Integral model for the use of solar photovoltaic energy in irrigation

Abstract

Irrigated agriculture makes possible to increase the productivity of the cropped area, becoming a key activity to meet the growing food demand resulting from the increase of global population. The transformation of arable land from rain-fed to irrigated raises in turn the water demand by the agricultural sector, which currently accounts for 70% of total extractions, on a global scale. The modernization of the irrigation sector led a substantial improvement in the efficiency of water use, although, in parallel, the replacement of systems based on open channels to pressurized networks resulted in a significant increase in energy demand. The main drawbacks of this growing demand are the higher farm operating costs and environmental impact linked to agriculture. In this context, there is a need to look for alternative energy sources with low greenhouse gas emissions, maintaining and even increasing the profitability of the agricultural activity. This thesis is structured in 6 chapters and an annex, focused on the integration of photovoltaic technology in irrigation as energy supply source. Thus, the different chapters contemplate this integration from the point of view of irrigation management and schedule to the dimensioning of the system, taking into account economic, environmental and operational aspects. The first chapter contextualizes the reason of this thesis, which objectives are set out in chapter 2, in which the structure of the rest of the document is also detailed. Chapter 3 presents a model for the management of photovoltaic irrigation. This model integrates crop, climatic, hydraulic and energy variables, accomplishing a real time synchronization of the photovoltaic power generated and the power and irrigation times demanded by the network which supplies. The application of this model to a real case study (experimental olive orchard of the Rabanales Campus of the University of Córdoba) has achieved excellent results, being able to satisfy, automatically, more than 96% of the irrigation requirements of the crop during the irrigation season analysed. In addition, the substitution of the conventional electrical supply by photovoltaic energy avoided the emission of 1.2 t of CO2 eq. corresponding to 602 h of irrigation (during a season), in the olive orchard field of the case study analysed. In chapter 4 an analysis of the life cycle of the photovoltaic technology used as energy source in irrigation is carried out. In addition, it is also compared with the life cycle linked to the energy supply with traditional options, diesel generators and the electricity grid. Subsequently, a comparative analysis is carried out between the different supply options, establishing two possible scenarios: with and without grid connection. The results derived from this work, expressed in relation to the unit of energy in kWh, showed the importance linked to the percentage of photovoltaic energy produced that is actually used, thus having a great repercussion the seasonality of irrigation and the possibility of taking advantage of the surplus energy generated when irrigation is not required. This work was also complemented with an analysis of the life cycle cost for the different technologies. Thus, the photovoltaic option has the lowest total costs (63% and 36% lower than the diesel generator and electricity grid options, respectively, for a useful life of the project of 30 years), despite requiring a higher initial investment. Chapter 5 presents a model for the optimal dimensioning of photovoltaic irrigation systems, which determines hydrants grouping in irrigation sectors, the pipe diameters for each section of the network and the dimensioning of the photovoltaic plant. This model, based on evolutionary algorithms (specifically the genetic algorithm NSGAII) also integrates the first of the models presented, with which the operation of each generated sizing option is verified. The possible solutions are evaluated to select those that best fit the established objective functions. Therefore, the results provided by the model are those combinations of hydrant grouping, pipe sizes and PV plant dimensioning that minimize the investment costs while ensuring the proper operation of the system. Once the model was developed, it was simulated to carry out the dimensioning of the PV irrigation system of the experimental olive orchard field of the University of Córdoba. The results showed design solutions with investment cost reductions between 24 and 39%, compared to the original design of the installation, with an irrigation satisfaction equal or greater than the current 96% in all options. Finally, chapter 6 synthesizes the main conclusions obtained after the development of this thesis, as well as the possible future avenues of research. This thesis highlights the importance of the integration of photovoltaic energy in agriculture as energy supply source, with low environmental impact, alternative to traditional energy sources. Therefore, it presents innovative tools for photovoltaic irrigation management and jointly dimensioning of the system irrigation networkphotovoltaic plant, taking into account the energy, hydraulic, economic, environmental and operational aspects of the system. Therefore, the purpose of providing the incorporation of this technology in the sector is combined with the objectives of reducing the environmental impact of this activity and improving the profitability of the farmer.

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. 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. Finalmente, el capítulo 6 sintetiza las principales conclusiones obtenidas tras el desarrollo de esta tesis, así como las posibles futuras vías de investigación. Esta tesis destaca la importancia de la integración de la energía fotovoltaica en la agricultura como medio de suministro energético, de bajo impacto ambiental, alternativo a las fuentes de energía tradicionales. Por ello, en ella se presentan herramientas innovadoras de gestión del riego fotovoltaico y dimensionamiento conjunto del sistema red de riego-planta fotovoltaica, teniendo en cuenta los aspectos energéticos, hidráulicos, económicos, ambientales y de operatividad del sistema. Por tanto, el propósito de facilitar la incorporación de esta tecnología en el sector queda acompañado de los objetivos de disminuir el impacto ambiental de esta actividad y mejorar la rentabilidad del agricultor.