubo de descarga :
Está conectado al depósito neumático y al depósito situado en altura, donde se recoge el agua.

Figura 1 - Esquema de un ariete hidráulico (fuente [3] : « Econogie »)

 

Figura 2 - Ariete hidráulico clásico (Blakes) de fabricación europea (fuente [3] :« Econogie »)	Figura 3 - Ariete hidráulico utilizado en el Sureste Asiático (fuente[3] : « Econogie »)

a) Principio de funcionamiento

El agua llega al interior del cuerpo de la bomba con una velocidad creciente que provoca el cierre de la válvula de batería (válvula de choque) por influencia de la presión interna. Dicho cierre provoca una sobrepresión que permite la apertura de la válvula de descarga y posibilita el paso del agua que está en el cuerpo de la bomba al depósito neumático. El aire contenido en este último se comprime.
La presión en el cuerpo de la bomba disminuye, y la válvula de descarga se vuelve a cerrar debido a la presión del aire contenido en el depósito y al peso del agua. El aire comprimido en el depósito neumático permite propulsar parte del agua contenida en él hasta que las presiones del agua liberada al tubo de descarga y del peso del agua y la presión atmosférica se equilibran.
A continuación, la válvula de batería se abre de nuevo y, si la fuente de alimentación no se ha cortado, el ciclo vuelve a comenzar.

Vídeos sobre el principio de funcionamiento de los arietes hidráulicos y su aplicación.
- Philippe Fievet. Bélier FVT. Disponible (online) en : http://www.youtube.com/watch ?v=lV2P...

- Meribah Ram Pump. Pump water without electricity or fuel. Disponible (online) en :
http://www.youtube.com/watch ?v=Na-PhTS07KQ

- Bazaine. Mon bélier hydraulique. Hydraulic ram pump. Disponible (online) en :
http://www.youtube.com/watch ?v=GAqG...

Figura 4 - Resumen del funcionamiento (fuente [2])

6) Dificultades especiales y soluciones. Medidas de precaución

En caso de que el depósito no esté equipado con un respiradero, sino únicamente con dos grifos (uno para la admisión del aire y otro para la purga del agua), es extremadamente importante detener la bomba regularmente para purgar el depósito de aire. Esto se debe a que el aire puede disolverse en el agua. Tras cierto número de ciclos, el aire se disuelve en el agua y se evacúa junto con el agua descargada, haciendo que el dispositivo sea vulnerable frente a los golpes de ariete. En caso de que la bomba vaya equipada con un respiradero, es importante comprobar regularmente su buen funcionamiento y eliminar la suciedad o los residuos que puedan taponarlo.
En función de las necesidades o la escasez del recurso, el agua perdida a nivel de la válvula de choque puede recuperarse en una balsa de recogida o verterse al medio natural.
El caudal de la bomba es relativamente constante, por lo que hay que evitar modificaciones en el ajuste de la válvula de choque. También es habitual la instalación de varias bombas de ariete en paralelo, con el fin de controlar el caudal deseado jugando con el número de bombas en funcionamiento.
Las gravas y otros residuos perturban el buen funcionamiento de la bomba (desgaste del tubo de batería y bloqueo de la válvula de batería), por lo que es necesario equipar el tubo de batería con un tamiz para impedir la entrada de impurezas en la bomba.
Para evitar los fenómenos de resonancia y mantener clara el agua, es importante que el tubo de batería esté bien fijado al cuerpo de la bomba, que debe estar a su vez sólidamente anclado a una base de hormigón y tener una altura suficiente para que la válvula de choque no esté sumergida y la bomba pueda funcionar.
La longitud ideal del tubo de batería es 100 veces superior a su diámetro ; estos parámetros se escogen en función de la presión de servicio y de la altura de elevación deseada (para obtener más detalles, consultar la fuente [3]). Para no verse demasiado dañado por los golpes de ariete, es preferible que el conducto sea recto y que esté elaborado a partir de un acero de gran calidad.
El tubo de descarga puede estar fabricado en cualquier material capaz de soportar la presión de descarga ; no obstante, en el caso de alturas de elevación importantes, es preferible que la parte inferior del tubo sea de acero.

7) Ventajas e inconvenientes principales

Ventajas :
- Coste energético (electricidad, gasolina) nulo.
- Mantenimiento limitado.
- Vida útil en torno a los 10 años.
- Volumen reducido.

Desventajas :
- Rendimiento limitado (pérdidas importantes a nivel de la válvula de choque).
- Sensibilidad a las impurezas del agua.
- Procedimiento poco conocido y extendido debido a su escasa comercialización.
- Fabricación en series limitadas ; pocos proveedores.
- Coste de ciertos modelos.

8) Coste (de fabricación y mantenimiento)

Los precios de compra de las bombas de ariete hidráulico son muy variables, yendo desde los 500 o 1.500 euros hasta los 4.000 euros en modelos de gama alta (consultar fuente [5]). No obstante, también es posible elaborar una bomba artesanal de este tipo con un menor coste (fuentes [6] y [7]), aunque su vida útil será más reducida.
El mantenimiento de la bomba puede realizarse regularmente por sus usuarios, lo que hace que no haya costes adicionales. En cambio, las partes más frágiles, como la válvula de batería y la válvula de descarga, pueden necesitar una sustitución en caso de desgaste excesivo.
En Francia, la compañía Walton fabrica unas 50 bombas de ariete cada año. Algunas sirven para abastecer a aldeas africanas de entre 600 y 1.000 habitantes.
Los alumnos y profesores de un instituto de formación profesional francés situado en Tarare han realizado con éxito sus propios prototipos.

9) Dónde encontrar más información

a) Sitios web

(1) Econologie. Le Bélier Hydraulique.
Disponible (online) en : http://www.econologie.info/share/pa...

(2) Wikipedia. Bomba de ariete.
Disponible (online) en : http://es.wikipedia.org/wiki/Bomba_...

(3) Archivos documentales de la FAO. Les machines élévatoires.
Disponible (online) en : http://www.fao.org/docrep/010/ah810...

(4) Onpeutlefaire. Ficha técnica : « Le bélier hydraulique : le pompage perpétuel ».
Disponible (online) en : http://www.onpeutlefaire.com/le-bel...

(5) Energies Nouvelles Entreprises. Los arietes hidráulicos.
Disponible (online) en : http://energies-nouvelles-entrepris...

(6) Faisonsle. Pompe bélier hydraulique.
Disponible (online) en : http://www.faisonsle.com/belierhydr...

(7) Universidad de Clemson. Home-made Hydraulic Ram Pump (en inglés).
Disponible (online) en : http://virtual.clemson.edu/groups/i... 

(8) Codeart. Réalisation d’un bélier hydraulique.
Disponible (online) en : http://www.codeart.org/pdf/dossier/...
Documento de 10 páginas que explica el funcionamiento de un ariete hidráulico y proporciona elementos para escoger el mejor adaptado, calcular su rendimiento e instalarlo correctamente.

(9) Walton. Exemples d’adductions d’eau potable par pompage béliers hydrauliques au Burundi. Disponible (online) en : http://www.walton.fr/hydraulic-ram
Ejemplos de aldeas alimentadas por bombas de ariete hidráulico.

(10) Marcel Frelin. Coups de bélier.
Disponible (online) en : http://www.techniques-ingenieur.fr/...
Documento técnico de 27 páginas sobre la elaboración de modelos y el dimensionamiento del golpe de ariete.

(11)Patrick HADENGUE "Les pompes à bélier"

Muy bien documento técnico(francese) :

Disponible en    https://sites.google.com/site/pompe...

Las bombas eólicas

1) ¿En qué consiste ?

En utilizar la energía del viento para bombear agua, tanto en pequeñas como en grandes cantidades, y utilizarla a menudo para regar los cultivos o abrevar al ganado.

2) ¿Quién utiliza principalmente este medio y desde cuándo ?

Este método de bombeo se utiliza desde hace varios siglos, siendo especialmente usado durante el siglo XIII en los Países Bajos para la desecación de los terrenos pantanosos y para el bombeo del agua marina en Europa, el Sureste Asiático y China.

Bomba eólica en cadena china	Bomba eólica tailandesa

Fuente : FAO. Les machines élévatoires - Energie Eolienne

 

Bomba eólica agrícola. Fuente : FAO.
Las máquinas elevadoras - Energía eólica

La bomba más utilizada a comienzos del siglo XX era la denominada bomba eólica agrícola americana (Figura 3, mostradaa continuación). El motor eólico se situaba en la vertical de una bomba de pistón.
La versión industrial de esta bomba, que está construida con materiales robustos y dispone de controles automatizados de la estructura y una vida útil cercana a los veinte años, es muy utilizada, sobre todo en los vastos ranchos australianosy argentinos. Sin embargo, su coste es prohibitivo.
Se han puesto a punto versiones más sencillas, algunas de las cuales son de tipo artesanal.

Ofrecen ventajas de uso equiparables, aunque no siempre son igual de robustas ni funcionan con la misma autonomía.
Constituirán el objeto de estudio de la presente ficha.

3) ¿Por qué ?

Estas bombas, cuyo funcionamiento es ciertamente menos fiable que el de las bombas motorizadas de gasóleo o electricidad, permiten, sin embargo, bombear grandes volúmenes de agua utilizando una energía gratuita y con costes de mantenimiento muy reducidos (entre 5 y 25 m3 diarios en la mayoría de modelos, pero alcanzando hasta 100 m3/día ; su caudal depende básicamente del tamaño del motor eólico, de la profundidad de la perforación y de las condiciones de viento locales).

4) ¿Quiénes son los principales interesados ? Lugares o contextos en los que este medio parece el más adecuado

Las bombas eólicas se utilizan principalmente para el riego y el abastecimiento de agua del ganado.
Pueden funcionar con vientos que alcancen velocidades iguales o superiores a los 10 km/h, pero solo lo hacen de manera satisfactoria a partir de los 15 o 20 km/h, y resulta peligroso utilizarlos cuando se superan los 40 km/h. La densidad del aire tiene una ligera influencia sobre estos valores, que deben revisarse al alza cuando es baja y, por tanto, cuando la altitud aumenta de manera significativa (del orden de 1.000 metros).
Así, estas bombas de agua resultan competitivas en relación con las motorizadas en zonas donde el viento sopla de media a 15 km/h. Por lo general, este es el caso de las regiones poco boscosas (praderas de sabanas, zonassemidesérticas y desérticas) o con cierto relieve.

5) ¿En qué consiste este procedimiento ? ¿Cómo se pone en práctica ?

En primer lugar, conviene recordar que existen dos tipos de motores eólicos : el de bombeo de agua y el de producción eléctrica.
Su principio de funcionamiento es bastante similar, ya que en ambos casos consiste en utilizar la energía del viento, pero los motores eólicos destinados a la producción de electricidad, cada vez más extendidos por todo el mundo debido a la reducción de las reservas de petróleo y a la contaminación, cuentan con una tecnología más puntera y con un objetivo diferente.

Esta ficha se referirá únicamente a los motores eólicos de bombeo de agua.
Sin embargo, hay que tener en cuenta la posibilidad de combinar un motor eólico con un generador de corriente para cargar las baterías, una práctica bastante habitual y que puede servir para :
- Alimentar una bomba de agua eléctrica los días en los que no hay suficiente viento.
- Suministrar algo de electricidad que cubra las necesidades de corriente de la explotación agrícola o de la casa del propietario, sea cual sea el tipo de bomba utilizado en la perforación.

Los motores eólicos de bombeo transforman la energía cinética del viento en energía mecánica.
Constan de una rueda de palas o hélices montada sobre un eje y orientada en el sentido del viento a través de una veleta, una estructura alta con una varilla de transmisión hacia la perforación, una bomba (normalmente sumergida) y un punto de descarga.

Aunque su principio de funcionamiento es sencillo, en realidad los motores eólicos son máquinas bastante complejas, a excepción de los modelos de gama baja. El diámetro de la rueda que da soporte a las hélices (y con anterioridad a las velas) depende de la profundidad y la altura de elevación de la perforación, así como de su caudal. La altura y el material utilizado para la construcción de la estructura dependen sobre todo de la fuerza máxima del viento y de la altura de los posibles obstáculos que se encuentren en las proximidades (que no deben estar a menos de 150 m).
El caudal de un motor eólico varía mucho en función del viento y de las características de la bomba. Puede oscilar entre 200 y 6.000 o 7.000 litros/hora.

Pueden estar provistos de diversos accesorios, como un dispositivo para la detención desde el suelo, escaleras, ajustes de la velocidad de rotación de la rueda e incluso un dispositivo de parada automática en caso de viento demasiado fuerte (10 m/s, por ejemplo).
Esto explica la gran diversidad de modelos de bombas, y sobre todo que su elección y precio dependan principalmente de sus características, de la naturaleza del problema de bombeo a resolver y de las características del lugar de implantación. Suele tratarse más bien de bombas a medida que de bombas estándar.

Pero esta variedad se explica también por el hecho de que un motor eólico esté constituido por dos elementos principales (el motor eólico propiamente dicho y el sistema de bombeo).

Los motores eólicos se diferencian también por el tipo de bomba que accionan. Generalmente, se distingue entre bombas de pistón y bombas centrífugas.

a) Bombas de pistón

Es uno de los tipos de bombas más utilizados. La rueda del motor eólico a la que se fijan las palas gira por acción del viento. Esta rueda está montada sobre un eje cuyo movimiento de rotación se transforma en movimiento vertical alternativo por medio de un platillo de manivela o una biela. Por medio de una varilla de acero, el vaivén creado arrastra más abajo un pistón de la bomba de agua, generalmente sumergido en el agua.
El par de funcionamiento necesario es muy elevado, por lo que es preciso poder utilizar incluso el menor soplo de viento. La hélice deberá tener un número de palas suficiente, que suele oscilar entre 15 y 18. La curvatura y el número de palas proporcionan al motor eólico un arranque más o menos fácil con vientos débiles, y condicionan en gran parte su rendimiento.

Sin embargo, en varios casos ciertas características hacen que estos motores eólicos sean menos interesantes que los de la bomba centrífuga. Así, el movimiento de bombeo provoca esfuerzos mecánicos en la estructura, que se traducen en un desgaste más rápido.
Del mismo modo, estudios más avanzados del sistema muestran que los intervalos de funcionamiento ideales para los motores eólicos y las bombas solo coinciden en un pequeño rango de velocidades. Fuera de la zona óptima de funcionamiento las pérdidas de energía son muy importantes, por lo que la elección debe ser prudente y realizarse con ayuda de un especialista.

b) Bombas centrífugas

El par de funcionamiento es menos elevado que en las bombas de pistón. Por tanto, en este caso la hélice solo puede tener un número de palas reducido. Estas bombas también tienen la ventaja de contar con una zona de funcionamiento óptimo que puede ajustarse a la de la hélice, lo que permite a la bomba eólica funcionar con un rendimiento elevado en un amplio intervalo de velocidades.

Los rendimientos de las bombas eólicas dependen de varios parámetros, pero los dos más importantes son la velocidad del viento y la profundidad del bombeo.
El modo de bombeo, fuertemente influenciado por la profundidad del mismo, depende del montaje del motor eólico. Si este está en la vertical del pozo, se podrá utilizar indistintamente una bomba aspirante o impelente, pero si está desplazado con respecto al pozo, solo se podrá utilizar una bomba aspirante. En caso de montaje desalineado, el motor eólico puede colocarse hasta a 100 metros del pozo, pero la altura de aspiración estará limitada a 7 metros.

6) Dificultades especiales y medidas de precaución a tomar

Antes de decidir acerca de la instalación, se recomienda encarecidamente realizar una campaña de medición de la velocidad, la importancia y la duración del viento en el emplazamiento del proyecto, y asegurarse de que este no sea muy irregular ni alcance a menudo velocidades superiores a los 18 km/h.

Fuente FAO

Como no hay viento todos los días, resulta prudente, e indispensable según el uso previsto (riego, cultivos hortícolas, abrevado del ganado, agua para bebida), la construcción adicional de un aguadero que permita almacenar el agua durante unos días o la instalación de un generador de corriente que alimente a las baterías en el caso de una bomba eléctrica.

Es difícil comparar los rendimientos de las bombas eólicas (las hay pequeñas y muy grandes) tomando como única base los datos de los constructores, ya que estos tienden a sobreestimarlos para velocidades de viento medio, o a proporcionar cifras incompletas. Es preferible pedir consejo a un especialista y tratar de conocer la opinión de los usuarios en la región.

La potencia de un motor eólico debe estar bien adaptada a la naturaleza y al caudal esperado para la perforación. Si esta es muy profunda, por ejemplo, no servirá de nada instalar una bomba de tamaño pequeño o mediano, ya que su funcionamiento será bastante malo, mejorando únicamente en caso de vientos fuertes, con los que correría el riesgo de romperse.

7) Ventajas e inconvenientes principales

a) Ventajas

- Los motores eólicos de bombeo son relativamente resistentes y pueden funcionar durante varias décadas si su mantenimiento es correcto. Son económicos y respetuosos con el medioambiente.
- Es posible (en los de tamaño pequeño o mediano) construirlos e instalarlos sin ayuda. Este es el caso de los motores eólicos de madera « Hypolitte » (caudal : 25 m3/día a 10 m ; profundidad máx. : 25 m ; precio : desde 500 euros) o « Sahorès » (caudal : 30 m3/día a 10 m ; profundidad máx. : 25 m ; precio : 700 euros), utilizados en Malí y Senegal.

b) Desventajas

- Son voluminosos, poco estéticos y pueden ser ruidosos. Los motores eólicos de bombeo deben colocarse cerca de la fuente de agua y sobre un terreno con pocos obstáculos que puedan frenar el viento. Su precio puede ser elevado (aunque el mantenimiento resulta poco costoso).
- Solo funcionan si hay viento suficiente, y se desaconseja utilizarlos si la perforación tiene una profundidad superior a los 30 m.

8) Coste

El precio de compra de los motores eléctricos, muy variable según los modelos, los materiales utilizados, el tipo de bomba asociada, los accesorios y los países, es bastante alto, pero su vida útil es larga y los gastos de mantenimiento son reducidos (de unos 20 euros anuales).
A esto hay que añadirle el coste de construcción de un aguadero.
Para la construcción de modelos sencillos de madera construidos localmente, hay que calcular únicamente entre 500 y 1.200 euros, según los modelos. Para motores eólicos acoplados a bombas de soga (poco costosas), el coste es de entre 400 y 700 euros.

9) Dónde encontrar más información

Fuente FAO

- FAO. « Les machines élévatoires - Energie Eolienne ».Documento muy preciso y detallado de unas 20 páginas con muchos esquemas sobre los motores eólicos. Disponible (online) en :
http://www.fao.org/docrep/010/ah810...
- Heliciel. « Eolienne de Pompage ».Documento ilustrado de 4 páginas que explica principalmente, y con ayuda de esquemas y gráficos, las principales diferencias entre los motores eólicos con bombas de pistón y los de bomba centrífuga o eléctrica. Disponible (online) en :
http://www.heliciel.com/helice/eoli...
- Eolienne pour Particulier. « Les éoliennes de pompage, une autre manière de profiter du vent ». Documento de 3 páginas destinado sobre todo a los particulares. Disponible (online) en :
http://www.eolienne-particulier.inf...
- Autoconstrucción de un motor eólico para bombeo con planos detallados. Disponible (online) en :
http://eolienne-de-pompage.blogspot.fr/

Blog no profesional con numerosas ilustraciones y planos de construcción.
- ECOLAB Energies (proveedor de las bombas eólicas OASIS, para el uso de particulares). Documento de varias páginas con carácter publicitario sobre este tipo de bombas, pero que recoge también otros.
Disponible (online) en : http://www.ecolabenergies.fr/index.html
-Sylvidra Energy (proveedor de las bombas eólicas Kestrel, destinadas a los agricultores). Disponible (online) en :
http://www.sylvidra.fr/?cityid=0&am...

Las bombas solares

1) ¿En qué consiste ?

En bombear agua, incluso a grandes volúmenes, sin gastos energéticos, gracias a una bomba que funciona con energía solar.

2) ¿Quién utiliza principalmente este medio y desde cuándo ?

Las células fotovoltaicas que permiten transformar la energía solar en eléctrica no comenzaron a utilizarse con éxito hasta la década de 1970.

3) ¿Por qué ?

Esta energía tiene unos costes de mantenimiento reducidos (limitados por lo general a la limpieza de la bomba)y no necesita ningún aporte de combustible externo (petróleo, electricidad). Además, la vida útil del sistema fotovoltaico es relativamente larga (20 años), superando a la de la bomba propiamente dicha (a menudo inferior a 10 años).

4) ¿Quiénes son los principales interesados ? Lugares o contextos en los que este medio parece el más adecuado

Esta tecnología está especialmente adaptada a los medios rurales del África saheliana. En esta región la insolación es abundante (más de 5 horas de insolación máxima), los recursos hídricos subterráneos son importantes, el aislamiento de las aldeas rurales dificulta en ocasiones su abastecimiento con energías tradicionales (petróleo, electricidad) y las necesidades de agua son lo suficientemente bajas como para cubrirlas con una bomba solar.

5) ¿En qué consiste este procedimiento ? ¿Cómo se pone en práctica ?
 

Fuente : ADEME

Las bombas de agua solares son máquinas que funcionan a través de un motor eléctrico cuya energía procede de células fotovoltaicas dispuestas en paneles solares y que captan la energía luminosa del sol.
A menudo, están conectadas con un depósito que alimenta una minirred de agua o fuentes.
En general son bombas centrífugas impelentes o aspirantes-impelentes.

Esquema de una bomba centrífuga - Fuente : Wikipedia

Principio de funcionamiento de una bomba centrífuga
Debido al efecto de rotación del motor, el fluido es aspirado axialmente hacia el cuerpo de la bomba, donde se acelera radialmente en el álabe antes de su descarga. El árbol es puesto en movimiento por un motor eléctrico.

¿A qué se llama efecto fotovoltaico ?
Es la transformación directa de la energía luminosa en energía eléctrica mediante células fotovoltaicas. Estas últimas se fabrican a partir de silicio, cuya pureza y estado (monocristalino, policristalino, amorfo) influyen notablemente en su rendimiento y su coste. Las células están conectadas entre sí y se disponen en paneles solares.
Figura 2 : Esquema de una bomba centrífuga (fuente : Wikipedia).

Tipos de motores
Existen diferentes tipos de motores, de corriente continua o alterna ; cada categoría cuenta, además, con numerosas opciones. Entre los motores de corriente continua, los mejor adaptados al bombeo variable en función de la insolación son los motores serie con bobinado electromagnético. Pero la elección de motores de corriente alterna para el bombeo mediante energía fotovoltaica parece imponerse cada vez más (motor de bajo coste ; mayor eficacia gracias a los onduladores solares, que justifican su coste adicional y, por tanto, el hecho de que sean caros).

Modalidades de utilización de una bomba centrífuga alimentada por una célula fotovoltaica
La radiación solar no es una fuente de energía estable o fácilmente previsible. Existen dos tipos de soluciones para paliar este problema :
- El sistema de « bomba con batería », en el cual una parte de la energía se almacena en una batería.
- El denominado sistema de « bomba con desplazamiento paralelo al del sol ». Es el más frecuente ; en él se conecta la bomba a un depósito que actúa como reserva, ya que las baterías cuestan caras y es poco habitual que duren más de 2 o 3 años.

Instalación de la bomba. Mantenimiento
Requiere la intervención de especialistas y, en consecuencia, la presencia de estos últimos en las proximidades. El mantenimiento es bastante sencillo y poco costoso. Para asegurarse de que la utilización de la bomba sea correcta, de su buen mantenimiento y de la seguridad de la instalación, sobre todo con el fin de limitar los riesgos de robos o deterioro importantes, es necesario garantizar la existencia de un comité de gestión de la bomba o del punto de agua, o crear uno.

6) Dificultades especiales y medidas de precaución a tomar

Fuente : Le Pompage Photovoltaïque

La potencia óptima de la célula es prácticamente proporcional a su iluminación. El valor máximo de esta última es de 1 kWh/m2.
Por tanto, las horas de insolación máxima constituyen un criterio importante para el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos.
Los valores de insolación diarios suelen proporcionarse en forma de medias mensuales para las latitudes e inclinaciones de lugares concretos.
La intensidad es máxima cuando los paneles se inclinan de manera que su posición sea perpendicular a los rayos solares.

Idealmente, el ángulo de inclinación de los paneles solares debería modificarse de manera constante a lo largo del día. Desde un punto de vista práctico, la radiación anual captada es máxima si los paneles están inclinados en un ángulo igual a la latitud.

La temperatura de utilización también afecta al rendimiento de la célula solar (sobre todo a nivel de tensiones). Esto se traduce en una bajada de rendimiento de alrededor del 0,4 %/°C (las curvas que muestran las características de estos sistemas suelen realizarse a 25 °C).

Fuente : Le Pompage Photovoltaïque

Es posible adaptar la tensión o la corriente producidas por un sistema fotovoltaico mediante conexiones en serie o en paralelo entre las células fotovoltaicas, formando los denominados módulos fotovoltaicos, llamados más comúnmente paneles solares.

ATENCIÓN : Este tipo de asociación debe realizarse con precaución (estudio a fondo del módulo y de su entorno de uso) para no dañar las células de modo permanente.

Las bombas solares requieren un trabajo bastante preciso de dimensionamiento de la bomba. Un primer paso permite dimensionar de forma aproximada el sistema, estimando :
- Las necesidades de electricidad.
- La insolación.
- El campo fotovoltaico necesario.

Para obtener más detalles sobre el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico sin batería, conviene consultar el capítulo 7 de la segunda parte de la siguiente obra (las referencias completas aparecen recogidas al final de la ficha) : Le Pompage Photovoltaïque - Manuel de cours à l’intention des ingénieurs et des techniciens.

7) Ventajas e inconvenientes principales

a) Ventajas

- Estas bombas funcionan a través de una energía renovable limpia, abundante y gratuita.
- Los gastos de mantenimiento de los paneles solares, cuya vida útil es de al menos veinte años, son prácticamente nulos.

b) Desventajas

El coste de inversión es elevado (aunque es probable que tienda a reducirse en el futuro). La instalación requiere la realización de estudios previos precisos y la participación de especialistas, que siguen siendo escasos. Por último, el rendimiento de estas bombas varía en función de la importancia de la insolación, el ángulo de exposición de los paneles y la temperatura.
Los riesgos de robo son importantes. Una compañía (Vergnet) propone instalar los paneles solares en postes de 6 m de altura.

c) Ventajas e inconvenientes más particulares

Bombas fotovoltaicas con batería :
Sus baterías almacenan la energía producida por la célula durante los periodos de insolación para poder restituir esta energía y bombear el agua cuando se desee. Son caras, su duración es escasa, necesitan mucho mantenimiento y pueden sufrir una bajada del rendimiento de entre el 20 y el 30 %, lo que limita considerablemente el interés de esta solución.
Bombas fotovoltaicas « con desplazamiento paralelo al del sol » :
Se trata de una solución fiable y menos costosa que la anterior, pero estas bombas carecen de un caudal constante y no funcionan por debajo de un cierto nivel de iluminación (sobre todo al principio y al final del día). Su rendimiento es menor fuera de la potencia nominal de funcionamiento, por lo que es necesario instalar un adaptador de carga.

8) Coste

1) Ejemplo citado en el capítulo 8 de la parte 2 de la obra « Le Pompage Photovoltaïque - Manuel de cours à l’intention des ingénieurs et des techniciens », que proporciona los elementos y los pasos necesarios para realizar un análisis económico :
En este ejemplo de 1998, correspondiente a una bomba solar de tamaño medio situada en una zona con buena insolación (5,5 kWh/m2/día), para un volumen de agua diario de 15 m3 y una población de 1.200 habitantes, el coste de un metro cúbico era de 0,41 dólares.

2) En el extremo sur de Madagascar, la instalaciónde sistemas de bombeo y potabilización con energía solar en pozos y perforaciones antiguos de 18 aldeas (17.500personas) llevada a cabo en 2004 costó 515.000 euros con todo incluido, esto es, 30 euros/persona.

3) En Senegal, la instalación en 2007 de una red hidráulica completa (perforación a 70 m, bomba solar, depósito, 3 km de canalizaciones, 6 fuentes + creación de una cooperativa hortícola) en la aldea de Diabal, que contaba con unos 1.000 habitantes, costó 46.000 euros con todo incluido.

4) Ejemplo de precio unitario de una compañía (Vergnet) que instala bombas solares colocando los generadores voltaicos en postes de unos 6 m de altura para evitar los robos y el deterioro, muy frecuentes : unos 3.500 euros por sistema capaz de producir 1.000 W (+ unos 1.500 euros por kit de elevación para la instalación de varios generadores y las intervenciones [pluma de maniobra, Tirfor y sacos de aparejos]).

5) Por último, he aquí algunos diagramas, extraídos de la obra mencionada anteriormente, que recogen los costes comparativos para diferentes alturas de bombeo :

Fuente : EauSolaire

Otro estudio comparativo sobre sistemas diésel y solares concluía ilustrando mediante el gráfico contiguo que a largo plazo (por encima de 5 años) los costes de instalación y funcionamiento de los primeros son muy superiores a los de los sistemas solares.

9) Recomendaciones y sugerencias

A continuación se muestra un ejemplo de posible disposición del generador fotovoltaico, siempre según Le Pompage Photovoltaïque - Manuel de cours à l’intention des ingénieurs et des techniciens.

Para garantizar la durabilidad de la bomba solar, es absolutamente indispensable que la comunidad se organice para encargarse de los gastos de intervención a cargo de especialistas externos en caso de mal funcionamiento del sistema, así como de los gastos regulares derivados del funcionamiento de la bomba.

10) Ejemplo de implementación

Además de los ejemplos facilitados en el capítulo dedicado a los costes, se pueden citar :
- El de la ONG Aqua Viva, que desde los años 90 había instalado 300 bombas solares en Malí, las cuales continúan funcionando.
- El de la Fundación Veolia (foto adjunta en Malí), que desde el año 2007 ha financiado varios sistemas de abastecimiento de agua por bombeo solar en numerosas aldeas, sobre todo de Burkina Faso y Malí, con la particularidad de haber permitido la obtención de la certificación de reducción del carbono prevista por el protocolo de Kioto gracias a la disminución de los gases de efecto invernadero.

11) Dónde encontrar más información y bibliografía

a) Páginas Web

- PS EAU (Programme Solidarité Eau Paris) "Pompage solaire. Un guide pour mieux connaître cette option."

Muy interessanto documento illustrado de 43 paginas que describe muy bien los diversos aspectos de questo procedimiento on line on : www.pseau.org/outils/ouvrages/ps_eau_arene_le_pompage_solaire_2015.pdf 

- Wikipedia. Capítulo de « Energía solar » que recoge los diversos tipos existentes. Disponible (online) en :
- EauSoleil.« Pompage solaire ». Artículo corto disponible (online) en :
http://www.eausoleil.org/site/pompa...
- ADEME (Agence de l’environnement et de la maîtrise de l’énergie). « La production d’eau potable avec une pompe photovoltaïque ». Manual ilustrado de 48 páginas que describe el principio de funcionamiento, su instalación y su funcionamiento. Disponible (online) en : http://www.pseau.org/outils/ouvrage...
- Acción contra el hambre. Documento sobre el bombeo que incluye tres páginas dedicadas a las bombas solares. Disponible en http://www.watersanitationhygiene.o...
- Instituto Saint Joseph-Hasparren. BOMBEO FOTOVOLTAICO en una aldea senegalesa (Sad)

 http://www.st-joseph-hasparren.fr/pompage-photovoltaique
- Compañía CIPCSP. Documento de 4 páginas sobre el bombeo solar fotovoltaico con desplazamiento paralelo al del sol (esquema de funcionamiento, componentes del sistema, dimensionamiento, rendimiento, etc.). Disponible (online) en : www.cipcsp.com/tutorial/pomp...
www.energies-renouvelables.o...
- GRDR. Resúmenes de conferencias sobre el interés, la elección y la instalación de bombas solares :
http://energies-nouvelles-entrepris...http://energies-nouvelles-entrepris...http://energies-nouvelles-entrepris...

b) Vídeos

- YouTube.« Solar Water pumping system installation in a water well », vídeo de 6’ que muestra cómo instalar una bomba solar en un pozo - Bomba Rubinson ; coste total de 1.300 euros. http://www.youtube.com/watch?v=_XsJ...
- YouTube.« Solar Water Pump in Pakistan ». Vídeo de 4’ en el que aparece una gran bomba solar de Intersolartechnics, que ofrece un caudal de 60 m3/h - http://www.youtube.com/watch?v=6P4v...

c) Bibliografía

- Título : Le Pompage Photovoltaïque - Manuel de cours à l’intention des ingénieurs et des techniciens.
Autores : Dirección a cargo de Eric SCHILLER ; redacción de Jimmy ROYER, Thomas DJIAKO, Eric SCHILLER y Bocar
SADASY. Publicación : 1998. 254 páginas. ISBN 2-89481-006-7
- Título : « Le guide pratique d’installation du solaire photovoltaïque à l’usage des techniciens et ingénieurs ». Autor : Jean-Paul Louineau. Manual de 150 páginas publicado por ediciones Eyrolles.
http://www.eyrolles.com/BTP/Livre/g...

Las bombas motorizadas

1) ¿En qué consiste ?

Bomba eléctrica centrífuga de superficie - Fuente : ACH

Se trata de un nuevo método de bombeo que funciona sin la intervención humana y está compuesto por las tres partes principales mencionadas a continuación :
- Un motor que proporciona la potencia necesaria para el bombeo.
- Un árbol de transmisión que transfiere dicha potencia a la propia bomba.
- Una bomba, parte hidráulica que utiliza esta potencia para transmitirla al agua y extraerla.
El aporte de energía suele tener un origen térmico (gasolina o gasóleo) o eléctrico.
La presente ficha está enfocada principalmente a las bombas utilizadas para el abastecimiento de agua potable, pero los tipos mencionados se pueden utilizar también para el riego.

2) ¿Quién utiliza principalmente este medio y desde cuándo ?

Las bombas motorizadas son de uso común desde hace varias décadas, sobre todo en las zonas urbanas donde los caudales de agua bombeada no podrían alcanzarse con bombas manuales, aunque también en zonas rurales, sobre todo para el riego y las intervenciones de emergencia.

3) ¿Por qué ?

La utilización de bombas motorizadas representa un importante avance con respecto a las manuales, ya que :

- Carecen de límites de caudal y de altura de elevación : siempre hay una bomba que se adapta a las necesidades que puedan existir en estos sentidos.
- Pueden funcionar de manera continua durante varias horas sin presencia humana, e incluso las 24 horas del día en el caso de las grandes estaciones de bombeo, lo que permite una mayor producción diaria de agua siempre que se disponga de un depósito con la capacidad suficiente.
- No requieren esfuerzo físico alguno y permiten bombear con rapidez grandes volúmenes de agua en el momento en que se necesitan, al contrario que la mayoría de bombas de mano, solares o eólicas.
 

4) ¿Quiénes son los principales interesados ? Lugares o contextos en los que este medio parece el más adecuado

Las bombas motorizadas permiten bombear agua con el caudal escogido, más o menos grande, y en continuo o no. Funcionan con gasolina, gasóleo o electricidad, por lo que estos recursos deben estar fácilmente disponibles y tener un coste asequible para la población con el fin de evitar problemas relacionados con la falta de carburante o de alimentación eléctrica.

Las bombas motorizadas deben utilizarse cuando el caudal necesario supere las posibilidades de las bombas manuales, es decir, entre 1 y 2 m3/h, aproximadamente. Están adaptadas al abastecimiento de agua en aldeas importantes y zonas urbanas y periurbanas. Las zonas rurales emplean bombas con potencias bajas, inferiores a 4 kW o5,5 CV, lo que corresponde a caudales máximos de entre 30 y 50 m3/h, en función de la altura de elevación.

5) Las dos grandes categorías de bombas

Las bombas motorizadas para el abastecimiento de agua potable pueden dividirse en dos grandes categorías, según el método de captación :

Las bombas de superficie (instalación horizontal), bombas aspirantes que pueden ser grupos motobombas, si están equipadas con un motor de gasolina o gasoil (caso más frecuente en zonas rurales), o grupos electrobombas, en caso de contar con un motor eléctrico. Se utilizan para :

- El bombeo desde un pozo poco profundo (altura de aspiración inferior a 7 m).
- La captación desde un manantial o un curso de agua.
- La descarga en una red a partir de un depósito.

Las bombas sumergidas (instalación vertical), utilizadas para el bombeo en profundidad (pozo profundo o perforación). Suelen estar dotadas de un motor eléctrico. En ausencia de alimentación eléctrica a través de la red, se pueden encontrarbombas con motor diésel no sumergido y varilla de transmisión, pero estas últimas son bastante frágiles y no pueden utilizarse a grandes profundidades. Otra solución es la instalación de una fuente de energía eléctrica autónoma (grupo electrógeno, paneles solares o eólicos).

Cada una de estas categorías cuenta con numerosos modelos. En Burkina Faso, por ejemplo, ya se habían registrado 25hace una década.

6) ¿En qué consiste este procedimiento ? ¿Cómo se pone en práctica ?

Las bombas motorizadas son de tipo centrífugo, y pertenecen a la familia de las turbobombas.

a) Principio de funcionamiento de una bomba centrífuga

El fluido es aspirado axialmente debido al efecto de rotación de una rueda, provista de aletas o álabes, hacia el cuerpo de la bomba, donde se acelera radialmente en los mencionados álabes antes de su descarga. El árbol es puesto en movimiento por un motor eléctrico o térmico.

b) Parámetros importantes a tener en cuenta

Antes de comprar un bomba, y para optimizar su funcionamiento y evitar riesgos de aparición de daños, hay que prestar atención, además de al caudal de la bomba, su altura manométrica total y la potencia del motor, al rendimiento del conjunto del grupo (bomba + motor) y al punto de funcionamiento del motor, sin olvidar la NPSH (Altura Neta Positiva en la Aspiración, del inglés Net Positive Suction Head), un parámetro de presión específico, datos que deben ser proporcionados por los vendedores.

Esquema de una bomba motorizada centrífuga - Fuente : Wikipédia

Los constructores solventes definen las características de sus bombas mediante curvas que conviene solicitarles, y que proporcionan, en función de distintas velocidades de rotación nominales :
- La curva característica de altura manométrica total en función del caudal, AMT = f (Q), para diferentes diámetros de rueda.
- La potencia absorbida.
- El rendimiento.
- La NPSH requerida.

Puntualizaciones relacionadas con el cálculo de la potencia : la potencia absorbida en el árbol de la bomba viene proporcionada por la siguiente fórmula (en el caso del agua, el peso específico es igual a 1) :

P = Q x AMT / 367 x þ
Donde P : potencia en kW, 1 kW = 1,36 CV ; AMT : altura manométrica total (m CE) ; Q : caudal (m3/h) ; þ:rendimiento de la bomba. 

La potencia consumida resulta de dividir la potencia absorbida en el árbol entre el rendimiento del motor.

El rendimiento del conjunto del grupo (bomba + motor) es la relación entre la potencia útil (potencia aplicada al fluido para alcanzar un caudal determinado a una AMT dada) y la potencia consumida por el motor para obtener dicha AMT. Por lo general, oscila entre 0,8 y 0,9.

La elección de la bomba debe realizarse de modo que el punto de funcionamiento se encuentre lo más cerca posible del punto de rendimiento máximo indicado por el constructor.

En cuanto a la NPSH, es un parámetro que mide la diferencia entre la presión del líquido en un punto y su presión de vapor de saturación. Es importante que este parámetro sea tenido en cuenta, ya que cuando la presión del líquido pasa a ser inferior a la presión de vapor de saturación el líquido comienza a hervir, lo cual resulta muy peligroso en el interior de una bomba centrífuga, ya que daña su cuerpo y reduce el rendimiento.
La NPSH disponible indicada por el constructor debe ser siempre superior a la requerida.

Por ello, antes de escoger una bomba es indispensable tener en cuenta todas las características proporcionadas por el constructor. Resulta más ventajoso comprar una bomba algo más cara si el rendimiento ofrecido es mayor.

7) Ventajas e inconvenientes principales

La principal ventaja de las bombas motorizadas es evitar una presencia humana continua y eliminar el esfuerzo físico necesario para accionar una bomba manual. En particular, un sistema de bombeo eléctrico con depósito al aire libre o bajo presión permite un funcionamiento completamente automático gracias a sensores de nivel o presión.

Las bombas motorizadas son fáciles de usar.

Sin embargo, las bombas centrífugas aspirantes (de superficie) deben volver a cebarse en cada uso : cuando la bomba se detiene, el líquido presente en ellas fluye hacia el pozo por gravedad. Esto puede evitarse instalando un dispositivo adicional. Además, estas bombas motorizadas aspirantes tienen, al igual que las de mano, una altura de aspiración limitada a 7 metros.
Las bombas sumergidas no presentan estos inconvenientes.
 

Debido a su escaso rendimiento, las bombas de gasolina se utilizan únicamente en pequeñas instalaciones que funcionan durante cortos periodos de tiempo (del orden del centenar de horas por año). Generalmente, se prefieren las bombas de motor eléctrico o gasóleo.

Sea cual sea su tipo, las bombas motorizadas deben tener un correcto mantenimiento. Al de la propia bomba (se puede consultar en la ficha dedicada al mantenimiento de las bombas manuales), se añade el del motor.

Con un mantenimiento adecuado y la sustitución regular de las piezas de desgaste, las bombas motorizadas pueden tener una vida útil relativamente larga.
Es conveniente no prolongar demasiado su uso, como ocurre en ocasiones, ya que esto reduce su rendimiento y las estropea de forma prematura.

El principal inconveniente es su coste de funcionamiento, tal y como se explica en el siguiente punto.

8) Costes (compra + mantenimiento)

El coste adicional de una bomba motorizada con respecto a una manual depende de las características del motor. El precio de un motor, por ejemplo, depende de su velocidad de rotación : cuanto menor sea, más cara costará la bomba. A cambio, la reducción de la velocidad del motor permite disminuir el ruido, mejorar la capacidad de aspiración y reducir el desgaste de la bomba.

Los órdenes de magnitud de los precios de las bombas de baja potencia son los siguientes :

- Grupos motobombas de 1,5 CV : entre 150 y 200 euros.
- Grupos motobombas de 4 CV : entre 350 y 400 euros.
- Grupos eléctricos sumergidos de 1 kW : unos 500 euros.
- Grupos eléctricos sumergidos de 1 a 3 kW : entre 500 y 1.000 euros.

Las bombas de mayores capacidades se fabrican por encargo.
Aunque el precio de compra de las bombas de baja potencia no es demasiado elevado, su mantenimiento es caro. Esto se debe principalmente a los precios de la electricidad o del carburante, que tienden a subir considerablemente. El consumo de gasóleo varía en función de las condiciones de uso (velocidad de rotación). Para una bomba de 1,5 CV, el consumo es de entre0,30 y 0,5 litros. El coste de mantenimiento abarca también los lubricantes, las piezas de repuesto y las reparaciones.

La vida útil de la motobomba depende de su tiempo de utilización anual y de su mantenimiento. Por ello resulta más adecuado hablar del número de horas de funcionamiento. Oscila entre las 2.500 y las 5.000 horas. En la práctica, la renovación suele realizarse tras un periodo de funcionamiento de entre 2 y 5 años. La vida útil de una bomba eléctrica es mayor.

Antes de comprar una bomba motorizada hay que asegurarse de que sus dimensiones no sean excesivas, de que su coste de mantenimiento no sea prohibitivo y de que los usuarios estén dispuestos a pagar lo necesario para eliminar el riesgo de que la bomba deje de funcionar por imposibilidad de adquirir combustible o electricidad.

9) Dónde encontrar más información y bibliografía

- Wikipedia. « Bomba centrífuga ». Disponible (online) en : http://fr.wikipedia.org/wiki/Pompe_...

- ACH (Acción contra el Hambre). « Le Pompage », documento de 27 páginas muy bien documentado que trata sobre los diferentes tipos de bombas, entre los que se encuentran las motorizadas. Disponible (online) en :
http://www.watersanitationhygiene.o...

- GLS. Memotec n.º 33 : « Caractéristiques des pompes centrifuges ». Disponible (online) en :
http://brochure.luisid.com/WaterTre...
- GLS. Memotec n.º 34 : « Critères de choix des pompes centrifuges ». Disponible (online) en :
http://brochure.luisid.com/WaterTre...
- GLS. Memotec n.º 36 : « Equipement à l’aspiration et au refoulement des pompes centrifuges ».Disponible (online) en :http://brochure.luisid.com/WaterTre...

- Fundación Practica. « Small scale irrigation ». Disponible (online) en :
http://www.practica.org/wp-content/...

- Mecaflux. « Pompe et calcul du point de fonctionnement ». Disponible (online) en :
http://www.mecaflux.com/pompes.htm

- BRGM. « Les moyens d’exhaure pour puits et forages d’eau ». 83 SGN 468 EAU (no disponible online).