Un paso más en la auditoría energética de comunidades de

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
B.21.
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.
B.21.
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.
B.21.
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
B.21.
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.
B.21.
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.
B.21.
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
B.21.
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:
B.21.
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.
B.21.
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.
B.21.