Estudio de la eficiencia energética de una red de distribución de agua presurizada: caso de estudio - red de riego de cap de terme

Abstract

[EN] The modernization of the water distribution networks, in both urban and irrigation uses, is a process that took places in past and still continue until the present in multiple countries. One of the great successes achieved with the modernization of the distribution networks in irrigation networks was the increase in productivity of crops and the irrigated areas, the reduction of water volumes associated with this process while in urban network, the progress allowed a better control and management of the injected volumes after introducing the automation process in these systems. Another progress that was obtained due the modernization and automation of water supply systems is related with the disuse of tanks. The modernization process was joined with successful and negative aspects, because it was carried out without considering the involved impacts with the nature and consequently on health. One of the changes that originated in this whole process was the use of electricity to transport water. Years ago, the water-energy ratio was restricted to the generation of energy through water, however, the interdependence existing between the two resources and the need to know the amount of energy consumed for such transportation had not been analyzed. Due the climate changes, droughts have become more frequent and the concern of a better water resources management has required a greater level of control over it. The modernization to pressurized water systems brings associated power consumption for its operation. The increase in energy consumption leads to increase of greenhouse gases emitted to the atmosphere due to fossil fuels used to generate energy. In 1997, several countries, including Spain joined the Kyoto Protocol. This protocol was aimed at reducing the greenhouse gases emitted to the atmosphere that cause the global warming and it served to promote the adoption of measures to reduce such emissions, allowing at the same time, the improve of energy efficiency of water pressurized systems by the use of alternative energies and regular evaluations of the systems through the implementation of energetic audits. This thesis analyses the high electricity consumption that occur in pressurized water systems, proposing a methodology (based on an existing one) to evaluate the performance of these systems and suggesting possible solutions. As an example, the proposed methodology is applied to a hypothetical case of study. Initially, it is intended to apply the methodology to a real case from Mozambique of a water distribution system, but due the difficulties in obtaining the information, in discussions with the thesis director, it was decided to choose a real case from Spain and with some modifications in the model, carry out the study. The proposed methodology aims to support the managers of pressurized water systems allowing for better control of the electrical energy consumption. Monitoring the operation of water pressurized systems have a significant role in the management because it allows to know the real performance of the system, identify potential problems and their causes, take actions to improve the performance and achieve savings, both at financial and energetic, as well as water. With the adoption of the proposed measures the saving margins average in electricity in urban systems are not less than 30% and may reach 50% at modernized irrigation systems.

[ES] La modernización de las redes de distribución de agua, tanto en redes urbanas como en los regadíos, es un proceso que tuvo y sigue teniendo lugar en la actualidad en varios países del mundo. Uno de los grandes éxitos logrados con la modernización de las redes de distribución de agua a presión en los sistemas de regadío fue el aumento en la productividad de los cultivos y de las superficies regadas y la reducción de los volúmenes de agua asociados a este proceso; mientras que en las redes urbanas, este avance permitió un mejor control y gestión de los volúmenes inyectados en las redes una vez introducida la automatización en estos sistemas. Asimismo la modernización y automatización del suministro de agua a las redes urbanas ha contribuido a la entrada en desuso de los aljibes situados en las viviendas. En particular el proceso de modernización de regadíos no solamente estuvo acompañado de éxitos sino también de aspectos no tan positivos, ya que se llevaba a cabo sin considerar qué impactos supondrían en la naturaleza y consecuentemente en la salud. Uno de los cambios que se originó en todo este proceso fue el empleo de la energía eléctrica para transportar el agua, dado que en el riego tradicional el agua circulaba por gravedad. Hace años, la relación agua-energía se restringía a la generación de energía por medio del agua, sin embargo, la interdependencia que existe entre los dos recursos y la necesidad de conocer la cantidad de energía que se consume para realizar dicho transporte (así como en otros muchos procesos, particularmente la depuración) no se había analizado. Debido al cambio climático, las sequías se han vuelto cada vez más frecuentes y la preocupación por gestionar de modo eficiente los recursos hídricos ha exigido mayores niveles de control del mismo, es decir, ha exigido la modernización de los sistemas. El aumento imparable de la población (con la consiguiente necesidad de producir más alimentos) es el otro factor que contribuye a aumentar la presión sobre los recursos naturales. La modernización de las redes de agua a presión trae asociada un consumo de energía necesaria para su funcionamiento. Este aumento en el consumo de energía genera un aumento de los gases de efecto invernadero emitidos a la atmósfera debido al quemado de los combustibles fósiles utilizados para generar dicha energía. En el año 1997 varios países del mundo, entre ellos España, se adhirieron al protocolo de Kyoto. Este protocolo tenía por objetivo reducir las emisiones de los gases de efecto invernadero que causan el calentamiento global y sirvió para impulsar la adopción de medidas para reducir dichas emisiones, entre otras mejorar la eficiencia energética de las redes de distribución de agua a presión, uso de energías alternativas y la implantación sistemática de evaluaciones regulares de los sistemas mediante la elaboración de auditorías energéticas. En la presente tesis se aborda la problemática de los elevados consumos de energía eléctrica que se producen en algunas redes de distribución de agua, en particular las de perfil irregular (importantes diferencias de cotas entre sus nudos), proponiéndose una nueva metodología para evaluar el desempeño de dichas redes y planteando posibles soluciones. Como ejemplo, se aplica la metodología propuesta a un caso de estudio real, en particular una red de riego modernizada hace una década. Inicialmente, se pretendía aplicar la metodología a un caso real de una red de distribución de agua a presión de Mozambique, pero por la falta de información referente al

sistema elegido y dificultades para obtener datos de otros sistemas, en conversaciones mantenidas con el director de tesis, se optó por elegir un caso real de España y, mediante pequeñas modificaciones en el modelo, realizar el estudio sobre este caso modificado. La metodología aquí presentada, tiene como finalidad servir de herramienta de apoyo a los gestores de los sistemas de distribución de agua a presión, permitiendo un mejor control de los consumos de energía eléctrica que se demandan. El monitoreo del funcionamiento de las redes de distribución de agua presurizada juega un papel importante en la gestión de los sistemas porque permite conocer su rendimiento, identificar posibles problemas y sus causas, tomar medidas para mejorar su desempeño y obtener ahorros, tanto a nivel energético como de agua. Con la adopción de las medidas propuestas, los márgenes medios de ahorro de energía eléctrica en las redes urbanas no son inferiores al 30% y puede llegar al 50% en las redes de riego modernizadas.