Jomaelah Morales Rayo Maestro en Ingeniería hidráulica.
Coautores: José Daniel Orbezo Parrao, Grupo Sowitec. José Manuel Rodríguez Varela y Óscar Jesús Llaguno Guilberto, IMTA.
En este artículo se propone una metodología para la determinación del nivel de peligro de inundación en parques solares fotovoltaicos, basada en información recopilada en campo y en su análisis detallado, complementado con estudios realizados para la determinación de peligro de inundación en México.
En los últimos años en México, la generación de energía eléctrica a partir de recursos naturales renovables ha tenido gran auge. La finalidad es reducir el impacto ambiental ocasionado por combustibles fósiles empleados en la generación de electricidad. Uno de los recursos renovables más utilizados para su generación a gran escala es la energía solar a través de paneles o módulos fotovoltaicos, lo que conlleva la implementación de proyectos como los parques solares (véase figura 1).
En el caso específico de la energía solar, México es uno de los cinco países con mayor potencial en el mundo. La cantidad de energía solar promedio que se recibe en el país es de 5 kWh por cada metro cuadrado al día, por lo que se estima que el potencial solar bruto representa alrededor de 50 veces el total de energía eléctrica generada en el país (ProMéxico, 2017).
Siendo la generación de energía eléctrica a partir de recursos naturales renovables una opción para reducir el impacto ambiental ocasionado por las centrales eléctricas convencionales, es de gran importancia realizar los estudios que permitan determinar el nivel de peligro de inundación del sitio, y con esto proponer medidas de mitigación para reducirlo en caso de presentarse un nivel alto de peligro.
En este contexto, los parques solares deben ubicarse en sitios alejados de peligros producidos por fenómenos hidrometeorológicos como las inundaciones ocasionadas por un evento de precipitación extrema. En lo que sigue se muestra la metodología aplicada para la determinación del peligro de inundación en proyectos solares fotovoltaicos considerando variables como el tirante y la velocidad para su determinación.
Introducción
Para determinar el peligro de inundación en un parque solar, se requiere contar con dos variables generadas por el escurrimiento de agua: el tirante y la velocidad del agua alcanzados en diferentes intervalos de tiempo, para lo cual se requiere el análisis hidrológico e hidráulico apoyados en modelación hidráulica bidimensional. En México se cuenta con una variedad de plataformas digitales que contienen datos que son requeridos para generar un modelo numérico hidrológico-hidráulico, entre los cuales destacan el SIATL, Espacio y datos de México, del Instituto Nacional de Estadística y Geografía (Inegi), e información estadística climatológica de la Comisión Nacional del Agua (Conagua), entre otros. Cabe mencionar que el listado es enunciativo y no limitativo, y depende del alcance del análisis a desarrollar para la selección de la plataforma requerida.
Metodología
La metodología comprende lo siguiente:
• Caracterización del parque solar fotovoltaico. Contempla las características fisiográficas del sitio en formato vectorial y archivo ráster obtenido a partir de información disponible del Inegi.
• Determinación de curvas IDT. Representan la intensidad-duración-frecuencia de un evento de lluvia a través de un gráfico. Se obtienen a partir del análisis y depuración de datos de estaciones climatológicas de influencia en el parque a partir de información de la Conagua.
• Modelo hidrológico. Permite representar la transformación lluvia-escurrimiento de las subcuencas de aportación hacia el parque solar fotovoltaico.
• Modelo hidráulico 2D. Representa los escurrimientos de manera bidimensional (x, y) que transitan en el parque, a partir de un evento de lluvia analizado o, en su caso, asociado a una duración y una frecuencia. Con el modelo 2D se obtienen las variables velocidad y tirante requeridas para la determinación del peligro de inundación.
• Peligro de inundación en parques solares fotovoltaicos. Obtenido a partir de la relación de las variables tirante-velocidad, su procesamiento se genera en un sistema de información geográfica. Los valores establecidos del nivel de peligro se obtienen con base en la información contenida en una tabla generada a partir del análisis de campo y del análisis de peligro desarrollado por el Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA, 2015).
Datos requeridos para un adecuado análisis
Para la determinación de los puntos 1-3 de la metodología se debe tener en cuenta que la información recopilada alimentará al modelo hidráulico 2D. Siendo el análisis en un parque solar fotovoltaico, las características fisiográficas deben estar definidas de acuerdo con estudios realizados en campo y complementados con información disponible en dependencias de gobierno, como lo son el Inegi y la Conagua, entre otras. Para complementar lo mencionado se debe recordar que un parque solar fotovoltaico cuenta con el siguiente equipo en su superficie:
• Soportes y herrajes (estructuras fijas, seguidores unidireccionales o bidireccionales)
• Módulos o paneles fotovoltaicos
• Inversores de corriente centrales o de cadena
• Canalización y conductores eléctricos de baja tensión en corriente directa
• Canalización y conductores eléctricos de media tensión en corriente alterna
• Subestación colectora elevadora
• Edificaciones de operación, mantenimiento y casetas de control y almacenamiento
• Línea de transmisión eléctrica de interconexión, en su caso
Partiendo del equipo a instalar y del análisis por desarrollar, debe contarse con un levantamiento topográfico del alta resolución, el cual permitirá representar las condiciones actuales de los escurrimientos superficiales en el sitio para con esto determinar el nivel de peligro in situ asociado a una duración y un periodo de retorno previamente seleccionado.
Modelación hidráulica 2D
En la actualidad, se cuenta con diferentes modelos que permiten representar los escurrimientos superficiales en 2D. Varios de ellos son gratuitos, como el programa IBER desarrollado por el Instituto Flumen de la Universidad Politécnica de Cataluña. Los modelos 2D se basan en conservación de masa dentro de un dominio determinado. Las ecuaciones de Saint-Venant para dos dimensiones (conocidas como 2D shallow water equations o ecuaciones de aguas poco profundas) son obtenidas integrando en la dirección del tirante y promediando las velocidades en las coordenadas x, y (Gómez, 2007). Se debe tener en consideración que existen diferentes opciones para realizar una modelación hidráulica 2D, y depende del modelador y los parámetros a considerar la elección del programa numérico adecuado para la modelación.
Determinación del nivel de peligro en parques solares
Existe una gran variedad de criterios de peligro de inundación en zonas urbanas, que relacionan las variables tirante y velocidad para obtener el deslizamiento que producen los escurrimientos (IMTA, 2015). Puesto que el presente análisis se da en un parque solar fotovoltaico, donde existe equipo y se debe cuidar el contacto con el agua y las velocidades que se presentan, se propone un rango de tres niveles de peligro de inundación en parques solares, obtenido a partir de inspecciones de niveles de altura de tirantes en sitios definidos para la colocación de un parque solar (véase tabla 1).
La obtención del volcamiento y deslizamiento se ha considerado en la metodología debido a que en los parques solares fotovoltaicos se cuenta con operaciones de control, mantenimiento y aseguramiento de la calidad en el funcionamiento de los equipos instalados y que está en constante inspección por parte de brigadas especializadas. Con lo anterior, se debe entender que personal recorre la central eléctrica en forma diaria y, por supuesto, ante un evento de precipitación, los escurrimientos no deben afectar sus actividades laborales más allá de lo habitual.
Conclusiones
La metodología propuesta para la determinación del nivel de peligro de inundación en parques solares fotovoltaicos se basa en información recopilada en campo y en su análisis detallado, complementado con estudios realizados para determinar el peligro de inundación en México, como el realizado por el IMTA.
Siendo la generación de energía eléctrica a partir de recursos naturales renovables una opción para reducir el impacto ambiental ocasionado por las centrales eléctricas convencionales, es de gran importancia realizar los estudios que permitan determinar el nivel de peligro de inundación del sitio, y con esto proponer medidas de mitigación para reducirlo en caso de presentarse un nivel alto de peligro.