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Eficiência hidráulica e energética e fontes de energia renováveis
Helena Ramos
DECivil / IST - 2007
2
Projectos sustentáveis • interacção positiva entre desenvolvimento económico, social
e salvaguarda do ambiente, permitindo a satisfação dos interesses das gerações actuais e futuras
• uso racional dos recursos existentes e a satisfação das necessidades dos consumidores
• minimização do uso de energia (porque a sociedade dependente da energia), perdas de água e frequência de interrupções no consumo
Consumo de Energia Primária em Portugal (2003)
Petróleo
Carvão
Outras renováveis
Hídrica + Eólica +Geotermia
Gás natural
3
Consumo Final de Energia em Portugal (2003)
Transportes
Sector doméstico
Serviços
Indústria transformadora
Indústria extractiva
Construção e obraspúblicasAgicultura e pescas
Consumo de Electricidade em Portugal (2003)
Transportes
Sector doméstico
Serviços
Indústria transformadora
Indústria extractiva
Construção e obraspúblicasAgicultura e pescas
A electricidade é apenas uma parte da energia que utilizamos no nosso dia a dia
4
-10
10
30
50
70
TW
h
.
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
Origem da electricidade consumida
Térmica Renovável Importação
5
Sistemas de abastecimento
• Novos desafios
– à medida que o nível de cobertura da população aumenta, constroem-se expansões ou reforços de sistemas existentes, sendo importante avaliar o impacte das alterações no sistema existente;
– existe uma maior consciencialização para os aspectos ambientais, que se reflecte na necessidade de racionalizar o uso dos recursos naturais – água e energia;
– as questões relacionadas com a qualidade da água têm cada vez mais peso e visibilidade;
6
Sistemas de abastecimento
• Factores de mudança– consciencialização da necessidade de garantir bons
níveis de serviço durante toda a vida útil do sistema;
– reconhecimento das vantagens de uma visão integrada e pluridisciplinar da gestão dos sistemas (aspectos hidráulicos, de qualidade de água, de fiabilidade, de gestão de energia e de exploração e manutenção);
– papel do cidadão/consumidor cada vez mais exigente; entidades gestoras têm que apresentar níveis de qualidade de serviço elevados.
7
Sistemas hidroeléctricos
• A produção de energia é uma problemática que preocupa as entidades do sector;
• A “hidro-electricidade” e outras energias renováveis são uma das resposta de como oferecer energia limpa tanto a zonas urbanas como rurais e isoladas;
• Representa um benefício ambiental importante no apoio ao desenvolvimento sustentável porque não contribui para a depleção da camada de ozono nem para o aquecimento global.
8
Sistemas hidroeléctricos
• Integração da produção de energia como fonte renovável nos diferentes usos da água (gestão sustentável)
• económica, segura, fiável, que permite uma maior eficiência e descentralização da indústria;
• enorme vantagem em não produzir emissões de gases com efeitos de estufa ou de resíduos sólidos ou líquidos.
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Flexibilização da gestão
• Introdução de elementos que conferem flexibilidade de operação na crescente complexidade da gestão dos sistemas - ajustar o modo de funcionamento àdisponibilidade de recursos e às necessidades dos consumidores.
• Utilização de válvulas telecomandadas ou automatizadas que permitem alterar os circuitos da água ou ajustar as pressões ou os caudais, contribuindo para melhorar os níveis de serviço, eficiência energética ou para reduzir as perdas.
• Tipo e localização destes elementos devem ser previstos na fase de projecto, com apoio sistemático da simulação.
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Aproveitamento de energia
• O custo de energia é um peso muito significativo nos custos globais de exploração de qualquer sistema
=>minimização do consumo global de energia
• Acções do tipo:
– aspectos de layout (melhor traçado)– selecção do equipamento – manutenção do sistema– utilização do tarifário mais adequado – utilização de equipamento de recuperação de energia
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Desempenho da Pressão
0
25
50
75
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Des
emp
enh
o (%
))
0 a 25% 25 a 50% 50 a 75% 75 a 100% Méd. Pond.
Desempenho da Flutuação da Pressão
90
92
94
96
98
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Des
emp
enh
o (%
))
0 a 25% 25 a 50% 50 a 75% 75 a 100% Méd. Pond.
• Análises de diagnóstico ao nível do Desempenho
– Pressões– Flutuações de Pressão– Velocidades de Escoamento– Perdas de Água– Consumos de energia– Gastos
Desempenho da Velocidade
0
25
50
75
100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Des
emp
enh
o (%
))
0 a 25% 25 a 50% 50 a 75% 75 a 100% Méd. Pond.
Perdas de Água do Sistema
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (h)
Cau
dal (
l/s)
.
0
20
40
60
80
% P
erda
s
.
Caudal Total Caudal Consumido Perdas de Água Percentagem de Perdas
12
Aproveitamentos Hidroeléctricos
• Grandes aproveitamentos
• Mini-hídricasTunnel
Intake
Powerhouse
Differentialsurge tank
Tunnel
Intake
Powerhouse
Differentialsurge tank
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Avaliação do potencial energético em sistemas de abastecimento e drenagem
• Sistemas adutores e/ou de distribuição de água com excesso de energia ou carga hidráulica necessitam do controlo da pressãoatravés de estruturas ou órgãos hidráulicos dissipadores que provoquem o abaixamento da linha piezométrica
• A limitação da pressão no interior de condutas ou sistemas hidráulicos prende-se com factores de ordem económica e de segurança do respectivo equipamento
• A uniformização e controlo da pressão:– optimização de sistemas de bombagem– utilização de grupos de velocidade de rotação variável– divisão da rede em zonas por patamares de pressão
(através de reservatórios ou VRP)
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Controlo de pressões
1
8
15
22
303234363840424446
Id dos nós
P ressure for each node (m) vs T ime (h)
44-4642-44
40-4238-40
36-3834-3632-34
30-32
a)
efeito do controlo da pressão em sistemas de abastecimento: a) Sistema sem VRP; b) com 1 VRP; c) com 5 VRPs
b)
1
8
15
22
303234363840424446
P ressure for each node (m) vs T ime (h)
44-4642-4440-4238-4036-3834-3632-3430-32
c)
1
8
15
22
303234363840424446
P ressure for each node (m) vs T ime (h)
44-4642-44
40-4238-4036-3834-36
32-3430-32
15
Simulação hidráulica e aplicação de técnicas de optimização
• simulação hidráulica e de optimização é utilizada com base em funções-objectivo, para minimizar a pressão e o número de VRP a adoptar:
• os resultados permitem a cada utilizador definir onde e quantas válvulas deverão ser usadas
( )T
ttt
N
i
tical
t
T
ti nvnvP
PPnvnvpfOptimize 1
22
1 min
min,,1),( =
=
=
+∗
−= ∑
16
O aproveitamento de energia
• Substituição de VRP por micro-turbinas ou bombas a funcionar como turbinas– O uso de bombas a funcionarem como turbinas, (i.e., aplicáveis a
pequenos caudais) apresentam, níveis de eficiência adequados. Uma bomba pode funcionar no sentido inverso (i.e., inverso ao darotação normal de bombagem e do escoamento), com um rendimento da ordem de grandeza do correspondente rendimento para bombagem (Garey, 1990; Ramos e Borga, 1999)
H
η
Intervalo de funcionamento
P
P
H
η
Ho
Qo Q
n = constante
BOMBA
H
η
P
P
H
η
Ho
Qo Q
n = constante
TURBINA
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O aproveitamento de energia
• Simulação de uma VRP (esq. em cima) e de uma turbina (direita)
12
22
18
O aproveitamento de energia
• Resposta do sistema à variação do consumo ao longo do dia• Aproveitamento do excesso de energia disponível no sistema
sistema sem controlo, com VRP e com microturbina do tipo reacção
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Tipo de resposta – Análise experimental
• Sempre que uma válvula ou uma turbina (or BT) é inserida numa conduta, a linha de energia pode apresentar diferentes configurações, dependendo das condições de escoamento e do equipamento hidromecânico,
20
Caso de estudo 1 - Avaliação do potencial energético
• Análise da viabilidade de instalação de micro-hídrica a montante da ETA do Beliche – Algarve, Portugal
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Análise do sistema
Vista da câmara de válvulas a montante da ETA e do reservatório de ozonização e adição de cal
22
Análise do sistema
Vista da Barragem do Beliche e da tomada de água para o circuito hidráulico
O estudo de viabilidade para os primeiros 15 anos de funcionamento - ao fim de cerca de 6 anos tem-se o retorno do investimento para o custo de venda de energia de 0.07 €, 20 horas de turbinagem/dia e período para manutenção da ordem dos 45 dias por ano.
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Ano Q (l/s) Hu (m c. a.) P (kW)
Produção Energética (kWh/ano)
Valor de Venda (€/ano)
Resultado Anual (€/ano)
Custo Total (€)
Retorno do Investimento
2006 70 22.37 13 80 172 5 612 4 012 28 054
2007 77 22.26 14 87 750 6 143 4 543
2008 84 22.14 15 95 203 6 664 5 064
2009 91 22.00 16 102 518 7 176 5 576
2010 98 21.86 17 109 685 7 678 6 078
2011 105 21.71 18 116 693 8 169 6 569 < 6 anos
2012 112 21.54 19 123 529 8 647 7 047
2013 119 21.37 20 130 183 9 113 7 513
2014 126 21.18 21 136 643 9 565 7 965
2015 133 20.98 22 142 898 10 003 8 403
2016 140 20.78 23 148 936 10 425 8 825
2017 147 20.56 24 154 745 10 832 9 232
2018 154 20.33 25 160 315 11 222 9 622
2019 161 20.09 26 165 634 11 594 9 994
2020 168 19.84 27 170 691 11 948 10 348
2021 175 19.58 27 175 474 12 283 10 683
2 101 071
Estudo de viabilidade ao longo dos primeiros 15 anos de funcionamento
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n. Fases P Hmax Preço (kW) (m) (€)
1 2 320 6000 1 3 320 7000
1 ou 3 4 220 12000 6 220 13000 7 220 14000 10 220 18000 3+N 12 220 20000 3+N 15 220 24000 1 ou 3 6 50 18000 7 50 20000 10 50 22000 3+N 12 50 25000 3+N 15 50 34000 1 ou 3 10 240 22000 3+N 12 240 25000 2 ou 3 15 240 30000 3+N 30 240 33000 3+N 60 240 45000
Baseado na IREM/ECOWATT
Exemplo de características de micro-turbinas do tipo acção
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• Sistema adutor de transporte de água, sem constrangimentos operacionais e semelhante ao existente
• O estudo propõe a construção de uma adutora paralela com 1000 mm de diâmetro, transformando o sistema hidropressor (elevatório) em gravítico.
L = 14 000 mL = 14 000 m
D = 750 mmD = 750 mm
Caso de estudo 2 - Solução não convencional
Rio
Lago
----------------------------------
----------------------------------
Adutora I
----------------------------------
----------------------------------
Adutora I I
<=== Turbina
<=== Adutora paralela proposta
Nó 123
Rio
----------------------------------
----------------------------------
Adutora II
<=== Turbina
<=== Adutora paralela proposta
Nó 123
VRP
120
229
269
RNV_03
RNV_02
RNV_01 189
os círculos correspondem aos nós para rastreio da qualidade da água, antes e após a implementação
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Solução não convencional
•Esquema das adutoras em paralelo
• O programa EPANET 2.0 disponibiliza uma opção que permite simular o funcionamento de uma turbina como uma válvula (GPV) e associar uma curva de perda de carga à queda útil.
Modelo de simulação hidráulica
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Procedimento
• Configura-se o trecho analisado com uma válvula redutora de pressão (VRP) no mesmo local que se pretende instalar a turbina,i.e., a jusante das adutoras e a montante do nó 123;• Determina-se o ajuste dado à VRP que proporcione a jusante as mesma condições hidráulicas e de qualidade da água originalmente considerados;• Com base nas perdas de carga encontradas na VRP, constrói-se a curva de perda de carga para a GPV;
• Escolhe-se uma turbina ou bomba a funcionar como turbina, que apresente quedas úteis semelhantes às encontradas para a GPV
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Análise Hidráulica
Variação das Pressões no nó 123
44
45
46
47
48
49
50
51
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72
Tempo (h)
Pressão (m)
Condição Original Proposta: Adutora + Turbina
Balanço de Caudal na Rede Original
Produzido Consumido
Tempo (h)
72706866646260585654525048464442403836343230282624222018161412108642
Caudal (l/s)
1000.0
900.0
800.0
700.0
600.0
500.0
Balanço de Caudal na Rede com Adutora + Turbina
Produzido Consumido
Tempo (h)
727068666462605856545250484644424038363432302826242220181614121086420
Caudal (l/s)
1000.0
900.0
800.0
700.0
600.0
500.0
29
Análise da Qualidade da Água Rastreamento da água com origem no LAGO
Hora 00 Hora 08 Hora 16
Trace Lago
20.00
40.00
60.00
80.00
percentHora 24 %
Rede Original
Hora 00 Hora 08 Hora 16
Trace Lago
20.00
40.00
60.00
80.00
percentHora 24 %
Rede Propostal Rede Proposta
Distribuição das pressões no sistema original
Pressão
35.00
40.00
45.00
50.00
m
Hora de menor consumo Hora de maior consumo
Pressão
35.00
40.00
45.00
50.00
m
Hora de menor consumo Hora de maior consumo
Distribuição das pressões no sistema proposto
Análise Hidráulica
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Análise do Desempenho Hidráulico em termos de pressões
Classificação do serviço prestado : 4 – óptimo ou
desejável; 3 - bom; 2 - regular; 1 – suficiente ou
indesejável; 0 - insuficiente
Simulação dinâmica: Rede Original
0
1
2
3
4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Tempo (h)
Desem
penh
o ( - )
75 a 100% 50 a 75% 25 a 50% 0 a 25% Índice Méd. Pon.
Gráfico do desempenho resultante
Simulação dinâmica: Rede com Adutora + Turbina
0
1
2
3
4
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48
Tempo (h)
Desem
penh
o ( - )
75 a 100% 50 a 75% 25 a 50% 0 a 25% Índice Méd. Pon.
Gráfico do desempenho resultante
Pressões nos nós m c. a. 60 35 45 20
4
3
2
1
0 Desempenho
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Análise Económica
Análise de Benefícios/Custos (B/C) e do Valor Actualizado Líquido (VAL0) -taxa de juro de 10% ao ano, custo de energia produzida de 0,10€ e consumida de
0,15€ por kWh, caudal médio turbinado de 670 l/s e queda útil média de 13,5 m.
Atendendo às características do sistema existe uma caudal garantido durante 24h, todos os dias, que corresponde ao período de turbinagem.
711.797,81 €1,5241.358.583,00 €2.070.380,81 €30
634.956,83 €1,4671.358.583,00 €1.993.539,83 €25
511.203,66 €1,3761.358.583,00 €1.869.786,67 €20
311.897,95 €1,2301.358.583,00 €1.670.480,95 €15
-9.085,89 €0,9931.358.583,00 €1.349.497,11 €10
-526.033,58 €0,6131.358.583,00 €832.549,42 €5
VAL0(1-2)B
alac/CT
Custo Total(CT)(2)Benefício (B
alac)(1)Ano
Verifica-se que em ambos os indicadores económicos utilizados (B/C; VAL), o empreendimento começa a ser rentável após 10 anos da sua implantação.
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Caso de estudo 3 - Sistemas Híbridos e centrais reversíveis
• O uso de sistemas híbridos do tipo energia solar ou eólica + hidroeléctrica, em particular em regiões isoladas aparece como a melhor solução para ultrapassar os problemas de armazenamento da energia que pode entrar na rede. Em regiões deficitárias de energia instalada, o método de armazenamento por bombagem parece ser o melhor caminho para explorar o potencial eólico ou solar disponível.
• A definição de energia produzida por sistemas híbridos é recente e espera-se que estas instalações aproveitem a vantagem da política económica que favorece as fontes de energia renováveis.
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Têm emergido e desenvolvido novas fontes de energia que
podem ser aplicadas a estes sistemas:
•Energia Solar •Energia Eólica •Energia Hidráulica
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Casos de EstudoPoço de bombagem em Lusaka, Zâmbia
35
Sistemas Híbridos
Parque eólico de 2,4 MW, central hidroeléctrica com 3 Turbinas Pelton com o total de 3,8 MW e uma central elevatória de 1 MW – espera-se que produza 23 GWh/ano sendo cerca de 1/3 devido ao armazenamento de energia hidráulica por bombagem
ou outra fonte de energia renovável
36
Sistemas Híbridos
O sistema é baseado no aproveitamento de energia que é rejeitada da produção eólica quando a produção excede o máximo que pode ser absorvido pela rede local.
Uma estação elevatória típica consiste num número de bombas idênticas funcionando em paralelo para elevar água. A energia hidráulica armazenada pode ser reutilizada para produzir energia eléctrica através de uma turbina hidráulica.
Análises de optimização podem concluir que a central elevatória deveria ser equipada com bombas de velocidade variável - uma solução mais eficiente às condições de funcionamento aumentando a energia hidráulica durante o processo de armazenamento por bombagem.
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Os sistemas híbridos são escolhidos para terem capacidade para armazenar energia para as horas de ponta ou para horas quando a produção de energia pelas renováveis é baixa.
Utilização de baterias de armazenamento para sistemas eólicos ou fotovoltaicos e o armazenamento com o auxílio de bombagem para os sistemas hidroeléctricos.
Este tipo de solução permite aumentar a flexibilidade do sistema de controlo e facilita a sua utilização – podem ser usados em locais remotos
Purificação da água
Bombagem de água
38
Outros critérios a adoptar nos sistemas reversíveis
A escolha criteriosa de tarifários que promovam a bombagem durante as horas de vazio e a turbinagem durante as horas de ponta e cheia - são metodologias que conduzem a um melhor aproveitamento do recurso água e energético
Igual aos dias da semana
Igual aos dias da semana
Horas de vazio – das 23h às 9hHoras fora de vazio – das 9h às 23h
Ciclo diário
Horas de vazio – todo o dia
Horas de vazio –das 22h às 9h e das 14h às 20hHoras fora de vazio – das 9h às 14h e das 20h às 22h
Horas de vazio – das 24h às 7hHoras fora de vazio – 7h às 24
Ciclo semanal
DomingoSábadoDias da semanaTarifário mais vantajoso
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Outro sistema híbrido - parques offshore de energia das ondasO Pelamis é uma tecnologia recente - estrutura semi-submersa onde se encontra um módulo de conversão de energia. Os movimentos induzidos pelas ondas são absorvidos por cilindros hidráulicos, que pressurizam fluido hidráulico.
A energia convertida em cada uma das juntas é entregue à rede eléctrica através de um único cabo e vários dispositivos podem partilhar uma mesma ligação.
•Cada Pelamis tem uma potência instalada de 750 kW, sendo o seucomprimento e diâmetro igual a 120 m e a 3.5 m, respectivamente. Cadadispositivo conta com três módulos de conversão de energia totalmenteindependentes (250 kW cada).
40
Sistema Pelamis – parque de energia das ondas
•Selecção de Locais
•Recurso energéticoparâmetro disponível em kW por metro de frente de onda, deve ser o mais elevado possível.
•BatimetriaO Pelamis é projectado para instalação em águas > 50 m de profundidade.
•Proximidade a um ponto de ligação da rede eléctrica A proximidade a ponto de ligação ajuda a reduzir os custos e as perdas na cadeia de transmissão.
•Infra-estruturas na costaUma doca capaz de acomodar um Pelamis (~ 150 m de comprimento) énecessária para manutenção.
41
Sistema Pelamis – parque de energia das ondas
Toda a energia está concentrada na superfície, em águas profundas (superiores a 50 m) -fonte energética concentrada, cujas variações horárias e diárias são muito menores que em outras formas de energia renovável, como a eólica ou a solar.
A variação sazonal do recurso segue a variação do consumo energético na Europa ocidental.
Valores em kW/m de frente de onda
Estima-se que qualquer zona que tenha um recurso acima dos 15 kW/m o possa explorar comercialmente.
Vários países reconheceram este potencial e estão a equacionar seriamente a sua utilização.
42
Sistema Pelamis – a primeira implementação
The €8 M project will have an installed capacity of 2.25MW, and is expected to meet the average electricity demand of more than 1,500 Portuguese households whilst displacing more than 6,000 tonnes per year of carbon dioxide emissions from conventional generating plant. A letter of intent has also been issued to order a further thirty Pelamis machines (20MW) before the end of 2006 subject to satisfactory performance of the initial phase.
•ORDER SIGNED TO BUILD WORLD’S FIRST WAVE FARM IN PORTUGAL
•Lisbon, Portugal – Ocean Power Delivery (OPD) is pleased to announce today the signing of an order with a Portuguese consortium, led by Enersis, to build the initial phase of the world’s first commercial wave-farm to generate renewable electricity from ocean waves.
•The initial phase will consist of three ‘Pelamis’P-750 machines located 5km off Portugal’s northern coast, near to Póvoa de Varzim.
43
Sistema Pelamis – parque de energia das ondas
44
Conclusões
• Estratégias eficazes de controlo e minimização de pressões para a redução de perdas em redes de abastecimento de água;
• O controlo da pressão por turbinas (ou bombas turbinas) é uma solução que permite o aproveitamento de energia em excesso, que normalmente teria que ser dissipada (e.g., através de VRP ou câmaras de perda de carga);
• A produção de energia em sistemas de transporte de água são soluções de baixo custo, economicamente viáveis com caudal garantido e uma fonte de energia renovável, limpa e sem impactes ambientais;
45
Conclusões
• A implementação de sistemas híbridos (recorrendo a formas combinadas de produção de energia renovável: hídrica, eólica, solar, biomassa, ondas ou marés) podem aumentar substancialmente a eficiência na produção de energia do planeta.
Vantagem da Electricidade de Origem Renovável
Utilização de um recurso endógeno (custo da matéria prima = 0)Desenvolvimento da indústria nacionalIndependência do exterior e do garrote do aumento dos custosRedução nas emissões de GEE
