Eficiência energética e hidráulica
Helena Ramos IST - 2006
2
Projectos sustentáveis
• uso racional dos recursos hídricos existentes e a satisfação das necessidades dos consumidores
• minimização do uso de energia, perdas de água e frequência de interrupções no consumo
• funcionamento hidráulico dos sistemas de
abastecimento afecta decisivamente o seu
desempenho global, tanto em termos de
eficiência como de eficácia
Sistemas de abastecimento
• Novos desafios
– à medida que o nível de cobertura da população aumenta, constroem-se expansões ou reforços de sistemas existentes, em vez de sistemas totalmente novos, sendo importante avaliar o impacte das
alterações no sistema existente;
– existe uma maior consciencialização para os aspectos ambientais, que se reflecte na necessidade de
racionalizar o uso dos recursos naturais – água e energia;
– as questões relacionadas com a qualidade da água têm
4
Sistemas de abastecimento
• Factores de mudança
– consciencialização da necessidade de garantir bons níveis de serviço durante toda a vida útil do sistema;
– reconhecimento das vantagens de uma visão integrada e pluridisciplinar da gestão dos sistemas (aspectos
hidráulicos, de qualidade de água, de fiabilidade, de gestão de energia e de exploração e manutenção);
– papel do cidadão/consumidor cada vez mais exigente;
entidades gestoras têm que apresentar níveis de qualidade de serviço elevados.
Sistemas hidroeléctricos
• A produção de energia é uma problemática que preocupa as entidades do sector;
• A “hidro-electricidade” é uma das resposta de como oferecer energia limpa tanto a zonas urbanas como rurais e isoladas;
• Representa um benefício ambiental importante no apoio ao desenvolvimento sustentável porque não contribui para a depleção da camada de ozono
nem para o aquecimento global.
6
Sistemas hidroeléctricos
• Integração da produção de energia nos diferentes usos da água (gestão
sustentável)
• Hidro-energia é uma fonte de energia renovável, fiável, económica, segura, que permite uma maior eficiência e descentralização da indústria;
• Enorme vantagem em não produzir emissões de poluentes na atmosfera ou de resíduos sólidos ou líquidos e por estar associado a efeitos positivos paisagísticos.
Planeamento, construção, operação, manutenção e reabilitação
• Planos de desenvolvimento estratégico
• Visão integrada
• Flexibilização da gestão
• Conservação e recuperação de energia
• Controlo de perdas
• Monitorização e identificação de zonas tipo
• Inspecção e manutenção de
8
Flexibilização da gestão
• Introdução de elementos que conferem flexibilidade de operação na crescente complexidade da gestão dos sistemas - ajustar o modo de funcionamento à
disponibilidade de recursos e às necessidades dos consumidores.
• Utilização de válvulas telecomandadas ou automatizadas que permitem alterar os circuitos da água ou ajustar as pressões ou os caudais, contribuindo para melhorar os níveis de serviço, eficiência energética ou para reduzir as perdas.
• Tipo e localização destes elementos devem ser previstos na fase de projecto, com apoio sistemático da simulação.
Aproveitamento de energia
• O custo de energia é um peso muito significativo nos custos globais de exploração
=>minimização do consumo global de energia
• Acções do tipo:
– aspectos de layout
– selecção do equipamento – manutenção do equipamento
– utilização das tarifário mais adequado
– utilização de equipamento de recuperação de energia
10
Desempenho da Flutuação da Pressão
90 92 94 96 98 100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Desempenho (%)
0 a 25% 25 a 50% 50 a 75% 75 a 100% Méd. Pond.
Análises de Diagnóstico de um Sistema de Distribuição de Água
Análises de Diagnóstico de um Sistema de Distribuição de Água
• Ao nível do Desempenho – Pressões
– Flutuações de Pressão
– Velocidades de Escoamento – Perdas de Água
Perdas de Água do Sistema
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Caudal (l/s)
0 20 40 60 80
% Perdas
Caudal Total Caudal Consumido Perdas de Água Percentagem de Perdas
Aproveitamentos Hidroeléctricos
• Grandes aproveitamentos
• Mini-hídricas
Tunnel Intake
Powerhouse Differential
surge tank
Tunnel
Intake
Powerhouse Differential
surge tank
12
Avaliação do potencial energético em sistemas de abastecimento e drenagem
• Sistemas adutores e/ou de distribuição de água com excesso de energia ou carga hidráulica necessitam do controlo da pressão através de estruturas ou
órgãos hidráulicos dissipadores que provoquem o abaixamento da linha piezométrica
• A limitação da pressão no interior de condutas ou sistemas hidráulicos prende-se com factores de ordem económica e de segurança do respectivo equipamento
Controlo de pressões
• A uniformização e controlo da pressão:
– optimização de sistemas de bombagem
– utilização de grupos de velocidade de rotação variável – divisão da rede em zonas por patamares de pressão
(através de reservatórios ou VRP)
• As VRP são dispositivos cuja função é limitar a pressão a jusante a um determinado valor pré-definido
14
Controlo de pressão - modelação do efeito de VRP
1 8
15 22
303234363840424446
Id dos nós P ressure for each node (m) vs Time (h)
44-46 42-44 40-42 38-40 36-38 34-36 32-34 30-32
efeito controlo da pressão em sistemas de abastecimento:
Sistema sem VRP; com 5 VRPs
1 8
15 22
303234363840424446 P ressure fo r each no de (m) vs T ime (h)
44-46 42-44 40-42 38-40 36-38 34-36 32-34 30-32
Simulação hidráulica e aplicação de técnicas de optimização
• Após a simulação hidráulica, a formulação
matemática da componente de optimização é utilizada com base na seguinte função-objectivo, para minimizar a pressão e o número de VRP a adoptar:
• Os resultados permitem a cada utilizador definir onde e quantas válvulas deverão ser usadas
( ) T
t t t
N i
t i cal t
T t
i nv nv
P P nv P
nv p f
Optimize 1
2 2
1 min
min ,
,
) 1
,
( =
=
=
∗ +
−
= ∑
16
O aproveitamento de energia
• Micro-hídricas
• Substituição de VRP por micro-turbinas ou bombas a funcionar como turbinas
– O uso de bombas a funcionarem como turbinas, dependendo das características do sistema (i.e., normalmente aplicáveis a pequenos caudais)
apresentam, de um modo geral, níveis de eficiência admissíveis. Uma bomba pode funcionar no sentido inverso (i.e., inverso ao da rotação normal de
bombagem e do escoamento), com um rendimento da ordem de grandeza do correspondente rendimento
para bombagem (Garey, 1990)
O aproveitamento de energia
• Simulação de uma VRP com Hj cont. (esq. em cima) e de uma turbina (direita)
12
18
O aproveitamento de energia
• Resposta do sistema à variação do consumo ao longo do dia
• Aproveitamento do excesso de energia disponível no sistema
sistema sem controlo, com VRP e com microturbina do tipo reacção
Caso de estudo 1 - Avaliação do potencial energético
• Análise da viabilidade de instalação de micro-hídrica a montante da ETA do Beliche – Algarve, Portugal
20
Análise do sistema
Vista da Barragem do Beliche e da tomada de água para o circuito hidráulico
O estudo de viabilidade para os primeiros 15 anos de funcionamento - ao fim de cerca de 6 anos tem-se o retorno do investimento para custo de venda de energia de 0.07 €, 20 horas de turbinagem/dia e período para manutenção da ordem dos 45 dias por ano.
n.
Fases P Hmax Preço
(kW) (m) (€)
1 2 320 6000
1 3 320 7000
1 ou 3 4 220 12000
6 220 13000
7 220 14000
10 220 18000
3+N 12 220 20000
3+N 15 220 24000
1 ou 3 6 50 18000
7 50 20000
10 50 22000
3+N 12 50 25000
3+N 15 50 34000
1 ou 3 10 240 22000
3+N 12 240 25000
2 ou 3 15 240 30000
3+N 30 240 33000
3+N 60 240 45000
Exemplo de custos e características de
micro-turbinas do tipo acção
22
Caso de estudo 2 - Solução não convencional
• Desenvolvimento de uma análise hidráulica- económico-ambiental da implantação de uma
adutora gravítica paralela à adutora existente por forma a poder desactivar a estação sobrepressora e instalar no final das adutoras uma turbina para aproveitar a carga disponibilizada no nó 123, como consequência da modificação da configuração
topológica.
Rio Lago
---
--- Adutora I
---
--- Adutora II
<=== Turbina
<=== Adutora paralela proposta
Nó 123
Solução não convencional
• Sistema adutor de transporte de água, sem constrangimentos
operacionais e semelhante ao existente, no que diz respeito à distribuição de pressões, caudais na adutora e qualidade das águas que alimentam o sistema
• O estudo propõe a construção de uma adutora paralela com 1000
mm de diâmetro, transformando o sistema hidropressor (elevatório)
L = 14 000 m L = 14 000 m D = 750 mm D = 750 mm
24
Solução não convencional
• apresentam-se, em detalhe a azul, a adutora existente (Adutora II), a adutora paralela e o posicionamento da turbina (ou bomba a funcionar como turbina); os círculos mais pequenos correspondem aos nós que serão utilizados para rastreio da qualidade da água, antes e após a implementação da proposta; os rectângulos correspondem à
identificação dos reservatórios.
Rio Lago
---
--- Adutora I
---
--- Adutora II
<=== Turbina
<=== Adutora paralela proposta Nó 123
Rio ---
--- Adutora II
<=== Turbina
<=== Adutora paralela proposta
Nó 123
VRP
120
229
269
RNV_03
RNV_02 RNV_01
189
Análise Hidráulica
Pressão 35.00 40.00 45.00 50.00 m
Pressão 35.00 40.00 45.00 50.00 m
Variação das Pressões no nó 123
44 45 46 47 48 49 50 51
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72
Tempo (h)
Pressão (m)
Condição Original Proposta: Adutora + Turbina
26
Análise do Desempenho Hidráulico em termos de pressões
Classificação do serviço prestado : 4 – óptimo ou desejável; 3 - bom; 2 - regular; 1 – suficiente ou indesejável; 0 - insuficiente
Simulação dinâmica: Rede Original
0 1 2 3 4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Tempo (h)
Desempenho ( - )
75 a 100% 50 a 75% 25 a 50%
0 a 25% Índice Méd. Pon.
Gráfico do desempenho resultante Simulação dinâmica: Rede com Adutora + Turbina
0 1 2 3 4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Tempo (h)
Desempenho ( - )
75 a 100% 50 a 75% 25 a 50%
0 a 25% Índice Méd. Pon.
Gráfico do desempenho resultante Pressões nos nós m c. a.
60 35 45
20
4 3 2 1
Desempenho 0
Caso de estudo 3 - Sistemas Híbridos
• O uso de sistemas híbridos do tipo energia solar ou eólica +
hidroeléctrica, em particular em regiões isoladas aparece como a melhor solução para ultrapassar os problemas de armazenamento da energia solar e eólica que pode entrar na rede. Em regiões deficitárias de
energia instalada, o método de armazenamento por bombagem parece ser o melhor caminho para explorar o potencial eólico ou solar
disponível.
• A definição de energia produzida por sistemas híbridos só
recentemente se adoptou e espera-se que estas instalações aproveitem a vantagem da política económica que favorece as fontes de energia renováveis.
Purificação da água
Bombagem de água
28
Sistemas Híbridos
Parque eólico de 2,4 MW, central hidroeléctrica com 3 Turbinas Pelton com o total de 3,8 MW e uma central elevatória de 1 MW – espera-se que produza 23 GWh/ano sendo cerca de 1/3
devido ao armazenamento de energia hidráulica por bombagem
Sistemas Híbridos
O sistema é baseado no aproveitamento de energia que é rejeitada da produção eólica quando a produção excede o máximo que pode ser absorvido pela rede local.
Uma estação elevatória típica consiste num número de bombas idênticas funcionando em paralelo para elevar água. A energia hidráulica armazenada pode ser reutilizada para produzir energia eléctrica através de uma turbina hidráulica. Após análises de
optimização concluiu-se que a central elevatória deveria ser equipada com bombas de velocidade variável, uma vez que conduz a uma
solução mais eficiente às condições de funcionamento aumentando, assim substancialmente a energia hidráulica durante o processo de armazenamento por bombagem.
30
Sistemas Híbridos
A maior parte dos sistemas híbridos tem que ter capacidade para armazenar energia para as horas de ponta ou para horas quando as produção de energia pelas renováveis é baixa. É o caso da utilização de baterias de armazenamento para sistemas eólicos ou fotovoltaicos e o armazenamento com o auxílio de bombagem para os sistemas hidroeléctricos.
Este tipo de solução permite aumentar a flexibilidade do sistema de controlo e facilita a sua utilização utilização – podem ser usados em locais remotos
Outros critérios a adoptar
A escolha criteriosa de tarifários que promovam a bombagem durante as horas de vazio e a turbinagem durante as horas de ponta e cheia - são metodologias que conduzem a um melhor aproveitamento do recurso água e energético.
Igual aos dias da semana Igual aos dias da
semana Horas de vazio – das 23h às
9hHoras fora de vazio – das 9h às 23h
Ciclo diário
Horas de vazio – todo o dia
Horas de vazio – das 22h às 9h e das 14h às 20h
Horas fora de vazio – das 9h às 14h e das 20h às 22h
Horas de vazio – das 24h às 7hHoras fora de vazio – 7h às 24 Ciclo semanal
Domingo Sábado
Dias da semana Tarifário mais
vantajoso
32
Conclusões
• Estratégias eficazes de controlo e minimização de
pressões são boas ferramentas para a redução de fugas em redes de abastecimento de água, sem comprometer a
operacionalidade do sistema;
• O controlo da pressão por turbinas (ou bombas
turbinas) é uma solução que permite o aproveitamento de energia em excesso, que normalmente teria que ser dissipada (e.g., através de VRP ou câmaras de perda de carga);
Conclusões
• A utilização de sistemas de abastecimento, rega, drenagem para produção de energia são soluções de baixo custo,
economicamente viáveis com caudal garantido e uma fonte de energia renovável, limpa e sem impactes
ambientais.
• A implementação de sistemas híbridos (recorrendo a formas combinadas de produção de energia: hídrica, eólica, solar, biomassa, ondas ou marés) podem aumentar
substancialmente a eficiência na produção de energia renovável do planeta.
