ARTICLE TÈCNIC | 24/12/2019  Ruralcat

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

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"

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

xguixa@infraestructures.cat