determinacin de los costes energticos en el clculo de

DETERMINACIÓN DE LOS COSTES
ENERGÉTICOS EN EL CÁLCULO DE
REDES A PRESIÓN CON BOMBEO DIRECTO
Ignacio López-Cortijo García 1
Juan Carlos Esquiroz Noble 2
Ricardo Aliod Sebastián 3
Susana García … 4
Las redes de riego a presión suponen la base de los recientes proyectos de
modernización y nueva transformación, garantizando una entrega del agua fiable
y duradera. En el diseño de redes de riego con bombeo directo, los costes
energéticos, con mayor relevancia tras los recientes cambios previstos en la
tarificación eléctrica (RD 809/2006, de 30 de junio), tienen una repercusión en los
costes de inversión y explotación y sobre la viabilidad de las actuaciones en
regadío.
En la formulación del diseño óptimo de estas redes contemplando el coste
energético existe una relación inversa entre el coste de la energía consumida en
la campaña de riego y los diámetros de la red elegidos.
En la presente comunicación, se presentan y evalúan las características de un
nuevo método de cálculo de los costes energéticos “Consumo Energético
Detallado” (CED), que aparece en la versiones mas recientes (Diciembre 2006)
del paquete GESTAR v.15, valorando su posible influencia en proceso de
dimensionado óptimo, comparando para ello sus resultados con un diseño
convencional (“Consumo Energético Simplificado” (CES)).
El CED, integra la potencia consumida y el número de horas de bombeo para
cada caudal. La primera se obtiene a partir de la curva de consigna, las curvas
de altura de bombeo y del rendimiento de los grupos motobomba para un
fraccionamiento y regulación dados, mientras que las segundas provienen de la
medición de los caudales durante la campaña de riego o de su estimación
mediante una Función Densidad de Probabilidad (FDP) construida a partir a las
demandas hídricas mensuales, y características (módulos y superficies) de las
tomas de riego.
Palabras clave: Coste Energético, Estaciones de bombeo., Riego a presión., Diseño óptimo,
1
Director de Ingeniería de Riegos de Navarra, S.A.
Jefe de la Sección de obras de interés general de Riegos de Navarra, S.A.
3
Profesor Titular de Mecánica de Fluidos. Equipo GESTAR. Universidad de Zaragoza
4
Investigadora equipo GESTAR. Universidad de Zaragoza.
2
1
1.
INTRODUCCIÓN
En el diseño de las redes colectivas de distribución alimentadas con bombeo
directo, los procedimientos de optimización tratan de minimizar el coste total anual del
sistema, entendido dicho total como la suma del coste de amortización de la inversión
y el coste de explotación, simplificando este último normalmente al coste energético.
En este proceso, existe una relación inversa entre el coste energético y el coste de las
conducciones de la red al aumentar la altura de cabecera disponible en cabecera, Hd,
para el caudal de diseño Qd. El óptimo aparece en el punto donde se igualan, en valor
absoluto, las pendientes de ambas curvas (Figura 1).
Costes Anuales
CAT
CE1
CE2
Altura para Q diseño
Hd1
Hd 2
Figura 1. Curva del coste total del sistema.
En el conjunto del coste energético, el término de energía (producto de la
energía consumida (kWh) por el precio regulado (€/kwh)) es el de mayor peso en las
facturas eléctricas anuales según el sistema de tarificación vigente, [1].
Como sugiere la Figura 1, para una misma curva de coste de amortización de
las tuberías (CAT) en función de la atura nominal de diseño (Hd), las distintas
evaluaciones que se puedan realizar de los costes energéticos anuales (CE1, CE2)
conducen a distintos “diseños óptimos” (Hd1 , Hd2 ).
La formulación que habitualmente se ha venido empleado para el cálculo del
consumo energético en fase de proyecto implica una importante simplificación al
suponer una altura de impulsión en la estación de bombeo constante (la de diseño,
Hd) y un rendimiento medio ponderado, η p , asimismo constante para todos los
regímenes de caudal y que es necesario estimar. Este consumo energético, al que se
denomina en la presente comunicación Consumo Energético Simplificado (CESkwh),
viene determinado por la siguiente expresión:
2
CES kwh =
γ ⋅V
1000 ⋅ 3600 ⋅ η p
Hd
(1)
donde γ es el peso específico del agua (kgm-2s-2), V el volumen consumido en la
campaña de riego en m3. Si (1) se multiplica por el precio medio del kWh, se tendrá
una estimación del Coste Energético Simplificado, CES€. Como se observa, para un
mismo volumen a suministrar al año, y rendimiento supuesto, el CES crece
linealmente con la altura de diseño, Hd.
Adicionalmente, se suele realizar una estimación teórica del número de horas
mensuales de bombeo en cada tramo de discriminación horaria (punta, llano y valle) o
de forma alternativa, se formula un porcentaje estimado del número total de kWh
mensuales consumidos en cada franja.
Dada la influencia del coste de la energía en la definición del diseño óptimo, no
resulta coherente reducir la mejora de los procedimientos de optimización al
perfeccionamiento de los algoritmos matemáticos de sección de conducciones sin
realizar un cómputo más preciso de los costes energéticos, que en muchos casos
ascienden a un importe igual o superior al de amortización de la instalaciones.
En esta comunicación se presentan el resultado de aplicar una metodología
recientemente incorporada en la aplicación GESTAR [2] para mejorar la evaluación los
costes energéticos en estaciones de bombeo directo e integrarlos en la optimización
del diseño, a un caso de estudio correspondiente a la red de riego a presión de la
Modernización del regadío tradicional de la Comunidad de Regantes de Valdega
(Navarra) sobre la que Riegos de Navarra S.A. dispone de detalles constructivos y
operacionales pormenorizados de diversas campañas.
2.
FUNCIONAMIENTO REAL DE UNA RED CON BOMBEO DIRECTO.
ESTIMACIÓN DETALLADA DE CONSUMOS ENERGÉTICOS EN FASE DE
PROYECTO
En el caso de bombeos directos la distribución de los costes energéticos difiere
de lo anteriormente expuesto ya que los caudales suministrados son muy variables,
así como los son las alturas de elevación y el rendimiento neto asociado a cada uno
de ellos. En la Figura 2 se muestra como ejemplo los datos medidos en la campaña
del año 2003 del caso de estudio de la red de Valdega, cuyo caudal de diseño, según
la formulación de Clement, es 0,367 m3/s.
El consumo energético viene determinado por una expresión del tipo:
T
T
Q max
dt (q )
1 dt
(2)
⋅ = T ⋅ ∫ P(q).
⋅ dq
T
T dq
0
0
0
En (2) P(q) es la potencia hidráulica en kW consumida por el conjunto de los
grupos de bombeo de la estación (sin contemplar pérdidas en los motores y equipos
eléctricos) 5 para cada caudal, q. T, es el tiempo de riego total disponible de la
campaña. Al consumo energético determinado por (2) se le ha denominado Consumo
Energético Hidráulico Detallado (CEHSkWh), en kWh.
CEHDkWh = ∫ P(q (t )) ⋅ dt = T ⋅ ∫ P(q ).
5
Dado que los fabricantes suministran habitualmente ponencias de accionamiento y
rendimientos de sus bombas tomadas en eje de entrada, excluyendo las pérdidas de
transmisión y eléctricas previas.
3
ENERGÍA P x D x H
HORAS
10000,00
350
9000,00
300
8000,00
6000,00
kwh
200
5000,00
150
4000,00
3000,00
100
2000,00
50
1000,00
0
0
0,
01
0,
02
0,
03
0,
04
0,
05
0,
06
0,
07
0,
08
0,
09
0,
1
0,
11
0,
12
0,
13
0,
14
0,
15
0,
16
0,
17
0,
18
0,
19
0,
2
0,
21
0,
22
0,
23
0,
24
0,
25
0,
26
0,
27
0,
28
0,
29
0,
3
0,
31
0,
32
0,
33
0,
34
0,
35
0,
36
0,
37
0,
38
0,
39
0,
4
0,00
Q (m3/s)
Figura 2. Registro clasificado de potencia consumida y horas de funcionamiento por
intervalos de caudal de 5 l/s. Red de Valdega, campaña de 2003.
La distribución de los caudales en cabecera corresponde a una sucesión de
diferentes escenarios aleatorios que se modifica con la apertura y cierre de las tomas
de riego, en consecuencia la variable caudal en cabecera puede ser considerada, una
variable aleatoria continua, cuya Función de Densidad de Probabilidad (FDP 6 ) es:
FDP(q ) =
1 dt
1 dt
=
T dq
T dq
(3)
La FDP está directamente relacionada con la distribución de frecuencias relativas del
tiempo de ocurrencia de una franja de caudal (q, q+dq) con respecto al tiempo total
disponible de riego (Figura 1).
o _ entre_ q _ y _ q + dq
1 dt Tiempo_ promedio_ de _ existencia_ de _ caudal_ comprendid
=
=
T dq
T ⋅ dq
Frecuencia_ relativa_ de _ caudales_ comprendid
os _ entre_ q _ y _ q + dq
dq
FDP(q) =
Para evaluar la FDP en fase de proyecto es posible recurrir a la FDP de otras
zonas similares ya en riego (FDP experimentales) o estimar una FDP teórica, que
denominaremos FDP sintética, que GESTAR v 1.5 obtiene mediante la generalización
de una técnica,[3], [4], [5], consistente en agregar las contribuciones de las FDP
mensuales, cuyo estadístico se asimila una distribución normal cuya media y
desviación típica se computan en función de las probabilidades de apertura de cada
hidrante en cada mes (dependiente a su vez del módulo, superficie y necesidades
hídricas mensuales) y de la franja horaria. En consecuencia la estimación del
Consumo de Energía Detallado, incluyendo las pérdidas eléctricas, (CEDkWh ) queda:
5
Utilizada habitualmente en inglés como PDF (Probability Density Function).
4
Horas de riego
250
7000,00
Q max
CEDkWh = K PE ⋅ T ⋅
∫ P(q).FDP(q) ⋅ dq
(4)
0
En (4) el coeficiente de mayoración KPE, del orden de 1,10 a 1,20, recogería
las perdidas en la transmisión mecánica y de energía en los motores eléctricos,
transformadores, circuitos de alimentación, variadores de frecuencia, así como otros
servicios auxiliares (iluminación, alimentación de equipos de control, ventilación, etc,)
para pasar de los consumos hidráulicos en eje de impulsión a la potencia facturada.
Este mismo cálculo llevado a cada franja horaria de la discriminación horaria
nos permitiría calcular no sólo el consumo sino el Coste Energético Detallado (CED€)
La integración del caudal en cabecera para la campaña de riego determina el
volumen total suministrado en dicha red, que se puede expresar como del producto de
la FDP (q) y q.
T
Q max
0
0
V = ∫ q(t ) ⋅dt = T ⋅
∫
1 dt
⋅
⋅ q ⋅ dq = T ⋅
T dq
Q max
∫ FDP(q).q ⋅ dq
(5)
0
El cálculo de la potencia consumida por la estación de bombeo, P(q), para el cómputo
de (4) se efectúa en función de la Curva de Consigna de la Red (CCR), de las Curvas
Características de las Bombas (CCB) altura y rendimiento -o potencia- en función del
caudal, y en función del tipo de regulación empleada para seguir la CCR con distintas
combinaciones de Bombas de Velocidad Fija (BVF) y Bombas de Velocidad Variable
(BVV).
Si se parte de un diseño de una red, bien sea tentativo o definitivo, la CCR
puede obtenerse generando una amplia serie de escenarios de consumo con
diferentes tomas abiertas barriendo los rangos posibles de caudales de cabecera, y
computando la presión manométrica requerida en la cabecera para disponer de
presión suficiente en los hidrantes abiertos en cada escenario, presión que depende
de la ubicación y requerimientos de altura piezométrica en cada hidrante,
obteniéndose una nube de alturas requeridas en cabecera y su envolvente máxima y
mínima (ver Figura 3).
Puesto que la selección como CCR la envolvente máxima absoluta es quizá
excesivamente conservadora (y contradictoria con los criterios de diseño probabilístico
asociados al cómputo de caudales de diseño de Clement) se suele adoptar una CCR
de “requisito máximo medio”, HCCk(q), que retiene, para cada porcentaje de demanda,
el máximo valor de los promedios de las presiones requeridas para cada hidrante.
5
GESTAR 1.5: PRESIONES DEMANDADAS EN 1.400 ESCENARIOS ALEATORIOS
83
78
C CONSIGNA MAX
73
C CONSIGNA MIN
H mca
68
63
C CONSIGNA HCCk
58
CONSIGNA EB
VALDEAGA
53
48
Qd
H CCEB = 66,6 + 38 ⋅ Q 2
43
38
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
0,34
0,36
0,38
0,4
0,42
Q m3/s
Figura 3. Obtención de la curva de consigna mediante cálculo de la altura requerida en la
simulación de diferentes escenarios para todo el rango de caudales posibles en Valdega.
En la Figura 3 se observa que la existencia de un grupo de hidrantes en cotas
netamente más elevadas que el resto, configura un escalón superior en los requisitos
de presión que se mantienen prácticamente constantes e independientes de las
pérdidas de carga en la red 7 , de manera que sólo para los caudales más altos la curva
de consigna HCCk dejaría de ser prácticamente plana.
Finalmente, la potencia consumida P(q) depende de las características de los
grupos motobomba instalados y del tipo de regulación realizado que admite
numerosas variantes: BVF en paralelo, BBF combinadas con una o varias BVV, que a
su vez pueden ser del mismo tamaño o diferente, etc.
3.
METODOLOGÍA DE CÁLCULO
Mediante el paquete GESTAR, que ha incorporado en sus últimas versiones
1.5 una batería de novedosas herramientas específicas (cálculo de curva de consigna,
generación de FDP sintéticas, regulación de grupos motobomba siguiendo la curva de
consigna con BVF y BVV,, configuración de curvas características- automáticas o
manuales - de los grupos de bombeo) para evaluar el CED, se han realizado dos tipos
de comparaciones.
En primer lugar, con objeto de validar la metodología CED se han contrastado
los resultados de la evaluación de la energía según (4), y los consumos energéticos
reales medidos en la estación de bombeo de la red de riego a presión construida a raíz
de la modernización del regadío tradicional de la Comunidad de Regantes de Valdega
(Navarra) sobre la que Riegos de Navarra, S.A. dispone de los detalles constructivos y
operacionales de diversas campañas,(Figura 4), seleccionándose los datos de año
2003 dado que constituye la serie más reciente y completa previa a su ampliación en
7
La existencia de un ramal estrangulado (diámetro insuficiente) hace aparecer una serie de
escenarios con unos requisitos extraordinarios de presión debidos a la coincidencia mas de dos
hidrantes abiertos al final de dicho ramal, estados que en un nuevo diseño corregido, apartado
4.1, no están presentes
6
2004. Los detalles topológicos y constructivos de la red, actualizados al año 2003,
fueron introducidos en el modelo GESTAR de la red.
El área regable de la Comunidad de Regantes de Valdega comprende una superficie regable próxima a las 330
ha y toma el agua del río Ega. Beneficia a los TT.MM. de Mendaza, Ancín, Legaria, Oco, Murieta, Abaigar,
Metauten e Iguzquiza.
Las obras de modernización, además de suponer la refundición de diversas concesiones, fueron ejecutadas entre
los años 1999 y 2000 con la finalidad de fomentar la intensificación y diversificación de la producción, dotando a
la zona de una red a presión. La actuación ha supuesto una notable mejora en la eficiencia global de riego, que
ha visto disminuido el volumen detraído del río entre un 30 y un 40%. La ubicación de esta zona dentro de
Navarra le confiere unas características agroclimáticas que permiten una mejora en la comercialización de
determinados productos. Los cultivos más representativos del regadío de Valdega, por orden de importancia en
superficie, son maíz, espárrago, patata, tabaco, viña, bróculi y endivia.
Existen 112 hidrantes, con qfc = 0,624 l/s ha, JER= 18 h, dotación mínima 10 l/s y GL mínimo 2,5.
La red de riego es un bombeo directo, con un caudal de diseño de 367 l/s, para una garantía de suministro en
cabecera del 90%, y una altura de elevación de 79 m. La potencia total (433 kw) está fraccionada en tres grupos
de 132 kw (2BVF + 1BVV) y uno de 37 kw (BVV)
En el año 2003, el volumen registrado fue 782.352 m3 y el consumo de energía total facturada ascendió a
290.545 kWh. Las curvas de las bombas de 132 kw se ajustan con coeficientes A= -1206,3, B= - 278,7, C= 119,7,
F=-8060,1, G= 1616,31
Figura 4. Datos básicos de la red de la Comunidad de Regantes de Valdega (Navarra)..
Campaña 2003.
Para generar la FDP se han adoptado cuatro variantes. En las tres primeras se
estiman sendas FDP sintéticas, que se obedecen a diferentes evaluaciones de las
distribución de consumos de agua mensuales 8 :
(A)
Alternativas de cultivos genéricas y cómputo de necesidades de riego mensual
que figuraban en el Proyecto original. (Proyecto, Volumen 2003)
Distribución de cultivos detallados según las observaciones del año 2003 y sus
correspondientes necesidades de riego mensuales. (Cultivos detallados, 2003)
Volúmenes servidos en cabecera cada mes según el registro del caudalímetro.
(Consumo mensual)
(B)
(C)
8
Puesto que los consumos habidos en la red son el orden de 2.200 m3/ha muy por debajo
de los 5.014 m3/ha, se han ajustado proporcionalmente las distribución de necesidades
hídricas calculadas al consumo del año 2003, 2.234 m3/ha.
7
En la última variante (D) se han utilizado los datos registrados de la lectura de
caudal que la estación de bombeo almacenó durante toda la campaña, construyendo
así la llamada FDP experimental (ver Figura 1).
Además, en esta comparativa de costes energéticos se utilizan dos tipos de
Curvas Características de Bombas, CCB, con el fin de valorar la sensibilidad de los
resultados a las mismas. El primer tipo CCB corresponde al ajuste polinomio de las
bombas de 132 kw ya instaladas, del tipo:
H (Q) = A ⋅ Q 2 + B ⋅ Q + C ; η = F ⋅ Q 2 + G ⋅ Q
El segundo tipo de CCB, denotado Bomba Sintética, son configuradas por
GESTAR v1.5 automáticamente para satisfacer las condiciones de diseño, con los
criterios constructivos que se muestran en la Figura 5, donde η max y el factor p se
tomaron 80% y 0,3 respectivamente, por analogía con las bombas instaladas.
Alturas manométricas de presión
H(mca)
GENERACIÓN DE LA BOMBA SINTÉTICA
ηmax
140
dH
=0
dQ Q = 0
Hd (1+p)
120
HCCk
p. Hd 100
Hd
(Qd ; Hd)
n
3
2
1
40
Bn
Hmin
20
B2
B1
0
0
Q
0,2
n
B3
0,6 Qd
0,4
0,8
1
1,2
Q(m3/s)1,4
Caudales de bombeo en cabecera
Figura 5. Parámetros de configuración de la bomba sintética.
En segundo lugar, con el fin de explorar la influencia de la estimación de los
costes energéticos según CES y CED en el diseño de un sistema con bombeo directo
se ha rediseñado la red de la Comunidad de Regantes de Valdega (Navarra)
considerando la topología real de la red y las condiciones de servicio de sus tomas de
riego (módulo y presión requerida), así como la base de datos de precios utilizada en
su diseño original.
Para ello se han tanteado una serie de alturas piezométricas de diseño, Hd,
dentro un rango comprendido entre los 72 y los 92 mca, y se efectúa, mediante el
módulo de optimización de redes ramificadas con altura de alimentación conocida que
incorpora GESTAR, una serie de diseños cuyo coste conforma la Curva Amortización
Tuberías (CAT en la Figura 1). Los costes energéticos se evaluaron en paralelo
mediante el método CES, asumiendo un rendimiento medio 75%, y el método CED,
con dos subvariantes, (según las dotaciones anuales sean las medidas 2.200 m3/ha o
las proyectadas 5.014 m3/ha,, tomando en el primer caso la FDP experimental del año
2003 para el cómputo CED)
4.
RESULTADOS OBTENIDOS
8
4.1.
PREDICCIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO AÑO 2003.
La Figura 6 muestra la FDP experimental estimada para el año 2003, mediante
los datos de caudal en cabecera registrados en el autómata de la estación de bombeo
cada 15 minutos, conjuntamente con las tres variantes de FDP sintética generadas por
GESTAR 1.5 , tomando los datos de consumo de agua mensuales de la alternativa de
cultivos prevista en proyecto y también tomando los datos procedentes de las
recomendaciones de riego por cultivos y de los consumos reales del año 2003.
CONSUMO MENSUAL
CULTIVOS DETALLADOS 2003
PROYECTO VOL 2003
EXPERIMENTAL 2003
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0,01
0,03
0,05
0,07
0,09
0,11
0,13
0,15
0,17
0,19
0,21
0,23
0,25
0,27
0,29
0,31
0,33
0,35
0,37
0,39
Figura 6. Funciones de Densidad sintéticas y exprimental para la red de Valdega.
Campaña 2003.
Se observa la semejanza cualitativa de todas las FDP siendo quizá la mas
próxima a la FDP experimental la obtenida mediante los consumos mensuales del año
2003 (variante C). El área debajo de cada tramo de curva representa la frecuencia
relativa de ocurrencia del respectivo caudal, por lo que se concluye que todas las
variantes predicen una elevada presencia de caudales pequeños y medios, y una muy
baja probabilidad de concurrencia de caudales cercanos al de diseño, 0,368 m3/s,
hecho vinculado a un consumo de agua netamente inferior al previsto.
Para determinar la curva de potencia P(q ) en esta comparación de las
predicciones de gastos energéticos del año 2003 se ha utilizado en todos los casos la
curva de consigna actualmente fijada en el sistema, Figura 3 (HCCEB), incrementada en
un término cuadrático que retiene las pérdidas de carga de la estación de bombeo (5
m para el caudal de diseño) y en el desnivel ente la lámina libre de aspiración y la cota
del colector (2 m) tal y como se refleja en la Figura 7. donde la nube de puntos
corresponden a los registros de caudal/altura de presión en el colector de impulsión,
que muestra tanto las lecturas en que el autómata ajustaba la curva de consigna HCCEB
como aquellas en que las órdenes de arranques o paradas de los grupos de velocidad
fija no se habían ejecutado.
9
CURVAS DE SISTEMA
SUMINISTRO Q-H BOMBA SINTÉTICA
SUMINISTRO Q-H BOMBA REAL
AUTÓMATA
92
90
88
86
84
82
80
78
76
74
72
70
68
66
64
62
60
58
56
54
52
50
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
0,34
0,36
0,38
0,4
0,42
Figura 7. Curva de consigna corregida y datos registrados para la campaña 2003.
En la Figura 8 se muestran, para las bombas reales y sintéticas, la potencia
consumida y el rendimiento neto de la estación del bombeo en función del caudal,
configurando una regulación simplificada en que todos los grupos son iguales y la
adaptación a la curva de consigna se efectúa mediante un único variador de velocidad.
BOMBA SINTÉTICA
RENDIMEINTO BOMBA SINTÉTICA
VALDEGA 2003. GESTAR: Potencia absorbida kwh
BOMBA REAL
RENDIMIENTO BOMBA REAL
380
0,85
360
0,8
340
0,75
320
0,7
300
0,65
280
0,6
260
0,55
240
220
0,5
200
0,45
180
0,4
160
0,35
140
0,3
120
0,25
100
0,2
80
0,15
60
0,1
40
0,05
20
0
0
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
0,22
0,24
0,26
0,28
0,3
0,32
0,34
0,36
0,38
0,4
0
0,42
Figura 8. Potencia consumida y rendimiento neto ( η n ) estimados para la estación de
bombeo de Valdega.
10
En la Tabla 1 se compara el consumo energético facturado en año 2003 (F)
con los consumos evaluados mediante las cuatro variantes de cómputo de la FDP en
la metodología CED. El coeficiente de pérdidas conjuntas en los equipos
transformadores, motores eléctricos y servicios diversos, KPE, se estiman 1,15, lo que
supone incrementar en un 15% los consumos estrictamente hidráulicos.
Tabla 1. Consumos energéticos medidos y estimados, CED campaña 2003
VARIANTE
Bomba Sintética
Energía total
consumida (kWh)
%Diferencia con (F)
FDP
proyecto
(A)
FDP cultivos
corregidos
(B)
FDP
meses exp
(C)
FDP Exp
3960h*0,75=2970 h
(D)
273.377
286.444
281.620
293.041
3,2%
-0,9%
6,3%
1,4 %
ηp
Ajuste Bomb Instaladas
Energía total
consumida (kWh)
%Diferencia con (F)
ηp
CES
Facturado
(E)
(F)
290.545
58%
262.663
274.281
270.696
281.129
10,6%
5,9%
7,3%
3,3%
290.545
58%
Se comprueba que utilizando las FDP Experimentales (D) se consigue la mejor
aproximación a (F), con una diferencia absoluta comprendida entre el 1% y el 3,3% (en
función del ajuste realizado a las curvas de las bombas) a pesar de que el esquema de
la regulación en el autómata de la estación de bombeo utilizada para evaluar, no es
exactamente el instalado. Esto confirma la potencialidad del CED para optimizar o
reformar los equipos y estrategias de regulación en estaciones de bombeo en
funcionamiento, convenientemente instrumentadas, en que la distribución de
frecuencias de los caudales pueda muestrearse, o cuando se trate de diseñar sectores
de comportamiento semejante a sectores próximos con tal información disponible.
Cuando se usan las FDP sintéticas con la distribución de cultivos reflejada en el
Proyecto (A), alejados en tipo y porcentaje de los encontrados en la práctica, se
obtienen los resultados menos ajustados.
Una aproximación intermedia, y con un grado de ajuste que puede ser
suficiente a efectos de proyecto de nuevas redes, se encuentra al describir las
necesidades hídricas mensuales de forma más fidedigna, bien sea por una mejor
descripción de los cultivos (B) o en términos del cómputo de los volúmenes mensuales
por ha servidos en el sector (C), parámetros que en cualquier caso son mucho mas
inmediatos de obtener.
El cómputo del CES requiere postular un valor rendimiento ponderado η p (D),
que podría llegar a diferir sensiblemente de una instalación a otra, incluso dentro de
una misma zona, puesto que depende de la selección de los grupos instalados y del
tipo de regulación, y que sólo puede precisarse “a posteriori”. Para que en este caso,
el CES genere un consumo 290.545 kWh, el rendimiento equivalente que habría que
adoptar sería del 58%, mientras que los valores que suelen adoptarse en muchos
proyectos se sitúan entre el 70-80%.
Finalmente se comprueba que si bien se aprecian diferencias de consumos predichos
con diferentes CCB, dentro de la misma tipología de las bombas instaladas
11
(η max = 80%, p = 0,3 ), estas son como máximo del 4%, que en fase de proyecto
constituye un umbral satisfactorio.
4.2 INFLUENCIA DEL CÓMPUTO ENERGÉTICO EN EL DIMENSIONADO ÓPTIMO.
La comparación de los resultados del proceso de dimensionado óptimo,
mediante la búsqueda del mínimo de la suma de costes de amortización de
conducciones y costes energéticos, evaluados según métodos CES y CED 9 , para
cada
altura piezométrica de diseño en cabecera, se muestra en la Figura 9 y se resumen en
la Tabla 2.
En los dos primeros casos, (A) y (B), el cómputo de consumo energético
corresponde a la dotación de proyecto, mientras que en los dos siguientes, (C) y (D),
se ajustan al volumen consumido en el año 2003. En el CED se utiliza la FDP sintética
(B) y la FDP Experimental (D). La última columna (E) refleja la valoración de las
conducciones de la red existentes y los costes energéticos facturados en el 2003.
Se observa (Figura 9) que mediante el CED, la tendencia del crecimiento de
costes energéticos, en función de la altura de cabecera, Hd, es menos pronunciada
que la dependencia lineal del CES, por lo que los óptimos encontrados mediante el
CED se desplazan hacia valores de altura superiores.
Como hecho reseñable cabe resaltar que mediante el CED, con valores muy
distintos de volúmenes anuales y consumo energético (columnas B y D), el diseño
óptimo de la red (altura óptima de impulsión y el coste de la red) apenas se modifica.
Por tanto, los resultados de la optimización son menos sensibles a las incertidumbres
en las estimaciones del consumo de agua.
Tabla 2. Optimización para diferentes cómputos de energía..
CES*
CED (FDPs + Bs)*
CES**
CED (FDPe + Bs)**
(A)
(B)
(C)
(D)
Instalación
existente**
(E)
85
91
91
93
79
Coste de inversión (€)
549.846
520.839
520.839
517.994
737.729
Amortización anual (€)
35.197
33.340
33.340,
33.158
47.223
Coste energético anual
(€)
36.434
32.198
17.427
17.575
15.264
Coste total anual (€)
71.631
65.538
50.767
50.733
62.487
Altura de bombeo (mca)
*
**
3
Con la dotación de proyecto (5.013 m /ha y año);
3
Con el volumen medio consumido en 2003 (2.234 m /ha y año);
Este comportamiento se atribuye a la baja probabilidad de ocurrencia de los
caudales de diseño, Qd, (Figura 6) y al carácter casi plano e independiente de Hd de la
curva de consigna, HCCk, de la red de Valdega en la zona de caudales mas
9
Se utilizan bombas sintéticas adaptadas a cada punto de altura de cabecera Hd tanteado
12
frecuentes (Figura 3). Todo ello implica un consumo energético anual con una débil
dependencia de Hd
Sin embargo el consumo energético en el CES es mecánicamente proporcional
a la altura de cabecera y el volumen servido, induciendo mayores cambios en el la
altura óptima y costes de conducciones al variar los volúmenes de diseño (casos A,
C).
EVOLUCIÓN COSTES CES/CED
Coste Tuberias
80.000
Coste Bombeo C
70.000
Coste Total C
Coste anual (
60.000
50.000
Coste Bombeo A
40.000
Coste Total A
30.000
Coste Bombeo B
20.000
Coste Bombeo D
10.000
Coste Total B
0
70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94
Coste Total D
Hd (mca)
Figura 9. Optimización de la red de Valdega para diferentes cómputos de energía 10 .
5.
CONCLUSIONES
1. El cómputo del consumo energético mediante (4), CED, utilizando la FDP de la
demanda de agua en cabecera experimental, la curva de consigna y bombas
reales del sistema de riego de Valdega conduce unos resultados
suficientemente precisos, si se comparan con el consumo real facturado. Si se
considera que las pérdidas eléctricas adicionales a la potencia hidráulica son
del orden del 15%, la diferencia entre ambos valores se reduce al 3,3% (6% si
se consideran pérdidas de tan sólo 12%).
2. La estimación de FDP sintéticas para el CED, generadas en la aplicación
GESTAR v 1.5 bajo la hipótesis de una distribución normal de los consumos
mensuales, parece ser en la red de Valdega adecuada a efectos de proyecto,
siempre y cuando las demandas hídricas mensuales supuestas se ajusten a la
realidad.
3. El conocimiento de la FDP, experimental o sintética, de la demanda de agua en
cabecera y de la curva de consigna de la red permite una estimación del CED
en función del la configuración de la estación de bombeo, lo que conduce a
realizar una mejor selección de los grupos motobomba, su tamaño,
fraccionamiento y esquema de regulación.
10
Los puntos con doble marca indican punto óptimo. Al óptimo se suman 5 mca para
compensar pérdidas de carga en EB.
13
4. Para que el uso de la expresión (1), CES, genere los costes energéticos
reflejados en la facturación, el rendimiento ponderado a aplicar tendría que
tener unos valores cercanos al 60%, notablemente inferiores a los
habitualmente adoptados en los procesos de optimización. Este dato, por otro
lado, coincide con los valores obtenidos en el Proyecto de Eficiencia Energética
General5 para otras redes en Navarra con inyección directa en cabecera, por lo
que puede resultar de utilidad en para establecer comparaciones entre
alternativas de diseño en sistemas con una alternativa de cultivos muy
semejante.
5. No obstante, el valor del rendimiento ponderado adecuado para obtener
mediante CES los costes experimentales puede ser muy distinto en otras
instalaciones, y dado que constituye un único valor, sin una correlación causaefecto alguna con los múltiples factores que configuran la estructura de los
consumos energéticos, su determinación empírica no pude ser conocida sino
“a posteriori”.
6. El CED responde a los diversos factores y complejas interacciones que
configuran el gasto energético (distribución de la demanda, curva de consigna,
tipo de regulación, tipología de bombas y fraccionamiento), factores que
pueden ser aproximados “a priori” y cuyas incertidumbres se trasladan o
compensan de manera amortiguada al resultado final.
7. Aunque se ha verificado que el consumo energético evaluado mediante CES
suele generar valores superiores al evaluado mediante CED, no puede
establecerse una criterio universal, ya que el primero depende del rendimiento
ponderado que se juzgue, y el CED integra múltiples aspectos, que según la
circunstancias, una veces generarán mayores costes y otras menores que el
CES, pero que presumiblemente reflejarán una mayor aproximación a la
realidad.
8. En cualquier caso, dado que el punto de diseño óptimo de las redes con
bombeo directo no responde a los costes energéticos absolutos sino a la
tendencia del incremento de estos costes con la altura de cabecera para
el caudal punta, se infiere la mejor aproximción del CED respecto al CES en la
obtención de diseños óptimos, ya que el primero integra en su cómputo, la
múltiple variabilidad de la estructura de la demanda de energía de cualquier red
posible, mientras que el último posee una respuesta rígida y lineal que puede
estar alejada del comportamiento real.
9. Como ilustración de lo dicho, en el caso particular de la red de Valdega,
analizada y rediseñada mediante las herramientas de optimización con CED
incluidas en el paquete GESTAR en su versión 1.5, se obtiene que el CED
manifiesta escasa dependencia con la altura de diseño en cabecera, debido al
bajo peso de la energía consumida anual en el rango de los caudales de
diseño, y la presencia de hidrantes de cota alta que mantienen la curva de
consigna, en el rango de caudales medios y bajos, casi insensible a la altura de
diseño.
10. Estas herramientas ayudan además, a establecer la regulación del autómata
que comanda la Estación de Bombeo, al conocer la influencia de la elección de
una u otra curva de consigna sobre el coste real de la energía y sobre la
fiabilidad de la red para satisfacer las condiciones de servicio diseñadas.
11. Finalmente, conviene destacar la importancia de la obtención de un registro
continuo del caudal en cabecera, del cual se puede obtener una valiosa
información para posteriores proyectos e incluso para otras finalidades
relacionadas con la red de riego (i.e. elección del diámetro nominal del
caudalímetro general).
6.
AGRADECIMIENTOS
14
Los trabajos abordados por el grupo GESTAR para el cómputo de costes
energéticos han sido desarrollados bajo el convenio:” Ingeniería, análisis y gestión de
redes de riego para transformación y modernización de regadíos” suscrito entre la
Universidad de Zaragoza y el Gobierno de Aragón, Proyecto 2006/0280.
Agradecemos la colaboración de D. Alberto Serrano, alumno de doctorado de la
UZ en la confección de los cálculos de redimensionado de la red de Valdeaga.
7.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
BIBLIOGRAFÍA
Ederra Gil, I.; Larumbe Martín, P. 2006. Primera Fase del “Proyecto de eficiencia
energética en los regadíos de Navarra”. Comunicación del Congreso Nacional de
Regadíos. Pamplona.
www.gestarcad.com; Grupo GESTAR, Área de Mecánica de Fluidos.
UNIVERSIDAD DE ZARAGOZA, EPS Huesca.
Esperanza, A. (2007): “Procedimientos de Optimización del Diseño y Regulación
del Bombeo con Inyección Directa en Sistemas de Riego a Presión”. Tésis
Doctoral. Universidad de Zaragoza.
Roldán J; Pulido-Calvo; I.; López-Luque; R.; Estrada, J.C.G. (2003):”Water
Delivery System Planning, considering irrigation simultaneity” ASCE, Journal of
Irrigation and Drainage Engineering”, Vol 129, nº4, pp 247-255.
Reca, J.; López, J.: Sierra, A.; López, J.G.; Baena, L. (1998): “Predicción de
caudal en redes en cultivos intensivos”. Riegos y Drenajes XXI-1998, pp. 40-45.
15