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Pedro Leite; [email protected]

POTENCIAL DE OTIMIZAÇÃO ENERGÉTICA DE SISTEMAS ELEVATÓRIOS DE ÁGUAS RESIDUAIS

Fernando Ferreira; [email protected]

Luís Tentúgal Valente; [email protected]

Eduardo Vivas; [email protected]

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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)

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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

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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%

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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€

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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

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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%

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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

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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


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