Otimização multiobjetivo no sistema de bombeamento através das eficiências energética e operacional no reservatório de distribuição

Abstract

Por mais que exista diversas ações relacionadas a eficiência energética nos sistemas elevatórios de água, os investimentos no ramo, concentram-se principalmente no upgrade por novas tecnologias ou em projetos que procuram alternativas de melhorar a eficiência em termos pontuais. Entretanto, uma solução microeconômica pode não vir a solucionar a eficiência macroeconômica. Logo, um dos aspectos investigado na pesquisa foi relacionar a importância da operação do reservatório, como ferramenta para o planejamento e implementação da eficiência energética, assim como na minimização do custo total. Para cumprir esse objetivo foi desenvolvido uma tipologia genérica do sistema composta de dois reservatórios, inferior e superior, um conjunto motor-bomba e uma adutora, responsável pelo transporte de água entre eles. Foram avaliadas 160 possibilidades geométricas desse sistema, formadas a partir da combinação de diferentes alturas geométricas, comprimentos da adutora, volumes de consumo diário e em cima de duas metodologias do dimensionamento da capacidade volumétrica do reservatório. Registrando as informações hidro energética ao longo de 30 anos de operação e em três situações no tempo: início, meio e fim. Para as informações, hidro energética e dos indicadores de desempenho, foi desenvolvido um modelo de simulação (associado ao Programmer Toolkit EPANET2) para o cálculo do custo de instalação, consumo e custo energético. Inclusive, acoplado a um algoritmo de otimização multiobjetivo que foi utilizado para obter o diâmetro ótimo, as características da bomba e suas regras de operação. Verificando a relação do volume do reservatório e de suas regras de operação com a eficiência energética e com o custo total, foi definido que uma alternativa operacional (cenário de controle e chave boia) variável ao longo do tempo, apresentou melhores desempenhos hidro energética para o sistema. Outra informação diz respeito a relação da capacidade volumétrica na composição dos custos (operacional, instalação e total), que ela influencia diretamente no custo operacional. Com o aumento da capacidade volumétrica, houve melhoria no desempenho econômico energético, entretanto, resultou em custos maiores na construção do reservatório. Porém, com relação ao custo total, tal influência é atenuada no sentido orçamentário. Outro destaque está na formulação de uma metodologia de dimensionamento do sistema, no que tange ao diâmetro ótimo da adutora, características da bomba (vazão e altura manométrica nominais) e do reservatório. Assim, obtendo resultados hidro energético semelhantes à de um sistema otimizado. Com isso, tal metodologia tem potencial para ser utilizada no auxílio da tomada de decisão e gestão hidro energética desses sistemas.

While there are a number of energy efficiency-related actions in water pumping systems, investments in the business focus primarily on upgrading new technologies or on projects that seek alternatives to improve efficiency on a timely basis. However, a microeconomic solution may not solve macroeconomic efficiency. Therefore, one of the aspects investigated in the research was to relate the importance of reservoir operation as a tool for planning and implementation of energy efficiency, as well as minimizing the total cost. To achieve this objective, a generic system typology was developed, consisting of two lower and upper reservoirs, a motor-pump assembly and a water supply, responsible for the transport of water between them. We evaluated 160 geometric possibilities of this system, formed from the combination of different geometric heights, lengths of the water mains, daily consumption volumes and on top of two methodologies of sizing the volumetric capacity of the reservoir. Recording hydro energy information over 30 years of operation and in three situations in time: beginning, middle and end. For the hydropower information and performance indicators, a simulation model (associated with the EPANET2 Programmer Toolkit) was developed to calculate the installation cost, consumption and energy cost. Even coupled with a multiobjective optimization algorithm that was used to obtain the optimal diameter, pump characteristics and its operating rules. By checking the relationship of reservoir volume and its operating rules with energy efficiency and total cost, it was defined that a variable operating alternative (control scenario and float key) over time presented better hydropower performances for the system. Other information concerns the relationship of volumetric capacity in cost composition (operating, installation and total), which directly influences operating cost. With the increase of volumetric capacity, there was an improvement in the energy economical performance, however, resulted in higher costs in the reservoir construction. However, in relation to the total cost, such influence is attenuated in the budgetary sense. Another highlight is the formulation of a system sizing methodology, regarding the optimal diameter of the water mains, pump characteristics (nominal flow and head) and reservoir. Thus obtaining hydro energy results similar to that of an optimized system. Thus, such methodology has the potential to be used to aid decision making and hydro energy management of these systems.