Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela

Universidade do Minho Escola de Engenharia Mestrado Integrado em Engenharia Biológica Trabalho efetuado sob orientação do: Professor Doutor Eugénio Campos Ferreira e do supervisor na empresa: Engenheiro Adriano Magalhães Outubro 2019 Pedro Nuno Rocha Oliveira Estudo para Otimização Energética do Subsistema de Queimadela Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela ii DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição CC BY https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela iii Agradecimentos No final desta etapa importante não podia deixar de agradecer, em primeiro lugar, à minha família, que sempre me acompanhou neste percurso académico e sempre me apoiou em todas as decisões, constituindo desta forma um suporte motivacional essencial. Aos amigos que sempre se mostraram disponíveis para me auxiliar ao longo dos anos. Aos meus orientadores, quer na Universidade, Prof. Eugénio Ferreira, quer na empresa, Eng. Adriano Magalhães, pois com a sua ajuda consegui enriquecer um pouco mais o meu trabalho académico e realizar um projeto interessante com utilidade prática nos dias de hoje. Por último, gostaria de agradecer a todos os colegas na Águas do Norte que me ajudaram de algum modo, seja na receção, na extração dos dados que necessitava, etc., pois desta forma tornaram o meu trabalho mais rentável. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela iv DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela v Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela Sumário Esta dissertação, realizada no âmbito de Mestrado Integrado em Engenharia Biológica, teve por finalidade estudar a otimização energética do Subsistema Queimadela da empresa Águas do Norte, S.A.. O projeto incidiu em dois objetivos. O primeiro consistiu no acompanhamento da implementação de um modelo dinâmico, SCUBIC, que através de algoritmos informáticos possibilita uma poupança energética devido a alterações nos períodos de acionamento das bombas. O segundo objetivo abrangeu a elaboração de um algoritmo, em Excel, capaz de realizar a mesma função do SCUBIC. Para o desenvolvimento do algoritmo foi necessário recorrer ao histórico de consumo de energia e efetuar análises de dados como, caudais de distribuição, caracterização do sistema adutor (tubagens, válvulas e nós), volumes de reservatórios, cotas onde estão colocadas as bombas, entre outros. De uma forma simplificada, foi necessário identificar as variáveis de decisão e qual a função objetivo de forma a minimizar os custos energéticos por ação do bombeamento de água. Adicionalmente, a metodologia desenvolvida foi aplicada nalguns troços do Subsistema de Areias de Vilar e foi estudada uma alteração ao reservatório RQ 15 habilitando-o a funcionar em período noturno. Obtiveram-se resultados relevantes, como se verifica com uma poupança de cerca de 6 000 euros anuais para o Subsistema de Queimadela. A aplicação do algoritmo desenvolvido em EXCEL permitiu, de forma expedita, verificar que as alterações na infraestrutura RQ 15 de insonorização trazem uma vantagem económica de 11 000 euros anuais. Palavras-chave: bombas, eficiência energética, otimização Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela vi Abstract This dissertation, carried out under the Integrated Master Program in Biological Engineering, aims to study the energy optimization of Águas do Norte S.A Subsystem, Queimadela. The project focused on two main objectives. The first consisted in monitoring the implementation of a dynamic model, SCUBIC, which through computer algorithms enables energy savings due to changes in pump activation periods. The second objective covered the elaboration of an algorithm, in Excel, capable of performing the same function as SCUBIC. For the development of the algorithm it was necessary to use to the history of energy consumption and to perform data analysis such as distribution flows, characterization of the adductor system (pipes, valves and nodes), reservoir volumes, quotas where the pumps are placed, among others. In a simplified way, it was necessary to identify the decision variables and the objective function in order to minimize the energy costs per action of water pumping. Additionally, the developed methodology was applied in some sections of the Areias de Vilar Subsystem and an alteration to the RQ 15 reservoir was studied, enabling it to operate at night. Relevant results were obtained, as is the case with savings of around € 6,000 per year for the Queimadela Subsystem. The application of the algorithm developed in EXCEL has made it possible, expeditiously, to verify that the alterations in the soundproofing infrastructure RQ 15 bring an economic advantage of 11 000 euros per year. Keywords: energy efficiency, pumps, optimization Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela vii Índice 1. INTRODUÇÃO AO TEMA .....................................................................................................1 1.1. Apresentação e enquadramento do tema .................................................................................. 1 1.2. ETA de Queimadela .................................................................................................................. 2 2. REVISÃO DO PROBLEMA ...................................................................................................4 2.1. Distribuição .............................................................................................................................. 4 2.2. Fatores que afetam os padrões de consumo ............................................................................. 5 2.3. Tarifas e ciclos horários de energia elétrica ............................................................................... 5 2.4. Plano de otimização energética (POE) ....................................................................................... 7 2.5. Controlo energético ................................................................................................................... 7 2.6. Norma ISO 50001 .................................................................................................................... 8 2.7. Sistemas de bombeamento ....................................................................................................... 9 2.7.1. Variadores de frequência ............................................................................................. 10 2.7.2. Substituição das bombas sobredimensionadas ............................................................ 11 2.8. Planeamento ótimo ................................................................................................................. 12 2.9. Métodos de Otimização e Programação Matemática ................................................................ 14 2.9.1. Programação linear ..................................................................................................... 15 2.9.2. Programação não linear .............................................................................................. 15 2.9.3. Programação dinâmica ................................................................................................ 15 2.9.4. Redes neuronais artificiais ........................................................................................... 16 2.10. SCUBIC .................................................................................................................................. 16 3. TRABALHO DESENVOLVIDO - SUBSISTEMA DE QUEIMADELA ..........................................18 3.1. Análise do funcionamento das bombas ................................................................................... 19 3.2. Análise energética dos reservatórios ........................................................................................ 24 3.2.1. Caracterização energética ............................................................................................ 26 3.3. Nível de operação dos reservatórios ........................................................................................ 26 3.4. Modulação virtual em EPANET por parte da SCUBIC ............................................................... 28 3.4.1. Previsão de consumo .................................................................................................. 30 3.4.2. Análise gráfica do comportamento dos reservatórios implementados pela SCUBIC ....... 31 3.5. Análise do “caso” RQ 15......................................................................................................... 36 3.6. Programação não linear em Excel ........................................................................................... 37 3.7. Resultados .............................................................................................................................. 41 4. TRABALHO DESENVOLVIDO - SUBSISTEMA DE AREIAS DE VILAR ....................................44 4.1.1. Troço de Burgães ........................................................................................................ 44 4.1.2. Troço de Cerite (Famalicão) ......................................................................................... 47 4.1.3. Lemenhe .......................................................................................................... 49 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela viii 5. CONCLUSÃO ...................................................................................................................51 6. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................52 7. ANEXO - BALANÇOS VOLÚMICOS AOS RESERVATÓRIOS ..................................................53 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela ix Índice de figuras Figura 1: Caracterização do sistema adutor. A vermelho a água é elevada com auxílio de bombas, a preto a água é transportada por gravidade.____________________________________________________________________ 4 Figura 2: Períodos horários energéticos, quer para Inverno quer para Verão _________________________________ 6 Figura 3: Modelo de sistema de gestão de energia para a norma ISO 50001 _________________________________10 Figura 4: Gamas de funcionamento das bombas (H – altura manométrica; Q – caudal; HB∗ e QB∗ – ponto ótimo; η∗ – eficiência do ponto ótimo; W* - trabalho no ponto ótimo) _______________________________________________12 Figura 5: Nível ideal de um reservatório ao longo de um dia _____________________________________________13 Figura 6: Curva hidráulica correspondente ao bombeamento de RQ 01_____________________________________20 Figura 7: Curva hidráulica correspondente ao bombeamento de RQ 17_____________________________________21 Figura 8: Curva hidráulica correspondente ao bombeamento de RQ 10_____________________________________23 Figura 9: Curva hidráulica correspondente ao bombeamento de EE 01, coluna 125-150, linha 6 __________________23 Figura 10: Comparação da energia gasta por sistema de bombeamento durante cada mês ______________________24 Figura 11: Comparação do custo por kWh de cada sistema de bombeamento ________________________________25 Figura 12: Comparação da utilização de cada tarifa energética de cada sistema de bombeamento _________________25 Figura 13: Volume instantâneo de RQ 16 no dia 1 de fevereiro de 2019 ____________________________________30 Figura 14: Volume instantâneo do RQ 10 __________________________________________________________31 Figura 15: Evolução do nível e caudal do reservatório RQ 15 ____________________________________________31 Figura 16: Evolução do caudal de RQ 15 para RQ 16 e RQ 17 ___________________________________________32 Figura 17: Evolução do nível de RQ 17 e RQ 18 _____________________________________________________32 Figura 18: Evolução do caudal de RQ 17 para RQ 18 e RQ 20 ___________________________________________32 Figura 19: Evolução do nível RQ 20 ______________________________________________________________33 Figura 20: Evolução do nível de RQ 21 e RQ 22 _____________________________________________________33 Figura 21: Evolução do nível de RQ 01 ____________________________________________________________33 Figura 22: Evolução do caudal de RQ 01 para RQ 08 e do nível de RQ 08 ___________________________________34 Figura 23: Evolução do caudal de distribuição de RQ 08 para RQ 09 e do nível de RQ 09 ________________________34 Figura 24: Evolução do nível de EE 01 ____________________________________________________________35 Figura 25: Evolução da distribuição de RQ 10 e do nível de RQ 10 ________________________________________35 Figura 26: Evolução do caudal de RQ 10 para RQ 11 e do nível de RQ 11 ___________________________________35 Figura 27 Evolução do caudal de entrada em EE 02 e do nível de EE 02 ____________________________________35 Figura 28: Evolução do nível de RQ 14 ____________________________________________________________36 Figura 29: Exemplo do algoritmo em Excel aplicado no Subsistema Queimadela para dias úteis no inverno ___________40 Figura 30: Mapa corresponde ao troço de Burgães ___________________________________________________44 Figura 31: Distribuição do troço de Burgães ________________________________________________________45 Figura 32: Distribuição de Cerite ________________________________________________________________47 Figura 33: Algoritmo aplicado a Cerite no dia 11 de julho de 2019 ________________________________________48 Figura 34: Volume instantâneo do reservatório de Lemenhe _____________________________________________50 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 4 2. REVISÃO DO PROBLEMA 2.1. Distribuição A distribuição de água pode ser feita em alta ou em baixa. O sistema de abastecimento de água é um sistema em “alta” quando constituído por um conjunto de componentes a montante da rede de distribuição de água, fazendo a ligação do meio hídrico ao sistema em “baixa”. É considerado um sistema em “baixa” quando constituído por um conjunto de componentes que ligam o sistema em “alta” ao utilizador final. O sistema de abastecimento de água presta um serviço em “alta” ou em “baixa” sempre que vincula o meio hídrico a um utilizador final (Martins, 2014). Os reservatórios de distribuição de água são dimensionados para satisfazer as seguintes condições: funcionar como condutor da distribuição, atendendo a variação horária e diária do consumo de água; assegurar uma reserva de água para combate a incêndios; manter uma reserva para atender as condições de emergência (acidentes, reparo nas instalações, interrupções da adução e outros) e manter a pressão constante na rede de distribuição. O Subsistema em estudo é apresentado na Fig. 1, sendo importante observar que na segunda fase, para a otimização do consumo de energia, apenas se considera os reservatórios diretamente afetados por ação de bombeamento. Figura 1: Caracterização do sistema adutor. A vermelho a água é elevada com auxílio de bombas, a preto a água é transportada por gravidade. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 5 2.2. Fatores que afetam os padrões de consumo O consumo de água não é igual ao longo do ano, pois caso tal se verificasse, o processo de otimização seria simples sendo possível efetuar por meio de programação linear com exatidão. Os fatores que afetam o consumo são vários sendo alguns apresentados abaixo (Falkenberg et al ., 2003): • Localização geográfica; • Turismo, pois pode provocar um crescimento ou uma redução da população; • Tipo de bairro, isto é, zona residencial, industrial ou outra; • Aspetos socioeconómicos; • Condições atmosféricas; • Dia da semana. 2.3. Tarifas e ciclos horários de energia elétrica Após efetuada a análise das bombas prossegue-se para o cerne do tema, a energia. É importante perceber como esta é usada na empresa bem como os tipos de tarifários que existem variando de reservatório para reservatório. Existem quatro tipos de tarifas de energia: simples, bi-horária, tri-horária e tetra-horária. Na tarifa simples o custo da energia será o mesmo para qualquer período do dia. Na tarifa bihorária existem dois custos, um correspondente ao período das horas de Vazio, no qual a energia é mais barata, e outro, correspondente ao período das horas Fora de Vazio. A tarifa tri-horária tem três ciclos horários, Vazio, Cheia e Ponta e a tarifa tetra-horária (Fig. 2) tem quatro ciclos, Super Vazio, Vazio, Cheia e Ponta. O custo também varia conforme a época do ano (inverno ou verão). O custo da energia nos tarifários compreende três dimensões: • Tarifa de acesso às redes - é independente do comercializador de energia e visa colmatar os custos inerentes à manutenção da rede nacional de distribuição e transporte de energia elétrica. • Tarifa de energia ativa – reflete o preço de energia consumida nos diferentes períodos tarifários. • Tarifa de potência contratada em horas de ponta – traduz uma penalização ao uso de energia nas horas de ponta em concreto. Esta depende do número de horas de ponta e do número de dias total existente em cada mês, sendo por isso ligeiramente diferentes em cada período de faturação. O custo do kWh é calculado da seguinte forma: Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 6 𝐻.𝑃.= 𝐸𝑐 𝑁𝐻𝑃×𝑝×𝑑 onde H.P. Taxa de potência contratada de horas de ponta Ec Energia consumida NHP Número de horas de ponta p Custo unitário de energia d Número de dias do mês. Figura 2: Períodos horários energéticos, quer para Inverno quer para Verão Na Tabela 1 destacam-se as respetivas tarifas energéticas para cada período horário. Estes valores do custo específico serão usados nos cálculos posteriores. Tabela 1: Custo de energia dos diferentes tarifários ao longo do ano Período tarifário Custo energia (€/kWh) Inverno verão MT BTN MT BTN Super Vazio 0,0661 0,0998 0,0662 0,0998 Vazio 0,0735 0,0998 0,0734 0,0998 Cheia 0,1038 0,1463 0,1035 0,1463 Ponta 0,1210 0,2584 0,1207 0,2584 MTmédia tensão BTN - baixa tensão normal Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 7 2.4. Plano de otimização energética (POE) O POE consiste em três etapas onde, primeiramente, devem ser efetuados testes de eficiência importantes para a análise do desempenho real dos grupos eletrobomba, pois o funcionamento real poderá não corresponder à informação cedida pelos fabricantes. Concluídos estes testes, prossegue-se para a segunda etapa, a procura de soluções de otimização. Para tal é necessário o conhecimento dos caudais bombeados para adaptar as soluções ao sistema real. Numa última etapa, efetua-se uma avaliação económica de todas as soluções encontradas de forma a selecionar a mais vantajosa em custos energéticos (Rodrigues, 2016). 2.5. Controlo energético Para satisfazer as necessidades de consumo com custos mais reduzidos é preciso obter um melhor aproveitamento do sistema de transporte e de reserva. O funcionamento do sistema engloba a sequência de manobras exercidas sobre os seus elementos, válvulas e bombas, para atingir custos mínimos de energia e manutenção. Esta operação pode ser realizada de 4 formas, por controlo manual, automático, automático programado ou controlo centralizado. No controlo manual, os elementos do sistema são manobrados por operadores locais que possuem pouca ou nenhuma informação a respeito do restante sistema. O segundo é semelhante, mas sem o operador humano. O controlo automático programado baseia-se em controladores lógicos programados (PLC). Por último, no controlo centralizado o processo de operação fica a cargo de uma central de controlo. Para que se possa definir uma melhor regra operacional para um sistema de abastecimento de água, algumas condições básicas são necessárias (Zahed Filho, 1990): • Definição clara dos objetivos a serem alcançados; • Conhecimento da topologia do sistema e das características hidráulicas e mecânicas dos elementos que o compõem; • Conhecimento de dados previsionais de consumo; • Disponibilidade de modelos matemáticos. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 8 Na redução do custo de energia elétrica desses sistemas, diversas alternativas podem ser tomadas (Tsutiya, 2001): • Conhecimento do sistema tarifário; • Redução da potência do equipamento; • Alteração do sistema operacional; • Automação do sistema de abastecimento de água; • Geração de energia via fontes alternativas de energia elétrica. A energia é perdida devido a várias razões: deficiente projeto das bombas aplicadas; instalação ou manutenção deficientes; tubagens antigas com alta perda de carga; pressão de suprimento excessiva; e estratégias de operação ineficientes das várias instalações de suprimento. Outra causa importante para o desperdício de energia é o excesso de oferta devido a vazamentos de água ou devido ao uso ineficiente de água. Quando a média mundial de perda de água é estimada em 30%, isso significa que a mesma porção de energia é perdida. Devido às causas acima descritas, a economia de consumo de energia pode chegar a 20% -30% do consumo atual (Firmino et al. , 2006). Um sistema de gestão de energia, também chamado de sistema de apoio à decisão, compreende dois componentes, sendo eles: • Previsão de procura - um módulo que prevê o perfil de recolha de água para um período de planeamento, geralmente de 24 horas. • Esquematização - o objetivo da esquematização é gerar um cronograma diário para a operação das bombas do sistema de água e outras instalações controladas, como válvulas de controlo de pressão ou fluxo. Isso deve ser feito considerando-se a capacidade atual das fontes de água e as características do sistema de distribuição e, ao mesmo tempo, satisfazendo as várias restrições operacionais para suprir as necessidades dos consumidores. 2.6. Norma ISO 50001 A atividade da Águas do Norte (AdNorte) é altamente dependente da energia, na sua maioria energia elétrica. Como tal é um objetivo primordial da empresa otimizar todos os seus recursos, tendo como desafio permanente reduzir custos operacionais. Nesse sentido, torna-se necessário procurar essa otimização de recursos, também por via do aumento da eficiência energética. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 9 Com o intuito de atingir os objetivos do aumento da eficiência energética, considerou-se que a implementação de um Sistema de Gestão de Energia seria a evolução natural para a gestão de energia na AdNorte, e o caminho para a melhoria contínua do mesmo, com vista à redução dos custos e consumos energéticos. Assim, e por forma a ir de encontro a este objetivo, a AdNorte decidiu implementar um Sistema de Gestão de Energia (SGE). Esta norma tem como objetivo principal permitir que as organizações estabeleçam os sistemas e processos necessários para melhorar o desempenho energético, incluindo a eficiência energética e o consumo de energia. Pretende-se que, com a implementação desta norma, haja uma redução nas emissões de gases com efeito de estufa e de outros impactes ambientais, e, também, de uma redução dos custos de energia associados. A norma baseia-se na metodologia PDCA (plan-do-check-act). Começa-se por realizar a avaliação energética e estabelecerem-se objetivos, metas e planos de ação; numa segunda fase prossegue-se para a implementação dos planos de ação de gestão de energia; na terceira fase monitorizam-se e relatam-se os resultados e, por último, impõem-se ações que procurem melhorar continuamente o sistema de gestão de energia. Na Fig. 3 é apresentado o modelo do sistema de gestão de energia para esta norma. 2.7. Sistemas de bombeamento Um sistema de controlo de bombeamento de água pode ser dividido em 3 etapas: um modelo hidráulico da rede, um modelo de previsão de caudal e um modelo de controlo ótimo. Um modelo de controlo ótimo visa a minimização dos custos envolvidos na operação do sistema de captação e distribuição de água, ou seja, os custos envolvidos assentam no acionamento das bombas de captação e de distribuição de água, respeitando certas restrições como o volume de água nos reservatórios (Soler et al. , 2016). As bombas hidráulicas têm como função primordial a movimentação de fluidos através de condutas sobre pressão. Para que tal aconteça, estas convertem a energia mecânica em energia hidráulica, na forma de pressão e energia cinética. A energia cedida pela bomba ao líquido na forma de energia por unidade e peso de fluido bombeado denomina-se altura manométrica. Não existe uma única abordagem simples para minimizar os custos de energia de bombeamento, porque não há uma única razão para que os sistemas de bombeamento sejam operados de uma forma Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 10 menos eficiente. Em vez disso, há uma infinidade de razões pelas quais as estações de bombeamento operam a um custo superior ao ótimo. Algumas dessas razões incluem: • Bombas que foram selecionadas incorretamente; • Bombas que se desgastaram; • Capacidade limitada no sistema de transmissão / distribuição; • Capacidade de armazenamento limitada; • Operação ineficiente de tanques de pressão (hidropneumáticos); • Equipamento inadequado ou impreciso de telemetria; • Penalidade devido a preços de energia de horário do dia ou sazonais; • Erro do operador. Figura 3: Modelo de sistema de gestão de energia para a norma ISO 50001 Assim, como se verificou anteriormente, no POE, o primeiro passo a efetuar no estudo é a análise aos grupos eletrobomba, pois estes sistemas já são antigos e podem apresentar algum desgaste ou outros inconvenientes mencionados previamente. 2.7.1. Variadores de frequência Os variadores de frequência podem ser utilizados numa grande gama de aplicações, sendo as mais comuns aquelas onde é necessária uma velocidade variável na operação. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 11 Uma grande parte dos motores acoplados aos equipamentos de uso industrial foram projetados para funcionar a velocidade constante, este facto não implica qualquer problema quando as condições de operação são constantes, mas em situações nas quais se verificam condições variáveis, a eficiência energética do sistema pode ser reduzida (Projeto Aqualitrans, 2016). Nas ETA existem bombas que são projetadas para funcionar com velocidade constante, de modo que se for necessário a variação do seu caudal deve-se realizar o ajuste do fluxo por meio de circuitos de bypass ou mediantes paragens contínuas. Estes métodos aumentam as perdas de carga ou consomem energia desnecessária, mas com a utilização de um variador de frequência acoplado ao motor pode-se evitar estas perdas. Além disso, na ETA, é também comum que haja motores a trabalhar a uma velocidade superior à necessária para o seu desempenho ótimo. Em ambos casos, o uso de variadores, é recomendado para a redução do gasto energético (Projeto Aqualitrans, 2016). Nos casos em estudo os variadores de frequência estão aplicados na captação, na ETA de Queimadela, e em Cerite, sendo nos restantes casos, caudais fixos. 2.7.2. Substituição das bombas sobredimensionadas Para uma ótima eficiência energética deve-se adequar os equipamentos de bombeamento às condições requeridas com objetivo de que trabalhem em pontos ótimos de funcionamento, ou seja, com rendimento desejável. Nas análises ao funcionamento das bombas é habitual encontrar os sistemas de bombeamento sobredimensionados para o caudal e altura manométrica necessária. Isto acontece porque durante a fase de projeto tende-se a sobredimensionar com o objetivo de proporcionar versatilidade para futuras sobrecargas, de reduzir os riscos no cálculo e na seleção, assim como para proporcionar maior robustez do sistema. Esta situação supõe que as bombas trabalhem normalmente nos pontos ótimos de funcionamento. Mas por vezes tal não acontece e as bombas não trabalham no seu ponto ótimo sendo necessária a sua substituição. Um exemplo é apresentado na Fig. 4 onde se observam as três gamas de funcionamento das bombas: • Gama admissível – caudal entre os 20 e 150 % do caudal nominal; • Gama adequada – caudal entre os 66 e 115 % do caudal nominal; • Gama ótima – caudal entre os 85 e 105 % do caudal nominal. Sendo que, nas análises efetuadas na segunda fase, se alguma das bombas funcionar fora destas gamas deve ser substituída. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 12 Figura 4: Gamas de funcionamento das bombas (H – altura manométrica; Q – caudal; 𝐻𝐵 ∗ e 𝑄𝐵 ∗ – ponto ótimo; 𝜂∗ – eficiência do ponto ótimo; W* - trabalho no ponto ótimo) 2.8. Planeamento ótimo O período de pico de energia é tipicamente favorável ao período de pico da recolha de água, indicando que, quando as tarifas de energia são baixas, poderemos ter capacidade de fornecimento extra. Essa capacidade é utilizada armazenando-se o excesso de água nos reservatórios durante o período mais económico, e distribuindo, dos reservatórios, durante o dia, reduzindo a produção de energia pelas bombas neste momento. Um cronograma ótimo típico é mostrado na Fig. 5. Tal estratégia requer a operação da rede em alta capacidade durante o tempo de pico. A fim de permitir que isso aumente o fluxo, a pressão precisa de ser aumentada. Uma rede de abastecimento de água é composta principalmente por condutas de água, reservatórios, nós e bombas de água. O problema de escalonamento de bombas é definido pelo processo de seleção das bombas disponíveis no sistema para serem usadas para fornecer água a um nó ou reservatório específicos, e quando se deve executar tal operação (ou seja, os períodos do dia em que as bombas devem ser desativadas). (m) (m3/h) Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 13 Figura 5: Nível ideal de um reservatório ao longo de um dia O objetivo deste trabalho é responder à seguinte questão: como otimizar a gestão hídrica para maior eficiência, minimização do impacto ambiental e minimização de custos? Fatores importantes que influenciam o custo, além da duração da operação de bombeamento, são a estrutura tarifária da eletricidade e a eficiência dos conjuntos de bombas referentes às necessidades de bombeamento. Naturalmente, o sistema de abastecimento de água deve estar a funcionar adequadamente, ou seja, a programação das bombas deve ser, não apenas viável, mas também compatível com as restrições físicas e operacionais do sistema, como: • Manter água suficiente dentro dos tanques do sistema, ou dentro de níveis específicos, de acordo com as necessidades; • Conformidade física e hidráulica da rede de distribuição de água (por exemplo, restrições de nível de pressão de água); • Bombas de restrições tecnológicas. Além de ser importante para os custos de operação, a otimização de agendamento de bombeamento também pode levar a melhorias adicionais, como melhor resposta a períodos de escassez de água. Dependendo do tamanho da rede de água, do número de bombas, nós e reservatórios, a tarefa de modelagem do sistema por procedimentos analíticos pode ser extremamente difícil. Nesses casos, embora vários modelos de sistemas de distribuição de água estejam disponíveis, o problema de Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 20 Neste caso, para a bomba do reservatório RQ 01 que bombeia para o RQ 08 observa-se que o caudal mínimo é de 21 m3/h para uma altura de 259 m, no entanto apenas é preciso transportar a água até uma altura de 188 m conseguindo bombear mais caudal. Atualmente esta bomba bombeia cerca de 32 m3/h. Pelo gráfico verifica-se que para a altura pretendida a bomba teria de ser capaz de bombear cerca de 54 m3/h e para obter uma eficiência máxima teria de bombear a 45 m3/h. Figura 6: Curva hidráulica correspondente ao bombeamento de RQ 01 Postas estas observações, pode-se concluir que esta bomba foi bem dimensionada na altura da sua implementação pois para a altura pretendida e considerando as perdas de carga associadas esta seria capaz de trabalhar no ponto ótimo, mas com o desgaste acumulado com o passar dos anos tornouse incapaz de assegurar o mesmo ritmo, sendo necessária a sua alteração. No segundo caso, referente ao bombeamento de RQ 17 para RQ 18, teoricamente o mínimo da bomba será 4,5 m3/h para 52,2 m. A diferença de cotas é de, apenas, 28 m por isso a bomba tem de ser capaz de transportar mais caudal. Atualmente, em desempenho, esta bomba distribui, no seu auge, cerca de 14 m3/h. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 21 Figura 7: Curva hidráulica correspondente ao bombeamento de RQ 17 Por isso, através da análise gráfica verifica-se que a bomba tem um ótimo desempenho, não existindo grandes perdas de carga, mas, porém, foi mal selecionada pois tem, praticamente, eficiência mínima. No terceiro caso, referente ao bombeamento do RQ 10 para RQ 11 (Fig.8), observa-se pela tabela, que o caudal mínimo fornecido será de 2,4 m3/h para 103 m. Neste caso concreto, a altura necessária para elevar a água será de 72,6 m e através da análise gráfica a bomba seria capaz de bombear, aproximadamente, 6,8 m3/h. Em funcionamento, na ETA, esta bomba distribui cerca de 6 m3/h, o que se explica pelas perdas de carga associadas. Deste modo esta bomba foi bem selecionada pois apresenta eficiência máxima e cumpre o objetivo. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 22 Para a bomba do RQ 15 não há acesso à curva hidráulica, mas conhecem-se vários pontos da curva (Tabela 5) e pode-se fazer uma interpolação linear para obter uma estimativa. Tabela 5: Dados correspondentes ao bombeamento de RQ 15 H (m) 246 200 150 Q (m3/h) 80 121 178,5 Sabendo que o bombeamento é efetuado a, aproximadamente, 125 m3/h para uma altura associada de 168 m, é possível afirmar que está dentro do indicado apesar de não se conseguir ter certezas quanto ao ideal pois sem a curva hidráulica é impossível visto não se tratar de uma linha reta. Na Fig. 9 observa-se a curva hidráulica da bomba da elevatória EE 01, na coluna correspondente ao 125-150 e “linha” 6. Atualmente, na ETA, esta funciona com um caudal de 125 m3/h para uma altura de 160 m. Pelo gráfico deveria ser capaz de bombear cerca de 140 m3/h, mas considerando as perdas e carga associadas a uma altura tão elevada pode-se afirmar que esta bomba está a funcionar dentro da normalidade e com uma eficiência aceitável. Relativamente às bombas da marca Vogel, ambas situadas na ETA, não há acesso às respetivas curvas hidráulicas por se tratarem de bombas antigas, mas considera-se que o ponto apresentado na Fig. 4 (Q; H) corresponde ao ponto de funcionamento ótimo da bomba isto porque, contrariamente às restantes, este não pode ser o ponto mínimo pois elevam um caudal inferior ao apresentado. Qualquer que seja a curva hidráulica da bomba, estas não estarão a funcionar de acordo com a mesma pois bombeiam menos caudal para uma altura inferior quando comparado com o ponto ótimo. Por isso será um caso de estudo pois estas podem-se encontrar gastas ou com fugas associadas. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 23 Figura 8: Curva hidráulica correspondente ao bombeamento de RQ 10 Figura 9: Curva hidráulica correspondente ao bombeamento de EE 01, coluna 125-150, linha 6 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 24 3.2. Análise energética dos reservatórios São efetuadas algumas análises gráficas (Fig. 10, 11 e 12) destacando-se o estudo da energia por reservatório, do custo por reservatório, do custo específico (€/kWh) por reservatório, do estudo do bombeamento de RQ15 na medida em que este tem a restrição de só poder ser acionado no período diurno e se compensa em termos económicos modificar a infraestrutura para efetuar menos ruído e assim poder operar no período mais barato. Estas análises são importantes para descobrir o “foco” do gasto energético de forma a ser mais preciso. Como se observa pelo gráfico o maior encargo económico encontra-se na ETA, quer através da captação, quer pela elevatória até ao RQ01. Destacar que o RQ10, RQ17 e EE02 não apresentam tarifa tetra horária e os seus consumos energéticos são “mínimos” por isso, a nível de cálculos, não é dado tanta importância. Figura 10: Comparação da energia gasta por sistema de bombeamento durante cada mês Neste gráfico é fácil identificar os que apresentam tarifa simples, tendo por isso um preço por kWh bastante superior aos restantes (RQ10 e RQ17). Quanto aos restantes, pode afirmar-se que, o sistema tarifário está a ser usado devidamente pois apresenta um custo por kWh abaixo de 0,1, em média, o que significa que está a ser aproveitado o período mais barato. 0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000 45 000 out nov dez kWh RQ01 eta EE01 RQ10 RQ15 RQ17 EE02 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 25 Figura 11: Comparação do custo por kWh de cada sistema de bombeamento Figura 12: Comparação da utilização de cada tarifa energética de cada sistema de bombeamento Este gráfico é importante para se ter uma noção de onde aplicar a otimização do sistema, isto porque devemos atuar onde está a ser gasta mais energia no período do dia mais caro. No RQ15 é compreensível, pois não se pode bombear água de noite devido ao facto de estar inserido numa zona habitacional e efetuar muito ruído, devendo-se por isso analisar se o custo de alterar a infraestrutura de modo a torná-la menos ruidosa, compensa a nível monetário. Assim resta apenas a ETA, que é a que utiliza mais energia no período de cheia e ponta sendo por isso o foco de toda a situação. Verifica-se que, no geral, o funcionamento da ETA está, consideravelmente, otimizado, mas há um desaproveitamento claro do período de Vazio, deslocando-se muitas destas horas para os períodos mais caros (cheia e 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 out nov dez €/kWh rq01 eta ee01 rq10 rq15 rq17 ee02 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 super vazio vazio cheia ponta percentagem de utilização de cada tarifa energética (%) rq01 eta ee01 rq15 ee02 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 26 ponta), principalmente ao nível da captação e elevação para RQ 01, provando-se mais abaixo na programação. Contrariamente a estes reservatórios, deve-se destacar, pela positiva, o funcionamento do bombeamento de RQ 01 e de EE 01 pois estes têm aproveitamento, praticamente máximo, do período mais barato. 3.2.1. Caracterização energética As condições de operação, os indicadores de performance e as oportunidades de melhoramento foram todas devidamente determinadas. Adicionalmente, foram efetuadas visitas à ETA da Queimadela e a alguns dos reservatórios que constituem o sistema. Com base nestas visitas e na informação disponibilizada, é possível rever os métodos de operação e os custos associados à mesma. O subsistema da Queimadela que eleva água para os pontos de entrega identificados na Tabela 6 tem um consumo energético distribuído da seguinte forma: Tabela 6: Consumo elétrico anual por infraestrutura Infraestrutura Consumo elétrico anual (kWh) ETA 745 085 RQ 01 114 432 RQ 10 1 480 RQ 15 237 980 RQ 17 3 988 EE 01 195 581 EE 02 16 576 O maior consumo de energia localiza-se na ETA da Queimadela, quer na captação quer na elevação para RQ 01, e na estação elevatória RQ 15. Relativamente ao custo energético, este subsistema tem uma faturação anual estimada em cerca de 130 632 € (com base no novo contrato com a Endesa). 3.3. Nível de operação dos reservatórios Para a determinação das horas de acionamento das bombas é necessário ter um conhecimento da capacidade de reserva dos reservatórios. Como tal, um inventário dos níveis de operação dos reservatórios, bem como a sua capacidade máxima, Tabelas 7 e 8, foi elaborado, sendo que muitos deles apresentam altimétricas que não permitem que o nível dos reservatórios ultrapasse esse ponto. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 27 Uma das formas possíveis para melhorar a operação bom base nos níveis do reservatório passa pela criação de mais tarifários nos SCADA, i.e., ao longo do dia temos três (inverno) ou dois (verão) intervalos com tarifários em Cheio, visto que o consumo de água varia durante o dia. Desta forma, é possível adotar novos níveis de operação consoante as necessidades de água ao longo do dia. O mesmo acontece para o tarifário de Ponta nos meses de inverno. Desta forma, encontrar o melhor nível de operação é possível através da implementação de soluções capazes de prever os melhores níveis de operação diários, com base na previsão dos consumos de água para esse dia ou através de uma operação dinâmica com ordens diárias de operação de ligar/desligar as bombas e válvulas. Tabela 7: Capacidade máxima e nº de células de cada reservatório Reservatório Volume (m3) nº de células Eta 560 2 RQ 01 1500 2 RQ02 600 2 RQ04 850 1 RQ05 2000 2 RQ06 250 1 RQ07 300 2 RQ08 200 2 RQ09 500 2 RQ10 1000 2 RQ11 200 2 RQ12 500 2 RQ13 500 2 RQ14 1000 2 RQ15 500 2 RQ16 400 2 RQ17 200 2 RQ18 300 2 RQ20 1000 2 RQ21 800 2 RQ22 230 1 RQZI 330 1 EE01 500 2 EE02 200 2 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 28 Tabela 8: Nível de operação dos reservatórios do Subsistema Queimadela Localização Nível mínimo (%) Nível máximo (%) RQ 01 60 98 RQ 02 Constante a 80 RQ 04 Constante a 50 RQ 05 Constante a 33 RQ 06 Constante a 80 RQ 07 25 30 RQ08 40 90 RQ09 20 60 RQ 10 Acima de 40 RQ 11 30 50 RQ 12 65 75 RQ 13 55 60 RQ 14 20 50 RQ 15 30 98 RQ 16 25 33 RQ 17 40 90 RQ 18 25 50 RQ 20 Acima de 50 RQ 21 45 52 RQ 22 77 82 RQ ZI Acima de 90 EE Q01 Acima de 70 EE Q02 Acima de 75 3.4. Modulação virtual em EPANET por parte da SCUBIC Após efetuadas todas as análises de energia e equipamentos prossegue-se para o desenvolvimento do projeto propriamente dito. Durante esta fase de dimensionamento e gestão de um sistema de abastecimento de água, o uso de ferramentas de modulação, que permitam a simulação do seu funcionamento com base em parâmetros pré-definidos, tem provado ser uma mais valia a qualquer gestor ou responsável de operação. Um dos programas de computador mais usados por empresas de abastecimento de água em todo o mundo é o EPANET. Desta forma, é possível simular os diferentes cenários de operação, de modo a encontrar a melhor ordem de operação com o menor custo. Este software foi desenvolvido pela Agência Norte-Americana de Proteção Ambiental e tem a capacidade de analisar um número ilimitado de reservatórios e bombas. Permite a realização de uma simulação prolongada do desempenho hidráulico e da qualidade da água em redes pressurizadas. Uma rede consiste em tubos, nós, bombas, válvulas e reservatórios. O EPANET rastreia o fluxo de água em cada tubo, a pressão em cada nó, a altura da água em cada reservatório e a concentração de uma Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 29 espécie química em toda a rede. É projetado para ser uma ferramenta de pesquisa para melhorar a compreensão do movimento e destino dos constituintes da água potável dentro de sistemas de distribuição. Pode ser usado para muitos tipos diferentes de aplicações na análise de sistemas de distribuição. O projeto é composto por 5 módulos, o primeiro, e mais demorado, é a previsão de consumo, o segundo consiste na simulação hidráulica, ou seja, apenas se corre o algoritmo da SCUBIC e este através de iterações chegará ao resultado ótimo, depois passa-se para a avaliação do sistema, no quarto ponto analisa-se as perdas por fugas e no quinto e último ponto, completa-se a otimização (ISQ, 2017). É importante realçar o procedimento da primeira etapa, pois é a mais demorada e a que contém mais informação do sistema. Inicialmente faz-se um esboço do mapa da rede em EPANET, Fig.13, onde se colocam os reservatórios, a ETA, as bombas e a descrição de todos os troços adutores envolvidos no transporte e distribuição de água. Segue-se com a descrição das características de cada infraestrutura, como o tipo de material das tubagens, diâmetro, cotas e volume dos reservatórios, potência, modelo, altura manométrica e o caudal das bombas, perdas de carga, sendo este parâmetro extremamente importante na calibração do modelo pois, por vezes, os consumos podem não coincidir com o histórico e isto deve-se a variadas formas e perdas de carga. A modelação de sistemas de distribuição de água visa criar uma idealização virtual da rede real, simulando e analisando adequadamente a rede, nós, reservatórios, bombas, tipologia do terreno. Como referido, antes de ligar todos estes componentes, e compreendendo as necessidades de água e restrições físicas do sistema, a dimensão do problema, em termos de número de variáveis, pode tornar-se extremamente complexa. O objetivo é que as simulações hidráulicas reproduzam a melhor aproximação possível do comportamento real do sistema estudado. Para modelar o sistema de água, o simulador hidráulico EPANET 2.0 é utilizado pela sua versatilidade, pois é um programa de domínio público e amplamente testado pela comunidade científica. Resumindo, os principais dados a implementar no EPANET 2.0 são: • Estrutura da rede (características de bombas, tubagens, nós, junções, reservatórios e topografia do terreno); • Restrições hidráulicas; • Tarifa de eletricidade; • Previsões de consumo de água e condições iniciais dos tanques; Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 36 Figura 28: Evolução do nível de RQ 14 Com base nas simulações operacionais já efetuadas, pode-se afirmar que a adoção das sugestões acima descritas assim como a utilização da plataforma analítica SCUBIC será possível reduzir os custos operacionais entre 1,3 a 2% correspondente a uma poupança máxima de 2 600 euros, aproximadamente. 3.5. Análise do “caso” RQ 15 Como visto previamente a elevação de água por parte do RQ 15 só pode ser efetuada no período diurno, mais especificamente, à tarde. Para tal é importante verificar se alterações na infraestrutura de forma a torná-la mais silenciosa compensa para que este possa ser ligado no período noturno. Após efetuada a análise (Tabela 9) pode-se afirmar que a poupança anual será na ordem dos 11 000 euros trazendo um elevado benefício económico. Assim, a empresa deve optar o quanto antes pela melhoria desta infraestrutura sendo esta o maior consumidor de energia do sistema logo após a ETA. Tabela 9: Diferença de custo de operação do RQ 15 comparando o seu funcionamento no período da tarde com o seu funcionamento no período noturno Tarde Noite poupança (€) RQ 15 verão (€) inverno (€) Total (€) verão (€) inverno (€) Total (€) 11 092 dias uteis 90,95 67,6 25639 55,04 22,74 14547 sábados 72,4 35,06 56,69 39,59 domingos 64,48 34,08 37,06 29,54 feriados 64,48 34,08 64,48 34,08 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 37 3.6. Programação linear implementada em Excel Para efeitos de análise e comparação de resultados optou-se por fazer a minimização da função objetivo por programação linear implementada em Excel. Assim será possível comparar o sistema de acionamento das bombas com dois tipos de programação, a linear e a dinâmica, sendo expectável que a última seja a mais vantajosa em termos energéticos. A programação foi dividida em oito partes, isto porque as tarifas de energia são diferentes para os dias úteis, sábados, domingos e feriados variando também do horário de inverno para o de verão. Considera-se uma média dos caudais de consumo e de distribuição diários sendo que para a obtenção desta previsão de consumo recorre-se ao histórico. Apesar de não corresponder à realidade num certo ponto do dia, ao fim do dia o erro irá ser diminuto, sendo, por isso, estas previsões para 24 horas. Apenas se considera os reservatórios afetados por ação de bombeamento pois os restantes apresentam um custo bastante reduzido, apenas o custo de funcionamento/manutenção do reservatório, ou seja, apenas se considera a ETA, os reservatórios, RQ 01, RQ 10, RQ 15 e RQ 17, e as elevatórias, EE 01 e EE 02. Importante realçar que todos os sistemas de bombeamento são constituídos por duas bombas, mas apenas se considera o funcionamento com uma bomba ficando a outra de reserva caso surja algum imprevisto. Poderia surgir a dúvida, compensa mais usar as duas bombas em super vazio/vazio ou apenas uma ao longo dos períodos? Mas após análise, não compensa, pois as duas em super vazio sai mais caro do que uma a funcionar em cheia. Para além do facto de que, caso seja necessário usar as duas tem de ser adquirida uma terceira bomba em caso de falha/emergência. Outro aspeto que se deve ter em atenção na programação é, não deixar as bombas muito tempo paradas, isto porque, em alguns reservatórios consegue-se encher totalmente num dia e este ficar com água para abastecer durante vários dias, mas desta forma, apresenta atenuantes. Em termos energéticos é bastante vantajoso, mas o elevado tempo de paragem das bombas traz certas consequências como, a falta de circulação de água nas tubagens leva ao desenvolvimento de biofilme, ou mesmo, a perda de qualidade da mesma podendo levar a perigos à saúde pública. Inicia-se a programação com a extração dos dados provenientes do histórico de consumo, no geral, são todos retirados do High-Leight, software semelhante ao SCADA que fornece os caudais pretendidos. Aqueles que o programa não fornece, ou por avaria ou porque não existe sensor de leitura são efetuados por balanços volúmicos para a sua determinação, como é o caso, do caudal de entrada da elevatória EE01, pois é conhecido o caudal de saída de RQ01 e este tem três saídas, uma para RQ02, outra para Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 38 RQZI e a última para EE01. Visto que o nível de RQ02 e RQZI se mantém constante e é conhecido o caudal de saída dos reservatórios facilmente se determina o caudal de entrada de EE01, e o mesmo acontece noutros casos. Para a construção da função objetivo necessitamos especificar as diferentes tarifas para as diferentes horas do dia. A função objetivo consiste na minimização do custo de acionamento das bombas, tendo em consideração. Assim, a função objetivo corresponde à seguinte representação: 𝐹.𝑂.= 𝑃∑∑𝑡𝑖𝑇𝑗 4 𝑗 28 𝑖 em que i índice correspondente à divisão de 24 horas em 28 períodos conforme Tabela 10; j índice correspondente aos 4 tarifários (Tabela 1). Tabela 10: Correspondência da divisão de 24 horas em diferentes períodos de tarifário i Período (h) i Período (h) i Período (h) i Período (h) 1 0-1 8 7-8 15 12-12,25 22 18-18,5 2 1-2 9 8-9 16 12,25-13 23 18,5-19 3 2-3 10 9-9,25 17 13-14 24 19-20 4 3-4 11 9,25-9,5 18 14-15 25 20-21 5 4-5 12 9,5-10 19 15-16 26 21-22 6 5-6 13 10-11 20 16-17 27 22-23 7 6-7 14 11-12 21 17-18 28 23-24 Sujeita às seguintes restrições: 𝑉𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑉𝑥≤ 𝑉𝑚𝑎𝑥 𝑉𝑥=𝑉𝑎+𝑄𝑒𝑛−𝑄𝑠∑𝑡𝑖 28 𝑖 𝑄𝑒×24−𝑄𝑠∑𝑡𝑖 28 𝑖= 0 em que Q e Caudal de entrada; Q s Caudal de saída; n Hora do dia; Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 39 V x Volume instantâneo do reservatório x; V min Volume mínimo; V max Volume máximo; V a Volume atual. Posteriormente é necessário impor diversas restrições como limites dos níveis dos reservatórios, isto é, volume máximo e mínimo de cada reservatório sendo o limite mínimo cerca de 20 % do volume total e o limite máximo o volume total no geral havendo exceções pois alguns reservatórios apresentam altimétricas que mantêm o nível do reservatório constante, balanços de massa para que o volume que entra num reservatório seja igual ao volume que saia após 24 horas, ficando o nível do mesmo igual no fim de cada dia, restrições associadas ao tempo de bombeamento em cada período do tetra horário, etc. Numa etapa seguinte é simplificada a programação passando a coexistir todos os dados num só ficheiro de fácil leitura e de fácil acessibilidade a alterações futuras, como os caudais de saída ou mesmo, possíveis alterações de bombas. Para tal, otimiza-se por Visual Basic for Applications (VBA), programando macros no ficheiro. Aqui, considera-se uma folha principal que tem o algoritmo propriamente dito e as variáveis de decisão, sendo o restante colocado em folhas auxiliares. No final é apresentada uma folha de cálculo simples como se pode observar pela Fig. 29, em que permite a seleção da estação do ano que se pretende e o respetivo dia, depois corre-se a macro e esta altera o quadro em que estão presentes as cinco bombas com período tetra-horário e o número de horas que estas têm de estar ligadas em cada período horário. O solver irá arbitrar da melhor maneira minimizando os custos e cumprindo os requisitos para satisfazer as necessidades de consumo e de distribuição. As variáveis a arbitrar são os caudais de saída das bombas bem como o tempo a que estas estão ligadas. De notar que apenas se considera o custo de funcionamento das bombas, não se considerando o custo de acionamento das mesmas. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 40 Figura 29: Exemplo do algoritmo em Excel aplicado no Subsistema Queimadela para dias úteis no inverno A Tabela 11 apresenta os custos energéticos da empresa atualmente (apenas se consideram os custos de bombeamento para efeitos de comparação). Pode-se observar que a empresa gasta 130 633 euros por ano em energia nas elevatórias por isso o objetivo é, com a programação não linear, reduzir este valor e com a programação dinâmica, efetuada pela SCUBIC, apresentar os valores mais baixos possíveis. Tabela 11: Custos anuais de cada infraestrutura do Subsistema Queimadela Designação Custo anual (€) RQ 01 10 616 RQ 15 25 520 RQ 10 436 RQ 17 1 000 EE 01 17 704 EE 02 2 610 ETA 72 747 Total 130 633 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 41 3.7. Resultados Na Tabela 12 apresenta-se os valores calculados de custo anula para cada reservatório. Tabela 12: Custos anuais por infraestrutura após o algoritmo em Excel Reservatório Custo anual (€) ETA cap 34 151 ETA ele 37 777 RQ 01 9 873, 93 RQ 10 438 RQ 15 21 660,04 RQ 17 1 000 EE 01 16 739, 80 EE 02 2 628 Constata-se que há uma poupança na generalidade das bombas acentuando-se sobretudo no RQ 15, de cerca de 4 000 euros. Não acontece o que estava inicialmente previsto que seria a poupança ao nível da ETA e assim pode-se constatar que nesta infraestrutura, atualmente, as bombas estão a operar devidamente. Nos restantes reservatórios a poupança acumulada foi de, aproximadamente, 2 000 euros. Isto deve-se, sobretudo, à deslocação das horas de ponta e algumas de cheia para o período de vazio pois está a ser mal aproveitado. Antes, o acionamento das bombas, não era constante e isso leva a que os reservatórios, por vezes, cheguem ao final do dia praticamente cheios e, assim, desperdiçando as horas iniciais de cada dia onde a energia é mais económica. Após a programação o acionamento é constante e os reservatórios chegam ao final do dia praticamente no nível mínimo usando o período dos tarifários mais caros apenas excecionalmente e quando necessário, como é o caso da captação pois a sua capacidade de reserva é muito curta para as necessidades do sistema. Deve-se realçar o facto que, não houve grande poupança ao nível da ETA muito devido aos caudais considerados pois, ao fim do ano, a empresa registou cerca de 1 751 934 m3 de água captada enquanto o algoritmo registou 1 943 700 m3, ou seja, o algoritmo, com o mesmo custo associado permite captar mais 200 000 m3 de água, aproximadamente. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 42 Na Tabela 13 apresentam-se os custos de energia obtidos através da otimização correspondentes a cada dia do ano. Tabela 13: Custos associados aos dias de inverno e verão Período Custo diário (€) Inverno Verão Dias uteis 267,21 440,33 Sábados 265,13 375,64 Domingos 259,43 358,50 Feriados 268,28 365,88 Totalinverno (6 meses) = 48 383,35 Euros Totalverão (6 meses) = 76 249,72 Euros Total anual = 124 633,07 Euros Poupança = 130 633 – 124 633 = 6 000 €/ano Problemas associados a este tipo de programação: • Considerando que, nos reservatórios que não apresentem sistemas de bombeamento, isto é, aqueles em que a água entra por ação gravítica, a quantidade de água de entrada é igual à de saída, o que poderá ser falso principalmente naqueles sucedem reservatórios que apresentem tarifa tetra-horária, isto porque, nos de tarifa simples podem distribuir água quando necessário pois o preço energético será o mesmo a qualquer hora do dia. • Ao fim de 24 horas os reservatórios devem apresentar-se no mesmo nível que no dia anterior e, isto, por vezes não acontece, pois, a taxa de consumo varia de dia para dia tendo de ser efetuadas as iterações novamente. • Não considera alterações do clima, ou seja, não considera nem o excesso de água em dias chuvosos nem a seca em dias de muito calor. Ideias para obter uma melhor precisão de resultados: • Reduzir o tempo de previsão, ou seja, em vez de considerar uma previsão diária fazer de 8 em 8 horas, isto porque, a distribuição ocorre principalmente no período noturno e o consumo no período diurno. • Melhorar a eficiência das bombas principalmente da elevatória para RQ 01. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 43 • O ideal seria dia após dia alterar os caudais de consumo pois, estes valores são modificados, conforme o dia da semana, o clima, etc. • Períodos curtos entre elevações - Será que compensa desligar as bombas? • Bomba menos potente na EE 01 ou mesmo na captação pois pode bombear mais tempo no período mais barato e a potência usada é menor logo existe mais poupança energética. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 44 4. TRABALHO DESENVOLVIDO - SUBSISTEMA DE AREIAS DE VILAR Após efetuada a elaboração do algoritmo e da análise do Subsistema de Queimadela é efetuado, de forma semelhante, um estudo em três zonas do sistema de Areias de Vilar, sendo elas, o troço de Burgães (Santo Tirso), Cerite (Famalicão) e Lemenhe (arredores de Famalicão). Estes três troços não são selecionados aleatoriamente, apresentando todos as suas particularidades e desafios, sendo, por isso, necessário efetuar alterações ao algoritmo. 4.1.1. Troço de Burgães Este troço, apresentado na Fig. 30, afeta as zonas de Burgães, Rebordões, Vila das Aves, Negrelos, Roriz, S. Martinho do Campo, S. Pedro e Vilarinho e consideram seis elevatórias em tetra-horário, ou seja, o sistema é mais pequeno que o anterior, mas apresenta mais variáveis de decisão, aumentandose assim o desafio. Neste caso, existem mais restrições ao nível dos volumes pois o mínimo permitido em cada reservatório não é de 20% como em Queimadela, variando de reservatório para reservatório. De notar que o reservatório de Vila das Aves possui altimétrica logo o nível do mesmo irá manter-se constante durante todo o período, salvo alguma avaria. O sistema distribui, aproximadamente, 1300 m3/d variando conforme o dia da semana e altura do ano. Figura 30: Mapa corresponde ao troço de Burgães O sistema adutor do respetivo troço é especificado na Fig. 31, onde se pode observar a complexidade do sistema. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 45 Figura 31: Distribuição do troço de Burgães Os dados dos caudais necessários para aplicar o algoritmo são retirados do SCADA sendo que, para dois deles é necessário o seu cálculo por balanços mássicos, quer o caudal de entrada de S. Marinho, quer o caudal de Vila das Aves. Os dados fornecidos pelo software são, o caudal de distribuição de Burgães, caudal de adução de Burgães, caudais de distribuição de Rebordões, Roriz, Negrelos, S. Pedro, Vilarinho, Vila das Aves e S. Martinho. Como se pode observar, para obter os dados relativos aos caudais de entrada nos reservatórios de Vila das Aves e S. Martinho é muito simples. Começa-se pelo de Vila das Aves, pois, como se sabe que o nível do reservatório é constante e há dados relativos aos caudais de bombeamento bem como o de distribuição, se consegue determinar o caudal de entrada. Posteriormente, para a determinação do caudal de S. Martinho, como se tem conhecimento do caudal de adução à saída de Burgães e este “alimenta” cinco saídas distintas sendo quatro delas conhecidas, através de um balanço simples obtém-se o caudal de entrada pretendido. Destacar que estas elevatórias não possuem reservatórios como a EE01 e EE02 situadas em Queimadela logo não têm capacidade de armazenar água, tendo por isso de se efetuar alterações na folha de cálculo. É importante não haver grandes variações nos níveis dos reservatórios. Como se está a operar apenas com um troço, não se pode ter a certeza que irá afetar o restante sistema de Areias de Vilar sendo, para tal, necessário mais tempo para os devidos cálculos. Ele.Burgães Burgães Ele. Rebordões Rebordões Dist. Vila das Aves Dist.elevatória Sobrado Ele. S. Martinho Roriz Dist. S.Martinho Ele. Negrelos Negrelos Dist. Dist. Ele. S. Pedro S.Pedro Dist. Vilarinho Dist. Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 52 6. BIBLIOGRAFIA Andrês, Daniel (2016) Otimização energética de um sistema de abastecimento de água, Análise de um caso prático da Águas do Norte . Tese de Mestrado em Engenharia Civil. Faculdade de Engenharia – Universidade do Porto. 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ANEXO - BALANÇOS VOLÚMICOS AOS RESERVATÓRIOS Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 54 Estudo para otimização energética do Subsistema de Queimadela 55