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]
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
Cust
o de
elé
ctric
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 ValadaresConduta 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%
Caud
al (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/s60 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 energéticaAnálise 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 to
tal
Análise da degradação da eficiência dos impulsoresREDUÇÃO 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 to
tal
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 to
tal
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
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