Caractérisation multidimensionnelle des alternatives énergétiques dans le pompage des eaux souterraines pour l'agriculture irrigué

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. En la última década se han alcanzado numerosos acuerdos internacionales en materia ambiental con el objetivo principal de paliar los efectos del cambio climático promoviendo acciones que se dirijan hacia la reducción de emisiones de CO2 a la atmósfera, y la integración de soluciones energéticas renovables en todos los sectores de la sociedad. Entre estos sectores destaca la agricultura como uno de los más susceptible cambiar su modelo energético. En el panorama internacional, el desarrollo del sector agrario, y concretamente la agricultura que se provee de aguas subterráneas para el riego, debe afrontar de manera añadida una serie de retos de cara al futuro. Entre ellos destaca el problema energético, principalmente debido a su fuerte dependencia de los combustibles fósiles afectando finalmente al coste de producción. Sin embargo, no hay que olvidar la dependencia con los recursos hídricos, muy escasos en la franja mediterráneas, y los problemas de emisiones a los que contribuye la agricultura. En la actualidad, algunos organismos y administraciones, como la Unión Europea (UE), están propiciando ese cambio de modelo energético a través de mejoras en los procesos e instalaciones agrícolas, integrando sistemas de energía de carácter renovable por sus beneficios hacia la independencia energética del sector y por su positivo impacto ambiental en cuanto a las emisiones de CO2. De manera más concreta, en el sector de la agricultura por bombeo de aguas subterráneas los sistemas PVWP (Photovoltaic Water Pumping) ya han sido propuestos como alternativa directa como protagonistas de la sustitución de los equipos diésel. Sin embargo, aunque muchos estudios anteriores versan sobre estos sistemas, la mayoría de ellos solamente analizan su integración en zonas rurales remotas de África o Asia, o se centran en aplicaciones agrícolas de pequeño tamaño. Por lo tanto, se observa que, a tenor de los pocos estudios existentes en profundidad (como el de Kelley en al., en 2010), esta transición se está realizando sin el rigor de un análisis académico en profundidad que indague de las configuraciones óptimas o más idóneas para su aplicación en el sector. Este escenario genera algunas cuestiones sobre la eficacia en su aplicación, dimensionamiento o nivel de aprovechamiento de la energía capaz de generar el sistema respecto de la requerida para el bombeo. Por tanto, se destaca la necesidad de un examen exhaustivo de las soluciones energéticas para la agricultura abastecida por el bombeo de aguas subterráneas y la forma óptima de aplicarlas desde un enfoque multidimensional: económico, energético, hídrico, ambiental y social. Este enfoque supone el punto de partida de la presente tesis doctoral y la base de las aportaciones realizadas. Así, la metodología general de la investigación llevada a cabo partió de la recopilación de datos solares e hídricos de dos zonas agrícolas con un evidente problema de sobreexplotación de los recursos hídricos del acuífero: el área de La Mancha (Acuífero 23) en España y la zona de la llanura de Fès-Meknès (Acuífero Saïss) en Marruecos. Posteriormente, se realizó un estudio estadístico de los recursos y se integró un Sistema de Información Geográfica (SIG) con el que analizar geográficamente la distribución de los recursos y su aplicabilidad. Con el fin de considerar otras alternativas y configuraciones en los sistemas de bombeo, más allá de los que el mercado ofrece para los agricultores, se diseñó una red de alternativas a partir de varias opciones, entre ellas: los equipos diésel, los sistemas PVWP aislados y conectados a la red eléctrica, y los sistemas abastecidos solamente por la red eléctrica. A continuación, y con el objetivo de poder evaluar cada alternativa, se caracterizaron desde un punto de vista multidimensional, atendiendo a diferentes criterios dentro de los ámbitos económicos, energéticos, ambientales, hídricos y sociales. Para visualizar los resultados de este proceso de caracterización, se utilizaron gráficas 4D con las que ofrecer una información lo más completa y visual posible. Tras ello, se hizo uso de técnicas de toma de decisiones multicriterio (MCDM), a través de una metodología conjunta AHP-TOPSIS, con la que, a partir de los criterios con los que se evaluaron las alternativas, clasificar en orden de idoneidad la solución que mejor se adaptase a las condiciones del caso de estudio. Este proceso conllevó también una encuesta previa a expertos. Atendiendo a los resultados, esta tesis doctoral ha supuesto una serie de contribuciones relevantes en la integración de soluciones de carácter renovable en el sector de la agricultura de bombeo de aguas subterráneas. Entre ellas destacan: (i) la determinación y el análisis de los principales impactos que afectan al sector desde diferentes puntos de vista; (ii) la caracterización multidimensional de las alternativas energéticas dirigidas al bombeo de aguas subterráneas; (iii) el análisis geográfico con el apoyo de una metodología de información geográfica (GIS) exportable y escalable de los recursos hídricos y solar para la implantación de PVWP; (iv) y finalmente la utilización de un proceso AHP-TOPSIS de toma de decisiones multicriterio (MCDM) para evaluar la idoneidad de las configuraciones y alternativas con el fin de suministrar y cubrir las necesidades energéticas los sistemas de bombeo. Finalmente, una de las contribuciones destaca sobremanera, y es la puesta en relevancia de los sistemas de bombeo cooperativo abastecidos por instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica, por sus posibles beneficios económicos al sector y el mayor aprovechamiento de la energía y de la instalación de un examen exhaustivo de las soluciones energéticas para la agricultura abastecida por el bombeo de aguas subterráneas y la forma óptima de aplicarlas desde un enfoque multidimensional: económico, energético, hídrico, ambiental y social. Este enfoque supone el punto de partida de la presente tesis doctoral y la base de las aportaciones realizadas. Así, la metodología general de la investigación llevada a cabo partió de la recopilación de datos solares e hídricos de dos zonas agrícolas con un evidente problema de sobreexplotación de los recursos hídricos del acuífero: el área de La Mancha (Acuífero 23) en España y la zona de la llanura de Fès-Meknès (Acuífero Saïss) en Marruecos. Posteriormente, se realizó un estudio estadístico de los recursos y se integró un Sistema de Información Geográfica (SIG) con el que analizar geográficamente la distribución de los recursos y su aplicabilidad. Con el fin de considerar otras alternativas y configuraciones en los sistemas de bombeo, más allá de los que el mercado ofrece para los agricultores, se diseñó una red de alternativas a partir de varias opciones, entre ellas: los equipos diésel, los sistemas PVWP aislados y conectados a la red eléctrica, y los sistemas abastecidos solamente por la red eléctrica. A continuación, y con el objetivo de poder evaluar cada alternativa, se caracterizaron desde un punto de vista multidimensional, atendiendo a diferentes criterios dentro de los ámbitos económicos, energéticos, ambientales, hídricos y sociales. Para visualizar los resultados de este proceso de caracterización, se utilizaron gráficas 4D con las que ofrecer una información lo más completa y visual posible. Tras ello, se hizo uso de técnicas de toma de decisiones multicriterio (MCDM), a través de una metodología conjunta AHP-TOPSIS, con la que, a partir de los criterios con los que se evaluaron las alternativas, clasificar en orden de idoneidad la solución que mejor se adaptase a las condiciones del caso de estudio. Este proceso conllevó también una encuesta previa a expertos. Atendiendo a los resultados, esta tesis doctoral ha supuesto una serie de contribuciones relevantes en la integración de soluciones de carácter renovable en el sector de la agricultura de bombeo de aguas subterráneas. Entre ellas destacan: (i) la determinación y el análisis de los principales impactos que afectan al sector desde diferentes puntos de vista; (ii) la caracterización multidimensional de las alternativas energéticas dirigidas al bombeo de aguas subterráneas; (iii) el análisis geográfico con el apoyo de una metodología de información geográfica (GIS) exportable y escalable de los recursos hídricos y solar para la implantación de PVWP; (iv) y finalmente la utilización de un proceso AHP-TOPSIS de toma de decisiones.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. During the last decade, numerous international environmental agreements have been reached with the main objective of mitigating the climate change effects by promoting actions aimed to reduce CO2 emissions, and integrate renewable energy resource solutions in most sectors of society. Among these sectors, agriculture is susceptible to changing its energy model. From an international point of view, the agricultural sector, and more specifically such agriculture based on groundwater for irrigation, must achieve a set of energy, environmental and economic challenges for the future. Among them, the energy problem emerges as a relevant target, mainly due to the high fossil fuel dependence and its production cost influence. Others aspects, such as the relevant water resource dependence (very scarce in the Mediterranean area), as well as emissions should be also considered and solved. Nowadays, different organizations and administrations, such as the European Union (EU), are promoting a variety of energy model changes through agricultural process and facilities improvements. These solutions are mainly based on the integration of renewable energy systems, due to their potential energy independence benefits their positive environmental impact in terms of emissions. Focused on the groundwater pumping agriculture sector, PVWP (Photovoltaic Water Pumping) systems were proposed in the specific literature as a remarkable alternative to replace current diésel equipment. Nevertheless, most of the reviewed works only analyze their integration in remote rural areas of Africa or Asia, or small agricultural applications. Only a few of papers describe an extensive study (such as Kelley et al., in 2010). Therefore, there is a lack of contributions that address this integration and transition from a multidimensional point of view: economic, energy, environmental, social and hydric management. Moreover, some questions regarding efficiency, sizing or level of use of the energy capable of providing the required pumping power should be analyzed. This scenario thus represents the starting point of this thesis, underlying the developed contributions The proposed methodology of this thesis was based on the solar and water data gathered from two agricultural areas with an over-exploitation problem of the water resources: the aquifer in the region of La Mancha (Aquifer 23) in Spain; and the aquifer in the area of the Fès-Meknès plain (Saïss Aquifer) in Morocco. Subsequently, a statistical study of the resources was carried out and a Geographic Information System (GIS) was integrated into the study, in order to analyze geographically the distribution of resources and their applicability. With the aim of considering other alternatives and pumping system configurations, beyond such solutions commercially offered by the sector, a neural network-based architecture was designed to configure a map of potential alternatives, including: diesel equipment, PVWP isolated and connected to the grid, and systems supplied only by the power systems. These alternatives were then evaluated and characterized from a multidimensional point of view, taking into account different criteria within the economic, energy, environmental, and social fields. A 4D graphical environment was used to make more friendly and easier the characterization and comprehension of the results. Additionally, it was selected a multi-criteria decision-making process (MCDM) based on the classical AHP-TOPSIS methodologies to order the group of identified alternatives. Consequently, these alternatives were classified and prioritize according to their suitability, reliability, benefits and their adaptation to the conditions of each specific case study. This process entailed a preliminary inquiry of experts. From the results, this thesis provides a series of relevant contributions to the integration of renewable energy sources in the groundwater pumping agriculture sector. These contributions include: (i) the determination of the main impacts affecting the sector from a multi-focus analysis; (ii) the multidimensional characterization of energy alternatives aimed at pumping groundwater; (iii) a statistical and geographical analysis with the support of both exportable and scalable GIS methodology for the PVWP implementation and hydric resource management; and (iv) the application of an AHP-TOPSIS decision-making process (MCDM) to evaluate the suitability, reliability and benefits of the different alternatives to supply energy to the pumping systems. Finally, note the relevance of cooperative pumping systems supplied by PV installations connected to grid; mainly due to their potential economic benefits to the sector, their relevant use-of-energy and their high utilization of these renewable installationsEsta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. Está formada por un total de cuatro artículos: Paper 1 (P01). Rubio-Aliaga, Á., Sánchez-Lozano, J.M., García-Cascales, M. S., Benhamou, M., & Molina-García, A. (2016). GIS based solar resource analysis for irrigation purposes: Rural areas comparison under groundwater scarcity conditions. Solar Energy Materials and Solar Cells, 156, 128-139. http://dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2016.06.045 International journal indexed in the Journal Citation Report (Q1 with an Impact Factor of 4.10 in 2016). https://repositorio.upct.es/bitstream/handle/10317/9408/gbs.pdf?sequence=1&isAllowed=y . 2. Paper 2 (P02). Rubio-Aliaga, Á., García-Cascales, M. S., Sánchez-Lozano, J. M., & Molina-García, A. (2019). Multidimensional analysis of groundwater pumping for irrigation purposes: Economic, energy and environmental characterization for PV power plant integration. Renewable Energy, 138, 174-186. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.01.077 International journal indexed in the Journal Citation Report (Q1 with an Impact Factor of 4.90 in 2019). https://repositorio.upct.es/bitstream/handle/10317/9405/mag.pdf?sequence=1&isAllowed=y .3. Paper 3 (P03). Rubio-Aliaga, A., Molina-Garcia, A., Garcia-Cascales, M. S., & Sanchez-Lozano, J. M. (2019). Net-Metering and Self-Consumption Analysis for Direct PV Groundwater Pumping in Agriculture: A Spanish Case Study. Applied Sciences, 9(8), 1646. https://doi.org/10.3390/app9081646 International peer-reviewed open access journal on all aspects of applied natural sciences, MDPI, with an Impact Factor (Scopus 2019 data): 2.474, which is equivalent to the rank 32/91 in " Engineering Multidisciplinary", which is corresponds to Q2. 4. Paper 4 (P04). Rubio-Aliaga, A., García-Cascales, M. S., Sánchez-Lozano, J. M., & Molina-Garcia, A. (2021). MCDM-based multidimensional approach for selection of optimal groundwater pumping systems: Design and case example. Renewable Energy, 163, 213-224. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.08.079 International journal indexed in the Journal Citation Report (Q1 with an Impact Factor of 6,274 in 2020). https://repositorio.upct.es/bitstream/handle/10317/9404/mbm.pdf?sequence=1 .Escuela Internacional de Doctorado de la Universidad Politécnica de CartagenaUniversidad Politécnica de CartagenaPrograma de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energétic

MCDM-based multidimensional approach for selection of optimal groundwater pumping systems: design and case example

Herein, optimal groundwater pumping solutions based on a variety of energy resources and water storage options are estimated and classified. Each energy source and water storage option is first characterized considering energy, economic, and environmental criteria. A multi-criteria decision making (MCDM) process based on the analytic hierarchy process (AHP) and the technique for order performance by similarity to ideal solution (TOPSIS) is subsequently applied to identify and classify the optimal groundwater pumping solutions under such a multidimensional framework. An aquifer located in the southeast of Spain is analyzed in a case study to assess the proposed optimal MCDM-based approach. Conventional diesel-based equipment, solar PV power plants, and direct grid connection, as well as three water storage systemseedirect pumping, seasonal storage, and annual storageeeare identified as potential energy sources and water storage options, respectively. Characterization and visualization of these energy and water storage systems, as well as prioritized option results, are also discussed herein.This work is partially supported by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (MINECO), reference TIN2017-86647-P. The authors also acknowledge the support of the Fundación Séneca (Region of Murcia, Spain) through the Grant 19882-GERM-15

Multidimensional analysis of groundwater pumping for irrigation purposes: economic, energy and environmental characterization for PV power plant integration

Nowadays, the agriculture sector presents relevant opportunities to integrate renewable energy sourcesas an alternative solution to mitigate fossil-fuel dependence and decrease emissions. Moreover, thissector demands a detailed review of energy uses and other factors that are addressed as priority issues inmost developed countries. In this framework, groundwater pumping energy requirements for agricultureirrigation emerge as a relevant topic to be improved in terms of power demand. Actually, this demand iscurrently supplied by diesel equipment solutions, with relevant drawbacks such as:ðiÞa large energydependence on fossil fuels for the agricultural sector andðiiÞa lack of participation in reducing CO2emissions.This paper proposes a multidimensional characterization to evaluate photovoltaic (PV) solar energyintegration into groundwater pumping requirements. Alternative solutions are compared under eco-nomic, energy and environmental aspects; thus providing an extensive scenario where the considerableinfluence of multiple factors such as water needs, irrigation area or aquifer depth are explicitlyconsidered. Extensive results based on a real Spanish aquifer and discussion about the solutions are alsoincluded in the paper.This work is partially supported by projects Ref. TIN2014-55024-P from the Spanish Ministry of Science and Innovation (including FEDER funds), and SENECA Foundation 19882-GERM-15

Net-Metering and Self-Consumption Analysis for Direct PV Groundwater Pumping in Agriculture: A Spanish Case Study

International policies mainly that are focused on energy-dependence reduction and climate change objectives have been widely proposed by most developed countries over the last years. These actions aim to promote the integration of renewables and the reduction of emissions in all sectors. Among the different sectors, agriculture emerges as a remarkable opportunity to integrate these proposals. Indeed, this sector accounts for 10% of the total greenhouse gas (GHG) emissions in the EU, representing 1.5% of gross domestic product (GDP) in 2016. Within the agriculture sector, current solutions for groundwater pumping purposes are mainly based on diesel technologies, leading to a remarkable fossil fuel dependence and emissions that must be reduced to fulfill both energy and environmental requirements. Relevant actions must be proposed that are focused on sustainable strategies and initiatives. Under this scenario, the integration of photovoltaic (PV) power plants into groundwater pumping installations has recently been considered as a suitable solution. However, this approach requires a more extended analysis, including different risks and impacts related to sustainability from the economic and energy points of view, and by considering other relevant aspects such as environmental consequences. In addition, PV solar power systems connected to the grid for groundwater pumping purposes provide a relevant opportunity to optimize the power supplied by these installations in terms of self-consumption and net-metering advantages. Actually, the excess PV power might be injected to the grid, with potential profits and benefits for the agriculture sector. Under this scenario, the present paper gives a multidimensional analysis of PV solar power systems connected to the grid for groundwater pumping solutions, including net-metering conditions and benefit estimations that are focused on a Spanish case study. Extensive results based on a real aquifer (Aquifer 23) located in Castilla La Mancha (Spain) are included and discussed in detail.This research was funded by the research project TIN2017-86647-P from the Spanish Ministry of Science and Innovation (including FEDER funds), and the Seneca Foundation 19882-GERM-15

GIS based solar resource analysis for irrigation purposes: Rural areas comparison under groundwater scarcity conditions

During the past decade, most governments have been promoting energy efficiency programs and the integration of renewable energy sources into the majority of energy uses. Among the different sectors, the agricultural sector is becoming a more active participant to reduce fossil fuel dependence and improve environmental sustainability. Indeed, agriculture usually combines both a high energy demand and water problems associated with over-exploited aquifers, providing great potential and remarkable opportunities to change the energy mix and maximize the use and integration of natural resources in a rational way. Considering this framework, the present paper describes and compares the solar resource integration and its effects on agricultural pumping purposes in two Mediterranean countries, Spain and Morocco, with significant differences in terms of energy mix, climatic conditions and energy policies. As a novel contribution in this paper, we propose the use of GIS to analyze the spatial and temporal variability of the solar resource through real data of both locations, as well as to study groundwater resources. With this aim, two technical proposals for irrigation purposes are compared in terms of environmental benefits, CO2 emissions and agriculture energy model changes: diesel equipment and photovoltaic system. Results based on solar radiation resource, pumping requirements and aquifer depth are included in the paper.The authors appreciate the EU Marenostrum-Erasmus Mundus Program, which allows us to collaborate with the Moulay Ismail University in Meknes (Morocco). This work has been partially supported by funds, DGICYT and Junta de Andalucía under projects TIN 2014-55024-P and P11-TIC-8001 respectively, and Seneca Foundation 19882-GERM-15

Certificación energética y propuestas de mejora del edificio de "Investigación, Desarrollo e Innovación" de la Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT)

Los objetivos particulares del proyecto son: -O0. Ajustar el modelo numérico del edificio a partir de los datos reales conocidos. -O1. Conocimiento formal del edificio, en espacios cerramientos, instalaciones, etc. -O2. Realizar la certificación energética del edificio de I+D+i mediante el proceso de simulación LIDER-CALENER GT. -O3. Realizar la certificación mediante el método simplificado empleando CE3X. -O4. Conocer la normativa específica tanto reglamentarias (CTE) como legislativas (Reales Decretos) tanto a nivel, regional, nacional como a nivel europeo. -O5. Conocer la actualidad sobre eficiencia energética.Escuela Técnica Superior de Ingeniería IndustrialUniversidad Politécnica de Cartagen