IV Jornadas de Ingeniería del Agua La precipitación y los procesos erosivos Córdoba, 21 y 22 de Octubre 2015

Un paso más en la auditoría energética de comunidades de regantes, evaluación hidráulica Marta Martínez Esandi Instituto Navarro de Tecnologías e Infraestructuras Agroalimentarias (INTIA)

Idoia Ederra Gil Instituto Navarro de Tecnologías e Infraestructuras Agroalimentarias (INTIA)

Alberto Alfaro Echarri Instituto Navarro de Tecnologías e Infraestructuras Agroalimentarias (INTIA)

Miguel Ángel Campo-Bescós Universidad Pública de Navarra

1. Introducción Desde principios del siglo XXI, la tecnificación de los regadíos ha aumentado notablemente, implicando importantes cambios en los balances económicos de las comunidades de regantes. Esto es debido a la masiva transformación de los sistemas de riego, que pasan de ser riego por gravedad, que no suele necesitar aporte de energía, a riego a presión (aspersión y goteo) que si la necesitan debido a la instalación de estaciones de bombeo que funcionan con energía, en la mayoría de los casos energía eléctrica. Actualmente, aproximadamente el 70% de la superficie de riego en España se riega por estos sistemas a presión (Abadía, 2013) debido a que responden a un modelo de regadío eficiente y competitivo. Este cambio de configuración de los regadíos hace necesaria la incorporación de un recurso básico más, paralelo al agua, como es la energía. El coste energético se ha convertido en una de las principales preocupaciones de las comunidades de regantes que se ven obligadas a tomar medidas de ahorro y eficiencia energética con el fin de reducir su facturación eléctrica y en especial en respuesta a las exigencias de las normativas vigentes (Playán, 2014). Por otro lado, es frecuente que las redes de distribución se diseñen con unos condicionantes, entre ellos la garantía de suministro. Lo cual limita el número de hidrantes que pueden abrirse de forma simultánea para garantizar una calidad de suministro. En definitiva, cualquier cambio de las condiciones de trabajo que se alejen de las de diseño implicará un cambio en la gestión de explotación del sistema. Es por ello, que tanto desde las

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administraciones públicas como desde los centros privados se proponen medidas para trabajar, no tanto en la infraestructura de los regadíos, si no en la gestión de los mismos. Así ante un cambio de alternativas de cultivo o sistema de riego distinto al contemplado en la redacción del proyecto se debería de simular las presiones en la red para identificar los hidrantes limitantes y la curva de consigna del bombeo. Por todo ello, el objetivo del presente trabajo es llevar a cabo una auditoría energética con un análisis del comportamiento hidráulico de una red de riego. Paralelamente, en el análisis hidráulico se analizarán dos modelos de simulación hidráulica: Gestar y Epanet.

2. Material y Método 2.1 Caracterización de la zona de estudio La zona de estudio se centra en la Comunidad de Regantes “El Saso” situada en el término municipal de Aibar (Navarra). Esta se constituyó en agosto de 2000, con la finalidad de promover la transformación en regadío del citado paraje de “El Saso”. Cuenta con una superficie regable de 523 ha proyectadas exclusivamente de riego a presión. La toma obra de toma se encuentra situada en el margen derecho del rio Aragón, a escasos metros de la estación de bombeo. La Confederación Hidrográfica del Ebro (CHE) otorga a la comunidad de regantes el aprovechamiento de un caudal continuo de 317 l/s de aguas 3 derivadas del rio Aragón con destino al riego de 523 ha y un volumen de 5.723,79 m /ha año. La red de riego está dotada con 79 tomas (hidrantes) abastecidas mediante un bombeo directo configurado por 4 grupos motobomba de los cuales 2 se accionan mediante variadores de frecuencia con el objetivo de conseguir el mínimo coste energético con un funcionamiento del bombeo más escalonado y así obtener mejores rendimientos. El caudal total máximo de bombeo es de 555 l/s y una altura manométrica de 115 m.c.a. El funcionamiento de la red de riego fue diseñado a la demanda contemplando una jornada de riego de 18h, con una simultaneidad del 35%. Con el objetivo de evitar el colapso de la red, superando el caudal máximo de bombeo, y de abaratar al máximo el precio del agua en los meses de máximo consumo, la comunidad establece turnos de riego durante una jornada de 8 h, que coincide con el periodo más económico de la tarifa eléctrica.

2.2 Auditoría energética Con el objetivo de realizar un análisis de los parámetros eléctricos y de los hábitos de consumo energético por parte de la comunidad de regantes, se propone la realización de una auditoria energética tomando como referencia en todo el estudio el “Protocolo de Auditorías Energéticas en Comunidades de Regantes” editado por el Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDEA, 2008) con el fin de hacer frente a las exigencias impuestas por las normativas de ahorro y eficiencia energética actuales.

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2.2.1 Contratación eléctrica En la comunidad de regantes “El Saso” de Aibar la energía necesaria para el desarrollo de las actividades y funcionamiento de las instalaciones se aporta en su totalidad en energía eléctrica. Desde el comienzo de la explotación del regadío el suministro eléctrico lo proporciona la empresa Iberdrola Generación, S.A.U. El contrato que la comunidad tiene con esta comercializadora es una tarifa 6.1 A, para una tensión de acometida de 13,2 kV, que se renueva cada año. La tarifa 6.1 A consiste en dar a la energía distintos precios según el momento en que se consuma. Específicamente, esta tarifa establece 6 periodos con precios decrecientes del 1 al 6. Los precios actualmente en vigor tanto del término de potencia como el de energía vienen fijados por la Orden IET/2444/2014, de 19 de diciembre (BOE núm. 312 de 26 de diciembre de 2014). Cabe destacar que al precio fijado por kWh se le suma el precio que la comercializadora contratada haya negociado con el consumidor por lo que una parte es regulada y la otra es libre. A estos dos términos mencionados cabe añadir los excesos de potencia y la energía reactiva que los motores o transformadores puedan producir.

2.2.2 Optimización de potencias Con el objetivo de minimizar el término de potencia y los excesos de potencia anuales se realiza una optimización de las potencias a contratar, partiendo de la curva de carga con los registros 15 minutales del año 2014, mediante una plantilla de elaboración propia a partir de una hoja de cálculo EXCEL donde se introduce la curva de carga anual y los precios de la potencia en vigor. Con ayuda de la función “solver”, que busca el mínimo a pagar, se obtienen las potencias óptimas a contratar en cada periodo tarifario.

2.2.3 Discriminación horaria y pautas de consumo La pauta de riego en Aibar responde a la suma de múltiples factores, los de mayor influencia son: alternativa de cultivos, meteorología y tarifa eléctrica contratada. Cabe destacar que la punta de consumo se registra en la segunda quincena del mes de julio y la primera de agosto, causada principalmente por las intensas condiciones meteorológicas y por la fase fenológica de altas necesidades de agua en la que se encuentran los cultivos, por lo que resulta interesante el estudio de las jornadas de riego por parte de los regantes en función a los periodos tarifarios existentes. El calendario energético impuesto por la tarifa eléctrica contratada, posiciona al mes de julio como el más castigador debido a la presencia de períodos P1 y P2, los más costosos de la tarifa. En cambio el mes de agosto se caracteriza por tener solamente periodo P6, el más económico.

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2.2.4 Análisis de la eficiencia energética La eficiencia energética depende de una serie de factores que determinan un mayor o menor aprovechamiento de la energía del sistema. En este estudio se calcula la eficiencia energética del bombeo (EB) mediante un ensayo puntual en la comunidad donde se arrancan de forma manual y por separado cada una de las 4 bombas a caudal máximo de diseño y el agua se verterá al foso de la estación de bombeo. EB (%) 

Q  H  0,736 75  100 Na

[1]

Para el cálculo de la eficiencia general de la comunidad de regantes (EG) se requiere de un periodo prolongado de tiempo, concretamente se ha seleccionado el año 2014. V  H  0,736 3,6 75 EG (%)   100 Eac

[2]

2.3 Evaluación hidráulica 2.3.1 Análisis de los cálculos entre simuladores hidráulicos En primer lugar, el objeto de este apartado es comparar las posibilidades de cálculo de uno y otro simulador tras la realización de una serie de escenarios supuestos que van a permitir verificar las bondades de los simuladores hidráulicos Gestar y Epanet. Para ello se ha diseñado una batería de 5 escenarios con una demanda correspondiente al caudal máximo de 555 l/s. Se ha procurado que la apertura de hidrantes no estuviera concentrada en un solo ramal sino repartida de forma equitativa por toda la red de distribución. Posteriormente, se visito la zona de estudio para comprobar qué hidrantes eran susceptibles de ser abiertos en la prueba de campo, ya que en algunas parcelas se estaban realizando labores de preparación y no era conveniente mojar el terreno. El caudal total consumido en la prueba de campo ascendió a 310 l/s. Este escenario real se implementó también en ambos simuladores. En cada uno de los hidrantes abiertos de la prueba de campo, se ha medido la presión disponible aguas arriba del hidrante y se ha aforado el caudal en el momento de la medición. Además, se han considerando las pérdidas de carga que las acometidas de entrada a hidrantes pueden generar cuando los caudales que circulan por ellas son mayores a los considerados en proyecto. Para conocerlas se ha realizado un nuevo ensayo en campo seleccionado ventosas ubicadas en las proximidades de los hidrantes. La medición de presión en la ventosa corresponde a la presión disponible en ese punto de la red (que es el

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dato simulado tanto en Gestar como en Epanet), sin descontar las pérdidas que se producen en las acometidas a hidrantes.

2.3.2 Análisis de la red de distribución Tras conocer las posibilidades de cálculo de los simuladores resulta interesante estudiar la situación actual de la red de distribución. En primer lugar se procede a validar el diseño de los turnos de riego de la última campaña 2014 y por otro lado la configuración de una curva de consigna variable ya que actualmente y desde el comienzo en explotación del regadío la comunidad ha contado con una presión de consigna fija de 104 m. Los turnos se diseñan en función a la demanda, concretamente en la última campaña de riego el caudal demandado era de 1.192,5 l/s por lo que considerando el caudal máximo de 555 l/s se hace necesario el diseño de más de dos turnos. Dos de estos turnos tienen un caudal próximo al máximo (555 l/s) y se ubican en el periodo eléctrico menos costoso (P6), en cambio el tercer turno, el cual se hace necesario para completar la demanda, tiene un caudal mucho más reducido y se hace necesaria su colocación en el siguiente periodo, P2, el penúltimo más costoso de la tarifa. Hasta la fecha el único análisis que se realizaba es comprobar si el sumatorio del caudal de los hidrantes que participan en el turno no excede el caudal máximo de bombeo. Por tanto, se hace necesario analizar también si los hidrantes en cada turno están funcionando a la presión adecuada, esta comprobación se realiza mediante Gestar y Epanet. En lo referente a la presión de consigna los requisitos de presión a suministrar por la estación de bombeo, en el modo “regulación” convencional, se formulan en términos de curva de consigna, esto es, el par de valores caudal demandado-presión de salida de la estación de bombeo que se ajusta a la expresión cuadrática:

Hc  A  B  Q2

[3]

Para el cálculo de estos parámetros se utiliza Gestar mediante el cual se detectará el hidrante más desfavorable con el objetivo de fijar la presión de salida en la estación de bombeo para suministrar presión suficiente a este hidrante, en cualquier escenario de demanda. A continuación, con el fin de calcular las pérdidas de carga en la red en todas las situaciones de demanda que se puedan dar, se ha utilizado de nuevo Gestar para generar una batería de 8 escenarios con distintos porcentajes de apertura de la red hasta llegar a la demanda máxima de 555 l/s. Es preciso señalar que en todos los escenarios se fuerza la apertura del hidrante más desfavorable.

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3. Resultados 3.1 Auditoría energética 3.1.1 Optimización de potencias La optimización de potencias se ha realizado mediante la plantilla de elaboración propia creada, en ella se han introducido dos alternativas de curva de carga 15 minutal anual con el objetivo de hacer frente a la variabilidad de los años. Para su configuración se han utilizado las curvas de carga anuales desde el año 2009 hasta el año 2014. Una de las alternativas “A” configura una curva de carga escogiendo aquellos meses cuyo consumo energético sea más próximo al promedio, en cambio en la otra alternativa “B” se consideran los consumos máximos, en este último caso se iría por el lado de la seguridad maximizando los consumos. A continuación se muestran los costes totales de ambas alternativas considerando las potencias contratadas actualmente (Tabla 1), y las potencias optimizadas (Tabla 2).

“A” PROMEDIO “B”MÁXIMO

P1 20 20

P2 40 40

POTENCIAS ACTUALES (kW) P3 P4 P5 P6 40 40 40 780 40 40 40 780

TOTAL (€) 18.253,93 24.884,06

Tabla 1. Alternativa “A” y “B” con potencias actuales y coste total.

“A” PROMEDIO “ B” MÁXIMO

P1 4 4

POTENCIAS OPTIMIZADAS (kW) P2 P3 P4 P5 P6 23 23 23 23 780 4 4 21 46 788

TOTAL (€) 17.582,52 24.291,26

Tabla 2. Alternativa “A” y “B” con potencias optimizadas y coste total.

La diferencia de costes considerando unas potencias u otras es mínima por lo que se da por correcta la contratación de las potencias actuales.

3.1.2 Discriminación horaria y pautas de consumo En cuanto a la discriminación y pautas de consumo, los regantes se adaptan casi de forma perfecta a las restricciones tarifarias establecidas. Es por ello que analizando una semana de cada uno de los meses de máximo consumo de la campaña de riego los patrones de consumo son los presentados en la Figura 1 y 2.

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Figura 1. Patrón de consumo energético en una semana de julio.

Figura 2. Patrón de consumo energético en una semana de agosto.

En la semana de julio (Figura 1) se ve como los regantes adaptan su patrón de consumo adecuadamente al periodo tarifario más económico (P6) reduciendo su consumo en aquellos periodos más costosos (P1 y P2). Por otro lado en la semana de agosto (Figura 2) no existe ningún condicionante tarifario, sin embargo, existen factores que pueden condicionar las pautas de consumo. Uno de estos factores es el meteoro viento, el cual afecta a la uniformidad del reparto de agua (Cob et al., 2010). Se han analizado los registros semihorarios de la velocidad del viento para la semana de agosto en estudio y se ha podido analizar como el consumo de energético se adapta al perfil de velocidad del viento.

3.1.3 Análisis de la eficiencia energética Tras la realización del ensayo puntual en la estación de bombeo la eficiencia energética de cada una de las bombas (EB), considerando la clasificación propuesta por el IDAE es la siguiente: EB (%)

Bomba 1

Bomba 2

Bomba 3

Bomba 4

66,4%

77,3%

68,3%

64,5%

CALIFICACIÓN

EFICIENCIA EFICIENCIA EFICIENCIA EFICIENCIA EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE BUENA Tabla 3. Calificación energética de cada una de las bombas.

Destacando que aunque las eficiencias sean excelentes se recomienda que la comunidad realice una inspección de las partes móviles de las bombas ya que la altura manométrica

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aportada por cada una de las bombas no ha sido la suficiente, esto puede ser debido a desgastes de los rodetes. En cuanto a la eficiencia energética general (EG) es de 61%, lo que considerando la clasificación propuesta por el IDEA (2008), es de excelente. Para completar este análisis se ha analizado la EG desde el comienzo de la explotación del regadío (2005) y los valores obtenidos siempre han estado entre 60-65%, por tanto en valores de excelencia (>55%).

3.2 Evaluación hidráulica 3.2.1 Análisis de los cálculos entre simuladores hidráulicos Tras comparar las posibilidades de cálculo de ambos simuladores, los dos utilizan la fórmula de Darcy-Weisbach para el cálculo de las pérdidas de carga, pero no utilizan la misma para el cálculo del coeficiente de fricción (Tarjuelo 1995). Gestar utiliza la fórmula de Colebrook y Epanet hace uso de diferentes fórmulas en función del régimen de trabajo, en este caso los escenarios establecidos son en régimen turbulento (Re > 4.000) por lo que la fórmula utilizada es la aproximación de Swamee y Jain (Tarjuelo 1995). Tras la realización de los 5 escenarios en cada uno de los programas se han obtenido diferencias de hasta un 20% en el cálculo de las pérdidas de carga en las tuberías de fundición dúctil las cuales tienen mayor rugosidad (0,0001). En las tuberías de polietileno (0,000007) la diferencias son menores. En ambos materiales se puede observar (Figura 3) que las diferencias se agravan con el aumento de la velocidad del flujo.

Figura 3. Diferencias entre simuladores en el cálculo de las pérdidas de carga en tuberías.

Con el objetivo de completar esta comparativa el resultado obtenido tras las mediciones de campo es el siguiente:

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Hidrante

ID.

Q aforado (l/s)

Diámetro (mm)

Presión disponible a.arr. Hid. (m) CAMPO GESTAR EPANET 61,9 59,2 59,4 56,9 56,3 56,6 60,6 60,8 61,1

53B 21 22

64 20 21

10,8 20,7 10,5

100 100 100

14B 8 14A

7 79 6

28,6 23,8 34,5

150 100 150

59,7 60,2 55,6

60,8 61,3 59,1

61,1 61,6 59,5

5B

75

48,2

150

56,9

59,8

60,1

5A 4 3

74 47 34

47,3 28,3 31,5

150 100 100

59,1 70,8 72,1

60,6 69,5 69,7

60,9 69,8 69,9

Tabla 4. Comparación de presiones disponibles en hidrantes.

El nivel de similitud entre los datos calculados en ambos simuladores y lo obtenido en campo se puede considerar aceptable.

3.2.2 Análisis de la red de distribución Se han validado en los simuladores hidráulicos los dos turnos con un caudal próximo a 555 l/s. En uno de ellos (turno par) no se han detectado alarmas en ninguno de los hidrantes, en cambio en el otro turno (turno impar) Gestar ha detectado una alarma en el hidrantes más desfavorable de la red con un margen de presión negativo de -0,71 m. Este valor se considera no significativo ya que este déficit de presión no afectaría al riego en parcela. En cuanto a la presión de consigna, tras el cálculo de cada uno de los parámetros mediante Gestar, la expresión cuadrática obtenida es la representada a continuación:

Hc = 96 + 0,00003 x Q2

Figura 4. Representación grafica de la curva de consigna.

La configuración de esta curva de consigna en la programación el bombeo supondría un ahorro energético valorado en 40.312 kWh/año.

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4. Conclusión Como conclusión, con los resultados de este estudio se comprueba, por una parte, la adecuada gestión realizada por la comunidad de regantes en lo referente al consumo energético ya que la comunidad tienen contratadas unas potencias adecuadamente encajadas a su consumo y además los regantes se ajustan perfectamente a las restricciones eléctricas impuestas por la tarifa de acceso contratada con el objetivo de minimizar el coste de la factura eléctrica. A su vez, cabe mencionar la adecuada calificación energética general y de cada una de las bombas llegando a niveles de excelencia, aunque sería conveniente una revisión de los elementos móviles de las bombas para mejorar la altura manométrica que alcanzan. Por otra parte, y en cuanto al análisis hidráulico, tras analizar las diferencias de cálculo obtenidas entre los simuladores y las medidas realizadas en campo se pueden considerar como aceptable el uso de cualquiera de los simuladores para los cálculos en la red de distribución. Además destacar el adecuado diseño de los turnos y las posibilidades de ahorro que ofrece la calibración de la curva de consigna programada en la estación de bombeo.

Referencias Abadía, R., 2013. Ahorro y eficiencia energética en el regadío. En: Agrónomos, nº 43-abril (pp. 22-28). España: Universidad Miguel Hernández. Playán, E., 2014. La innovación en el regadío. Nuevas tecnologías y optimización del binomio agua-energía. XXIII Congreso Nacional de Comunidades de Regantes de España, Palos de la Frontera, Huelva. Cob, A., Zapata, V., y Marcos, I., 2010. Viento y riego: La variabilidad del viento en Aragón y su influencia en el riego por aspersión. Zaragoza, Institución "Fernando el Católico". IDAE, 2008. Protocolo de Auditoría Energética en Comunidades de Regantes. Madrid. Tarjuelo, J.M., 1995. El riego por aspersión y su tecnología. Mundi Prensa. Madrid.

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