Tema M: Agua y Energía

Alternativas para el ahorro energético en redes de riego a presión J. A. Rodríguez Díaz1, E. Camacho2, P. Montesinos3, M. T. Carrillo Cobo4 1

Dr. Ingeniero Agrónomo; Investigador Ramón y Cajal; Universidad de Córdoba [email protected]

2

Dr. Ingeniero Agrónomo; Catedrático de Universidad; Universidad de Córdoba [email protected]

3

Dr. Ingeniero Agrónomo; Profesora Titular de Universidad; Universidad de Córdoba [email protected] 4

Ingeniero Agrónomo. Investigadora. Universidad de Córdoba [email protected]

1 Introducción En los últimos años, las zonas regables en España han afrontado el reto de optimizar el uso del agua de riego por medio de la implantación de sistemas de riego más eficientes. Esto ha motivado que muchas de las grandes zonas de riego tradicional hayan sido modernizadas, por lo que sus redes de distribución mediante canales abiertos han sido sustituidas por redes a presión organizadas a la demanda. Este cambio ha resultado muy positivo para el agricultor, ya que dispone de agua de riego en su hidrante las 24 horas del día todos los días del año, lo que permite aplicar el agua justo en el momento en que es más necesaria. Esto contrasta con los sistemas tradicionales en los que el regante debía solicitar el agua con cierta antelación y esperar hasta varios días su turno de riego (Plusquellec, 2009). Además, los sistemas a presión permiten el uso de sistemas de riego localizado, habitualmente más eficientes en el uso del agua. Por el contrario, las redes a presión requieren de importantes cantidades de energía para su funcionamiento. De hecho se estima que en las redes a presión es necesaria una potencia media instalada de 2 kW/ha y el consumo medio de energía oscila entre los 600 y los 1600 kWh/ha (IDAE, 2008; Blanco, 2009). Esta dependencia de la energía ha motivado un importante aumento de los costes totales del agua en las zonas modernizadas, representando la energía por término medio el 30% del total. Por tanto, cada vez se hace más necesario optimizar no sólo el uso del agua sino también el de la energía al mismo tiempo. Para optimizar el consumo energético de redes que ya se encuentran operativas existen varias posibilidades de actuación. Por un lado, es posible optimizar el consumo de agua de riego y de esta forma reducir los volúmenes de agua bombeados. Una segunda línea de actuación consiste en la mejora de la estación de bombeo mediante equipos con mayor rendimiento. Por último, es posible reducir el consumo mediante la optimización de las presiones de consigna en la estación. En esta última línea, en este trabajo se analizan varias alternativas de optimización energética en redes a presión y se valoran sus posibles efectos en la zona regable de Fuente Palmera (Córdoba) (Carrillo, 2009).

Tema M: Agua y Energía

2 Metodología

2.1 Zona de Estudio La CR de Fuente Palmera se encuentra situada en el suroeste de la provincia de Córdoba, en el margen izquierdo del rio Guadalquivir (Figura 1). Comprende los términos municipales de Fuente Palmera, Hornachuelos, Posadas y Guadalcázar en la provincia de Córdoba, y de Écija en la provincia de Sevilla. Actualmente la comunidad cuenta con una superficie de más de 5611 ha regables. Está distribuida en 85 agrupaciones, éstas a su vez están fragmentadas en parcelas cuyo tamaño medio oscila entre 15 ha y 25 ha repartidas entre más de 880 comuneros.

Figura 1

Localización de la CR de Fuente Palmera

2.1.1 . Infraestructuras El sistema de distribución de agua a los regantes de la CR de Fuente Palmera se realiza mediante las siguientes infraestructuras: - Estación elevadora: La obra de captación consiste en un azud situado en el margen izquierdo del río Guadalquivir cuyo objetivo es elevar el nivel de aguas y mantenerlo constante en un depósito de 5.000 m3. La estación elevadora dispone además de 4 bombas de 1.839 kW, de las cuales una de ellas es reservada para posibles averías y fallos, las tres restantes trabajan según la demanda requerida. Esta primera impulsión tiene carácter automático en función de los niveles en depósito. - Estación de puesta en carga: La estación puesta en carga cuenta con una completa instalación que incluye un centro de transformación y un banco de pruebas para calibración de contadores. La impulsión se realiza gracias a seis bombas de 1.839 kW, una de ella de reserva y dos de 500 kW, de modo que van entrando en funcionamiento de forma secuencial según sea la demanda de agua. Otra bomba de 544 kW actúa con un variador de velocidad. La consigna de activación de las bombas se realiza mediante la presión en la red. La estación de bombeo es capaz de suministrar el caudal de 1,2 L/s/ha para los que está diseñado el sistema. Un ordenador regula el funcionamiento de las estaciones mediante unos sensores que indican el nivel del agua en el depósito. Se encarga de la apertura y cierre de las válvulas y llaves a la entrada y salida de las bombas. En este ordenador se almacenan datos del bombeo, permitiendo obtener información instantánea (cada minuto) de parámetros hidráulicos y eléctricos.

Tema M: Agua y Energía

Red principal de tuberías: La red de esta comunidad consta de una arteria principal de 5.096 m que cruza la zona regable en dirección norte-sur, de ella parten el resto de los ramales con un total de 45,47 m de tuberías principales. Cada agrupación tiene una toma única y el agua se distribuye a las parcelas mediante una red secundaria enterrada y fija.

2.1.2 Distribución de cultivos En la zona de Fuente Palmera, hay un amplio grupo de cultivos en producción, esto es debido gracias a las condiciones climáticas y edafológicas de esta zona de riego. Inicialmente cultivos como trigo, algodón y girasol constituían el 90% de la superficie total cultivada, pero en los últimos años, cultivos como el olivar y los cítricos han experimentado una evolución creciente, que junto con los cereales, en la actualidad ocupan el 64% de la superficie cultivada.

2.2 Evaluación de las necesidades energéticas 2.2.1 Modelado de la red y análisis de los consumos de agua El funcionamiento hidráulico de la red se ha simulado en entorno de Epanet, modelo de simulación hidráulica de redes a presión, ampliamente usado a escala mundial (Rossman, 2000). Para caracterizar la demanda de riego se usaron los datos de caudales registrados en la estación de bombeo durante la campaña de riego 2006/07. Estos datos se registran cada minuto, por lo que fue necesario agregarlos a escala diaria para detectar los momentos de mayor demanda. De esta forma, se comprobó que la mayor demanda se produjo el 14 de Agosto con un caudal medio de 1478 L/s. Posteriormente, este caudal se distribuyó entre todos los hidrantes según su superficie de riego, determinando una demanda base para cada uno de ellos.

2.2.2 Análisis de estrategias de gestión Para analizar el efecto de la optimización de la presión de consigna en el consumo energético, en este trabajo se analizan las siguientes alternativas de gestión de la red: 1- Presión de consigna estática. Simula la gestión actual de la red, organizada a la demanda y una presión de consigna fija que asegura 30 m de presión en el hidrante más desfavorable cuando todos los hidrantes se encuentran regando. Todos los hidrantes pueden aplicar el riego durante las 24 horas del día. 2- Presión de consigna dinámica. La red se organiza a la demanda pero la presión de consigna se ajusta a tiempo real al punto más desfavorable que se encuentre regando en un determinado instante. 3- Presión de consigna estática y organización de la red en dos sectores homogéneos. Se establecen dos turnos de riego, agrupando la demanda en dos sectores de cotas homogéneas (sector 1 con las cotas inferiores a los 131m y sector 2 con las cotas superiores). La presión de consigna es fija para cada sector, asegurando 30 m en el hidrante más desfavorable del sector activo. En esta alternativa, la demanda se organiza en dos turnos, uno para cada sector, por lo que cada parcela dispone de 12 horas para regar en lugar de 24 horas, como sucedía en los casos 1 y 2. Para asegurar que todas reciben la misma cantidad de agua aunque en menos tiempo, la demanda base asignada a cada hidrante se multiplica por dos. 4- Presión de consigna dinámica y organización de la red en dos sectores homogéneos. Igual que en la alternativa 3, se organiza la red en dos sectores homogéneos pero la presión de consigna se ajusta al hidrante más desfavorable en cada momento. Para simular dichas alternativas de ahorro energético, se ha desarrollado la aplicación informática Optien, la cual está programada en Visual Basic y usa el motor de cálculo de Epanet, mediante la incorporación de su librería dinámica (DLL). Mediante una simulación de Montecarlo, Optien genera miles de patrones de tomas abiertas y cerradas con el objetivo de analizar distintos grados de simultaneidad de la demanda (probabilidad de toma abierta entre 0.3 y 1). En cada una de ellas, el programa simula la red, determinando en cada instante los caudales demandados, las presiones en cada hidrante, necesidades de potencia y de energía.

Tema M: Agua y Energía

2.2.3 Detección de puntos críticos Los puntos críticos son aquellos hidrantes que determinan la presión mínima que es necesario dar en cabecera. Esto es debido a la combinación de dos factores: su distancia a la estación de bombeo y su cota. Para su detección se sigue un proceso iterativo, usando Optien según la alternativa 2. De esta forma se determina la curva de demanda de la estación de bombeo (relación entre el caudal demandado y la presión de consigna requerida). El punto que determina la presión de consigna cuando la probabilidad de toma abierta es 1 (todas las tomas están funcionando) es tomado como el primer punto crítico de la red. En ese momento ese punto es desactivado (su demanda base se establece como cero) y el algoritmo se ejecuta de nuevo, detectando en esta ocasión un segundo punto crítico en la red. Este proceso se repite de forma iterativa hasta detectar todos los puntos críticos de la red.

3 Resultados 3.1 Ahorro energético Las alternativas 2, 3 y 4 propuestas permiten por lo general disminuir las presiones máximas registradas en los hidrantes de la red, asegurando en todas ellas como mínimo los 30 m de presión necesarios. Si en la alternativa 1 (manejo actual de la red) la presión media en los hidrantes es de 64.1 m, en la alternativa 2 es de 61.2 m, mientras que en las alternativas 3 y 4 (sectorizadas) las presiones están en el rango de entre 40 y 50 m en ambos sectores. En relación a la potencia consumida, las alternativas 3 y 4 muestran importantes reducciones en las potencias máximas en los momentos en las que se riegan los hidrantes con menor cota (sector 1). De esta forma, si en la alternativa 1 la potencia media es de 1032.8 kW, en el escenario 3 es de 1033 kW para el sector 2, pero únicamente 633.1 kW en el sector 1. Por esto, los resultados mostrados en la Tabla 1 indican que es posible conseguir un ahorro significativo de la energía consumida. De hecho, la alternativa 2 permitiría ahorrar un 8% de la energía cuando la simultaneidad de la demanda es baja. Cuando la red se sectoriza, el ahorro medio de energía es del 20%, alcanzando incluso el 30%.cuando la simultaneidad de la demanda es baja. Además, la potencia requerida se reduce hasta prácticamente la mitad cuando se suministra agua al sector en el que se incluyen los hidrantes con cotas más bajas.

Tabla 1 Ahorro energético en cada alternativa para distintos grados de simultaneidad de la demanda

Alternativa 1 Prob. toma abierta

kWh

Alternativa 2 % kWh Ahorro

Alternativa 3 % kWh Ahorro

0.3

11435.5

10533.0 7.9

9293.0

0.4

15322.8

14250.6 7.0

12258.2 20.0

11526.8 24.8

0.5

19099.0

18198.5 4.7

15342.7 19.7

14523.0 24.0

0.6

22837.3

22022.6 3.6

18473.2 19.1

17646.6 22.7

0.7

26641.7

26016.7 2.3

21555.0 19.1

20774.9 22.0

0.8

30518.8

30009.8 1.7

24610.4 19.4

23909.6 21.7

0.9

34325.7

33991.9 1.0

27669.9 19.4

27385.2 20.2

1.0

38110.0

38102.2 0.0

30746.8 19.3

30735.6 19.4

19993.7

19365.5

Media

24786.4

24140.7

2.6

18.7

Alternativa 4 % kWh Ahorro

19.3

8422.4

26.3

21.9

Tema M: Agua y Energía

3.2 Puntos críticos Tras analizar los ahorros energéticos que sería posible obtener según las alternativas de gestión propuestas, se realiza un análisis de la distribución de los cinco principales puntos críticos de la red. Los resultados se muestran en la figura 2 junto con la propuesta de sectorización de la red usada en las alternativas 3 y 4.

Figura 2

Fugura 2. Distribución de los 5 puntos críticos principales en la red y asignación de hidrantes a cada uno de los sectores

Además de la distribución de los puntos críticos, se analizó el efecto de cada uno de ellos en las necesidades energéticas de la red. En la figura 3 se muestra la relación entre la demanda de agua en cabecera y la presión que sería necesaria en cabecera cuando cada uno de los puntos críticos está operativo (en el gráfico se han incluido los 15 primeros). Se comprueba que únicamente 3 de los 85 hidrantes existentes son responsables de 10 m de altura de elevación del agua.

Tema M: Agua y Energía

Figura 3

Efecto de los puntos críticos en las necesidades de presión en cabecera

4 Conclusiones Cada día más, aumenta la necesidad de optimizar la eficiencia en el uso de los recursos agua y energía de una forma conjunta. En este trabajo se muestra que simplemente mediante cambios en la gestión de la red, es posible conseguir significativos ahorros tanto de potencia como de energía, aunque no se realicen necesariamente mejoras en las infraestructuras hidráulicas. Dichas medidas permitirían, en el caso de Fuente Palmera, conseguir unos ahorros energéticos de aproximadamente el 20%. En esta red, donde los costes energéticos anuales están próximos a los 500000€, la adopción de estas medidas podría llegar a suponer un ahorro anual de 100000€. Los resultados han mostrado la necesidad de conocer los puntos críticos en las redes a presión que en casos como en la Comunidad de Regantes de Fuente Palmera pueden llegar a tener una importante influencia en las presiones requeridas. La detección de los mismos y la adopción de medidas tales como estaciones sectoriales de bombeo o sectorización de la red podrían llevar a grandes ahorros de energía. Mediante otras medidas no consideradas en este trabajo, como las condiciones de contratación de las tarifas energéticas, también podrían llevar a significativos ahorros adicionales en el coste energético.

5 Referencias Blanco M (2009). Análisis de la eficiencia energética en el uso del agua de riego. Trabajo Profesional Fin de Carrera. Universidad de Córdoba. Carrillo M T (2009). Uso racional del agua y la energía en la comunidad deregantes de Fuente Palmera. Trabajo Profesional Fin de Carrera. Universidad de Córdoba. IDAE (2008). Protocolo de auditoría energética en Comunidades de Regantes. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio. Plusquellec H (2009). Modernization of large-scale irrigation systems: Is it an achievable objective or a lost cause? Irrigation and Drainage. 58: 104-120 Rossman L A (2000). EPANET 2. Users manual. US Environmental Protection Agency (EPA). USA.