Manuel António Araújo da Cunha Machado
Otimização da operação de bombagem
para poupança de energia num sistema de
abastecimento de água
Manuel António Araújo da Cunha Machado
2
Otimização da operação de bombag
em para
poupança de ener
gia num sis
tema de abas
tecimento de água
Tese de Mestrado
Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao
Grau de Mestre em Engenharia Civil
Trabalho efetuado sob a orientação do
Professor Doutor José Manuel Pereira Vieira
Manuel António Araújo da Cunha Machado
Otimização da operação de bombagem
para poupança de energia num sistema de
abastecimento de água
Agradecimentos ... iii
Resumo ... v
Abstract ... vii
Índice de texto ... ix
Índice de figuras ... xvii
Índice de quadros ... xxiii
1. Capítulo 1 – Introdução ... 1
2. Capítulo 2 – Estado de conhecimento ... 5
3. Capítulo 3 – Descrição do sistema de bombagem – Caso de estudo ... 27
4. Capítulo 4 – Custos de energia de bombagem registados ... 33
5. Capítulo 5 – Calibração de custos de energia de bombagem ... 45
6. Capítulo 6 – Metodologia de otimização... 59
7. Capítulo 7 – Discussão de resultados ... 73
8. Capítulo 8 – Conclusões ... 141
Em primeiro lugar gostaria de agradecer, de uma forma especial ao Professor José Manuel Pereira Vieira, pelos seus conselhos, dedicação, conhecimentos transmitidos e a paciência demonstrada ao longo desta Dissertação.
Um agradecimento à empresa Águas do Noroeste, S.A., pela total disponibilidade demonstrada desde o primeiro dia, em particular ao Engenheiro Ricardo Ferreira pela sua incansável ajuda.
Um agradecimento especial ao Francisco pela ajuda crucial e incansável prestada na parte informática, o meu muito obrigado.
Aos meus pais, pelo suporte, amor, dedicação, motivação, confiança depositada e por tudo o que me ensinaram o meu muito obrigado.
A toda a minha família, mas em especial à minha tia Isabel, ao meu tio José e ao meu primo André que se demonstraram sempre preocupados e interessados.
À Marisa e à Diana pois estiveram sempre presentes para me ajudar, motivar, corrigir mas sobretudo por toda a amizade ao longo dos anos, o meu muito obrigado.
À Patrícia pela ajuda, disponibilidade, conselhos dados, paciência, amizade e pelo incansável apoio prestado.
Ao Hélder pela excelente companhia e apoio.
Lembro também todos os amigos que iniciaram há cinco anos este difícil percurso, uns ficaram para trás, outros acompanharam até ao fim, como a Cláudia, o António, o Bernardo e o Mário.
Por último, a todas as pessoas cujo nome não é mencionado, mas que estão presentes na minha vida.
Os órgãos de bombagem presentes nos sistemas de abastecimento de água consomem elevadas quantidades de energia, acarretando para as empresas responsáveis pelo abastecimento de água elevados custos. Por forma a combater esses mesmos custos, surgiu a necessidade de criar metodologias de bombagem que permitissem a uma redução destes. A presente Dissertação engloba o tratamento de dados respetivos ao ano de 2011, referentes ao caso de estudo disponibilizado pela empresa Águas do Noroeste, S.A., que abrange a estação elevatória de Casais e o reservatório de Senhora das Neves. Este tratamento inclui cálculos dos respetivos custo e valores de energia por esta despendida.
Posteriormente ao cálculo e tratamento das variáveis necessárias, procedeu-se à construção de uma metodologia de otimização, recorrendo a um algoritmo genérico em linguagem Java. Seguidamente, escolheu-se doze cenários para simular na referida metodologia.
A metodologia de otimização executada foi avaliada com recurso a doze cenários de estudo. No primeiro cenário comparou-se a situação real com os resultados da metodologia, sendo possível reduzir custos de consumo de energia para uma amostra de 25 dias significativos do funcionamento anual da estação elevatória. Nos cenários dois a cinco aplicou-se uma diminuição de volume mínimo de 35%, 35% com volume final de 65%, 30% e 25% verificando-se quais as variações ao nível de custos que sucederam. No cenário seis testou-se um cenário de segurança, impondo como volume mínimo de 50%, com o intuito de se verificar a existência de flutuações elevadas ao nível dos custos. No cenário sete e oito efetuou-se a paragem de uma das células para limpeza, diminuindo o volume total de reserva para metade, para averiguar quais os dias que obtêm o menor custo possível com esta paragem. No cenário nove e dez simulou-se uma semana integral no inverno com variações de volume mínimo de 40% e 35%, respetivamente, e no cenário onze e doze simulou-se uma semana integral no verão com variações de volume mínimo de 40% e 35%, respetivamente.
Palavras-chave: otimização, bombas, sistema de abastecimento de água, operação de
The pumping organ present in the water supply systems consumes large amounts of energy, which leads to high costs for the companies responsible for water supply. In order to combat these costs, the need arose to create pumping methodologies that allow a reduction thereof. This Dissertation include the processing of data respective to the year 2011, for the case study posted by the Águas do Noroeste, S.A., which covers the pumping station of Casais and the reservoir of Senhora das Neves. This treatment includes calculations of the respective values of cost and energy expended by this.
Later, the calculation and processing of necessary variables proceeded to the construct of a methodology for optimization using a genetic algorithm in Java. After that, was chosen twelve different scenarios to simulate this methodology.
The optimization methodology performed was evaluated using a study of twelve scenarios. In the first scenario was compared the actual situation with the results of the methodology. It is possible to reduce energy consumption costs for a sample of 25 days significant annual operating the lifting station.
In scenarios two to five was applied a volume decrease of at least 35%, 35% with final volume of 65%, 30% and 25% verifying which changes of the level of costs were succeeded. In scenario six was tested a security scenario, imposing as minimum volume 50% in order to verify the existence of fluctuations at high costs. In scenario seven and eight was made a stop of one of the cells for cleaning, reducing the total volume of reserves in half to determine which days we can get the lowest possible cost with this stop. In scenario nine and ten was simulated one integral week in winter with volume variations of 40% and 35% respectively, and at the scenario eleven and twelve was simulated one integral week in summer with variations in minimum volume of 40% and 35% respectively.
1. Capítulo 1 - Introdução ... 1
1.1 Introdução ... 1
1.2 Objetivos ... 2
1.3 Organização da Dissertação ... 2
2. Capítulo 2 – Estado de Conhecimento ... 5
2.1 Relação água/energia em sistemas de abastecimento de água ... 5
2.1.1 Custos de investimento ... 6
2.1.2 Aproveitamento de energia disponível nos sistemas de abastecimento de água ... 7
2.1.3 Perdas e fugas de água ... 11
2.2 Custos de energia em sistemas de abastecimento de água/bombagem ... 14
2.3 Técnicas de otimização aplicadas a sistemas de abastecimento de água ... 15
2.3.1 Programação linear ... 16
2.3.2 Programação não linear ... 17
2.3.3 Programação dinâmica ... 18
2.3.4 Métodos heurísticos ... 19
2.3.5 Redes neuronais artificiais ... 23
3. Capítulo 3 - Descrição do sistema de bombagem – Caso de estudo ... 27
3.3 Caso de estudo ... 28
3.3.1 Estação elevatória de Casais ... 28
3.3.2 Reservatório de Senhora das Neves ... 30
4. Capítulo 4 - Custos de energia de bombagem registados ... 33
4.1 Estrutura de preços de energia elétrica ... 33
4.1.1 Horas de ponta ... 34
4.1.2 Horas de cheia ... 34
4.1.3 Horas de vazio normal ... 34
4.1.4 Horas de super vazio ... 35
4.1.5 Preço por período diário ... 35
4.2 Funcionamento do sistema de bombagem ... 37
4.2.1 Caudal instantâneo ... 38
4.2.2 Potência instantânea ... 40
4.2.3 Nível de água nas células do reservatório de Senhora das Neves ... 41
4.2.4 Energia consumida pela empresa ao longo do ano de 2011 ... 43
4.2.5 Custos consumida pela empresa ao longo do ano de 2011 ... 43
5. Capítulo 5 - Calibração de custos de energia de bombagem ... 45
5.1 Volume de água elevado pela estação elevatória de Casais a cada intervalo de 5 minutos ... 45
5.3 Volume de saída do reservatório de Senhora das Neves ... 48
5.4 Energia ... 49
5.5 Custos ... 50
5.6 Comparação dos resultados obtidos com os valores da empresa... 52
5.6.1 Energia ... 52
5.6.2 Custos mensais e anuais ... 56
6. Capítulo 6 - Metodologia de otimização ... 59
6.1 Rede neuronal artificial ... 59
6.1.1 Camadas ... 60
6.1.2 Função de ativação ... 60
6.1.3 Treino da rede neuronal artificial ... 61
6.1.4 Modelo de treino da rede neuronal artificial ... 61
6.1.5 Resultados obtidos ... 62
6.2 Algoritmo genérico usando linguagem Java ... 63
6.2.1 Valores constantes do algoritmo de otimização ... 63
6.2.2 Dados de entrada do algoritmo de otimização ... 64
6.2.3 Restrições do algoritmo de otimização ... 66
6.2.4 Dados de saída do algoritmo de otimização ... 67
6.3 Representação da metodologia de otimização ... 68
6.4.2 Cenário dois ... 69 6.4.3 Cenário três ... 69 6.4.4 Cenário quatro ... 69 6.4.5 Cenário cinco ... 69 6.4.6 Cenário seis ... 70 6.4.7 Cenário sete ... 70 6.4.8 Cenário oito ... 70 6.4.9 Cenário nove ... 70 6.4.10 Cenário dez ... 71 6.4.11 Cenário onze ... 71 6.4.12 Cenário doze ... 71
7. Capítulo 7 - Discussão de resultados ... 73
7.1 Cenário um ... 74 7.1.1 Semana no inverno ... 74 7.1.2 Semana no verão ... 78 7.1.3 Sábados no inverno ... 79 7.1.4 Sábados no verão ... 80 7.1.5 Domingos e feriados ... 81 7.1.6 Análise de resultados ... 82
7.2.1 Semana no inverno ... 82 7.2.2 Semana no verão ... 85 7.2.3 Sábado no inverno ... 87 7.2.4 Sábados no verão ... 88 7.2.5 Domingos e feriados ... 89 7.2.6 Análise de resultados ... 90 7.3 Cenário três ... 91 7.3.1 Semana no inverno ... 91 7.3.2 Semana no verão ... 94 7.3.3 Sábados no inverno ... 95 7.3.4 Sábados no verão ... 96 7.3.5 Domingos e feriados ... 97 7.3.6 Análise de resultados ... 98 7.4 Cenário quatro ... 99 7.4.1 Semana no inverno ... 99 7.4.2 Semana no verão ... 102 7.4.3 Sábados no inverno ... 103 7.4.4 Sábados no verão ... 104 7.4.5 Domingos e feriados ... 105 7.4.6 Análise de resultados ... 106 7.5 Cenário cinco ... 107
7.5.2 Semana no verão ... 110 7.5.3 Sábados no inverno ... 111 7.5.4 Sábados no verão ... 112 7.5.5 Domingos e feriados ... 113 7.5.6 Análise de resultados ... 114 7.6 Cenário seis ... 115 7.6.1 Semana no inverno ... 116 7.6.2 Semana no verão ... 118 7.6.3 Sábados no inverno ... 119 7.6.4 Sábados no verão ... 120 7.6.5 Domingos e feriados ... 121 7.6.6 Análise de resultados ... 122 7.7 Cenário sete ... 123
7.7.1 Análise dos resultados obtidos ... 124
7.8 Cenário oito ... 126
7.8.1 Análise dos resultados obtidos ... 126
7.8.2 Comparação dos resultados obtidos no cenário número sete e número oito ... 128
7.9 Cenário nove ... 129
7.9.1 Resultados obtidos ... 130
7.10 Cenário dez ... 131
7.11 Cenário onze ... 134
7.11.1 Resultados obtidos ... 135
7.12 Cenário doze ... 136
7.12.1 Resultados obtidos ... 136
7.12.2 Comparação dos resultados obtidos no cenário número onze e número doze ... 138
8. Capítulo 8 - Conclusões ... 141
8.1 Conclusões ... 141
8.2 Sugestões para trabalhos futuros ... 142
Figura 1 – Representação dos preços de energia para os dias semanais no inverno para o
contrato de fornecimento de energia à empresa Águas do Noroeste, S.A., em 2011. ... 15
Figura 2- Esquema de funcionamento da estação elevatória de Casais ... 29
Figura 3 - Grupos de bombagem da estação elevatória de Casais... 29
Figura 4 - Percentagem de consumo energético por equipamento na estação elevatória de Casais desde Junho de 2010 a Junho de 2011. ... 30
Figura 5 - Exterior do reservatório de Senhora das Neves. ... 31
Figura 6- Representação dos preços energéticos para os períodos semanais no Inverno. ... 36
Figura 7 - Representação dos preços energéticos para os períodos semanais no Verão. ... 36
Figura 8 - Representação dos preços energéticos para os Sábados no Inverno. ... 36
Figura 9 - Representação dos preços energéticos para os Sábados no Verão. ... 37
Figura 10 - Representação dos preços energéticos para os Domingos e Feriados. ... 37
Figura 11 - Caudal instantâneo elevado pela estação elevatória de Casais. ... 39
Figura 12 - Nível médio de água na célula número um ao longo do dia 2 de Janeiro de 2011. ... 42
Figura 13 - Nível médio de água na célula número dois ao longo do dia 2 de Janeiro de 2011. ... 42
Figura 14 - Valores de energia consumida em horário de ponta gastos na Estação Elevatória de Casais ao longo do ano de 2011... 54
Figura 15 - Valores de energia consumida em horário de cheia gastos na Estação Elevatória de Casais ao longo do ano de 2011. ... 54
Figura 16 - Valores de energia consumida em horário de vazio normal gastos na Estação Elevatória de Casais ao longo do ano de 2011. ... 55
Figura 17 - Valores de energia consumida em horário de super vazio gastos na Estação Elevatória de Casais ao longo do ano de 2011. ... 55
Figura 18 - Custos calculados e faturados pela empresa Águas do Noroeste, S.A., referentes à estação elevatória de Casais. ... 56
Figura 20 - Variação do volume real (azul) e do otimizado (vermelho) no reservatório. ... 75 Figura 21 - Variação do custo real (azul) e otimizado (vermelho) gasto através da elevação de água. ... 75 Figura 22 – Períodos de operação bombagem para a situação real (azul) e para a otimizada (vermelho). ... 75 Figura 23 - Custos reais e otimizados verificados no dia 5 de janeiro de 2011. ... 76 Figura 24 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais de inverno. ... 77 Figura 25 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais de verão. ... 78 Figura 26 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no inverno. ... 79 Figura 27 - Comparação de valores de custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no verão... 80 Figura 28 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os domingos e feriados. ... 81 Figura 29 - Variação do volume real (azul) e do otimizado (vermelho) no reservatório. ... 83 Figura 30 - Variação do custo real (azul) e otimizado (vermelho) gasto através da elevação de água. ... 83 Figura 31 - Períodos de operação bombagem para a situação real (azul) e para a otimizada (vermelho). ... 83 Figura 32 - Custos reais e otimizados verificados no dia 5 de janeiro de 2011 para um volume mínimo de 35%. ... 84 Figura 33 – Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais no inverno, com um volume mínimo de 35%. ... 85 Figura 34 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais no verão, com um volume mínimo de 35%. ... 86 Figura 35 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no inverno, com um volume mínimo de 35%. ... 88
Figura 37 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os domingos e feriados, com um volume mínimo de 35%. ... 90 Figura 38 - Variação do volume real (azul) e do otimizado (vermelho) no reservatório. ... 92 Figura 39 - Variação do custo real (azul) e otimizado (vermelho) gasto através da elevação de água. ... 92 Figura 40 - Períodos de operação bombagem para a situação real (azul) e para a otimizada (vermelho). ... 93 Figura 41 - Custos reais e otimizados verificados no dia 5 de janeiro de 2011 para um volume mínimo de 35% e um volume final de 65%. ... 93 Figura 42 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais no verão, com um volume mínimo de 35% e volume final de 65%. ... 94 Figura 43 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais no verão, com um volume mínimo de 35% e volume final de 65%. ... 95 Figura 44 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no inverno, com um volume mínimo de 35% e volume final de 65%. ... 96 Figura 45 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no verão, com um volume mínimo de 35% e volume final de 65%. ... 97 Figura 46 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os domingos e feriados, com um volume mínimo de 35% e volume final de 65%. ... 98 Figura 47 - Variação do volume real (azul) e do otimizado (vermelho) no reservatório. ... 100 Figura 48 - Variação do custo real (azul) e otimizado (vermelho) gasto através da elevação de água. ... 100 Figura 49 - Períodos de operação bombagem para a situação real (azul) e para a otimizada (vermelho). ... 101
mínimo de 30%. ... 101 Figura 51 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais no inverno, com um volume mínimo de 30%. ... 102 Figura 52 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais no verão, com um volume mínimo de 30%. ... 103 Figura 53 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no inverno, com um volume mínimo de 30%. ... 104 Figura 54 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no verão, com um volume mínimo de 30%. ... 105 Figura 55 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os domingos e feriados, com um volume mínimo de 30%. ... 106 Figura 56 - Variação do volume real (azul) e do otimizado (vermelho) no reservatório. ... 108 Figura 57 - Variação do custo real (azul) e otimizado (vermelho) gasto através da elevação de água. ... 108 Figura 58 - Períodos de operação bombagem para a situação real (azul) e para a otimizada (vermelho). ... 109 Figura 59 - Custos reais e otimizados verificados no dia 5 de janeiro de 2011 para um volume mínimo de 25%. ... 109 Figura 60 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais no inverno, com um volume mínimo de 25%. ... 110 Figura 61 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os dias semanais no verão, com um volume mínimo de 25%. ... 111 Figura 62 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no inverno, com um volume mínimo de 25%. ... 112 Figura 63 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no verão, com um volume mínimo de 25%. ... 113 Figura 64 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os domingos e feriados, com um volume mínimo de 25%. ... 114 Figura 65 - Variação do volume real (azul) e do otimizado (vermelho) no reservatório. ... 116
Figura 67 - Períodos de operação bombagem para a situação real (azul) e para a otimizada (vermelho). ... 117 Figura 68 - Custos reais e otimizados verificados no dia 9 de dezembro de 2011. ... 117 Figura 69 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para dias semanais no inverno, com um volume mínimo de 50%. ... 118 Figura 70 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para dias semanais no verão, com um volume mínimo de 50%. ... 119 Figura 71 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no inverno com um volume mínimo de 50%. ... 120 Figura 72 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para os sábados no verão, com um volume mínimo de 50%. ... 121 Figura 73 - Comparação dos custos reais e de otimização, por intervalo de horário energético, realizadas para domingos e feriados, com um volume mínimo de 50%. ... 122 Figura 74 - Variação do volume real (azul) para a situação real, e do otimizado (vermelho) para a paragem de uma das células para limpeza, no reservatório. ... 125 Figura 75 - Períodos de operação bombagem para a situação real (azul) e para a otimizada (vermelho). ... 125 Figura 76 - Custos de otimização, por intervalo de horário energético, para o dia selecionado no inverno, com um volume mínimo de 40%. ... 126 Figura 77 - Custos de otimização, por intervalo de horário energético, para o dia selecionado no inverno, com um volume mínimo de 20%. ... 127 Figura 78 - Períodos de operação bombagem para a situação real (azul) e para a otimizada (vermelho). ... 128 Figura 79 - Custos de otimização, por intervalo de horário energético, para o dia selecionado no inverno, com um volume mínimo de 20%. ... 128 Figura 80 - Custos separados pelos respetivos intervalos de horário energético, para o dia 5 de janeiro, obtidos no cenário sete (azul) e no cenário oito (vermelho). ... 129 Figura 81 – Representação dos custos totais, em horas de ponta, cheia, vazio normal e super vazio, obtidos pela empresa com um volume mínimo de 40%. ... 130
vazio, obtidos pela metodologia de otimização com um volume mínimo de 40%. ... 130 Figura 83 – Representação dos custos totais obtidos para cada dia estudado, pela empresa (azul) e pela metodologia de otimização (vermelho), ambas para um volume mínimo de 40%. ... 131 Figura 84 - Representação dos custos totais, em horas de ponta, cheia, vazio normal e super vazio, obtidos pela empresa com um volume mínimo de 40%. ... 132 Figura 85 - Representação dos custos totais, em horas de ponta, cheia, vazio normal e super vazio, obtidos pela metodologia de otimização com um volume mínimo de 35%. ... 132 Figura 86 - Representação dos custos totais obtidos para cada dia estudado, pela empresa (azul) com um volume mínimo de 40% e pela metodologia de otimização (vermelho com um volume mínimo de 35%. ... 133 Figura 87 - Representação dos custos totais obtidos na metodologia de otimização para cada dia estudado, com um volume mínimo de 40% (azul) e volume mínimo de 35% (vermelho). ... 134 Figura 88 - Representação dos custos totais, em horas de ponta, cheia, vazio normal e super vazio, obtidos pela empresa com um volume mínimo de 40%. ... 135 Figura 89 - Representação dos custos totais, em horas de ponta, cheia, vazio normal e super vazio, obtidos pela metodologia de otimização com um volume mínimo de 40%. ... 135 Figura 90 - Representação dos custos totais obtidos para cada dia estudado, pela empresa (azul) e pela metodologia de otimização (vermelho), ambas para um volume mínimo de 40%. ... 136 Figura 91 - Representação dos custos totais, em horas de ponta, cheia, vazio normal e super vazio, obtidos pela empresa com um volume mínimo de 40%. ... 137 Figura 92 - Representação dos custos totais, em horas de ponta, cheia, vazio normal e super vazio, obtidos pela metodologia de otimização com um volume mínimo de 35%. ... 137 Figura 93 - Representação dos custos totais obtidos para cada dia estudado, pela empresa (azul) com um volume mínimo de 40% e pela metodologia de otimização (vermelho com um volume mínimo de 35%. ... 138 Figura 94 - Representação dos custos totais obtidos na metodologia de otimização para cada dia estudado, com um volume mínimo de 40% (azul) e volume mínimo de 35% (vermelho). ... 139
Quadro 1 – Caudal instantâneo elevado pela estação elevatória de Casais. ... 38 Quadro 2 - Caudal instantâneo elevado no período de repouso dos órgãos de bombagem para o dia 2 de Janeiro de 2011 entre as oito e as nove horas. ... 39 Quadro 3 - Potência instantânea medida na estação, para o dia 2 de Janeiro de 2011 entre as dez e as onze horas. ... 40 Quadro 4 - Nível do Reservatório de Senhora das Neves, por célula. ... 41 Quadro 5 - Energia faturada pela empresa Águas do Noroeste, S.A... 43 Quadro 6 - Custos faturados pela empresa Águas do Noroeste, S.A.. ... 44 Quadro 7- Volume de água elevado em m³. ... 46 Quadro 8 - Volume armazenado no Reservatório de Senhora das Neves em m³. ... 48 Quadro 9 – Volume de saída do reservatório de Senhora das Neves. ... 49 Quadro 10 - Energia despendida pela elevação da água para o reservatório de Senhora das Neves. ... 50 Quadro 11 - Custos associados aos órgãos de bombagem da estação elevatória de Casais. .... 51 Quadro 12 - Custos associados aos órgãos de bombagem da estação elevatória de Casais. .... 52 Quadro 13 - Valores de energia calculados e divididos pelo respetivo horário energético por mês para o ano de 2011. ... 53 Quadro 14 - Valores de energia faturados e divididos pelo respetivo horário energético por mês para o ano de 2011. ... 53 Quadro 15 - Custos calculados e faturados pela empresa Águas do Noroeste, S.A., referentes à estação elevatória de Casais. ... 56 Quadro 16 – Número de ciclos para cada intervalo de horário energético... 64 Quadro 17 - Intervalos de cada horário energético e respetivo grau. ... 65 Quadro 18 - Volume de saída do reservatório de Senhora das Neves por ciclo... 66 Quadro 19 – Apresentação e descrição dos cenários estudados ao longo da Dissertação. ... 74
realizadas para os dias semanais de inverno. ... 77 Quadro 21 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais de verão. ... 78 Quadro 22 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no inverno. ... 79 Quadro 23 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no verão. ... 80 Quadro 24 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os domingos e feriados. ... 81 Quadro 25 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no inverno. ... 85 Quadro 26 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no verão. ... 86 Quadro 27 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no inverno. ... 87 Quadro 28 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no verão. ... 88 Quadro 29 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os domingos e feriados. ... 89 Quadro 30 - Comparação das percentagens de otimização de custos obtidas pela metodologia de otimização, para o cenário um e dois. ... 91 Quadro 31 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no inverno. ... 94 Quadro 32 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no verão ... 95 Quadro 33 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no inverno. ... 96 Quadro 34 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no verão. ... 97
Quadro 36 - Comparação das percentagens de otimização de custos obtidas pela metodologia de otimização, para o cenário dois e três. ... 99 Quadro 37 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no inverno. ... 102 Quadro 38 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no verão. ... 103 Quadro 39 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no inverno. ... 104 Quadro 40 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no verão. ... 105 Quadro 41 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os domingos e feriados. ... 106 Quadro 42 - Comparação das percentagens de otimização de custos obtidas pela metodologia de otimização, para os cenários um, dois e quatro. ... 107 Quadro 43 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no inverno. ... 110 Quadro 44 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no verão. ... 111 Quadro 45 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no inverno. ... 112 Quadro 46 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no verão. ... 113 Quadro 47 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os domingos e feriados. ... 114 Quadro 48 - Comparação das percentagens de otimização de custos obtidas pela metodologia de otimização para o cenário um, dois, quatro e cinco. ... 115 Quadro 49 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os dias semanais no inverno. ... 118
semanais no verão. ... 119 Quadro 51 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no inverno. ... 120 Quadro 52 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os sábados no verão. ... 121 Quadro 53 - Comparação de valores de custos reais e de otimização realizadas para os domingos e feriados. ... 122 Quadro 54 - Comparação das percentagens de otimização de custos obtidas pela metodologia de otimização, para o cenário um, dois, quatro, cinco e seis. ... 123 Quadro 55 – Comparação de valores de volume reais e de otimização obtidos com a paragem de uma das células, e o respetivo custo de otimização com um volume mínimo de 40%. .... 124 Quadro 56 - Comparação de valores de volume reais e de otimização obtidos com a paragem de uma das células, e o respetivo custo de otimização com um volume mínimo de 20%. .... 127
Introdução
1.1 Introdução
Os sistemas de abastecimento de água representam um papel essencial no desenvolvimento social, económico e ambiental da sociedade, sendo uma das obras civis de maior relevância a nível mundial.
Segundo (Cunha, 2009), entende-se por sistema de abastecimento de água, o conjunto de infra-estruturas e serviços voltados para a satisfação das necessidades das comunidades, para fins de consumo doméstico, publico e industrial. Os consumos de água têm aumentado a nivel mundial devido ao aumento populacional, desenvolvimento industrial e agricola, melhoria das condições económicas e aquecimento global, levando a uma escassez das fontes de água existentes.
Ao nivel dos sistemas de abastecimento de água, os orgãos de bombagem assumem um elevado grau de importância pois, devido ao consumo de energia e consequente custo que lhe está associado. Para fazer face a estes custos, as empresas responsáveis pelos sistemas de abastecimento de água sentem necessidade de criar politicas de bombagem que se traduzam na diminuição dos custos associados, aproveitando a flexibilidade de preços de energia elétrica praticados ao longo do dia e a capacidade de reserva existente no sistema de abastecimento de água (Feldman, 2009).
Para tal, propõe-se com esta Dissertação o desenvolvimento de uma nova metodologia que permita proceder à otimização dos órgãos de uma estação de elevação de água, conciliando a variação de preços de energia existentes ao longo do dia, a capacidade de armazenamento de água, os consumos populacionais a jusante da estação e a capacidade de elevação dos órgãos da mesma.
1.2 Objetivos
Para um funcionamento otimizado dos órgãos de bombagem de uma estação elevatória, é imprescindível a análise criteriosa dos constituintes do sistema, dos consumos populacionais a jusante do reservatório e um estudo detalhado sobre a flutuação dos preços de energia em vigor.
Com a realização deste trabalho pretende-se alcançar, de forma faseada cinco objetivos gerais:
Revisão bibliográfica sobre os trabalhos já desenvolvidos na área da otimização de órgãos de bombagem em sistemas de abastecimento de água;
Elaboração de uma análise detalhada entre o comportamento dos órgãos de bombagem da estação selecionada, a análise dos consumos a jusante da mesma e os preços de energia ao longo do dia;
Construção de uma metodologia de otimização com o intuito de reduzir os custos associados à elevação de água por parte dos órgãos de bombagem;
Aplicação da metodologia de otimização a um caso de estudo. O caso de estudo selecionado foi a estação elevatória de Casais e o reservatório de Senhora das Neves. Foram considerados os níveis de água, volume e caudais de saída no reservatório, valores de potência, energia, custos e caudal elevado na estação elevatória.
Comparação dos resultados obtidos no modelo de otimização desenvolvido, com os custos reais de operação da estação elevatória.
1.3 Organização da Dissertação
O presente trabalho encontra-se organizado em oito capítulos.
O primeiro capítulo aponta a otimização de sistemas de abastecimento de água, em especial voltada para os órgãos de bombagem. Além da introdução ao tema em estudo, são referidos os objetivos propostos e é feita uma breve descrição dos capítulos abordados.
O segundo capítulo introduz a primeira aproximação ao tema e aos elementos que compõem a presente Dissertação. O estado de conhecimento ilustra os vários estudos e particularidades sobre trabalhos e observações tiradas antes e durante a realização da Dissertação, quer seja em trabalhos de investigação como em aplicações práticas elaboradas.
O terceiro capítulo apresenta a área a estudar e as suas particularidades, que serão desenvolvidas ao longo da Dissertação. Esta é constituída pela estação elevatória de Casais e reservatório de Senhora das Neves, pertencentes a empresa Águas do Noroeste, S.A..
O quarto capítulo expõe-se os preços de fornecimento de energia elétrica à empresa Águas do Noroeste, S.A., por parte da entidade responsável pela distribuição de energia elétrica. Ainda para o mesmo capítulo são apresentados todos os dados facultados pela empresa.
No quinto capítulo são descritos e expostos todos os cálculos efetuados para a obtenção dos seguintes dados: o volume de água elevado pela estação elevatória de Casais a cada intervalo de 5 minutos, o volume armazenado no reservatório de Senhora das Neves, o volume de saída do reservatório de Senhora das Neves, cálculo da energia consumida pela estação elevatória (energia em horas de: ponta, cheia, vazio normal e super vazio) e o cálculo dos custos (custos: diário, mensal, anual, horas de ponta, horas de cheia, horas de vazio normal e horas de super vazio).
O sexto capítulo descreve a metodologia de otimização adotada para a realização da Dissertação. Na primeira fase é descrita a construção e as particularidades da rede neuronal artificial construída com recurso à linguagem java. Seguidamente, após a falha verificada na obtenção de resultados otimizados por parte da rede neuronal, é apresentado o algoritmo de otimização construído recorrendo à mesma linguagem utilizada para a rede. Na parte final do capítulo seis são apresentados os doze cenários a estudar.
O sétimo capítulo apresenta a comparação dos resultados obtidos na metodologia de otimização, nos doze cenários estudados, com os valores obtidos na situação real. Os resultados comparam os seguintes dados: a variação de volume ao longo do dia, custo total no final do dia e o custo dividido pelos diferentes intervalos de horário energético existente ao longo do dia.
Por fim, o último capítulo anuncia as conclusões retiradas na presente Dissertação, apontando-se aspetos e temas que merecem análise e desenvolvimento em trabalhos futuros.
Estado de conhecimento
2.1 Relação água/energia em sistemas de abastecimento de água
Entende-se por sistema de abastecimento de água, o conjunto de infraestruturas e serviços voltados para a satisfação das necessidades das comunidades, para fins de consumo doméstico industrial e público. Estes sistemas são compostos, de uma maneira geral, pelas unidades de captação de água, tratamento, estação elevatória, adução, reservatórios, rede de distribuição e ligações prediais (Gomes, 2004).
A operação de um sistema de abastecimento de água é muito mais complexa do que a mera satisfação de caudais e pressões às populações a abastecer. A forma de operar o sistema é muito variada, estando diretamente ligada a fatores como a dimensão e complexidade do sistema de abastecimento, a experiencia dos operadores responsáveis por todas as operações, o tipo de equipamentos disponíveis para se proceder a uma comunicação eficaz com o sector de controlo e ainda a disponibilidade de modelos matemáticos para análise de dados. Outros aspetos que importam ressalvar são a segurança e os seus custos operacionais (Carrijo, 2004). Devido a razões financeiras e ambientais, o controlo de sistemas de abastecimento de água é necessário para proporcionar uma operação contínua e estável de forma a satisfazer o abastecimento às populações (Eker & Kara, 2002).
Segundo Eker & Kara (2002), os constituintes hidráulicos que compõem um sistema de abastecimento de água podem ser classificados em duas categorias, os ativos e os passivos. Os elementos ativos são aqueles que permitem alterar o volume de caudal em partes específicas dos sistemas, tais como bombas e válvulas. Os elementos passivos podem ser reservatórios e condutas, apresentando como função a receção dos efeitos dos elementos ativos.
As operações dos sistemas de abastecimento de água podem ser elaboradas através de: controlo manual, automático, automático programado e controlo centralizado (Cunha, 2009). O controlo manual é elaborado através de operadores que se encontram no local e em que os ajustes da rede são efetuados unicamente por eles mesmos, sem qualquer tipo de informação,
anotando os valores operacionais e de consumo. O controlo automático é em tudo parecido ao manual, no entanto dispensa a presença física do operador sendo a operação garantida através de um planeamento “a priori”, onde são definidos os valores para o início e fim da operação dos dispositivos de controlo. O controlo automático programado baseia-se em controladores lógicos programáveis (PLCs), que apresentam microprocessadores que lhes conferem a capacidade de adquirir, analisar e processar esses mesmos dados sem qualquer recurso a um operador. Este tipo de controlo também pode ser utilizado de forma centralizada. O controlo é realizado através de uma central, onde os dados do sistema são transmitidos através de suporte digital extremamente viável. No controlo centralizado as decisões são tomadas e emitidas para um centro específico ou para operadores que se encontram no local e que desempenham as funções transmitidas pela central de controlo (Carrijo, 2004).
Independentemente da forma de processamento da operação utilizada, o que acontece na maioria dos sistemas de abastecimento de água do mundo inteiro é que as regras operacionais são de natureza empírica, e visam, principalmente, a garantia da continuidade do abastecimento público, perdendo de vista a minimização dos custos energéticos (Cunha, 2009).
Segundo Filho (2009) para que se possa otimizar as regras de um sistema de abastecimento de água é necessária a definição clara de objetivos a serem alcançados, tais como o conhecimento topográfico do sistema e de dados previsionais de consumo, além da disponibilidade de um modelo para a otimização dessas regras.
2.1.1 Custos de investimento
Os sistemas de abastecimento de água acarretam elevados investimentos, quer ao nível da sua construção, quer ao nível da gestão e manutenção. A água deve apresentar um padrão de qualidade elevado e constante desde a fase de produção até ao ponto de consumo, de modo a não por em perigo a saúde das populações a abastecer.
Os investimentos de capital total nos sistemas de abastecimento de água contemplam os custos relativos à instalação e os custos relativos à exploração e manutenção. Dentro dos custos de instalação temos os custos inerentes às tubagens, estações elevatórias, órgãos acessórios, reservatórios e todos os equipamentos e trabalhos de construção civil associados
aos mesmos. Em relação aos custos associados à manutenção e exploração, estão englobados os custos relativos à conservação do sistema, com pessoal responsável do mesmo e ainda a energia despendida, sendo esta principalmente gasta pelos órgãos de bombagem (Monteiro & Galvão, 2011).
Os elevados montantes de capital despendido nos sistemas de abastecimento de água tais como, o investimento e as despesas de exploração, em especial com a energia elétrica, pressionam no sentido da procura de soluções otimizadas (Silva, et al., 2003).
Seguidamente, irão ser abordados os custos de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água, atribuindo um maior destaque aos órgãos de bombagem.
2.1.2 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.
2.1.3 Perdas e fugas de água
A procura de água em Portugal para o setor urbano está atualmente estimada em cerca de 570 milhões de metros cúbicos por ano, a que corresponde um custo para a sociedade de 875 milhões de euros, representando 0,77% do produto interno bruto português (Alegre, et al., 2005).
As perdas e fugas constituem uma redução significativa de água, nos sistemas de distribuição (Holland, 2008).
No Plano Nacional da Água, aprovado pelo DL n.º 112/2002, de 17 de Abril, a água não faturada em sistemas de abastecimento de água é estimada globalmente em cerca de 33%, sendo que no sector concessionado se estima que atinja o valor de 23% (PEAASAR, 2007). Para além de aspetos de projeto e de operação, a qualidade da água dentro do sistema de distribuição depende, em grande medida, do conjunto de procedimentos de inspeção e de manutenção adotados pela entidade gestora para prevenir a contaminação e promover a limpeza das condutas. Pelo facto desta parte do sistema de abastecimento se situar mais próxima do consumidor, qualquer foco de contaminação que se verifique no sistema de distribuição pode pôr em causa diretamente a saúde pública, comprometendo todos os cuidados e medidas de controlo entretanto tomadas nas etapas a montante (fonte e tratamento) (Vieira & Morais, 2005)
Segundo Vieira & Morais (2005), as características especiais de um sistema de distribuição, geralmente composto por uma extensa rede de condutas e uma grande quantidade de reservatórios, ligações (domésticas e industriais), juntas e acessórios diversos, para além de frequentes ações de manutenção e reparação, proporciona condições para uma elevada probabilidade de ocorrência de contaminações e de ações clandestinas ou vandalismo. Assim, as medidas de controlo a estabelecer para garantir a qualidade da água num sistema de distribuição devem incidir em boas práticas de operação, manutenção de condutas e reservatórios, na minimização de fatores e fenómenos que possam provocar o reaparecimento de microrganismos (biofilmes) e a póscontaminação da água por ações indevidas.
Se a probabilidade de contaminação é baixa quando todo o sistema está pressurizado, com pressões internas superiores às externas, o mesmo não ocorre quando há necessidade de interromper o fornecimento por qualquer razão. As redes de condutas e os reservatórios devem ser confinados e corretamente protegidos contra intrusões indevidas. A forma como são abordadas as operações de manutenção, reparação de deficiências e ruturas nos elementos do sistema de distribuição, deve ter sempre em consideração a extrema facilidade de se favorecerem condições de contaminação da água, em locais muito próximos dos pontos de consumo e a dificuldade ou mesmo impossibilidade, de remediar, em tempo útil, essas situações. Por outro lado, a contaminação externa pode ser controlada através da manutenção
da rede sob pressão e aplicando medidas que limitem a probabilidade de ocorrência de situações de ligações inadequadas ou indevidas em condutas, bem como limitar acessos não autorizados a reservatórios (Vieira & Morais, 2005). Este tipo de problemas, alem de traduzirem uma redução dos caudais a transportar, levam a uma redução da pressão nos sistemas de abastecimento de água. A deteção destas ocorrências é importante para o aumento da qualidade do abastecimento aos clientes existentes e para estender este tipo de serviço à população não atendida (Lahlou, 2001).
Assim, mesmo que o valor económico da água perdida não justifique o investimento necessário para as reduzir, a dimensão da saúde pública não pode deixar de ser considerada. A adição de desinfetante residual minora os riscos, mas como se sabe hoje em dia esta não é uma solução ideal, sendo melhor atuar na prevenção do que na correção pós ocorrência (Alegre, et al., 2005).
Nos sistemas de abastecimento de água poderemos encontrar dois tipos de perdas e fugas de água, as físicas e as não físicas. As perdas físicas podem ser encontradas em várias parcelas de abastecimento de água, isto é, na captação, na adução de água bruta, no tratamento, na armazenagem, na adução de água tratada e na distribuição. Resumidamente, são aquelas que ocorrem entre a captação de água bruta e o contador do consumidor (órgão de medição de água consumida). As perdas não físicas correspondem ao volume de água consumido, mas não contabilizado pela entidade gestora do abastecimento de água, decorrentes de ligações clandestinas, erros nos sistemas de medição e de falhas no cadastro da rede. Deduz-se, então, que esta água é, de facto, consumida mas não é faturada (Silva, 2009).
Relativamente aos sistemas de bombagem, estes devem funcionar essencialmente em horários onde o custo energético é menor. Quando estes se encontram em funcionamento tira-se o máximo partido da sua capacidade de bombagem, levando este tipo de estratégias a um custo menor de energia ainda que se verifique um aumento das perdas de carga no sistema.
As perdas de carga na tubagem de um sistema de abastecimento de água podem estabelecer-se através da equação de Darcy Weisbach, Quando se dá um aumento do caudal bombado, o valor das perdas de carga aumenta, verificando-se o processo inverso quando se dá uma diminuição do caudal a bombar. A redução das perdas aumentaria a viabilidade do sistema de abastecimento de água, diminuiria a intermitência do abastecimento e a ocorrência de paragens causadas por essa mesma intermitência.
A modelação da pressão nos sistemas de abastecimento de água é provavelmente a ferramenta mais eficiente para a redução das perdas de água. Estratégias de controlo de pressão dinâmica são utilizadas para reduzir o excesso de pressão, ajustando o valor da mesma ao nível do sistema de abastecimento. Esta ferramenta é particularmente eficaz no período noturno. As válvulas redutoras de pressão são instaladas ao longo do sistema com o intuito de ajustar a pressão de alimentação e evitar o excesso da mesma (Feldman, 2009).
2.2 Custos de energia em sistemas de abastecimento de água/bombagem
Seguidamente, irão ser abordados os custos de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água, atribuindo um maior destaque aos órgãos de bombagem. Os custos de exploração dos sistemas de abastecimento de água são elevados, muito por culpa da energia despendida pelos órgãos de bombagem, representando estes a maior fatia dos custos de exploração.
Os sistemas de abastecimento de água têm por obrigação, satisfazer as necessidades das populações a abastecer em termos de caudal e pressão. Como a maioria das fontes de água são lagos, rios e aquíferos, estes encontram-se geralmente localizados em zonas com cotas topográficas baixas, sendo necessário proceder à sua elevação da água para cotas superiores, recorrendo à utilização de sistemas de bombagem. A operação dos sistemas de bombagem consome valores de energia elétrica extremamente elevados sendo a principal responsável pelos grandes custos energéticos verificados nos sistemas de abastecimento de água. Para além de uma otimização de funcionamento, o que torna possível a redução dos custos de bombagem é a flexibilidade de preços de energia elétrica existente ao longo do dia. Em alguns casos, o rácio entre o preço mais baixo e o mais alto é de 1:4, como se pode verificar na figura 1 (Alperovits, 2005).
Para fazer face a estes custos, as empresas de abastecimento de água sentiram necessidade de criar políticas de bombagem que levassem à diminuição dos mesmos, aproveitando a flexibilidade de preços de energia elétrica ao longo do dia, como se constata na Figura 1. O principal objetivo dessas mesmas políticas consiste em tirar o máximo rendimento possível das bombas no período de baixo e de médio custo energético, para que quando se atingir o horário de custos energéticos mais elevados, os sistemas de bombagem se encontre desligados (Feldman, 2009).
Figura 1 – Representação dos preços de energia para os dias semanais no inverno, no contrato de fornecimento de energia à empresa Águas do Noroeste, S.A., em 2011.
Quando as tarifas energéticas se encontram num horário de baixo custo, procede-se à bombagem e armazenamento da água em reservatórios, sendo esta depois distribuída a partir dos reservatórios, por gravidade ao longo do dia em função dos consumos da população, reduzindo assim o tempo de bombagem nas horas de maior custo.
2.3 Técnicas de otimização aplicadas a sistemas de abastecimento de água
As técnicas de otimização em sistemas de abastecimento de água têm verificado grandes evoluções até aos dias de hoje. Estas técnicas têm assumido um papel vital no melhoramento do desempenho de metodologias, minimização de custos, maximização da produção, etc. De um modo geral, os problemas de otimização até aos anos 80 eram resolvidos recorrendo a técnicas clássicas como a programação linear, programação não-linear e programação dinâmica. Estes métodos determinísticos baseiam-se num processo de maximização ou minimização de uma determinada função objetivo, respeitando um conjunto de equações ou inequações conhecidas como restrições. As restrições e as funções objetivo contemplam as variáveis de decisão, as variáveis de estado e os parâmetros de processamento. As principais desvantagens da utilização de algoritmos determinísticos são: a necessidade de cálculo de derivadas, dificuldade de adaptação a projetos que contemplem variáveis discretas e a dificuldade de implementação em trabalhos práticos de engenharia. Em contrapartida, alguns destes métodos apresentam grande rapidez e precisão na procura da solução ótima para o problema (WU & SIMPSON, 2002).
0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0 0 :0 0 0 1 :0 0 0 2 :0 0 0 3 :0 0 0 4 :0 0 0 5 :0 0 0 6 :0 0 0 7 :0 0 0 8 :0 0 0 9 :0 0 1 0 :0 0 1 1 :0 0 1 2 :0 0 1 3 :0 0 1 4 :0 0 1 5 :0 0 1 6 :0 0 1 7 :0 0 1 8 :0 0 1 9 :0 0 2 0 :0 0 2 1 :0 0 2 2 :0 0 2 3 :0 0 2 3 :5 9 P re ço ( €/k Wh) Tempo (hh:mm)
Nos parágrafos seguintes referem-se estudos que utilizam diferentes métodos de otimização em sistemas de abastecimento de água.
2.3.1 Programação linear
A Programação linear é uma ferramenta matemática muito utilizada como técnica de otimização de sistemas de abastecimento, sendo normalmente empregue quando se pretende tratar um tipo específico de problema onde a relação entre as restrições e as funções objetivo são lineares.
Shamir (1974), desenvolveu uma metodologia para a operação otimizada de um sistema de abastecimento de água, para um melhor funcionamento deste sob uma ou diversas condições de operação. A função objetivo inclui os custos iniciais de construção, os custos de exploração, variáveis de desempenho físico e ainda penalizações por violação de valores constantes do sistema. Relativamente às variáveis de decisão foram incluídas os diâmetros das condutas, valores de pressão e caudal, máximo e mínimo. O principal objetivo do autor foi formular uma ferramenta de otimização capaz de analisar, descrever e operar um sistema de abastecimento de água, permitindo resolver problemas relativamente ao caudal, simular a capacidade do sistema de abastecimento quando este apresenta a capacidade de armazenar água e otimizar a possibilidade de um aumento do sistema de abastecimento existente, entre outras opções.
Jowitt & Germanopoulos (1992), implementaram um modelo matemático baseado em programação linear com o objetivo de determinar qual o custo ótimo mínimo em estações de tratamento, para um tempo de funcionamento de 24 horas. Para a resolução do modelo, foram considerados os consumos de caudal referentes à população em estudo e a energia consumida pelo sistema de abastecimento, por parte de uma pequena rede de abastecimento de água situada em Inglaterra, com a finalidade de abastecer uma pequena povoação. Foram ainda considerados no modelo as restrições operacionais da rede, as variações de consumos de água, características hidráulicas do sistema e ainda os custos de energia elétrica praticados pela empresa local. Apesar de se tratar de um modelo que permite proceder à determinação do custo operacional mínimo, os resultados dessa otimização não foram apresentados, sendo a principal preocupação dos autores, a redução do tempo de processamento do modelo de otimização.
