Dimensionado de estaciones de bombeo para regadío

Como ya indicaba en el último post “optimización de los equipos de bombeo”  tradicionalmente se han dimensionado los equipos de bombeo a partir de las necesidades de caudal y presión para una situación o escenario determinados. Por un lado,  el caudal punta de la red a la demanda, cuando cada regante gestiona libremente el tiempo de riego de su hidrante, se suele calcular por medio de la metodología de los caudales de Clement , a partir de las necesidades de agua de la alternativa de cultivos, entre otras consideraciones.

La presión que debe suministrar el sistema es la que el proyectista considere suficiente para que la totalidad de los hidrantes o un porcentaje elevado de los mismos dispongan de la presión de consigna o superior.

Sin embargo, la aparición de aplicaciones informáticas permite optimizar el dimensionado de las estaciones de bombeo y de las redes de riego. Ya sea por medio de hojas Excel (sólo para redes de riego sencillas y con pocos hidrantes) o software específico como es GESTAR los procedimientos de optimización determinan el mínimo coste total anual del sistema,  entendiendo 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, al aumentar la altura disponible en cabecera, Hd, para el caudal de diseño Qd, existe una relación inversa entre el coste energético (creciente) y el coste de las conducciones de la red (decreciente), como se ilustra en la Figura 1. (Curva del coste anual total del sistema en función de la altura piezométrica disponible en cabecera, Hd , suma de los costes de amortización anual de las tuberías instaladas (CAT) y el coste de la energía (CE) necesaria al año). En el conjunto del coste energético, el término de energía (producto de la energía consumida (kWh) por el precio medio (€/kwh)) es el de mayor peso en las facturas eléctricas anuales según el sistema de tarificación vigente.

La curva de amortización de los materiales nos lleva a valores decrecientes conforme los diámetros de las tuberías son menores.  Todo lo contrario de lo que ocurre con la energía que debe suministrar el sistema para alcanzar la  presión de consigna por medio de una red de tuberías con diámetros menores  (y por tanto más económica).

Así pues, se trata de encontrar el mínimo punto de la curva de amortización de los materiales y de los costes energéticos.

Total annual cost vs available head pressure

Como sugiere la Figura, para una misma curva de coste de amortización de las tuberías (CAT) en función de la altura nominal de disponible en cabecera (Hd), las distintas evaluaciones que se puedan realizar de los costes energéticos anuales (CE1, CE2) en función de diferentes metodologías o tarifas aplicadas, conducen a distintos “diseños óptimos” (Hd1 , Hd2 ). Por tanto la cuantificación realista de los costes energéticos es de interés desde las primeras etapas del proyecto.

Según los últimos datos facilitados por la Oficina del regante de Aragón la modificación de los precios de las tarifas eléctricas va a suponer desde el mes de agosto de 2.013, un aumento entre el 10 y el 30% para la mayoría de comunidades de regantes. Por lo tanto conviene ser prudente a la hora de estimar los costes anuales del sistema y de su impacto en la decisión del punto de mínimo coste anual.

Para la optimización de los equipos de bombeo en regadíos conviene recordar que  la necesidad de altura en cabecera no es constante en el tiempo para una red de riego a la demanda. Debemos cambiar el caudal de cabecera de la red calculado por Clement por una nube de puntos que representan diferentes relaciones caudal y presión en cabecera.

He recogido de la publicación “mejoras en la predicción de costes de energía” presentada en el Congreso Nacional de Regadíos (España) por el equipo de investigación de GESTAR, la siguiente figura:

head pressure heights required vs flow

En la cual se ilustra para una red de riego real la nube de alturas requeridas en cabecera, remarcándose la altura máxima y mínima. Para cada caudal tenemos un amplio rango de presiones requeridas que el sistema debe ser capaz de suministrar si bien debemos de ser capaces de discriminar los valores que no van a ser representativos. Por medio de herramientas específicas podemos generar miles de escenarios aleatorios que nos ayudaran a discriminar las situaciones “excepcionales” y podemos ajustar la potencia de la estación.

La buena noticia es que disponemos de herramientas para modelar de manera muy sencilla, a la par que rigurosa, el comportamiento completo de una estación de bombeo  directo con cualquier tipo de regulación siguiendo una curva de consigna mediante una, o varias, bombas de velocidad variable (o bien siguiendo la curva neta de altura de impulsión de la asociación en paralelo, si todos los grupos son de velocidad fija). Para ello, basta con interpretar el conjunto de la estación de bombeo  como una Bomba Virtual cuyas curvas Altura de Elevación y Potencia Absorbida (o Rendimiento) vs Caudal Neto sean precisamente las Curvas de Operación de la estación de bombeo, es decir la Curva de Consigna impuesta a la EB, y la de Potencia Absorbida Total en función de Caudal Neto, para la composición y tipo de regulación empleada.

Es conveniente que el modelo de simulación permita configurar y comparar ágil y flexiblemente cualquier diseño de estación de bombeo, ofreciendo la opción de composiciones

con números arbitrarios de bombas de RPM constantes (BVF) y de RPM variables (BVV), de igual o diferente tamaño, pudiendo considerar, en el caso de que haya varias BVV, la actuación

de los variadores de forma secuencial (una BVV regulando la presión en cada momento) o simultáneamente (dos BVV regulando simultáneamente con la misma velocidad de giro), ya

que, como ilustra la Figura 13, los resultados en términos de rendimiento, potencia consumida, etc puede diferir notoriamente de unas opciones a otras.

Performance vs Flow

FIGURA 13. Curvas de rendimiento total obtenidas para una Estación de Bombeo según el diseño inicial y mejoras modificando los parámetros de regulación

Optimización de los equipos de bombeo

Regulacion estacion bombeo

El procedimiento más habitual para dimensionar una estación de bombeo para una obra de regadío es el siguiente:

Determinar el caudal punta para la situación más desfavorable que coicide con el mes de máximas necesidades hídricas  de los cultivos.

Determinar el punto más desfavorable respecto a las necesidades de presión, suele ser el punto más lejano de la estación de bombeo, el más elevado o las dos cosas a la vez.

Buscar los equipos motobomba que nos dan un buen resultado en cuanto a rendimiento para la situación combinada de máximo caudal y máxima presión, eso sí, fraccionándolos para poder trabajar de  forma escalonada en función de la demanda.

Y para acabar, calcular la potencia entrando en la fórmula

2-7-2013 8.7.3 2

Sin embargo esta no es la solución más eficiente.

En primer lugar, aun estando el sistema funcionando para el 100 % de la superficie, las demandas cambian para diferentes meses, en función de los cultivos y de sus necesidades. El sistema, diseñado para la situación más desfavorable,  va a estar funcionando en un régimen para el que no lo hemos diseñado y con un rendimiento inferior al previsto (y mayores costes energéticos).

El bombeo tiene que adaptarse y ser flexible a la demanda.  Y no sólo eso, un buen diseño además supone que tiene que funcionar al máximo rendimiento en todos los casos.

Resulta que el escenario en el que aparece el caudal punta para el que hemos diseñado la estación va aparecer sólo unos días a lo largo del año.

Además el sistema no entra en funcionamiento al 100 % desde el primer día. La superficie puede ser transformada a lo largo de varios años. Otra vez nos encontramos que el punto de funcionamiento óptimo no va a ser el mismo y esto puede ocurrir durante años.

Por ejemplo, en  estos años nos encontramos que el ritmo de modernización de las parcelas se ha ralentizado pues ha aumentado el número de solicitudes para las ayudas oficiales para la mejora de las explotaciones y la administración (al menos en la Comunidad de Aragón) está dilatando la aprobación de estas ayudas.

Así pues es de fundamental importancia calcular la curva de demanda (o de consigna)  y posteriormente elegir la curva de los equipos de bombeo y de la estación en su conjunto que se adapte a la curva de demanda con el mejor rendimiento.

Otras pautas de optimización de los bombeos pasan por organizar los turnos de bombeo para conseguir alturas homogéneas y funcionamiento optimizado en las franjas de tarifa más económica.

Otro aspecto fundamental que se debe de tener muy en cuenta es el mantenimiento adecuado de los equipos de bombeo con sus correspondientes protocolos y la figura del personal de mantenimiento es fundamental.

Una vez que las instalaciones de bombeo ya están ejecutadas y en funcionamiento es también muy recomendable la realización de auditorías energéticas y de funcionamiento de los equipos. Estas auditorías permiten identificar mejoras en la gestión y en los equipos que pueden llevar asociadas importantes ahorros económicos.

Nota: la imagen de cabecera está tomada de la presentación de las Jornadas Técnicas impartidas por el grupo GESTAR en la EUPSH en junio de 2.013

Gestionar la energía, clave de la eficiencia energética

Boletin eficiencia energeticaLa Oficina del Regante de Aragón en su misión de  mejorar la formación de regantes,  gestores de comunidades de regantes, ingenieros y demás personal vinculado al mundo del riego publica este mes el número 29 de su boletín. En este último número del boletín de la Oficina del Regante de Aragón, presenta dos artículos centrados en la eficiencia energética.  Por un lado trata la gestión de la energía y por otro desarrolla la interesante experiencia, llevada a cabo por la misma Oficina del Regante, en riego por goteo en cultivos extensivos, concretamente en la finca experimental de La Alfranca en Zaragoza. En este segundo caso entiendo el ahorro en energía como consecuencia del ahorro en el volumen de agua aportado y por tanto disminución de consumo energético en los bombeos.

En los números anteriores 23 (eficiencia del riego en el uso del agua) ó 26 (variadores de velocidad y eficiencia energética) el boletín ya dedicó sus páginas al cada vez más importante tema de  la eficiencia energética.

También en el número 24 describía en otro artículo la red de estaciones meteorológicas que la Oficina gestiona. La red de estaciones metereológicas persigue una gestión óptima del agua de riego,  por lo que también tiene una incidencia directa sobre la eficiencia energética, pues muchos regadíos se gestionan mediante bombeos.

El primero de los artículos de este último número es una compilación de los post que han ido apareciendo en este blog tocando los temas de eficiencia energética (o ahorro energético) en todos los procesos como uno de los aspectos más importantes para conseguir explotaciones viables y rentables.

Los costes de explotación dependientes de la energía han  ido aumentando de manera constante durante los últimos años.  Por otro lado, el mercado eléctrico también ha sido objeto de cambios normativos que afectan a la contratación, por un lado, y al dimensionado y gestión de las instalaciones.

Conviene establecer objetivos respecto al consumo de energía y hacer un seguimiento de estos objetivos, así como analizar costes energéticos comprobando la facturación respecto a los objetivos establecidos y que no hay errores en la facturación, excesos de potencia,  energía reactiva,…

Una vez que tenemos todos nuestros procesos analizados de forma pormenorizada y optimizados es el momento de pasar a estudiar la posibilidad de aprovechar los equipos electrónicos para conseguir ahorro energético: variadores de velocidad, baterías de condensadores,… En este caso cabe la posibilidad de acogerse a ayudas y subvenciones relacionadas con el Ahorro y Eficiencia  energética.

Agradezco  a la Oficina del Regante la difusión de los contenidos publicados en el blog y les felicito por el trabajo de formación en el sector del regadío que están desarrollando.

Cinco aplicaciones para una gestión eficiente de las explotaciones agrarias en regadío (2ª parte)

Después de escribir sobre bynse y gestar en el post anterior nos quedan  tres aplicaciones para gestionar explotaciones de regadío,  Se trata de ECH2OSYSTEM, iRiego/SEGAR y la navegación por satélite RTK.

ECH2OSYSTEM  es una solución integrada que proporciona recomendaciones de riego en tiempo real, basadas en la monitorización de la humedad del suelo y la evaluación de los datos obtenidos.  El objetivo final  es un Riego Eficiente y Sostenible, que maximice la rentabilidad de la explotación al optimizar el uso de agua, energía y fertilizantes y la dosis y frecuencia de riego a nivel de parcela, para el máximo aprovechamiento por la planta y mínimas pérdidas por percolación y/o escorrentía, entre otros.

El sistema consiste en un punto de Control, que es la unidad básica para la monitorización de la humedad del suelo, compuesto por sondas de humedad, dataloggers (para el almacenamiento de datos, transferibles fácilmente a un ordenador / PDA con frecuencias de registro de hasta 1 minuto) y software que transforma  los registros almacenados en el datalogger en datos y gráficas fácilmente interpretables.

El Punto de Control es instalable en cualquier punto de la finca, no interfiere en otros sistemas de monitoreo existentes. La información se descarga directamente en el ordenador, sin necesidad de desplazarnos al campo (vía Internet, radio, telefonía móvil).

También se puede ampliar la red de sensores con una serie de sensores auxiliares compatibles con la tecnología ECH2O: medidores de Tª y HR, Tª del suelo, radiación solar, pluviómetros, anemómetros, así como caudalímetros y transductores de presión.

iRiego/SEGAR (Sistema eficiente de gestión del agua de regadío) proporciona todas las herramientas necesarias para gestionar una Comunidad de Regantes.

Su objetivo es ahorrar agua (y por tanto energía en el caso de que se necesiten impulsiones) organizando los riegos teniendo en cuenta que una de las principales decisiones del regadío es como realizar la organización de los riegos. Esta decisión marcará la forma de operar de toda la campaña de riego, los comportamientos a seguir por los regantes y los ahorros energéticos pretendidos.

SEGAR dispone de distintas opciones de organización de riegos:

Riego por petición, todos los riegos serán programados a partir de solicitudes de riego por parte de los regantes en función de sus necesidades. El sistema ubica los riegos en los mejores momentos en función de la carga de la red de riego y de los periodos horarios de coste de energía.

Este modelo de organización de riegos es el más eficiente tanto energéticamente como en ahorro de agua ya que en función de las peticiones se optimiza el funcionamiento de las estaciones de bombeo.

Riego por vez, Se programan unos turnos para cada parcela donde el agricultor puede solicitar el riego. Se trata de un turno donde poder realizar las peticiones y donde la decisión de hacerlo o no está de parte del regante.

Riego por turnos, a principio de campaña se realiza una división por turnos de manera que a cada parcela se le asigna un turno donde pueda realizar el riego. El sistema genera las aperturas y cierres de cada uno de los turnos y el riego se realizará automáticamente en su turno. Este modelo no es tan eficiente energéticamente ni ahorra agua debido a que no tiene en cuenta inclemencias de tiempo y puede que haya riegos que no se lleven a cabo o riegos que se ejecuten sin ser necesario.

Destacaría la opción de simulaciones de diferentes situaciones de riego, con objeto de obtener una previsión de consumos eléctricos. Antes de dar por definitiva una situación de riegos una simulación de la situación permite evaluar los costes eléctricos así como las situaciones de presión y caudal para conseguir dar ese riego en las mejores condiciones de presión-caudal y al precio más económico. Esto permite maximizar los ahorros y tomar decisiones de modificación de escenarios por otro más aconsejable

Terminamos con una aplicación de la que ya hablamos en otros posts Riego por goteo en cultivos extensivos (2ª parte) y   “Navegación por satélite RTK. La precisión sostenible y rentable” que empieza a utilizarse para compaginar labores culturales con el mantenimiento de los ramales portagoteros y evitar así las labores de extendido y recogida de laterales portagoteros.

La maquinaria equipada con GPS y tecnología RTK de alta precisión permite compaginar las labores con la preservación de los ramales de goteo y puede llegar a permitir la realización de labores agrícolas sin necesidad de retirar y extender los ramales. Además la agricultura de precisión lleva asociados ahorros de combustible, insumos y minimiza el efecto de compactación del perfil del suelo.

Seguramente podemos añadir otras aplicaciones y conocer tu experiencia en este campo, te animo a compartirla con nosotros, aprendemos juntos…

Un saludo.

Jesús.

Cinco aplicaciones para una gestión eficiente de las explotaciones agrarias en regadío. 1ª parte

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Paso a paso se van abriendo camino soluciones innovadoras que aprovechan  las nuevas tecnologías aplicadas a la agricultura y que permiten gestionar eficientemente las explotaciones en regadío. Buenas noticias, pues sin duda es un terreno donde tenemos mucho por andar y por tanto por mejorar.

Tomar este camino va a exigir un compromiso por la mejora continua y la profesionalización del sector y seguramente un camino sin retorno que permitirá a las explotaciones diferenciarse, ser más competitivas y eficientes.

Sin ir más lejos, ayer leía un artículo sobre bynse la primera solución Big Data del mundo para la agricultura que permite analizar en tiempo real  las necesidades actuales y futuras de los cultivos.

La tecnología Big Data es, en el sector de tecnologías de la información y la comunicación, una referencia a los sistemas que manipulan grandes conjuntos de datos (o data sets).

La solución bynse está compuesta por un innovador sistema de sensorización de microclimas, denominado bynsebox, empleado para la recogida de datos en campo, y el servicio de información en la nube bynsecloud, encargado de procesar y mostrar la información a los usuarios.

Las bynsebox son unidades sensoras autónomas que recogen datos de los diferentes micro climas que posee una finca o parcela. Gracias a su compatibilidad de sensores, pueden medir hasta 14 parámetros diferentes de importancia para las necesidades del cultivo que se envían a través de telefonía móvil.

Todos estos datos se procesan mediante algoritmos y modelos con tecnología Big Data, dando como resultado, por ejemplo, predicciones sobre las necesidades hídricas exactas de cada microclima, los riesgos de padecer enfermedades o plagas, y el crecimiento de cada uno de los cultivos.

Una aplicación muy interesante para ahorrar agua conociendo en todo momento el estado fenológico del cultivo y la disponibilidad de agua en el suelo.

La segunda aplicación nos será muy util si nos hacemos algunas de las siguientes preguntas ¿Es posible reducir los costes de inversión y energéticos de un determinado diseño o ampliación?. ¿Cómo aumentar la eficacia de la distribución en una red existente? ¿Cuál es el causa de las disfunciones encontradas y cómo resolverlas? ¿Cuál es la mejor composición de la estación de bombeo y aquilatar los costes de bombeo? Seguramente podemos encontrar respuestas utilizando el software Gestar.

GESTAR constituye un paso adelante en las herramientas de ingeniería hidráulica para el diseño, ejecución y gestión de redes a presión orientadas al riego.

Dispone de un sofisticado, a la par que sencillo de usar, conjunto de herramientas y módulos que permiten la configuración óptima de estaciones de bombeo y su regulación, y el analisis energético detallado subsiguiente, gracias a algoritmos innovadores que suministran una modelización fiable, robusta y sencilla.

Permite minimizar los consumos energéticos mediante reorganización de las programaciones de riego, respetando las restricciones hidráulicas de la red y las demandas de los usuarios y modificando dinámicamente las presiones suministradas por las estaciones de bombeo. Estos resultados están también disponibles para integración en el SCADA de cualquier sistema de Telecontrol

Otimiza la regulación de la estación de bombeo adaptando en tiempo real y de forma dinámica las consignas de bombeo según la configuración instantánea de la demanda.

Permite  una gestión flexible con criterios dinámicos constantemente adaptados al estado concreto de demanda. A la vez es capaz de realizar una organización racional de la demanda de agua para evitar colapsos en el sistema.

En la próxima entrega escribo sobre otras tres aplicaciones similares a bynse y gestar.

Un saludo.

Jesús.