Aproveitamento de energia soluções inovadoras

Helena Ramos

João Pessoa - Brasil - 2006

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

70TW

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.

9

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.

10

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– selecção do equipamento – manutenção do equipamento – utilização do tarifário mais adequado – utilização de equipamento de recuperação de energia

11

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

empe

nho

(%))

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)D

esem

penh

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

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

empe

nho

(%))

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

13

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)

14

Controlo de pressões

1

8

15

22

303234363840424446

Id dos nós

Pressure for each node (m) vs Time (h)

44-4642-4440-4238-4036-3834-3632-3430-32

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

Pressure for each node (m) vs Time (h)

44-4642-4440-4238-4036-3834-3632-3430-32

c)

1

8

15

22

303234363840424446

Pressure for each node (m) vs Time (h)

44-4642-4440-4238-4036-3834-36

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

( ) Tttt

N

i

ticalt

Tti nvnv

PPP

nvnvpfOptimize 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 admissíveis. 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

17

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

19

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

21

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.

23

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

24

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

25

• 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 II

<=== 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

26

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

27

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

28

Análise Hidráulica

Variação das Pressões no nó 123

4445

46474849

5051

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 68 72

Tempo (h)

Pres

são (m

)

Condição Original Proposta: Adutora + Turbina

Balanço de Caudal na Rede Original

Produzido Consumido

Tempo (h)72706866646260585654525048464442403836343230282624222018161412108642

Cau

dal (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

Cau

dal (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

30

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)

Des

empe

nho

( - )

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)

Des

empe

nho

( - )

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 De

sem

penh

o

31

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)Balac/CTCusto Total(CT)(2)Benefício (Balac)

(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.

32

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 solar e eólica 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.

33

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

34

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.

35

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

36

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

37

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).

38

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.

39

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.

40

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.

41

Sistema Pelamis – parque de energia das ondas

42

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;

43

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 RenovávelUtilização de um recurso endógeno (custo da matéria prima = 0)Desenvolvimento da indústria nacionalIndependência do exterior e do garrote do aumento dos custosPoupança nas emissões de GEE

44

Agradecimentos:

SEREA – Prof. Heber Pimentel Gomes

Enersis – Empresa de Projecto de energias renováveis (Prof. Sá da Costa e Eng. Rui Barros)

FCT – projecto de investigação POCI/ECM/58375/2004