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OPTIMIZAO ENERGTICA NO DIMENSIONAMENTO DE SISTEMAS ELEVATRIOS DE GUAS RESIDUAIS

Pedro LEITE

Eng. Civil, Smartive, Lda, Rua Antnio Arroio 46, 4150-071, Porto, pedro.leite@smartive.net

Eduardo VIVAS

Eng. Civil, Smartive, Lda, Rua Antnio Arroio 46, 4150-071, Porto, eduardo.vivas@smartive.net

Paulo MONTEIRO

Professor Auxiliar FEUP, Rua Dr. Roberto Frias s/n, 4200 465, Porto, psm@fe.up.pt

Lus TENTGAL VALENTE

Eng. Civil, Noraqua, Lda, Rua de Monte Cativo 313, 4050 402, Porto, luisvalente@noraqua.pt

RESUMO

Em sistemas elevatrios de guas residuais, caracterizados por variao relevante do caudal afluente, o consumo de energia depender da capacidade de adaptao do sistema s necessidades de bombagem.

No paradigma actual, a base de dimensionamento focada no investimento inicial e na capacidade mxima de bombagem do sistema, desprezando o comportamento dirio do sistema e os encargos energticos. Assim, um dimensionamento focado na optimizao energtica, promovendo a simulao do comportamento dirio do sistema e comparao de alternativas segundo os custos totais do ciclo de vida, resultar numa optimizao das solues e consequente diminuio dos custos energticos.

Para anlise do comportamento energtico destes sistemas apresentada uma metodologia de avaliao e dimensionamento global, assente numa ferramenta informtica, abrangente e flexvel, que permite a simulao do sistema, face a diversos cenrios de caudais afluentes e de configurao do mesmo. Vrias opes podem ser consideradas, tais como o escalonamento da capacidade de bombeamento, por recurso a vrios conjuntos de grupos electrobomba, para resposta mais eficaz a variaes significativas de caudal afluente, ou a instalao de grupos de pequena capacidade para bombeamento em perodos de afluncia reduzida. Estas solues podero levar a redues significativas de perdas de carga e optimizao global dos pontos de funcionamento.

No presente trabalho demonstra-se como essa optimizao pode conduzir a redues significativas dos custos de energia no ciclo de vida dos sistemas (cerca de 30%), com consequente diminuio das emisses de gases de efeitos de estufa associadas e com baixos custos de investimento inicial.

Palavras chave: Eficincia energtica, metodologia de avaliao, custos de ciclo de vida

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1. INTRODUO

A eficincia energtica de um sistema elevatrio de caudal afluente aproximadamente constante ir depender, principalmente, da escolha adequada do grupo electrobomba e a consequente optimizao do ponto de funcionamento do sistema. Porm, em situaes em que se verifica uma variao relevante desse caudal afluente, como o caso dos sistemas de drenagem de guas residuais, a eficincia energtica depender, sobretudo, da capacidade de adaptao do sistema s necessidades de bombeamento. De facto, a elevao de um caudal acima do necessrio implica, directamente, um maior consumo energtico por acarretar um aumento das perdas de carga ao longo da conduta elevatria e um afastamento do ponto de funcionamento ptimo, com consequncias claras ao nivel dos custos de energia e da prpria manuteno dos grupos elevatrios (HI&PSM, 2008).

Devido sua ampla utilizao, mas tambm s funes fundamentais que asseguram, aos sistemas elevatrios so globalmente atribudas cerca de 20% de todas as necessidades energticas a nvel mundial (DOE et al, 2001). No obstante, analisando o ciclo de vida destes sistemas, os custos do consumo de energia so mesmo os mais significativos, podendo, nos sistemas de maior dimenso integrados em redes pblicas de gua ou saneamento, atingir valores na ordem dos 80 a 90% do custo total (DOE et al, 2001).

A eficincia energtica neste domnio acaba por ser uma questo essencial em termos de sustentabilidade econmica, devido tendncia crescente dos custos de energia no seio da Unio Europeia e tambm em Portugal (EUROSTAT, 2009), mas tambm na sustentabilidade dos recursos naturais, dada a necessidade de reduo dos impactos dos servios de guas no ambiente, em especial atravs da minimizao de utilizao de recursos energticos (IRAR, 2009), com reflexos nas emisses de gases de efeito de estufa, resultantes da produo de energia.

Nesse sentido, no presente trabalho ser destacada a importncia que esta temtica representa para as entidades gestoras do sector, descrevendo os principais indicadores de sustentabilidade e respectivos resultados, segundo os quais as empresas so j avaliadas (ERSAR, 2009), bem como a componente de custos envolvidos no ciclo de vida destes sistemas (HI & PSM, 2008).

Por fim, ser apresentada uma metodologia de avaliao para a optimizao energtica de um sistema elevatrio de guas residuais que ir, fundamentalmente, assentar na utilizao de uma ferramenta de simulao. Esta ser tambm a base de avaliao aplicada a dois casos de estudo, para os quais sero quantificados os nveis de reduo nos consumos de energia e consequente reflexo na avaliao econmica desses sistemas. Nas principais concluses, sero, ainda, destacadas as caractersticas dos sistemas onde a metodologia apresentada poder ter melhores resultados.

2. AVALIAO DE SUSTENTABILIDADE DAS ENTIDADES GESTORAS

As atribuies da actual Entidade Reguladora dos Servios de guas e Resduos (ERSAR, I.P.), segundo o disposto no Art 5 do Decreto-Lei n 277/2009 de 2 de Outubro, so reforadas, face ao anterior Instituto Regulador de guas e Resduos (Decreto-Lei n. 362/98, de 18 de Novembro, actualmente revogado), no que toca regulao econmica das entidades gestoras desses servios, bem como na regulao da qualidade do servio prestado aos utilizadores. Essa regulao incide, ento, sobre a prtica de preos que permitam assegurar a viabilidade econmica e financeira dessas entidades, num ambiente de eficincia e eficcia na prestao do servio e ainda sobre uma avaliao do desempenho das mesmas, promovendo a melhoria dos nveis de servio. De facto, as entidades gestoras so avaliadas, desde 2005, segundo um conjunto de indicadores (IRAR&LNEC, 2004; IRAR&LNEC, 2004a; IRAR&LNEC, 2009) que d origem a um relatrio anual de avaliao do sector de

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servios de guas e resduos em Portugal, o RASARP, cuja verso mais actual se refere a dados de 2008 (ERSAR, 2009).

Nesse sentido, os sistemas elevatrios de guas residuais iro ter influncia nas componentes de avaliao (segundo IRAR&LNEC, 2009): de sustentabilidade econmico-financeira da entidade gestora (custos operacionais [/m3 de gua facturada]), de sustentabilidade infraestrutural (% de utilizao de bombeamento das guas residuais na rede de drenagem), de sustentabilidade operacional (falhas em grupos electrobomba [horas/(grupo electrobomba . ano)]), e de sustentabilidade ambiental (utilizao de recursos energticos [kWh/m3 de gua facturada]). Em especial em relao a este ltimo caso, a optimizao energtica dos sistemas elevatrios de guas residuais poder proporcionar uma melhoria dos resultados das diferentes entidades gestoras que, tal como se pode comprovar na Figura 1, no ano de 2008 (ERSAR, 2009), ainda se encontravam, de forma significativa, acima dos valores de referncia (0,43 kWh/m3 e 0,33 kWh/ m3 para as entidades do sector em alta e em baixa, respectivamente).

Figura 1 Resultados do indicador de utilizao de recursos energticos (kWh/m3), para as entidades em alta e em baixa, no sector de drenagem e tratamento de guas residuais (ERSAR, 2009)

Importa realar, todavia, que a avaliao das entidades gestoras tender a reforar a importncia dos consumos de energia dos sistemas elevatrios de guas residuais, uma vez que, na proposta de segunda gerao do sistema de avaliao da qualidade dos servios de guas e resduos prestados aos utilizadores (ERSAR&LNEC, 2009), o indicador de utilizao de recursos ambientais dever passar a avaliar, directamente, a eficincia energtica das instalaes elevatrias (kWh/(m3 .100m)].

3. AVALIAO ECONMICA DE UM SISTEMA ELEVATRIO

3.1 Custos totais do ciclo de vida

A avaliao dos custos do ciclo de vida (ou Life Cycle Costs LCC) permite identificar, na fase de investimento e de construo de novos sistemas, qual, das vrias solues para um determinado

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sistema, poder ser a mais eficiente do ponto de vista econmico, dentro das limitaes bvias da informao disponvel em fase de projecto (DOE et al, 2001).

Uma vez que uma estao elevatria de guas residuais tem normalmente um perodo de vida til situado entre os 15 e os 20 anos, verifica-se que alguns dos custos envolvidos neste sistemas tero lugar de forma faseada no tempo, decorrentes da prpria operao do sistema. Por esse motivo, o custo do ciclo de vida (LCC) de um sistema elevatrio de guas residuais dever resultar de um somatrio dos principais custos devidos a estes sistemas, no seu perodo de vida til, tal como apresentado em (1), devendo ser devidamente actualizados ao momento presente, de forma a poder avaliar as diferentes solues na mesma base temporal (adaptado de HI&PSM, 2008):

LCC = Caq + Cin + Ce + Cm +Co (1)

Sendo:

Caq = custos de aquisio (equipamentos mecnicos, tubagens, etc.)

Cin = custos de instalao e de comissionamento (incluindo a construo de instalaes)

Ce = custos de energia (de acordo com a operao expectvel do sistema)

Cm = custos de manuteno e de reparao (intervenes previsveis)

Co = Outros custos (recursos humanos, ambientais, de remoo, etc.)

Em termos relativos verifica-se, contudo, que os custos mais significativos no ciclo de vida de um sistema deste gnero correspondem aos custos de energia, representando, em termos mdios, valores na ordem dos 40 % dos custos totais (Figura 2) (DOE et al, 2001). Alm disso, tal como destacado em (ABELIN et al, 2006), em termos gerais, o custo de aquisio de um sistema deste gnero variar propocionalmente ao quadrado do dimetro do impulsor, enquanto os custos de energia sero proporcionais quinta potncia desse mesmo dimetro, destacando a importncia da eficincia energtica, em especial em sistemas de caudais mais elevados.

Figura 2 Ordem de grandeza para os principais custos no ciclo de vida de um sistema elevatrio (DOE et al, 2001)

De forma geral, poder considerar-se que, para os mesmos requisitos de projecto, a optimizao energtica no dimensionamento de sistemas elevatrios ir influenciar directamente os custos de energia, bem como os custos de aquisio e instalao destes sistemas, dependendo da soluo de optimizao considerada. Os custos de manuteno, embora possam, teoricamente, ser consideravelmente reduzidos com a optimizao de funcionamento dos grupos electrobomba (HI

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&PSM, 2008), no constituem um benefcio directamente mensurvel e variar de caso para caso. Por essa razo a estimativa deste tipo de custos dever ser obtida junto do fabricante dos equipamentos em causa ou, no limite, considerado fixo na avaliao das diferentes alternativas (ABELIN et al, 2006).

3.2 Sistemas elevatrios enquanto activos da empresa

Por outro lado, tradicionalmente, a avaliao econmica efectuada no dimensionamento deste tipo de sistemas foca, essecialmente, o investimento inicial, procurando minimizar esse valor, desde que assegurada a capacidade do sistema, face aos requisitos do projecto. Como os custos na sua operao diria so bastante significativos e variam com as condies reais de funcionamento (HI&PSM, 2008), existe tambm uma oportunidade de optimizao energtica dos sistemas existentes.

Nesse contexto e atendendo actual estrutura empresarial do sector, o objectivo primordial dever ser o de garantir uma elevada rendibilidade (a curto e longo prazo) dos investimentos efectuados, atravs de uma maximizao da eficincia de todos os equipamentos em funcionamento (enquanto activos da empresa). Para tal, a abordagem a seguir dever ser a de avaliao do investimento para a interveno de optimizao, considerando que a eficincia passvel de ser obtida (reduo do consumo de energia e consequentemente dos custos associados) corresponde ao retorno do mesmo (HI&PSM, 2008). Uma vez que esses ganhos sero conseguidos de forma distribuda no tempo, a forma ideal de serem avaliados ser atravs de mtodos que atendam aos cash flows (diferena entre os fluxos de entrada e de sada de capital) gerados durante todo o perodo de vida til do investimento. Nesse sentido, no presente trabalho, ir considerar-se o ndice de Rendibilidade (IRP), que permite avaliar o grau de rendibilidade do projecto em causa, por cada euro de capital investido, correspondendo a (2) (Gomes Mota & Custdio, 2006):

( )o

n

tt

t

Ir

CFI

IRP

++

=

=1

0 1 (2)

Sendo:

Io Investimento inicial (ano 0)

n Perodo de vida til do sistema/ investimento

CFt Cash flow do ano t

r taxa de actualizao

4. METODOLOGIA DE AVALIAO E OPTIMIZAO ENERGTICA

Uma vez que os custos de energia sero tanto mais reduzidos quanto mais prximo estiver o ponto de funcionamento do sistema, da eficincia mxima da bomba e menores forem as perdas de carga verificadas ao longo do ciclo de vida do mesmo (DOE & HI, 2006), a avaliao e optimizao energtica de um sistema elevatrio de guas residuais dever assentar na seguinte metodologia:

Anlise das condies de funcionamento do sistema (e da sua variao no tempo);

Identificao de possveis solues de optimizao;

Avaliao da melhor soluo tcnica e econmica (incluindo a simulao do funcionamento do sistema e avaliao dos principais custos do ciclo de vida destes sistemas).

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4.1 Anlise das condies de funcionamento do sistema

Uma das principais causas de no eficincia de um sistema elevatrio de guas residuais resulta da verificao de perdas de carga excessivas, pelo que dever conjugar-se, tanto quanto possvel, o funcionamento do sistema com as reais necessidades do mesmo.

No caso da avaliao de sistemas existentes, necessrio verificar as condies de funcionamento actuais, o que poder ser conseguido atravs da recolha e compilao de informao de caudais afluentes ao longo de perodos significativos de tempo, segundo os diversos padres do ciclo de funcionamento do sistema (seja ao nvel dirio ou em diferentes perodos do ano). No caso do dimensionamento de novos sistemas dever ser considerada, preferencialmente, a avaliao de dados reais representativos, seja da rede de drenagem onde o sistema vai ser instalado, ou at mesmo de estaes elevatrias prximas da rea a ser servida. Porm, caso se verifique que tal no possvel, dever ser definida uma aproximao segundo um esquema terico da variao de caudais ao longo do dia, de acordo com as caractersticas da populao servida e das utilizaes das redes de abastecimento. De facto, essa variao j amplamente destacada como um ponto fundamental de avaliao em sistemas de abastecimento de gua, nomeadamente no dimensionamento de reservatrios para redes de distribuio, tal como apontado em (TENTGAL VALENTE, 1983).

Com este objectivo, dever passar-se de uma anlise esttica no tempo, em que o dimensionamento de todo o sistema assegurado unicamente pela capacidade de elevao do caudal mximo dirio, para uma anlise, que se poder considerar dinmica, onde se procura conceber o sistema elevatrio de modo a assegurar uma capacidade de bombeamento varivel e, onde alm do valor mximo, tambm considerado o diagrama de variao dos caudais afluentes ao sistema.

4.2 Identificao de possveis solues de optimizao energtica

Existem diversas solues que podem ser consideradas para aumentar a relao custo/benefcio do sistema na sua globalidade. No presente trabalho sero frisadas as seguintes opes:

Escalonamento de bombas em paralelo

Bombas de pequena capacidade ou Pony Pumps

Reduo do dimetro do impulsor

Instalao de variadores de velocidade ou Variable Frequency Drives (VFD)

Embora algumas solues sejam especialmente orientadas para a optimizao de sistemas elevatrios j em funcionamento, a escolha da soluo depender, fundamentalmente, da situao em causa.

4.2.1 Escalonamento de bombas em paralelo

Esta abordagem parte do pressuposto bsico de combinao de vrios grupos electrobomba de funcionamento em paralelo, em alternativa instalao de apenas um grupo electrobomba.

Com este tipo de sistema ser possvel obter uma maior flexibilidade de operao, permitindo uma optimizao da relao entre os caudais afluentes e os caudais bombeados. Tal acaba por ser uma consequncia imediata da concepo do sistema com mltiplos pontos de funcionamento, tornando-se mais fcil assegurar um funcionamento mais prximo do ponto de maior eficincia de cada grupo electrobomba. Alm disso, do ponto de vista da optimizao energtica, este facto acarreta uma reduo da discrepncia entre o caudal de entrada e o de sada, com uma imediata e bastante significativa reduo da perda de carga do sistema (DOE & HI, 2006; HI & PSM, 2008).

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A diminuio do nmero de arranques e de paragens do sistema elevatrio tambm no deve ser menosprezada, principalmente em sistemas com relao elevada entre a altura manomtrica e altura geomtrica, o que poder ter influncia tanto na fiabilidade do grupo electrobomba, como nos prprios consumos de energia, tendencialmente mais elevados nos primeiros momentos de arranque.

4.2.2 Bombas de pequena capacidade (Pony Pumps)

A instalao de grupos electrobomba de pequena capacidade, poder ser equacionada para o bombeamento de valores mais baixos de caudais afluentes que, normalmente, representam um perodo de tempo considervel ao longo do dia. Com este tipo de soluo possvel conseguir uma reduo bastante significativa das perdas de carga no sistema, bem como o nmero de arranques e paragens do grupo electrobomba de maior capacidade (DOE & HI, 2006; HI & PSM, 2008).

Esta soluo especialmente apropriada optimizao do funcionamento de sistemas j existentes, em especial daqueles que apresentam alguns sinais de funcionamento ineficiente, tais como operao intermitente dos grupos electrobomba e rudo excessivo, cavitao e vibrao nas tubagens (que desaparecem quando o sistema funciona na capacidade mxima).

4.2.3 Reduo do dimetro do impulsor

O processo de reduo do dimetro do impulsor tem como objectivo uma reduo da energia fornecida ao fluido pelo grupo electrobomba, sem implicar uma alterao das caractersticas e comportamento do motor elctrico, podendo ser particularmente interessante na reformulao de sistemas j existentes.

Figura 3 - Efeito de reduo do dimetro do impulsor no ponto de funcionamento (DOE & HI, 2006)

O processo de optimizao do impulsor corresponde a uma translaco na curva presso/caudal representativa do funcionamento do grupo electrobomba, tal como demonstrado na Figura 3, conseguindo-se a reduo das perdas de carga, bem como um funcionamento mais prximo das necessidades do sistema, em termos de caudais bombeados (DOE & HI, 2006).

4.2.4 Instalao de variadores de velocidade (VFD)

Um grupo electrobomba apresenta uma relao entre a variao da velocidade do impulsor e a presso diferencial desenvolvida pelo sistema (grupo + impulsor). Nesse sentido, a velocidade radial ser

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directamente proporcional rotao do eixo, para um dimetro fixo. Uma variao da velocidade de rotao da bomba apresentar um efeito directo na curva de funcionamento do grupo electrobomba.

Este sistema apresenta um funcionamento prximo do ideal em sistemas dominados pelas perdas de carga, permitindo a alterao do ponto de funcionamento, mantendo uma elevada eficincia mecnica, justificada pela deslocao ao longo da curva da instalao na direco das curvas de iso-eficincia (Figura 4). Para alm de facilitar a adaptao do caudal bombeado s necessidades do sistema, reduz, ainda, as perdas de carga totais (DOE et al, 2004; HI & PSM, 2008)

Figura 4- Variao do ponto de funcionamento de um sistema elevatrio segundo as curvas de iso-eficincia de um grupo electrobomba com variador de velocidade (DOE et al, 2004)

Porm, de modo a evitar comprometer as vantagens da instalao do VFD e assegurar o funcionamento em condies tcnica e economicamente viveis, deve verificar-se a viabilidade da aplicao destes equipamentos s caractersticas de funcionamento do sistema (DOE et al, 2004).

4.3. Avaliao da melhor soluo tcnica e econmica

A avaliao da melhor soluo tcnica e econmica de optimizao energtica de sistemas elevatrios de guas residuais, poder ser considerada como uma evoluo na abordagem a seguir na prpria concepo e dimensionamento destes sistemas. Este processo dever, ento, ter duas fases distintas:

1Fase Anlise convencional

Avaliao das caractersticas das bombas respeitando a capacidade mxima do sistema.

2Fase Optimizao energtica

Anlise do funcionamento do sistema global (grupo(s) electrobomba, tubagens e demais componentes) segundo uma abordagem de avaliao de caudais de entrada e de sada e do correspondente desempenho mecnico dos grupos electrobomba, ao longo do perodo dirio, com vista optimizao energtica da totalidade do sistema.

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Desta forma, quer se trate do dimensionamento de novos sistemas elevatrios ou da reavaliao de sistemas existentes, a simulao do comportamento do sistema, possibilitando uma avaliao suficientemente flexvel e expedita das possibilidades de optimizao deste tipo de sistemas, especialmente apropriada aplicao de ferramentas computacionais, tal como a descrita em seguida.

4.3.1 Ferramenta de simulao e avaliao energtica

Para facilitar e tornar mais sistematizada a integrao dos princpios de eficincia energtica em sistemas elevatrios, foi desenvolvida uma ferramenta informtica que permite a simulao do comportamento dirio de um sistema elevatrio e a avaliao da sua eficincia energtica.

Figura 5- Mdulo de introduo de dados do sistema elevatrio na ferramenta de anlise

Esta ferramenta (Figuras 5 e 6) possibilita a definio das caracteristicas de todos os componentes do sistema elevatrio, tendo como principais objectivos:

Definio de cenrios de caudais afluentes;

Modelao dos diversos componentes de um sistema elevatrio, incluindo o efeito de regulao do poo e o arranque/paragem dos grupos, de acordo com nveis definidos pelo utilizador;

Seleco de um ou vrios grupos electrobomba, iguais ou distintos, possibilitando a definio das curvas caractersticas e de eficincia;

Clculo das perdas de carga contnuas e localizadas para cada ponto de funcionamento do sistema;

Simulao do funcionamento do sistema, em intervalos de 60 s, permitindo a avaliao da evoluo contnua de diversas variveis;

Definio de parmetros de eficincia energtica, como o EER (Energy Efficiency Rating) e o custo dirio de energia.

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Figura 6 Mdulo de seleco dos grupos electrobomba, com apresentao das curvas caractersticas dos grupos e definio dos pontos de funcionamento

O Energy Efficiency Rating EER (3) um parametro terico de avaliao do comportamento energtico, com o objectivo de facilitar a comparao de solues. Este parmetro permite aferir a discrepncia entre as perdas de carga mnimas do sistema, considerando uma bombagem terica e contnua do caudal afluente e as perdas de carga reais, face aos caudais reais de bombeamento do sistema. Quanto mais prximo de 100%, maior ser a eficincia do sistema (Figura 7).

EER (%) = H manomtrica terica x Q afluente / (H manomtrica real x Q bombeado) x 100 (3)

Em que:

H manomtrica terica = Altura manomtrica, em cada instante, de acordo com o diagrama de caudais afluentes definidos;

Q afluente = Caudal afluente estao elevatria, em cada instante;

H manomtrica real = Altura manomtrica, em cada instante, para o caudal bombeado real;

Q bombeado = Caudal realmente bombeado pela estao elevatria, em cada instante.

Figura 7 Representao grfica, segundo uma evoluo no tempo, do significado do EER (diferena entre as relaes HmanxQ para o sistema real e para um sistema terico)

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O custo de energia dirio resulta da potncia dispendida (kWh) por cada grupo em funcionamento, individual ou em paralelo, ao longo do perodo de simulao.

No caso de se verificar um aumento do custo de energia dirio entre duas solues, este facto pode dever-se a um aumento das perdas de carga injustificadas, visvel num aumento simultneo do parmetro EER, ou por o sistema apresentar pontos de funcionamento mais afastados da maior eficincia de cada grupo electrobomba, reduzindo a eficincia energtica do sistema global.

5. CASOS PRTICOS

Os casos de estudo, apresentados em seguida, visam aferir a validade de algumas das solues de optimizao, quer se trate do dimensionamento de um novo sistema, como pode ser o caso da variao do dimetro do impulsor e do escalonamento de bombas em paralelo, como da avaliao de um sistema j operacional, considerando-se a opo de instalao de uma Pony Pump.

Com o intuito de facilitar e sistematizar a anlise e validao das metodologias referidas, foi utilizada a ferramenta computacional de anlise, anteriormente descrita, aplicada a um caso terico de base, comum, com as seguintes caractersticas:

Altura Geomtrica = 10 mca

Comprimento da Conduta Elevatria = 1800 m

Populao abrangida pelo sistema elevatrio = 17 500 hab

Capitao = 150 L/hab/dia

Caudal mdio dirio afuente (Qmda) = 24,3 L/s

Factor de ponta = 1,95 (Art. 125 do D.R n 23/95 de 23 de Agosto)

Factor de segurana (grupos electrobomba) = 1,15

Capacidade mxima de bombagem = 54 L/s

Para a definio do diagrama de caudais dirios, tal como referido anteriormente, na inexistncia de dados de avaliao dos caudais reais afluentes ao sistema, foi considerada uma aproximao terica dos mesmos. A variao do factor de ponta, ao longo de um dia, para um aglomerado com populao superior a 10000 hab, foi considerada de acordo com uma variao horria similar habitualmente admitida no dimensionamento de reservatrios em sistemas de abastecimento de gua (TENTGAL VALENTE, 1983). Da aplicao desse factor de ponta ao caudal mdio dirio do sistema em causa, resulta a variao do caudal afluente ao longo do dia (Figura 8).

Figura 8 Variao diria do caudal mdio afluente ao sistema

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Por outro lado, de forma a manter a validade da anlise, a definio do sistema ir respeitar as regras bsicas de concepo e dimensionamento de sistemas elevatrios, nomeadamente a garantia, em todas as simulaes, da capacidade mxima de bombeamento de 54 L/s.

A avaliao dos custos do ciclo de vida do sistema ser efectuada para um perodo de vida til de 15 anos, actualizando as diferentes parcelas ao momento presente. Nesse sentido, atendendo desvalorizao da moeda durante o perodo considerado, a taxa de inflao adoptada foi de 3%.

Para a quantificao dos encargos de energia, fundamental estabelecer um custo unitrio para o Ano 0, considerado igual a 0,09/kWh, e a correspondente evoluo no tempo, de 3% ao ano. A adopo desta taxa corresponde a assumir que o aumento do custo de energia se dever, apenas, inflao, o que constitui o cenrio referncia de base para avaliao de eventuais redues neste tipo de encargos. Assim, qualquer aumento do custo de energia, acima da taxa considerada, ir conduzir a uma acentuao das diferenas encontradas e salientar as vantagens apontadas.

No que toca aos custos de manuteno, atendendo ao referido em 3.1, estes foram considerados iguais para todas as alternativas avaliadas, com um valor global, para o perodo de vida til do equipamento, de 2000 , j actualizados ao momento presente. Para os presentes casos de estudo no foram considerados quaisquer outros custos.

5.1 Variao do dimetro do impulsor

Para esta opo ir ser efectuada a avaliao do comportamento do sistema descrito, considerando um conjunto de bombas de uma mesma gama do fabricante ABS (AFP 1543), o que permitir realar a influncia dos diferentes dimetros do impulsor na eficincia de um sistema deste gnero (Figura 9).

Figura 9 Curvas caractersticas das bombas para a gama ABS AFP 1543, segundo o dimetro do impulsor

Alm disso, de forma a manter a capacidade do sistema, 54 l/s, ser considerada uma constituio varivel do nmero de bombas activas (escalonamento de bombas em paralelo). A anlise de eficincia

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energtica ser efectuada atravs do EER (%) e do custo dirio de energia, proporcionados pela ferramenta descrita. A comparao das diferentes alternativas ser realizada pela anlise dos correspondentes custos de ciclo de vida.

Quadro 1 Resultados da simulao das diferentes configuraes do sistema elevatrio

Equipamento Un. Q ( L/s) H man (mca) EER (%) Custo Energtico

(/dia)

ME 220/4 - A 1 60,5 23,6 32 16,2

ME 185/4 - 1 1 55,3 21,4 38 14,6

ME 160/4 - 2 2 50,3/59,4 19,4/23,1 45 13,2

ME 140/4-2B 2 44,9/54,0 17,5/20,7 55 12,8

ME 110/4 - 3 3 42,8/51,7/55,1 15,8/18,9/20,3 58 11,6

Quadro 2 Resultados da anlise dos custos de ciclo de vida das diferentes configuraes

Equipamento Custo de

aquisio e instalao ()

Custo de energia ()

Reduo Custo energia (%)

Custo total ()

Reduo Custo total

(%)

ME 220/4 - A 10 428 89 243 - 101 687 -

ME 185/4 - 1 8 688 80 045 10 90 747 11

ME 160/4 - 2 17 520 71 942 19 91 475 10

ME 140/4-2B 16 320 70 025 22 88 358 13

ME 110/4 - 3 24 732 65 974 26 92 718 9

Dos resultados obtidos (Quadro 1) verifica-se que, dentro de uma mesma gama de bombas, a reduo do dimetro do impulsor, conjugada com o escalonamento em paralelo, permite variaes no custo de energia dirio, maximizando o EER. Por outro lado a soluo mais vantajosa segundo o custo total no ciclo de vida do sistema, corresponde a dois grupos electrobomba com o impulsor ME 140/4 (Quadro 2), com uma reduo no custo global de cerca de 13%.

5.2 Bombas de pequena capacidade ou Pony Pumps

Como referido anteriormente, uma soluo especialmente indicada para a optimizao do comportamento energtico de sistemas elevatrios j existentes, consiste na introduo de uma Pony Pump, aumentando a eficincia do sistema global quando sujeito a afluncias reduzidas.

Para esta anlise foi considerado o caso terico base, admitindo, como grupo electrobomba instalado de raiz, o equipamento ABS AFP 1543 ME220/4 A. Partindo do ponto de funcionamento base desse equipamento (62 L/s; 23,35 mca), o cenrio alternativo consistiu em acoplar o equipamento ABS AFP 1032 ME90/4 A, compativel com os perodos de menores afluncias. Dessa forma possvel obter os

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resultados apresentados no Quadro 3. Por sua vez, tratando-se de um novo investimento num equipamento j existente, foi efectuada uma anlise econmica do mesmo, de acordo com o descrito no ponto 3.2, calculando o ndice de rendibilidade do mesmo (IRP), indicado no Quadro 4.

Quadro 3 Resultados da anlise do funcionamento da soluo

Equipamento EER (%) Custo Energtico

(/dia)

1543 ME 220/4 - A 32 16,2

1543 ME 220/4 A + 1032 ME 90/4 A 68 9,9

Quadro 4 Resultados da anlise de rendibilidade do investimento

Equipamento Custo de

investimento ()

Custo de energia () Reduo

Custo energia (%)

Indice Rendibilidade

(IRP)

1543 ME 220/4 - A - 89 243 -

1543 ME 220/4 A + 1032 ME 90/4 A

4730 54 038 39 601

Uma vez que o investimento inicial, de 4730, implica uma reduo no custo total de energia de 39%, corresponde a um perodo de amortizao de apenas 2 anos, proporcionando um IRP de 600%. Assim, verifica-se que esta poder ser uma boa soluo, principalmente para sistemas que j estejam em funcionamento, implicando um baixo investimento inicial, sem necessidade de reformulao do sistema existente e proporcionando uma excelente rendibilidade, atendendo reduo dos encargos de energia conseguidos.

CONCLUSES

O comportamento energtico de um sistema elevatrio de guas residuais depende de inmeras variveis, que devem ser devidamente analisadas e testadas, logo no processo de dimensionamento.

No havendo critrios rgidos e genricos na optimizao energtica destes sistemas, pois depender da situao em causa, a ordem de grandeza da reduo de custos totais, passvel de ser conseguida, justifica um estudo mais aprofundado dos mesmos, inclusive de sistemas j existentes.

A anlise dos casos de estudo permite comprovar a oportunidade de optimizao energtica em sistemas elevatrios de guas residuais. A metodologia de avaliao e optimizao aplicada constitui um exemplo de como se poder traduzir o comportamento do sistema segundo um parmetro de eficincia energtica e a correspondente quantificao dos custos dirios de energia, seja no processo de dimensionamento ou na reavaliao/ reformulao de sistemas j existentes. No obstante, fundamental a utilizao de ferramentas de simulao especificamente desenvolvidas para este fim, como a apresentada neste trabalho, de forma a aprofundar o conhecimento do modo de funcionamento dos sistemas, face a diversas solicitaes.

Por outro lado, atendendo aos resultados dos indicadores de avaliao da utilizao de recursos energticos das entidades gestoras do sector, justifica-se uma avaliao mais aprofundada de sistemas cujas caractersticas potenciam essa optimizao, nomeadamente os integrados em zonas

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com variaes sazonais de caudais afluente, redes unitrias e/ou orlas martimas e ainda os sistemas sobredimensionados face populao realmente servida.

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