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1. LA ENERGÍA EN LA AGRICULTURA DE REGADÍO

El regadío ha experimentado en las últimas décadas una notable transformación como consecuencia de la aplicación de tecnologías de distribución del agua a presión, mejorando la gestión de unos recursos hídricos cada vez más limitados. No obstante, fruto de esta transformación, el regadío se ha convertido, junto con la maquinaria agrícola, en el principal consumidor de energía dentro del sector agrario, de forma que el coste energético que supone el funcionamiento de los equipos de bombeo durante la campaña de riego puede suponer para el agricultor un 30-40% de los costes totales del cultivo.

2. DEMANDA DE ENERGÍA EN UNA INSTALACIÓN DE RIEGO

Los sistemas de riego a presión necesitan energía para que los emisores realicen un correcto reparto del agua sobre la superficie a regar (Foto 1). Normalmente esta energía hidráulica hay que suministrársele mediante el correspondiente bombeo (Foto 2).

Las condiciones en que puede trabajar una bomba vienen definidas por sus curvas características, que se obtienen en un banco de ensayo. Así, para un determinado número de revoluciones "n", las tres curvas características de la bomba relacionan la altura manométrica (H), el rendimiento (η) y la potencia (N) con el caudal bombeado (Q) (Fig. 1b, donde no se ha incluido la curva Q-N por simplificar).

Por otra parte, para que una tubería de longitud L y diámetro D transporte un caudal Q es necesario que la bomba aporte una energía HB (Fig. 1a). Esta energía tiene una componente estática Hg (altura geométrica de elevación) y una componente dinámica Σ∆H (perdidas de carga en la tubería), que varía con el caudal y el diámetro de la conducción, constituyendo la denominada “curva característica de la conducción” (C.C.C.1) (Ec. 1) (Fig. 1b).

HB = Hg + ∑∆H= Hg + KQ2 (Ec. 1)

La intersección de la “curva característica de la conducción” con la “curva característica Q - H de la bomba” nos da el punto de funcionamiento o de trabajo de la bomba (P.F. 1 de la Fig. 1b). Cuando las condiciones de funcionamiento de la bomba sean constantes, interesa que este punto de funcionamiento (Q1, H1) coincida con el punto de máximo rendimiento.

Normalmente, las condiciones de trabajo de la bomba pueden variar a lo largo del tiempo, por lo que interesa que ésta trabaje dentro de la “zona útil de funcionamiento” (Qmax – Qmin), donde el rendimiento permanece por encima de un mínimo (zona rallada en rojo en la Fig. 1b). Así, el caudal que da la bomba puede disminuirse cerrando la válvula de regulación (Fig. 1a), lo que modifica la curva característica de la conducción (Fig. 1b), pasando a hora a la C.C.C. 2 (Fig. 1b). Esta regulación debe hacerse sin bajar del Qmin para que el rendimiento de la bomba no

Eficiencia energética en instalaciones de riego.

Nº 17 HOJA INFORMATIVA ABRIL 2009

Foto 1.- sistema de riego por aspersión.

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salga fuera de la zona de rendimiento óptimo (65-70%). Este comportamiento de las bombas pone de manifiesto la importancia de exigir que se acompañen las curvas características de las bombas a la hora su compra, al tenerlas que utilizar como base para garantizar su adecuado manejo de dentro de la instalación

El mismo esquema de funcionamiento seguiría una instalación de riego en la que el agua es impulsada por una bomba donde la componente estática de la altura que debe suministrar la bomba (HB) corresponde ahora a la presión necesaria para el correcto funcionamiento de los emisores (aspersores o goteros).

Al cerrar la válvula de regulación situada a la salida de la bomba (Fig. 1a) y modificarse la curva C.C.C1, pasando a la C.C.C 2, el punto de funcionamiento se desplaza a P.F. 2 (Fig. 1b), no modificándose la curva característica (Q-H) de la bomba. La pérdida de carga producida por la válvula (∆h, en Fig. 1b) es una energía que “se tira”, por lo que regular el caudal bombeado cerrando la válvula no es un método muy eficiente, pudiendo provocar además que la bomba trabaje fuera de la zona útil de funcionamiento como ocurre en el P.F. 2. (Fig. 1b).

La potencia eléctrica que consume la bomba para suministrar la energía (presión) que necesita el agua vine determinada por la Ec. 2:

(Ec. 2)

Siendo N la potencia consumida (en kW), Q el caudal bombeado em (m3/s), H la altura manométrica de bombeo suministrada por la bomba (en m), ηg el rendimiento del grupo motobomba (como decimal).

El coste de la energía consumida por la bomba durante la campaña de riegos se puede calcular a partir de la Ec. 3:

CE = N • n • p (Ec. 3)

Siendo CE el coste anual de la energía consumida (€/año), n el número de horas de funcionamiento anuales de la bomba y p el precio de la energía (€/kW·h). En la Foto 2 se muestran las tres soluciones de estaciones de bombeo más frecuentes. La tipo a) suele ser la más extendida al ser la más barata, pero el rendimiento de estas bombas sumergidas suele ser inferior al de las bombas verticales (solución b) y al de las bombas de cámara partida (solución c). La estación de bombeo tipo b) es un poco más cara que la a) pero de mayor durabilidad y eficiencia energética, aunque necesita mayor inversión inicial. La tipo c) es la menos frecuente, pues requiere una gran inversión en obras.

b) a)

η

H Q· 9,8= N

g

Fig. 1. a) Esquema de funcionamiento de una impulsión con regulación de caudal por medio de válvula de compuerta. b) Curvas características y punto de funcionamiento de la instalación.

Qmax Qmin

a)

3

Foto 2. Distintos ejemplos de estaciones de bombeo: a) con bombas sumergidas; b) con bombas verticales; c) con bombas horizontales de cámara partida.

3. EFICIENCIA ENERGÉTICA EN UNA INSTALACIÓN DE RIEGO

3.1. Eficiencia en la distribución de agua de riego.

La eficiencia en la distribución del agua es la relación entre la energía demandada por el sistema de riego (Hd) y la aportada por el sistema de bombeo (HB).

Existen varios aspectos que condicionan la bondad del diseño y el consumo de energía:

� Mal diseño de las subunidades de riego: La diferencia de presión entre dos puntos de la subunidad debe ser inferior al 20% de la presión media (Fig. 2). La evaluación de los sistemas de riego con ayuda del SIAR puede ser una buena medida para mejorar la eficiencia del sistema.

� Dimensionamiento inadecuado del sistema de riego:

Reducir mucho los diámetros de las tuberías para disminuir la inversión (diámetro Ǿ3, Fig. 3) puede conducir a un mayor coste total (inversión más energía), al ser muy grandes las pérdida de energía. Por el contrario, una tubería con diámetro Ǿ1 superior al óptimo (Ǿ2) supone un menor coste energético pero un mayor coste de inversión.

� Utilizar válvulas para la regulación del bombeo.

Como se ha dicho antes, regular el caudal de la bomba con el cierre parcial de la válvula de regulación es un mal sistema pues supone una pérdida de energía. Utilizar varias bombas en paralelo y/o

Fig. 3. Esquema del coste total de transporte del agua

Fig. 2. Distribución de presiones en una subunidad de riego

a) a)

b) c)

b)

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bombas con variador de velocidad para atender un caudal variable son sistemas de regulación mucho más eficientes.

3.2. Eficiencia energética en los sistemas de impulsión.

La eficiencia de cualquier sistema de impulsión tiene dos componentes: 1) la eficiencia del grupo motor-bomba; 2) la eficiencia de la instalación eléctrica

Eficiencia de un grupo motor-bomba.

Un grupo motor-bomba consta de una bomba hidráulica y un motor (Foto. 3). El rendimiento del motor, que transforma energía eléctrica en energía mecánica, suele estar en torno al 90-95%. Por su parte, el rendimiento de la bomba, que transforma energía mecánica en energía hidráulica, suele estar entre 70-80% en bombas de tamaño medio y grande, y por debajo de esos valores en bombas pequeñas. Por tanto, es poco frecuente que el rendimiento de un grupo motor-bomba supere valores de eficiencia del 65-70%. Cuando se diseña una instalación de riego, la selección de la bomba a instalar debe realizarse de forma que el punto de funcionamiento de la misma (Fig. 1b) quede dentro de la

zona útil de funcionamiento, que permita trabajar con un rendimiento superior al 65-70%.

Aunque la selección de la bomba se haya realizado correctamente, puede ocurrir que el rendimiento de la bomba se desplace fuera de la zona útil de funcionamiento. Esto puede deberse a:

� Desgaste de los rodetes, con caída del rendimiento al no ser capaces de generar la energía hidráulica necesaria (Foto 4).

� Existencia de fugas en la bomba o en la columna de impulsión, lo que genera una recirculación del agua impulsada y, por tanto, una pérdida de rendimiento (Foto 5.

� Descenso en el nivel dinámico del sondeo, lo que puede obligar a la bomba a trabajar fuera de la zona útil de funcionamiento.

Eficiencia de la instalación eléctrica.

La instalación eléctrica tiene también un efecto sobre el rendimiento global del sistema de impulsión puesto que tanto en el transformador como en el cableado, en especial en sondeos donde se necesiten grandes longitudes de cables (mayores de 150-200m dependiendo de la potencia de la bomba), se pueden producir importantes pérdidas de energía eléctrica al transformarse ésta en calor. Así, en el caso de los sondeos donde la bomba esté a más de 150-200m, y con bombas de más de 50-80 kW, se suele recomendar la alimentación de los motores con tensión de 1000 V, para reducir considerablemente la pérdida de energía en los cables, siempre que el ahorro de energía durante la vida útil de la instalación compense el incremento de coste que conlleva.

4.- IMPORTANCIA DE UN BUEN MANEJO DE LA INSTALACIÓN DE RIEGO

Un buen manejo y gestión de una instalación de riego puede suponer un importante ahorro de agua y energía en la misma. Con la realización de auditorías energéticas se pretende mejorar la eficiencia energética en instalaciones de riego, comprobando el funcionamiento de los equipos de bombeo, identificando las posibles deficiencias y proponiendo las correspondientes mejoras, viables desde un punto de vista económico.

Foto 5. Perforación en la columna de impulsión de una bomba sumergida

Foto 3.- Ejemplo de grupo motobomba

Foto. 4 Reparación de rodetes en una bomba sumergida

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Fig. 4. Bajo rendimiento detectado en una bomba por fugas en la columna de impulsión e incremento de rendimiento obtenido con la resolución del problema.

Coste energético: +42%

El análisis de los equipos consumidores de energía requiere la medida en campo de una serie de parámetros hidráulicos (nivel dinámico, caudal y presión) y eléctricos (intensidad, voltaje y potencia activa absorbida) para determinar la potencia eléctrica que consume y poder conocer su eficiencia energética.

La mejora de la eficiencia energética de una instalación puede conseguirse a varios niveles:

• Llevando a cabo un adecuado mantenimiento de los equipos de bombeo.

• Reduciendo la generación de energía reactiva con un adecuado mantenimiento de la batería de condensadores.

• Realizando comprobaciones periódicas: 1) del nivel dinámico del sondeo para evitar que la bomba trabaje con bajo rendimiento, 2) de la presión proporcionada por la bomba, colocando manómetro en los puntos clave la instalación, con un adecuado mantenimiento, 3) del caudal que da la bomba, en la medida de lo posible (Foto 6), medido directamente si dispone de caudalímetro, o dividiendo el volumen bombeado por el correspondiente tiempo de bombeo cuando solo se disponga de un contador.

La Fig. 4, muestra un ejemplo del bajo rendimiento medido en una de las bombas analizadas durante una auditoría energética a una instalación en la que se detectó un problema de fugas en la columna de impulsión por el deterioro de los tornillos de unión de la tubería. El caudal realmente bombeado era de 2700 l/min, cuando tenía que haber sido de 5800 l/min. Este problema no fue detectado por el agricultor puesto que la instalación no presentaba síntomas de deterioro a simple vista. Sin embargo, si se hubiese dispuesto de un contador o caudalímetro, se hubiese detectado que la bomba estaba impulsando únicamente la mitad del caudal que debería bombear.

La detección de este problema y su reparación permitió que el grupo moto-bomba funcionara con un rendimiento próximo al 65% en lugar de al 29%, reducir el coste energético en un 42%.

En general, una buena eficiencia energética y una adecuada contratación de energía, aspecto este que será tratado más adelante, puede contribuir a disminuir el consumo energético de la instalación. En las más de 15 auditorías energéticas realizadas hasta el momento en distintas zonas regables de Castilla-La Mancha se ha conseguido reducir el coste energético medio en más de un 13% gracias a la identificación de problemas existentes y las correspondientes soluciones.

5. ACTUADORES ELECTRÓNICOS PARA EL ARRANQUE Y REGULACIÓN DE BOMBAS

El motor eléctrico de inducción (asíncrono) de jaula de ardilla (Foto 7) es el más utilizado en el accionamiento de las bombas para riego dada su sencillez mecánica, robustez, mínimo mantenimiento, resistencia a sobrecargas y su menor coste. No obstante, presenta una serie de inconvenientes como son un arranque muy brusco, que genera grandes picos de corriente en la línea de alimentación, una

Foto 7. Motor eléctrico de una bomba de eje horizontal.

Foto 6. Medida de caudal en la tubería de impulsión de la bomba.

P

P

6

Empresa y dirección

Cuenta bancaria

Referencia contrato, Fecha yNúmero factura

Dirección fiscal

Tipo de contrato

Fig. 5. Factura de electricidad

parada brusca, que puede dar lugar a sobrepresiones por golpe de ariete y, además, genera una disminución del factor de potencia y del rendimiento a medida que disminuye la potencia suministrada por el eje, dado que se alimentan a tensión constante. Una de las posibles soluciones a estos problemas es utilizar el arranque en “estrella-triángulo” que permite reducir la intensidad de la corriente de arranque hasta la tercera parte de la que demandaría el motor en caso de arranque directo. No obstante, esta solución técnica no acaba con el problema de disminuir el factor de potencia y el rendimiento, siendo recomendable únicamente para aquellos casos en los que no es previsible una variación en las condiciones de trabajo de la bomba (presión y caudal constantes).

La utilización de sistemas electrónicos de potencia como los “arrancadores electrónicos” para modificar la tensión aplicada al motor constituyen una excelente solución para mejorar el arranque suave de los motores evitando todos los inconvenientes anteriormente expuestos para los motores con arranque directo. No obstante, tampoco permite solventar problemas como la disminución del factor de potencia o el bajo rendimiento de la bomba cuando ésta trabaja a baja carga, por lo que también es recomendable únicamente para aquellas instalaciones de bombeo en las que no sea previsible una variación en las condiciones de funcionamiento.

Existe otro tipo de dispositivos electrónicos denominados “variadores de velocidad” que permiten hacer el arranque y la parada de forma suave, evitando todos los inconvenientes antes señalados. Estos dispositivos constituyen el sistema de regulación del bombeo más adecuado para adaptarse a una demanda de presión y/o caudal variable, en redes colectivas de riego a la demanda por ejemplo, consiguiendo que la bomba trabaje con buen rendimiento en un amplio rango de caudales. No obstante hay que llamar la atención que este sistema puede funcionar con rendimientos muy bajos para caudales excesivamente pequeños según sea el tamaño de bomba utilizado. Además, permiten la compensación de energía reactiva, pudiendo obtener valores elevados de rendimiento eléctrico de la instalación. Su principal inconveniente es su elevado coste, aunque en muchos casos está perfectamente justificado. 6. TARIFAS ELÉCTRICAS EN EL REGADÍO

6.1. Componentes de la factura de electricidad

Los componentes de la factura de electricidad se pueden observar en la Fig. 5. El término de potencia, denominado también término fijo o peaje, es un coste derivado del transporte de la energía eléctrica por la red. El precio de este término está regulado por la legislación y lo recibe la empresa distribuidora. Es muy importante destacar que la contratación de potencia en cada periodo tarifario debe ajustarse a las necesidades de riego, considerando la potencia de los equipos instalados y su simultaneidad en el manejo, para así minimizar el coste fijo de la factura.

7

El término de energía es un coste derivado del consumo de energía y va destinado a las compañías comercializadoras. El coste energético variará sustancialmente si el consumo de energía se realiza en los periodos más baratos (normalmente noches y fines de semana), que es lo que se contempla en la componente de discriminación horaria. La componente reactiva, también denominada energía reactiva, factor de potencia o coseno de fi (aunque no es lo mismo), es un coste derivado del transporte de la energía por la red eléctrica. La energía reactiva no es útil y es generada por los campos magnéticos de las bobinas de los motores. Para comprender este concepto, puede utilizarse el símil de una jarra de cerveza (Fot. 8). Así, la energía activa, que es útil, se puede asemejar a la cerveza, la energía reactiva, que no es útil, se puede asemejar a la espuma de la cerveza y el cable sería la jarra. La jarra (cable) tiene una cierta capacidad, y si lo que ocupa de espuma (energía reactiva) no puede ser ocupado por la cerveza (energía activa), por eso las compañías distribuidoras penalizan por la energía reactiva que produzca un instalación. El coste del término de potencia y de la energía, así como el de la penalización por energía reactiva, está gravado por el impuesto sobre la electricidad y el resultado, junto con el alquiler del equipo de medida (contador) está gravado por el IVA.

6.2. Fechas clave en el cambio de tarifas eléctricas.

La desaparición de las tarifas especiales de riego, anunciada desde hace varios años y retrasada hasta el 1 de Julio de 2008 (ITC/1857/2008 de 26 de junio) ha supuesto cambios sustanciales en el coste de la energía eléctrica en el regadío. Para incentivar el cambio de las tarifas especiales de riego al mercado libre, se estableció un periodo de transición en el cual las tarifas especiales de riego pasan directamente a la tarifa general 3.02, y cada mes que trascurra sin realizar el contrato al mercado libre, se carga un 5% sobre el precio base de la energía y el término de potencia (a su vez gravado por el IVA). El pasar de tarifa especial de regadío a la 3.02 está suponiendo un incremento de más del 200% en el término de potencia, mientras que el término de energía se mantiene en el mismo orden de magnitud.

6.3. Tipos de tarifas en mercado libre.

La contratación de una u otra tarifa dependerá de la potencia que se vaya a contratar. Así para potencias inferiores a 450 kW se deberá contratar la tarifa 3.1A y para potencias superiores a 450 kW se deberá contratar la tarifa 6. Además, ambos tipos de tarifa se diferencian en el número de periodos de discriminación horaria que establecen y en los precios de energía y contratación de potencia establecidos para cada uno de estos periodos (Fig.6 y 7).

Fig. 6. Distribución horaria de la tarifa de tres periodos.

ENERO FEBRERO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE NOVI EMBRE DICIEMBREFines de semana y festivos

de ámbito nacional

00 a 01 00 a 01

01 a 02 01 a 0202 a 03 02 a 03

03 a 04 03 a 0404 a 05 04 a 05

05 a 06 05 a 06

06 a 07 06 a 0707 a 08 07 a 08

08 a 09 08 a 0909 a 10 09 a 1010 a 11 10 a 11

11 a 12 11 a 1212 a 13 12 a 13

13 a 14 13 a 14

14 a 15 14 a 1515 a 16 15 a 1616 a 17 16 a 17

17 a 18 17 a 1818 a 19 18 a 19

19 a 20 19 a 20

20 a 21 20 a 2121 a 22 21 a 2222 a 23 22 a 23

23 a 24 23 a 24

ENERO FEBRERO ABRIL MAYO JUNIO JULIO AGOSTO SEPTIEMBRE NOVI EMBRE DICIEMBRE

P2

P3

OCTUBREMARZO

OCTUBREMARZO

P1

P1 P1P2

P3

Energía reactiva

Energía activa

Energía reactiva

Energía activa

Foto 8. Símil entre energía reactiva y espuma de cerveza

8

Fig. 7. Distribución horaria de la tarifa de seis periodos.

Las actuales tarifas de riego mantienen el suplemento por energía reactiva, pero desaparecen las bonificaciones que existían anteriormente con las antiguas tarifas de riego, de forma que con las nuevas tarifas sólo puede existir recargo, pero nunca bonificación o descuento.

Aunque el cambio de tarifas eléctricas, junto con la situación de las oscilaciones de precio en los mercados internacionales de los productos agrarios, está afectando a la economía del agricultor de regadío, desde el SIAR se quiere ayudar al agricultor a hacer frente a esta situación. Como recomendaciones para llevar a cabo una adecuada contratación del suministro eléctrico pueden destacarse:

• Contratar, para cada periodo tarifario, la potencia que realmente se va a utilizar de forma simultánea y no la potencia total instalada, de forma que mensualmente se podrá reducir la cuota fija que se paga por contratación de potencia. No obstante, no puede perderse de vista la penalización que supone absorber más potencia que la contratada en cada periodo, especialmente en la tarifa de seis periodos.

• Ajustar en todo lo posible el funcionamiento de la instalación de riego a los periodos tarifarios de menor coste de la energía.

• Reducir la energía reactiva producida por la instalación incorporando la correspondiente batería de condensadores en aquellas líneas eléctricas que alimentan a los grupos de impulsión, y realizar su adecuado mantenimiento.

Por último, resaltar que sigue siendo uno de los objetivos fundamentales del SIAR continuar ayudando a los agricultores a mejorar el uso del agua y la energía en el regadío, quedando a su disposición para cualquier consulta adicional relativa a las posibles consideraciones a tener en cuenta a la hora de formalizar el contrato con la empresa suministradora de la energía eléctrica, así como de posibles actuaciones concretas en sus instalaciones para tratar de mejorar la eficiencia energética de las misma

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T.MEDIA T.M. T.BAJA T.MEDIA T.BAJA T.MEDIA T.ALTA

ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO JUNIO JUNIO JULIO AGOSTO SEPT IEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

00 a 01 00 a 01

01 a 02 01 a 0202 a 03 02 a 03

03 a 04 03 a 0404 a 05 04 a 05

05 a 06 05 a 06

06 a 07 06 a 07

07 a 08 07 a 08

08 a 09 P4 P4 08 a 09

09 a 10 P5 09 a 1010 a 11 10 a 11

11 a 12 11 a 1212 a 13 12 a 13

13 a 14 13 a 14 14 a 15 14 a 1515 a 16 15 a 16

16 a 17 16 a 1717 a 18 17 a 1818 a 19 18 a 1919 a 20 19 a 20

20 a 21 20 a 21

21 a 22 21 a 22

22 a 23 22 a 2323 a 24 23 a 24

ENERO FEBRERO MARZO ABRIL MAYO 1 al 15 16 al 30 JULIO AGOST O SEPTIEMBRE OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBRE

TEMPORADA BAJATEMPORADA ALTA

P1

P1

P4

T. ALTA

P2

P2

P2

P2

P2

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P2

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P1

P1

P2

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P3 P3

P3

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P4

P4

Se incluirán en el periodo 6 todas las horas de sáb ados, domingos y festivos nacionales

P6

P4

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P5 P5