(GRUNDFOS, 2015) Proyecto Fin de Carrera...

(GRUNDFOS, 2015)

Autor: Irene Navalón Burgos

Director: Markus Pfänder

Tutor: Manuel Antonio Silva Pérez

Estudio de optimización de un sistema energético

para riego en zonas aisladas

Dep. de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Industrial

Estudio de optimización de un sistema energético híbrido para riego en zonas aisladas

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Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Industrial

Estudio de optimización de un sistema energético

para riego en zonas aisladas

Autor:

Irene Navalón Burgos

Director: Markus Pfänder

Tutor: Manuel Antonio Silva Pérez

Dep. de Ingeniería Energética

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2015


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Índice de contenidos 1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN ............................................................................................13

1.1 Justificación y motivación del proyecto ...................................................................13

1.2 Objetivo ..................................................................................................................13

1.3 Condiciones de partida ...........................................................................................14

1.4 Herramientas usadas .............................................................................................17

2 CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE ........................................................................................19

2.1 Agrónomo ..............................................................................................................19

2.1.1 Necesidad hídrica ...........................................................................................19

2.1.2 Suelos .............................................................................................................20

2.1.3 Riego por goteo ...............................................................................................22

2.1.4 Riego por pívot ................................................................................................24

2.2 Sistema hidráulico ..................................................................................................25

2.2.1 Goteo ..............................................................................................................25

2.2.2 Pívot ................................................................................................................26

2.2.3 Bomba ............................................................................................................29

2.2.4 Estudio generalizado sobre el número de bombas en uso frente al precio ......30

2.3 Tecnologías de generación de energía ..................................................................34

2.3.1 Energía fotovoltaica ........................................................................................34

2.3.2 Generación diésel ...........................................................................................35

2.3.3 Aerogeneradores ............................................................................................36

2.3.4 Electrónica de potencia ...................................................................................36

2.4 Tecnologías de almacenamiento de energía ..........................................................37

2.4.1 Características técnicas de las baterías de Ion-Litio ........................................38

3 Capítulo 3: METODOLOGÍA Y OPTIMIZACIÓN ......................................................................41

3.1 Metodología usada .................................................................................................41

3.1.1 Definición del resultado óptimo e hipótesis ......................................................41

3.1.2 Metodología para llegar al óptimo ...................................................................41

3.1.3 Estudio de sensibilidad ....................................................................................45

3.2 Necesidad hídrica para la época más desfavorable ...............................................45

3.2.1 Algodón ...........................................................................................................45

3.2.2 Trigo ................................................................................................................48

3.2.3 Maíz ................................................................................................................49

3.3 Demanda energética ..............................................................................................50

3.3.1 Goteo ..............................................................................................................50

3.3.2 Pívot ................................................................................................................59

3.4 Optimización sistema energético ............................................................................63

3.4.1 Diseño de la planta híbrida para goteo subterráneo ........................................63

3.4.2 Diseño de la planta híbrida para pívot .............................................................68

3.4.3 Balance económico .........................................................................................71


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4 CAPÍTULO 4: ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD ............................................................................79

4.1 Riego por goteo subterráneo sin restricción de caudal en el pozo ..........................79

4.1.1 Diseño del sistema de riego ............................................................................79

4.1.2 Optimización sistema energético .....................................................................83

4.1.3 Balance económico .........................................................................................87

4.2 Precio del combustible ...........................................................................................88

4.3 Precio de la red eléctrica ........................................................................................91

4.4 Nivel del recurso renovable ....................................................................................94

5 CAPÍTULO 5: CONCLUSIÓN ...............................................................................................96

6 REFERENCIAS .................................................................................................................98

1 ANEXO ........................................................................................................................... 1

1.1 RESULTADOS DE CROPWAT ............................................................................... 1

1.1.1 ALGODÓN ....................................................................................................... 2

1.1.2 TRIGO ............................................................................................................. 5

1.1.3 MAÍZ ................................................................................................................ 7

1.2 RESULTADOS DE LA DEMANDA ENERGÉTICA PARA GOTEO SUBTERRÁNEO 8

1.2.1 RESULTADOS AQUAFLOW ............................................................................ 9

1.3 RESULTADOS DE LA DEMANDA ENERGÉTICA PARA PÍVOT ...........................17

1.4 RESULTADOS DE LA OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA ENERGÉTICO .................26

1.5 RESULTADOS DEL BALANCE ECONÓMICO ......................................................27

1.5.1 Goteo subterráneo ..........................................................................................27

1.5.2 Pívot ................................................................................................................29

1.6 ANEXO DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD ..........................................................31

1.6.1 Resultados del cálculo de riego por goteo sin restricción de caudal ................31

1.6.2 Nivel de recurso renovable ..............................................................................43

1.7 DEFINICIÓN DEL COSTE DE ENERGÍA (LCOE) ..................................................43

1.8 EQUIPOS ...............................................................................................................45

1.8.1 Baterías...........................................................................................................45

1.8.2 Inversor ...........................................................................................................46

1.9 PROGRAMAS ........................................................................................................49

1.9.1 AQUAFLOW ...................................................................................................49

1.9.2 HOMER PRO ..................................................................................................50

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Relación de ilustraciones Ilustración 1. Fenología del algodón .....................................................................................15 Ilustración 2. Fenología del trigo ...........................................................................................16 Ilustración 3. Fenología del maíz de segunda ......................................................................16 Ilustración 4. Esquema simplificado de la evapotranspiración ..............................................19 Ilustración 5. Detalle de una cinta de goteo (Toro Irrigation, 2014) .......................................22 Ilustración 6. Imagen aérea de riego con pívot en Quines, Argentina (Google Earth) ...........24 Ilustración 7. Equipos de filtrado para el riego por goteo ......................................................25 Ilustración 8. Esquema de tuberías de goteo ........................................................................26 Ilustración 9. Detalle de un pívot central ...............................................................................26 Ilustración 10. Velocidad de la última torre (TRAXCO, (Última visita agosto 2015)) .............28 Ilustración 11. Duración de una vuelta según la posición del selector (TRAXCO, (Última visita agosto 2015)) ..............................................................................................................28 Ilustración 12. Pluviometría en una vuelta según posición del selector (TRAXCO, (Última visita agosto 2015)) ..............................................................................................................29 Ilustración 13. Intervalos comunes donde se aplica cada tipo de bomba solar .....................29 Ilustración 14. Modelos de bombas sumergibles (GRUNDFOS [Online], Último acceso Julio 2015) ....................................................................................................................................30 Ilustración 15. Producción fotovoltaica en un día de Enero (150 kWp) .................................31 Ilustración 16. Curva de funcionamiento de la bomba frente a la producción .......................31 Ilustración 17. Curva de funcionamiento de dos bombas frente a la producción ...................32 Ilustración 18. Curva de funcionamiento de tres bombas frente a la producción...................32 Ilustración 19. Tendencia del precio y la energía aprovechada al aumentar el número de bombas ................................................................................................................................33 Ilustración 20. Radiación global y difusa en La Libertad, Argentina ......................................35 Ilustración 21. Curvas de descarga típicas de una batería de plomo en función del C-Rate (Battery University, (Última visita julio 2015)) .......................................................................39 Ilustración 22. Vida de la batería en función de la profundidad de descarga (Saft, 2013) .....40 Ilustración 23. Metodología de cálculo de la necesidad hídrica ............................................42 Ilustración 24. Metodología de cálculo de la red de goteo subterráneo ................................42 Ilustración 25. Necesidad hídrica mensual del algodón ........................................................46 Ilustración 26. Requerimientos de agua según estado fenológico del algodón (Valley, (Última visita agosto 2015)) ..............................................................................................................47 Ilustración 27. Necesidad hídrica mensual del trigo ..............................................................48 Ilustración 28. Necesidad hídrica mensual del maíz .............................................................49 Ilustración 29. Diseño del lateral de goteo con AquaFlow .....................................................52 Ilustración 30. Diseño del manifold con AquaFlow ................................................................52 Ilustración 31. Diagrama de uniformidad del sistema de riego por goteo ..............................53 Ilustración 32. Esquema del área tomada como unidad de demanda energética .................55 Ilustración 33. Curva de la bomba y punto de funcionamiento de la instalación (GRUNDFOS [Online], Último acceso Julio 2015) ......................................................................................58 Ilustración 34. Demanda horaria de un día tipo en enero por hectárea .................................59 Ilustración 35. Demanda de energía mensual por hectárea ..................................................59 Ilustración 36. Duración de una vuelta según la posición del selector (TRAXCO, (Última visita agosto 2015)) ..............................................................................................................60 Ilustración 37. Pluviometría en una vuelta según posición del selector (TRAXCO, (Última visita agosto 2015)) ..............................................................................................................61 Ilustración 38. Unidad de cultivo a la que suministra energía una planta híbrida ..................62 Ilustración 39. Demanda mensual por hectárea de los 4 pívots ............................................63 Ilustración 40. Demanda horaria de cuatro pívots en un día tipo de enero ...........................63 Ilustración 41. Eficiencia del generador diésel ......................................................................64 Ilustración 42. Evolución del coste de energía y la penetración renovable frente al tamaño de la planta ...............................................................................................................................66 Ilustración 43. Evolución del coste de energía frente a la penetración renovable .................66 Ilustración 44. Demanda frente a la producción de potencia fotovoltaica en un día ..............67


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Ilustración 45. Reparto de costes de capital para goteo .......................................................67 Ilustración 46. Eficiencia del generador diésel ......................................................................68 Ilustración 47. Evolución del coste de energía y la penetración renovable frente al tamaño de la planta ...............................................................................................................................70 Ilustración 48. Evolución del coste de energía frente a la penetración renovable .................70 Ilustración 49. Demanda frente a la producción de potencia fotovoltaica en un día ..............71 Ilustración 50. Reparto de costes de capital para pívot ........................................................71 Ilustración 51. Coste mensual de la red eléctrica ..................................................................73 Ilustración 52. Reparto lineal de costes para goteo ..............................................................75 Ilustración 53. Coste mensual de la red eléctrica ..................................................................76 Ilustración 54. Reparto lineal de costes para pívot ...............................................................78 Ilustración 55. Diseño del lateral de goteo con AquaFlow .....................................................79 Ilustración 56. Diseño del manifold con AquaFlow ................................................................80 Ilustración 57. Diagrama de uniformidad del sistema de riego por goteo ..............................80 Ilustración 58. Demanda horaria de un día tipo en enero por hectárea .................................82 Ilustración 59. Comparativa de energía al mes por hectárea ................................................83 Ilustración 60. Eficiencia del generador diésel ......................................................................84 Ilustración 61. Evolución del coste de energía y la penetración renovable frente al tamaño de la planta ...............................................................................................................................85 Ilustración 62. Evolución del coste de energía frente a la penetración renovable .................86 Ilustración 63. Demanda frente a la producción de potencia fotovoltaica en un día tipo .......87 Ilustración 64. Reparto de costes de capital para goteo sin restricción .................................87 Ilustración 65. Reparto lineal de costes ................................................................................88 Ilustración 66. Evolución de variables económicas frente al coste del diésel (goteo) ............89 Ilustración 67. Evolución de variables económicas frente al coste del diésel (pívot) .............89 Ilustración 68. Evolución de variables económicas frente al coste del diésel (goteo sin restricción de caudal) ...........................................................................................................90 Ilustración 69. Influencia del coste del combustible en los distintos sistemas .......................90 Ilustración 70. Evolución del sobrecoste del terreno conectado a la red para goteo .............92 Ilustración 71. Evolución del sobrecoste del terreno conectado a la red para pívot ..............93 Ilustración 72. Evolución del sobrecoste del terreno conectado a la red para goteo sin restricción de caudal ............................................................................................................93 Ilustración 73. Coste de la energía para el pívot en función del nivel de viento ....................95 Ilustración 74. Coste del terreno en diferentes países (Savills World Research, 2014) ........96 Ilustración 75. Evapotranspiración de referencia ................................................................... 1 Ilustración 76. Precipitación efectiva ...................................................................................... 1 Ilustración 77. Etapas del cultivo ........................................................................................... 2 Ilustración 78. Propiedades del suelo .................................................................................... 2 Ilustración 79. Cálculo de la evapotranspiración .................................................................... 3 Ilustración 80. Necesidad hídrica por etapa ........................................................................... 4 Ilustración 81. Necesidad hídrica mensual ............................................................................ 4 Ilustración 82. Necesidad hídrica mensual con baja velocidad del viento .............................. 5 Ilustración 83. Etapas del cultivo ........................................................................................... 5 Ilustración 84. Cálculo de la evapotranspiración .................................................................... 6 Ilustración 85. Necesidad hídrica mensual ............................................................................ 7 Ilustración 86. Etapas del cultivo ........................................................................................... 7 Ilustración 87. Cálculo de la evapotranspiración .................................................................... 8 Ilustración 88. Necesidad hídrica mensual ............................................................................ 8 Ilustración 89. Diseño del lateral de goteo con AquaFlow ...................................................... 9 Ilustración 90. Diseño del manifold con AquaFlow ................................................................10 Ilustración 91. Evolución del caudal de un gotero .................................................................10 Ilustración 92. Evolución de la presión en un lateral .............................................................10 Ilustración 93. Evolución de la velocidad en un lateral ..........................................................11 Ilustración 94. Desnivel del lateral ........................................................................................11 Ilustración 95. Evolución de la presión en la tubería principal ...............................................11 Ilustración 96. Desnivel de la tubería principal ......................................................................12

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Ilustración 97. Diagrama de uniformidad del sistema de riego por goteo ..............................12 Ilustración 98. Consumo total anual calculado en una unidad del sistema híbrido (240 ha) ..16 Ilustración 99. Captura de Homer Pro con la demanda mes a mes del goteo .......................16 Ilustración 100. Demanda horaria por hectárea de cuatro pívots en un día tipo de enero .....21 Ilustración 101. Demanda de los 4 pívots todas las horas del año .......................................22 Ilustración 102. Demanda horaria completa de los cuatro pívots un día tipo al mes .............23 Ilustración 103. Demanda mensual por hectárea de los 4 pívots ..........................................24 Ilustración 104. Captura de Homer Pro con el perfil de demanda mes a mes para pívot ......25 Ilustración 105. Reparto lineal de costes ..............................................................................28 Ilustración 106. Reparto lineal de costes para pívot .............................................................30 Ilustración 107. Diseño del lateral de goteo con AquaFlow ...................................................31 Ilustración 108. Diseño del manifold con AquaFlow ..............................................................32 Ilustración 109. Evolución del caudal de un gotero ...............................................................32 Ilustración 110. Evolución de la presión en un lateral ...........................................................32 Ilustración 111. Evolución de la velocidad en un lateral ........................................................33 Ilustración 112. Desnivel de un lateral ..................................................................................33 Ilustración 113. Evolución de la presión en la tubería principal .............................................33 Ilustración 114. Evolución de la velocidad en la tubería principal .........................................34 Ilustración 115. Desnivel de la tubería principal ....................................................................34 Ilustración 116. Diagrama de uniformidad del sistema de riego por goteo ............................34 Ilustración 117. Consumo total anual calculado en una unidad del sistema híbrido (240 ha) 37 Ilustración 118. Evolución del coste de energía y la penetración renovable frente al tamaño de la planta ...........................................................................................................................38 Ilustración 119. Evolución del coste de energía frente a la penetración renovable ...............39 Ilustración 120. Coste mensual de la red eléctrica ................................................................40 Ilustración 121. Reparto lineal de costes para goteo sin restricción ......................................42 Ilustración 122. Unifilar de la conexión de los inversores ......................................................46


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Relación de tablas Tabla 1. Media de la radiación global horizontal [kW/m2/día] ................................................14 Tabla 2. Media de la temperatura del aire a 10 m sobre la superficie (ºC) ............................14 Tabla 3. Media de la velocidad del viento a 50 m sobre la superficie de la tierra (m/s) .........14 Tabla 4. . Media de la velocidad del viento a 10 m sobre la superficie de la tierra (m/s) .......14 Tabla 5. Precipitación media (mm/día) .................................................................................14 Tabla 6. Media mensual de la humedad relativa (%) ............................................................15 Tabla 7. Rotación y fecha de siembra aproximada ...............................................................16 Tabla 8. Necesidad hídrica en el periodo crítico de campaña ...............................................17 Tabla 9. Datos de uso del cliente .........................................................................................17 Tabla 10. Datos de potencia del cliente ................................................................................17 Tabla 11. Eficiencia según el tipo de riego ...........................................................................20 Tabla 12. Valores típicos y rango de variación de CC, PMP, HA, para suelos de diferentes clases texturales...................................................................................................................21 Tabla 13. Velocidad de infiltración en diferentes suelos .......................................................21 Tabla 14. Capacidad de almacenamiento de agua según la pendiente ................................22 Tabla 15. Clasificación del viento para cultivos ....................................................................27 Tabla 16. Precio de compra de cada bomba del ejemplo usado (GRUNDFOS, 2015) .........32 Tabla 17. Energía producida y aprovechada por las bombas ...............................................33 Tabla 18. Propiedades del módulo JKM300P .......................................................................35 Tabla 19. Características técnicas de la batería seleccionada (Saft, 2013) ..........................39 Tabla 20. Distancia entre laterales según tipo de suelo ........................................................50 Tabla 21. Pluviometría orientativa según el caudal permitido y la distancia entre laterales 50 Tabla 22. Demanda horaria del algodón 1 ............................................................................55 Tabla 23. Demanda horaria del algodón 2 ............................................................................55 Tabla 24. Demanda horaria del trigo 1 .................................................................................56 Tabla 25. Demanda horaria del trigo 2 .................................................................................56 Tabla 26. Demanda horaria del maíz ....................................................................................56 Tabla 27. Tuberías principales .............................................................................................57 Tabla 28. Elementos con pérdida de carga ..........................................................................57 Tabla 29. Pérdida de carga del sistema de riego por goteo ..................................................57 Tabla 30. Coste instalación fotovoltaica ...............................................................................64 Tabla 31. Características del generador ...............................................................................64 Tabla 32. Características de las baterías .............................................................................65 Tabla 33. Características del inversor para almacenamiento................................................65 Tabla 34. Coste adicional (transformador, cables, etc.) ........................................................65 Tabla 35. Características de la planta híbrida óptima ...........................................................66 Tabla 36. Costes de la planta híbrida óptima ........................................................................67 Tabla 37. Coste instalación fotovoltaica ...............................................................................68 Tabla 38. Características del generador ...............................................................................68 Tabla 39. Características de las baterías .............................................................................69 Tabla 40. Características del inversor para almacenamiento................................................69 Tabla 41. Coste adicional (transformador, cables, etc.) ........................................................69 Tabla 42. Características de la planta híbrida .......................................................................70 Tabla 43. Costes de la planta híbrida ...................................................................................70 Tabla 44. Coste específico promedio de la electricidad en La Rioja .....................................73 Tabla 45. Coste promedio de instalación de la red desde nuestro terreno hasta la toma más cercana de la red eléctrica ...................................................................................................75 Tabla 46. Análisis del coste inicial del proyecto conectado a red ..........................................75 Tabla 47. Coste específico promedio de la electricidad en La Rioja .....................................76 Tabla 48. Coste promedio de instalación de la red desde nuestro terreno hasta la toma más cercana de la red eléctrica ...................................................................................................78 Tabla 49. Análisis del coste inicial del proyecto conectado a red ..........................................78 Tabla 50. Demanda horaria del algodón 1/2 .........................................................................81 Tabla 51. Demanda horaria del algodón 2/2 .........................................................................81

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Tabla 52. Demanda horaria del trigo 1/2 ..............................................................................81 Tabla 53. Demanda horaria del trigo 2/2 ..............................................................................81 Tabla 54. Demanda horaria del maíz ....................................................................................82 Tabla 55. Coste instalación fotovoltaica ...............................................................................83 Tabla 56. Características del generador ...............................................................................84 Tabla 57. Características de las baterías .............................................................................84 Tabla 58. Características del inversor ..................................................................................85 Tabla 59. Coste adicional (transformador, cables, etc.) ........................................................85 Tabla 60. Características de la planta híbrida .......................................................................86 Tabla 61. Costes de la planta híbrida ...................................................................................86 Tabla 62. Análisis del coste inicial del proyecto conectado a red ..........................................87 Tabla 63. Características del aerogenerador ........................................................................94 Tabla 64. Separación entre laterales según el tipo de suelo .................................................. 8 Tabla 65. Tasa de aplicación según el caudal máximo que lleva un lateral ........................... 9 Tabla 66. Tubería principal que sale del pozo ......................................................................13 Tabla 67. Elementos con pérdida de carga ..........................................................................13 Tabla 68. Pérdida de carga del sistema de riego por goteo ..................................................13 Tabla 69. Demanda horaria del terreno con algodón a lo largo de un año ............................14 Tabla 70. Demanda horaria del terreno con maíz y trigo a lo largo de un año ......................14 Tabla 71. Demanda horaria para 240 hectáreas (unidad del sistema híbrido) ......................14 Tabla 72. Horas de riego para cubrir la demanda diaria para algodón ..................................17 Tabla 73. Horas de riego para cubrir la demanda diaria para trigo .......................................17 Tabla 74. Horas de riego para cubrir la demanda diaria para maíz ......................................17 Tabla 75. Vueltas a máxima velocidad al mes para cubrir la demanda mensual para algodón .............................................................................................................................................18 Tabla 76. Vueltas a máxima velocidad al mes para cubrir la demanda mensual para trigo ..18 Tabla 77. Vueltas a máxima velocidad al mes para cubrir la demanda mensual para maíz ..19 Tabla 78. Demanda para días tipo .......................................................................................20 Tabla 79. Selección tamaño óptimo para goteo ....................................................................26 Tabla 80. Selección tamaño óptimo para pívot .....................................................................26 Tabla 81. Coste mensual de la red eléctrica goteo ...............................................................27 Tabla 82. Coste anual de la red eléctrica goteo ....................................................................27 Tabla 83. Coste anual del sistema híbrido para goteo ..........................................................27 Tabla 84. Balance de rentabilidad ........................................................................................27 Tabla 85. Balance de rentabilidad para goteo subterráneo ...................................................27 Tabla 86. Condición para que el sistema híbrido sea rentable para goteo ............................27 Tabla 87. Valores detallados del reparto del coste inicial de la red para goteo .....................28 Tabla 88. Coste mensual de la red eléctrica pívot ................................................................29 Tabla 89. Coste anual de la red eléctrica pívot .....................................................................29 Tabla 90. Coste anual del sistema híbrido para pívot ...........................................................29 Tabla 91. Balance de rentabilidad para pívot ........................................................................29 Tabla 92. Condición para que el sistema híbrido sea rentable para pívot .............................29 Tabla 93. Relación entre la distancia a la red y el sobrecoste del terreno para pívot ............30 Tabla 94. Demanda horaria del terreno a lo largo del primer año de rotación .......................36 Tabla 95. Demanda horaria del terreno a lo largo del segundo año de rotación ...................36 Tabla 96. Demanda horaria del para 240 hectáreas (unidad del sistema híbrido) ................36 Tabla 97. Selección tamaño óptimo para goteo ....................................................................38 Tabla 98. Coste específico promedio de la electricidad en La Rioja .....................................39 Tabla 99. Coste mensual de la red eléctrica .........................................................................39 Tabla 100. Coste promedio de instalación de la red desde nuestro terreno hasta la toma más cercana de la red eléctrica ...................................................................................................41 Tabla 101. Análisis del coste inicial del proyecto conectado a red ........................................41 Tabla 102. Reparto de costes para goteo sin restricción ......................................................42 Tabla 103. Soluciones óptimas según el nivel de viento .......................................................43 Tabla 104. Datos técnicos de las baterías simuladas ...........................................................45 Tabla 105. Datos técnicos del inversor .................................................................................47


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Tabla 106. Datos técnicos de inversores stand-alone (1/2) ..................................................48 Tabla 107. Datos técnicos de inversores stand-alone (2/2) ..................................................49

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1 CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN

1.1 Justificación y motivación del proyecto

La creciente demanda energética va a necesitar un incremento tanto de los puntos de generación de energía eléctrica como de las líneas de transporte y distribución. Sin embargo, mantener el actual sistema centralizado conlleva un conjunto de graves problemas de tipo económico y medioambiental, generándose, así mismo, multitud de puntos en los que el suministro de energía eléctrica no cumple con las garantías de calidad y seguridad adecuadas. Esta circunstancia se da fundamentalmente en las denominadas redes débiles y en redes saturadas. Otro de los defectos del sistema tradicional de red eléctrica es que se generan multitud de zonas sin interconectar a la red, que utilizan grupos electrógenos para conseguir suministro eléctrico. La mayor parte de estos puntos se sitúan en entornos rurales, en pequeñas ciudades y en polígonos industriales.

La extracción del agua desde captaciones subterráneas o superficiales, junto con la aplicación de la presión necesaria para el riego, supone un gran gasto de energía y un coste cada vez mayor para los cultivos.

La localización de cultivos en estas zonas rurales aisladas en Argentina puede ser atractiva debido a que el precio del terreno suele ser considerablemente menor que los conectados a la red eléctrica, pero al mismo tiempo puede acarrear problemas de inestabilidad en el bombeo de agua para riego. El uso de energías provenientes de combustibles fósiles es, en esos casos, el más ampliamente difundido para la extracción y traslado del líquido hasta los lugares de almacenamiento y consumo. Lo anterior implica por lo general costos de operación y mantenimiento sumamente altos. Por otra parte, conectar una zona aislada a la red eléctrica cada día es menos ventajoso debido al alto coste de instalación y a las subidas de la factura eléctrica que se prevén en Argentina.

Así, buscaremos en este proyecto la optimización de un sistema aislado de la red apoyado en la generación de energía renovable para solventar los problemas asociados al coste del terreno, a los costes de operación y mantenimiento de la generación diésel, a una posible subida del precio de la red eléctrica argentina y a los problemas propios de estabilidad en sistemas aislados derivados de redes débiles o sobrecargadas.

La generación de energía renovable proporciona una integración muy satisfactoria cuando la demanda proviene de un sistema de riego, ya que el bombeo de agua tendrá una demanda aproximadamente conocida y el horario de riego se podrá centrar en horas de máxima generación, salvando en parte la problemática de las fluctuaciones de los recursos naturales.

1.2 Objetivo

Dimensionar y optimizar un sistema híbrido de generación de energía técnica y económicamente factible para riego en zonas aisladas.

Para ello, analizaremos las necesidades de potencia y tiempo de funcionamiento del grupo de bombeo de agua y simularemos distintas configuraciones de los elementos del sistema híbrido que proporcionará la energía suficiente para dicho bombeo.

El estudio está enfocado para contribuir a la rentabilidad de la agricultura en Argentina, donde existen terrenos aislados de la red a bajo precio. De la misma forma, es también objeto diseñar una red estable que supere los problemas asociados de las redes débiles y aisladas.


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1.3 Condiciones de partida

En primer lugar, se realizará un estudio concreto para un caso base, con las condiciones de partida definidas por el cliente para una potencial explotación agropecuaria en una zona aislada de la red en Argentina.

En el Capítulo 4 se hará un estudio de sensibilidad para observar los resultados para distintos precios de combustible y para localizaciones con recursos distintos.

1. Localización:

Establecimiento La Libertad, Paraje El Calden, La Rioja, Argentina. La localización tomada

como referencia para los datos climáticos tiene una latitud de S 31°51’40,32’’ y una longitud

de W 65°53’48,72’’.

2. Datos climáticos útiles en las simulaciones:

(NASA [Online], Último acceso julio 2015)

Tabla 1. Media de la radiación global horizontal [kW/m2/día]

Mes Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Media anual

Media de 22 años

7.54 6.68 5.36 4.18 3.22 2.8 3.16 4.13 5.41 6.54 7.38 7.76 5.34

Tabla 2. Media de la temperatura del aire a 10 m sobre la superficie (ºC)


Media de 22 años

24.5 23.5 21.2 17.1 13.6 11 9.97 12.8 15.9 19.6 21.8 23.8 17.9

Mín. 18.7 17.8 16.4 12.3 8.96 6.15 4.96 7.64 10.4 14.4 16.3 18.1 12.6

Máx. 29.8 28.7 25.9 22 18.6 16.4 15.2 18.6 21.2 24.6 27 28.9 23

Tabla 3. Media de la velocidad del viento a 50 m sobre la superficie de la tierra (m/s)


Media de 10 años

6 4.84 4.9 4.93 5 4.92 5.21 5.25 5.68 5.71 5.65 5.12 5.16

Tabla 4. . Media de la velocidad del viento a 10 m sobre la superficie de la tierra (m/s)


Media de 10 años

3.82 3.92 3.89 4.00 3.89 4.12 4.15 4.49 4.57 4.52 4.10 4.19 3.82

Tabla 5. Precipitación media (mm/día)


Media de 22 años

3.58 3.27 2.81 1.47 0.63 0.31 0.46 0.33 0.72 1.53 2.4 3.39 1.73

15

Tabla 6. Media mensual de la humedad relativa (%)


Media de 22 años

50.8 51.6 59.4 58.3 56.2 53.4 50.7 44.7 41.3 44.2 46.8 49.5 50.6

3. Tipo de suelo de la zona: Franco Areno Limoso 4. Se tendrán en cuenta solo métodos de riego eficientes para ahorrar agua y por tanto,

energía. Planteamos el riego mediante pívot central, ya que es el método de riego más extendido en la zona y el riego por goteo subterráneo por su alta eficiencia.

5. Se harán dos estudios paralelos: o Cuatro pívots de 65 hectáreas cada uno y distinta rotación. Cuando dos de

ellos tienen algodón, los otros tendrán trigo y maíz y viceversa. o Varios sectores con goteo subterráneo que suman 240 hectáreas, divididos

en dos de forma que cuando en 120 hectáreas hay algodón en las otras 120 habrá trigo y maíz y al terminar la temporada se intercambian.

6. La toma de agua será un pozo a 80 m de distancia del sistema de riego, con 30 m de profundidad y una capacidad de 280 m3/h. Valores coherentes para la provincia de La Rioja, Argentina. (Instituto Nacional del Agua y del Ambiente de Argentina (INA), 2000). Además, existe una limitación legislada de distancia entre pozos de aproximadamente 1 kilómetro. Es importante realizar un estudio previo de la capacidad de agua del manantial del que se va a bombear para prever la situación de la bomba y que no trabaje en vacío.

7. Los cultivos que regará nuestro sistema serán algodón, trigo y maíz de segunda. Pueden observarse a continuación la fenología de cada uno de ellos y sus periodos críticos en Argentina:

(Oficina de Riesgo Agropecuario [Online], Último acceso agosto 2015)

Ilustración 1. Fenología del algodón


16

Ilustración 2. Fenología del trigo

Ilustración 3. Fenología del maíz de segunda

8. Rotación de los cultivos: el 50 % de la superficie será algodón y el 50 % restante trigo y maíz de segunda.

Tabla 7. Rotación y fecha de siembra aproximada

Cultivos Verano Otoño Invierno Primavera

Algodón x 6/04

15/10

Trigo

20/06 2/12

Maíz 2° 30/12 15/05

9. Necesidad hídrica en el periodo crítico y de campaña:

17

Tabla 8. Necesidad hídrica en el periodo crítico de campaña

Cultivos Necesidad en el periodo

crítico Necesidad en toda la

campaña

Algodón 8 mm/día 650 mm/campaña

Trigo 8 mm/día 620 mm/campaña

Soja de segunda

8 mm/día 450 mm/campaña

Maíz de segunda

8 mm/día 480 mm/campaña

10. Calendario de riego usado por la empresa:

Tabla 9. Datos de uso del cliente

Número de riegos al mes Cultivo recién plantado: 20 riegos de 10 h Cultivo en mitad de ciclo: 20 riegos de 21 h Cultivo en el periodo crítico: 28 riegos de 23 h

Preferencia de horario de riego

Verano: de 18:00 a 12:00 h - total18 h Invierno: de 9:00 a 19:00 h – total 10 h Resto del año: 24 h

Diferencia de riego entre estaciones

Otoño: 8% Invierno: 20% Primavera: 30% Verano: 42%

Variabilidad admitida Verano: nula o muy baja 7% Primavera: 15% Otoño e invierno: 30%

Comentarios: En Verano se busca evitar las horas de calor para mejorar la eficiencia de riego, pero se complica por la alta demanda de agua, lo cual lleva a usar los equipos prácticamente las 24 h del día.

11. Potencia usada por la empresa para regar con un pívot:

Tabla 10. Datos de potencia del cliente

Potencia requerida por la bomba 125 HP/93.21 kW

Potencia requerida por los motores que mueven el pívot

7 HP/5.22 kW

Área barrida 65 ha

Torre central desplazable No

Número de círculos que sirve la misma torre central 1

1.4 Herramientas usadas

Programas:

CropWat 8.0: cálculo de los requerimientos hídricos del cultivo y de riego, basado en características del suelo, del clima y del cultivo. Creado por la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO).


18

Toro AquaFlow 4.0: herramienta online de Toro para el diseño de una red de riego por goteo.

Homer Pro Microgrid Analysis Tool 3.1.2.: modelado y optimización tecno-económica para sistemas de potencia distribuida. Descripción detallada en el Anexo.

Grundfos Product Center: herramienta online para dimensionamiento inicial (https://product-selection.grundfos.com/#Dimension.%20r%C3%A1pido?qcid=11928526).

https://product-selection.grundfos.com/#Dimension.%20r%C3%A1pido?qcid=11928526

https://product-selection.grundfos.com/#Dimension.%20r%C3%A1pido?qcid=11928526

19

2 CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE

2.1 Agrónomo

El objetivo central de un proyecto de riego es satisfacer, en el momento adecuado y en la cantidad necesaria, los requerimientos de agua de los cultivos de los cuales dependen directamente las dimensiones de las obras de riego, por lo tanto, una subestimación o sobreestimación de las mismas, incide directamente en el dimensionamiento y consecuentemente en su costo.

2.1.1 Necesidad hídrica

La determinación de dichos requerimientos de agua conlleva definir los siguientes parámetros:

La evapotranspiración es la combinación de dos procesos, la evaporación y la transpiración. Suele expresarse en milímetros de altura de agua evapotranspirada en cada día (mm/día) y es una cantidad que variará según el clima y el cultivo. Un milímetro de agua evapotranspirada es igual a un litro por cada metro cuadrado de terreno. El sistema de riego debe ser capaz de proporcionar esa cantidad de agua.

Ilustración 4. Esquema simplificado de la evapotranspiración

La evapotranspiración de referencia (ETo): es un concepto establecido para indicar la cantidad de agua que se transfiere a la atmósfera de un suelo permanentemente húmedo, cubierto por un cultivo de referencia.

La evapotranspiración potencial (ETp): es la evapotranspiración de un cultivo en función de su grado de desarrollo vegetativo y bajo condiciones de disponibilidad suficiente de agua. En términos simples significa las necesidades hídricas potenciales de un cultivo y por tanto, depende además de los factores ambientales, de las características genéticas del cultivo (follaje, raíces, estructura estomática, etc.).

La determinación de ETp, por su dependencia de los factores biológicos, es más compleja que la determinación de la ETo, por lo que para su estimación es necesario relacionar la variación de ETo durante el período de desarrollo del cultivo con mediciones de ETp. Las relaciones obtenidas se denominan “coeficientes de cultivo” (Kc). Dado que es muy difícil determinar teóricamente las relaciones entre ETo y ETp de cada cultivo, éstas se han obtenido mediante mediciones experimentales. Los coeficientes de cultivo (Kc) son definidos por la siguiente expresión:


20

ETo

ETpKc

La evapotranspiración real de los cultivos (ETr) depende, además de los factores anteriores, de las condiciones de humedad del suelo, siendo éstas difíciles de determinar en el tiempo. Por tales razones, con fines de diseño se utiliza la ETp.

En algunas regiones la aportación de la lluvia al requerimiento de agua de los cultivos es importante, por lo que a la diferencia entre las necesidades hídricas de los cultivos (ETp) menos la precipitación efectiva se le conoce como necesidad de riego de los cultivos. La precipitación efectiva depende de los siguientes factores: precipitación, intensidad de la precipitación, velocidad de infiltración del suelo, condiciones de humedad del suelo en el momento de la lluvia y capacidad de almacenamiento del suelo.

PeETpNRC

El intervalo de riego (Ir) se define como el número de días entre dos riegos consecutivos y está determinado por los siguientes factores: suelo, cultivo, tasa evapotranspirativa, precipitación efectiva, profundidad del suelo o profundidad de las raíces.

Existen pérdidas en la aplicación atribuibles generalmente al sistema y método de riego. Eficiencia de aplicación de los principales sistemas de riego:

(WWF, 2005)

Tabla 11. Eficiencia según el tipo de riego

Tipo de riego

Eficiencia (%)

Goteo 85 - 95

Pívot 80 - 90

Surco 55 - 70

De manera general, para elaborar un programa de riego se sigue el procedimiento siguiente:

Determinación de las fechas de siembra y cosecha para definir el periodo de desarrollo del cultivo.

Subdivisión del ciclo vegetativo en las fases fenológicas típicas del cultivo. Cálculo de la ETo en función del clima y las necesidades hídricas y la ETp

correspondiente de acuerdo a los “Kc” de cada período.

(Universidad Autónoma de Sinaloa, 2000)

2.1.2 Suelos

Se dice que un suelo está saturado cuando todos sus poros están llenos de agua. Si se permite que un suelo saturado drene libremente se dice que el suelo está a capacidad de campo.

Esta situación es muy favorable para desarrollar los cultivos, que encuentran en el suelo agua abundante retenida, con una energía que es fácilmente superada por la de succión de las raíces, al mismo tiempo que el suelo está lo suficientemente aireado para que la respiración radicular sea posible.

21

El contenido de agua puede descender por debajo de la capacidad de campo por el efecto de la evaporación y la transpiración de las plantas. La película que rodea a las partículas se hace cada vez más fina. Y a medida que el contenido de agua disminuye, se hace más difícil la absorción de agua por las raíces, hasta que alcanza un estado denominado punto de marchitamiento, que se caracteriza porque las plantas absorben el agua del suelo con mucha dificultad y experimentan marchitez irreversible.

La capacidad de campo y el punto de marchitez determinan los límites máximo y mínimo de la humedad del suelo que puede ser utilizada por los cultivos. La cantidad de agua comprendida entre estos dos valores se define como agua útil o humedad disponible.

(NUTRITERRA, 2005)

Tabla 12. Valores típicos y rango de variación de CC, PMP, HA, para suelos de diferentes clases texturales

Textura del suelo

Densidad aparente (g/cm^3)

CC (%) PMP (%)

HA (CC – PMP)

Gravimétrico (%)

Altura del agua aprovechable

(mm/m del suelo) (%)

Arenoso 1.65 (1.55-18) 9 (6-12) 4 (2-6) 5 (4-6) 80 (60-100)

Franco arenoso

1.5 (1.4-1.6) 14 (10-18) 6 (4-8) 8 (6-8) 120 (90-150)

Franco 1.4 (1.35-1.5) 22 (18-26) 10 (8-12) 12 (10-14) 170 (140-200)

Franco arcilloso

1.33 (1.3-1.4) 27 (23-31) 13 (11-15) 14 (12-16) 190 (160-220)

Arcillo arenoso

1.3 (1.25-1.35) 31 (27-35) 15 (27-35) 16 (13-17) 210 (180-230)

Arcilloso 1.25 (1.2-1.3) 35 (31-39) 17 (15-19) 18 (16-20) 230 (200-250)

CC: Capacidad de campo PMP: Punto de marchitamiento permanente HA: Humedad aprovechable

La velocidad de infiltración nos da la capacidad del suelo de absorber agua. Al principio (cuando el suelo está más seco) la velocidad de penetración en el suelo es más rápida pero si seguimos aportando agua, llega un momento en que esta velocidad es más o menos constante. A esta velocidad se la conoce como velocidad de infiltración.

Tabla 13. Velocidad de infiltración en diferentes suelos

Textura del suelo Velocidad de infiltración

(mm/h)

Muy arenoso 20-25

Arenoso 15-20

Limo arenoso 10-15

Limo arcilloso 8-10

Arcilloso < 8


22

La capacidad de almacenar agua en la superficie sin que haya escorrentía dependerá de la pendiente

Tabla 14. Capacidad de almacenamiento de agua según la pendiente

Pendiente (%) Cap. Almacenamiento (mm)

0-1 12,7

1-3 7,6

3-5 2,5

(TRAXCO, (Última visita agosto 2015))

Habrá que mantener la humedad del suelo en un punto tal que permita una alta transpiración a la planta. Una vez agotada la humedad convenida, restituir el nivel de humedad establecido como límite superior (generalmente la humedad a capacidad de campo) mediante el riego. Eso significa que habrá que variar el intervalo según las épocas del año. Normalmente esta frecuencia es de 1 para los días cálidos de verano, y de 2 a 3 días en el resto del año, no siendo conveniente espaciar más tiempo los riegos, excepto en caso de lluvias abundantes, que mantienen el terreno húmedo.

2.1.3 Riego por goteo

Desde el surgimiento de la técnica de riego por goteo se ha comprobado su idoneidad y sus ventajas, principalmente en el ahorro de agua y fertilizantes. Se ha pasado de goteros basados en el enrollamiento de microtubos en la tubería a goteros autocompensantes y con sistemas antisucción de reducido tamaño insertados dentro de la tubería. Estas mejoras han permitido la posibilidad de efectuar el riego por goteo enterrado o subterráneo, el cual incrementa el ahorro de agua a la vez que suma otras ventajas de interés.

Ilustración 5. Detalle de una cinta de goteo (Toro Irrigation, 2014)

El sistema de riego por goteo subterráneo, es una técnica de riego especializada donde los componentes del sistema se instalan por debajo de la tierra. Consta de una red de líneas laterales (ya sea cinta de riego o manguera con goteros) y de líneas secundarias (tanto de suministro como de lavado), las cuales se entierran para su uso continuo durante años. El sistema es actualmente utilizado en todo el mundo en una amplia gama de cultivos de cereales, forraje y fibra incluyendo alfalfa, maíz, algodón, soya, caña de azúcar, entre muchos otros. Además de la cinta de riego por goteo, la lateral con gotero de pastilla, es también comúnmente utilizada en sistemas de riego subterráneo.

(Toro Irrigation, 2014)

Ventajas del riego por goteo subterráneo:

Mayor ahorro de agua. Disminuye o evita la pérdida de agua por evaporación superficial, evita escorrentía y se consigue mayor uniformidad de riego.

Disminuye la presencia de malezas al no mojar la superficie del terreno.

23

Mejora la nutrición de la planta. Se administra el agua y los nutrientes directamente al sistema radicular, especialmente aquellos que son poco móviles en el suelo como el K y el P. Permite el ahorro de fertilizantes.

Permite la utilización de aguas recicladas. Evita las limitaciones que impone la calidad ambiental y sanitaria en cultivos que no está permitido regar por encima de la superficie.

Reduce la presencia de enfermedades y plagas ya que reduce la humedad en el tallo y las hojas de las plantas.

Evita los daños que producen roedores y pájaros en el sistema. Ahorra los días de trabajo. Según el cultivo, los laterales no deben tenderse ni

recogerse cada año. Permite el laboreo sin obstáculos. Evita los riesgos por vandalismo. En jardinería, permite regar a cualquier hora y no mojar zonas de paso.

Inconvenientes del riego por goteo subterráneo:

No permite la inspección visual. Se puede solucionar con una buena distribución de contadores de agua o medidores de presión.

Posible penetración de raíces en los goteros que producen obturaciones. Actualmente algunas gamas de goteros disponen de sistemas físicos que lo evitan.

Absorción de partículas de tierra en los goteros y su obturación. Existen sistemas antisucción.

Daños en los laterales producidos por insectos. Estos daños también se pueden dar en laterales superficiales.

Dificultades para realizar reparaciones en las tuberías enterradas. Por ello se debe efectuar la instalación con las máximas garantías.

Se debe tener en cuenta el riego en la etapa de germinación si el cultivo lo requiere.

Ejemplos de profundidad de enterrado:

Caña de azúcar: entre 25 y 30 cm. de profundidad. Rotación de cultivos (algodón, maíz o tomate industrial): entre 40 y 50 cm. Forrajeras: entre 30 y 40 cm. Especias y hortalizas de raíces profundas: entre 25 y 30 cm. Patatas y hortalizas de raíces superficiales: entre 5 y 10 cm. (con retirado de los

laterales al final del ciclo).

(Regaber, 2006)

Para el caso de riego por goteo el tiempo de riego dependerá de las necesidades de cultivo, del caudal del emisor y la dosis de riego a aplicar. Al estar referida la dosis de riego a altura de agua en mm, habrá que determinar el volumen de agua que se aplica en la zona humedecida. Dividiendo por el caudal del gotero en unidades de l/h obtenemos la duración del riego en horas:


24

De donde se puede también despejar el caudal mínimo que deberán suministrar los goteros para poder responder a las necesidades del cultivo.

Es particularmente importante en las grandes instalaciones que, de acuerdo con las necesidades del cultivo, puede dividirse la instalación en varios sectores de riego simultáneo que permitirán abaratar el coste de la misma.

El número de sectores o turnos de riego que se adoptaran dependerán, por tanto, en gran parte del horario de riego disponible, y será:

(Fernández, 2013)

2.1.4 Riego por pívot

El pívot recibe su nombre por su movimiento circular alrededor de un punto central, sobre el que pivota. Es uno de los sistemas más eficientes para regar y para inyectar fertilizantes líquidos. Su capacidad para regar tanto en terrenos ondulados como llanos, convierten al pívot central en un sistema muy significativo en la agricultura, desde la invención del tractor.

Ilustración 6. Imagen aérea de riego con pívot en Quines, Argentina (Google Earth)

Puntos clave del pívot central:

Pirámide del pívot: es la estructura central alrededor de la cual gira todo el sistema. Normalmente tiene cuatro patas que están fijadas a unos cimientos (en los sistemas remolcables dispone de ruedas que permiten su transporte fácilmente por el campo). El agua entra por la base del pívot y continúa a través del tubo de subida y del codo giratorio.

Articulación flexible del pívot: esta opción aporta flexibilidad entre el centro del pívot y el primer tramo.

Tramos: el agua que sale del codo giratorio circula a lo largo de una serie de tramos, cada uno de los cuales tiene una unidad motriz para mover el pívot central alrededor del campo. Los tramos, arqueados, están compuestos por una tubería principal, tirantes y estructuras en forma de V.

http://www.traxco.es/blog/pivotes-de-riego/cuanto-cuesta-un-sistema-de-riego-pivot

25

Aplicación de agua: la característica más importante del pívot central son los métodos para la aplicación de agua. Los emisores de riego van instalados a lo largo de su tubería principal, y el diámetro de sus boquillas varía según se alejan del punto pivotante. El pívot central consigue una gran uniformidad de riego, siempre que la carta de aspersión esté debidamente calculada.

Los emisores de riego se pueden colocar por encima o por debajo de la tubería principal, mediante bajantes, para mejorar la eficacia de la aplicación de agua.

Caja eléctrica de la torre y cable eléctrico de tramo. Panel de control: permite controlar el arranque y parada del pívot central. La

velocidad del sistema define la cantidad de agua aplicada.


La pluviometría crece desde el centro hasta el extremo, ya que cada metro de lateral tiene que regar una mayor superficie en el mismo tiempo.

2.2 Sistema hidráulico

El total de la energía necesaria para el funcionamiento adecuado del sistema se conoce como carga dinámica total (CDT). El caudal y la CDT determinan la potencia de la bomba.

2.2.1 Goteo

La carga dinámica total se divide en carga estática y dinámica. Para estimar la CDT debemos tener en cuenta las pérdidas en el pozo, en el sistema de goteo y en los filtros de agua necesarios para el sistema de bombeo, de los cuales vemos unos valores indicativos a continuación:

Hidrociclón 2 - 6 m.

Filtro de arena 2 - 4 m.

Filtro de malla o anillos 1 - 3 m.

Inyector hidráulico 3 - 5 m.

Inyector venturi 5 - 20 m.

Ilustración 7. Equipos de filtrado para el riego por goteo


26

En la Ilustración 8 se presenta el esquema supuesto para las tuberías de riego por goteo subterráneo. En primer lugar, el agua que proviene del pozo y de los filtros correspondientes, circula por la tubería principal. Dicha tubería descarga en el punto central de otra tubería (mainline, roja en la figura), la cual descarga en el punto central de otra tubería perpendicular (manifold, rosa en la figura) que conduce el agua hasta los laterales portagoteros (gris en la figura). Debido a que no hemos considerado pendiente en ninguna dirección, la descarga en ambos casos será en el punto central, y en el caso de existir pendiente la descarga se desplaza hacia la parte alta de forma que se equilibre el sistema.

Ilustración 8. Esquema de tuberías de goteo

Los cálculos del sistema hidráulico se llevarán a cabo con el programa AquaFlow (TORO, 2014), del cual obtendremos datos sobre el comportamiento del agua en el interior de los distintos conductos. Así mismo, se dispondrá como variable de diseño un coeficiente de uniformidad de riego que evalúa el diferencial del caudal por gotero promedio en todo el bloque. Este coeficiente es la uniformidad de riego por goteo y constituirá una restricción para el diseño.

2.2.2 Pívot

Ilustración 9. Detalle de un pívot central

En los sistemas de riego por aspersión es muy importante destacar que existen una serie de factores que afectan a la distribución del agua.

27

Presión: los aspersores funcionan dentro de un rango de presión y dentro de ese rango se debe optimizar la distribución, la eficiencia y el desgaste. A mayor presión, mejor distribución.

Viento: en la siguiente tabla se ven los diferentes rangos de velocidad del viento.

Cuanto mayor es la tasa de aspersión, mayor es la resistencia al viento. El viento empeora la eficiencia y distribución por lo que es conveniente regar en horas sin viento o por la noche. De lo contrario se hace necesario menor espaciamiento entre aspersores y mayor diámetro de boquillas, observando capacidad de infiltración del suelo, para moderar esa limitación.

Tabla 15. Clasificación del viento para cultivos

Velocidad del viento (m/s) Condición

0.0 – 1.0 Sin viento

1.0 – 2.5 Viento medio

2.5 – 4.0 Viento fuerte

> 4.0 Viento muy fuerte


El tiempo que tarda el pívot en dar una vuelta completa, depende de la pluviometría y de la necesidad hídrica del cultivo en cada época.

Debido a que entre nuestros objetivos está maximizar la integración de energías renovables para disminuir el uso de generación diésel o baterías y rentabilizar el sistema y que esto se puede conseguir variando el perfil de demanda, en la medida de lo posible, para acercarla al perfil de producción de energía fotovoltaica; aumentaremos el caudal de la bomba para aumentar la pluviometría del pívot, y poder así, disminuir las horas de riego. Además, si centramos estas horas de riego en horas de alta radiación solar, la eficiencia del sistema híbrido aumentará.

A partir del dato del cliente sobre el tiempo que tarda el pívot en dar una vuelta completa en el periodo crítico (23 horas), y conociendo la necesidad hídrica de dicho periodo, obtenemos el caudal de la bomba que cumple ambas características. Conociendo también la potencia de la bomba usada por el cliente, podemos obtener una altura aproximada para bombas sumergibles.

Bomba del cliente:

Potencia=93 kW (sumergible)

Altura≈80 m

Con los datos anteriores y haciendo uso de la misma fórmula, podemos conocer la potencia necesaria para la misma altura y un caudal mayor, el caudal máximo que puede proporcionar el pozo. De esta forma se consiguen disminuir levemente las horas de riego al día.

Bomba supuesta:


28


Altura≈80 m

Los casos anteriores corresponden al mes de máxima demanda, el resto del año el número de horas de riego disminuye.

A continuación, se muestra un método de cálculo de la compañía de pivotes Traxco del tiempo por vuelta y pluviometría del pívot.

Velocidad de la última torre:

Ilustración 10. Velocidad de la última torre (TRAXCO, (Última visita agosto 2015))

Esta tabla muestra la velocidad de la última torre en función de la corriente eléctrica de alimentación de la máquina, el tamaño del neumático y las revoluciones del motor eléctrico. Cálculo de la longitud de recorrido de la última torre por vuelta y de la duración de una vuelta:

Siendo r la distancia de la última torre al centro del pívot (m). Insertamos el parámetro t en la siguiente tabla para obtener el tiempo de duración de una vuelta según la velocidad del sistema:

Ilustración 11. Duración de una vuelta según la posición del selector (TRAXCO, (Última visita agosto 2015))

Cantidad de agua aplicada según la posición del selector de velocidad:

29

Con este dato y las horas por vuelta al 100 % definimos el parámetro k:

Y finalmente con el parámetro k hallamos la aplicación de agua según el posicionamiento del selector de velocidad, pudiendo escoger la cantidad de aplicación de agua según la posición de dicho selector de velocidad en el porcentaje deseado.

Ilustración 12. Pluviometría en una vuelta según posición del selector (TRAXCO, (Última visita agosto 2015))

Con el cálculo inverso podemos obtener el tiempo que debe tardar el pívot en dar una vuelta completa para suministrar la necesidad hídrica en cada caso.

2.2.3 Bomba

Cada día pueden encontrarse más casos en los que el bombeo de agua se lleva a cabo únicamente con energía fotovoltaica (bombeo solar). Estos sistemas suelen ser de pequeñas o medianas dimensiones y además, suelen constar de una bomba diseñada específicamente para funcionar con energía fotovoltaica. Es complicado encontrar bombas solares de gran tamaño, pero pueden encontrarse algunas en los catálogos de la casa Lorentz. Por ello, el uso de estas bombas se decidirá en función de la demanda calculada para que no limite el tamaño de nuestro sistema.

El tipo de bomba solar adecuada que se recomienda en general según la carga dinámica total del sistema de bombeo se observa en la Ilustración 13.

Ilustración 13. Intervalos comunes donde se aplica cada tipo de bomba solar

La bomba solar de mayor tamaño a la que tenemos acceso es el modelo PS40k2 de Lorentz con una altura dinámica máxima de 200 (m) y un caudal máximo de 241 (m3/h).


30

(LORENTZ [Online], Último acceso mayo 2015)

En el caso de no utilizar una bomba solar, usaremos una bomba de la marca Grundfos dimensionada con el apoyo de la aplicación online Grundfos Product Center que puede encontrarse en la página web de la empresa. En esta opción el sistema deberá constar de un conjunto de controladores que asegure el buen funcionamiento de la bomba.

(GRUNDFOS [Online], Último acceso Julio 2015)

Además, como suponemos una profundidad de 30 metros para el pozo, será necesario el uso de bombas sumergibles. A continuación, se encuentra una división de los modelos de bombas sumergibles de Grundfos según la altura y el caudal requeridos:

Ilustración 14. Modelos de bombas sumergibles (GRUNDFOS [Online], Último acceso Julio 2015)

Los motores de corriente alterna son más adecuados para cargas grandes en el rango de diez o más caballos de fuerza, son ligeramente menos eficientes que los sistemas de corriente continua debido a las pérdidas de conversión y pueden funcionar por muchos años con menos mantenimiento que los motores corriente continua.

(Sandia National Laboratories, 2001)

2.2.4 Estudio generalizado sobre el número de bombas en uso frente al precio

Realizamos un estudio general, con una demanda aleatoria de bombeo, y una planta fotovoltaica de un 20 % más de potencia pico. Dividimos la demanda de bombeo entre varias bombas para ver cuál es el número de bombas óptimo. A continuación, puede observarse una curva típica de producción de un conjunto de módulos fotovoltaicos durante un día. Dicha producción sigue la forma de la curva de radiación.

31

Ilustración 15. Producción fotovoltaica en un día de Enero (150 kWp)

Sin embargo, la energía realmente utilizada por la bomba no coincidirá con la producida por el campo fotovoltaico, ya que la bomba no se encenderá hasta que la producción alcance la potencia requerida. En la Ilustración 16 puede observarse la energía aprovechada y desaprovechada por una bomba de aproximadamente el 80 % de potencia de la planta fotovoltaica.

Ilustración 16. Curva de funcionamiento de la bomba frente a la producción

Podemos adaptarnos mejor a la curva de producción, y por tanto aprovechar más energía, instalando dos bombas más pequeñas que en total sumen la misma potencia que la del caso anterior. Dicho fenómeno se observa en la Ilustración 17, donde se ha representado el funcionamiento alternativo si tuviésemos dos bombas en lugar de una para la misma curva de producción.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0:1

0

2:0

0

3:5

0

5:4

0

7:3

0

9:2

0

11

:10

13

:00

14

:50

16

:40

18

:30

20

:20

22

:10

0:0

0

kW

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0:1

0

1:3

0

2:5

0

4:1

0

5:3

0

6:5

0

8:1

0

9:3

0

10

:…

12

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:…

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:…

17

:…

18

:…

20

:…

21

:…

22

:…

PV out

Bomba encendida 98.8 kW


32

Ilustración 17. Curva de funcionamiento de dos bombas frente a la producción

Si seguimos aumentando el número de bombas e instalamos tres, el número de escalones disponibles para adaptarse a la producción es cinco, como puede observarse en la Ilustración 18.

Ilustración 18. Curva de funcionamiento de tres bombas frente a la producción

Pero el número de bombas no se puede aumentar indefinidamente para aprovechar mejor la energía producida, ya que el coste inicial de las bombas y la instalación también aumenta, además de la limitación propia de la localización con el tamaño y el número de pozos.

Suponiendo que sería posible instalar hasta tres bombas, a continuación hacemos un estudio incluyendo el precio de compra de las bombas y obviando el precio de instalación.

Tabla 16. Precio de compra de cada bomba del ejemplo usado (GRUNDFOS, 2015)

MODELO H

(m) Q

(m3/h) P1

(kW) Precio

(€) Total

(€)

SP300-3F-G 73,2 288 98.8 22604 22604

SP160-5-A 73,2 189 65 15511 25410

SP95-7 73,2 98,5 33.8 9899

SP95- 8 73,2 102 35 11508 30980

SP60- 12 73,2 66,5 22.8 7964

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0:0

0

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0

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0

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0

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0

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0

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0

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:30

PV out

Bomba 65 kW encendida

Bomba 33.8 kW encendida

Las dos encendidas

0

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40

60

80

100

120

140

160

0:0

0

1:3

0

3:0

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4:3

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0

7:3

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0

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19

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:00

22

:30

PV out

Bomba 35 kW encendida

Bomba 28.8 kW encendida

Bombas 28,8 y 35 kW

Dos bombas de 35 kW

Dos bombas de 35 kW y una de 28,8 kW

33

Hemos calculado la energía aprovechada por cada una de las tres opciones y comparado con la energía total producida por la planta fotovoltaica.

Tabla 17. Energía producida y aprovechada por las bombas

Total (kWh)

Energía aprovechada

(%)

Producción 248857

Opción 1: Una Bomba 82630 33

Opción 2: Dos Bombas 180418 72

Opción 3: Tres Bombas 190153 76

Si representamos el aumento de energía aprovechada frente al aumento de precio, se observa que la curva tiende a perder pendiente y que aunque el paso de una a dos bombas es muy beneficioso, la instalación de tres no lo es tanto, al aumentar el precio en mayor proporción que la energía aprovechada. Esta tendencia se mantendrá a medida que aumentamos el número de bombas e incluso podría empeorar al tener en cuenta los costes de instalación.

Ilustración 19. Tendencia del precio y la energía aprovechada al aumentar el número de bombas

Gracias a este estudio se concluye que si el pozo y el sistema de riego lo permiten, se usarán dos bombas en vez de una para sumar entre las dos el caudal requerido. Y que estas tendrán aproximadamente el 65 % y el 35 % de la potencia necesaria de bombeo.

El presente proyecto supondrá el caso de dos bombas iguales que riegan distintos cultivos simultáneamente a caudal constante y que por tanto, tendrán distintas horas de funcionamiento. Es posible ajustar las horas de funcionamiento de las bombas de forma que se solapen con un comportamiento similar al de las dos bombas estudiado en este capítulo.


34

2.3 Tecnologías de generación de energía

2.3.1 Energía fotovoltaica

La energía fotovoltaica será la primera fuente de energía que estudiaremos debido a que dentro de los usos posibles de la energía solar fotovoltaica, tal vez el riego sea uno de los que mejor se adaptan a este tipo de energía fluctuante. Tanto la potencia eléctrica generada en los paneles fotovoltaicos como las necesidades de agua de los cultivos, están regidas por la misma variable, la radiación solar; a mayor insolación mayores necesidades de agua del cultivo, pero también mayor capacidad de producir energía fotovoltaica. Además, el nivel de radiación en la zona es bueno para ser aprovechado por los módulos fotovoltaicos.

La asequibilidad de los módulos fotovoltaicos ha mejorado significativamente en las últimas décadas. Esta drástica caída en los precios del panel ha incrementado el potencial de aplicación de la tecnología en el sector de riego y se ha convertido en una consideración importante en términos de generación de energía en el sitio.

Las principales ventajas de este sistema son su respeto al medio ambiente, su bajo mantenimiento, larga vida, el ahorro de combustible, y la instalación fácil. Sin embargo, la tecnología tiene también algunas limitaciones como la baja eficiencia, alto costo inicial y electrónica sofisticada requerida cuando se utilizan controladores y baterías.

Se sabe que la atmósfera terrestre está constituida por gases, nubes, vapor de agua, partículas contaminantes y sólidos en suspensión, que constituyen lo que se conoce comúnmente como masa de aire. A medida que la luz solar la atraviesa, ésta sufre procesos de absorción, reflexión y refracción, y en consecuencia, la irradiación se atenúa. Bajo condiciones de atmósfera limpia, sin ningún proceso óptico y estando el sol en el cenit, la irradiación máxima que un captador podría recibir es de 1,000 W/m2 como un valor promedio normalizado.

La radiación que llega a la superficie terrestre se puede clasificar en directa y difusa. La radiación directa es aquella que se recibe en la superficie terrestre sin que haya sufrido ninguno de los procesos antes mencionados al pasar por la atmósfera. La radiación difusa es la que se recibe después de que la luz solar cambie su dirección debido a los procesos de refracción y reflexión que ocurren en la atmósfera. Un captador de la energía solar "ve" la radiación como si viniera de la bóveda celeste con esas dos componentes (radiación directa y difusa), por lo que en muchas ocasiones se podrían tener valores de irradiación mayores de 1,000 W/m2. Para un día despejado, la componente recibida mayormente en el captador es la directa; mientras que en un día nublado, es la componente difusa, ya que la radiación directa es obstruida por las nubes.

En la Ilustración 20 se encuentra representada la radiación difusa diaria media por mes frente a la radiación global para nuestra localización, ambos datos obtenidos del Atmospheric Science Data Center (NASA [Online], Último acceso julio 2015).

35

Ilustración 20. Radiación global y difusa en La Libertad, Argentina

No hay ningún tipo de requerimiento especial por el hecho de estar destinado a formar parte de un sistema de bombeo. Son perfectamente válidos módulos fabricados con silicio monocristalino, policristalino y amorfo. Para las simulaciones presentes en este proyecto hemos tomado las especificaciones de un módulo policristalino de 300 Wp en condiciones estándar de medida (STC) de la marca Jinko Solar, en concreto el modelo JKM300P, el cual presenta una eficiencia alta al ser policristalino y una buena relación calidad precio.

Tabla 18. Propiedades del módulo JKM300P

Potencia nominal (Pmáx) 300 Wp

Tensión en el punto Pmáx-VMPP (V) 36.6 V

Corriente en el punto Pmáx-IMPP (A) 8.20 A

Tensión en circuito abierto-VOC (V) 45.3 V

Corriente de cortocircuito-ISC (A) 8.84 A

Eficiencia del módulo (%) 15.46 %

Temperatura de funcionamiento (℃) -40 ℃~+85 ℃

Tensión máxima del sistema 1000VDC (IEC)

Valores máximos recomendados de los fusibles 15 A

Tolerancia de potencia nominal (%) 0~+3%

Coeficiente de temperatura de Pmáx -0.41 %/℃

Coeficiente de temperatura de VOC -0.31 %/℃

Coeficiente de temperatura de ISC 0.06 %/℃

Temperatura operacional nominal de célula 45±2 ℃

(JINKO SOLAR [Online], Último acceso mayo 2015)

2.3.2 Generación diésel

Se estudiará la hibridación entre energía solar y generadores diésel con distintas combinaciones, ya que los generadores diésel dan estabilidad al sistema y hacen que la demanda de agua del cultivo se cumpla completamente supliendo las fluctuaciones de la energía renovable a la que complementa. Así mismo, se buscará maximizar la penetración renovable para ahorrar costos de operación y mantenimiento propios de los generadores.

El combustible elegido es el diésel debido a la manejabilidad que presenta y su fácil transporte respecto a otros combustibles de eficiencia equivalente. Para hacer los cálculos tomaremos un precio de 0.8 €/L y posteriormente, en el análisis de sensibilidad, se podrá observar la influencia del precio del combustible en la rentabilidad del sistema híbrido.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Rad

iati

on

(kW

h/m

2/d

ay)

Radiación Global Radiación difusa


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Los precios tomados como referencia son de generadores diésel de la casa Cummins y los costes de mantenimiento provienen de estudios de Atria FS Smart Energy Solutions S.L. para este tipo de generadores.

La eficiencia (gasto de combustible frente a nivel de carga) para cada tamaño de generador diésel estudiado se obtiene de fichas técnicas de generadores Cummins. Y en todo caso se estudian generadores de última generación con un tiempo de arranque inferior a un minuto.

2.3.3 Aerogeneradores

El Sistema Híbrido Fotovoltaico y Eólico se considera como un sistema de sinergias (una sinergia es el resultado de la acción conjunta de dos o más causas que tiene un efecto superior al que resulta de la simple suma de dichas causas), esto es debido a que meteorológicamente es común que cuando el día es soleado haya poco viento y cuando hay viento normalmente está acompañado de nubes y/o lluvia que impiden la llegada de los rayos de sol, aunque en el caso que nos ocupa en este proyecto no se da exactamente ese comportamiento ya que en La Libertad la velocidad del viento es aproximadamente constante a lo largo del año. Este tipo de sistema híbrido aporta energía eólica cuando no hay sol y energía fotovoltaica cuando no hay viento, se ayudan entre ellos. Dispondremos de energía obtenida del viento mediante aerogeneradores y energía obtenida del sol mediante paneles fotovoltaicos. Existen bastantes modelos de aerogeneradores, los cuales varían según la potencia que se quiera aprovechar, y pueden encontrarse de 2, 3, 5, 9 u 11 palas.

Podemos considerar que debido a las bajas velocidades de viento de la zona no es conveniente subir el precio de la instalación colocando un aerogenerador de grandes potencias, pero aunque las velocidades del viento sean bajas es bueno disponer del aerogenerador para que nuestro sistema eléctrico sea versátil. Como es conocido, la potencia suministrada por los aerogeneradores es muy variable según la localización exacta de éste y según las condiciones meteorológicas y será necesario un regulador de carga que actúe también como inversor entre el generador eólico y las baterías.

En primer lugar, y debido a que los valores de velocidad del viento en La Libertad no son demasiado altos (según la Guía para el desarrollo de proyectos de Bombeo de Agua con Energía Fotovoltaica (Sandia National Laboratories, 2001) que estima un mínimo de 4.5 m/s de media para tener en cuenta la generación eólica pura, sin hibridar) simularemos un sistema híbrido que incluirá energía solar y generación diésel. Y en el estudio de sensibilidad se estudiará la opción de introducir energía eólica, para tener en cuenta la posible extensión del proyecto a otras localizaciones.

2.3.4 Electrónica de potencia

Para adaptar las características eléctricas de continua del generador fotovoltaico a las del receptor se hace necesaria la inclusión en el sistema de un inversor el cual se encarga de convertir la energía de corriente continua en energía de corriente alterna con una eficiencia de entre 90 % y 95 %.

Un controlador es un componente muy útil para el sistema de bombeo de agua con energía fotovoltaica. Puede realizar múltiples tareas, como la limitación de la fuente de alimentación al cargador de la batería o el ajuste de voltaje y corriente para mejorar el rendimiento de bombeo, permitiendo desconectar los módulos fotovoltaicos de la bomba para proteger el motor. Se considera un componente muy vulnerable de la instalación fotovoltaica, ya que contiene una electrónica sofisticada y tiene que operar en diferentes condiciones ambientales. Hay varios tipos de controladores que pueden ser usados en bombeo fotovoltaico para controlar la potencia de entrada, como el seguimiento del punto de máxima potencia (PMP). En el seguimiento del punto de máxima potencia, el voltaje y la corriente producida por el módulo fotovoltaico se ajusta para producir la máxima potencia en condiciones dadas.

37

Para obtener un adecuado diseño del conjunto de inversores hemos solicitado apoyo de una empresa especializada en el sector, la cual nos ha ofrecido una configuración de inversores que evita la necesidad de instalar un sistema de control. Por su simplicidad, coste aceptable y el amplio conjunto de datos del que disponemos, es la opción seleccionada para complementar nuestra planta de energía híbrida. El funcionamiento y la configuración de la solución será la que sigue:

Existirá un inversor funcionando en modo stand-alone generando la red.

Sobre esta red se conectarán tantos inversores como sean necesarios para alcanzar la potencia mínima requerida funcionando en modo autoconsumo.

Sobre esta red se conectarán también los inversores fotovoltaicos que deberán alimentar las cargas durante el periodo de radiación y cargar baterías con sus excedentes.

La señal de arranque de grupo la dará el inversor stand-alone cuando detecte que la batería está al 90 % de SOC (estado de carga). El descenso de la capacidad de la batería del 100 % al 90 % será señal de que se está durante un periodo de nubosidad o que la energía fotovoltaica disponible es menor que el consumo de forma permanente (caída de la tarde).

No será necesario un controlador de planta ya que la inyección de potencia fotovoltaica a las cargas se realizará por control de frecuencia.

Se adjunta en el Anexo un esquema unifilar con la configuración general anterior.

2.4 Tecnologías de almacenamiento de energía

El propósito general de una batería es almacenar la energía cuando el generador fotovoltaico produce más energía que la requerida por la unidad de bombeo y suministrar dicha energía cuando el sistema de bombeo lo necesite. El exceso se producirá en las horas de máxima radiación, cuando la potencia suministrada por los módulos fotovoltaicos sea mayor que la requerida por las bombas. Pero además, la bomba necesitará una potencia mínima para funcionar, así, en las primeras y en las últimas horas del día la bomba estará apagada hasta que los módulos fotovoltaicos produzcan un valor de potencia suficiente y la electrónica de potencia dé la orden. En estos casos, la energía que no se usa se almacenará o bien se complementará con algún sistema de apoyo para alcanzar la potencia necesaria para que pueda aprovecharse.

En días nublados o cuando hay algún fallo en la instalación, como rotura de un cable o en general problemas en el sistema eléctrico, no tendremos la potencia necesaria para encender las bombas. Además, existirán épocas del año en las que sea necesario superar las horas de sol de funcionamiento, debido a la alta necesidad hídrica de los cultivos en los periodos críticos y a la limitación de caudal obtenido de agua subterránea. Por esta razón, para cubrir la demanda completa usamos un sistema de apoyo.

Hay distintas opciones para el sistema de apoyo, como un banco de baterías, un tanque de almacenamiento de agua o el apoyo de generadores diésel.

Los estudios realizados en Atria FS Smart Energy Solutions demuestran que cubrir el resto de la demanda únicamente con baterías es la opción con menos rentabilidad, debido al alto número de baterías que serían necesarias, al precio que estas tienen, o a su sensible plazo de vida útil, el cual varía según el funcionamiento que estas hayan tenido. Al aumentar la potencia necesaria y el tiempo de suministro de energía el tamaño del banco de baterías aumenta.

Sin embargo, el uso conjunto de generadores diésel y baterías puede ser de gran ayuda y un importante método de ahorro. El generador diésel hace el papel de sistema de apoyo para los módulos fotovoltaicos, complementando en cada momento la producción renovable de forma que se consigue cubrir la demanda completa. En los momentos en los que por una


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nube o alguna otra causa el sistema fotovoltaico disminuye la potencia o deja de suministrar energía, los generadores diésel deben actuar inmediatamente, pero éstos necesitan un tiempo de arranque, así que una posible solución es tener generadores en funcionamiento continuo para suplir estas fluctuaciones del sistema fotovoltaico o bien, disponer de un pequeño banco de baterías suficiente para suministrar energía para el arranque de los generadores. La primera opción conlleva muchos gastos de operación y funcionamiento de los generadores, ya que si estos están continuamente trabajando a plena carga el gasto de combustible será considerable y su vida útil menor, y si éstos funcionan a carga parcial el rendimiento será muy pequeño y el gasto de combustible será también grande. Por tanto, la utilización de baterías en este caso está justificada siendo el número de baterías mucho menor que si sólo tuviésemos éstas como apoyo energético y siendo su uso sólo puntual, de forma que los ciclos de descarga serán cortos y su vida útil mayor.

El dimensionamiento del banco de baterías dependerá del tamaño de los generadores diésel, si se usan para el arranque de éstos, o fotovoltaicos según la configuración elegida.

La solución propuesta incluye un sistema de respaldo basado en baterías de litio. El principal objetivo de este sistema de respaldo es evitar caras operaciones a carga parcial de los generadores y garantizar la calidad y estabilidad de la red proveyendo suficiente “spinning reserve” y factor de potencia.

El almacenamiento directamente de agua en lugar de electricidad es también buena opción en muchos de los casos, existiendo distintas configuraciones. Contar con un tanque de agua con capacidad suficiente para dar suministro varias horas o incluso varios días es común y muy fiable en aplicaciones pequeñas y medianas. Almacenar agua en estos casos es más barato y eficiente que almacenar energía. En esta situación se suele instalar una segunda bomba entre el tanque y el sistema de riego que tendrá menos potencia que la general para sacar y suministrar el agua, pudiendo acercar más las curvas de suministro y de demanda de agua. El problema se da para aplicaciones de gran tamaño, porque la estructura del tanque de agua debería ser también de grandes dimensiones al igual que la bomba secundaria, que necesitaría otro sistema que le proporcionase estabilidad. Otra configuración posible es la instalación de un depósito pulmón, un depósito pequeño, con solo unos minutos de caudal almacenado; para evitar transmitir las fluctuaciones del sistema fotovoltaico a la bomba. Entre los inconvenientes se encuentra que la potencia total necesaria aumenta ya que la bomba principal (la que suministra al depósito) lleva más caudal y su potencia aumenta y que no se asegura un suministro completo todos los días, ya que en instalaciones grandes el depósito no tendrá capacidad para un día completo, a no ser que sobredimensionemos dicho depósito y también la bomba. Además, existirán ciertos días nublados en verano, o con fallos y dependerá de la fracción de riego sin cubrir que el agricultor asuma. En nuestro caso, el cliente acepta hasta un 7 % en verano de demanda no cubierta.

2.4.1 Características técnicas de las baterías de Ion-Litio

A finales de la década de 1700, Charles-Augustin de Coulomb dictaminó que por una batería que recibe una corriente de carga de un amperio (1A) pasa un culombio (1C) de carga por segundo. En la descarga, el proceso se invierte. Hoy en día, la industria de baterías utiliza el C-Rate para escalar y regular qué corriente se carga y descarga de una batería.

La capacidad de una batería recargable es comúnmente clasificada en 1C, lo que significa que una batería de 1000 mAh debe proporcionar una corriente de 1000mA durante una hora. Esta misma batería, durante la descarga en 0.5C proporcionaría 500mA durante dos horas, y en 2C, la batería de 1000 mAh entregaría 2,000mA durante 30 minutos. 1C también se conoce como una descarga de una hora; un 0.5C es una de dos horas y un 2C es una descarga de media hora. La suma debe ser la misma que con una descarga más lenta ya que se está dispensando una cantidad de energía idéntica durante un tiempo más corto. (Battery University, (Última visita julio 2015))

39

Ilustración 21. Curvas de descarga típicas de una batería de plomo en función del C-Rate (Battery University, (Última visita julio 2015))

En definitiva, hablamos de la velocidad con la que se puede descargar la batería, parámetro que se mide en (1/h).

La batería seleccionada para las simulaciones es una batería de Ion-Litio con las siguientes características, observándose un C-Rate de 4.

Tabla 19. Características técnicas de la batería seleccionada (Saft, 2013)

Saft IM 20P Nominal voltage (V) 24

Nominal capacity (Ah) 60 Nominal capacity (kWh) 1.44 Round trip efficiency (%) 95

Float life (años) 20 Maximum capacity (Ah) 83.400

Capacity ratio, c 0.403 Rate constant, k 0.827

Suggested life throughput (kWh) 818 Max. Charge rate (A/Ah) 120

Max. Discharge current (A) 240

Las principales funciones de la batería de Litio son:

Evitar operaciones a carga parcial de los generadores diésel, que resultan caras.

Asegurar estabilidad de red y calidad del suministro proveyendo suficiente reserva de energía.

Regulación del factor de potencia en la red aislada.

Crear referencias de voltaje y frecuencia con el objetivo de poder alcanzar el 100% de la potencia suministrada por renovables


40

La solución consiste en conectar tantas baterías en serie y paralelo como sea necesario para cubrir durante al menos 1 minuto la potencia de arranque del generador. Ya que diseñamos para generadores diésel de última generación, lo cuales tienen un arranque de menos de un minuto. La compañía suministradora de baterías dispone de la opción de almacenamiento y conexión de baterías en un conteiner con los adecuados controladores de carga y descarga.

Para dicho dimensionamiento usamos el C-Rate de la batería de la siguiente forma:

Donde podemos despejar la capacidad de almacenamiento necesario en el sistema a partir de la potencia del generador y el C-Rate de las baterías. Con dicha capacidad y la capacidad nominal de las baterías obtendremos el número de baterías necesario.

Ahora dividimos estas baterías en filas de baterías en serie, de forma que el bus de baterías tenga entre 609 V y 812 V, rango facilitado por el suministrador. (Saft, 2013)

Ilustración 22. Vida de la batería en función de la profundidad de descarga (Saft, 2013)

La simulación con Homer Pro nos proporcionará una aproximación del número de ciclos a las distintas profundidades de descarga, lo que usaremos para comprobar que se encuentra dentro de los límites y que la vida útil de la batería es la esperada, de 20 años.

41

3 Capítulo 3: METODOLOGÍA Y OPTIMIZACIÓN

3.1 Metodología usada

3.1.1 Definición del resultado óptimo e hipótesis

La solución ha sido optimizada en función del óptimo tecno-económico (solución técnicamente factible con menor coste de energía (LCOE)).

Los ingresos del proyecto se calculan en base a los ahorros de electricidad debidos a la hibridación, ahorro en el coste inicial del terreno y precio de instalación de la red eléctrica.

Debido a que el coste inicial del sistema conectado a red es una de nuestras incógnitas, haremos un balance de flujos de caja actualizados (que sí son conocidos) para despejarlo.

Para el cálculo del VAN (Valor Actual Neto) se presenta como caso base el sistema conectado a red, teniendo en cuenta el sobrecoste del terreno y el transporte de la red hasta un terreno aislado.

Se considera una vida del proyecto de 20 años, basándose en la vida útil de los componentes.

La rentabilidad presentada no asume inflación en los ingresos (ahorros). Se harán todos los cálculos económicos sin contar con ningún tipo de interés. Se cuenta con un margen del 10 % para todos los costes de capital del proyecto. Para presentar el caso base, se supone que el precio de la electricidad de la red es

constante a lo largo de los 20 años del proyecto. Se supone un precio medio de instalación de la red eléctrica entre nuestra

localización y la toma de red más cercana.

3.1.2 Metodología para llegar al óptimo

3.1.2.1 Definición del esquema de cultivo

En primera instancia, fijamos el tamaño del terreno, su división y los cultivos, resumiendo los datos de partida, importantes para entender el diseño del sistema de riego y la elección de la curva de demanda.

En cualquier caso, la mitad del terreno contendrá algodón y la otra mitad trigo y maíz (los cuales se plantan uno detrás del otro en el tiempo que el algodón ocupa la primera parte). Existe una limitación para la extracción de agua: entre 250 m3/h y 280 m3/h por pozo y aproximadamente 1 kilómetro de distancia entre pozos. Esto indica que dispondremos un pozo por cada 100 hectáreas aproximadamente, lo cual será difícil de cumplir debido a la alta necesidad hídrica de los cultivos como veremos en el presente capítulo, y el área cubierta por un pozo será algo menor.

Para mejorar el precio de electricidad se atenderá con un mismo sistema híbrido de energía el área regada por 4 pozos, aprovechando la economía de escala y en el caso del pívot, el espacio existente entre 4 pívots. En el caso de riego por goteo serviremos un área similar para obtener resultados comparables. La configuración que permite abastecer tanto el terreno con algodón como el terreno con maíz o trigo al mismo tiempo, consigue además un mejor aprovechamiento de la producción fotovoltaica como vimos en el Capítulo 2 con un comportamiento similar al de dos bombas.

El sistema de riego por pívot, al estar diseñado para el mes más desfavorable tendrá una pluviometría demasiado alta para los meses de menor demanda, lo cual significa que dará el agua necesaria en un tiempo demasiado corto para que el pívot pueda dar una vuelta


42

completa. Este problema se resuelve con facilidad, dando la vuelta completa a la velocidad que sea necesaria, pero variando la frecuencia de riego para regar días alternos. El cálculo de los días de riego al mes para cumplir la demanda se hace para cada cultivo intercalando los días de riego de manera uniforme para que los cultivos no estén demasiados días sin recibir agua. Además, optimizaremos la demanda para evitar el riego durante la noche. Esto se consigue dividiendo cuando sea posible el riego en medio o un cuarto de pívot cada día, disminuyendo a la mitad las horas de riego para poder centrarlas en las horas de sol.

En cambio, en el riego por goteo el esquema será distinto. Tendremos el área dividida en pequeños sectores y un caudal constante de diseño, que marcará las horas de riego de cada sector según el cultivo y la época del año. Regando varios sectores sucesivamente con la misma bomba y en un mismo día.

3.1.2.2 Cálculo de la demanda de energía

3.1.2.2.1 Demanda de agua del cultivo

Para obtener las necesidades hídricas del cultivo usamos la herramienta CropWat 8.0 de la Organización de las Naciones Unidas para la Alimentación y la Agricultura (FAO). Se trata de un programa para el cálculo de los requerimientos hídricos del cultivo y de riego, basado en características del suelo, del clima y del cultivo.

Ilustración 23. Metodología de cálculo de la necesidad hídrica

3.1.2.2.2 Demanda de agua del sistema de riego

Tenemos dos estudios paralelos debido a que hemos contemplado dos sistemas de riego distintos, goteo subterráneo y pívot, para los cuales se obtienen también distintos calendarios de riego.

A. Goteo subterráneo

Ilustración 24. Metodología de cálculo de la red de goteo subterráneo

Datos climáticos,

propiedades del suelo,

propiedades del cultivo

Software CropWat

Necesidad hídrica (mm/día) para cada cultivo

según la etapa

Separación laterales y

pluviometría deseada según espeficicación

Software AquaFlow

Optimización del coeficiente de

uniformidad, del tamaño de cada elemento y del

caudal por bloque.

43

Para obtener la disposición de las tuberías, elección de goteros y laterales de goteo, se usa la aplicación AquaFlow de Toro, por tanto, usamos una geometría válida para dicha aplicación, la cuál es la mostrada en la Ilustración 8 en el Capítulo 2. AquaFlow realiza el diseño geométrico e hidráulico a partir de los siguientes datos de entrada:

Acerca del lateral: tipo de producto, modelo, pendiente del terreno, longitud del lateral, presión inicial y posición del manifold.

Acerca de la tubería principal que surte a los laterales (manifold): tipo de tubería, pendiente del terreno, longitud, presión inicial y distancia entre laterales.

Acerca de la tubería principal que surte la manifold (mainline): tipo de tubería, caudal, longitud, desnivel y presión.

Las dos restricciones a cumplir serán la uniformidad de riego (95%) y las impuestas por la disponibilidad de agua en el pozo. AquaFlow genera un archivo con los resultados que usaremos para la selección de la bomba. Con la altura y el caudal conocidos, obtendremos la potencia de la bomba adecuada en el catálogo de Grundfos.

Conociendo la necesidad hídrica del cultivo y la capacidad de riego de nuestro sistema, sabremos el tiempo implicado en regar un solo sector de cultivos. Con el mismo equipo regaremos tantos sectores como puedan regarse durante las horas de más radiación en un día. El número de sectores se determinará con la simulación de varias opciones Homer Pro y observando los mejores resultados económicos y de penetración renovable.

Haremos un calendario de demanda horaria donde se incluye la potencia necesaria para la bomba.

B. Pívot central

Adaptación de los datos del cliente sobre el pívot central para ceñirnos regando en las horas de sol. Reducción de las horas de riego al día aumentado el tamaño de la bomba y por tanto, la pluviometría. Con la altura y el caudal conocidos, obtendremos la potencia de la bomba adecuada en el catálogo de Grundfos.

Conociendo la necesidad hídrica del cultivo y la capacidad de riego de nuestro sistema, sabremos el tiempo implicado en regar todos los meses del año, ya que el diseño se hizo para el periodo crítico.

Haremos un calendario de demanda horaria donde se incluye la potencia necesaria para la bomba y la potencia de los motores que hacen girar el pívot.

3.1.2.3 Dimensionado de los distintos sistemas de generación de energía

-Localización

-Datos climáticos

-Perfil de demanda de energía

-Datos técnicos y costes de cada componente

-Precio del combustible

-Hipótesis a lo largo de la vida útil de proyecto

Programa

Homer Pro

-Tamaño óptimo de la planta híbrida

-Evolución del estado de cada componente a

lo largo de un año

-Coste de energía para cada situación

-Costes de capital y de operación y

mantenimiento

-Uso de las baterías y el generador


44

En la gráfica anterior se recoge un conjunto de variables de entrada y de salida del programa que son esenciales para el diseño de la planta híbrida. Además a continuación, se detallan algunas variables de entrada adicionales específicas para cada configuración posible. Las características de cada componente registradas en Homer Pro serán las encontradas en los datos técnicos

3.1.2.3.1 Sistema fotovoltaico

Simulación con HOMER PRO. Otros datos que recoge el programa:

o Datos técnicos y costes de los módulos fotovoltaicos

Siguiendo un proceso iterativo de simulación, se llega al tamaño óptimo de la planta fotovoltaica que cubre la demanda concreta. El proceso consiste en simular distintos tamaños de planta fotovoltaica y ajustar la demanda a las horas de máxima producción, para luego volver a simular.

Repetir el proceso anterior, añadiendo baterías de Ion – Litio para aumentar el porcentaje de demanda de energía cubierta. Valoración de los resultados.

3.1.2.3.2 Sistema híbrido fotovoltaico y generadores diésel con baterías de Ion

- Litio


Datos técnicos de los módulos fotovoltaicos y tamaño

Costes de los módulos fotovoltaicos

Datos técnicos y costes del generador diésel

Precio del combustible fósil

Datos técnicos y costes de las baterías de Ion – Litio

Siguiendo un proceso iterativo de simulación, se llega al tamaño óptimo de la planta fotovoltaica, de los generadores diésel, y del conjunto de baterías que da estabilidad. En esta ocasión, se define el tamaño de los generadores diésel como el mínimo capaz de cubrir la potencia máxima demandada, ajustando el tamaño de las baterías por potencia, de forma que sean capaces de arrancar el generador diésel (suponiendo generadores de última generación con arranques de un minuto). A continuación, se simulan distintos tamaños de planta fotovoltaica manteniendo fijos el generador y las baterías, variando como en el caso anterior el calendario de demanda.

3.1.2.3.3 Sistema híbrido fotovoltaico, eólico y generadores diésel


Datos técnicos de los módulos fotovoltaicos y tamaño

Costes de los módulos fotovoltaicos

Datos técnicos y costes del generador diésel

Precio del combustible fósil

Datos técnicos y costes de las baterías de Ion – Litio

Datos técnicos y costes de los aerogeneradores

Siguiendo un proceso iterativo de simulación, se llega al tamaño óptimo de la planta fotovoltaica, la eólica, de los generadores diésel, y del conjunto de baterías que da estabilidad. Fijamos el tamaño del generador y las baterías de la misma forma que en el caso anterior, pero esta vez tanto la planta fotovoltaica como la eólica tendran tamaños variables y obtendremos los tamaños óptimos de cada planta según el resultado de la simulación. De nuevo se usa un proceso iterativo ajustando la demanda, de forma que

45

según el peso de cada planta (que depende de los recursos) se ajustará a la disponibilidad de viento o radiación solar.

3.1.3 Estudio de sensibilidad

Tras conocer qué sistema es el más rentable y presenta mejores resultados para el riego, se realizará un estudio de sensibilidad cuyo objetivo es analizar la influencia de ciertas variables de entrada sobre la rentabilidad del proyecto, con el fin de conseguir un resultado más general capaz de ser exportado a otra localizaciones o la evolución que podría tener dicha rentabilidad a lo largo de los años. En dicho estudio se varía cada una de las siguientes características fijando el resto y se simula el sistema con HOMER PRO, pudiendo observar de este modo la influencia de cada variable en los resultados.

Riego por goteo subterráneo sin restricción de caudal en el pozo

Precio del combustible

Nivel del recurso renovable (subir nivel de viento para exportar el modelo a otras localizaciones)

3.2 Necesidad hídrica para la época más desfavorable

El primer paso es introducir en CropWat los datos climáticos de forma que el programa pueda obtener la evapotranspiración de referencia, la cual se observa en la Ilustración 75 en el Anexo, donde se presentan todos los pasos intermedios del presente capítulo.

Tras conocer la evapotranspiración de referencia, necesitamos la precipitación efectiva para obtener la evapotranspiración potencial. El programa también realiza el cálculo de la precipitación efectiva según el método ‘USDA soil conservation service’ y usando los datos climáticos.

Para obtener la evapotranspiración necesitaremos propiedades de nuestro cultivo concreto y del suelo de la zona. Diferenciamos cuatro etapas de crecimiento del cultivo que tendrán distintas necesidades hídricas: inicio, desarrollo, media etapa y etapa tardía. La duración de dichas etapas se define a partir de los datos de la fenología de cada cultivo presentada en los datos de partida. Las propiedades del suelo se mantienen constantes para los distintos cultivos y se definen también a partir de los datos presentados anteriormente y para el tipo de suelo concreto facilitado por el cliente.

3.2.1 Algodón

Obtenemos la evapotranspiración (ETc) con la evapotranspiración de referencia, la precipitación efectiva, las propiedades del suelo y del algodón, incluyendo la fecha de siembra del cultivo (Anexo, Ilustración 79).

Para estimar el calendario de riego, suponemos una cantidad fija de agua al día para cada una de las cuatro etapas que diferenciamos. CropWat tiene la opción de repartir un terreno en varias zonas con distintos cultivos, para mostrar un calendario de riego total de todos ellos, sin embargo, en este proyecto optamos por el cálculo individual de cada cultivo, para una visualización más sencilla de los resultados.

En la Ilustración 25 se recoge la necesidad hídrica del algodón en nuestra localización. Extraeremos la fila del caudal en mm/día para hacer nuestros cálculos.

Ilustración 25. Necesidad hídrica mensual del algodón

Los datos de velocidad del viento usados son los que se encuentran en la Tabla 4 obtenidos por la NASA para una altura de 10 m. Dado que nuestros cultivos no alcanzarán mucha altura y que la velocidad del viento disminuye bastante cerca del suelo, el viento real que sufrirán las hojas de algodón será menor, y por tanto la evapotranspiración y la necesidad hídrica también. Se comprueba dicha influencia del viento repitiendo los cálculos anteriores para una media de la velocidad del viento de 1.8 m/s y la necesidad hídrica disminuye aproximadamente 1 mm/día en cada uno de los meses como puede observarse en la Ilustración 82 en el Anexo. Lo cual nos ayuda a entender por qué la necesidad hídrica total por campaña facilitada por el cliente es menor que la calculada por CropWat, a pesar, de que la necesidad máxima coincide. Para acercarnos al comportamiento real, disminuiremos dicha necesidad en los periodos críticos por exceso de agua, facilitados en la fenología del cultivo.

Contrastamos los resultados con la necesidad hídrica obtenida por Valley para otra localización, comprobando que nuestros resultados son coherentes.

47

Ilustración 26. Requerimientos de agua según estado fenológico del algodón (Valley, (Última visita agosto 2015))


48

3.2.2 Trigo

Usamos el mismo proceso para obtener la demanda hídrica del trigo.

Ilustración 27. Necesidad hídrica mensual del trigo

49

3.2.3 Maíz

De la misma forma, la demanda hídrica del maíz de segunda en La Libertad es:

Ilustración 28. Necesidad hídrica mensual del maíz

3.3 Demanda energética

3.3.1 Goteo

Para el diseño del sistema de goteo usamos AquaFlow, un programa para tal fin proporcionado por Toro, el Catálogo de 2014 de cinta de riego por goteo de Toro y el informe Soluciones de riego – Sistema de riego por goteo subterráneo (SDI) para cultivos de campo de Toro. (Toro Irrigation, 2014)

Paso 1: Determinar el espaciamiento entre líneas laterales según la textura del suelo y el espaciamiento entre cultivos.

Tabla 20. Distancia entre laterales según tipo de suelo

Espaciamiento común entre laterales

Suelo ligero Suelo mediano Suelo pesado

Franco arenoso Franco Limo/franco arcilloso

pulgadas metros pulgadas metros pulgadas metros

30 – 40 0.75 – 1.0 40 – 60 1.0 – 1.5 60 – 80 1.5 – 2.0

En nuestro caso tendremos una separación entre los laterales de 1 metro ya que el suelo es franco areno limoso. Se conoce además, que los cultivos de algodón suelen distanciarse en líneas de 1 metro en prácticamente toda la provincia.

Paso 2: Seleccionar el caudal del lateral según la tasa de aplicación:

Tabla 21. Pluviometría orientativa según el caudal permitido y la distancia entre laterales

Tasa Bruta de Aplicación

Litro por segundo por hectárea (LPS/ha) - Milímetro por hora (mm/h)

Espaciamiento entre laterales

(m) 0,75 1 1,5 2

Caudal de línea lateral (l/h)

l/s/ha mm/h l/s/ha mm/h l/s/ha mm/h l/s/ha mm/h

0,4 1,6 0,6 1,2 0,4 0,8 0,3 0,6 0,2

0,6 2,2 0,8 1,6 0,6 1,1 0,4 0,8 0,3

0,7 2,7 1 2 0,7 1,4 0,5 1 0,4

0,9 3,3 1,2 2,4 0,9 1,6 0,6 1,2 0,4

1 3,8 1,4 2,9 1 1,9 0,7 1,4 0,5

1,2 4,3 1,6 3,3 1,2 2,2 0,8 1,6 0,6

1,3 4,9 1,8 3,7 1,3 2,4 0,9 1,8 0,7

1,5 5,4 2 4,1 1,5 2,7 1 2 0,7

1,6 6 2,2 4,5 1,6 3 1,1 2,2 0,8

1,8 6,5 2,4 4,9 1,8 3,3 1,2 2,4 0,9

1,9 7,1 2,6 5,3 1,9 3,5 1,3 2,6 1

51

2,1 7,6 2,7 5,7 2,1 3,8 1,4 2,9 1

2,2 8,1 2,9 6,1 2,2 4,1 1,5 3,1 1,1

2,6 9,5 3,4 7,1 2,6 4,8 1,7 3,6 1,3

3 10,9 3,9 8,1 2,9 5,4 2 4,1 1,5

3,4 12,2 4,4 9,2 3,3 6,1 2,2 4,6 1,7

3,7 13,6 4,9 10,2 3,7 6,8 2,5 5,1 1,8

5,6 20,4 7,4 15,3 5,5 10,2 3,7 7,6 2,8

7,5 27,2 9,8 20,4 7,4 13,6 4,9 10,2 3,7

9,3 34 12,3 25,5 9,2 17 6,1 12,7 4,6

La tasa de aplicación mínima será fijada por la necesidad hídrica y la tasa de aplicación máxima por la restricción del pozo, intentando siempre minimizar las horas de riego al día para aprovechar las horas de sol. Para optimizar el diseño del sistema de goteo usamos un método iterativo de resolución que se hace posible gracias a la herramienta de diseño AquaFLow de Toro, dejando las tablas anteriores para una simple orientación frente al proceso iterativo.

Ejemplo: si fijamos 3 horas de riego para el caso más desfavorable de 8 mm/día obtenemos una necesidad de 2.67 mm/h para el cultivo. Entramos en la tabla con 1 metro entre laterales y elegimos la tasa bruta de aplicación más cercana, 2.6 mm/h, que se da para un caudal de 2.6 l/h de la línea lateral. Recalculando, regaremos durante 3.08 h para obtener 8 mm/día. Sin embargo, este caso no cumpliría las restricciones del pozo ya que necesitaría 2600 m3/h para 100 ha, cuando el límite es 280 m3/h para 100 ha.

Con el proceso inverso, traducimos el límite del pozo a los términos adecuados para el programa de diseño, 0.28 mm/h para cubrir 100 hectáreas con un pozo de 280 m3/h.

Paso 3 y 4: Caudal por gotero, espaciamiento entre goteros y selección del calibre de las líneas laterales y su diámetro interno.

El programa AquaFlow hace uso de un proceso iterativo en el que se busca además de cubrir la demanda de agua, estar en un buen rango de uniformidad y minimizar el tiempo de trayectoria. También es importante tener en cuenta no superar las 24 horas de riego al día.

Y el método de diseño usado es el siguiente: el terreno se dividirá en sectores cuyo tamaño iremos aumentando hasta llegar a un coeficiente de uniformidad del 95 % (inversamente proporcional al tamaño) y sin sobrepasar el límite de caudal del pozo por sector. De esta forma, cuando esté definido un sector, supondremos que iremos regando sectores iguales sucesivamente hasta cubrir las horas de riego disponibles.

La cinta de riego seleccionada es la Cinta de goteo Neptune, una tubería con gotero de pastilla específica para el riego de cultivos plurianuales y estacionales del catálogo de Toro. (TORO, 2014)

Y la geometría del sistema de goteo es el presentado en la Ilustración 8 en el Capítulo 2: ESTADO DEL ARTE

Tras realizar dicha optimización los resultados de AquaFlow son los observados en la Ilustración 29 para los laterales portagoteros y en la Ilustración 30 para la tubería (manifold) que lleva el agua de forma perpendicular hasta dichos laterales.

Variables y resultados del diseño:


52

Ilustración 29. Diseño del lateral de goteo con AquaFlow

Ilustración 30. Diseño del manifold con AquaFlow

Además obtenemos un diagrama del coeficiente de uniformidad del sector de 10 hectáreas, donde la línea media que se observa es la tubería que suministra agua a los laterales. En el Anexo además, se presentan otros resultados de AquaFlow tales como el comportamiento del fluido en el interior de los laterales.

53

Ilustración 31. Diagrama de uniformidad del sistema de riego por goteo

Tanto los laterales como el colector cumplen un coeficiente de uniformidad del 95 %. La pluviometría es de 1,36 mm/h y el caudal total del sector de 10 hectáreas es 136 m3/h. Con estos resultados podemos tomar las siguientes decisiones e hipótesis:

Pueden regarse dos sectores simultáneamente sin sobrepasar la capacidad del pozo.

El número de sectores regados sucesivamente será definido por el mes crítico de demanda hídrica del cultivo más crítico (algodón), de forma que serán tantos como sea posible sin sobrepasar las 24 horas de riego en este periodo.

El tiempo de trayectoria de los laterales será incluido en el tiempo de riego de cada sector, ya que suponemos que se vaciarán de un día a otro al no tener pared rígida y al existir presión atmosférica en el exterior.

Puesto que el algodón es el cultivo con máxima necesidad hídrica será el cultivo que define el sistema de riego, y la parte del terreno que tiene maíz y trigo tendrá el mismo sistema de goteo con la misma pluviometría, variando únicamente el tiempo de funcionamiento según la necesidad hídrica de cada cultivo y el periodo en el que se encuentre.

Se buscará igualar el área atendida con un mismo sistema de energía en el goteo subterráneo y en el pívot. Modificando en todo caso el área del sistema de goteo ya que el área de un pívot ha sido fijada por el cliente.

Dado que la necesidad hídrica total por campaña obtenida es mayor que la del cliente, bajamos la necesidad hídrica de los meses críticos por peligro de exceso de agua para conseguir una demanda más realista. Localizamos dichos meses en la fenología de cada cultivo.


54

El siguiente paso es calcular el horario y calendario de riego, las horas de riego en el periodo crítico y por tanto, el número de sectores regados simultáneamente.

Así, en el mes de máxima demanda, enero, el requerimiento es de 8 mm/día de riego para algodón:

Añadimos el tiempo de trayectoria de diseño de los laterales, obteniendo el tiempo necesario por sector en la etapa de demanda máxima:

Es decir, tardamos 6.65 horas en regar un sector de 10 hectáreas, pero como dijimos con anterioridad, el pozo tiene capacidad de regar dos sectores simultáneamente, lo que significa que tardamos 6.65 horas en regar 20 hectáreas. Y repitiendo este esquema a lo largo de un día, podemos regar 3 sectores uno detrás del otro hasta sumar 19.95 horas de riego al día para 60 hectáreas.

Si actuamos de la misma forma, en enero el maíz consume 2 mm/día, y el trigo tiene necesidad hídrica nula:

Además, se toma como unidad de área atendida por un mismo sistema híbrido el doble de la anterior, 240 hectáreas (120 algodón y 120 maíz y trigo), para obtener resultados comparables con los de 4 pívots.

El cálculo anterior se repite para todos los cultivos durante todo el año, obteniendo así un calendario con las horas de riego necesarias al día que cambia cada mes y que incluye algodón, maíz y trigo en 240 hectáreas. Dicho resultado puede encontrarse en el Anexo en la Tabla 22 junto con los resultados intermedios en las tablas anteriores.

A continuación, se presenta un esquema básico de la unidad de área atendida por un sistema híbrido de energía y su estructura.

55

Ilustración 32. Esquema del área tomada como unidad de demanda energética

En las siguientes tablas se recogen las horas de riego al día para cubrir la demanda con la pluviometría calculada para nuestro diseño. Se ha variado bajando los meses críticos por exceso para que la necesidad por campaña disminuya, acercándose a la suministrada por el cliente.

Tabla 22. Demanda horaria del algodón 1

Algodón Octubre Noviembre Diciembre Enero

Demanda de un sector (mm/día) 1 3 6 8

Suministro de riego (mm/h) 1,36 1,36 1,36 1,36

Tiempo de trayectoria del agua (h) 0,778 0,778 0,778 0,778

Tiempo necesario para tres sectores (h)

4,5 9,0 15,6 20,0

Tabla 23. Demanda horaria del algodón 2

Algodón Febrero Marzo Abril Mayo



56




13,4 0 0 0

Tabla 24. Demanda horaria del trigo 1

Trigo Junio Julio Agosto Septiembre

Demanda de un sector (mm/día) 0,6 1,6 2,3 3,2




3,7 5,9 7,4 9,4

Tabla 25. Demanda horaria del trigo 2

Trigo Octubre Noviembre Diciembre

Demanda de un sector (mm/día) 5,8 5,9 0,9

Suministro de riego (mm/h) 1,36 1,36 1,36

Tiempo de trayectoria del agua (h) 0,778 0,778 0,778


15,1 15,3 4,3

Tabla 26. Demanda horaria del maíz

Maíz Enero Febrero Marzo Abril





6,7 15,6 15,6 9,0

Una vez obtenidas las horas de riego y el caudal en cada hora, nos disponemos a obtener la potencia necesaria para bombear dicha cantidad de agua. La potencia de la bomba se obtiene a partir de la siguiente fórmula hidráulica, para la que será necesario obtener la altura que debe dar la bomba.

Donde,

57

Para proceder al cálculo de la altura requerida diferenciamos dos tramos de tubería principal, uno que sube del pozo y otro que lleva el agua hasta el centro de la tubería secundaria (manifold). En los cálculos, obtenidos también por AquaFlow, se tienen en cuenta tanto la carga estática como la dinámica.

Tabla 27. Tuberías principales

Elegimos una pérdida de carga media en los filtros y válvulas del sistema de riego por goteo:

Tabla 28. Elementos con pérdida de carga

Hidrociclón (m) 4

Filtro de arena (m) 3

Filtro de malla o anillos (m) 2

Inyector hidráulico (m) 4

Inyector venturi (m) 12

Total (m) 25

La pérdida de carga total es:

Tabla 29. Pérdida de carga del sistema de riego por goteo

Tubería principal 1 (m) 31

Tubería principal 2 (m) 2.2

Elementos de filtrado (m) 25

Tubería secundaria y laterales (m) 15

Total (m) 73.2

Conocidos el caudal y la altura necesarios, podemos seleccionar una bomba capaz de suministrar agua a nuestros cultivos con dichas restricciones.

Se usa como rendimiento de la bomba, el rendimiento de una bomba real sumergible del mismo tamaño. En esta ocasión, hemos optado por hacer uso de la aplicación Grundfos Product Center (GRUNDFOS [Online], Último acceso Julio 2015), donde hacemos un dimensionamiento por aplicación, optando por bombas sumergibles para el suministro de aguas subterráneas.


58

Ilustración 33. Curva de la bomba y punto de funcionamiento de la instalación (GRUNDFOS [Online], Último acceso Julio 2015)

En este punto tenemos dos opciones:

Usar la potencia obtenida de forma teórica (83.21 kW).

Usar la potencia obtenida de un catálogo real (83.5 kW o más).

En este caso, la bomba correcta sería una mayor a la de la Ilustración 33, ya que la curva de la bomba está muy ajustada al punto de funcionamiento, lo que podría causar problemas en el funcionamiento real. La bomba más adecuada según el catálogo de Grundfos sería de 103 kW.

Para unificar los resultados usaremos el cálculo teórico de la potencia de la bomba, consiguiendo de esta forma la igualdad de demandas entre los casos de riego estudiados, con la finalidad de que los resultados sean comparables.

Una vez tenemos la potencia de la bomba y las horas necesarias de riego al día, es inmediato calcular el calendario de riego centrando el riego para aprovechar el máximo de horas de sol al día. En la Ilustración 34 se encuentra el esquema de riego en un día tipo de enero, cuando se regarán 20 horas el algodón y 6.7 horas el maíz simultáneamente. Dicho calendario se encuentra completo en el Anexo.

59

Ilustración 34. Demanda horaria de un día tipo en enero por hectárea

En la Ilustración 35 se representa el perfil de la demanda mensual de energía específica por hectárea durante todo el año. En dicha demanda se incluyen la demanda de algodón, trigo y maíz. Se aprecia, como era de esperar, que la demanda máxima se da en los meses de verano, época en los que también se dará la máxima producción por parte de los módulos fotovoltaicos.

Ilustración 35. Demanda de energía mensual por hectárea

3.3.2 Pívot

Realizamos una adaptación de los datos del cliente sobre el pívot central para ceñirnos regando en las horas de sol mediante una reducción dentro de lo posible de las horas de riego al día aumentado el tamaño de la bomba y por tanto, la pluviometría. Con la altura y el

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Po

ten

cia

esp

ecíf

ica

(kW

/ha)

Horas

0

100

200

300

400

500

600

700

Ener

gía

esp

ecíf

ica

(kW

h/h

a)


60

caudal conocidos, obtendremos la potencia de la bomba adecuada en el catálogo Grundfos Product Center.

Debido a que entre nuestros objetivos está maximizar la integración de energías renovables para disminuir el uso de generación diésel o baterías y rentabilizar el sistema y que esto se puede conseguir variando el perfil de demanda para acercarla al perfil de producción de energía fotovoltaica; aumentaremos el caudal de la bomba para aumentar la pluviometría del pívot, disminuyendo así las horas de riego. Además, si centramos estas horas de riego en horas de radiación solar alta, la eficiencia del sistema aumentará. Sin embargo, hay meses críticos en los que la limitación del pozo y la gran necesidad hídrica harán que sea inevitable que el sistema funcione durante parte de la noche, y en esos momentos será el generador diésel el que suministre toda la energía. Para minimizar las horas de funcionamiento nocturno usamos como caudal el límite máximo del pozo.

Bomba del cliente:


Altura≈80 m

Siguiendo los cálculos recomendados por Traxco:

Velocidad de la última torre:

Suponemos una velocidad del eje de salida del motor de 48 rpm con ruedas estándar de 11.2x24, resultando una velocidad de 3 m/min. Se comprueba fácilmente que es la velocidad usada por el cliente ya que usando las fórmulas de Traxco con esa velocidad, el caudal obtenido anteriormente de 226 m3/h y la pluviometría, obtenemos una necesidad de riego de 23 horas en el periodo crítico, como ya se conocía.

Cálculo de la longitud de recorrido de la última torre por vuelta y de la duración de una vuelta:

Ilustración 36. Duración de una vuelta según la posición del selector (TRAXCO, (Última visita agosto 2015))

Cantidad de agua aplicada según la posición del selector de velocidad:

15.85 19.8 26.42 39.625 79.25

61

Y finalmente con el parámetro k hallamos la aplicación de agua según el posicionamiento del selector de velocidad, pudiendo escoger la cantidad de aplicación de agua según la posición de dicho selector de velocidad en el porcentaje deseado.

Ilustración 37. Pluviometría en una vuelta según posición del selector (TRAXCO, (Última visita agosto 2015))

Con el cálculo inverso podemos obtener el tiempo que debe tardar el pívot en dar una vuelta completa para suministrar la necesidad hídrica en cada caso.

En enero, la necesidad hídrica será de 8 mm/día para algodón, por lo que calculamos lo que debe durar una vuelta del pívot para que suministre esa cantidad de agua al cultivo:

Bomba supuesta para disminuir las horas diarias de riego (Caso con restricción de caudal en el pozo):


Altura=81 m

Modelo SP-270-3A

6.82 8.53 11.37 17.06 34.11


62

Se hace necesario hacer un plan de riego según la necesidad hídrica y debido a que la pluviometría mínima que puede dar el pívot en una vuelta es 6,82 mm/vuelta, los meses de baja demanda se usará dicho caudal regando días alternos para no saturar el cultivo.

Conociendo la necesidad hídrica del cultivo y la capacidad de riego de nuestro sistema, podemos diseñar el horario y el calendario de riego.

El primer paso es obtener la pluviometría:

Así, en el mes de máxima demanda, enero, el requerimiento es de 8 mm/día de riego para algodón:

Siguiendo este método obtenemos el tiempo necesario todos los meses del año para los diferentes cultivos y a continuación, repartimos dichas horas de riego a lo largo del día, según las horas de más radiación cada mes. Se pueden encontrar en el Anexo todos los resultados referidos. Hacemos un calendario de demanda horaria donde se incluye la potencia necesaria para la bomba y la potencia de los motores que hacen girar el pívot.

Para optimizar la generación de energía, agruparemos cuatro pívots por cada planta híbrida. De esta forma el precio de la planta se optimiza gracias a la economía de escala, el perfil de la demanda de energía se vuelve más plano al sumar la demanda de algodón, trigo y maíz ya que agrupamos pívots con rotación inversa dos a dos. La planta híbrida en el caso de pívot, se instalará en el área existente entre los cuatro pívots, por lo que se aprovecha el espacio. Este área, si los pívots son de 65 ha, es de 23,68 ha. En la Ilustración 38 se observa un esquema básico del área de riego.

Ilustración 38. Unidad de cultivo a la que suministra energía una planta híbrida

63

En la gráfica siguiente se observa la demanda de energía total por hectárea de los cuatro pívots y la demanda horaria por hectárea en un día tipo de enero.

Ilustración 39. Demanda mensual por hectárea de los 4 pívots

Ilustración 40. Demanda horaria de cuatro pívots en un día tipo de enero

3.4 Optimización sistema energético

3.4.1 Diseño de la planta híbrida para goteo subterráneo

3.4.1.1 Dimensionamiento planta fotovoltaica

Para obtener el tamaño óptimo de la planta fotovoltaica atendemos distintas especificaciones:

0

100

200

300

400

500

600 kW

h/h

a

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

kW/h

a

Horas


64

Se debe cubrir el pico de potencia demandada de 333 kW.

Máximo rendimiento económico: comparamos distintos tamaños de la planta fotovoltaica y nos quedamos con el mínimo coste de energía (LCOE) y mínimo valor actual neto (VAN), que cumpla el resto de especificaciones.

Exigimos un mínimo de energía demandada cubierta por energía renovable (o lo que es lo mismo, maximizamos la penetración renovable).

El precio de los módulos usado incluye tanto el precio del inversor como el de la estructura necesaria para dichos módulos.

Tabla 30. Coste instalación fotovoltaica

Coste de la fotovoltaica

instalada (€/Wp) O&M (€/año)

1.375 1200

3.4.1.2 Dimensionamiento del generador

El generador debe tener la potencia máxima demandada, ya que será necesario para regar en horas nocturnas y complementar los días nublados.

El generador elegido y su coste se recogen en la Tabla 31. Los costes son aproximados, y se han obtenido de un estudio sobre costes medios realizado por Atria FS Smart Energy Solutions.

Tabla 31. Características del generador

Capacidad (kW) Capital (€) O&M (€/h) Diésel (€/L)

335 112853,1 2.5 0.8

La curva de rendimiento del generador usada para simular el comportamiento en Homer Pro es:

Ilustración 41. Eficiencia del generador diésel

3.4.1.3 Dimensionamiento de las baterías

Dimensionamos el sistema de baterías atendiendo a la potencia necesaria para que sea posible el arranque del generador diésel en caso de que los módulos fotovoltaicos no estén produciendo, es decir, deben ser capaces de cubrir 335 kW. Para decidir qué tipo de batería de Ion – Litio usar, simulamos el mismo sistema con tres tipos de baterías distinto, de la misma casa pero con distinto C - Rate.

65

Tras comparar el resultado económico de la simulación para Saft IM 20P (C – Rate de 4), Saft Synerion 20M (C - Rate de 2) y Saft Synerion 20E (C – Rate de 1), obtenemos de Homer Pro que la mejor opción según el LCOE de mi proyecto es la instalación de 58 baterías Saft IM 20P.

Tabla 32. Características de las baterías

Capacidad (kWh) Capital (€) O&M (€/año) Autonomía (h)

83.52 124146 290 0.6

Las cuales se usarán para el arranque del generador como se explicó con anterioridad.

3.4.1.4 Dimensionamiento del inversor

La instalación constará de dos tipos de inversores, uno conectado a los módulos fotovoltaicos y otro al sistema de almacenamiento.

El tamaño que debe tener el inversor de la simulación será la potencia máxima que pueden suministrar las baterías, ya que el inversor necesario para los módulos fotovoltaicos ya se incluyó en su precio.

Se ha incluido en el proyecto la oferta de un suministrador para los inversores de la planta. Donde se encuentra el coste, tamaño y características de los inversores para los módulos fotovoltaicos y los inversores para las baterías. El coste para el inversor de los módulos en este caso será 70800 €, aunque como se ha dicho este valor ya está incluido en su precio, y el coste para el inversor para almacenamiento será de 99550 €. Sin embargo, hay que tener en cuenta que en el coste anterior no se incluyen los cables, el transformador de intensidad, contadores, vatímetros, etc., por esa razón incluiremos un coste adicional de 55000 € en cada caso, que es lo que se estima que costará, avalado por otros proyectos desarrollados por Atria FS Smart Energy Solutions.

Tabla 33. Características del inversor para almacenamiento

Capacidad (kW) Capital (€) O&M (€/año)

500 99550 1700

Tabla 34. Coste adicional (transformador, cables, etc.)

Capital (€)

55000

Es importante destacar el eje y motivo de incluir dicha oferta, la cual propone una configuración de inversores capaz de controlar el funcionamiento de la planta, evitando así el gasto del sistema de control. Se incluye en el Anexo un esquema unifilar para entender la interacción de los inversores y las características técnicas de estos.

En una fase final del proyecto la empresa suministradora se compromete a ajustar el tamaño del inversor, lo que ajustaría también el precio, quedándonos en este caso en el lado de la seguridad.

3.4.1.5 Simulación en HOMER PRO

Hacemos una simulación para distintos tamaños de potencia fotovoltaica instalada, y teniendo en cuenta la penetración, comparamos el coste de energía en cada caso para definir el caso óptimo.


66

Las opciones con menor coste de la energía corresponden a la instalación de 550 kWp y 600 kWp de fotovoltaica, con un LCOE de 0.153 €/kWh, lo que nos lleva a definir como el punto óptimo el caso de 600 kWp de fotovoltaica instalados, debido a su mayor penetración renovable, el mismo LCOE y un menor valor actual neto, según los resultados de Homer Pro.

Ilustración 42. Evolución del coste de energía y la penetración renovable frente al tamaño de la planta

Ilustración 43. Evolución del coste de energía frente a la penetración renovable

Simulando el sistema híbrido con todos los elementos fijados excepto el tamaño de la planta fotovoltaica se observa que el resultado con un menor LCOE y VAN presenta las siguientes características.

Tabla 35. Características de la planta híbrida óptima

Fotovoltaica instalada (kW)

Capacidad baterías (kWh)

Generador diésel (kW)

Inversor (kW) Penetración

(%)

600 106 335 500 70

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0,15

0,155

0,16

0,165

0,17

0,175

300 500 700 900 1100

Pe

ne

trac

ión

Re

no

vab

le (

%)

LCO

E (€

)

Potencia Fotovoltaica Instalada (kW)

LCOE (€/kWh) Penetración (%)

0,15

0,155

0,16

0,165

0,17

0,175

50 55 60 65 70 75 80

LCO

E (€

/kW

h)

Penetración (%)

Solución propuesta

Solución propuesta

67

Tabla 36. Costes de la planta híbrida óptima

LCOE (€/kWh) Capital Planta

Híbrida Completa (€)

O&M de la planta sin

combustible (€/año)

Consumo diésel (€/año)

Capital específico

(€/ha)

0,153 1216549 11470 58805 5069

El inversor incluido es el ofertado por el suministrador, cabiendo la posibilidad de ajustar su tamaño en una fase más avanzada del proyecto.

Ilustración 44. Demanda frente a la producción de potencia fotovoltaica en un día

De forma ilustrativa, observamos a continuación el porcentaje de los costes de capital que pertenece a cada componente. Siendo BoP (balance of plant) el conjunto de sistemas auxiliares necesarios en la planta.

Ilustración 45. Reparto de costes de capital para goteo

0

100

200

300

400

500

600

700

0:1

0

1:1

0

2:1

0

3:1

0

4:1

0

5:1

0

6:1

0

7:1

0

8:1

0

9:1

0

10

:10

11

:10

12

:10

13

:10

14

:10

15

:10

16

:10

17

:10

18

:10

19

:10

20

:10

21

:10

22

:10

23

:10

kW

PV out Demanda en enero

68%

9% 10%

13%

Planta fotovoltaica

Generador diésel

Baterías

BoP


68

3.4.2 Diseño de la planta híbrida para pívot



Se debe cubrir el pico de potencia demandada: 413 kW.

Máximo rendimiento económico: comparamos distintos tamaños de fotovoltaica y nos quedamos con el máximo TIR que cumpla el resto de especificaciones.

Exigimos un mínimo de energía demandada cubierta por energía renovable.





1.375 1200



El generador elegido y su coste se recogen en la siguiente tabla:



420 128625 2.7 0.8



69


Para decidir qué tipo de batería de Ion – Litio usar, simulamos el mismo sistema con tres tipos de baterías distinto, de la misma casa pero con distinto C - Rate.

Tras comparar el resultado económico de la simulación para Saft IM 20P (C – Rate de 4), Saft Synerion 20M (C - Rate de 2) y Saft Synerion 20E (C – Rate de 1), obtenemos de Homer Pro que la mejor opción según el TIR de mi proyecto es la instalación de 74 baterías Saft IM 20P.



106.56 139194 370 0.75



El tamaño que debe tener el inversor de la simulación será el de las baterías, ya que el inversor necesario para los módulos fotovoltaicos ya se incluyó en su precio.

En este caso el precio de la oferta para el inversor tanto de los módulos fotovoltaicos, como el necesario para el almacenamiento es el mismo que en caso anterior, 70800 € para los módulos y 99550 € para el almacenamiento. Y también será necesario contar con el coste adicional del transformador de intensidad, los cables, los contadores y vatímetros principalmente.

Tabla 40. Características del inversor para almacenamiento


500 99550 2100


Capital (€)

55000

Como dijimos anteriormente, en una fase final del proyecto la empresa suministradores ajustaría el tamaño del inversor, lo que ajustaría también el precio, quedándonos en este caso en el lado de la seguridad.


De nuevo, hacemos una simulación para distintos tamaños de potencia fotovoltaica instalada, y teniendo en cuenta la penetración renovable, comparamos el coste de energía (LCOE) en cada caso, variable que define nuestro caso óptimo. En caso de igual coste de la energía evaluaremos la penetración y el valor actual neto (VAN) obtenido con Homer pro con interés nulo.

Las opciones con menor coste de la energía corresponden a la instalación de 600 kWp y 650 kWp de fotovoltaica, con un LCOE de 0.141 €/kWh, lo que nos lleva a definir como el punto óptimo el caso de 650 kWp de fotovoltaica instalados, debido a su mayor penetración renovable (71 % frente a 70 %), el mismo LCOE y un menor VAN (2464018 € frente a 2467475 €), según los resultados de Homer Pro.


70



Tabla 42. Características de la planta híbrida





(%)

600 106 420 500 64

Tabla 43. Costes de la planta híbrida






Capital específico

(€/ha)

0,169 1274151 11540 67835 4901

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0,165

0,17

0,175

0,18

0,185

0,19

300 500 700 900 1100

Pe

ne

trac

ión

Re

no

vab

le (

%)

LCO

E (€

)



0,165

0,17

0,175

0,18

0,185

0,19

48 53 58 63 68 73

LCO

E (€

/kW

h)

Penetración (%)

Solución propuesta

71

El inversor incluido es el ofertado por el suministrador, cabiendo la posibilidad de ajustar su tamaño en una fase más avanzada del proyecto.

Ilustración 49. Demanda frente a la producción de potencia fotovoltaica en un día

Reparto de costes de capital entre los componentes principales de la planta:

Ilustración 50. Reparto de costes de capital para pívot

Con todos los elementos de la planta de energía hibrida definidos y sus respectivos costes nos disponemos a realizar el balance económico.

3.4.3 Balance económico

Para evaluar la rentabilidad de nuestro sistema frente a un sistema de las mismas características conectado a la red, haremos una comparación entre los costes de operación y mantenimiento actualizados de cada uno y los costes iniciales como se observa en el siguiente balance:

0

100

200

300

400

500

600

700

0:1

0:0

0

1:1

0:0

0

2:1

0:0

0

3:1

0:0

0

4:1

0:0

0

5:1

0:0

0

6:1

0:0

0

7:1

0:0

0

8:1

0:0

0

9:1

0:0

0

10

:10

:00

11

:10

:00

12

:10

:00

13

:10

:00

14

:10

:00

15

:10

:00

16

:10

:00

17

:10

:00

18

:10

:00

19

:10

:00

20

:10

:00

21

:10

:00

22

:10

:00

23

:10

:00

kW

PV out Demanda en enero

65%

10% 12%

13%

Planta fotovoltaica

Generador diésel

Baterías

BoP


72

COSTE INICIAL HÍBRIDA

< COSTE INICIAL RED

- O&M ACTUALIZADO HÍBRIDA (VAN) - O&M ACTUALIZADO RED (VAN)

Para entender el balance, se puede ver que simplemente despejamos un coste inicial de la red de la ecuación que surge al igualar la fórmula del VAN para los dos casos. Sin embargo, el coste inicial que conlleva el sistema conectado a la red es desconocido, por lo que será nuestro resultado, de forma que obtendremos el coste mínimo que debe tener la conexión de nuestros cultivos a la red para que el sistema de energía híbrido sea rentable.

Para entender el concepto del coste inicial asociado al sistema conectado a red, lo desglosamos en dos variables inversamente proporcionales, la distancia a la red más cercana y el sobrecoste que tiene el terreno donde están nuestros cultivos, por el hecho de estar cercano a una línea de media tensión o estar ya conectado (caso de máximo sobrecoste).

La variable económica que nos aporta dicho resultado es el Valor Actual Neto (VAN), con la cual conseguimos actualizar los flujos de caja para que puedan ser introducidos en el balance:

(Wikipedia, (Última visita agosto 2015))

En resumen, como no disponemos del coste inicial asociado al sistema conectado a la red, no podemos comparar los dos sistemas mediante variables como la Tasa Interna de Retorno (TIR), por ello calculamos el valor actualizado a 20 años de los flujos de caja de los dos sistemas por separado. De forma que quedan desglosados los costes anuales y los iniciales de ambos sistemas, pudiendo así despejar el coste inicial que debería tener asociado el sistema conectado a la red para que el híbrido fuese rentable.

A continuación, nos disponemos a obtener dichos flujos de caja para los dos perfiles de demanda que hemos desarrollado, goteo subterráneo y pívot.

3.4.3.1 Goteo

3.4.3.1.1 Flujos de caja del sistema conectado a la red

Si el sistema estuviese conectado a la red eléctrica argentina, su coste variable sería el precio de la electricidad por la energía gastada durante todo el año, más el coste fijo dependiente de la potencia contratada. El cliente nos ha facilitado un precio promedio de lo que suelen pagar. El cambio de moneda se ha hecho a 24 de Abril de 2015.

73

Tabla 44. Coste específico promedio de la electricidad en La Rioja

Coste de la electricidad dado por

el cliente

USD/MWh 84

€/MWh 78.27

€/kWh 0.078

De nuestro calendario de carga para el riego por goteo, obtenemos la energía demandada al mes. A partir de la cual obtenemos el coste eléctrico al mes. Pueden encontrarse dichos costes en el Anexo en la Tabla 81.

Ilustración 51. Coste mensual de la red eléctrica

Sumando los costes mensuales obtenemos el coste anual si estuviéramos conectados a la red eléctrica. Consideramos dicho coste anual como un ahorro al obtener la rentabilidad de nuestro sistema híbrido.

Coste total anual (€)

67058

Para actualizar los costes anuales durante 20 años (n), introducimos el coste anterior (flujo de caja) en la fórmula del VAN con un 0 % de interés (r). Obteniendo el coste de operación y mantenimiento actualizado del sistema conectado a red:

VAN -1341154

3.4.3.1.2 Flujos de caja y coste inicial del sistema híbrido

En esta ocasión, los flujos de caja durante un periodo de 20 años, los obtenemos de Homer Pro, el cual simula el funcionamiento de cada elemento y tiene en cuenta el coste de operación y mantenimiento de cada uno. También obtenemos el coste inicial de la instalación, pero lo separaremos, como hicimos en el caso de conexión a red, para poder hacer un balance equilibrado. Los costes usados por Homer Pro se introdujeron como datos de entrada y provienen de suministradores de la empresa Atria FS Smart Energy Solutions.


70275

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Co

ste

me

nsu

al (€

)


74

Tomando este valor como el flujo de caja para cada año, durante 20 años, con un 0 % de interés, obtenemos el coste de operación y mantenimiento actualizado del sistema híbrido:

VAN -1405500

Como ya expusimos al hacer el cálculo, el coste inicial del sistema híbrido obtenido de Homer Pro es:

Coste inicial (€) 1216549

3.4.3.1.3 Comparación de ambos sistemas

Con todos los datos en el caso de goteo, ya podemos despejar el ‘Coste inicial requerido’ del sistema conectado a red del balance del VAN:

COSTE INICIAL HÍBRIDA <

COSTE INICIAL RED

- O&M ACTUALIZADO HÍBRIDA

+ O&M ACTUALIZADO RED

COSTE INICIAL HÍBRIDA 1216549 €

+ O&M TOTAL ACTUALIZADO DIFERENCIA 64346 €

COSTE INICIAL RED 1280895 €

Para entender el balance, se puede ver que simplemente despejamos un coste inicial de la red de la ecuación que surge al igualar la fórmula del VAN para los dos casos.

Observamos en la comparación que los costes anuales de nuestro sistema híbrido son muy cercanos a los del sistema base conectado a red, siendo aproximadamente de 67000 € anuales en el sistema híbrido y de 70000 € en el caso base, cuya diferencia puede deberse a aproximaciones en los costes, o puede verse afectada por un año con abundantes o escasos recursos naturales, variables que provocarían la mínima variación posible entre ambos costes anuales y que sólo ellas ya podrían conseguir que se igualaran.

Además, existen dos parámetros esenciales con alta variabilidad que influirán en dichos costes anuales, como son el coste de la energía de la red eléctrica argentina y el precio del diésel, y cada uno de ellos influirá en uno de los sistemas comparados. Debido a la alta probabilidad de que los valores tomados para ambas variables cambien a lo largo de los 20 años de vida del proyecto, para evitar cálculos falsos supondremos que la variación de ambas puede ser similar. Esto nos permite descomponer los costes de cada sistema en fijos (capital inicial) y variables (operación y mantenimiento anual) y en este caso concreto incluso podríamos limitar la comparación a los costes fijos.

Como resultado, exigimos como seguro de rentabilidad que el sistema base conectado a red tenga un coste inicial igual o mayor al capital inicial del sistema híbrido más la diferencia entre los costes variables del sistema conectado a red y el sistema híbrido.

Y con ese valor descomponemos las condiciones límite para que nuestro sistema sea rentable. Si no existe sobrecoste del terreno, nos encontramos el límite superior de la

75

distancia de mi terreno a la red más cercana. Dicho valor se calcula con la hipótesis de 40 €/m como coste medio de tirar una red.

Tabla 45. Coste promedio de instalación de la red desde nuestro terreno hasta la toma más cercana de la red eléctrica

Coste promedio de instalación de la red

40 €/m

Por otro lado, suponiendo que tirar la red no tiene coste, porque nuestro terreno ya está conectado, podemos dividir el coste inicial de la red entre el área ocupada por mi terreno, obteniendo el límite superior del sobrecoste por hectárea que podría tener mi terreno si estuviese conectado a red. Es decir, ese valor es la mínima rebaja que debería tener el terreno aislado, frente a otro conectado a red, para obtener rentabilidad.

Tabla 46. Análisis del coste inicial del proyecto conectado a red

RESULTADOS

Área regada 240 ha

Coste inicial red 1280895 €

Distancia máxima a la red eléctrica más cercana (si no hay sobreprecio del terreno)

32 km

Incremento máximo del precio de terreno (si no se tira red) 5337 €

Para comparar fácilmente la rentabilidad de nuestro proyecto frente a otro cualquiera conectado a la red, suponiendo las mismas condiciones meteorológicas, el mismo tipo de suelo, la misma área, y los mismos cultivos, y tomando como variables la distancia a la red eléctrica y el sobre coste del terreno, de forma que en cada punto de la línea dibujada, la suma de dicho sobrecoste y el coste que supone conectar nuestro terreno a la red eléctrica, da como resultado el coste inicial de la red despejado en la tabla anterior.

Ilustración 52. Reparto lineal de costes para goteo

En el área superior de la Ilustración 52 es la zona rentable, de forma que la línea azul marca el coste mínimo que debe tener un terreno ya conectado a red por la compañía o por nosotros, para que el sistema híbrido sea rentable.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 So

bre

co

ste

po

r h

ectá

rea (

€/h

a)

Distancia a la red (km)


76

3.4.3.2 Pívot

3.4.3.2.1 Flujos de caja del sistema conectado a la red

Usamos el mismo precio de la electricidad de la red eléctrica como caso base. El cambio de moneda se ha hecho a 24 de Abril de 2015 como en el caso anterior.



el cliente

USD/MWh 84

€/MWh 78.27

€/kWh 0.078

De nuestro calendario de riego del pívot, obtenemos la energía demandada al mes. A partir de la cual obtenemos el coste eléctrico al mes.


Se obtiene el coste total al año:


66209

Tomamos como flujos de caja del sistema conectado a red el coste total anual de la electricidad durante 20 años (sin tener en cuenta el coste inicial). Introduciendo dichos flujos en la fórmula del valor actual neto, a 20 años y con un 0 % de interés, obtenemos el coste de operación y mantenimiento actualizado del sistema conectado a red:

VAN -1324185

3.4.3.2.2 Flujos de caja y coste inicial del sistema híbrido de 600 kWp

De nuevo, los flujos de caja los obtenemos de Homer Pro, el cual simula el funcionamiento de cada elemento durante un periodo de 20 años, y tiene en cuenta el coste de operación y

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Co

ste

me

nsu

al (€

)

77

mantenimiento de cada uno. También obtenemos el coste inicial de la instalación, pero lo separaremos para poder hacer un balance equilibrado como hicimos en el caso de conexión a red. Los costes usados por Homer Pro se introdujeron como datos de entrada y provienen de suministradores de la empresa Atria FS Smart Energy Solutions.


-79375

Tomando este valor como el flujo para cada año, con un 0 % de interés, obtenemos el coste de operación y mantenimiento del sistema híbrido actualizado a 20 años:

VAN -1587500

El coste inicial del sistema híbrido obtenido de Homer Pro es:


3.4.3.2.3 Comparación de ambos sistemas

Con todos los datos en el caso de pívot, ya podemos despejar el coste inicial del sistema conectado a red del balance:


< COSTE INICIAL RED

- O&M ACTUALIZADO HÍBRIDA + O&M ACTUALIZADO RED


+ O&M TOTAL ACTUALIZADO 263315 €


En esta ocasión también observamos en la comparación que los costes anuales de nuestro sistema híbrido son muy cercanos a los del sistema base conectado a red, siendo de 79000 € anuales en el sistema híbrido y de 66000 € en el caso base, cuya diferencia también puede deberse a aproximaciones en los costes, o puede verse afectada por un año con abundantes o escasos recursos naturales, y además también estarán influidas durante los 20 años de vida útil por la alta variabilidad del coste de la energía de la red eléctrica argentina y al precio del diésel.

Y con el mínimo sobrecoste exigido para el sistema base conectado a red descomponemos las condiciones límite para que nuestro sistema sea rentable.

Si no existe sobrecoste del terreno, nos encontramos el límite superior de la distancia de mi terreno a la red más cercana. Dicho valor se calcula con la hipótesis de 40 €/m como coste medio de tirar una red.

Si el terreno ya está conectado a red, el coste del sistema base se deberá completamente al sobrecoste de dicho terreno, y podemos dividir el coste inicial de la red entre el área ocupada por mi terreno, obteniendo el límite superior del sobrecoste por hectárea. Es decir, ese valor es la rebaja mínima que debería tener el terreno aislado, frente a otro conectado a red, para obtener un proyecto rentable.


78



40 €/m


RESULTADOS

Área regada 260 ha



38 km

Incremento máximo del precio de terreno (si no se tira red) 5913 €/ha

Para comparar fácilmente la rentabilidad de nuestro proyecto frente a otro cualquiera conectado a la red, suponiendo las mismas condiciones meteorológicas, el mismo tipo de suelo, la misma área, y los mismos cultivos, y tomando como variables la distancia a la red eléctrica y el sobre coste del terreno, de forma que en cada punto de la línea dibujada, la suma de dicho sobrecoste y el coste que supone conectar nuestro terreno a la red eléctrica, da como resultado el coste inicial de la red despejado en la tabla anterior.

Ilustración 54. Reparto lineal de costes para pívot

Otra forma de interpretar la gráfica es, como en el caso anterior, que la línea azul marca el coste mínimo que debe tener un terreno ya conectado a red por la compañía o por nosotros, para que el sistema híbrido sea rentable.

En la

Tabla 93 del Anexo se observan los valores usados en la gráfica anterior, donde se observa el reparto de costes entre la distancia de la toma más cercana de la red y el coste del terreno, necesario para la rentabilidad de nuestro sistema.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

So

bre

co

ste

po

r h

ectá

rea (

€/h

a)


79

4 CAPÍTULO 4: ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

En el presente capítulo se pretende extender los resultados anteriores a otras localizaciones con características distintas, así como analizar la influencia de los costes variables a lo largo de la vida del proyecto.

4.1 Riego por goteo subterráneo sin restricción de caudal en el pozo

Desarrollamos un caso de goteo subterráneo para conocer el límite inferior del coste de nuestro sistema. Dicho caso no cumplirá la restricción del pozo, con el fin de ceñir el riego solo a las horas de sol incluso en la época de máxima demanda. La principal utilidad de este caso radica en la alta penetración renovable que tendrá, lo que implica que será menos sensible a una futura variación de los costes variables.

Los principales costes variables que influyen en la rentabilidad del proyecto son el coste del diésel, cuya subida hará más caro el sistema híbrido, y el coste de la energía de la red eléctrica, cuya subida hará más rentable la planta híbrida. Ambos costes tienen una variabilidad significativa y a veces, incluso están relacionadas, por tanto conseguir un sistema de generación de energía estable que no se vea tan afectado por estas inevitables variaciones es un gran avance tecnológico. La penetración renovable puede ser un medidor de esta estabilidad del sistema frente a los costes variables, por ello, el aumento de la penetración es uno de los puntos a tener en cuenta en el estudio de sensibilidad.

Para hacer un estudio de la influencia de los límites de extracción de agua, tomamos un caso igual al nuestro pero sin límite de distancia ni límite de caudal en los pozos. Ambos casos deben tener la misma demanda, siendo la única diferencia las horas de riego al día, de forma que en el caso que nos ocupa ahora es posible centrar las horas de riego entre las horas de sol, aumentando de esta forma la penetración de energía renovable de nuestro sistema de energía híbrido.

4.1.1 Diseño del sistema de riego

Volvemos a hacer un diseño usando la herramienta AquaFlow, esta vez eliminando la especificación del caudal máximo que se puede obtener por hectárea y buscando en su lugar la menor pluviometría que nos permita regar solo en las horas del día. Dicha pluviometría será mayor que la del capítulo 3, y por tanto, la potencia de la bomba será mayor, para poder regar en menos tiempo.

Variables y resultados del diseño:



80


Obtenemos un diagrama del coeficiente de uniformidad del sector de 10 hectáreas, donde la línea media que se observa es la tubería que suministra agua a los laterales. En el Anexo además, se presentan otros resultados de AquaFlow tales como el comportamiento del fluido en el interior de los laterales.


Tanto los laterales como el colector cumplen un coeficiente de uniformidad del 95 %. La pluviometría es de 2.58 mm/h y el caudal total del sector de 10 hectáreas es 258.2 m3/h. Con estos resultados podemos tomar las siguientes decisiones e hipótesis:

Se riegan dos sectores simultáneamente con el mismo esquema de riego que en el capítulo 3.

El número de sectores regados sucesivamente será el mismo que en el capítulo 3, de forma que serán tantos como sea posible sin sobrepasar las 13 horas de sol en este periodo.

El tiempo de trayectoria de los laterales será incluido en el tiempo de riego de cada sector, ya que suponemos que se vaciarán de un día a otro al no tener pared rígida y al existir presión atmosférica en el exterior.

Puesto que el algodón es el cultivo con máxima necesidad hídrica será el cultivo que define el sistema de riego, y la parte del terreno que tiene maíz y trigo tendrá el mismo sistema de goteo con la misma pluviometría, variando únicamente el tiempo de funcionamiento según la necesidad hídrica de cada cultivo y el periodo en el que se encuentre.

81

Se buscará igualar todo lo posible el área atendida con un mismo sistema de energía en el goteo subterráneo y en el pívot. Modificando en todo caso el área del sistema de goteo ya que el área de un pívot ha sido fijada por el cliente.

Dado que la necesidad hídrica total por campaña obtenida es mayor que la facilitada por el cliente, bajamos la necesidad hídrica de los meses críticos por peligro de exceso de agua para conseguir una demanda más realista. Localizamos dichos meses en la fenología de cada cultivo. Es decir, usamos la misma necesidad hídrica que en el capítulo 3.

Suponemos la misma altura requerida del sistema de bombeo.

Ahora obtenemos el horario y calendario de riego, observando cómo disminuyen las horas de riego gracias al aumento de la pluviometría.

Tabla 50. Demanda horaria del algodón 1/2

Algodón Octubre Noviembre Diciembre Enero





2,33 4,66 8,14 10,47

Tabla 51. Demanda horaria del algodón 2/2

Algodón Febrero Marzo Abril Mayo





6,98 0 0 0

Tabla 52. Demanda horaria del trigo 1/2

Trigo Junio Julio Agosto Septiembre

Demanda de un sector (mm/día) 0,6 1,6 2,3 3,2




1,86 3,03 3,84 4,89

Tabla 53. Demanda horaria del trigo 2/2

Trigo Octubre Noviembre Diciembre

Demanda de un sector (mm/día) 5,8 5,9 0,9

Suministro de riego (mm/h) 2,58 2,58 2,58

Tiempo de trayectoria del agua (h) 0,778 0,778 0,778


7,91 8,03 2,21


82

Tabla 54. Demanda horaria del maíz

Maíz Enero Febrero Marzo Abril





3,49 8,14 8,14 4,66

Partiendo del nuevo caudal y manteniendo el resto de variables, se obtiene una potencia de bombeo necesaria de:

Con la potencia necesaria y el calendario de riego, es inmediato obtener la curva de demanda de energía. Dicho calendario puede encontrarse en el Anexo de forma detallada, donde se observa que hemos centrado la demanda de agua de cada día entre las horas de más radiación para poder obtener la máxima energía de los módulos fotovoltaicos. A continuación, se presenta en la Ilustración 58 el perfil de demanda de energía horario en un día tipo de enero, dividida entre el número de hectáreas para obtener un resultado específico y más sencillo de comparar. Los dos niveles existentes en la curva pertenecen al riego de algodón y de maíz en enero, los cuales necesitan distinto tiempo de riego para una misma pluviometría.

Ilustración 58. Demanda horaria de un día tipo en enero por hectárea

En la Ilustración 59 se presenta la energía total al mes requerida por cada uno de los casos, con restricción (caso 1) y sin restricción de agua (caso 2), obteniéndose el perfil de demanda anual de forma específica por hectárea. Se hace visible la buena aproximación del caso sin limitación, de forma que su consumo es aproximadamente el mismo que en el caso con limitación de caudal.

0

1

1

2

2

3

3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Po

ten

cia

esp

ecíf

ica

(kW

/ha)

h

83

Ilustración 59. Comparativa de energía al mes por hectárea

4.1.2 Optimización sistema energético



Se debe cubrir el pico de potencia demandada de 632 kW.

Máximo rendimiento económico: comparamos distintos tamaños de la planta fotovoltaica y nos quedamos con el mínimo coste de energía (LCOE) y mínimo valor actual neto (VAN), que cumpla el resto de especificaciones.

Exigimos un mínimo de energía demandada cubierta por energía renovable (o lo que es lo mismo, maximizamos la penetración renovable).





1.375 1200



El generador elegido y su coste se recogen en la Tabla 56. Los costes son aproximados, y se han obtenido de un estudio sobre costes medios realizado por Atria FS Smart Energy Solutions.

0

100

200

300

400

500

600

700 En

ergí

a es

pec

ífic

a (k

Wh

/ha)

Caso 1 Caso 2


84



635 194468.75 3.4 0.8




Dimensionamos el sistema de baterías atendiendo a la potencia necesaria para que sea posible el arranque del generador diésel en caso de que los módulos fotovoltaicos no estén produciendo, es decir, deben ser capaces de cubrir 635 kW. Para decidir qué tipo de batería de Ion – Litio usar, simulamos el mismo sistema con tres tipos de baterías distinto, de la misma casa pero con distinto C - Rate.

Tras comparar el resultado económico de la simulación para Saft IM 20P (C – Rate de 4), Saft Synerion 20M (C - Rate de 2) y Saft Synerion 20E (C – Rate de 1), obtenemos de Homer Pro que la mejor opción según el LCOE de mi proyecto es la instalación de 112 baterías Saft IM 20P.



161.28 231739.2 560 1.17



La instalación constará de dos tipos de inversores, uno conectado a los módulos fotovoltaicos y otro al sistema de almacenamiento.

El tamaño que debe tener el inversor de la simulación será la potencia máxima que pueden suministrar las baterías, ya que el inversor necesario para los módulos fotovoltaicos ya se incluyó en su precio.

85

El diseño de la empresa suministradora de inversores, asigna tres inversores de 250 kW para este caso. El precio se desglosa como anteriormente en dos grupos, inversores y otros equipos (como transformador de intensidad, cables, contadores, etc.).

Tabla 58. Características del inversor


750 149325 3175


Capital (€)

55000


Hacemos una simulación para distintos tamaños de potencia fotovoltaica instalada, y teniendo en cuenta la penetración, comparamos el coste de energía en cada caso, variable que define nuestro caso óptimo.

Simulando el sistema híbrido con todos los elementos fijados excepto el tamaño de la planta fotovoltaica se observa que el resultado con un menor LCOE y VAN presenta las siguientes características.


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,144

0,146

0,148

0,15

0,152

0,154

0,156

0,158

0,16

500 600 700 800 900 1000 1100

Pe

ne

trac

ión

Re

no

vab

le (

%)

LCO

E (€

)




86


Las opciones con menor coste de la energía corresponden a la instalación de 750 kWp y 800 kWp de fotovoltaica, con un LCOE de 0.146 €/kWh, lo que nos lleva a definir como el punto óptimo el caso de 800 kWp de fotovoltaica instalados, debido a su mayor penetración renovable para el mismo LCOE según los resultados de Homer Pro.

Tabla 60. Características de la planta híbrida





(%)

800 161 635 750 86

Tabla 61. Costes de la planta híbrida






Capital específico

(€/ha)

0.146 1749980 11932 24297 7291,6

Se observa cómo disminuye el coste de la energía, al regar sólo durante las horas de día, gracias a la disminución del uso de combustible diésel. De esta forma también aumenta considerablemente la fracción de energía renovable. Se comprueba que el caso sin restricción consigue adaptar mejor la curva de demanda de energía a la curva de producción de la planta fotovoltaica y que esto hace que sea rentable aumentar el tamaño de la planta fotovoltaica instalada, aumentando por tanto, el capital inicial de la planta.

0,144

0,146

0,148

0,15

0,152

0,154

0,156

0,158

0,16

65 70 75 80 85 90 95

LCO

E (€

/kW

h)

Penetración (%)

87

Ilustración 63. Demanda frente a la producción de potencia fotovoltaica en un día tipo

Se observa que el reparto de costes de capital son los habituales y similares a los casos anteriores:

Ilustración 64. Reparto de costes de capital para goteo sin restricción

4.1.3 Balance económico

4.1.3.1 Flujos de caja del sistema conectado a la red

Siguiendo el mismo esquema del balance económico del capítulo 3, obtenemos los siguientes resultados.


RESULTADOS

Área regada 240 ha


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0:1

0

1:1

0

2:1

0

3:1

0

4:1

0

5:1

0

6:1

0

7:1

0

8:1

0

9:1

0

10

:10

11

:10

12

:10

13

:10

14

:10

15

:10

16

:10

17

:10

18

:10

19

:10

20

:10

21

:10

22

:10

23

:10

(kW

) PV out Demanda en enero

63%

12% 13%

12%

Planta fotovoltaica

Generador diésel

Baterías

BoP


88


29 km


Para comparar fácilmente la rentabilidad de nuestro proyecto frente a otro cualquiera conectado a la red, suponiendo las mismas condiciones meteorológicas, el mismo tipo de suelo, el mismo área, y los mismos cultivos, y tomando como variables la distancia a la red eléctrica y el sobre coste del terreno, de forma que en cada punto de la línea dibujada, la suma de dicho sobrecoste y el coste que supone conectar nuestro terreno a la red eléctrica, da como resultado el coste inicial de la red despejado en la tabla anterior.

Ilustración 65. Reparto lineal de costes

En el área superior de la Ilustración 65 es la zona rentable, de forma que la línea azul marca el coste mínimo que debe tener un terreno ya conectado a red para que el sistema híbrido sea rentable.

Puede observarse que el resultado es cercano al obtenido del caso con restricción de pozo, ya que la mejora en el coste anual de la planta híbrida se compensa con su coste inicial más alto a la hora de despejar el coste inicial del sistema conectado a red, ya que como dijimos, la principal ventaja radica en el aumento considerable de la penetración renovable. Para comprobar la consecuente disminución de la influencia de los costes variables sobre este sistema, lo incluiremos como caso a estudiar en los siguientes apartados del análisis de sensibilidad.

4.2 Precio del combustible

El precio del combustible es un coste variable que afecta notoriamente a la rentabilidad de nuestro proyecto ya que disponemos de él para nuestra planta de energía híbrida. Debido a esto, hacemos un estudio de sensibilidad donde el único parámetro variable sea el precio del diésel.

La herramienta Homer Pro nos permite realizar dicho estudio de forma sencilla, manteniendo todas las condiciones de partida y centrándonos en la solución que ya seleccionamos como óptima, sólo nos disponemos a introducir los distintos valores del precio de combustible y extraer las variables de las cuales queremos analizar la evolución.

Pueden encontrarse los datos detallados en el Anexo. A continuación, se representa el aumento del coste de la energía de la planta híbrida al aumentar el coste de combustible en

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

So

bre

co

ste

po

r h

ec

táre

a (

€/h

a)


89

el sistema de goteo subterráneo. En la misma gráfica puede observarse también la evolución del coste inicial que debería suponer la conexión a red para que nuestro sistema fuese rentable (como se hizo en anteriores capítulos) y manteniendo fijo el coste la energía de la red eléctrica.

Ilustración 66. Evolución de variables económicas frente al coste del diésel (goteo)

Puede observarse una evolución con la misma tendencia pero distinta pendiente para el caso del pívot y el caso de goteo sin restricción de caudal de agua analizado en el anterior estudio de sensibilidad.

Ilustración 67. Evolución de variables económicas frente al coste del diésel (pívot)

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4

Co

ste

in

icia

l re

d (

€)

Co

ste

de la e

nerg

ía (

€/k

Wh

)

Precio diésel (€/L)

Coste de la energía (€/kWh)

Coste inicial red (€)

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4

Co

ste

in

icia

l re

d (

€)

Co

ste

de

la e

ne

rgía

(€/k

Wh

)

Precio diésel (€/l)




90

Ilustración 68. Evolución de variables económicas frente al coste del diésel (goteo sin restricción de caudal)

La evolución de las variables económicas en los tres casos es la esperada, sin embargo, el interés de este estudio radica en comparar las pendientes de los distintos sistemas de riego para conocer sobre cuales tiene más y menos influencia la variación del precio del diésel.

Ilustración 69. Influencia del coste del combustible en los distintos sistemas

Como resultado final representamos la misma gráfica anterior pero cambiando el eje horizontal de forma que represente la variación en tanto por ciento del precio del combustible respecto al dato de partida de 0,8 €/l. Teniendo en cuenta que dicho precio del diesel se refiere al coste medio a lo largo de la vida útil.

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

0,125

0,13

0,135

0,14

0,145

0,15

0,155

0,16

0,165

0,17

0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4

Co

ste

in

icia

l re

d (

€)

Co

ste

de la e

nerg

ía (

€/k

Wh

)




0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4

Co

ste

de la e

nerg

ía (

€/k

Wh

)


Coste de la energía goteo sin restricción de pozo (€/kWh)

Coste de la energía pívot (€/kWh)

Coste de la energía goteo (€/kWh)

91

Se observa claramente que el sistema que menos influido se vería por la subida del precio del combustible sería el de mayor penetración renovable, que en este caso es el goteo sin restricción de caudal, debido al ajuste de su demanda en las horas de sol. Esto demuestra, que una inteligente gestión de la demanda, adaptándola en la medida de lo posible a los recursos renovables, reduce lógicamente la dependencia de costes variables como el precio del diésel. Así mismo, en zonas aisladas donde es común alimentar toda la demanda de energía con generadores diésel, la curva anterior tendría 45 º de pendiente, mayor que los tres sistemas híbridos estudiados.

4.3 Precio de la red eléctrica

Como es conocido, el precio de la electricidad que proviene de la red eléctrica es variable y bastante influyente en nuestra rentabilidad, siendo, como se señaló anteriormente, una variable esencial junto con el precio del combustible diésel. Además, como justificación del presente proyecto partíamos de la hipótesis de que dicho precio iba a aumentar en Argentina, y en este contexto nos disponemos a analizar su influencia fijando el resto de variables.

Debido a que la subida del coste de la energía de la red eléctrica provocaría un aumento de la rentabilidad de nuestro sistema de energía híbrido, decidimos analizar frente a dicha subida la variable final que obtuvimos en el balance económico, es decir, analizar la evolución del sobrecoste del terreno conectado a red necesario para que nuestro sistema híbrido sea rentable. Dicho sobrecoste (coste fijo de la red eléctrica) debe disminuir conforme aumenta el coste de la energía de la red (coste variable de la red eléctrica), para compensar los costes fijos y variables del sistema híbrido, que no se ve influido por la subida de la luz.

Para conseguir tal resultado hemos seguido los siguientes pasos:

Obtenido el coste anual de la red eléctrica (coste variable de la red) para cada precio estudiado (de 0,07 €/kWh a 0,14 €/kWh). Haciendo uso de la energía consumida al año por cada tipo de sistema de riego.

Actualizando dichos costes a 20 años con 0 % de interés.

Sustituido el resultado anterior en el balance económico (igualando el VAN híbrido y de la red), para despejar el coste inicial requerido para la red.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25 C

oste

de la e

nerg

ía (

€/k

Wh

)

Variación del pecio del diésel (%)

Coste de la energía goteo sin restricción de pozo (€/kWh)

Coste de la energía pívot (€/kWh)

Coste de la energía goteo (€/kWh)


92

Dividimos dicho coste por el número de hectáreas para obtener un resultado fácil de interpretar: 'sobrecoste por hectárea que debe tener un terreno conectado a la red para que mi sistema híbrido sea rentable'.

Se trata del mismo procedimiento que usamos en el Balance económico del Capítulo 3.

A continuación, se presentan los resultados para los distintos tipos de sistemas de riego junto al resultado del análisis de sensibilidad del coste del diesel en la misma gráfica:

Ilustración 70. Evolución del sobrecoste del terreno conectado a la red para goteo

El eje horizontal representa la variación en porcentaje tanto del precio de la red como del combustible, de forma que el origen 0 % pertenece al valor tomado como punto de partida en ambos casos, 0,8 €/l y 0,078 €/kWh.

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

-12,5% 0,0% 12,5% 25,0% 37,5% 50,0% 62,5% 75,0% Reb

aja

necesari

a d

el

terr

en

o a

isla

do

(€/h

a)

Variación porcentual del precio de la red y del precio diésel en función de los precios de partida (%)

Variación según el precio del diésel

Variación según el precio de la red

93

Ilustración 71. Evolución del sobrecoste del terreno conectado a la red para pívot

Ilustración 72. Evolución del sobrecoste del terreno conectado a la red para goteo sin restricción de caudal

La evolución de la rentabilidad de nuestro sistema híbrido frente a la subida de la luz, y frente a la subida del precio del combustible tienen un efecto contrario en la variable estudiada, por lo que evaluamos la pendiente de cada curva.

En goteo subterráneo se observa una pendiente ligeramente mayor en la curva de evolución debida a la subida de la luz que en la curva debida a la subida del diésel,

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

-12,5% 0,0% 12,5% 25,0% 37,5% 50,0% 62,5% 75,0% Reb

aja

necesari

a d

el

terr

en

o a

isla

do

(€/h

a)




0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

-12,5% 0,0% 12,5% 25,0% 37,5% 50,0% 62,5% 75,0% Reb

aja

necesari

a d

el

terr

en

o a

isla

do

(€/h

a)





94

lo que indica que su influencia en la rentabilidad es mayor que la del precio del diésel en este sistema.

En el caso del pívot central, la pendiente de evolución de la rentabilidad frente al precio de la luz y frente al precio del combustible es prácticamente la misma, lo que denota una influencia similar de la subida de ambas variables sobre la rentabilidad de la planta híbrida.

Sin embargo, en el caso de goteo subterráneo sin restricción de caudal hay una clara diferencia entre ambas pendientes, siendo mayor la influencia de una subida en el precio de la luz de la red eléctrica.

Los resultados analizados se justifican atendiendo de nuevo a la penetración renovable, concluyendo que para este caso con una penetración del 64 %, que lo que conseguimos con el pívot central estudiado, la influencia de una subida en el precio del diésel y en la energía de la red eléctrica es similar, y que para penetraciones mayores la influencia en la rentabilidad de una subida del diésel será menor.

4.4 Nivel del recurso renovable

Para evaluar el sentido de nuestra instalación en otras localizaciones, es necesario el estudio del nivel de los distintos recursos renovables ya que el tamaño y la producción de la planta híbrida variarán con ellos.

Uno de los principales recursos a evaluar es el viento, ya que su aumento nos daría la oportunidad de valorar su instalación conjunta con energía solar, lo que mejoraría notablemente la penetración renovable gracias a la sinergia posible en algunas localizaciones entre ambos sistemas de producción de energía.

Para las simulaciones se ha usado un generador con precios estándar de una marca conocida.

Tabla 63. Características del aerogenerador


100 210000 2100

Para analizar la influencia del viento en nuestro sistema, fijamos el nivel de recurso solar y escalamos la velocidad del viento media dejando también fijado un perfil de viento como el existente en La Libertad y tomamos como demanda del sistema de riego el del pívot estudiado anteriormente, para observar el potencial de mejora sobre el caso base.

95

Ilustración 73. Coste de la energía para el pívot en función del nivel de viento

Cada punto representado en la gráfica anterior representa una solución óptima (mínimo LCOE) para cada velocidad media del viento simulada. Esto es que cada punto representado tiene un tamaño de planta híbrida distinto y distinta penetración renovable (vamos aumentando el número de aerogeneradores conforme aumenta la velocidad del viento, para un mejor aprovechamiento del recurso eólico y normalmente esto conlleva una disminución del tamaño de la planta fotovoltaica). Puede encontrarse en el Anexo el tamaño de cada una de las soluciones óptimas.

Se observa que existiría una importante disminución del coste de energía en una localización con las mismas condiciones y una velocidad del viento media mayor a 5 m/s.

Además, esta solución es capaz de superar los resultados del pívot y el goteo con restricción de agua estudiados, sin embargo no supera la penetración del 85 % que conseguíamos con el goteo sin restricción de agua, lo que demuestra la importancia de adaptar el consumo de energía a la producción de los sistemas de generación energía renovable, siendo similar a la importancia de la abundancia de recursos renovables.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0,13

0,135

0,14

0,145

0,15

0,155

0,16

0,165

0,17

0,175

3 5 7 9 10 11 13

Velocidad del viento media al año (m/s)

Pen

etr

ació

n r

en

ov

ab

le (

%)

LC

OE

(€/k

Wh

)

LCOE (€/kWh) Penetración renovable (%)


96

5 CAPÍTULO 5: CONCLUSIÓN

Tras un análisis energético detallado sobre la posibilidad de cubrir la demanda de energía requerida por el bombeo de agua mediante un sistema híbrido de energía renovable y generadores de combustible fósiles, se concluye que es posible realizar un diseño sencillo, con una demanda inteligente capaz de cambiar su calendario de funcionamiento según ciertos límites, para aprovechar la máxima energía renovable a lo largo de cada día.

Además, es posible controlar esta demanda con un conjunto de inversores existentes en el mercado y con precio competitivo, lo que resultaría más sencillo que un controlador o un variador de frecuencia.

Recordando el principal motor de este proyecto analizamos de forma general el coste que conlleva la instalación de una planta híbrida frente al ahorro existente al comprar un terreno aislado de la red.

Ilustración 74. Coste del terreno en diferentes países (Savills World Research, 2014)

Y a pesar de que no conocemos dicho ahorro en el terreno, podemos afirmar que el ahorro por hectárea calculado en este proyecto como límite para que el sistema híbrido sea rentable es del orden de la diferencia entre el coste del terreno en Argentina frente al coste en otros países como se ve en la gráfica anterior. Y esa diferencia podría deberse a la gran cantidad de terrenos aislados existentes en Argentina.

Dicho sobrecoste del terreno conectado a red (o rebaja del terreno aislado), en general deberá aproximarse al coste inicial de la planta híbrida necesaria para ese mismo área para que la inversión sea rentable. Además, en la medida que estos costes se compensen bajará el coste de la energía renovable, que no es más que el coste inicial y de mantenimiento actualizados entre la energía total generada en la vida útil de la planta.

97

Es posible conseguir penetraciones renovables de un 70 %, gracias a las idóneas condiciones meteorológicas en La Rioja, a la adaptación continua de la demanda a la radiación y a la óptima integración que presentan por naturaleza el riego y la energía solar, coincidiendo las épocas de máxima producción con las de máxima demanda. Este grado de penetración muestra la independencia que tendrá el sistema frente a las variaciones del precio del diésel.

También se comprueba el mejor comportamiento del sistema híbrido acoplado al riego por goteo con un 70 % de penetración y un coste menor que el sistema híbrido acoplado al pívot con 64 % de penetración. La principal razón es que el riego por goteo es capaz de adaptar su perfil de demanda a la producción renovable mejor que el pívot que presenta limitaciones por la velocidad de giro. Debido a la mayor penetración renovable la planta fotovoltaica para goteo será de mayor tamaño por hectárea y por tanto, con mayor coste inicial por hectárea que el pívot, aprovechando así su mayor capacidad de ahorrar combustible.

Como punto relevante en el análisis de sensibilidad, se demuestra la significativa influencia que tiene centrar la demanda al perfil solar consiguiendo hasta un 85 % de penetración renovable frente al 70 % con restricción de agua en el goteo subterráneo. Mejora similar a la que se consigue aumentando el recurso eólico y optimizando una planta híbrida eólica, fotovoltaica y diesel para el caso de pívot, donde pasa de 64 % a 80 % de penetración con 11 m/s de velocidad de viento anual.


98

6 REFERENCIAS

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99

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Wikipedia. ((Última visita agosto 2015)). Valor Actual Neto. Obtenido de https://es.wikipedia.org/wiki/Valor_actual_neto

WWF. (2005). Curso de riego para agricultores.

1 ANEXO

1.1 RESULTADOS DE CROPWAT

Ilustración 75. Evapotranspiración de referencia

Ilustración 76. Precipitación efectiva


2

1.1.1 ALGODÓN

Ilustración 77. Etapas del cultivo

A continuación, se introducen las propiedades del suelo presentadas en capítulos anteriores y se mantienen para los cuatro cultivos calculados:

Ilustración 78. Propiedades del suelo

Ya tenemos el cálculo de la evapotranspiración (ETc) recogido en la siguiente figura junto con otras variables obtenidas en el proceso.

3

Ilustración 79. Cálculo de la evapotranspiración

Para estimar el calendario de riego, suponemos una cantidad fija de agua al día para cada una de las cuatro etapas que diferenciamos.


4

Ilustración 80. Necesidad hídrica por etapa

Ilustración 81. Necesidad hídrica mensual

5

Ilustración 82. Necesidad hídrica mensual con baja velocidad del viento

1.1.2 TRIGO



6


7


1.1.3 MAÍZ



8



1.2 RESULTADOS DE LA DEMANDA ENERGÉTICA PARA GOTEO

SUBTERRÁNEO

Tabla 64. Separación entre laterales según el tipo de suelo

Espaciamiento común entre laterales

Suelo ligero Suelo mediano Suelo pesado

Franco arenoso Franco Limo/ franco

arcilloso

pulgadas metros pulgadas metros pulgadas metros

30 – 40 0.75 –

1.0 40 – 60

1.0 – 1.5

60 – 80 1.5 – 2.0

9

Tabla 65. Tasa de aplicación según el caudal máximo que lleva un lateral

Tasa Bruta de Aplicación

Litro por segundo por hectárea (LPS/ha) - Milímetro por hora (mm/h)

Espaciamiento entre laterales

(m) 0,75 1 1,5 2

Caudal de línea lateral (l/h)

l/s/ha mm/h l/s/ha mm/h l/s/ha mm/h l/s/ha mm/h

0,4 1,6 0,6 1,2 0,4 0,8 0,3 0,6 0,2

0,6 2,2 0,8 1,6 0,6 1,1 0,4 0,8 0,3

0,7 2,7 1 2 0,7 1,4 0,5 1 0,4

0,9 3,3 1,2 2,4 0,9 1,6 0,6 1,2 0,4

1 3,8 1,4 2,9 1 1,9 0,7 1,4 0,5

1,2 4,3 1,6 3,3 1,2 2,2 0,8 1,6 0,6

1,3 4,9 1,8 3,7 1,3 2,4 0,9 1,8 0,7

1,5 5,4 2 4,1 1,5 2,7 1 2 0,7

1,6 6 2,2 4,5 1,6 3 1,1 2,2 0,8

1,8 6,5 2,4 4,9 1,8 3,3 1,2 2,4 0,9

1,9 7,1 2,6 5,3 1,9 3,5 1,3 2,6 1

2,1 7,6 2,7 5,7 2,1 3,8 1,4 2,9 1

2,2 8,1 2,9 6,1 2,2 4,1 1,5 3,1 1,1

2,6 9,5 3,4 7,1 2,6 4,8 1,7 3,6 1,3

3 10,9 3,9 8,1 2,9 5,4 2 4,1 1,5

3,4 12,2 4,4 9,2 3,3 6,1 2,2 4,6 1,7

3,7 13,6 4,9 10,2 3,7 6,8 2,5 5,1 1,8

5,6 20,4 7,4 15,3 5,5 10,2 3,7 7,6 2,8

7,5 27,2 9,8 20,4 7,4 13,6 4,9 10,2 3,7

9,3 34 12,3 25,5 9,2 17 6,1 12,7 4,6

1.2.1 RESULTADOS AQUAFLOW



10


Ilustración 91. Evolución del caudal de un gotero

Ilustración 92. Evolución de la presión en un lateral

11

Ilustración 93. Evolución de la velocidad en un lateral

Ilustración 94. Desnivel del lateral

Ilustración 95. Evolución de la presión en la tubería principal


12

Ilustración 96. Desnivel de la tubería principal


13

Tabla 66. Tubería principal que sale del pozo

Tabla 67. Elementos con pérdida de carga

Hidrociclón (m) 4

Filtro de arena (m) 3

Filtro de malla o anillos (m) 2

Inyector hidráulico (m) 4

Inyector venturi (m) 12

Total (m) 25

Tabla 68. Pérdida de carga del sistema de riego por goteo

Tubería principal 1 (m) 31

Tubería principal 2 (m) 2.2

Elementos de filtrado (m) 25

Tubería secundaria y laterales (m) 15

Total (m) 73.2

Tabla 69. Demanda horaria del terreno con algodón a lo largo de un año

Algodón Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiem

bre Octubre

Noviembre

Diciembre

Demanda de un sector (mm/día)

8 5 0 0 0 0 0 0 0 1 3 6

Suministro de riego (mm/h)

1,36 1,36 0 0 0 0 0 0 0 1,36 1,36 1,36

Tiempo de trayectoria del agua (h)

0,778 0,778 0 0 0 0 0 0 0 0,778 0,778 0,778


20 13,4 0 0 0 0 0 0 0 4,5 9 15,6

Tabla 70. Demanda horaria del terreno con maíz y trigo a lo largo de un año

Maíz y Trigo Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiem

bre Octubre

Noviembre

Diciembre


2 6 6 3 0 0,6 1,6 2,3 3,2 5,8 5,9 0,9


1,36 1,36 1,36 1,36 0 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36 1,36


0,778 0,778 0,778 0,778 0 0,778 0,778 0,778 0,778 0,778 0,778 0,778


6,7 15,6 15,6 9 0 3,7 5,9 7,4 9,4 15,1 15,3 4,3

Tabla 71. Demanda horaria para 240 hectáreas (unidad del sistema híbrido)

240 HA - SUMA DE ALGODÓN, MAÍZ Y TRIGO - ENTRADA HOMER

Horas Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

15

3 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

4 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

5 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 166,4 166,4 0,0

6 166,4 332,8 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 166,4 166,4 166,4

7 166,4 332,8 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 166,4 166,4 166,4

8 166,4 332,8 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 166,4 166,4 166,4

9 166,4 332,8 166,4 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 166,4 166,4 332,8 166,4

10 332,8 332,8 166,4 166,4 0,0 0,0 0,0 166,4 166,4 166,4 332,8 166,4

11 332,8 332,8 166,4 166,4 0,0 166,4 166,4 166,4 166,4 332,8 332,8 166,4

12 332,8 332,8 166,4 166,4 0,0 166,4 166,4 166,4 166,4 332,8 332,8 332,8

13 332,8 332,8 166,4 166,4 0,0 166,4 166,4 166,4 166,4 332,8 332,8 332,8

14 332,8 332,8 166,4 166,4 0,0 109,8 166,4 166,4 166,4 332,8 332,8 332,8

15 332,8 332,8 166,4 166,4 0,0 0,0 166,4 166,4 166,4 256,3 332,8 332,8

16 291,2 332,8 166,4 166,4 0,0 0,0 143,1 166,4 166,4 166,4 332,8 219,7

17 166,4 332,8 166,4 158,1 0,0 0,0 0,0 68,2 166,4 166,4 324,5 166,4

18 166,4 332,8 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 64,9 166,4 166,4 166,4

19 166,4 226,3 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 166,4 166,4 166,4

20 166,4 166,4 166,4 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 21,6 58,2 166,4

21 166,4 94,9 94,9 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 94,9

22 163,1 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

23 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0

Total h 20 16 16 9 0 4 6 8 10 16 16 16

Total día kWh

4448 4815 2591 1489 0 609 975 1233 1563 3273 4044 3310

Días al mes

31 28 31 30 31 30 31 31 30 31 30 31

Total mes kWh

137901 134807 80326 44684 0 18273 30232 38228 46881 101478 121320 102613


16

Ilustración 98. Consumo total anual calculado en una unidad del sistema híbrido (240 ha)

Consumo total al año 856742 kWh

Consumo específico al año 3570 kWh/ha

Gráficamente la demanda mensual queda:

Ilustración 99. Captura de Homer Pro con la demanda mes a mes del goteo

17

1.3 RESULTADOS DE LA DEMANDA ENERGÉTICA PARA PÍVOT

En el caso teórico, el cálculo debe hacerse partiendo de la suposición de riego diario, y obteniendo el número de horas que es necesario regar al día, a partir de la pluviometría, hasta cubrir la necesidad hídrica.

Así, partiendo de la pluviometría de la bomba seleccionada (0,43 mm/h), calculamos dichas horas para los tres cultivos en las siguientes tablas (con la velocidad máxima de giro para minimizar las horas de riego).

Tabla 72. Horas de riego para cubrir la demanda diaria para algodón

ALGODÓN

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto

Septiembre

Octubre Noviembr

e Diciembre

mm/día 8 5 0 0 0 0 0 0 0 1 3 6

h/día 18,6 11,6 0 0 0 0 0 0 0 2,3 7,0 14,0

Tabla 73. Horas de riego para cubrir la demanda diaria para trigo

TRIGO


Septiembre

Octubre Noviembr

e Diciembre

mm/día 0 0 0 0 0 0,6 1,6 2,3 3,2 5,8 5,9 0,9

h/día 0 0 0 0 0 1,4 3,7 5,3 7,4 13,5 13,7 2,1

Tabla 74. Horas de riego para cubrir la demanda diaria para maíz

MAÍZ


Septiembre

Octubre Noviembr

e Diciembre

mm/día 2 6 6 3 0 0 0 0 0 0 0 0,1

h/día 4,7 14,0 14,0 7,0 0 0 0 0 0 0 0 0,2

Una vez conocidas las horas necesarias de riego nos damos cuenta de que no es posible cumplir esa demanda de forma práctica, ya que el pívot tiene un límite de tiempo mínimo en dar una vuelta completa, es decir, a máxima velocidad el pívot tardaría 15.9 horas en dar una vuelta completa. La solución más eficiente y usada por los agricultores, consiste en regar a esa máxima velocidad para minimizar el tiempo de riego


18

(demanda optimizada para nuestro sistema de energía), dando en la mayoría de las ocasiones más agua de la necesaria. El problema se termina de solventar regando días alternos hasta cuadrar el agua necesaria del cultivo en un mes.

Nos disponemos a calcular las vueltas de riego, a máxima velocidad, necesarios en un mes.

Repitiendo el cálculo para todos los meses de cada cultivo obtenemos:

Tabla 75. Vueltas a máxima velocidad al mes para cubrir la demanda mensual para algodón

ALGODÓN


Septiembre

Octubre Noviembr

e Diciembre

mm/día 8 5 0 0 0 0 0 0 0 1 3 6

Vueltas/mes

36 20 0 0 0 0 0 0 0 4 13 27

Tabla 76. Vueltas a máxima velocidad al mes para cubrir la demanda mensual para trigo

TRIGO


Septiembre

Octubre Noviembr

e Diciembre

mm/día 0 0 0 0 0 0,6 1,6 2,3 3,2 5,8 5,9 0,9

Vueltas/mes

0 0 0 0 0 3 7 10 14 26 26 4

19

Tabla 77. Vueltas a máxima velocidad al mes para cubrir la demanda mensual para maíz

MAÍZ


Septiembre

Octubre Noviembr

e Diciembre

mm/día 2 6 6 3 0 0 0 0 0 0 0 0,1

Vueltas/mes

9 25 27 13 0 0 0 0 0 0 0 0,5

El siguiente paso es repartir los riegos de manera uniforme a lo largo de cada mes, aunque aún es posible tener en cuenta algunas mejoras antes de obtener el calendario:

El algodón en el mes de enero sobrepasa el tiempo de una vuelta a máxima velocidad, así que haremos los cálculos suponiendo que el regulador de velocidad (selector) se encuentra en la posición del 85.5 %, y que como se calculó (Capítulo 3.3.2), cada vuelta en enero durará 18.6 horas, completando así la necesidad hídrica con una vuelta al día.

Es más eficiente para nuestro sistema de energía dividir el riego en dos días, cada día media vuelta, para poder centrar el riego a las horas de sol (es decir, dos días regando 9 horas, medio pívot, en lugar de un día regando 18 horas). Para ello, repasamos cada época del año para estirar cada riego los máximos días posibles, y por tanto, las mínimas horas de riego al día. Llegando incluso a dividir en algunas ocasiones el riego en cuatro turnos de un cuarto de pívot.

La potencia de cada pívot será la de la bomba más la de los motores de giro:

El calendario de riego se creará poniendo la potencia hora a hora durante un año completo, cumpliendo las reglas definidas con anterioridad. Para facilitar el trabajo hemos definido algunos días tipo. Pero esos días tipo además son combinables de forma que podemos regar el mismo día dos pívot de algodón con una vuelta completa y dos pívot de maíz media vuelta, como ocurre en enero, comportamiento que justifica la gráfica presentada a modo ilustrativo en el capítulo 3 de la demanda horaria de un día tipo de enero y que se repite a continuación (Ilustración 40. Demanda horaria de cuatro pívots en un día tipo de enero).


20

Tabla 78. Demanda para días tipo

Demanda (kW) Pívot completo Medio pívot Cuarto de pívot

Pívot funcionando a la vez 2 4 2 4 2 4

Horas

0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 6 206 412 0 0 0 0 7 206 412 0 0 0 0 8 206 412 0 0 0 0 9 206 412 206 412 0 0

10 206 412 206 412 0 0 11 206 412 206 412 206 412 12 206 412 206 412 206 412 13 206 412 206 412 206 412 14 206 412 206 412 206 412 15 206 412 206 412 0 0 16 206 412 206 412 0 0 17 206 412 0 0 0 0 18 206 412 0 0 0 0 19 206 412 0 0 0 0 20 206 412 0 0 0 0 21 206 412 0 0 0 0 22 0 0 0 0 0 0 23 0 0 0 0 0 0

Horas al día 16 16 8 8 4 4

Energía al día (kWh/día) 3303 6599 1652 3300 826 1650

21

Ilustración 100. Demanda horaria por hectárea de cuatro pívots en un día tipo de enero

La demanda horaria diseñada para todo el año se representa en la Ilustración 101. Demanda de los 4 pívots todas las horas del año, y el archivo que contiene dicha demanda, con 8760 líneas, es introducido en Homer Pro, quien interpreta por el número de líneas que son datos horarios y hace la simulación con dicha demanda.

La demanda está optimizada mes a mes, observando tras una simulación las horas de máxima producción fotovoltaica también mes a mes, se han centrado las horas de riego en esas horas para aprovechar de esta forma la energía fotovoltaica. Esta tarea también es un acercamiento a la realidad, donde un controlador o conjunto de inversores analizará el nivel de producción fotovoltaica en cada momento para optimizar el funcionamiento del sistema.

Para simplificar los cálculos, usaremos a partir de ahora un calendario de demanda horaria media de todos los días de cada mes, producida por Homer Pro (Ilustración 102. Demanda horaria completa de los cuatro pívots un día tipo al mes).

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

kW/h

a h


22

Ilustración 101. Demanda de los 4 pívots todas las horas del año

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450 1

1

70

3

39

5

08

6

77

8

46

1

01

5

11

84

1

35

3

15

22

1

69

1

18

60

2

02

9

21

98

2

36

7

25

36

2

70

5

28

74

3

04

3

32

12

3

38

1

35

50

3

71

9

38

88

4

05

7

42

26

4

39

5

45

64

4

73

3

49

02

5

07

1

52

40

5

40

9

55

78

5

74

7

59

16

6

08

5

62

54

6

42

3

65

92

6

76

1

69

30

7

09

9

72

68

7

43

7

76

06

7

77

5

79

44

8

11

3

82

82

8

45

1

86

20

kW

Horas de todo el año

23

Ilustración 102. Demanda horaria completa de los cuatro pívots un día tipo al mes

D (kW)


0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

5 206 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

6 206 288 159 0 0 0 0 0 0 134 197 157

7 206 288 159 0 0 0 0 0 0 134 197 157

8 206 288 159 0 0 0 0 0 0 134 197 157

9 206 350 206 186 0 0 0 90 185 260 328 255

10 206 350 206 186 0 0 0 90 185 260 328 255

11 322 350 206 186 0 88 94 206 206 260 328 255

12 322 350 206 186 0 88 94 206 206 260 328 255

13 322 350 206 186 0 88 94 206 206 260 328 255

14 322 350 206 186 0 88 94 206 206 260 328 255

15 206 350 206 186 0 0 0 90 185 260 328 255

16 206 350 206 186 0 0 0 90 185 260 328 255

17 206 288 159 0 0 0 0 0 0 134 197 157

18 206 288 159 0 0 0 0 0 0 134 197 157

19 206 288 159 0 0 0 0 0 0 134 197 157

20 206 288 159 0 0 0 0 0 0 134 197 157

21 206 288 159 0 0 0 0 0 0 134 197 157 22 206 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

23 206 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

E. DIA 4383 5109 2925 1491 0 353 375 1182 1566 3153 4195 3296

DÍAS MES

135867 143046 90674 44731 0 10595 11611 36651 46968 97734 125849 102176

E. MES/ha

523 550 349 172 0 41 45 141 181 376 484 393


24

Ilustración 103. Demanda mensual por hectárea de los 4 pívots

0

100

200

300

400

500

600

kWh

/ha

25

Ilustración 104. Captura de Homer Pro con el perfil de demanda mes a mes para pívot

1.4 RESULTADOS DE LA OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA ENERGÉTICO

Tabla 79. Selección tamaño óptimo para goteo

kW PV LCOE

(€/kWh) Penetración

(%) VAN (€)

350 0,171 54 2926867

400 0,162 60 2778068

450 0,157 64 2684418

500 0,154 67 264521

550 0,153 68 2620417

600 0,153 70 2622050

650 0,154 71 2637204

700 0,156 73 2669386

750 0,158 74 2710864

800 0,161 74 2755682

850 0,164 75 2804532

900 0,167 76 2857060

1000 0,173 77 2968903

Tabla 80. Selección tamaño óptimo para pívot

kW PV LCOE


(%) VAN (€)

350 0,18 50 3040411

400 0,175 54 2963743

450 0,172 57 2904491

500 0,17 60 2873242

550 0,169 62 2861669

600 0,169 64 2861637

650 0,17 66 2878073

700 0,172 67 2901136

750 0,174 68 2933511

800 0,176 69 2971255

850 0,178 70 3015620

900 0,181 71 3062484

1000 0,188 72 3174430

27

1.5 RESULTADOS DEL BALANCE ECONÓMICO

1.5.1 GOTEO SUBTERRÁNEO

Tabla 81. Coste mensual de la red eléctrica goteo

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Total mes

(kWh)

137901

134807

80326 44684 0 18273 30232 38228 46881 10147

8 12132

0 10261

3

Coste promedio (€)

10794 10551 6287 3497 0 1430 2366 2992 3669 7943 9496 8032

Tabla 82. Coste anual de la red eléctrica goteo

Coste promedio (€) 67058

Tabla 83. Coste anual del sistema híbrido para goteo


Obteniendo el valor actualizado de los costes anuales anteriores para 20 años, e introduciéndolos en el siguiente balance:

Tabla 84. Balance de rentabilidad


< COSTE INICIAL RED

- O&M ACTUALIZADO HÍBRIDA - O&M ACTUALIZADO RED

VAN TERRENO

AISLADO VAN TERRENO

CONECTADO A RED

Tabla 85. Balance de rentabilidad para goteo subterráneo

COSTE INICIAL HÍBRIDA 1.216.549 € + O&M TOTAL ACTUALIZADO 64.346 €

COSTE INICIAL RED 1.280.895 €

A pesar del resultado anterior, usamos como condición de rentabilidad el coste inicial de la planta híbrida, ya que como vimos en el Capítulo 3, los costes variables son similares en los dos sistemas comparados y tienen una variabilidad también similar. De esta forma, obtenemos para goteo subterráneo un resultado más sencillo e independiente a los costes variables.

Tabla 86. Condición para que el sistema híbrido sea rentable para goteo

RESULTADOS

Área regada 240 ha

Coste inicial red 1.216.549 € €

Distancia máxima a la red eléctrica más cercana (si no hay 30 km


28

sobreprecio del terreno)

Incremento máximo del precio de terreno (si no se tira red) 5.069 € €/ha

Ilustración 105. Reparto lineal de costes

Tabla 87. Valores detallados del reparto del coste inicial de la red para goteo


Coste restante para el terreno

total (€)

Sobrecoste por hectárea

(€/ha)

0 1280895 5337

1 1240895 5170

2 1200895 5004

3 1160895 4837

4 1120895 4670

5 1080895 4504

6 1040895 4337

7 1000895 4170

8 960895 4004

9 920895 3837

10 880895 3670

11 840895 3504

12 800895 3337

13 760895 3170

14 720895 3004

15 680895 2837

16 640895 2670

17 600895 2504

18 560895 2337

19 520895 2170

20 480895 2004

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 So

bre

co

ste

po

r h

ectá

rea (

€/h

a)


29

21 440895 1837

22 400895 1670

23 360895 1504

24 320895 1337

25 280895 1170

26 240895 1004

27 200895 837

28 160895 670

29 120895 504

30 80895 337

31 40895 170

32 895 4

1.5.2 PÍVOT

Tabla 88. Coste mensual de la red eléctrica pívot

Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

Total mes

(kWh)

135867

143046

90674 44731 0 10595 11611 36651 46968 97734 12584

9 10217

6


10634 11196 7097 3501 0 829 909 2869 3676 7650 9850 7997

Tabla 89. Coste anual de la red eléctrica pívot


Tabla 90. Coste anual del sistema híbrido para pívot


Obteniendo el valor actualizado de los costes anuales anteriores para 20 años, e introduciéndolos en el siguiente balance:

Tabla 91. Balance de rentabilidad para pívot

COSTE INICIAL HÍBRIDA 1.274.151 € + O&M TOTAL ACTUALIZADO 263.315 €

COSTE INICIAL RED 1.537.466 €

Tabla 92. Condición para que el sistema híbrido sea rentable para pívot

RESULTADOS

Área regada 260 ha

Coste inicial red 1.537.466 €


32 km

Incremento máximo del precio de terreno (si no se tira red) 4.901 €/ha


30

Ilustración 106. Reparto lineal de costes para pívot

Tabla 93. Relación entre la distancia a la red y el sobrecoste del terreno para pívot


Coste restante para el terreno

total (€)


(€/ha)

0 1537466 5913

1 1497466 5759

2 1457466 5606

3 1417466 5452

4 1377466 5298

5 1337466 5144

6 1297466 4990

7 1257466 4836

8 1217466 4683

9 1177466 4529

10 1137466 4375

11 1097466 4221

12 1057466 4067

13 1017466 3913

14 977466 3759

15 937466 3606

16 897466 3452

17 857466 3298

18 817466 3144

19 777466 2990

20 737466 2836

21 697466 2683

22 657466 2529

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

So

bre

co

ste

po

r h

ectá

rea (

€/h

a)


31

23 617466 2375

24 577466 2221

25 537466 2067

26 497466 1913

27 457466 1759

28 417466 1606

29 377466 1452

30 337466 1298

31 297466 1144

32 257466 990

33 217466 836

34 177466 683

35 137466 529

36 97466 375

37 57466 221

38 17466 67

1.6 ANEXO DEL ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

1.6.1 RESULTADOS DEL CÁLCULO DE RIEGO POR GOTEO SIN RESTRICCIÓN DE

CAUDAL

1.6.1.1 RESULTADOS DE AQUAFLOW



32


Ilustración 109. Evolución del caudal de un gotero

Ilustración 110. Evolución de la presión en un lateral

33

Ilustración 111. Evolución de la velocidad en un lateral

Ilustración 112. Desnivel de un lateral

Ilustración 113. Evolución de la presión en la tubería principal


34

Ilustración 114. Evolución de la velocidad en la tubería principal

Ilustración 115. Desnivel de la tubería principal


Tabla 94. Demanda horaria del terreno a lo largo del primer año de rotación


Septiembre

Octubre Noviemb

re Diciembr

e


8 5 0 0 0 1 2 2 3 6 6 1


2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58


0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78


10,5 7,0 1,2 1,2 1,2 1,9 3,0 3,8 4,9 7,9 8,0 2,2

Tabla 95. Demanda horaria del terreno a lo largo del segundo año de rotación


Septiembre

Octubre Noviemb

re Diciembr

e


2 6 6 3 0 0 0 0 0 1 3 6


2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58 2,58


0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78 0,78


3,5 8,1 8,1 4,7 0 0 0 0 0 2,3 4,7 8,1

Tabla 96. Demanda horaria del para 240 hectáreas (unidad del sistema híbrido)

240 HA - SUMA DE ALGODÓN, MAÍZ Y TRIGO - ENTRADA HOMER


0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 8 149 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

37

9 316 316 316 0 0 0 0 0 0 316 316 316 10 316 632 316 0 0 0 0 0 0 316 316 316 11 316 632 316 316 0 0 0 316 316 316 632 316 12 632 632 316 316 0 316 316 316 316 632 632 632 13 632 632 316 316 0 272 316 316 316 632 632 632 14 632 632 316 316 0 0 316 265 316 420 632 382 15 471 632 316 209 0 0 9 0 281 316 525 316 16 316 626 316 0 0 0 0 0 0 288 316 316 17 316 44 44 0 0 0 0 0 0 0 9 44 18 316 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 19 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 21 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 23 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Total horas 11 9 9 5 0 2 4 4 5 8 9 9

Energía total día (kWh/día)

4411 4778 2572 1473 0 588 957 1213 1545 3236 4010 3271

Energía total mes

(kWh/mes) 136752 133782 79739 44177 0 17633 29682 37617 46357 100311 120301 101389

Energía mes por área

(kWh/ha/mes) 570 557 332 184 0 73 124 157 193 418 501 422

Ilustración 117. Consumo total anual calculado en una unidad del sistema híbrido (240 ha)

Consumo total al año 847740 kWh

Consumo específico al año 3532 kWh/ha

1.6.1.2 OPTIMIZACIÓN DEL SISTEMA ENERGÉTICO

Tabla 97. Selección tamaño óptimo para goteo

kW PV LCOE


(%) VAN (€)

550 0,158 70 2675391

600 0,153 74 2611406

650 0,15 78 2592656

700 0,147 81 2501795

750 0,146 84 2469497

800 0,146 85 2474555

850 0,147 87 2508580

900 0,149 89 2531249

950 0,151 90 2565776

1000 0,154 91 2612754

1050 0,157 92 2664015


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,144

0,146

0,148

0,15

0,152

0,154

0,156

0,158

0,16

500 600 700 800 900 1000 1100

Pe

ne

trac

ión

Re

no

vab

le (

%)

LCO

E (€

)



39


1.6.1.3 BALANCE ECONÓMICO DETALLADO DEL RIEGO POR GOTEO SIN

RESTRICCIÓN DE CAUDAL

Seguimos el mismo esquema que en el capítulo 3 para desarrollar el balance.



el cliente

USD/MWh 84

€/MWh 78.27

€/kWh 0.078

De nuestro calendario de carga para el riego por goteo, obtenemos la energía demandada al mes. A partir de la cual obtenemos el coste eléctrico al mes.

Tabla 99. Coste mensual de la red eléctrica

Enero Feb Mar Abril May Jun Jul Agost Sept Oct Nov Dic

Total mes

(kWh)

136752

133782

79739 44177 0 17633 29682 37617 46357 10031

1 12030

1 10138

9


10704 10471 6241 3458 0 1380 2323 2944 3628 7851 9416 7936

0,144

0,146

0,148

0,15

0,152

0,154

0,156

0,158

0,16

65 70 75 80 85 90 95

LCO

E (€

/kW

h)

Penetración (%)


40


Como se dijo anteriormente, tomaremos una vida de 20 años del proyecto, debido a la vida de los principales componentes del sistema híbrido, por tanto nuestro periodo n en el VAN será también 20 años. De la Tabla 99 se obtiene el coste total al año:


66353

Tomamos como flujos de caja del sistema conectado a red, sin tener en cuenta el coste inicial, el coste total anual de la electricidad durante 20 años. E introduciendo dichos flujos en la fórmula del valor actual, a 20 años, con un 0 % de interés, obtenemos el coste de operación y mantenimiento actualizado del sistema conectado a red:

VAN -1327061

1.6.1.3.1 FLUJOS DE CAJA Y COSTE INICIAL DEL SISTEMA HÍBRIDO

En esta ocasión, los flujos de caja durante un periodo de 20 años, los obtenemos de Homer Pro, el cual simula el funcionamiento de cada elemento y tiene en cuenta el coste de operación y mantenimiento de cada uno. También obtenemos el coste inicial de la instalación, pero lo separaremos, como hicimos en el caso de conexión a red, para poder hacer un balance equilibrado. Los costes usados por Homer Pro se introdujeron como datos de entrada y provienen de suministradores de la empresa Atria FS Smart Energy Solutions.


39101

Tomando este valor como el flujo para cada año, durante 20 años, con un 0 % de interés, obtenemos el coste de operación y mantenimiento actualizado del sistema híbrido:

VAN -724580

Como ya expusimos al hacer el cálculo, el coste inicial del sistema híbrido obtenido de Homer Pro es:


0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

Co

ste

me

nsu

al (€

)

41

1.6.1.3.2 COMPARACIÓN DE AMBOS SISTEMAS

Con todos los datos en el caso de goteo, ya podemos despejar el ‘Coste inicial necesario’ del sistema conectado a red del balance:

COSTE INICIAL HÍBRIDA <

COSTE INICIAL RED

- O&M ACTUALIZADO HÍBRIDA

+ O&M ACTUALIZADO RED


+ O&M TOTAL ACTUALIZADO - 602481 €


Observamos en la comparación que los costes anuales de nuestro sistema híbrido en esta ocasión no son cercanos a los del sistema base conectado a red, siendo aproximadamente la mitad del coste anual del sistema conectado a red. Como resultado, exigimos como seguro de rentabilidad que el sistema base conectado a red tenga un coste inicial igual o mayor al capital inicial del sistema híbrido más el coste anual híbrido actualizado (VAN híbrido sin coste inicial) menos el coste anual de la red actualizado (VAN de la red sin coste inicial).

Y con ese valor descomponemos las condiciones límite para que nuestro sistema sea rentable. Si no existe sobrecoste del terreno, nos encontramos el límite superior de la distancia de mi terreno a la red más cercana. Dicho valor se calcula con la hipótesis de 40 €/m como coste medio de tirar una red.



40 €/m

Por otro lado, suponiendo que tirar la red no tiene coste, porque nuestro terreno ya está conectado, podemos dividir el coste inicial de la red entre el área ocupada por mi terreno, obteniendo el límite superior del sobrecoste por hectárea que podría tener mi terreno si estuviese conectado a red. Es decir, ese valor es la mínima rebaja que debería tener el terreno aislado, frente a otro conectado a red, para obtener rentabilidad.


RESULTADOS

Área regada 240 ha



29 km


Para comparar fácilmente la rentabilidad de nuestro proyecto frente a otro cualquiera conectado a la red, suponiendo las mismas condiciones meteorológicas, el mismo tipo de


42

suelo, el mismo área, y los mismos cultivos, y tomando como variables la distancia a la red eléctrica y el sobre coste del terreno, de forma que en cada punto de la línea dibujada, la suma de dicho sobrecoste y el coste que supone conectar nuestro terreno a la red eléctrica, da como resultado el coste inicial de la red despejado en la tabla anterior.

Ilustración 121. Reparto lineal de costes para goteo sin restricción

En el área superior de la Ilustración 121 es la zona rentable, de forma que la línea azul marca el coste mínimo que debe tener un terreno ya conectado a red por la compañía o por nosotros, para que el sistema híbrido sea rentable.

Tabla 102. Reparto de costes para goteo sin restricción


Coste restante para

el terreno total (€)


(€/ha)

0 1147499 4781

1 1107499 4615

2 1067499 4448

3 1027499 4281

4 987499 4115

5 947499 3948

6 907499 3781

7 867499 3615

8 827499 3448

9 787499 3281

10 747499 3115

11 707499 2948

12 667499 2781

13 627499 2615

14 587499 2448

15 547499 2281

16 507499 2115

17 467499 1948

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28

So

bre

co

ste

po

r h

ectá

rea (

€/h

a)


43

18 427499 1781

19 387499 1615

20 347499 1448

21 307499 1281

22 267499 1115

23 227499 948

24 187499 781

25 147499 615

26 107499 448

27 67499 281

28 27499 115

1.6.2 NIVEL DE RECURSO RENOVABLE

Tabla 103. Soluciones óptimas según el nivel de viento

Viento Fotovoltaica Eólica Generador

diésel Baterías Inversor LCOE

Penetración renovable

(m/s) (kWp) (KW) (KW) (kWh) (KW) (€/KWH) (%)

3 600 0 420 106,56 420 0,169 64

5 600 0 420 106,56 420 0,169 64

7 400 200 420 106,56 420 0,158 74

9 350 200 420 106,56 420 0,146 77

10 350 200 420 106,56 420 0,144 78

11 350 200 420 106,56 420 0,143 79

13 350 200 420 106,56 420 0,147 77

1.7 DEFINICIÓN DEL COSTE DE ENERGÍA (LCOE)

El LCOE (Levelized Cost Of Energy, o también conocido como Levelized Energy Cost (LEC)) se define como el coste teórico de generar energía eléctrica, y se mide en unidades monetarias por unidades de energía (€/kWh). El valor del LCOE depende significativamente de los siguientes parámetros:

Costes de capital.

Costos de operación y mantenimiento durante el tiempo de vida útil de la planta.

Vida útil de la planta y todos los componentes.

Condiciones de financiación.

Coste del combustible.

Condiciones de irradiación y viento típico de la localización concreta de la planta.

Perfil de carga completa en el sistema energético.

Se trata también del valor actualizado del coste unitario de la electricidad a lo largo de la vida del proyecto. El coste normalizado de la electricidad (LCOE) se cita a menudo como una conveniente medida resumen de la competitividad global de las diferentes tecnologías de generación.

En tecnologías renovables tales como la generación de energía solar y eólica que no tienen los costos de combustible y relativamente pequeños costos variables de operación y mantenimiento, el LCOE cambia en proporción aproximada al costo de capital estimado. En tecnologías con un uso significativo de combustible, una variación del coste de este afecta


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significativamente al LCOE. La disponibilidad de diversos incentivos fiscales puede también afectar el cálculo de LCOE.

Al igual que con cualquier otra proyección, existe incertidumbre acerca de todos estos factores y sus valores pueden variar a nivel regional y a través del tiempo. Es importante señalar que las decisiones de inversión de la planta actual se ven afectados por las características tecnológicas y regionales específicas de un proyecto, que implican muchos otros factores.

(EIA (U.S. Energy Information Administration), 2015)

Debido a la alta variabilidad de los parámetros que estamos comparando en este proyecto, como son el precio de la electricidad proveniente de la red eléctrica y el coste del diésel, además de las variaciones que conllevan las energías renovables, en nuestro cálculo del coste de energía no tendremos en cuenta ningún tipo de interés, inflación ni tasa de descuento, dejando esta tarea para un estudio más avanzado con datos específicos del cliente. De esta forma se evitan suposiciones que arrojen datos falsos sobre unos cálculos con suficientes variables para la comparativa que nos concierne.

La fórmula para analizarlo es la siguiente:

(Wikipedia [Online], Último acceso Julio 2015)

Eliminando la tasa de descuento y particularizando para nuestro caso:

Observamos que el cálculo consiste en dividir el VAN entre la energía producida en los años de vida del proyecto.

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1.8 EQUIPOS

1.8.1 BATERÍAS

Tabla 104. Datos técnicos de las baterías simuladas


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1.8.2 INVERSOR

Ilustración 122. Unifilar de la conexión de los inversores

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Tabla 105. Datos técnicos del inversor


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Tabla 106. Datos técnicos de inversores stand-alone (1/2)

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Tabla 107. Datos técnicos de inversores stand-alone (2/2)

1.9 PROGRAMAS

1.9.1 AQUAFLOW

Se trata de un programa para el diseño de sistemas de riego por goteo creado por TORO. AquaFlow proporciona a los diseñadores la información que necesitan para diseñar un sistema de microrriego con un rendimiento óptimo.


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El área de formato en las pestañas de lavado, líneas laterales y secundarias que aparecen en la pantalla de inicio, requiere de información del ingeniero de diseño. Una vez que se ingrese y guarde la información requerida, el diagrama de uniformidad de riego y las gráficas se actualizarán con los resultados de los nuevos cálculos. A continuación encontrará un resumen general de lo que el diseñador podrá ver y utilizar:

1. Líneas Laterales:

a) Datos Ingresados: modelo, pendientes, longitud, presión inicial y posición de líneas secundarias.

b) Resultados: caudal de lateral, caudal de gotero, caudal promedio, uniformidad de emisión de línea lateral, tiempo de trayectoria, caudal de gotero mín/máx, presión mínima, presión máxima, diámetro interior, coeficiente de gotero, exponente de gotero (x), espaciamiento entre goteros.

2. Líneas Secundarias:

a) Datos Ingresados: tipo de tubería, diámetro de tubería, pendiente(s), longitud, presión inicial, espaciamiento entre laterales.

b) Resultados: caudal de bloque de riego, uniformidad de emisión de bloque, caudal máximo de lateral, caudal mínimo de lateral, caudal de lateral mín/máx, presión mínima, presión máxima, diámetro interior, coeficiente de rugosidad, tamaño de bloque, caudal de bloque, tasa de precipitación, longitud de tubería por acre, longitud de tubería por bloque, cantidad de laterales por bloque de riego y tiempo de trayectoria.

3. Lavado: Líneas Laterales y Secundarias

a) Datos Ingresados: presión final, velocidad de lavado, presión inicial. b) Resultados: velocidad, presión inicial, caudal de salida de lateral, caudal de gotero,

tiempo de trayectoria, presión final.

4. Líneas Principales:

a) Datos Ingresados: tipo de tubería, diámetro de tubería, caudal, longitud, presión, desnivel.

b) Resultados: número de secuencia, desnivel (río arriba y río abajo), presión (río arriba y río abajo), caudal, pérdida por fricción, velocidad, tiempo de trayectoria, pendiente, longitud, tipo y diámetro de tubería.

(TORO [Online], Último acceso julio 2015)

1.9.2 HOMER PRO

HOMER (Hybrid Optimization of Multiple Electric Renewables), simplifica la tarea de evaluar diseños de sistemas de energía conectados y aislados de la red para una amplia variedad de aplicaciones. Cuando se diseña un sistema de energía, se deben tomar numerosas decisiones sobre la configuración del sistema: qué componentes tiene sentido incluir en el diseño del sistema, cuántos y qué tamaño de cada componente utilizar. El gran número de opciones y la variación en los costes de la tecnología y la disponibilidad de recursos energéticos hace que tomar estas decisiones sea una cuestión difícil. HOMER hace que evaluar las posibles configuraciones del sistema sea más fácil con Algoritmos de optimización y análisis de sensibilidad.

Para usarlo, es necesario proporcionar a HOMER unas entradas que describen los componentes tecnológicos, los costes de dichos componentes y la disponibilidad de recursos. El programa utiliza estas entradas para simular diferentes configuraciones del sistema, o combinaciones de componentes, y genera resultados que se pueden ver como una lista de configuraciones posibles ordenados por valor actual neto. HOMER también

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muestra resultados de la simulación en una amplia variedad de tablas y gráficos que ayudan a comparar configuraciones y evaluarlos sus méritos económicos y técnicos. Puede exportar las tablas y gráficos para su uso en informes y presentaciones.

También se dispone de la posibilidad de hacer un estudio de sensibilidad sobre numerosos parámetros (como la disponibilidad de recursos y las condiciones económicas) para explorar el efecto que podrían tener las variaciones en los costes y la rentabilidad. HOMER simula cada configuración del sistema a través de la gama de valores que le proporcionamos. Puede utilizar los resultados de un análisis de sensibilidad para identificar los factores que tienen el mayor impacto en el diseño y operación de un sistema de energía. También puede utilizar los resultados del análisis de sensibilidad para responder a preguntas generales sobre opciones tecnológicas e informar de decisiones de planificación.

HOMER simula la operación de un sistema al hacer cálculos de balance de energía en cada paso de tiempo que definamos. Para cada paso de tiempo, HOMER compara la demanda eléctrica y térmica con la energía que el sistema puede proporcionar en ese paso, y calcula los flujos de energía hacia y desde cada componente del sistema. Para los sistemas que incluyen baterías o generadores impulsados por combustibles, HOMER también decide en cada paso de tiempo la forma de operar los generadores y si se cargan o descargan las baterías. HOMER realiza estos cálculos de balance de energía para cada configuración del sistema que desee considerar. A continuación, determina si una configuración es posible, (es decir, si se puede satisfacer la demanda eléctrica en las condiciones que se especifican), y estima el coste de la instalación y operación del sistema durante la vida útil del proyecto. Los cálculos de los costes del sistema son tales como el capital, la sustitución de componentes, operación y mantenimiento, combustible e interés.

Después de simular todas las posibles configuraciones del sistema, HOMER despliega una lista de configuraciones, ordenados según su valor actual neto (VAN), que se puede utilizar para comparar opciones de diseño del sistema.

Al definir las variables de sensibilidad como entradas, HOMER repite el proceso de optimización para cada variable de la sensibilidad que usted especifique. Por ejemplo, si se define la velocidad del viento como variable de sensibilidad, HOMER simulará configuraciones del sistema para el rango de velocidades de viento que se especifique.

(HOMER ENERGY [Online], Última visita agosto 2015)

(GRUNDFOS, 2015) Proyecto Fin de Carrera...

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