05 julio 2013

Proyectos de riego solar competitivo



Describimos en este nuevo artículo la metodología de proyectos que venimos utilizando en www.todoproductividad.es para ejecutar este tipo de instalaciones. Estos proyectos son el resultado de seis años de investigación en planta piloto para determinar cuándo y cómo el posible aplicar el riego por goteo solar a la agricultura y diseñar aplicaciones modulares totalmente autónomas que integren energía, hidráulica y agronomía y puedan implantarse en lugares remotos donde la energía eléctrica no está accesible.

Antecedentes

El abaratamiento de la energía fotovoltaica y el avance en la automatización nos permitió hace algunos años comenzar a diseñar e implementar instalaciones de riego por goteo solar totalmente funcionales y autónomas. Estas instalaciones se han convertido ya en opciones competitivas para muchos cultivadores pero requieren un diseño cuidadoso para poder integrar energía solar, bombeo y la red de distribución de agua. Un bombeo directo y goteo por gravedad es fácil de conseguir pero esa no es la solución y por ello hubo que dedicar mucho tiempo a resolver los problemas hidráulicos que conlleva el proceso de riego por goteo si buscamos volúmenes comerciales apreciables. Tampoco es una solución el almacenamiento masivo de agua durante largos periodos ya que los costes aumentan entonces por el almacenamiento en sí mismo. La solución es disminuir al máximo o eliminar el almacenamiento de agua pero optimizar todo el proceso de forma muy cuidadosa para que no se disparen los costes del sistema de generación.  La solución pasa también por simplificar al máximo el proceso de riego aprovechando en todo los posible la facilidad que existe para bombear agua en los periodos estivales.

Pero además de agua el cultivador requiere solventar otros problemas como la distribución de la misma en los momentos precisos y además debe disponer de garantías de fiabilidad ante los posibles fallos del sistema pues el riego en su debido momento es crítico en muchos cultivos. Los sistemas eléctricos pueden dar problemas en el campo y más aún en presencia de agua por lo que fue necesario también planificar cuidadosamente la forma de resolver los problemas y el soporte post-venta.

Conseguir que el proyecto tenga un rápido retorno en la inversión es especialmente relevante, pero ya es factible en muchos escenarios como consecuencia de dos factores contrapuestos: Incremento incesante de los precios de la energía y aumento en los precios de los alimentos.

Por ahora estamos poniendo en marcha estos sistemas hasta con tres bombas con funcionalidades diferentes pero optimizando al máximo los costes de todo el sistema.

Estas instalaciones están ya operando en España y son viables cuando el agua no está demasiado profunda  (preferiblemente menos de 100 metros de profundidad) y para cultivos cuyos requerimientos en agua sean moderados (hasta 30 - 50 litros/día por árbol).

Objetivos del proyecto

El objetivo de nuestros proyectos de riego por goteo solar es la construcción de sistemas totalmente autónomo que riegan cultivos (forestales, frutales, hortícolas, praderas, etc.) utilizando exclusivamente la energía solar en el proceso de extracción y distribución aportación de agua.

Además de la extracción de agua se calcula y automatiza el diseño del riego completo para que usemos un único sistema de generación fotovoltaica previendo el reparto de agua en los emisores y la pérdida de carga en toda la red de riego.

El proyecto puede integrarse en sistemas ya existentes que estén conectados a las redes eléctricas o trabajen con generadores y sólo se pretenda poner en riego una parte de la explotación. Esta tipología de riego conforma unidades de generación híbrida cuya principal finalidad es disminuir el número de horas de encendido de grandes generadores diesel (ej. 100 KVA o más), disminuir las potencias eléctricas contratadas o disminuir el consumo eléctrico.

Metodología de cálculo

La complejidad del desarrollo de soluciones de riego solar competitiva se debe a que trabajamos con variables dinámicas que interaccionan entre sí: a) Producción de energía solar, b) Nivel dinámico del punto de captación, c) Curva de funcionamiento hidráulico de las bombas centrífugas, d) Pérdida de carga en los sistemas de distribución y e) Requerimientos hídricos de los cultivos. El correcto dimensionado de la instalación y la simplificación en la automatización son las claves del buen resultado de este tipo de proyectos.

El cálculo de los proyectos de riego por goteo solar se realiza utilizando software desarrollado al efecto que mediante cálculos iterativos optimizan la aplicación buscando la opción más competitiva. La experiencia de las instalaciones ejecutadas en distintos escenarios es también vital.  Aplicando las ecuaciones de la hidráulica se fueron perfeccionando los sistemas de bombeo y distribución que optimizaban los proyectos disminuyendo el mayor de los problemas de los equipos hidráulicos y la pérdida de carga.

El proyecto se desarrolló de forma multidisciplinar integrando disciplinas como la fotovoltaica, la generación de energía, la ingeniería eléctrica, la hidráulica de bombas y sistemas de tuberías y la agronomía.

Las variables calculadas por la aplicación son las siguientes:

Requerimientos hídricos de los cultivos
  • Determinación de las necesidades de agua en periodo de máxima demanda en las especies cultivadas.
  • Cálculo de las variaciones en requerimientos hídricos: Consideramos  tres estadios: Plantación, crecimiento y producción. De esta forma planificamos modularmente la variación de la demanda de agua según el crecimiento de las plantas.
Cálculos de captación y bombeo
  • Caudales: Estimación de caudales y consumo energético previstos.
  • Energía fotovoltaica: Cálculo del sistema fotovoltaico estimando el funcionamiento de la bomba equivalente a 10 horas de la potencia nominal durante el mes de máxima demanda.
  • Potencia eléctrica: Cálculo de la potencia eléctrica necesaria para satisfacer la demanda de agua.
Cálculo de colectores de riego, sectores y subunidades            

El cálculo del sistema de riego se realiza de forma iterativa buscando la solución con óptima  a partir de las siguientes variables:
  • Densidad de árboles/plantas por hectárea.
  • Litros de agua requeridos por cada árbol/planta en el periodo de máxima demanda.
  • Requerimientos de agua en función del crecimiento de los árboles hasta entrar en producción. Cálculo de la velocidad del agua en tuberías.
  • Cálculo de la pérdida de carga del sistema: Tuberías, válvulas, electroválvulas, accesorios y emisores.
  • Dimensionado óptimo del sistema para disminuir la pérdida de carga sin aparición de sedimentaciones.
  • Tuberías: Velocidades del agua en tuberías, cálculo de diámetros y caudales óptimos .
  • Cálculo de potencias hidráulicas y eléctricas.
  • Control y automatización del sistema para adaptarlo a la disponibilidad de energía solar.
Proyectos modulares

Para rentabilizar todo el proceso (equipamiento, instalación, logístico y obtención de agua) se han calculado proyectos modulares que permiten disminuir el coste de una instalación en su conjunto al facilitar la integración de todos los componentes. Estos proyectos pueden implantarse con mayor facilidad en proyectos internacionales y se calculan en función de radiación solar local, alturas manométricas totales y caudales.

Tipología de proyectos

El riego por goteo solar es altamente competitivo en la mayoría de los escenarios estudiados pero siempre considerando las siguientes premisas:
  • La rentabilidad en esta tipología de proyectos es muy variable según el tipo de cultivo, la radiación solar existente en la zona, la profundidad del agua y las características del sistema de bombeo y distribución de agua.
  • La mayor rentabilidad se obtiene en aquellos lugares donde se sustituyen generadores diesel por el sistema fotovoltaico. Aquí los retornos de la inversión son muy rápidos en todos los escenarios.
  • En muchas aplicaciones (en países con energía eléctrica cara como España) hemos encontrado también que estos proyectos son altamente rentable en la sustitución de algunos sistemas de riego en usuarios conectados a las redes eléctricas.
  • En los proyectos donde se requiere una gran aportación de agua (ej. 125.000 l/ha y día) y redes de riego compleja los proyectos son rentables pero requieren inversiones de capital que pueden ser rentables.
  • En cultivos que requieren una aportación de riego moderado y bajas densidades de planta por Ha las inversiones pueden ser muy pequeñas. Esto es especialmente interesante cuando las pérdidas de carga del sistema global pueden mantenerse reducidas.
  • En explotaciones de gran tamaño con diferentes tipos de cultivo el sistema se implanta modularmente de forma que se comienza por la aplicación en aquellas partes de la explotación donde la energía solar es más competitiva. Se montan por tanto sistemas híbridos con otros elementos de generación de energía.
  • En aquellas explotaciones en las que el agua es crítica el montaje de sistemas híbridos permite disponer además de un sistema de emergencia alternativo.
Destacamos también que en todos los proyectos son importantes los cálculos hidráulicos para evitar problemas con las pérdidas de carga que originarán un excesivo consumo energético.

Solicitud de presupuesto on-line

Si eres cultivador y deseas implementar un proyecto de riego por goteo solar podemos ayudarte a estimar los costes iniciales del proyecto. Para ello cumplimenta el siguiente formulario decontacto y calcularemos las necesidades de la aplicación prevista (entrar en Solicitud de Presupuesto Riego por Goteo).

Comercialización

En los proyecto de riego por goteo solar estamos obteniendo excelentes resultados, pero son proyectos complejos incluso desde la fase de toma de datos y de presupuesto inicial. Es por ello que por el momento los comercializamos únicamente en aquellas regiones donde se dispone de de un adecuado apoyo local debidamente capacitado (ver política de partners). Las regiones de comercialización son fundamentalmente sur y centro de España.

Ya se han iniciado también las primeras experiencias internacionales pero por ahora tienen carácter de ensayos piloto y formación del soporte local.
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