Sincronización óptima de la producción de energía fotovoltaica con la gestión de redes de riego
- Autores: Aida Mérida García
- Directores de la Tesis: Juan Antonio Rodríguez Díaz (dir. tes.), Emilio Camacho Poyato (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Rafael López Luque (presid.), Miguel Ángel Moreno Hidalgo (secret.), Helena Margarida Ramos (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Agraria, Alimentaria, Forestal y del Desarrollo Rural Sostenible por la Universidad de Córdoba y la Universidad de Sevilla
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis La agricultura de regadío permite aumentar la productividad de la superficie agrícola, convirtiéndose en una actividad clave para satisfacer la creciente demanda de alimentos derivada del aumento de la población mundial. La conversión de superficie cultivable del secano al regadío a su vez incrementa la demanda de agua por parte del sector agrícola, la cual representa en la actualidad un 70% de las extracciones totales, a escala global.
La modernización del regadío ha permitido una mejora sustancial en la eficiencia del uso del agua, aunque, de forma paralela, la sustitución de los sistemas basados en canales abiertos por redes a presión ha dado lugar a un aumento significativo en la demanda de energía. Los principales inconvenientes derivados de esta creciente demanda se traducen en un mayor coste de operación en las explotaciones e impacto ambiental vinculado a la agricultura. En este contexto surge la necesidad de buscar fuentes de energía alternativas de baja emisión de gases efecto invernadero que permitan, además, mantener e incluso aumentar la rentabilidad de la actividad agrícola.
2. Contenido de la investigación Esta tesis se estructura en 6 capítulos y un anexo, enfocados todos ellos a la integración de la tecnología fotovoltaica en el riego, como fuente de suministro energético. Así, los distintos capítulos contemplan esta integración desde el punto de vista de la gestión y programación del riego hasta el dimensionamiento del sistema, teniendo en cuenta aspectos económicos, ambientales y de operatividad. El primero de los capítulos contextualiza el porqué de esta tesis, estando los objetivos de la misma recogidos en el capítulo 2, donde además se detalla la estructura del resto del documento.
En el capítulo 3 se presenta un modelo para la gestión del riego fotovoltaico. Este modelo integra variables del cultivo, climáticas, hidráulicas y energéticas, llevando a cabo una sincronización en tiempo real de la potencia fotovoltaica generada y la potencia y tiempos de riego demandados por la red a la que abastece. La aplicación de este modelo a un caso de estudio real (parcela experimental de olivar del Campus de Rabanales de la Universidad de Córdoba) ha conseguido resultados excelentes, siendo capaz de satisfacer, de forma automática, más del 96% de los requerimientos de riego del cultivo durante la campaña de riego analizada. Además, la sustitución del suministro eléctrico convencional por energía fotovoltaica evitó la emisión de 1.2 t de CO2 eq. correspondientes a 602 h de riego (durante una campaña), en el cultivo de olivar del caso de estudio analizado.
En el capítulo 4 se lleva a cabo un análisis del ciclo de vida de la tecnología fotovoltaica empleada como fuente de energía en el regadío. Además, también se compara con el ciclo de vida vinculado al suministro energético mediante las alternativas tradicionales, generadores diésel y la red eléctrica. Posteriormente, se lleva a cabo un análisis comparativo entre las distintas opciones de suministro, estableciendo para ello dos posibles escenarios: con y sin conexión a red. Los resultados derivados de este trabajo, expresados en relación a la unidad de energía en kWh, mostraron la importancia vinculada al porcentaje de energía fotovoltaica producida que es realmente aprovechado, teniendo por ello una gran repercusión la estacionalidad del riego y la posibilidad de aprovechar el excedente de energía producida en los momentos en los que no es necesario regar el cultivo. Este trabajo fue además complementado con un análisis del coste asociado al ciclo de vida de las distintas tecnologías. Así, la opción fotovoltaica presenta el menor de los costes totales (63% y 36% inferior a la opción de generador diésel y red eléctrica, respectivamente, para una vida útil de proyecto de 30 años), a pesar de requerir una mayor inversión inicial.
En el capítulo 5 se presenta un modelo para el dimensionamiento óptimo de sistemas de riego fotovoltaico, el cual determina el agrupamiento de hidrantes en sectores de riego, el diámetro de tubería para cada tramo de la red y el dimensionamiento de la planta fotovoltaica. Este modelo, basado en algoritmos evolutivos (en concreto el algoritmo genético NSGAII) integra así mismo el primero de los modelos presentados, con el que se comprueba el funcionamiento de cada una de las opciones de dimensionamiento generadas. Las posibles soluciones son evaluadas con el fin de seleccionar aquellas que cumplen mejor las funciones objetivo establecidas. Por ello, los resultados facilitados por el modelo son aquellas combinaciones de agrupamiento de hidrantes, dimensiones de tuberías y tamaño de la planta FV que minimizan los costes de inversión y garantizan al mismo tiempo el correcto funcionamiento del sistema. Una vez desarrollado el modelo, éste fue simulado para llevar a cabo el dimensionamiento del sistema de riego FV de la parcela de olivar experimental de la Universidad de Córdoba. Los resultados obtenidos mostraron soluciones de diseño con ahorros en el coste de inversión de entre el 24 y el 39%, en comparación con el diseño original de la instalación, con una satisfacción del riego igual o superior al 96% actual en todas las opciones.
3. Conclusiones La energía fotovoltaica es una muy buena alternativa a las fuentes de energía tradicionales para el suministro energético en el riego en zonas con adecuados niveles de radiación solar, ofreciendo una solución para explotaciones aisladas de la red eléctrica. Sin embargo, su alta dependencia de las variables climáticas requiere nuevas herramientas de gestión. El desarrollo de modelos inteligentes para la gestión en tiempo real del riego fotovoltaico mediante la sincronización de la potencia generada y la demandada por los distintos sectores que componen la red ha permitido satisfacer en más de un 96% los requerimientos de riego del cultivo en el caso de estudio analizado. Estos resultados prueban la eficacia y autonomía del sistema, que además permitió reducir la emisión de CO2 eq. en 1.2 tn en una campaña de riego. La energía fotovoltaica presenta un impacto ambiental casi despreciable durante el periodo de funcionamiento. Sin embargo, la etapa de fabricación de los módulos fotovoltaicos requiere una importante demanda de materiales y energía. Aun así, el potencial de calentamiento global, de acidificación, de agotamiento de recursos fósiles y de toxicidad humana vinculado a 1kWh de energía, para la opción de suministro energético fotovoltaico fue significativamente menor al mostrado por las opciones de suministro tradicionales (red eléctrica y generador diésel). La estacionalidad del riego afecta notablemente al impacto ambiental vinculado a cada kWh de energía fotovoltaica útil. Así, la posibilidad de exportar a la red eléctrica el excedente de energía fotovoltaica producida y no consumida por la red de riego mostró, para el caso de estudio analizado, una carga ambiental para cada kWh de energía aprovechado 6 veces inferior a la determinada para la opción de riego en la que la planta fotovoltaica permanece aislada de la red. La energía fotovoltaica como fuente de suministro energético en el riego conlleva una mayor inversión inicial que la correspondiente al uso de fuentes de energía tradicionales. Sin embargo, el coste total (costes de inversión y funcionamiento) vinculado a la opción de riego fotovoltaico para el caso de estudio seleccionado resultó en un ahorro del 63% y 36% en comparación con el uso de un generador diésel y la red eléctrica, respectivamente.
El desarrollo de herramientas de optimización para el dimensionamiento del sistema de riego fotovoltaico que integran aspectos económicos y de operatividad, así como variables hidráulicas y energéticas, permite obtener soluciones de diseño que contemplan la minimización del coste total de inversión, asegurando un correcto funcionamiento del sistema.
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