Microturbinas em redes de abastecimento de água

Mestrado em Sistemas Energéticos Sustentáveis

Nos dias de hoje a sociedade exige níveis qualitativos de vida cada vez mais elevados, o que torna prioritária a conceção de sistemas eficientes, não poluidores, económicos e diversificados que permitam uma gestão integrada e racionalizada de recursos tão escasso como é o da água e da energia. Em sistemas de abastecimento de água, o uso de válvulas redutoras de pressão (VRP) visa a uniformização e controlo de pressões, promovendo uma perda de carga localizada que dissipa a energia hidráulica presente através da redução dos valores de pressão a jusante. Estas são fundamentais no controlo e redução de pressão. A utilização de microturbinas é uma alternativa sustentável para o controle de pressão e, simultaneamente, para a produção de energia elétrica. Trata-se de um método de mitigação para controlar as perdas referidas convergindo no âmbito da eficiência energética. Na perspetiva de promover um aproveitamento de energia nas redes de abastecimento de água, o presente trabalho sugere a substituição de válvulas redutoras de pressão (VRP) por microturbinas. Desse modo, apresenta-se um método automático de seleção de (i) local para implementação e (ii) projeto de microturbinas para sistemas de abastecimento de água. Para a modelação do funcionamento dos sistemas hidráulicos recorre-se ao simulador hidráulico EPANET. Esta ferramenta possibilita avaliação de caudais e pressões em todos os pontos da rede durante um determinado intervalo de tempo. A metodologia desenvolvida permite selecionar o local ideal no sistema hidráulico através de uma análise de cada secção conduta-nó escolhendo-se a melhor opção baseada na produção de energia. Depois da localização procede-se à seleção do tipo de turbina (Kaplan, Francis, Pelton e Cross-flow) que vai depender das características do sistema hidráulico. Na etapa seguinte apresenta-se os resultados obtidos pela turbina nomeadamente a produção de energia elétrica anual, o investimento necessário, o tempo de retorno e a rentabilização ao final de um período de 25 anos. Na última etapa da metodologia, de forma avaliar o comportamento do sistema final, realiza-se uma nova simulação da rede mas tendo em conta a introdução da microturbina no local. Apresentam-se alguns casos de estudo que validam a ferramenta desenvolvida. A metodologia desenvolvida é comparada com um caso de estudo real. Em ambos os exemplos simulados a metodologia aplicada permite obter soluções com ganhos energéticos significativos associados ao sistema. Apenas num dos exemplos se observaram que a implementação da microturbina no sistema hidráulico não seria economicamente rentável.

Nowadays, society lives on increasing quality of life standards, which makes a priority, the creation of energy systems that are efficient, environmental friendly, cost effective and technologically diversified for a rationalized management of energy resources. In water supply systems, the use of pressure reducing valves, controls pressures and promotes located load pressures that will evaporate hydraulic energy, is of vital importance. In alternative, you can use micro turbines who besides stated before, it simultaneously produces electric energy. This mitigation process, because it controls the losses, which means that it aims for energy efficiency. Based on this concept, the aim of this paper is to suggest the replacement of the traditional pressure reducing valves for micro turbines. This way, it is presented an automatic method of test field to implement the micro turbines project for systems of water supply. A hydraulic simulator EPANET is used to give data about the functioning of hydraulic systems. The designed methodology allows selecting the ideal location in the hydraulic system through an analysis of each conduct node section by choosing the best option for energy production. Then we select the turbine (Kaplan, Francis, Pelton and Cross-flow) that will be selected according the characteristics of the hydraulic system. In the next step, it is presented the results of the turbine performance like its yearly energy production, budget needed, return time and profitability in a 25 year period. For the last step, to evaluate the behaviour of our final system, we run a new simulation, accounting the introduction of the micro turbine in the designed location. This tool is explained in some case studies, and validates its purpose and effectiveness. The methodology created is compared with a real life case study. In both examples the simulated applied methodology allows significant energy savings associated with the system. Only in one of the examples, it was remarked that the introduction of a micro turbine in the hydraulic system would not be economically profitable.