Aproveitamento de energia disponível nos sistemas de abastecimento de água

Energia e água são elementos preponderantes para um crescimento económico sustentado e para a redução da pobreza. O aumento dos consumos energéticos, a flutuação dos preços dos combustíveis fósseis, a incerteza no abastecimento energético e os medos relativos ao aquecimento global têm demonstrado que a forma de produzir energia elétrica tem de ser cuidadosamente planeada e gerida (Ramos, et al., 2011).

As energias renováveis podem ser divididas em seis categorias principais, dependendo da sua fonte de origem: energia hidráulica, energia de biomassa, energia solar, energia geotérmica, energia eólica, energia das ondas e das marés. A energia elétrica pode ser obtida através destas energias renováveis, utilizando diferentes tipos de aplicação.

Dentro das prioridades da União Europeia, encontra-se a problemática dos recursos de água disponíveis, tendo sido prestada atenção a esses mesmos problemas através da implementação de políticas integradas para a redução e controlo da pressão, a redução das perdas ao longo do sistema e até mesmo a redução do risco de rotura do mesmo. Nos sistemas de abastecimento de água, as válvulas redutoras de pressão são utilizados como um meio dissipador para o controlo da pressão através de uma queda de pressão localizada. A utilização de micro turbinas e bombas operando como turbinas, é considerada uma solução sustentável quer em termos de controlo de pressão quer de produção de energia elétrica. A utilização de fontes de energias renováveis nos sistemas de abastecimento de água parece ser uma solução bastante

valiosa ao invés da utilização de dispositivos redutores de pressão. Trata-se de um projeto de produção de energia limpa, sem impactos ambientais significativos, sem constrangimentos para os utilizadores ou outros usos da água (Ramos, et al., 2005).

O principal objetivo de um sistema de abastecimento de água sustentável consiste em desenvolver novas estratégias e soluções que consigam satisfazer as necessidades de consumo populacionais com boa qualidade, sem consequências a nível ambiental e com os menores custos operacionais possíveis (Ramos, et al., 2011).

As vantagens deste tipo de soluções são enormes. É possível produzir energia, podendo esta ser vendida à rede elétrica nacional ou usada localmente. Do ponto de vista dos sistemas de abastecimento de água, a energia elétrica produzida poderá ser utilizada para efetuar a bombagem nos sistemas de abastecimento de água, quer em áreas urbanas ou rurais, em zonas industriais ou em sistemas de rega. Quando comparados com o sistema de abastecimento de água comum, esta produção de energia permite-nos uma menor emissão de carbono para a atmosfera e uma contribuição para a mitigação das alterações climáticas (Ramos, et al., 2011). Hoje em dia existe um elevado número de casos de estudo efetuados usando energias disponíveis nos sistemas de abastecimento de água, sendo alguns deles apresentados seguidamente.

Ramos, et al., (2005) desenvolveram um trabalho experimental constituído por uma rede de abastecimento de água, ligada a um reservatório de ar com sentido contrário ao do caudal e um outro reservatório com o sentido de escoamento do caudal, onde é descarregada água com caudal a um nível constante. Na zona intermédia da rede de abastecimento de água foi colocada uma válvula redutora de pressão para analisar as condições de operação em estado estável e em estado instável. Se esta válvula for posteriormente substituída por uma bomba operando como uma turbina. A otimização do modelo foi obtida recorrendo a algoritmos genéricos. Através da análise deste tipo de problema conseguiu-se concluir que é possível aproveitar o excesso da pressão dissipada com recurso a válvulas redutoras de pressão, através do uso de micro-turbinas ou bombas como turbinas gerando energia elétrica com baixos custos.

Determinados países são compostos por numerosas aldeias e devido à elevada distância entre as mesmas torna-se economicamente inviável o alargar da rede elétrica nacional até esses mesmos locais. Como tal, Ramos & Ramos (2009) desenvolveram um trabalho com o

objetivo de estudar a possível aplicação de energia solar para a captação de água em poços situados em zonas rurais ou isoladas. Para a execução deste estudo usou-se um modelo foto voltaico avançado, onde se considerou uma pequena aldeia constituída por dez famílias com um consumo diário por habitante de 100 litros, um poço com uma profundidade de 100 metros, um reservatório de 10 metros acima do solo, uma autonomia de 6 dias e ainda uma perda de carga permitida de 2 %. Para as condições mencionadas, foram obtidos um custo de água a rondar os 1,07 €/m³ e um custo total de investimento de 3019 €. Através dos resultados obtidos foi possível concluir que os custos inerentes a estender a rede elétrica nacional até aldeias isoladas, provavelmente iriam ser superiores aos da implementação do sistema solar para a captação da água.

Ramos & Ramos (2008), apresentam um caso de estudo sobre um sistema de abastecimento de água numa vila de Portugal, composto por uma captação de água, uma estação de tratamento, tubagens, estação de bombagem e um reservatório. Foi simulada a ligação do sistema de abastecimento de energias renováveis (água, vento e sol) à estação de bombagem. São testados dois tipos de sistemas, um sistema que não apresenta ligação à rede energética nacional e onde se despreza a implementação de uma turbina. O outro sistema apresenta ligação à rede nacional dividindo-se em dois subsistemas, em que ambos apresentam capacidade de produzir energia através do vento e do sol mas apenas um tem capacidade de gerar energia a partir da água ou seja, apresenta turbina. Para o desenvolvimento desta metodologia foram utilizados dois programas, o EPANET (The Environmental Protection Agency Network) e ainda o HOMER (Hybrid Optimization Model for Electric Renewables). Através da implementação deste estudo foi possível concluir que a grande fatia de produção de energia advêm da água ou seja, da utilização de turbina. Foram utilizados valores de velocidade do vento reduzidos o que fez com que a energia obtida através do mesmo fosse subdimensionada. Para o sistema que não contém ligação à rede elétrica, este apresenta resultados satisfatórios para uma solução híbrida, quando esta exibe uma distância de 31,6 quilómetros à rede elétrica nacional, no entanto, se proceder à aplicação de subsídios este valor pode ser reduzido em 10 quilómetros. Este tipo de método poderá ser utilizado em países com elevada área e em que a rede elétrica não possui uma abrangência elevada.

No sistema com ligação à rede nacional, com a utilização da turbina, a bombagem apenas se processa em horário noturno e no sistema sem utilização de turbina, a bombagem processa-se ao longo de 18 horas estando parada nas horas de maior custo energético. Ambos os sistemas

são rentáveis, no entanto, o aumento de caudal leva a maiores perdas se o circuito for o mesmo para ambos. Em ambos os casos, a otimização do sistema não contempla a utilização de energia solar.

Um caso real foi estudado por Vieira & Ramos (2008), situado na ilha da Madeira, em Portugal, tendo como principal função proceder ao abastecimento de água às zonas do Funchal, Câmara de Lobos e Santa Quitéria, tal como uma regularização de caudais e produção de energia elétrica. Este sistema contem uma estação de bombagem e uma estação hidrelétrica na zona de Socorridos, permitindo este a reversibilidade dos caudais. O objetivo foi estabelecer um conjunto de decisões para um determinado período de tempo, a fim de obter a solução economicamente mais rentável e ao mesmo tempo garantindo quer do ponto de vista ambiental e social os caudais necessários às populações a abastecer. A intenção é obter para cada hora os mínimos custos possíveis relativos à bombagem e os máximos proveitos possíveis. Foi possível concluir, usando um problema de programação não linear e comparando com o sistema padrão, poupar uma média de 100 €/dia mantendo as restrições hidráulicas e as distribuições de água as populações. Quando se procedeu à introdução de um parque eólico no sistema, os proveitos passaram para valores na ordem dos 5200 €/dia quer no Verão, quer no Inverno.

Vieira & Ramos (2008) apresentaram através de um estudo, um modelo de otimização para a melhoria da eficiência energética nos sistemas de abastecimento de água. O sistema em estudo encontra-se equipado com uma estação de bombagem e apresenta um excesso de pressão na ramificação por gravidade. Numa primeira fase, foi introduzida uma turbina no sistema para tirar partido do excesso de pressão hidráulica. Posteriormente, procedeu-se à elaboração de um método de otimização para a definição da operação do sistema de bombagem ao longo de 24 horas de simulação, bem como a análise dos benefícios económicos resultantes do proveito da energia eólica para o abastecimento da bombagem da água, enquanto satisfaz as restrições do sistema e os consumos da população, minimizando assim os custos operacionais. O modelo é desenvolvido na ferramenta MATLAB, usando programação linear que terá como função, fornecer a melhor estratégia de planeamento a tomar em cada espaço de tempo que influenciará as horas futuras. Este método permitiu concluir que através da substituição de uma válvula redutora de pressão por uma turbina, obtém-se uma poupança nos custos energéticos de 47 %. Os resultados também provaram que

é possível, na ramificação por gravidade, obter benefícios económicos diários através da introdução de uma hidrelétrica, que dependerá da altura de água no reservatório a montante. Gonçalves, et al., (2010) apresentaram um trabalho baseado num modelo computacional com redes neurais para determinar a melhor configuração possível para um sistema híbrido gerar energia a partir de um sistema de abastecimento de água. A rede neural artificial é composta por seis camadas, com capacidade para usar os dados gerados por um moledo de simulação híbrida e um modelo de simulação económica. Os resultados obtidos demonstram a validade do modelo computacional, sendo este útil como um avançado sistema de suporte à decisão, no projeto de configurações de sistemas de energia híbridos aplicados aos sistemas de abastecimento de água, melhorando as soluções no desenvolvimento da sua eficiência energética.

Valencia (2011) analisou a viabilidade técnico-económica da instalação de uma ventoinha eólica e introdução de um programa de controlo de perdas de água, para a otimização de uma estação de bombagem em Itália. O objetivo do modelo foi criar e implementar quatro cenários, para proceder à comparação da diferença entre usar duas turbinas de diferentes tamanhos, enquanto se procede ou não à utilização do programa de controlo de perdas de água. Através da análise do documento foi possível concluir que os benefícios ambientais do projeto foram muitos. Primeiro devido ao reduzido valor de emissões de carbono expelidas para a atmosfera, aquando o sistema eólico se encontrava em funcionamento. A utilização do sistema de energia eólica permitiu a utilização de recursos naturais, sem ser necessário proceder a uma ligação à rede elétrica nacional e sem afetar o ecossistema vizinho. A rentabilidade e a sustentabilidade deste projeto apresentam características que o tornam muito desejado para a implementação em sistemas de abastecimento de água. Os resultados apresentam elevados valores de poupança económica e ainda enormes benefícios ambientais.