ARTÍCULO ORIGINAL

Uso de energías renovables en procesos agropecuarios para producir alimentos

Osvaldo André Paulo Ferreira-da Silva^I 
http://orcid.org/0000-0002-1371-4614

Pável Vargas-Rodríguez^{II  *} 
http://orcid.org/0000-0003-3316-0898

Abel Dorta-Armaignac^II 
http://orcid.org/0000-0003-4093-971X

Kaddiel Fernández-Hung^IV 
http://orcid.org/0000-0002-5114-7948

Ignacio Hernández-Ramírez^III 
http://orcid.org/0000-0003-3714-6989

Alberto Méndez-Jocik^V 
http://orcid.org/0000-0001-7906-8398

^IUniversidad de Ciego Ávila (UNICA), Centro de Estudios Hidrotécnicos, Ciego de Ávila, Cuba.

^IIUniversidad de Oriente, Departamento de Ingeniería Hidráulica, Santiago de Cuba, Cuba.

^IIIEmpresa Nacional de Proyectos Agropecuarios. UEB Ciego de Ávila, Cuba.

^IVGrupo de Difusiòn Tecnològica. Empresa de Cìtricos, Contramaestre. Cuba

^VEmpresa Nacional de Proyectos Ingeniería, Departamento de Diseño, La Habana, Cuba.

RESUMEN

Se aborda la problemática de la inseguridad alimentaria en la región central de Cuba, en un contexto caracterizado por el agotamiento de las fuentes convencionales de energía y los efectos negativos del cambio climático. El área se localiza en la finca Los Milian de la provincia Ciego de Ávila, se prevé la aplicación de un proceso productivo de ciclo cerrado, para la producción de alimentos con la utilización racional del agua y la energía. Se concibe el aprovechamiento de los excedentes del proceso productivo para producir biogás, y la utilización de la materia seca como biofertilizante. Se propone un sistema de tratamiento para disminuir la carga contaminante de los efluentes, un sistema de abastecimiento doméstico acoplado a una bomba solar fotovoltaica y un sistema de riego compatible con el horario de menor consumo de electricidad. Los resultados conllevan un impacto social y ambiental positivo para la provincia avileña.

Palabras clave: agua; biomasa; arreglo solar; irrigación

INTRODUCCIÓN

La provincia de Ciego de Ávila clasifica entre las de mayor actividad turística en el país, las inversiones que se desarrollan en el Polo Turístico Jardines de Rey, prevén un aumento a corto plazo de la demanda de productos agrícolas para satisfacer las necesidades del desarrollo. Esta situación exige la utilización racional y eficiente del agua y la energía por medio de tecnologías de riego modernas según ^{Tarjuelo (1995)}; ^{Tarjuelo & José (2005)}, teniendo en cuenta la conservación de los recursos naturales de la región y su protección ante las consecuencias del cambio climático.

Los suelos que integran la región presentan condiciones desventajosas debido a la presencia de la intrusión salina, así como por el propio relieve mayormente llano de su superficie, que dificulta su drenaje natural, todo lo cual contribuye a identificar más del 35% de los suelos de la región en las categorías II y III de calidad, en la escala de agroproductividad de los suelos. Informes recientes aseguran que la sobreexplotación de estos recursos fundamentalmente los destinados para el riego agrícola ha conllevado a la disminución significativa de estas reservas y a la consecuente penetración de la cuña marina en zonas costeras de la provincia. Siendo la agricultura en el territorio avileño el principal consumidor del preciado líquido, se impone la utilización de tecnologías de riego eficientes para lograr la utilización racional del agua y la energía, (^{FAO (PMA); MINAG-Cuba, 1999}).

Estas razones, demandan acciones encaminadas a perfeccionar el manejo del agua y la energía, en las actividades agropecuarias (^{Vanegas, 1988}; ^{Tarjuelo, 1995}; ^{Vigoa, 2001}; ^{Vargas, 2008}). La solución implica la utilización de un sistema híbrido, en el cual se utilice energía solar fotovoltaica para abastecer del preciado líquido los procesos generados por las actividades pecuarias y domésticas, que se potencian dentro de la finca, así como la utilización de los desechos sólidos generados en la cría de cerdos, para la obtención de biogás, y la aplicación de sistemas de tratamiento específicos para disminuir la carga contaminante de los residuales provenientes del proceso pecuario (^{Díaz, 2002}). El agua proveniente del pozo para garantizar los volúmenes necesarios para los cultivos previstos, se bombeará una vez filtrada por medio de una red de tuberías de PEAD convenientemente diseñadas para aplicar el agua en las parcelas de riego.

MATERIALES Y MÉTODOS

La finca los Milian, localizada en la periferia de la ciudad de Ciego de Ávila, está ubicada entre las coordenadas 736039 Norte y 229762 Este, la entrada a la finca se realizó por el km 5½ de la carretera que une a la ciudad capital con el municipio Morón.

Se describió el caso de estudio y se caracterizó el consumo energético de la finca para determinar la demanda de energía a producir mediante el biogás y la cantidad de animales necesarios para satisfacer la misma. También se definió el sistema de abasto, y se caracterizó el complejo Agua-Suelo-Planta-Clima necesarios para diseñar el sistema de riego. Se definió el arreglo solar fotovoltaico y se determinaron las dimensiones del módulo fotovoltaico y sus componentes, necesarios para satisfacer las necesidades del preciado líquido a las instalaciones de la finca, incluidos los corrales porcinos y los órganos de tratamiento para el aprovechamiento de las excretas en la generación de energía biomasa. Se incluyeron tres Lagunas de Estabilización como parte del tratamiento de los residuales domésticos y de las actividades de riego.

Procedimiento para el cálculo del biodigestor anaerobio

Inicialmente se estimó el potencial biodegradable para suplir la necesidad de cocción de alimentos, para alumbrado y como combustible doméstico. En este sentido, el diagrama del flujo de la Planta de Biogás se seleccionó partiendo de la experiencia obtenida de otro sistema similar, teniendo en cuenta para su implementación datos climatológicos, hidrogeológicos, las actividades agropecuarias y sus proyecciones futuras.

Cálculo de la demanda diaria de biogás de la finca

Se determinó la cantidad de animales necesarios para garantizar el volumen de residual diario y la demanda de biogás sin tener en cuenta el residual producto de la cosecha, ni la cría de otros animales potencialmente útiles. Se estimó el área necesaria para producir en la finca el 100% de la materia prima que demanda la alimentación de los cerdos, de manera que haya sostenibilidad en el proceso. Se identificaron los equipos consumidores de biogás necesarios y se estimó el consumo de cada uno de ellos, para determinarla demanda de biogás diario dela finca (Tabla 1). Con estos resultados se calculó la cantidad de animales necesarios para garantizar las actividades pecuarias.

$C_B=\frac{N\times T_R\times P\times e}{1000}$ (1)

donde:

CB:	consumo de biogás al día. (m^3/d);
TR:	horas de uso en el día (h/día);
N:	cantidad de artefactos;
P:	consumo del artefacto);
e:	eficiencia del artefacto (%).

TABLA 1 Consumo medio y eficiencia de los equipos (^{Malalasekera, 2015}) 

Equipos	Consumo (L/h)	Rendimiento (%)
Quemador de cocina Lámpara de mantilla (60W) Heladera de 100 L Motor a gas Lámpara infrarroja de 200W Lámpara de capuchón Quemadores para horno Estufa con 4 quemadores y 1 horno	300-600 120-170 30-75 0,5 m^3/kWh 30-40 100-120 420-500 1800-2100	50-60 30-50 20-30 25-30 80-90 30-50 20-30 20-40

Estimación del número de animales necesario para suplir la demanda de biogás

Conociendo la demanda diaria de biogás y auxiliándose de la Tabla 1, se obtuvo la cantidad de excreta necesaria, y la cantidad de animales necesarios para satisfacer la demanda, teniendo en cuenta los parámetros propuestos en la Tabla 2.

TABLA 2 Propiedades y rendimiento de gas de algunos materiales (^{Acuña, 1984}) 

Material (Excrementos)	Cantidad (kg/animal)	Contenido sólido (%)	Tasa C/N (carbono/nitro.)	Rendimiento (L/kg/d)
de vacas de búfalos de puercos	15 - 20 18 - 25 1,2 - 4	18 - 20 16 - 18 24 - 33	24 - 25 24 - 25 12 - 13	15 - 32 15 - 32 40 - 60

$C_P=\frac{C_B\times 1000}{T\times e}$ (2)

donde:

Cp:	cantidad de animales necesarias.
CB:	consumo de biogás al día. (m^3/d).
T:	cantidad dada al día (kg/animal).
e:	rendimiento diario (L/kg material).

El contenido de sólidos volátiles del residual se asumió a partir de afectar un 25% de la masa de excreta fresca, (^{Savran, 2005}).

Consumo de agua de la finca

El volumen de agua diario a garantizar en el porcino se estimó de acuerdo con el manual de cría porcina y considerando la categoría de ceba, (45 L/d por animal), la demanda de agua para la casa se estimó para una dotación de 100 L/d/p.

Procedimiento para el diseño del biodigestor

Se determinó el caudal máximo del efluente a digerir, el volumen de agua necesario a utilizar en el proceso, así como el volumen de lodos a digerir, con estos parámetros se determinó el volumen del biodigestor. Finalmente se obtuvo la demanda biológica del efluente.

$Qmax=Ch\times Qprom$ (3)

Se asumió un coeficiente de irregularidad (Ch=2), el caudal promedio se estimó mediante:

$Qprom=N_{50}\times q$ (4)

$Volumendeagua=\frac{\left[V\times (Pi-Pf)\right]}{(100-Pf)}$ (5)

$Volumendelodo=Qprom-Vagua$ (6)

$Volumendelododigerido=Vlodo\times \frac{(Pfresi-Pfdig)}{(100-Pfdig)}$ (7)

$Vdigestor=Vlodo-\left[\frac{2}{3\left(Vlodo-Vdig\right)}\right]\times t$ (8)

${DBO}_{5}efluente={DBO}_5\times 0.4$ (9)

donde:

N 50:	Cantidad de animales equivalentes a 50kg de peso, (u);
q:	Dotación por cada animal de 50 kg de peso (L/d);
Ch:	Coeficiente de irregularidad (2);
Pi:	Humedad inicial aproximada del residual (98,50%);
Pf:	Humedad final aproximada del residual (92,00%);
V lodo:	Volumen de fango fresco por días (m^3);
V lodo digerido:	Volumen de fango digerido por días (m^3);
t:	Tiempo de digestión (días) T ≥ 20 días;
V:	Volumen del Biodigestor.

Cálculo del depósito de almacenamiento de biogás

La experiencia práctica indica que el 40-60% de la producción diaria de biogás normalmente tiene que ser almacenada por lo tanto se requiere de un depósito de almacenamiento para el mismo (^{Botero y Preston, 1986}). El tamaño del depósito depende de las velocidades relativas de generación y de consumo de biogás y se dimensionó para cubrir la velocidad pico de consumo: en este caso el tamaño se determinó con base de máximo consumo de gas, la capacidad del depósito se incrementó un 20% como margen de seguridad:

${\mathrm{V}}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{c}}={\mathrm{G}}_{\mathrm{C}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\times {\mathrm{T}}_{\mathrm{C}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}$ (10)

donde:

Gcmax:	consumo máximo gas horario. (m^3/h).
TCmax:	Tiempo de máximo consumo (h).

Postratamiento de los efluentes del reactor anaerobio

Se planificó para reducir el contenido del agua y facilitar el manejo de bioabonos, así como eliminar malos olores del mismo. Se utilizaron lechos de secado para la deshidratación de los lodos, y convertir los sólidos volátiles en biogás.

Cálculo del volumen de lodo diario que llega a los Lechos de Secado (V L/d: m³/d)

Cálculo de los lechos de secado

$Vdrendía=\frac{\left[Vloddig\times (P_2-P_3)\right]}{(100-P_3)}$ (11)

$Volumendelodoseco=Vlododig-Vdrendía$ (12)

$Volumendelodosecoalaño=Vdelodoseco\times 365$ (13)

El área del lecho de secado se obtuvo para extracciones de fango cada 26 días, 0,30 m de espesor y 14 extracciones al año

$Alturadellodo=\#deextracciones\times espesoracumulado$ (14)

$Áreadellechodesecado=\frac{Volumennualdelodoseco}{Alturadellodo}$ (15)

donde:

P2:	humedad inicial (92%);
Ps:	humedad Final (75%);
V lodo digerido:	volumen del lodo digerido;
Volumen drenado diario:	volumen drenado diario.

Carga orgánica según los sólidos volátiles totales (STV)

$\mathrm{S}\mathrm{T}\mathrm{V}=Sdigeridosvolátiles+Svolátilessedimentables$ (16)

$Svolátilessedimentables=SVS\times 0.5$ (17)

$STV=\frac{STV}{Volumendeldigestor}$ (18)

Diseño de las lagunas de estabilización

La carga orgánica de estas lagunas para países tropicales puede oscilar entre 20 y 35 g m-2d-1 con profundidades entre 1,0 y 2,5 m. La relación largo: ancho (L/W) usual es 2 :2,5 y los tiempos de retención hidráulico pueden llegar entre 10 y 20 días de acuerdo al objetivo del tratamiento. Estos sistemas remueven referidos a la DBO₅ soluble en la salida entre un 60 y 80% de la DBO₅ total de la alimentación y eliminan entre 4 y 5 órdenes logarítmicos en los coliformes fecales dependiendo de los tiempos de retención.

Para el cálculo de la Laguna Anaeróbica se empleó el diseño empírico por carga, este método se basa en asumir la carga orgánica con que va trabajar la Laguna. Se asumió un tiempo de retención de 3,03 días.

Para el diseño de la Laguna Facultativa se utilizó el Método de Cubillo, se asumió una profundidad = 1,5 m y se utilizó la expresión de Gloyna modificada para el cálculo de la carga superficial aplicada.

Aspectos a considerar como beneficio ambiental

Para el analizar el efecto ambiental de la producción de biogás en la granja se tuvieron en cuenta los siguientes parámetros:

• El volumen de CH₄ que se deja de emitir a la atmósfera.

• La protección de aguas superficiales y subterráneas de posibles contaminantes.

• La obtención de bioabonos orgánicos y la reducción del uso fertilizantes industriales en las plantaciones.

• La sustitución de leña, petróleo y otras fuentes de energías no renovables.

Caracterización del complejo Agua - Suelo - Planta - Clima

El sistema de abasto se concibió para satisfacer las necesidades hídricas de los cultivos, así como también para garantizar las necesidades del preciado líquido para el consumo de la vivienda del productor privado y algunos vecinos. Se incluyeron las necesidades de agua para 400 crías de cerdos.

Fuente de abasto

La captación se produce a partir de un pozo con capacidad de extracción autorizada de 2 L/s por medio de una bomba accionada por un arreglo fotovoltaico, seleccionada para abastecer del preciado líquido a la vivienda del campesino y satisfacer la demanda generada por la cría de cerdos. Para satisfacer la demanda del sistema de riego se previó utilizar el otro pozo con caudal = 26 L/s. Desde la bomba fotovoltaica se impulsará el agua hasta un depósito elevado con capacidad suficiente para almacenar el volumen necesario para el consumo de la vivienda y para las actividades porcinas con altura de fondo = 10 m. Durante el horario de riego los volúmenes de agua necesarios serán extraídos por medio de una bomba convencional. La calidad de la misma se considera apta para el riego de los cultivos y para el consumo de las viviendas. Se asumió un valor entre 0.75 y 2,25 dS/m correspondiente a aguas de riego de salinidad media (^{Pizarro, 2000}).

Características de los cultivos a beneficiar

Tolerancia a la salinidad: baja 2.3 dS/m (para el cultivo de la Guayaba por ser el más exigente). Tolerancia a la inundación: 24 horas, (para el cultivo del tomate por ser el más exigente). La Tabla 3 refiere otros parámetros de los cultivos.

TABLA 3 Marco de siembra, coeficientes de cultivos y altura de cultivo (^{Allen et al., 1998}) 

Cultivos	M.S. (m×m)	Kc ini	Kc med	Kc fin	Altura (m)
Guayaba	5 × 2	0.31*	0.93*	0.88*	2.0*
Yuca	0.9 × 0.9	0.3	0.8	0.3	1.0
Maíz	0.9 × 0.4	0.7	1.2	0.6 - 0.35	2.0
Tomate	1.4 × 0.5	0.6	1.15	0.7 - 0.9	0.6
Melón	0.5 × 0.4	0.4	1.0	0.75	0.4

*- Valores sugeridos.

Propiedades hidrofísicas del suelo

La pendiente general en la finca es menor el 1% por lo que, a los efectos del diseño del sistema de drenaje, es posible establecer el sentido de siembra de los cultivos en dirección a la pendiente predominante sin asumir riegos de erosión superficial. Profundidad: mayor de 1,5 m, generalmente son suelos profundos, el drenaje externo e interno se considera de moderado a deficiente con la profundidad. Son suelos medianamente productivos, que se dedican a caña de azúcar y pastos generalmente con una velocidad de infiltración estabilizada de 22,86 mm/h. No se conocen las propiedades químicas del mismo. Tampoco se dispone los valores de conductividad eléctrica del extracto de saturación de los suelos, se asumió un valor de 2,3 dS/m correspondiente al 90% de reducción de la cosecha con relación a la normal, en suelos de conductividad eléctrica creciente (^{Pizarro, 1985}).

$IVA{G}_2\frac{p^1{h}^{3}e{g}^3}{d}55t_2$

donde:

IV-	Tipo: Ferralítico Amarillento Textura: Arcilla Limosa;
A-	Subtipo: Típico;
G-	Gleyzado;
d-	Arcilla Limosa;
P^1-	Muy Profundo (>100cm);
g^3-	Mediana (aparece a los 41-60 cm);
h^3-	Medianamente Humificado (2.0 - 4.0%;
e^4-	Poca (Pérdida del Ä” menor del 25%);
t2-	Llano (0.5 - 1.0%).

Características climáticas

Se tuvieron en cuenta las series medias mensuales de la evaporación y las precipitaciones d una serie de 11 años aportados por la Dirección Provincial de Recursos Hidráulicos de la provincia, así como los referidos a la temperatura, velocidad de los vientos predominantes y humedad relativa.

Para la realización del esquema hidráulico del sistema de riego se utilizó un levantamiento topográfico altimétrico y planimétrico a escala 1: 2000 con curvas de nivel a equidistancias de 1m. Se dispuso además de mangueras de goteo de 20 ×16 mm con los emisores autocompensantes insertados cada 75 cm, caudal del gotero 2.5 L/h y rango de compensación entre 50 y 340 kPa.

Procedimiento para diseño del sistema de riego

Diseño Agronómico

Se aplicó el procedimiento propuesto por Keller y Rodrigo citado por Pizarro (1996). Para estimar las necesidades de agua de los cultivos planificados se tuvo en cuenta el criterio de ^{Allen et al. (1998)} y ^{Allen (2006)}, para calcular los coeficientes de corrección de las necesidades netas en el período crítico del cultivo más exigente, para estimar las necesidades totales se previó una dosis extra para prever las necesidades del lavado en el caso de tenores salinos dañinos para los cultivos. La frecuencia de riego se estimó diaria de acuerdo con las características de la técnica de riego a utilizar y las posibilidades de manejo de la instalación. La duración del riego se calculó para durante el riego de cada cultivo previendo no aplicar el riego durante las horas pico establecidas por el Sistema Electroenergético Nacional (SEN). La dosis de riego a aplicar resultó en todos los casos igual o ligeramente superior a las necesidades de agua de los cultivos.

Diseño Hidráulico

Se concibió para lograr el dimensionamiento óptimo de la instalación de manera de lograr satisfacer las necesidades de agua de los cultivos establecidas en el Diseño Agronómico. Se tuvo en cuenta, además de los datos calculados, la topografía de las parcelas, la cual conjuntamente con las características del agua y las prácticas de cultivo permitieron escoger el tipo de emisor y la disposición de los laterales más apropiada, esto permitió estimar el número máximo de unidades rotacionales.

Como se trata de emisores de goteo autocompensante el cálculo hidráulico se simplifica a garantizar que las presiones en los puntos importantes de la parcela de riego se mantengan dentro del rango de compensación de los goteros como garantía de que los mismos entreguen el caudal necesario. De esta forma se definieron las condiciones límites en las que debe funcionar la instalación y se ejecutó el diseño de las parcelas de riego; su número, ubicación, así como el régimen de presiones y caudales necesarios para el diseño de la estación de control.

Procedimiento para diseño del sistema del bombeo FV

Factibilidad de la operación solar en la finca

Para la selección del uso del bombeo fotovoltaico se verificó que la cantidad de energía solar disponible es la apropiada, la disponibilidad de otras fuentes de energía en la zona y que el uso que se pretende dar al agua extraída es para el consumo humano.

De acuerdo con ^{Bulté (1995)}, los sistemas de bombeo fotovoltaico son ligeramente más barato que los convencionales para un tiempo de operación de 20 años, de igual manera ^{Bloos et al. (1996}; ¹⁹⁹⁷⁾ corroboraron que estos sistemas son más fiables, autónomos y eficientes.

Cálculo y selección de los elementos que conforman el sistema de bombeo FV

Para realizarla selección y el dimensionamiento del sistema de bombeo fotovoltaico estuvo en cuenta la demanda de la vivienda del campesino y de las actividades pecuarias, la orientación conveniente de los paneles fotovoltaicos y la potencia del generador fotovoltaico, así como el número de módulos en serie y en paralelo y la selección del convertidor de frecuencia y de los conductores.

Cálculo de la potencia del generador FV: [PgFV (kW)]

$Pgfv=\frac{P_{ba}}{Ks}$ (19)

donde:

Pba:	potencia de la bomba de agua (kW);
Ks:	coeficiente de seguridad (0,8 - 0,85 para Cuba).

Este coeficiente tiene en cuenta la eficiencia total del sistema (la eficiencia media diaria del panel en condiciones de operación, el factor de acople, el coeficiente de temperatura de las celdas). La selección del arreglo solar se realizó con el software Wincaps.

Cálculo del número de módulos en serie (Nms)

$N_{ms}=\frac{Tn}{Tnm}$ (20)

donde:

Tn:	tensión nominal de la instalación (V);
Tnm:	tensión nominal de los módulos (V).

Cálculo del número de módulos en paralelo (Nmp)

$N_{mp}=\frac{Immax}{Ipmax}$ (21)

donde:

Im max:	corriente máxima demandada (A);
Ip max:	corriente para punto de máxima potencia (A).

Cálculo del número total (Ntm) de módulos

$Ntm=Nms\times Nmp$ (22)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

La demanda diaria de biogás es de 62,7m³/d (Tabla 4), y es menor que el volumen de biogás producido, una parte de la misma se destina a otros usuarios, o puede ser almacenada.

En la Tabla 5 se muestra el dimensionamiento del biodigestor, la Tabla 6 muestra el dimensionamiento del lecho de secado

TABLA 4 Demanda diaria del biogás de la finca 

Equipos	Consumo (L/h)	Cantidad de equipos	Horas de uso (h/día)	Consumo Biogás (m^3/día)
Vivienda del campesino
Lámpara de mantilla (60W)	170	10	6	10,2
Nevera de 100 L	75	1	12	0,9
Cocina con 4 quemadores	1800	1	4	7,2
Porcino
Cocina con 4 quemadores	1800	1	2	3,6
Lámpara de mantilla (60W)	170	20	12	40,8
Total				62,7

TABLA 5 Dimensionamiento del biodigestor 

Descripción	U/ Medida	400 cerdos de 100 kg
Volumen de Lodo Digerido	m^3/d	3,50
Capacidad del digestor	m^3	96,67
Tiempo de retención	Días	20
Volumen de gas producido	m^3/d	90,9
Depósito de almacenamiento	m^3	36,36

Se seleccionó una relación excreta-agua de la mezcla final de 1:3 por peso, esta solución contribuye a una mejor biodegración de las excretas.

TABLA 6 Dimensionamiento del lecho de secado 

Descripción	U/ Medida	400 cerdos de 100 kg
Volumen de Drenaje Diario Volumen de Lodo Seco Diario Volumen de Lodo Seco Anual Periodo de las Extracciones Cantidad de Extracciones Espesor de Acumulación del Lodo Área de Lodo Acumulado	m^3/días m^3/días m^3/días días U m m^2	2,38 1,12 408,80 26,00 14,04 0,30 97,07

Se asumieron 9 m² para cada parcela. El lodo deshidratado se puede utilizar como abono sólido y se pude aplicar directamente en el cultivo

Dimensionamiento de las Lagunas Estabilización

La Laguna Anaerobia; concebida para disminuir la carga contaminante del residual crudo, con una profundidad = 2,5 m y un tiempo de retención = 3,03 días. La carga contaminante del efluente disminuye hasta 9,48 kg DBO₅/m³, correspondiente a una eficiencia de remoción = 82,05%, que es un valor aceptable de acuerdo a la práctica del diseño en Cuba. La Laguna Facultativa 1 con una profundidad (1,5 m), pero con un área superficial mayor que la laguna anaerobia (0,025 ha). Para este caso la eficiencia de remoción resultó 89,32%, disminuyendo la carga contaminante hasta 0,06 kg DBO⁵/m³. Para evitar un incremento de la carga contaminante se previó una segunda Laguna Facultativa con igual profundidad, pero menor área superficial (0,0157 ha) y un tiempo de retención de 4,4 días. Se obtuvo una eficiencia de remoción de 79,02%. Es importante comprobar la calidad bacteriológica del efluente antes de decidir el destino final del mismo, debido al riesgo de la presencia de patógenos cuya presencia limita la reutilización del efluente en el riego de los cultivos agrícolas planificados.

La Tabla 7 muestra los resultados del diseño agronómico, la Tabla 8 los resultados del diseño hidráulico (20 × 16 mm) y la Tabla 9 los parámetros de explotación del sistema de riego.

En la Figura 1 se muestra la simulación del comportamiento hidráulico del sistema de riego de la finca y en la Figura 2 el esquema general de explotación del área de riego de la finca.

TABLA 7 Resultados del diseño agronómico 

Cultivos	Tiempo de riego (h)	Dosis de riego (L)	Necesidades totales (L)
Guayaba	6,1	40	39,97
Maíz	2,3	3,07	3,07
Tomate	3,04	4,06	4,05
Yuca	1,56	4,67	4,66
Melón	1,06	1,41	1,41

TABLA 8 Resultados del diseño hidráulico (20 × 16 mm) 

CULTIVOS	L lateral (m)	Q lateral (L/s)	ho (kPa)	h mín. (kPa)	Rango de compensación
Guayaba	100	0,093	108,04	92,55	98 - 294
Yuca / Maíz	100	0,093	108,04	92,55	98 - 294
Tomate / Melón	100	0,093	108,04	92,55	98 - 294

TABLA 9 Parámetros de explotación del sistema de riego 

CULTIVOS	Caudal a aplicar L/s)	Duración del riego (h)	Horario de riego (h)	Área a regar (ha)
Guayaba	8,92	12	18:00 a 06:00	9,60
Yuca	16,38	6,24	06:00 a 12:24	7,80
Maíz	16,38	9	06:00 a 15:00	7,80
Tomate	16,38	12	18:00 a 06:00	6,96
Melón	16,38	4,24	06:00 a 10:24	6,96

FIGURA 1 Simulación del comportamiento hidráulico del sistema de riego de la finca. 

FIGURA 2 Esquema general de explotación del área de riego de la finca. 

A continuación, se presentan los parámetros de operación de la bomba seleccionada (Tabla 10).

TABLA 10 Parámetros de operación de la bomba seleccionada 

MARCA	Caudal(L/s)	H (kPa)	N (kW)	𝜼 (%)	NPSHr
Pump:6S181B/2B	25.3L/s	406.7 KPa	7.1 kW	72%	5.9 m

Análisis de los resultados de la selección del arreglo solar fotovoltaico

En las Tablas 11, 12 y 13, se describen los parámetros necesarios para la selección de la bomba fotovoltaica, parámetros para el cálculo de la corriente necesaria y parámetros de diseño del arreglo solar, respectivamente.

Bomba Grundfus SQF 2.5-2 N (Tabla 11a), encapsulada, de acero inoxidable (1.4401/AISI 316), temperatura máxima = 40 ℃. Motor de tres velocidades; y protección contra la marcha en seco. De alto rendimiento del motor, de imán permanente y protección sobre voltaje y bajo voltaje. Protección contra máximo punto de rastreo de potencia. Paneles con 50 W de potencia del tipo silicio policristalino y amorfo, inclinados. Potencia y tensión nominal 0,24 kWp y 152 V, respectivamente. Orientación (0⁰=sur, 90⁰=oeste, 180⁰= norte, 270⁰=este (Acimut α=0 y) ángulo de inclinación β= 21^0.

TABLA 11 Parámetros necesarios para la selección de la bomba fotovoltaica 

Volumen de agua necesaria por día	6	m^3/d
Insolación del sitio	8	h pico/día
Régimen de bombeo	2	m^3/h
Carga estática	6	M
Carga por fricción	4	M
Carga Total	10	M

TABLA 11a Información del par Bomba-Motor 

Marca	Grundfus
Modelo	SQF 2.5-2 N
Tipo de bomba	centrífuga
Tipo de motor	MSF3 N
Voltaje de operación	30-300 V
Eficiencia de la bomba	80%

TABLA 12 Parámetros para el cálculo de la corriente necesaria 

Volumen de agua diario necesario	6	m^3/d
Carga dinámica total	10	Mca
Energía Hidráulica	23760	Wh/d
Eficiencia de la bomba	0,8
Energía del arreglo FV	32400	Wh/d
Voltaje nominal del sistema	300	Volt
Carga eléctrica	27,5	Ah/d
Factor de rendimiento del conductor	0,95
Carga eléctrica corregida	28,6	Ah/día
Insolación del sitio	8	h pico/d
Corriente del proyecto	7	Amp

TABLA 13 Parámetros de diseño del arreglo solar 

Corriente del proyecto	7	Amp
Factor de reducción del módulo	0,85
Voltaje nominal del sistema	200	Volt
Voltaje Vmp del módulo	152	Volt
Módulos en serie	1	U
Módulos en paralelo	3	U
Corriente Imp, del módulo	0,329	Amp
Capacidad del arreglo fotovoltaico	1,13	kW

Al utilizar el biogás para la cocción de alimentos y el alumbrado se dejan de emitir a la atmósfera 33 069 m³ de gas metano al año, a su vez la energía biomasa producida contribuye a evitar el uso de 5,7 toneladas de petróleo equivalentes al año, el cual constituye un recurso agotable, que emite gases nocivos hacia la capa de Ozono como NO_X, CO₂, HC y SO_2, los cuales al combustionar pueden provocar lluvias ácidas.

El lodo que sale del digestor es un excelente fertilizante, este sustituiría el uso de fertilizantes químicos ahorrando tiempo y recursos financieros al agricultor. El tratamiento del agua que sale del reactor remueve una cantidad considerable de sólidos volátiles totales y de DBO₅ y posibilita su vertimiento de acuerdo a las normas cubanas establecidas.

El establecimiento del sistema de riego por goteo permite utilizar el agua y la energía de manera eficiente y humaniza las labores, es compatible con el riego fuera del horario del pico eléctrico y propició el incremento de la producción de productos agropecuarios para los mercados y puntos de ventas. La energía solar fotovoltaica constituye una solución ecológica y económica en comunidades alejadas del SEN, se prevé producirá energía a 2,6 t/año de petróleo equivalente y contribuye a reducir exportaciones.

La Tabla 14 presenta la valoración cualitativa de ahorro energético, el agua y ambiental.

TABLA 14 Valoración cualitativa de ahorro energético, el agua y ambiental 

Biodigestor anaeróbico
Volumen de metano retenido de la atmósfera	33069	m^3/año
Energía equivalente producida de biomasa	56940	kWh/año
Toneladas de petróleo ahorrado	5,7	t /año
Emisiones retenidas por ahorro del petróleo
NOX	204,6	kg/año
CO2	13,8	kg/año
CO	47,9	kg/año
HC	5,00	kg/año
SO2	5,9	kg/año
Fertilizantes orgánicos producidos	97,1	t/año
DBO5 evitado de los cuerpos receptores	3168	kg DBO5/año
Generador fotovoltaico
Energía producida	26280	kWh/año
Toneladas de petróleo ahorrado	2,6	t/año
Emisiones retenidos por ahorro del petróleo
NOX	30,7	kg/año
CO2	2,1	kg/año
CO	7,19	kg/año
HC	0,75	kg/año
SO2	0,88	kg/año

CONCLUSIONES

• Las soluciones propuestas propician la aplicación de un proceso productivo de ciclo cerrado en la finca los Milian y contribuye a la producción de alimentos por medio de alternativas respetuosas del medioambiente.

• No es conveniente el reúso de las aguas residuales tratadas para el riego de cultivos y en otras actividades agrícolas sin tener en cuenta la calidad bacteriológica del efluente.

• La planta de biogás permite el aprovechamiento del potencial biodegradable de la finca y conllevan un impacto social y ambiental positivo.

• El arreglo solar fotovoltaico propuesto es compatible con las necesidades de abasto de la finca y no concibe batería para almacenar la energía solar fotovoltaica producida para no incrementar el precio de adquisición del módulo solar.

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Recibido: 02 de Marzo de 2021; Aprobado: 12 de Noviembre de 2021

^*Author for correspondence: Pável Vargas-Rodríguez, e-mail: [e-mail]