Regulação da pressão e recuperação de energia em redes de distribuição de água utilizando bombas que funcionam como turbina

Ingrid Luna Baia Viana; Jamile Caroline Moreira Batista; João Henrique  Macedo Sá; Rodolfo Vitorino Correia Ramalho; Raynner Menezes Lopes; Davi Edson Sales e Souza; André Luiz Amarante Mesquita

doi:10.5327/Z2176-94781551

Autores

Ingrid Luna Baia Viana Universidade Federal do Pará (UFPA) - Brasil https://orcid.org/0000-0003-3314-9322
Jamile Caroline Moreira Batista Universidade Federal do Pará (UFPA) - Brasil https://orcid.org/0000-0002-0843-0537
João Henrique Macedo Sá Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC) - Brasil https://orcid.org/0000-0001-8262-7226
Rodolfo Vitorino Correia Ramalho Universidade Federal do Pará (UFPA) - Brasil https://orcid.org/0000-0002-4420-7922
Raynner Menezes Lopes Universidade Federal do Pará (UFPA) - Brasil https://orcid.org/0000-0001-8346-1280
Davi Edson Sales e Souza Universidade Federal do Pará (UFPA) - Brasil https://orcid.org/0000-0001-9632-5667
André Luiz Amarante Mesquita Universidade Federal do Pará (UFPA) - Brasil https://orcid.org/0000-0001-5559-5580

DOI:

https://doi.org/10.5327/Z2176-94781551

Palavras-chave:

setorização de WDN; operação PAT fora de projeto; controle da pressão; recuperação de energia; sustentabilidade

Resumo

As redes de distribuição de água (WDN) são consideradas fonte renovável potencial, apresentando energia de pressão mais que suficiente para entregar água aos usuários. Para controlar a pressão excessiva, comumente as WDN são divididas em áreas de medição distrital (DMA), com válvulas redutoras de pressão (PRV). A energia desperdiçada pelas PRV pode ser recuperada por bombas como turbinas (PAT). Entretanto, a seleção da bomba adequada ainda é um desafio, pois devem-se considerar as mudanças diárias de pressão e vazão dos consumidores (off-design). Neste artigo, uma combinação de modelos foi validada e aplicada para selecionar a bomba adequada para operar em uma WDN real. A substituição de duas PRV por PAT de uma rede real previamente dividida em duas DMA, operando em velocidade constante, foi investigada. As análises econômica e ambiental também foram efetuadas. A PAT1 foi tecnicamente melhor que PAT2, que apresentou pressão de saída negativa, prejudicando a pressão na DMA2. As melhores eficiências só ocorrem nas vazões no melhor ponto de eficiência da bomba ou próximo a ele, reproduzindo o controle da pressão como se fossem as próprias válvulas. A melhor bomba recuperou 4.331 kWh/ano, o equivalente à redução de 1.732.400 gCO2/ano, atendendo duas casas categorizadas como baixa renda. A utilização de PAT mostrou-se uma alternativa viável, com período de retorno de 2,1 anos, uma vez que é capaz de recuperar a energia renovável. Contudo, para o controle efetivo da pressão em WDN, devem-se buscar outras estratégias de operação, como a operação em velocidade variável.

Downloads

Não há dados estatísticos.

Referências

Alatorre-Frenk, C., 1994. Cost Minimisation in Micro-Hydro Systems Using Pumps-as-Turbines. Thesis.

Alberizzi, J.C.; Renzi, M.; Nigro, A.; Rossi, M., 2018. Study of a Pump-as-Turbine (PaT) Speed Control for a Water Distribution Network (WDN) in South-Tyrol Subjected to High Variable Water Flow Rates. Energy Procedia, v. 148, 226-233. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.08.072.

Alves, I.M.; Bezerra, S.T.M.; Silva, G.L.; Duarte, A.D.; Maranduba, H.L., 2022. Analysis of the Water–Energy–Greenhouse Gas Nexus in a Water Supply System in the Northeast of Brazil. Brazilian Journal of Environmental Sciences (RBCIAMB), v. 57, (1), 12-21. https://doi.org/10.5327/z217694781036.

Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), 2017. NBR 12218/2017: Projeto de Rede de Distribuição de Água Para Abastecimento Público. Rio de Janeiro, ABNT.

Balacco, G.; Binetti, M.; Caporaletti, V.; Gioia, A.; Leandro, L.; Iacobellis, V.; Sanvito, C.; Piccinni, A. F., 2018. Innovative Mini-Hydro Device for the Recharge of Electric Vehicles in Urban Areas. International Journal of Energy and Environmental Engineering, v. 9, 435-445. https://doi.org/10.1007/s40095-018-0282-8.

Bhattacharya, M.; Paramati, S.R.; Ozturk, I.; Bhattacharya, S., 2016. The Effect of Renewable Energy Consumption on Economic Growth: Evidence from Top 38 Countries. Applied Energy, v. 162, 733-741. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2015.10.104.

Brasil. Governo do Brasil, 2014. Inventário Nacional de Emissões Atmosféricas Por Veículos Rodoviários (Accessed October, 2022). Retrieved from: https://antigo.mma.gov.br/images/arquivo/80060/Inventario_de_Emissoes_por_Veicul os_Rodoviarios_2013.pdf.

Caputo, A.; Sarti, C., 2015. Fattori Di Emissione Atmosferica Di CO2 e Sviluppo Delle Fonti Rinnovabili Nel Settore Elettrico, Rapporto ISPRA 212/2015.

Carravetta, A.; Fecarotta, O.; Giudic, G. del; Ramos H., 2014. Energy Recovery in Water Systems by PATs: A Comparisons among the Different Installation Schemes. Procedia Engineering, v. 70, 275-284. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2014.02.031.

Carravetta, A.; Fecarotta, O.; Ramos, H.M., 2018. A New Low-Cost Installation Scheme of PATs for Pico-Hydropower to Recover Energy in Residential Areas. Renewable Energy, v. 125, 1003-1014. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.02.132.

Coelho, B.; Andrade-Campos, A., 2018. Energy Recovery in Water Networks: Numerical Decision Support Tool for Optimal Site and Selection of Micro Turbines. Journal of Water Resources Planning and Management, v. 144, (3). https://doi.org/10.1061/(asce)wr.1943-5452.0000894.

Corcoran, L.; Coughlan, P.; McNabola, A., 2013. Energy recovery potential using micro hydropower in water supply networks in the UK and Ireland. Water Science and Technology: Water Supply, v. 13, (2), 552-560. https://doi.org/10.2166/ws.2013.050

Covelli, C.; Cimorelli, L.; Cozzolino, L.; Morte, R.; Pianese, D., 2016. Reduction in Water Losses in Water Distribution Systems Using Pressure Reduction Valves. Water Science and Technology: Water Supply, v. 16, (4), 1033-1045. https://doi.org/10.2166/ws.2016.020.

Crespo Chacón, M.; Díaz, J.A.R.; Morillo, J.G.; McNabola, A., 2020. Hydropower Energy Recovery in Irrigation Networks: Validation of a Methodology for Flow Prediction and Pump as Turbine Selection. Renewable Energy, v. 147, (part 1), 1728-1738. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.09.119.

Damodaran, A., 2019. Equity Risk Premiums (ERP): Determinants, Estimation and Implications. https://doi.org/10.2139/ssrn.4066060.

Derakhshan, S.; Nourbakhsh, A., 2008. Experimental Study of Characteristic Curves of Centrifugal Pumps Working as Turbines in Different Specific Speeds. Experimental Thermal and Fluid Science, v. 32, (3), 800-807. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2007.10.004.

Duarte, A.R.; Bezerra, U.H.; Tostes, M.E.L.; Duarte, A.A.A.M., 2010. A proposal of electrical power supply to Brazilian Amazon remote communities. Biomass and Bioenergy, v. 34, (9), 1314-1320. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2010.04.004.

Ebrahimi, S.; Riasi, A.; Kandi, A., 2021. Selection Optimization of Variable Speed Pump as Turbine (PAT) for Energy Recovery and Pressure Management. Energy Conversion and Management, v. 227, 113586. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113586.

Fontana, N.; Giugni, M.; Portolyear, D., 2012. Losses Reduction and Energy Production in Water-Distribution Networks. Journal of Water Resources Planning and Management, v. 138, (3), 237-244. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WR.1943-5452.0000179.

Henrique, C.; Carvalho, R., 2011. Emissões Relativas de Poluentes Do Urbyear (Accessed October, 2022). Retrieved from: https://www.ipea.gov.br/portal/index.php?option=com_content&view=article&id=9567.

Irena, I., 2012. Renewable energy technologies: Cost analysis series. Concentrating solar power 4.

Lima, G.M.; Luvizotto, E.; Brentan, B.M., 2017. Selection and Location of Pumps as Turbines Substituting Pressure Reducing Valves. Renewable Energy, v. 109, 392-405. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.03.056.

Liu, M.; Tan, L.; Cao, S., 2019. Theoretical Model of Energy Performance Prediction and BEP Determination for Centrifugal Pump as Turbine. Energy, v. 172, 712-732. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.162.

Mitrovic, D.; Morillo, J.G.; Díaz, J.A.R.; McNabola, A., 2021. Optimization-Based Methodology for Selection of Pump-as-Turbine in Water Distribution Networks: Effects of Different Objectives and Machine Operation Limits on Best Efficiency Point. Journal of Water Resources Planning and Management, v. 147, (5). https://doi.org/10.1061/(asce)wr.1943-5452.0001356.

Muhammetoglu, A.; Karadirek, İ.E.; Ozen, O.; Muhammetoğlu, H., 2017. Full-scale PAT application for energy production and pressure reduction in a water distribution network. Journal of Water Resources Planning and Management, v. 143, (8), 4017040. https://doi.org/10.1061/(asce)wr.1943-5452.0000795.

Padilha, J.L.; Mesquita, A.L.A., 2022. Waste-to-energy effect in municipal solid waste treatment for small cities in Brazil. Energy Conversion and Management, v. 265, 115743. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.115743.

Polák, M., 2019. The Influence of Changing Hydropower Potential on Performance Parameters of Pumps in Turbine Mode. Energies, v. 12, (11), 2103. https://doi.org/10.3390/en12112103.

Renzi, M.; Nigro, A.; Rossi, M., 2020. A Methodology to Forecast the Main Non-Dimensional Performance Parameters of Pumps-as-Turbines (PaTs) Operating at Best Efficiency Point (BEP). Renewable Energy, v. 160, 16-25. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.05.165.

Renzi, M.; Rossi, M., 2019. A Generalized Theoretical Methodology to Forecast Flow Coefficient, Head Coefficient and Efficiency of Pumps-as-Turbines (PaTs). Energy Procedia, v. 158, 129-134. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2019.01.057.

Rossi, M.; Nigro, A.; Renzi, M., 2019. Experimental and Numerical Assessment of a Methodology for Performance Prediction of Pumps-as-Turbines (PaTs)Operating in off-Design Conditions. Applied Energy, v. 248, 555-566. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.04.123.

Rossi, M.; Renzi, M., 2018. A General Methodology for Performance Prediction of Pumps-as-Turbines Using Artificial Neural Networks. Renewable Energy, v. 128, (part A), 265-274. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.05.060.

Rossi, M.; Righetti, M.; Renzi, M., 2016. Pump-as-Turbine for Energy Recovery Applications: The Case Study of An Aqueduct. Energy Procedia, v. 101, 1207-1214. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2016.11.163.

Sales e Souza, D.E., 2022. Recuperação de Energia Em Redes de Distribuição de Água Com a Utilização de Bomba Funcionando Como Turbina Em Velocidade Variável. Thesis, Universidade Federal do Pará, Belém (Accessed February, 2023). Retrieved from: chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/http://repositorio.ufpa.br/jspui/bitstream/2011/15080/1/Tese_RecuperacaoEnergiaRedes.pdf.

Sharma, K.J.K.E.C., 1985. Small Hydroelectric Project-Use of Centrifugal Pumps as Turbines. Bangalore, Kirloskar Electric Co.

Singh, P.; Nestmann, F., 2010. An Optimization Routine on a Prediction and Selection Model for the Turbine Operation of Centrifugal Pumps. Experimental Thermal and Fluid Science, v. 34, (2), 152-164. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2009.10.004.

Souza, D.E.S.; Mesquita, A.L.A.; Blanco, C.J.C., 2021. Pump-as-Turbine for Energy Recovery in Municipal Water Supply Networks. A Review. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, Springer Science and Business Media Deutschland GmbH. https://doi.org/10.1007/s40430-021-03213-z.

Souza, D.E.S.; Mesquita, A.L.A.; Blanco, C.J.C., 2023. Pressure Regulation in a Water Distribution Network Using Pumps as Turbines at Variable Speed for Energy Recovery. Water Resources Management, v. 37, 1183-1206. https://doi.org/10.1007/s11269-022-03421-9.

Spedaletti, S.; Rossi, M.; Comodi, G.; Salvi, D.; Renzi, M., 2021. Energy Recovery in Gravity Adduction Pipelines of a Water Supply System (WSS) for Urban Areas Using Pumps-as-Turbines (PaTs). Sustainable Energy Technologies and Assessments, v. 45, 101040. https://doi.org/10.1016/j.seta.2021.101040.

Stefanizzi, M.; Capurso, T.; Balacco, G.; Binetti, M.; Camporeale, S.M.; Torresi, M., 2020. Selection, Control and Techno-Economic Feasibility of Pumps as Turbines in Water Distribution Networks. Renewable Energy, v. 162, 1292-1306. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.08.108.

Stefanizzi, M.; Torresi, M.; Fornarelli, F.; Fortunato, B.; Camporeale, S.M., 2018. Performance Prediction Model of Multistage Centrifugal Pumps Used as Turbines with Two-Phase Flow. Energy Procedia, v. 148, 408-415. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.08.102.

Tan, X.; Engeda, A., 2016. Performance of Centrifugal Pumps Running in Reverse as Turbine: Part Ⅱ-Systematic Specific Speed and Specific Diameter Based Performance Prediction. Renewable Energy, v. 99, 188-197. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.06.052.

Williams, A.A., 1994. The Turbine Performance of Centrifugal Pumps: A Comparison of Prediction Methods. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, v. 208, (1), 59-66. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1994_208_009_02.

Yang, S.-S.; Derakhshan, S.; Kong, F.-Y., 2012. Theoretical, Numerical and Experimental Prediction of Pump as Turbine Performance. Renewable Energy, v. 48, 507-513. https://doi.org/10.1016/j.renene.2012.06.002.