"Los métodos de optimización ayudan a reducir el consumo y coste energético de las redes hidráulicas a presión"

“Los métodos de optimización ayudan a conseguir reducciones significativas en el consumo y el coste energético de las redes hidráulicas a presión, tal y como se ha comprobado en los diferentes casos de estudio analizados. Pero la alta variabilidad horaria, tanto de la demanda de agua como de los costes de la energía, aconsejan llevar a cabo dicha optimización en tiempo real, aplicando las técnicas más apropiadas en cada caso para reducir los tiempos de cálculo”

Este es el principal resultado de la tesis doctoral “Desarrollo e implementación de algoritmos para la optimización energética en tiempo real de redes hidráulicas a presión”, realizada por Joan Carles Alonso Campos y dirigida por los investigadores del Grupo de Redes Hidráulicas y Sistemas a Presión del IIAMA-UPV, Fernando Martínez Alzamora y Miguel Angel Jiménez Bello.

El estudio busca mejorar, en la medida de lo posible, la toma de decisiones por parte de las personas encargadas de la gestión de los sistemas de distribución de agua, especialmente en el sector agrícola.

“La sustitución de los regadíos tradicionales por riego localizado ha supuesto un importante incremento en los costes de operación de las redes de riego”

“La sustitución de los regadíos tradicionales por riego localizado ha supuesto un importante incremento en los costes de operación de las redes de riego, debido principalmente al consumo energético adicional de los equipos de bombeo para elevar la presión de trabajo hasta el nivel requerido por las subunidades de riego. Además, tanto los crecientes precios de la energía como el cambio en las estructuras tarifarias de los últimos años, son a su vez causa del aumento en los costes del bombeo”, asevera Joan Carles Alonso, autor de la tesis doctoral.

El investigador valenciano ha desarrollado diferentes metodologías que permitan obtener en tiempo real los parámetros de operación de redes hidráulicas a presión, y de este modo minimizar el consumo y/o el coste energético, garantizando el cumplimiento de las condiciones de funcionamiento necesarias para una adecuada calidad del servicio.

“Al tratarse del ámbito de la operación diaria de la red, una de las condiciones indispensables que deben reunir los métodos de optimización es una respuesta lo suficientemente rápida como para que no solo se pueda disponer de las soluciones más convenientes en el momento de ejecutar las consignas de operación, sino que además se habilite un procedimiento flexible para dar respuesta a posibles cambios en las predicciones o eventos que puedan producirse”, explica el investigador del IIAMA durante su etapa doctoral.

“La tesis aborda de manera diferenciada la optimización energética de los subsistemas de transporte de agua y la de los subsistemas de distribución, debido a las distintas características que se pueden observar en ellos”

Métodos y características

La tesis doctoral aborda de manera diferenciada la optimización energética de los subsistemas de transporte de agua y la de los subsistemas de distribución, debido a las distintas características que se pueden observar en ellos.

Concretamente, en la parte relativa a los subsistemas de distribución, particularizada al caso de un sistema de riego con bombeo directo a red, se han explorado los métodos metaheurísticos de optimización, mientras que, en los subsistemas de transporte, se ha explorado la aplicabilidad del método determinista de optimización por programación lineal.

Además se ha desarrollado un método original basado en el análisis de los flujos energéticos que permite “conocer y monitorizar el coste incurrido para transportar el agua desde las fuentes hasta los diferentes depósitos o balsas de regulación y, finalmente, hasta los puntos de consumo, y en base a ello aplicar técnicas de optimización metaheurísticas para determinar la mejor política para gestionar el agua embalsada”, indica Joan Carles.

“El método heurístico es una técnica que prima la usabilidad de las herramientas frente a su capacidad para encontrar la mejor solución”

Por esta razón, Joan Carles Alonso afirma que una de las reflexiones más importantes que se han derivado del desarrollo de la tesis es que, a la hora de aplicar efectivamente las metodologías de optimización en la industria, a diferencia del contexto académico, “es fundamental que los sistemas de soporte a la decisión implementados sean capaces de ofrecer las soluciones de forma ágil, directa y robusta, aunque estas soluciones se alejen ligeramente del óptimo global, siendo el método heurístico una técnica que prima la usabilidad de las herramientas frente a su capacidad para encontrar la mejor solución”.  

Resultados

Las técnicas desarrolladas se han aplicado en tres casos de estudio: dos de ellos son redes de riego agrícola, el Realón en Picassent (València) y el Pantano Estrecho de Peñarroya (Ciudad Real), y el tercero caso es un subsistema de transporte en una red de agua potable.

“La principal diferencia entre las redes de riego y las redes urbanas, en el ámbito de la optimización de su operación, es que en las redes de riego se dispone de cierta libertad para actuar sobre de las demandas, pudiendo elegir los instantes más idóneos en los que efectuar cada uno de los riegos. En el caso de las redes urbanas, la optimización se ha orientado a la elección de las mejores estrategias de operación en bombeos a depósitos de regulación (subsistemas de transporte), aprovechando el grado de libertad que ofrece el almacenamiento de agua”, asevera el Dr. Alonso Campos.

“En las redes de riego se ha propuesto optimizar el programa de riego a partir de un conjunto de peticiones preestablecidas”

En las redes de riego se ha propuesto optimizar el programa de riego a partir de un conjunto de peticiones preestablecidas, contemplando tanto el término de energía como la penalización por exceso de potencia en los diferentes periodos tarifarios.

“El nuevo sistema puede ser integrado en cualquier plataforma de gestión de comunidades de regantes para su operación en tiempo real, tal y como ha se ha demostrado en la implementación realizada en la comunidad de regantes del Pantano Estrecho de Peñarroya (Ciudad Real), donde se alcanzaron reducciones de costes de alrededor del 6% al 7% para escenarios sin déficit de presión, al determinar el mejor momento del día para satisfacer cada una de dichas peticiones”, concluye afirmando Joan Carles Alonso.

“En la red de riego del Realón, ubicada en el Sector XI del Canal Júcar-Turia, el ahorro conseguido llegó a situarse “en el 24,4 % de la energía y el 35,5 % de los costes asociados”

Por su parte, en la red de riego del Realón, ubicada en el Sector XI del Canal Júcar-Turia, el ahorro conseguido llegó a situarse “en el 24,4 % de la energía y el 35,5 % de los costes asociados para el mismo volumen de agua suministrado, gracias en este caso a la posibilidad adicional de convertir algunas tomas que regaban por bombeo a un riego por gravedad”, señala el Dr. Alonso Campos.

“En el caso de la red de agua potable se pudo obtener una reducción en el coste específico diario del orden del 10% para un subsistema de abastecimiento urbano”

En el caso de la red de agua potable se pudo obtener una reducción en el coste específico diario del orden del 10% para un subsistema de abastecimiento urbano. La eficiencia computacional del método basado en programación lineal quedó evidenciada, con un tiempo de computación inferior a 1 segundo para el caso de estudio.