Exclusivo publicado na 1ª Edição Engenho&Arte, Março 2021 - Revista AQUI
Resumo
Vários estudos têm mostrado as diferentes oportunidades de aplicação de micro hídricas (MHP) para recuperação de energia e redução de CO2 no setor de água. Neste artigo pretende-se mostrar uma avaliação em grande escala desse potencial, utilizando um conjunto de dados de seis regiões da UE (Irlanda, Irlanda do Norte, Escócia, País de Gales, Espanha e Portugal) para os setores de água potável, irrigação e águas residuais. Extrapolando a base de dados desenvolvida, o potencial MHP anual total pode considerar-se como estimado em aproximadamente 600 GWh, dependendo de vários fatores, divididos entre Irlanda (15,5-32,2 GWh), Escócia (17,8-139,7 GWh), Irlanda do Norte (5,9-8,2 GWh), País de Gales (10,2-8,1 GWh), Espanha (375,3-539,9 GWh) e Portugal (57,6-93,5 GWh), e distribuídos em água potável (43% -67%), para irrigação (51% -30%), e águas residuais (6% -3%). Num estudo recente os resultados demonstraram reduções no consumo de energia nas redes de água que podem ir até cerca de 13%. Foi evidenciado que uma proporção significativa de energia poderia ser explorada em alguns locais, com uma contribuição valiosa para ganhos líquidos de eficiência energética e reduções de emissões de CO2. Os benefícios económicos, que devem ser um incentivo político e que necessitam para estimular soluções MHP em redes do sector da água, irão permitir atingir as metas de redução de emissões de CO2 tão desejadas.
Por outro lado, a segurança das infraestruturas e a inconsistências em relação a medições de caudal em circuitos hidráulicos reais foram detetadas com implicações na sua real eficiência. Estudos intensivos afirmam que esses erros estão principalmente associados aos equipamentos de medição e à baixa precisão ligada às perturbações induzidas pelas solicitações no sistema. Para verificar a origem desses problemas de medição e controlo das forças hidrodinâmicas, a interação fluido-estrutura permite avaliar as condições de operação, através da utilização de um modelo numérico CFD (Computational Fluid Dynamics). Para validar os resultados fornecidos pelo modelo numérico, devem desenvolver-se campanhas experimentais em instalações desenvolvidas para o efeito, utilizando equipamentos sofisticados do tipo transdutores de pressão e velocímetros dopplers ultrassónicos (UDV) para calibração e compreensão do comportamento dinâmico que possa ocorrer. Para complicar mais o estudo, apresenta-se o comportamento de escoamentos bifásicos, que são extremamente instáveis e perigosos e podem ocorrer em qualquer sistema hidráulico durante a operação se não for bem dimensionado.
Introdução
É do conhecimento público, que a atividade humana afeta fortemente os recursos hídricos. A distribuição desigual de disponibilidades e consumos, o crescimento populacional, as alterações climáticas e a má gestão da água agravaram a situação de extremo stress hídrico. A Figura 1 apresenta um mapa de disponibilidades e de avaliação global do stress hídrico, expondo o volume anual capturado por municípios, indústrias e agricultura, como uma percentagem da disponibilidade de água. Assim, os valores mais elevados indicam um maior consumo em relação à água disponível, onde será necessário adotar uma abordagem mais sustentável da gestão da água de forma inteligente e integrada. O conceito de sistema de água inteligente utiliza tecnologias de informação avançadas para dados de monitorização com vista a um maior controlo e eficiência na alocação de recursos. Além disso, para aumentar a eficiência no controlo de perdas de água, a prevenção e a deteção precoce de fugas permitem o desenvolvimento das melhores práticas na gestão de ativos.
"FOI EVIDENCIADO QUE UMA PROPORÇÃO SIGNIFICATIVA DE ENERGIA PODERIA SER EXPLORADA EM ALGUNS LOCAIS"
Através das inovações tecnológicas, as redes de água inteligentes podem reduzir custos, aumentar a qualidade do seu serviço e otimizar a operação do sistema no controlo de perdas, na eficiência hídrica e energética, na segurança e na operacionalidade com vista à melhoria da gestão dos recursos hídricos e da operação dos sistemas.
Recuperação de energia, modelos de simulação e controlo da pressão
Dados sobre a localização, caudal e condições de pressão nas infraestruturas de água existentes numa zona da União Europeia foram analisados de várias concessionárias de água e organizações públicas, tanto na Irlanda, Irlanda do Norte, Escócia, País de Gales, Portugal e Espanha (Mitrovic et al (2021). Os dados foram compilados, em particular como parte de um projeto de investigação financiado pela UE, o projeto REDAWN, na zona específica da Europa do Espaço Atlântico, www.REDAWN.eu. Os dados dizem respeito às infraestruturas das redes de água existentes, que apresentam potencial, com quantidades significativas de excesso de pressão, que poderiam ser usadas para gerar hidroenergia, sem interferir com os requisitos para os fins a que se destina o serviço de água. Esses locais existentes, onde o excesso de pressão é intencionalmente dissipado são identificados como: válvulas redutoras de pressão, válvulas de controle, câmaras de perda de carga, entradas de reservatório alimentados por gravidade, entradas de estações de tratamento de sistemas gravíticos e nos efluentes das estações de tratamento de águas residuais.
As válvulas redutoras de pressão são dispositivos hidromecânicos que, com a passagem da água, reduzem a pressão através de uma perda de carga, permitindo o controlo da pressão sempre que há excesso e pode por em risco a segurança das instalações hidráulicas (Figura 2).
Fig. 2 - Válvulas redutoras de pressão (VRP) em sistemas do sector da água para controlo das perdas, com georreferenciação; utilização de micro-turbinas no aproveitamento de energia e controlo da pressão
Devido às complexas redes de distribuição de água (Figura 3), o sistema SIG torna-se imprescindível para a gestão dos dados georeferenciados, na definição de localizações, características, deteções, incluindo as componentes espaciais que possibilitam o planeamento e a gestão da melhoria em termos de localização das seções críticas. A aplicação do potencial SIG permite a agilização de processos, a análise de várias situações, a localização de clientes, passando de uma tecnologia inexistente a um recurso integrado com a simulação hidráulica através de modelos, como o EPANET.
Deste modo, é possível identificar locais específicos para a recuperação do excesso de energia do escoamento. Investigações anteriores mostraram o potencial da instalação de micro-turbinas (micro-hydropower - MHP) para recuperar energia a partir do excesso de pressão, sem afetar os consumidores ou os processos a jusante. A recolha de dados sobre esses locais existentes nas infraestruturas de água, permitiu a avaliação do potencial de produção de energia que poderia ser alcançado com a instalação de micro-turbinas.
A metodologia assim definida facilita a avaliação do potencial da infraestrutura existente. Embora as válvulas redutoras de pressão (VRPs), e.g., existam em redes de água para reduzir o excesso de pressão, a sua presença não se faz em todos os sistemas hidráulicos e pode haver excesso de pressão em redes de água onde nem existem VRPs. Como tal, a abordagem só pode avaliar o potencial de substituição ou o acoplamento de turbinas na infraestrutura existente, muitas vezes em redes complexas (Figura 4), com diferentes componentes. Para obter uma avaliação do potencial ótimo de possíveis micro-turbinas em redes do sector da água, é necessário avaliar os modelos hidráulicos de simulação de cada rede, o que nem sempre é possível a uma escala global.
Os modelos de simulação hidráulica, permitem analisar diferentes cenários de localização otimizada de dispositivos de medição e controlo, assim como selecionar os melhores locais que apresentem maior potencial hidroenergético.
"POSSÍVEL IDENTIFICAR LOCAIS ESPECÍFICOS PARA A RECUPERAÇÃO DO EXCESSO DE ENERGIA DO ESCOAMENTO"
Estimativa do potencial hidroenergético
Com base em estudos aprofundados de conhecimentos recentes sobre a recuperação de energia em sistemas hidráulicos e na análise de dados de 8 828 locais de redes de água (cf Quadro 1), foram criadas bases de dados para a Irlanda, Irlanda do Norte, Escócia, País de Gales, Espanha e Portugal sobre o que existe ou está disponível para análise. Identificaram-se 30 concessionárias de água e entidades públicas (de redes de água potável, residuais e irrigação) nessas regiões. Mais de 73% dos serviços públicos contatados estavam em posição de fornecer dados com diferentes detalhes de resolução e espaço temporal. Os dados obtidos incluíram o caudal médio anual e informações de pressão, com longos registos de dados em intervalos de 5 minutos. No entanto, a maioria dos dados apresenta uma menor resolução temporal e, consequentemente a avaliação subsequente multi-país, do potencial de energia foi conduzida com base em valores médios anuais e respetivas condições de pressão.
No Quadro 1 apresentam-se os resultados da análise sobre potenciais locais de recuperação de energia hídrica.
Quadro 1 - Número de locais potenciais para recuperação de energia MHP nas seis regiões selecionadas da UE: dados obtidos por setor
O Quadro 2 mostra o potencial de energia em redes de abastecimento de água potável das regiões examinadas. Um total de 17944 kW foi identificado a partir de dados de redes existentes nas seis regiões investigadas. A maior parte desta estimativa foi na Escócia (15516 kW), que tinha uma base de dados bastante completa e bem definida. A segunda maior estimativa com um conjunto de dados, foi a Irlanda do Norte, com 859 kW.
Quadro 2 - Estimativa do potencial energético (>2kW) por região para as redes de abastecimento de água potável em função da população servida
Relativamente às águas residuais apresenta-se a estimativa do potencial energético no Quadro 3.
Quadro 3 - Potencial energético de MHP no sector de águas residuais.
Foi ainda estimado um total de 3206 kW de potência, em estações de tratamento de águas residuais nas seis regiões avaliadas, em função da população servida. O baixo nível inerente à maioria dos sistemas de tratamento de águas residuais resultou num potencial hidroenergético relativamente pequeno deste setor, em comparação com os sistemas de abastecimento de água potável, totalizando um total anual de 28,0 GWh.
No sector dos sistemas de rega, as regiões com maior potencial são as do sul da UE, neste caso, em particular Portugal e Espanha, cujo fator médio do potencial de recuperação de energia para a superfície irrigada foi estimado em 0,08 kW/ha. Neste caso, as áreas de superfície irrigadas eram áreas a jusante de cada instalação potencial micro-hídrica, de acordo com a topologia das redes de irrigação analisadas (Figura 5).
Fig. 5 - Distribuição espacial das redes de irrigação analisadas no sul de Espanha e Portugal perfazendo cerca de 177 locais potenciais para recuperação de energia MHP
Deste modo, as estimativas de potência e potencial hidroenergético para MHP a partir da análise de regiões com redes de rega pressurizadas em Portugal sintetizam-se no Quadro 4, onde se pode observar nas duas regiões Alentejo e Algarve com maior potencial hidroenergético total anual de 24 GWh. No caso de Espanha, inclui-se a maioria da superfície de irrigação, com a relação entre a água de rega e o volume total e a extrapolação de potência e energia para as principais regiões, totalizando um potencial hidroenergético anual total de 221,4 GWh.
Quadro 4 – Potencial hidroenergético das redes de rega em Portugal e Espanha
No total pode afirmar-se que a potência instantânea estimada das redes de rega em Espanha e Portugal foi de cerca de 120,5 MW e considerando que o funcionamento das redes se concentra tipicamente nos meses de verão, a energia total anual disponível recuperada através de micro-hídricas (MHP) foi estimada em 245,4 GWh.
Resumo do potencial hidroenergético total no sector da água
A energia anual total estimada nas seis regiões analisadas e nos três setores de água é de cerca de 600 GWh, dependendo dos fatores selecionados para a estimativa do potencial de energia no setor de água potável. A maior parte da energia identificada encontra-se localizada em redes de água potável e de irrigação (cerca de 50% para água potável e 40% para irrigação).
No Quadro 5 apresenta-se o resumo do total anual estimado para o potencial hidroenergético MHP em GWh nas seis regiões da UE sujeitas a análise, para os três setores de água.
Quadro 5 - Estimativa total para o potencial energético de 6 regiões da UE
Segurança estrutural das instalações hidráulicas
Os circuitos hidráulicos ou de transporte de fluidos, em geral, estão sujeitos a diferentes solicitações induzindo uma certa vulnerabilidade nessas infraestruturas. Entenda-se por vulnerabilidade a suscetibilidade de um elemento ou conjunto de elementos apresentarem falhas quando expostos a fenómenos associados a algum perigo. Tais perigos podem depender de diversos fatores causadores de inúmeros problemas, em particular, quando são negligenciados nas diferentes fases de um projeto: na conceção, no dimensionamento, na execução e durante a operação.
A segurança dos sistemas hidráulicos com análise da componente estrutural associada à variação de pressão é de extrema importância e deve ser considerada desde as primeiras fases do projeto. A deformada do sistema devido à ação sísmica conjuntamente com o peso próprio da estrutura e o peso da água mostram efeitos devastadores tanto em condutas enterradas como aéreas (Figura 6).
Fig. 6 – Condutas adutoras e roturas devido à ação sísmica ou a variações de pressão: redes de água, gás, de drenagem, de eletricidade interrompidas e cargas e momentos fletores ao longo dos trechos de conduta quando sujeitos a solicitações.
O uso de um elemento de viga (1D) é aplicável à maioria das estruturas, e.g., pontes, estradas, passadiços ou pontes pedonais, suportam análises lineares e não lineares, incluindo plasticidade, grandes deformações e colapso. É comum a sua utilização em especialmente quando:
· o comprimento do elemento é muito maior do que a largura ou profundidade;
· o elemento tem propriedades consistentes de seção transversal;
· o elemento deve ser capaz de transferir momentos;
· o elemento deve ser capaz de lidar com uma carga distribuída ao longo do seu comprimento.
Medição, simulação e controlo
A utilização de sistemas de medição e controlo na interação fluido estrutura, onde a pressão e o caudal são variáveis fundamental da análise 3D, o que permite obter a resposta a determinadas solicitações a que um determinado sistema hidráulico pode estar sujeito. Na Figura 7 apresenta-se um exemplo de uma instalação reproduzida em modelo reduzido para análise dos efeitos hidrodinâmicos que ocorrem na realidade numa abordagem 3D ou, em alguns casos simplificando para 2D.
Figura 7- Análises hidrodinâmicas do comportamento dos sistemas de medição e controlo aos efeitos dinâmicos associados a determinadas solicitações
O modelo computacional da dinâmica dos fluidos (CFD) deve ser utilizado em análises avançadas da modelação dinâmica dos fluidos do tipo Multiphysics, e apresenta resultados precisos para diversos problemas de escoamento de fluidos utilizando modelos matemáticos baseados no método dos elementos finitos (FEM), que usa a conservação aplicadas às equações de Navier-Stokes (RANS com média de Reynolds) como equações que governam o escoamento:
O método dos elementos finitos (FEM) é um método computacional que divide um objeto em elementos menores, criando malhas de cálculos 2D ou 3D. A cada elemento é atribuído um conjunto de equações características que são resolvidas como um sistema de equações para estimar o comportamento desse mesmo objeto. Dos modelos de turbulência desenvolvidos, o modelo k-ε é um modelo bastante comum e usado, principalmente para aplicações industriais devido à boa relação de convergência e requisitos de memória relativamente comportáveis. Este modelo resolve duas variáveis: k, a energia cinética da turbulência; e ε, a taxa de dissipação da energia cinética de turbulência.
Na Figura 8 apresentam-se os resultados de medições do perfil de velocidades através de equipamentos de medição sofisticados do tipo doppler, não intrusivos, e os resultados de simulação de um modelo de CFD na obtenção da distribuição de velocidades 2D e 3D num trecho crítico do escoamento, sujeito a efeitos hidrodinâmicos que podem dar origem a estimativas erradas do caudal ou a valores de pressão não uniforme com consequências danosas para as respetivas juntas e desastrosas para o sistema, induzindo roturas e a interrupção do seu funcionamento.
Fig. 8 – Distribuição de velocidades e das linhas de corrente do escoamento induzidas por curvas e efeitos rotativos no escoamento.
Muitas vezes, em fases de enchimento ou ocorrência de cavitação é possível visualizar bolsas de ar aprisionadas ou libertadas em pontos altos do perfil do circuito hidráulico, que ao serem comprimidas dão origem a valores de pressão extremos, acima da resistência estrutural da conduta, conduzindo ao deslocamento ou até a rotura da mesma. Na Figura 9 mostra-se o efeito de uma bolsa de ar aprisionado num ponto alto de uma conduta que devido a solicitações hidrodinâmicas, induziu diferentes comportamentos consoante a variação de pressão e a dimensão da bolsa de ar no interior da conduta.
Fig. 9 - Deformação da interface de água/ar: valores numéricos e experimentais
A informação fornecida pelo simulador (Volume of Fluid – VOF ar/água) no que diz respeito à cinemática do gás assume relevância para a interpretação do comportamento da interface e também para melhor compreender o seu efeito direto no amortecimento das oscilações de pressão durante um regime variável ou transitório. Na Figura 9, a imagem superior mostra a distribuição das fases (o ar a vermelho e a água a azul).
Os balanços energéticos, de forças e dos caudais são essenciais para detetar fugas nos sistemas de abastecimento e distribuição, assim como identificar as instabilidades associadas à ocorrência de acidentes. Se a medição não for precisa, entendida ou controlada, pode dar origem a acidentes graves, ou a balanços de conservação da massa e energia errados.
Exclusivo publicado na 1ª Edição Engenho&Arte, Março 2021 - Revista AQUI
Helena M Ramos
Professora no IST Técnico Lisboa
Departamento de Engenharia Civil, Arquitectura e Georrecursos (DECivil), CERIS, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa;
hramos.ist@gmail.com e/ou helena.ramos@tecnico.ulisboa.pt
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