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Jul 17, 2023

As condições dos aquíferos, e não a irradiância, determinam o potencial da energia fotovoltaica para o bombeamento de águas subterrâneas em África

Comunicações Terra e Meio Ambiente volume 4, Número do artigo: 52 (2023) Citar este artigo 1809 Acessos 21 Detalhes da Altmetric Metrics O bombeamento de águas subterrâneas usando energia fotovoltaica tem o potencial de

Communications Earth & Environment volume 4, Artigo número: 52 (2023) Citar este artigo

1809 Acessos

21 Altmétrico

Detalhes das métricas

O bombeamento de águas subterrâneas utilizando energia fotovoltaica tem o potencial de transformar os serviços de água em áreas mal servidas. Aqui desenvolvemos um modelo numérico que utiliza dados disponíveis abertamente para simular as capacidades de captação de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água em toda a África. A primeira contribuição deste artigo é o projeto detalhado do modelo em grande escala para incluir restrições geológicas realistas sobre a profundidade do bombeamento e séries temporais de irradiância sub-horária. A segunda é a disponibilização de resultados para todo o continente. Simulamos resultados para três tamanhos de sistema (100, 1000, 3000 Wp) e descobrimos que os volumes bombeados diariamente variam entre 0,1 e 180 m3, dependendo do tamanho e da localização. Mostramos que, em grande parte de África, o bombeamento de águas subterrâneas utilizando energia fotovoltaica é limitado pelas condições dos aquíferos, e não pela irradiância. Nossos resultados podem ajudar a identificar regiões onde o bombeamento fotovoltaico tem maior potencial e ajudar a direcionar investimentos em grande escala.

Em África, mais de 300 milhões de pessoas utilizam fontes de água não melhoradas para uso doméstico, principalmente em zonas rurais fora da rede1. A irrigação também é limitada e há apelos para aumentar a irrigação para melhorar a segurança alimentar dada a maior variabilidade climática2,3. As águas subterrâneas e superficiais são as principais fontes de água. Embora as águas superficiais sejam frequentemente mais rasas e de extracção mais barata, as águas subterrâneas constituem o maior e mais amplamente distribuído reservatório de água doce em África4 e, ao contrário das águas superficiais, muitas vezes não requerem tratamento5. As águas subterrâneas também são adequadas para irrigação porque respondem mais lentamente às condições meteorológicas e, portanto, proporcionam uma proteção natural contra a variabilidade climática6,7. Actualmente, a maior parte do bombeamento de águas subterrâneas rurais em África é realizada por bombas manuais comunitárias8,9, que provaram ser facilmente reparadas e resistentes à seca10,11. No entanto, as taxas de funcionalidade contínua podem ser baixas devido a problemas de instalação e manutenção12. Os Objectivos de Desenvolvimento Sustentável apelam a um nível de serviço mais elevado, com água potável disponível de forma fiável em cada agregado familiar13. Existe, portanto, um desafio considerável para levar os níveis de serviço para além das bombas manuais comunitárias.

Os sistemas de bombeamento alimentados por energia fotovoltaica são uma solução promissora para melhorar o acesso à água em muitas áreas fora da rede sem aumentar significativamente as emissões de gases com efeito de estufa. Já são economicamente competitivos em muitos contextos14, os avanços tecnológicos melhoraram a sua longevidade15 e os estudos de caso locais (por exemplo,16,17,18) mostraram resultados promissores. No entanto, estes resultados podem não ser encontrados em outros locais devido a questões de gestão4,19 e à variabilidade espacial das águas subterrâneas e dos recursos solares.

Alguns estudos investigaram o potencial de sistemas fotovoltaicos de bombeamento de água (PVWPS) em áreas geográficas contínuas. Estes estudos foram realizados na Etiópia20, Gana21, Egipto22,23, Argélia24, Espanha e Marrocos25, China26,27 e em locais com águas subterrâneas pouco profundas (profundidade estática da água <50 m) na África Subsariana28. No entanto, os artigos20,21,22,23,24,26 não utilizam um modelo técnico de PVWPS, o que impede a consideração da importância relativa das águas subterrâneas e dos recursos solares. Os demais estudos25,27,28 consideram um modelo técnico PVWPS. No entanto, eles utilizam valores médios mensais de irradiância em vez de séries temporais horárias/sub-horárias, o que influencia a operação e o desempenho do PVWPS . Além disso, não levam em conta a espessura saturada do aquífero, o que restringe o rebaixamento máximo possível e, portanto, a vazão bombeada. Finalmente, os estudos existentes não fornecem resultados para todo o continente africano, o que limita a comparação entre diferentes países e regiões.

Aqui propomos um modelo que utiliza dados de águas subterrâneas e de irradiância disponíveis abertamente para simular as capacidades de captação de PVWPS em toda a África. A primeira contribuição deste trabalho é o projeto detalhado do modelo PVWPS em grande escala para incluir restrições geológicas realistas sobre a profundidade do bombeamento, principalmente através da espessura saturada do aqüífero, e séries temporais de irradiância sub-horária. Considerando, para cada pixel, séries temporais de irradiância sub-horárias em vez de valores médios mensais de irradiância tem várias vantagens. Primeiro, a vazão bombeada varia de forma não linear com a irradiância, portanto, os resultados dos dados de irradiância sub-horária são diferentes do uso de médias. Em segundo lugar, em numerosos casos, para valores de irradiância elevados (por exemplo, a meio do dia) a bombagem cessará devido a elevados rebaixamentos que atingem a motobomba, reduzindo assim o volume total bombeado. Isto não seria observado se fossem utilizados valores de irradiância média mensal. É aqui que a outra especificidade do modelo, que consiste em incluir uma restrição geológica realista sobre a profundidade de bombagem, também desempenha um papel importante. Finalmente, considerar séries temporais de irradiância sub-horária permite simulações para dias críticos do ano (principalmente dias de irradiância muito baixa) para os quais o volume bombeado pode ser muito baixo, o que pode impactar o consumo regular de água. A segunda contribuição deste trabalho é o fornecimento de resultados para todo o continente, incluindo para o Norte de África e para locais onde as águas subterrâneas têm profundidade superior a 50 m, onde os PVWPS têm particular relevância, uma vez que as águas subterrâneas são muito difíceis de aceder através de bombas manuais4. Os resultados são fornecidos para três tamanhos de PVWPS, para todo o ano, bem como para períodos extremos do ano (por exemplo, dias consecutivos de baixa irradiância) e comparados com a recarga das águas subterrâneas. Fornecer resultados para todo o continente permite comparar regiões entre si e identificar regiões onde os PVWPS têm o maior potencial e, assim, ajudar a direcionar os investimentos. Nossos resultados revelam notavelmente que para 27% dos locais o maior sistema considerado não produz o maior volume devido a rebaixamentos muito importantes que atingem a motobomba forçando a parada do sistema. Mostram também que o principal determinante das variações espaciais do volume bombeado são as condições do aquífero e não a irradiância.