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Jul 11, 2023

Le condizioni della falda acquifera, non l’irradiazione, determinano il potenziale dell’energia fotovoltaica per il pompaggio delle acque sotterranee in tutta l’Africa

Comunicazioni Terra e Ambiente volume 4, Numero articolo: 52 (2023) Cita questo articolo 1736 Accessi 21 Dettagli metriche altmetriche Il pompaggio delle acque sotterranee utilizzando l'energia fotovoltaica ha il potenziale per

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Il pompaggio delle acque sotterranee utilizzando l’energia fotovoltaica ha il potenziale per trasformare i servizi idrici in aree scarsamente servite. Qui sviluppiamo un modello numerico che utilizza dati liberamente disponibili per simulare le capacità di estrazione dei sistemi fotovoltaici di pompaggio dell’acqua in tutta l’Africa. Il primo contributo di questo articolo è la progettazione dettagliata del modello su larga scala per includere vincoli geologici realistici sulla profondità del pompaggio e serie temporali di irradianza sub-oraria. La seconda è la fornitura di risultati per l’intero continente. Abbiamo simulato i risultati per tre dimensioni del sistema (100, 1000, 3000 Wp) e i volumi pompati giornalieri sono risultati variare tra 0,1 e 180 m3, a seconda delle dimensioni e della posizione. Mostriamo che, per gran parte dell’Africa, il pompaggio delle acque sotterranee utilizzando l’energia fotovoltaica è vincolato dalle condizioni della falda acquifera, piuttosto che dall’irraggiamento. I nostri risultati possono aiutare a identificare le regioni in cui il pompaggio fotovoltaico ha il potenziale più elevato e aiutare a indirizzare investimenti su larga scala.

In Africa, più di 300 milioni di persone utilizzano fonti idriche non migliorate per uso domestico, soprattutto in aree rurali non collegate alla rete elettrica1. Anche l’irrigazione è limitata e si chiede di aumentarla per migliorare la sicurezza alimentare data la maggiore variabilità climatica2,3. Le acque sotterranee e superficiali sono le principali fonti d'acqua. Anche se le acque superficiali sono spesso meno profonde e meno costose da estrarre, le acque sotterranee costituiscono la riserva di acqua dolce più grande e più ampiamente distribuita in Africa4 e, a differenza delle acque superficiali, spesso non richiedono trattamenti5. Le acque sotterranee sono adatte anche all’irrigazione perché rispondono più lentamente alle condizioni meteorologiche e quindi forniscono un cuscinetto naturale contro la variabilità climatica6,7. Attualmente, la maggior parte del pompaggio delle acque sotterranee rurali in Africa viene effettuato tramite pompe manuali comunitarie8,9, che si sono dimostrate facilmente riparabili e resistenti alla siccità10,11. Tuttavia, i tassi di funzionalità continuativa possono essere bassi a causa di problemi di installazione e manutenzione12. Gli Obiettivi di sviluppo sostenibile richiedono un livello di servizio più elevato, con acqua sicura disponibile in modo affidabile presso le singole famiglie13. Esiste quindi una sfida considerevole per spostare i livelli di servizio oltre le pompe manuali della comunità.

I sistemi di pompaggio alimentati da energia fotovoltaica rappresentano una soluzione promettente per migliorare l’accesso all’acqua in molte aree off-grid senza aumentare in modo significativo le emissioni di gas serra. Sono già economicamente competitivi in ​​molti contesti14, i progressi tecnologici hanno migliorato la loro longevità15 e studi di casi locali (ad esempio,16,17,18) hanno mostrato risultati promettenti. Tuttavia, questi risultati potrebbero non essere riscontrati in altri luoghi a causa di problemi di gestione4,19 e della variabilità spaziale delle acque sotterranee e delle risorse solari.

Alcuni studi hanno indagato il potenziale dei sistemi fotovoltaici di pompaggio dell'acqua (PVWPS) su aree geografiche continue. Questi studi sono stati condotti in Etiopia20, Ghana21, Egitto22,23, Algeria24, Spagna e Marocco25, Cina26,27 e in luoghi con acque sotterranee poco profonde (profondità statica dell'acqua <50 m) nell'Africa sub-sahariana28. Tuttavia, gli articoli20,21,22,23,24,26 non utilizzano un modello tecnico di PVWPS, che impedisce di considerare l’importanza relativa delle acque sotterranee e delle risorse solari. Gli altri studi25,27,28 considerano un modello tecnico PVWPS. Tuttavia, utilizzano valori di irraggiamento medio mensile invece di serie temporali orarie/sub-oraria, che influenzano il funzionamento e le prestazioni del PVWPS18,29. Inoltre, non tengono conto dello spessore saturo della falda acquifera, che limita il massimo prelievo possibile e quindi la portata pompata. Infine, gli studi esistenti non forniscono risultati per l’intero continente africano, il che limita il confronto tra diversi paesi e regioni.

Qui proponiamo un modello che utilizza dati sulle acque sotterranee e sull’irradianza liberamente disponibili per simulare le capacità di estrazione del PVWPS in tutta l’Africa. Il primo contributo di questo lavoro è la progettazione dettagliata del modello PVWPS su larga scala per includere vincoli geologici realistici sulla profondità di pompaggio, in particolare attraverso lo spessore saturo della falda acquifera, e serie temporali di irradianza sub-oraria. Considerare, per ogni pixel, serie temporali di irradianza sub-orarie anziché valori di irradianza medi mensili presenta diversi vantaggi. Innanzitutto, la portata pompata varia in modo non lineare con l’irradianza, pertanto i risultati dei dati sull’irradianza sub-oraria sono diversi dall’utilizzo delle medie. In secondo luogo, in numerosi casi, per valori di irraggiamento elevati (ad esempio in pieno giorno) il pompaggio cesserà a causa degli elevati prelievi che raggiungono la motopompa, riducendo così il volume totale pompato. Ciò non si osserverebbe se venissero utilizzati i valori di irraggiamento medio mensile. Qui gioca un ruolo importante anche l’altra specificità del modello, che consiste nell’inclusione di un vincolo geologico realistico sulla profondità di pompaggio. Infine, considerando le serie temporali di irraggiamento sub-orario è possibile simulare i giorni critici dell’anno (in particolare i giorni di irraggiamento molto basso) per i quali il volume pompato può essere molto basso, il che può avere un impatto sul consumo regolare di acqua. Il secondo contributo di questo lavoro è la fornitura di risultati per l’intero continente, compreso il Nord Africa e i luoghi in cui le acque sotterranee sono più profonde di 50 m, dove le PVWPS hanno particolare rilevanza poiché è molto difficile accedere alle acque sotterranee tramite pompe a mano4. I risultati sono forniti per tre dimensioni PVWPS, per l'intero anno così come per periodi estremi dell'anno (ad esempio, giorni consecutivi a bassa irradianza) e confrontati con la ricarica delle acque sotterranee. Fornire risultati per l’intero continente consente di confrontare le regioni tra loro e di identificare quelle in cui le PVWPS hanno il potenziale più elevato e quindi di aiutare a indirizzare gli investimenti. I nostri risultati rivelano in particolare che per il 27% delle località l'impianto più grande considerato non produce il volume più elevato a causa di prelievi troppo importanti che raggiungono la motopompa costringendo così l'impianto all'arresto. Essi mostrano inoltre che il principale determinante delle variazioni spaziali del volume pompato sono le condizioni dell'acquifero piuttosto che l'irradianza.