Experiencias de gestión eficiente de la energía en la ...

Experiencias de gestión eficiente de la energía en la

agricultura de regadío.

José Mª Tarjuelo y Miguel A. Moreno

Fortaleza, Septiembre 2015

España: 3,8 Mha regables (19% de la S.A.) (3,5 reales) . Aportan 65% P.A.N.(>13.000 M€) y consumen 80% del agua (68% usada)Productividad respecto al secano: 6 veces (4 veces + renta)

SIAR: Castilla La Mancha como agro-ecosistema

Escasez de agua (>75% subterránea)Energía cara

Región semiárida

Acuíferos sobreexplotados

493.302 ha regadas• 4% R. superficie• 22% Aspersión fija• 18% Pívot• 56 % goteo

Principales cultivos: cereales (cebada, trigo, maíz), hortícolas (cebolla, ajo, …), viña, olivo, almendro.

ET

Percolación

Recarga

Agua (escasez-calidad)Energía (cara)

Sobreexploração de acuíferos

Principales problemas y restricciones en el regadío

• La baja disponibilidad de agua para riego debido a: – alta frecuencia de los períodos de sequía.– incremento de necesidades en usos prioritarios.– restricciones ambientales.

• Sobreexploração de los recursos hídricos subterráneos. • Risco de contaminación de las aguas subterráneas (nitratos) • Alto precio del agua debido a los costes de energía • Baja o moderada productividad económica del agua en

algunas explotaciones agrícolas • Insuficiente información y formación de los usuarios finales

sobre el uso de las tecnologías existentes para la gestión eficiente del agua y la energía

Desafios del regadío

• Incrementar la productividad del agua de riego mediante herramientas y modelos de Ayuda en la Toma de Decisiones (ATD) dirigidas a mejorar el diseño de las instalaciones y la gestión del agua y la energía

Algunas soluciones (modernización)1. Servicios de Asesoramiento al Regante (SAR)

2. Diseño y manejo de los sistemas de riego

3. Auditoria y análisis del uso del agua y la energía (Benchmarking)

4. Determinación del plan óptimo de cultivos

5. Herramientas de SIG para la gestión de zonas regables

6. Sensoriamento Remoto de alta y muy alta resolución

EJEMPLOS DE INSTALACIONES DE RIEGO A PRESION

ACTUACIONES EN LA MODERNIZACIÓN DEL RIEGO A PRESION

ANALISIS Y EVALUATIONAuditoras energíaBenchmarking

GESTIONOPERACION

INSTALACIONESREDES DE RIEGOBOMBEOS

RIEGO EN PARCELA

Asapersion Goteo

DISEÑO

Demanda o turnos??

•Projeto•Vazao del hidrante•Q en lineas•Dimensto. económico•Análisis

Tarifas eléctricas Modelos

ModelosModelos

Energias renovables

Fase 2

Fase 1

Fase 3

SAR, TIC, ATD

AUDITORÍAS ENERGÉTICAS

Desenvolvimento de herramientas y medidas para mejorar el diseño y

manejo de las instalaciones

AUDITORÍAS ENERGÉTICASEl objetivo de una auditoria energética es:

1) evaluar el consumo energético2) propor e implementar medidas de redução de consumo energético y económico que sean viables económicamente.

Para ello es necesario conocer: a) las infraestructuras de riego b) el manejo y organización de reparto de agua c) disponer de herramientas informáticas que

faciliten la propuesta de mejoras, así como la adaptación a las tarifas eléctricas contratadas.

AUDITORÍAS ENERGÉTICASA. Medidas que producen redução de consumo

energético y económico:1. Mejora de los equipos consumidores de energía.2. Mejora del diseño de la instalación3. Mejora del manejo de la instalación

B. Medidas que producen un redução económica:– Estudiar la tarifa eléctrica más ajustada a la

potencia demandada y el consumo real.– Contratar la potencia realmente utilizada en cada

periodo.– Ajustar el funcionamiento de los equipos a los

periodos tarifarios contratados.

Implantación de medidas de mejora• Dificultades:

– La auditoría es una “foto” de cuando se realiza (puede necesitar medidas correctoras adicionales).

– Falta de personal técnico cualificado en la instalación para implementar las medidas

– Los investimentos necesarios pueden dificultar la implantación de medidas

– Posible resistencia de los usuarios a quitar flexibilidad al sistema de distribución de agua

• Soluciones– Implantar una Sistema de Gestión de la Energía

realizado por especialistas y aceptado por los usuarios


• INDICADORES.

• HERRAMIENTAS

• CALIFICACIÓN DE GESTIÓN Y EFICIENCIA.

ENERGÉTICA.

• PROPUESTAS DE MEJORA.

• REDUÇÃO DE CONSUMO ENERGÉTICOS Y

ECONÓMICOS.

• CONCLUSIONES.

INDICADORES• Indicadores descriptivos, de rendimiento y de

funcionamiento.

• Obtención de datos:

Información proporcionada por los gestores y técnicos.

Medidas de datos de campo: parámetros hidráulicos, eléctricos y topográficos.

• Aplicación de datos a modelos de simulación hidráulica y energética

Obtención de datos(Ejemplo de consumo energético en una CR)

Obtención de datosMEDIDA DE NIVEL DINÁMICO

Obtención de datosMEDIDA DE VAZÃO

Obtención de datosMEDIDA DE ALTURA MANOMÉTRICA

Obtención de datosMEDIDA DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS

Obtención de datosTOPOGRAFÍA

Obtención de datos

MODELO DE SIMULACIÓN HIDRÁULICA

Bonete SC TarazonaSOR

La PinadaLP

LaChozillaLC

M AlegreMA

OnturON

Superficie regable (Sa, ha) 490 1039 171 265 563 2148

Superficie regada(Sr, ha) 389 951 103 107 551 1732

Suministro de agua por unidad de área regada

(VsSr, m3/ ha-1)5768 5306 964 1191 923 752

Potencia total contratada (Nc, kW) 1505 *

P1:10P2:220P3:220

P1:10P2:240P3:240

220 562

Potencia total absorbida (Nt, kW) 1465 5114 391 431 315 579

Energía activa anual consumida

(Eac, kWh año-1)2.422.933 5.469.093 108.678 157.711 517.369 1.070.535

Energía reactiva anualconsumida

(Er, KVArh año-1)1.032.154 1.797.603 15.485 618 73.721 637.707

Indicadores descriptivos de las zonas irrigadas.

BoneteSC

Tarazona SOR

La PinadaLP

LaChozillaLC

M AlegreMA

OnturON

Rendimiento de potencia (ηp, %) 97 * 178 180 143 103Potencia contratada por unidad de

área regable (NcSa, kW ha-1) 3,0 * 1,3 0,9 0,4 0,3

Potencia absorbida por unidad de área regada (NcSr, kW ha-1) 3,0 5,4 2,3 4,0 0,6 0,3

Energía consumida por área regada (EacSr, kWh ha-1) 6230 5749 1047 1467 938 618

Energía consumida por m3 agua de riego (EacVT, kWh m-3) 1,1 0,9 0,7 0,9 1,0 0,7

Coste energético por área regada (CENSa, € ha-1) 543 428 87 122 68 55

Coste energético por m3 fornecido (CENVs € m-3) * 0,09 0,08 0,09 0,10 0,07 0,07

Índice de carga energética (ICE, m) 233,11 167,08 154,02 146,59 135,29 115,77

Eficiencia energética de bombeos (EEB, %)

60,78 52,39 58,25 48,79 36,28 45,21

Eficiencia energética general (EEG, %)

55,14 48,04 56,15 45,55 17,14 23,13

Indicadores de eficiencia energética

•ηp, = potencias máximas absorbidas medidas respecto a las contratadas•Da una idea de la eficiencia económica en la gestión de la tarifa eléctrica•ICE= Representa la altura manométrica media fornecido por los bombeos

SAT “Llano Verde” SAT “La Pinada”

SAT “Ontur”

Reservatório

Poços Profundos

Red de riego

SAT “Montealegre” (CR-1.6)


• INDICADORES.

• HERRAMIENTAS


ENERGÉTICA.



ECONÓMICOS.

• CONCLUSIONES.

HERRAMIENTAS (en entorno MATLAB) para ayuda en el diseño y manejo de zonas irrigáveis

A) Para el diseño del riego presurizado– Subunidades de goteo y aspersión (PRESUD)– Diseño y Coste mínimo de aplicación de agua (DOPIR)– Diseño óptimo de pívot (DOP y DEPIRE)

B) Para el diseño de impulsiones– Diseño Óptimo de Poços profundos (DOS), – Diseño Óptimo de Estaciones de Bombeo (DOEB).

C) para el análisis de impulsiones:– Análisis de Poços profundos (AS), – Modelo de Análisis de la Eficiencia Energética en

estaciones de Bombeo (MAEEB)– Análisis y gestión de redes de riego a presión (MAWE)

Web: crea.uclm.es

Autocad

QGIS

PRESUD herramienta para el diseño óptimo de riegopor aspersión y por goteo con coste mínimo deaplicación del agua (investimento + operación)(Moreno et al 2010, Carrión el al 2013 y 2014)

Distribución de Q en la subunidadPRESUD

Diseño óptimo de pivot (DOP)

HERRAMIENTAS DE DISEÑO del riego en parcela

Distribución de vazão

Distribución de presiones

Declividade del ramal: 1%Declividade de terciaria: 0%

80 m

80 m

0 m

0 m

200 m

200 m

(a) 3.1 ha (12 ramales con 8 aspersores/ramal) Pte.ramal=0%, (b) 6.2 ha (12 ramales con 16 sprinklers/ramal) Pte.ramal=3%,

EU= 97.3% y Δq=2.3%

Distribución de vazões en 18x18 con P = 350 kPa

EU= 92.3% y Δq=15.7%

HERRAMIENTAS DE DISEÑO

Determinar las curvas características optimas de la bomba y el diámetro de las tuberías de impulsión y distribución que minimizan el coste total (inversión + operación) en función del volumen a extraer y la posible evolución del nivel dinámico, teniendo en cuenta los periodos tarifarios y precios actuales de la energía

Diseño óptimo de poços profundos (DOS) y Diseño óptimo del riego a presión (DOPIR)

EJEMPLO DE ANALISIS DE POÇOS PROFUNDOS (AS)

Caso de la Chozilla

ANALISIS DE POÇOS PROFUNDOS (AS)

• Principales problemas detectados:• Acusado descenso del nivel dinámico.• Fugas (rotura) de la columna de impulsión.• Desgaste de rodetes.

• Principales medidas propuestas:• Sustitución del grupo de impulsión.• Sustitución de parte de la columna de

impulsión.• Reparación o modificación de rodetes.


• INDICADORES.

• HERRAMIENTAS

• CALIFICACIÓN DE GESTIÓN Y EFICIENCIA. ENERGÉTICA.



ECONÓMICOS.

• CONCLUSIONES.

CALIFICACIÓN DE GESTIÓN Y EFICIENCIA ENERGÉTICA

¿Cómo alcanzar una gestión energética excelente?

•Mantenimiento preventivo de equipos.

•Revisiones periodicas de equipos.

•Reparaciones en el momento en que se detectan fallos.

•Tener instalados condensadores.

•Respetar la discriminación horaria.

Denominación SuperficieRegada (ha)

VolumenFacturado m³

IDE*%

Númerobombeos

DesnivelMáximo (m)

Tiposuministro**

CR.1.1 515,09 958.041,00 100 1 100 Got.CR.1.2 107,46 128.037,00 100 2 9 Got.CR.1.3 245,10 1.762.153,00 100 7 10 Got.CR.1.4 103,78 100.058,00 100 2 5 Got.CR.1.5 1.646,60 11.389.385,00 100 12 22 Asp.CR.1.6 551,37 509.090,00 100 2 125 Got.CR.1.7 136,16 120.996,05 100 2 6 Got.CR.1.8 779,56 3.595.615,00 100 14 85 Asp.CR.1.9 274,70 927.084,00 100 9 15 Asp.Got.CR.1.10 123,30 142.771,05 100 2 15 Got.CR.1.11 388,92 2.243.581,00 100 5 31 Asp.CR.1.12 590,41 2.939.572,00 100 13 50 Asp.CR.1.13 1.732,40 1.304.215,00 100 4 100 Got.CR.1.14 951,23 5.047.527,00 100 11 36 Asp.CR.1.15 675,78 618.174,49 100 6 25 Got.CR.2.1 3.332,50 3.840.050,00 52 3 115 Sup.Got.CR.2.2 1.747,00 2.237.559,00 100 6 120 Desal.Sup.CR.2.3 778,37 947.700,00 100 3 93 Desal.Sup.CR.2.4 656,31 2.050.200,00 97 3 88 Sup.CR.2.5 766,07 1.458.024,70 100 3 180 Sup.CR.3.1 12.728,00 44.946.447,00 82 12 155 Sup.Got.CR.3.2 6.745,00 7.675.533,00 22 3 157 Sup.TOTAL 35.330,01 93.179.660,29 125

Tabla 1. Características generales de las Comunidades de Regantes auditadas.*IDE representa la relación entre Volumen de agua bombeado y Volumen total de agua suministrado**Sup. Riego por superficie; Got. Riego por goteo; Asp. Riego por aspersión; Desal. Desalación.

CONSUMO DE ENERGIA /ha

0.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

6000.00

7000.00

CR.1.1

CR.1.2

CR.1.3

CR.1.4

CR.1.5

CR.1.6

CR.1.7

CR.1.8

CR.1.9

CR.1.10

CR.1.11

CR.1.12

CR.1.13

CR.1.14

CR.1.15

CR.1.16

CR.1.17

CR.1.18

CR.1.19

CR.1.20Cons

umo

ener

gétic

o po

r hec

táre

a, k

Wh/

ha

EFICIENCIA ENERGÉTICA

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

70.00

CR.1.1

CR.1.2

CR.1.3

CR.1.4

CR.1.5

CR.1.6

CR.1.7

CR.1.8

CR.1.9

CR.1.10

CR.1.11

CR.1.12

CR.1.13

CR.1.14

CR.1.15

CR.1.16

CR.1.17

CR.1.18

CR.1.19

CR.1.20

Efic

ienc

ia e

nerg

étic

a ge

nera

l, %

Excelente

BuenaNormal

Aceptable

NO Aceptable

EFICIENCIA GENERAL= EFICIENCIA BOMBEOS * Eficiencia del Suministro Energético

<65-70%

Eficiencia del Suministro Energético = Representa la relación entre la energía que es necesario aportar al sistema y la realmente aportada


• INDICADORES.

• HERRAMIENTAS


ENERGÉTICA.



ECONÓMICOS.

• CONCLUSIONES.

1.Mejoras en los equipos (redução de consumo energético yeconómico) Son las que producirían mayor ahorro económico:

• Principales problemas detectados:• Sobredimensionado de EB en redes colectivas (diseños

para el 100% de la superficie regable en periodo punta, IMPLICA bombas funcionando con η muy bajos)

• Desgaste de las bombas (inadecuado mantenimiento) .• Principales medidas propuestas:

• Incluir algún equipo de menor potencia• Reparación y mantenimiento de bombas. (Pueden llegar a

incrementar el rendimiento >30%, con poca inversión)

2 .Mejora en diseño (redução de consumo energético yeconómico): Ubicación de embalses o bombeos, projeto y/o dimensionado de tuberías (tendían que haberse realizado en la fase de proyecto y ejecución de obra). NECESIDAD DE ANÁLISIS HIDRÁULICO Y ENERGÉTICO EN LOS NUEVOS PROYECTOS

TIPOS DE MEJORAS PROPUESTAS

TIPOS DE MEJORAS PROPUESTAS3. Mejora en manejo (redução de consumo energético y económico):

– Principales problemas detectados:• Tipo de regulación inadecuada.• Presión de consigna superior a la demandada por la red.

– Principales medidas propuestas:• División de la zona de riego en sectores de cota homogénea• Ajustar el punto de funcionamiento de los bombeos y pozos• Incorporación de un segundo variador de velocidad.• Disminución de la presión de consigna.• Trabajar más horas los equipos con mayor eficiencia energética.• Eliminación de rebombeos innecesarios.

4.Mejora de la contratación y uso de la energía (redução económica)– Ajuste del funcionamiento a la discriminación horaria y periodos tarifarios

contratados (es la mayor redução economia)– Mejorar los términos de potencia contratados– Adecuada contratación en el mercado libre (previsión de consumo

próxima semana)

• INTRODUCCIÓN.

• INDICADORES.


ENERGÉTICA.



ECONÓMICOS.

• CONCLUSIONES.


Redução de consumo energéticoy económico

Redução de consumo energético medio: 14%

Redução de coste económico medio: 20 (mayor con coste de la energía)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

CR

.1.1

CR

.1.2

CR

.1.3

CR

.1.4

CR

.1.5

CR

.1.6

CR

.1.7

CR

.1.8

CR

.1.9

CR

.1.1

0

CR

.1.1

1

CR

.1.1

2

CR

.1.1

3

CR

.1.1

4

CR

.1.1

5

CR

.2.1

CR

.2.2

CR

.2.3

CR

.2.4

CR

.2.5

CR

.3.1

CR

.3.2

Pro

med

io

Comunidad de Regantes

% A

horro

Ahorro Energético Ahorro Económico

Redução de consumo energéticossegún el tipo de mejora

Mejoras en los equipos: 11,2%

Mejoras en diseño y manejo (propuesto): 2,8%

0%5%

10%15%

20%25%

30%35%

40%45%

50%

CR

.1.1

CR

.1.2

CR

.1.3

CR

.1.4

CR

.1.5

CR

.1.6

CR

.1.7

CR

.1.8

CR

.1.9

CR

.1.1

0

CR

.1.1

1

CR

.1.1

2

CR

.1.1

3

CR

.1.1

4

CR

.1.1

5

CR

.2.1

CR

.2.2

CR

.2.3

CR

.2.4

CR

.2.5

CR

.3.1

CR

.3.2

Pro

med

io


% A

horr

o E

nerg

etic

o

Mejora en diseño y manejo Mejora en equipos

Redução de coste económicos según el tipo de mejora

Mejora en los equipos: 14,5%

Mejora de la contratación de electricidad: 7,7%

Mejora de diseño y manejo: 5%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

CR

.1.1

CR

.1.2

CR

.1.3

CR

.1.4

CR

.1.5

CR

.1.6

CR

.1.7

CR

.1.8

CR

.1.9

CR

.1.1

0

CR

.1.1

1

CR

.1.1

2

CR

.1.1

3

CR

.1.1

4

CR

.1.1

5

CR

.2.1

CR

.2.2

CR

.2.3

CR

.2.4

CR

.2.5

CR

.3.1

CR

.3.2

Pro

med

io


% A

horr

o E

conó

mic

o

Mejora en diseño y manejo Mejora en equipos Mejora contratación

• INTRODUCCIÓN.

• INDICADORES.


ENERGÉTICA.



ECONÓMICOS.

• CONCLUSIONES.


CONCLUSIONES• La eficiencia energética de las C.C.R.R. auditadas

es elevada, aunque puede ser mejorada.

• El desarrollo de auditorías energéticas en CCRR ha permitido detectar problemas de funcionamiento, principalmente en sondeos y estaciones de bombeo, así como mejorar la contratación de la energía.

• Las herramientas y metodologías de análisis desarrolladas han facilitado la detección de problemas y han ayudado a la toma de decisiones para la propuesta de mejoras.

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