Control predictivo aplicado al nexo "agua-energía-alimento" en comunidades rurales

Abstract

Las estimaciones indican que para el año 2050 la población mundial llegará a 9,8 mil millones de seres humanos, es decir, un 30% más que la población actual. Uno de los desafíos es generar las estrategias y técnicas para alimentar a tal cantidad de gente de forma sustentable, considerando que los recursos hídricos serán cada vez más escasos a causa del calentamiento global. Esta situación no es ajena a la realidad nacional: se esperan reducciones de hasta un 30% en las precipitaciones en Chile en los próximos años. Las zonas rurales son especialmente vulnerables a este nuevo escenario, principalmente por la baja tecnificación existente en sus procesos agrícolas y a que los cambios climáticos se han producido en un corto periodo de tiempo, mermando la efectividad de los procesos productivos tal como se han llevado a cabo históricamente. Junto a la escasez de agua, una buena cantidad de comunidades rurales se enfrentan a la poca disponibilidad de energía eléctrica. Las micro-redes surgen como una solución a esta situación, y su introducción en la mejora del suministro eléctrico llama a integrar ambos conceptos de gestión de agua y energía. Este trabajo presenta una formulación que permite la optimización del proceso agrícola en lo que se conoce como “food-water-energy Nexus” (nexo alimento-agua-energía). El rendimiento de los cultivos (en [kg/ha]) está ligado a la periodicidad y volumen de agua regada y la extracción de agua requiere de energía para ser bombeada desde los pozos, la que es provista por una micro-red en base a energías renovables. La propuesta consiste en un modelo jerárquico de optimización consistente en: el Water Management System (WMS) para el largo plazo, que determina los requerimientos de riego óptimos de los cultivos en base a estimaciones meteorológicas y a las características propias del cultivo; y el Energy Management System (EMS) para el corto plazo, que recibe las consignas de riego del WMS y las incorpora al proceso de optimización, junto a la disponibilidad energética de la micro-red. Los resultados bajo distintos escenarios toman como caso de estudio la comunidad rural José Painecura Hueñalihuen (Región de La Araucanía), y consideran reducciones en las precipitaciones, variaciones en los parámetros del acuífero y cambios en los rendimientos mínimos esperados. Se prueban dos métodos para el cálculo de los volúmenes óptimos de riego: (i) despejando algebraicamente la irrigación a partir de las ecuaciones de evapotranspiración, y (ii) utilizando algoritmos genéticos en la resolución de la función objetivo del WMS. Los resultados muestran que una baja en las precipitaciones tiene un impacto negativo en el rendimiento de los cultivos e incrementa los costos del EMS y WMS. Por su parte, un acuífero de mejor calidad posibilita la extracción de una mayor cantidad de agua sin comprometer la extracción desde otros puntos, aunque se asocia a mayores costos de operación del EMS por un mayor uso de las bombas de agua. Finalmente, al variar los rendimientos esperados por los agricultores, no se aprecian diferencias significativas con el caso base en el rendimiento final de los cultivos.