20 julio 2014

Proyectos de riego solar

Riego de invernaderos con energía solar  para cultivo del clavel


Proyectos de riego por goteo solar

El abaratamiento de los módulos fotovoltaicos y los avances en la automatización nos permitió en 2008 comenzar a diseñar e implementar instalaciones de riego por goteo solar totalmente funcionales y autónomas. Con el paso del tiempo se han ido ejecutando muchas instalaciones, cada vez más complejas, y se ha ganado una valiosa y necesaria experiencia para implementar con buenos resultados este tipo de proyectos.

Según nuestros estudios el riego solar se ha convertido ya en la opción energética más competitiva en los países donde el coste de la energía eléctrica es más elevado y en todos los casos en las instalaciones que actualmente funcionan con generador. 

El tamaño de las bombas ya no es un obstáculo y la rentabilidad aumenta notablemente conforme lo hace la potencia del bombeo. Es decir, según nuestros estudios, en los grandes sistemas de bombeo la energía solar fotovoltaica es especialmente rentable. Otra cosa es que estos proyectos requieren inversiones cuantiosas y en tecnologías aún poco probadas como la que nos ocupa

Los mayores problemas de estos diseños no proceden de la energía solar, sino de los sistemas hidráulicos y de la necesidad de diseñar sistemas multimotóricos cuando aumenta el tamaño de la explotación. Es por ello que el dominio perfecto de las bombas centrífugas y de los sistemas de distribución de agua son necesarios para conseguir optimizar el rendimiento del sistema construido.

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 más eficiente pasa por disminuir al máximo o eliminar el almacenamiento de agua pero optimizar todo el proceso de distribución de agua 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. Para optimizar el coste energético debemos evitar usar presiones excesivas, es decir, tendremos que ajustar al máximo la presión del sistema.

Instalación típica de riego por goteo de olivar

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.

Muchas de estas instalaciones están ya operando en España y son más sencillas 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). Las diferencias en las pendientes de las zonas de cultivo son también factores a considerar.

 Objetivos del proyecto

El objetivo de nuestros proyectos de riego por goteo solar es la construcción de sistemas totalmente autónomos que riegan cultivos (forestales, frutales, hortícolas, praderas, etc.) utilizando exclusivamente la energía solar. Las instalaciones abarcan los procesos de captación y distribución de agua a los emisores.

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 incluso entre distintas bombas 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 y el consumo de energía eléctrica. En los sistemas existentes la única dificultad adicional es que deberemos considerar una mayor variabilidad en los resultados obtenidos.

Metodología de cálculo

La complejidad del desarrollo de soluciones de riego solar competitivas 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.

Los proyectos de riego por goteo solar cuando alcanzan cierta complejidad deben estar muy bien equilibrados para no necesitar sobredimensionar la instalación fotovoltaica. Si el sistema hidráulico no está perfectamente calculado y equilibrado podemos vernos obligados a sobredimensionar la instalación final. Lo mismo ocurre con el proceso de producción de energía eléctrica, debe estar bien diseñado en función de las características de las bombas.

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, 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.

El proyecto modular supone que una aplicación puede ir creciendo con gran facilidad a partir de una configuración base. Para ello es muy importante prever inicialmente como será el crecimiento futuro de la instalación y la posible implantación de sistemas multimotores (bombas de abonado, bombas en paralelo, bombas de presión, etc.)

Tipología de proyectos

El riego por goteo solar es altamente competitivo en la mayoría de los escenarios estudiados pero siempre considerando las siguientes premisas:
  • Diferencias entre bombeos: La rentabilidad de los proyectos de riego por goteo solar 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. Esto supone que según nuestra experiencia una bomba de un determinado tamaño proporcionará agua para distinto número de goteros según la explotación. Las diferencias pueden ser muy grandes.
  • Sustitución de generadores diésel: La mayor rentabilidad se obtiene en aquellos lugares donde se sustituyen generadores diésel por el sistema fotovoltaico. Aquí los retornos de la inversión son muy rápidos en todos los escenarios, hemos encontrado retornos de un año en los casos más favorables. A nuestro parecer la desaparición de los generadores utilizados para riego no es más que cuestión de tiempo pues son tecnologías obsoletas que resultan mucho más costosas que el riego solar.
  • Sustitución de bombas conectados a redes públicas: 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. Desde la subida del término de potencia un 62 % en agosto del 2013 el riego ha sido muy perjudicado porque el usuario se ve obligado a pagar todo el año unos costes excesivos de potencia.
  • Grandes caudales: En los proyectos donde se requiere una gran aportación de agua (ej. 125.000 l/ha y día) y redes de riego complejas la energía solar es más rentable aún, pero se requieren inversiones de capital que pueden ser importantes. En estos proyectos se reutilizan las bombas existentes.
  • Cultivos poco exigentes en riego: En cultivos que requieren una aportación de riego moderada 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.
  • Sistemas híbridos: 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 de caídas en los caudales.

Instalación típica de riego solar en viñedos

 Aplicaciones multimotóricas

Una vez resueltas las aplicaciones más sencillas se inició el desarrollo de sistemas más complejos que permitiesen gestionar otras aplicaciones exigidas por la agricultura. De especial interés fue el trabajo en el desarrollo de aplicaciones multimotóricas diseñadas para poder integrar la solución fotovoltaica de una forma más flexible en las instalaciones de cierta complejidad. En estas aplicaciones usamos:

Sistemas centralizados para varios pozos: La escasez de agua hace que en muchos lugares sea necesario recurrir a varios pozos para suministrar agua a un mismo cultivo. Nuestros diseños centralizados permiten gestionar varios pozos simultáneamente en distancias de hasta 1.000 metros. Esto permite ahorrar costes al gestionar con un único sistema fotovoltaico todas las unidades de bombeo de la finca con un sistema altamente flexible que se adaptará a los cambios futuros de la explotación.

Control en cascada: En muchas explotaciones es necesario un control de la presión bastante fiable para conseguir distribuir uniformemente el caudal, los goteros autocompensantes no son suficientes. En este caso nuestros diseños trabajan mediante control en cascada de varias bombas. Esta estrategia consiste en la operación de control de varias bombas en paralelo, lo que permite obtener aplicaciones de sistemas de control de presión constante, de nivel constante, y de caudal constante. El sistema se encarga de mantener una presión, nivel o caudal predefinido en forma automática.

Telecontrol: La necesidad de optimizar al máximo la energía nos llevó al desarrollo de soluciones de telecontrol y supervisión personalizadas para el sistema de riego por goteo solar. Desde un teléfono móvil controlamos y supervisamos todo el sistema.

9.000 puntos de goteo simultáneo en cada uno de 7 invernaderos 
Otras aplicaciones exitosas del riego solar - Aspersores

Además del riego por goteo solar hemos realizado otras aplicaciones diversas que gestionan agua con energía fotovoltaica. Una de las más exitosas ha sido el cultivo de alfalfa (Medicago Sativa). Los altos requerimientos hídricos de la especie hacen que en el cultivo de alfalfa se tienda a escatimar agua disminuyendo la producción. En nuestros proyectos de riego solar con aspersores la abundancia de agua genera un crecimiento espectacular.

Cultivo de la alfalfa utilizando aspersores movidos con energía fotovoltaica.

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 de contacto y calcularemos las necesidades de la aplicación prevista (entrar en Solicitud de Presupuesto Riego por Goteo).

Información complementaria sobre los kits que comercializamos puede encontrarse en todoproductividad.es.


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