pedro leite; pedro.leite@noraqua.pt potencial de otimizaÇÃo energÉtica de sistemas elevatÓrios...

Pedro Leite; pedro.leite@noraqua.pt

POTENCIAL DE OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA DE SISTEMAS ELEVATÓRIOS DE ÁGUAS RESIDUAIS

Fernando Ferreira; ferreira@aguasgaia.pt

Luís Tentúgal Valente; luisvalente@noraqua.pt

Eduardo Vivas; eduardo.vivas@smartive.net

Enquadramento

Em sistemas de drenagem de águas residuais a eficiência energética dependerá da capacidade de adaptação do sistema às reais necessidades de bombeamento.

2005 2006 2007 2008 2009 2010 20110.06

0.07

0.08

0.09

0.10

Custo Energia - Consumidores Industriais

Cu

sto

de

eléc

tric

idad

e (€

/kW

h)

EUROSTAT (2012) US-DOE et al (2001)

Crescimento do custo de energia (€/kWh)

Importância dos custos de energia Sistemas Elevatórios

Enquadramento

Acima do valor indicativo de

sustentabilidade (0,33 kWh/m3)

Indicador de sustentabilidade ambiental [kWh/m3 de água facturada]

Acima do valor indicativo de sustentabilidade

(0,44 kWh/m3)

Dados RASARP 2010 (ERSAR, 2011)

AR19a – Utilização dos recursos energéticos (kWh/m3) SECTOR EM ALTA

AR19b – Utilização dos recursos energéticos (kWh/m3) SECTOR EM BAIXA

Otimização energética

0,009 €/m3

0,006 €/m3 (-33%)

0,005 €/m3 (-45%)

EER = 67 %

EER = 80 %

EER = 82 %

Custo de bombagem

EER (Energy Efficiency Rating) = H man. teórica x Q afluente x 100 H man. real x Q bombeado

Energia Específica = Energia Consumida (kWh/m3) Volume bombeado

EER (Energy Efficiency Rating)

Avaliação por indicadores específica

Otimização energética

SISTEMA CONTROLADO PELAS PERDAS DE CARGA

SISTEMA CONTROLADO PELO DESNÍVEL GEOMÉTRICO

EER (Energy Efficiency Rating) = H man. teórica x Q afluente x 100 H man. real x Q bombeado

Energia Específica (Es) = Energia Consumida (kWh/m3) Volume bombeado

Avaliação por indicadores específica

EERES

EERES

PUMP 3EPump Energy Efficiency Evaluation

Módulo de selecção dos grupos electrobomba

EER (Energy Efficiency Rating) = H man. teórica x Q afluente x 100 H man. real x Q

bombeado

Energia específica (kWh/m3)

Definição de cenários de caudais afluentes

Identificação de possíveis soluções de eficiência energética

Avaliação de soluções segundo dois parâmetros de eficiência energética:

Simulação de funcionamento contínuo do sistema elevatório (intervalos de 60s)

Selecção e caracterização do(s) grupo(s) electrobomba

Critérios de avaliação

Parâmetros para seleção dos sistemas elevatórios que iriam ser alvo de uma avaliação energética específica:

Fator hidráulico do sistema

Relação entre o caudal máximo e o caudal médio

Energia específica mensal

Número de horas de funcionamento mensal dos grupos

EE Espírito Santo

EE Afurada

EE Valadares

Caso de estudo de otimização energética

Espírito Santo Afurada Valadares

Conduta elevatória

FFD DN700 (L = 3.562 m) FFD DN700 (L = 1.878 m) FFD DN500 (L = 430 m)

Grupo electrobomba

ABS AFP 3502 ME 1100/6 (2+1) ABS AFP 2001 ME 750/4 (3+1) ABS AFP 2001 ME 750/4 (2+1)

Ponto de funcionamento

Q = 420 l/s Q = 161 l/s Q = 246 l/s

Hman = 22,7 mca Hman = 21,5 mca Hman = 12,9 mca

Pot = 175 kW Pot = 41 kW Pot = 33 kW

Caso de estudo de otimização energética

Análise do funcionamento atual

O caudal de bombagem mínimo é aproximadamente 4 vezes superior ao caudal

médio afluente

Medição de caudal feita no coletor a montante da câmara de visita de entrada.  

• Caudal máximo registado de cerca de 215 l/s e mínimo ligeiramente superior aos 25l/s;

• Valor mediano situa-se nos 110 l/s;• Os valores de caudal superior a 150 l/s têm frequência de ocorrência

ligeiramente superior a 5%.

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Cau

dal (

l/s)

Horas

Curva de caudais classificados (tempo seco)

EE Espírito Santo

Q BOMB = 483 l/s

Caso de estudo de otimização energéticaAnálise do funcionamento atual

EE AfuradaEE Valadares

78 l/s

60 l/s

25 l/s

107 l/s

82 l/s

6,4 l/s

O caudal de bombagem é aproximadamente igual ao caudal médio afluente

Q BOMB = 67 l/s(GE Nº2 /GE Nº3)

Q BOMB = 84 l/s(GE Nº2 /GE Nº3)

Caso de estudo de otimização energéticaAnálise do tempos de funcionamento e do número de arranques

Estação Elevatória Tempo de funcionamento diário (h)

Nº arranques/h

Tempo médio de funcionamento (min)

Espírito Santo 7,40 (31%) 8,0 2,32

Valadares 22,23 (93%) 7,3 7,58

Afurada 19,06 (79%) 4,2 8,23

• No período de arranque os grupos registaram valores de rendimento de, apenas, 15%.

• O consumo de energia no arranque, é de, aproximadamente, 30% do consumo total.

O volume do poço de bombagem não é ajustado à capacidade de bombagem do sistema, com um consequente

aumento do consumo de energia

Os grupos electrobomba apresentam um funcionamento praticamente contínuo, sem implicações directas no consumo

de energia

Caso de estudo de otimização energética

Análise do ponto de funcionamento

• EE Espírito Santo = 2,9% (77,9% → 75,0%)

EE ValadaresEE AfuradaEE Espírito Santo

A redução do rendimento global no ponto de funcionamento, por sistema:

• EE Valadares = 38,8% (76,8% → 38,0%)

• EE Afurada = 44,8% (76,3% → 31,5%)

Δ ES = - 46%Δ ES = - 55%

Caso de estudo de otimização energética

Análise do consumo energético anual

Custo energético para o período de Março de 2011 a Fevereiro de 2012

Nota:

O custo médio de energia mensal varia entre aproximadamente 2200€ e 3300€.

EquipamentoValor Faturado

Médio mensal Total anual

Espírito Santo 3.111,96€ 37.344,50€

Afurada 3.282,88€ 39.394,52€

Valadares 2.197,07€ 26.364,80€

Caso de estudo de otimização energéticaVariadores de velocidade

• Redução do custo de energia é possível até à frequência de 40Hz (788 rpm).

• Não permite redução significativa do número de arranques;

Redução do consumo de energia diário será no máx. 15%.

↓O período de retorno é inferior a 21 meses

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0% 20% 40% 60% 80% 100%

Caud

al (l

/s)

Horas

Q = 125 l/sHman = 9.7 mcaη = 78%

Curva de caudais classificados (tempo seco)

Instalação de uma bomba de menor capacidade

• Redução do nº de arranques dos grupos de maior potência;

• Possibilitaria dispensar a utilização dos grupos eletrobomba atuais em, aproximadamente, 75% do período em análise;

A redução do consumo de energia diário pode atingir 40%.

↓Período de retorno de 8 meses.

EE Espírito Santo

Caso de estudo de otimização energética

2 3 4 5 6 7 8

-20%

-15%

-10%

-5%

0%

Período de substituição do impulsor (Anos)

Var

iaçã

o do

cus

to t

otal

Análise da degradação da eficiência dos impulsores

REDUÇÃO LINEAR DA EFICIÊNCIA DO IMPULSOR

REDUÇÃO BILINEAR DA EFICIÊNCIA DO IMPULSOR

2 3 4 5 6 7 8

-10%

-5%

0%

5%

Período de substituição do impulsor (Anos)

Var

iaçã

o do

cus

to t

otal

17% - 1º ano

10% - 1º ano

EE Valadares

2 3 4 5 6 7 8

-20%

-10%

0%

10%

20%

Período de substituição do impulsor (Anos)

Var

iaçã

o do

cus

to t

otal

40% - 1º ano

10% - 1º ano

REDUÇÃO TRI-LINEAR DA EFICIÊNCIA DO IMPULSOR

Δ ES = - 46%Δ ES - 20%

Principais conclusões

• A EE de Espírito Santo é eficaz na bombagem de caudais afluentes elevados associados a eventos de precipitação.

• Apresenta ineficiências na resposta à variação de caudal afluente e associado ao tempo de arranque dos grupos.

• No que toca às soluções de otimização, a instalação de uma bomba de pequena capacidade apresenta maiores vantagens exclusivamente do ponto de vista da eficiência energética.

• As vantagens de aplicação dos variadores de velocidade de forma isolada são limitadas.

EE Espírito Santo

Principais conclusões

• As estações elevatórias de Valadares e Afurada apresentam um desgaste significativo dos impulsores, implicando um aumento dos custos energéticos.

• A substituição dos impulsores significa uma redução dos custos energéticos imediata de 46% no caso da EE de Valadares e 55% na EE da Afurada.

• Incorporando a lei de desgaste dos impulsores e os custos de operação e manutenção, a poupança ao longo do ciclo de vida, associada à substituição periódica dos impulsores, será no máximo de 20%.

• O desgaste acentuado do impulsor no período inicial da sua utilização pode inviabilizar a redução dos custos energéticos .

Valadares e Afurada