El bombament solar en el regadiu
L’important increment del preu de l’energia elèctrica en els darrers anys està condicionant la rendibilitat de moltes explotacions agrícoles que requereixen energia elèctrica per regar. En aquest escenari, es plantegen diverses alternatives orientades a disminuir la factura elèctrica, entre les quals hi ha l’autoconsum mitjançant energies renovables.
Figura 1. Plaques en camp solar de tipus fix amb inclinació a 30°. Font: Joan Latorre i Xavier Guixà
01 Introducció
L’important increment del preu de l’energia elèctrica en els darrers anys està condicionant la rendibilitat de moltes explotacions agrícoles que requereixen energia elèctrica per regar. En aquest escenari, es plantegen diverses alternatives orientades a disminuir la factura elèctrica, entre les quals hi ha l’autoconsum mitjançant energies renovables. Es tracta que les Comunitats de Regants mateixes o els regants individuals generin part o la totalitat de l’energia que consumeixen utilitzant fonts renovables com l’eòlica, la hidràulica i la solar fotovoltaica, entre d’altres.
Aquest sistema d’autoconsum comporta importants avantatges: les pròpies de la utilització d’energies renovables, la rebaixa del cost energètic del bombament i una menor dependència d’un mercat elèctric força volàtil, amb contínues oscil·lacions de preus.
02 Marc normatiu
La normativa de referència és el RD 900/2015, el qual regula les condicions administratives, tècniques i econòmiques de l’autoconsum. Aquest Reial decret ha estat modificat recentment l’octubre de 2018 pel Reial decret llei 15/2018.
En la redacció inicial del RD 900/2015, els principals aspectes que incorporava i que s’havien de tenir en compte en plantejar-se la possibilitat d’implantar un bombament solar eren els següents:
- Només era d’aplicació a les instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica.
- Limitava la potència de generació a la potència contractada de les instal·lacions. És a dir, la potència màxima d’una planta fotovoltaica seria la potència contractada del punt de subministrament. Per tant, no es podia tenir una petita potència contractada a la xarxa de subministrament i instal·lar una gran planta fotovoltaica.
- Establia uns peatges per l’energia autoconsumida; en quedaven exempts els consumidors amb una potència contractada menor o igual a 10 kW.
- No permetia el balanç net anual (es tractaria d’un sistema en què l’usuari lliura o rep energia del sistema elèctric segons les necessitats). L’energia a abonar és la diferència entre l’energia produïda i alliberada a la xarxa i l’energia importada de la xarxa. Aquesta és una demanda de les Comunitats de Regants, ja que el regadiu té la particularitat de tenir una demanda molt estacional, amb consums molt importants en una part de l’any i pràcticament nuls en la resta de l’any.
En la redacció actual del RD 900/2015, actualitzat a octubre de 2018, els principals aspectes a tenir en consideració són els següents:
- Continua essent només d’aplicació a les instal·lacions connectades a la xarxa elèctrica.
- No limita la potència de generació a la contractada, i és possible posar potència de generació més gran que la potència contractada.
- Permet que una planta solar serveixi per a l’autoconsum de diversos consumidors.
- Elimina els peatges per l’energia autoconsumida.
D’altra banda, el Reial decret llei 15/2018 també modifica la Llei 24/2013, del sector elèctric, en el sentit de garantir l’exempció de càrrecs i peatges per tota l’energia autoconsumida d’origen renovable, cogeneració o residus, i deixa una porta oberta al fet que en un futur hi hagi balanç net per a instal·lacions de menys de 100 kW.
Atenent la normativa actual, es plantegen 3 principals tipologies d’instal·lacions d’autoconsum:
1. Instal·lacions interconnectades, amb connexió física amb la xarxa de distribució elèctrica, les quals estan subjectes al RD 900/2015.
2. Instal·lacions desconnectades de la xarxa de distribució, també anomenades aïllades, no subjectes a l’esmentat RD.
3. Instal·lacions connectades hidràulicament però parcialment aïllades elèctricament. En aquest cas, part de les bombes estan connectades a la xarxa de subministrament elèctric i una altra part s’abasten per la planta de generació fotovoltaica. Aquesta tipologia d’instal·lacions no estan subjectes al RD 900/2015.
03 Situació actual dels bombaments solars
En els darrers anys, l’energia solar fotovoltaica ha tingut un important desenvolupament, i ha demostrat ser un sistema fiable i robust. Aquest aspecte, juntament amb la gran disminució del cost de les plantes fotovoltaiques, la converteixen en una alternativa als subministraments mitjançant línies elèctriques o grups electrògens.
Figura 2. Exemple de bombament solar subjecte al RD 900/2015. Font: Infraestructures.cat.
Figura 3. Exemple de bombament solar aïllat. Font: Infraestructures.cat.
Figura 4. Exemple de bombament parcialment connectat. Font: Infraestructures.cat.
La implantació de la generació fotovoltaica en bombaments d’una certa importància, amb potències de més de 100 kWh, va iniciar-se fa uns 5 anys. Actualment, el major nombre de bombaments solars és a la província de Valladolid. Es tracta d’instal·lacions aïllades que anteriorment s’abastaven mitjançant grups electrògens, en què l’estudi de viabilitat va determinar períodes de retorn de la inversió entre 5 i 7 anys. També s’han implantat instal·lacions importants a la zona est de la península Ibèrica, principalment Múrcia, Alacant i l’Aragó. A la nostra zona, des de l’any 2017, hi ha diverses instal·lacions en servei de diferents tecnologies que són un bon aparador de les possibilitats del sistema, i, a més, hi ha nombroses instal·lacions que s’estan projectant en aquests moments.
D’altra banda, és important esmentar el desenvolupament del projecte MASLOWATEN, Market uptake of an innovative irrigation solution based on low water-energy consumption, coordinat per l’Institut d’Energia Solar de la Universitat Politècnica de Madrid, l’objectiu del qual és l’aplicació i la replicació comercial dels sistemes de bombament fotovoltaics amb consum d’energia zero per al reg en l’agricultura productiva. Els resultats, que es transferiran al sector, són indispensables per al desenvolupament comercial d’aquesta nova tecnologia.
04 Factors que condicionen la viabilitat dels bombaments solars
Actualment, es disposa d’una tecnologia que permet el subministrament solar en molts bombaments, si bé és indispensable fer un estudi de viabilitat financera de la inversió a dur a terme en cada projecte. Aquest estudi s’ha de fer comparant el bombament solar amb altres fonts de subministrament alternatives i avaluant la rendibilitat i el període de retorn de la inversió. És a dir, no n’hi ha prou que tècnicament sigui viable, sinó que, a més, la inversió que es farà ha d’estar justificada.
“En els darrers anys, l’energia solar fotovoltaica ha tingut un important desenvolupament i ha demostrat ser un sistema fiable i robust”
A continuació, s’analitzen els principals factors que condicionen la viabilitat dels projectes de bombament solar.
04.01 La despesa energètica actual en bombaments existents
En el cas de bombaments existents, la viabilitat d’una instal·lació de generació fotovoltaica com a font alternativa de subministrament està condicionada pel cost que es paga actualment de l’energia. Així, si es disposa d’una línia de subministrament elèctric i el consum es produeix en les hores vall de la tarifa elèctrica, un bombament solar serà poc viable. Contràriament, el projecte pot tenir una alta viabilitat si el perfil de consum és d’hores planes o punta. És important destacar que, en els casos en què ja es disposa de línia de subministrament elèctric i es decideix instal·lar una planta fotovoltaica, no sol ser aconsellable desconnectar-se de la xarxa.
Si el subministrament actual es realitza mitjançant grups electrògens, la viabilitat de la inversió estarà molt condicionada pel cost dels carburants, que sol ser molt volàtil.
04.02 El cost de la línia de subministrament elèctric en nous bombaments
El cost de la línia de subministrament elèctric condiciona la viabilitat de la inversió en els nous bombaments. En els casos en què el cost de la línia elèctrica sigui molt elevat, el bombament solar pot ser una alternativa molt interessant.
04.03 La distribució anual de la demanda energètica
Per avaluar la viabilitat d’una instal·lació, és indispensable conèixer la distribució de consums anuals per aconseguir el màxim encavalcament entre la corba de demanda hídrica i la corba de producció fotovoltaica anuals. La figura 5 mostra un exemple de corba de demanda hídrica anual d’un reg de suport, en la qual es pot observar l’estacionalitat de la demanda hídrica que alhora coincideix amb la demanda energètica.
Figura 5. Exemple de corba de demanda hídrica anual d’un reg de suport. Font: Infraestructures.cat.
Figura 6. Producció mensual d’una planta solar de 166,5 kWp a la comarca del Segrià. Font: Infraestructures.cat.
Pel que fa al perfil de producció fotovoltaica anual, la figura 6 mostra un exemple d’una planta solar de 166,5 kWp a la comarca del Segrià.
Per aconseguir el màxim encavalcament anual entre la corba de demanda hídrica i la producció fotovoltaica, cal tenir una alternativa de conreus en què es maximitzi la campanya de reg anual i evitar, tant com sigui possible, puntes de demanda molt importants en els mesos d’estiu. La construcció d’embassaments per regular aquests desajustaments anuals només sol ser viable en els casos de petites zones regables amb dotacions de suport, ja que en els casos de grans zones regables els volums requerits són molt elevats, i, per tant, les inversions a fer molt grans.
04.04 La gestió de la demanda diària
La producció de les plantes fotovoltaiques va variant al llarg del dia i arriba al màxim a les 12 hores solars. Aquesta generació d’energia no sol coincidir amb la demanda instantània de les estacions de bombament. La figura 7 mostra un exemple de la corba de demanda d’una comunitat de regants i la corba de producció fotovoltaica.
Figura 7. Demanda real d’un dia del mes de juliol d’una CR de 765 ha vs. perfil de producció d’energia fotovoltaica. Font: Infraestructures.cat
Figura 8. Esquema de bombament solar amb bassa de regulació. Font: Infraestructures.cat.
La gestió dels desajustaments diaris entre les corbes de demanda hídrica i la producció fotovoltaica depèn de si es tracta d’un bombament a una bassa de regulació o d’un bombament directe.
- Bombaments a bassa de regulació: els desajustaments entre producció i consum es resolen mitjançant una bassa de regulació situada a una cota suficient per regar. El cabal de bombament a la bassa va variant, dins d’un rang de treball, segons l’energia solar generada mitjançant la utilització de variadors de freqüència a les bombes. Es tracta d’una molt bona alternativa sempre que l’orografia del terreny permeti la construcció d’una bassa amb prou alçada i a una distància pròxima a la zona de reg.
- Bombaments directes: en aquests casos, en no haver-hi una bassa de regulació i tractar-se normalment de demandes a pressió constant i cabals sol·licitats variables, calen sistemes de regulació més complexos. Aquests bombaments necessiten, a part de la utilització de variadors, una gestió centralitzada de la demanda i, en determinades ocasions, sistemes complementaris de generació (grups electrògens o línia de subministrament elèctric).
Cal tenir en compte que, tot i l’important desenvolupament dels sistemes de bateries, avui no es considera que la seva utilització sigui viable en la majoria dels casos de bombaments solars.
“Per aconseguir el màxim encavalcament anual entre la corba de demanda hídrica i la producció fotovoltaica, cal tenir una alternativa de conreus en què es maximitzi la campanya de reg anual i evitar, tant com sigui possible, puntes de demanda molt importants en els mesos d’estiu”
05 Principals elements d’un bombament solar
A continuació, es descriuen els principals elements d’un sistema de bombament solar.
05.01 Planta fotovoltaica
Una planta fotovoltaica està constituïda per un conjunt de mòduls fotovoltaics de silici d’una potència determinada. La potència dels panells es mesura per la potencia pic (Wp), que és la potència que generen els panells solars en condicions de màxima insolació (1.000 W/m2) i a 25º C. Així, la potència de la planta fotovoltaica és la suma de la potència dels panells solars que la integren.
Aquests panells poden estar situats sobre el terreny o sobre coberta i poden ser fixos o amb seguidors; se’n distingeixen les configuracions següents:
• Sobre coberta:
o Fixa orientada al sud.
o Fixa amb doble vessant, una orientada a l’est i l’altra a l’oest.
• Sobre terreny:
o Fixa amb doble vessant, una orientada a l’est i l’altra a l’oest.
o Fixa orientada al sud amb inclinació entre 20 i 30º sobre l’horitzontal.
o Estructura mòbil amb seguidors a un sol
Per aconseguir el màxim encavalcament anual entre la corba de demanda hídrica i la producció fotovoltaica, cal tenir una alternativa de conreus en què es maximitzi la campanya de reg anual i evitar, tant com sigui possible, puntes de demanda molt importants en els mesos d’estiu.
eix (rotació al voltant d’un eix horitzontal orientat nord-sud).
o Estructura mòbil amb seguidors a 2 eixos (màxim seguiment del sol durant tot l’any).
En el cas de bombaments a bassa de regulació, els més utilitzats són les estructures fixes i els seguidors en un sol eix; en canvi, en els bombaments directes, són més aconsellables els fixos amb doble orientació o les estructures mòbils, ja que és més prioritari maximitzar el nombre d’hores amb una producció mínima per al funcionament del bombament que una gran producció total diària concentrada a la part central del dia.
Figura 9. Esquema de bombament solar directe a la xarxa de reg. Font: Infraestructures.cat.
Pel que fa a la configuració de les plaques, es connecten en sèrie, cosa que s’anomena strings. Es limita el nombre de plaques en cada string al rang de tensions amb què pot treballar el variador de freqüència. Com a conseqüència, una instal·lació fotovoltaica estarà formada per un conjunt de strings, els quals es connectaran al variador de freqüència i incorporaran les proteccions elèctriques necessàries.
05.02 Variador de freqüència
El variador de freqüència és un dispositiu electrònic que actua regulant la velocitat de gir dels motors elèctrics per aconseguir unes determinades condicions de treball. Aquestes condicions són diferents segons si es tracta d’un bombament a bassa de regulació o un bombament directe.
En el cas de bombament a bassa, el variador adapta el consum dels motors a la generació de la planta fotovoltaica. Així, en els moments de poca generació fotovoltaica, les bombes funcionen a baixa velocitat i, per tant, els volums d’aigua bombats són reduïts. A mesura que la generació va augmentant, la velocitat de les bombes també ho fa, fins a arribar a la velocitat nominal de treball on es bomba el cabal màxim.
En els cas de bombaments directes, el variador intenta adaptar, sempre que hi hagi prou producció a la planta fotovoltaica, el punt de funcionament de la bomba a les condicions de cabal i pressió requerides pel sistema.
El variador és alimentat per la planta fotovoltaica amb corrent continu i subministra a la bomba corrent elèctric altern trifàsic.
És interessant que els variadors incorporin la possibilitat de connexió a un grup electrogen per poder donar servei davant possibles contingències.
“És indispensable una bona selecció de la corba de la bomba que permeti el màxim ajustament, mitjançant la utilització dels variadors de freqüència, a la generació fotovoltaica”
05.03 Bomba
En els bombaments solars, se solen utilitzar les mateixes tipologies de bombes centrífugues que en un bombament convencional. Per tant, es poden instal·lar tant les bombes submergibles com les horitzontals o verticals, habitualment accionades per motors elèctrics de corrent alterna trifàsica a 400 V. És indispensable una bona selecció de la corba de la bomba que permeti el màxim ajustament, mitjançant la utilització dels variadors de freqüència, a la generació fotovoltaica.
“És interessant que els variadors incorporin la possibilitat de connexió a un grup electrogen per poder donar servei davant possibles contingències”
05.04 Sistema de control
El bombament incorporarà un sistema de control que permetrà una gestió òptima de la generació fotovoltaica, del funcionament del grup de bombament i del control de les condicions de subministrament d’aigua. Estarà format per un PLC, un sistema de monitorització remota, sistemes de protecció i sensors de pressió, cabal i irradiació.
Entre altres funcionalitats, incorporarà un sistema de protecció contra aturades sobtades pel pas de núvols, que s’anticiparà a la conseqüent variació de la pressió baixant les revolucions del motor o fins i tot aturant-lo fins que es recuperin les condicions d’irradiació.
Article extret del Dossier Tècnic nº 96 "Energia i regadiu. Bombament solar"
Data de publicació: març de 2019
06 Autors
Joan Latorre Pifarré
Divisió d’Obres Hidràuliques d’Infraestructures.cat
jmlatorre@infraestructures.cat
Xavier Guixà Martorell
Divisió d’Obres Hidràuliques d’Infraestructures.cat