MODELAGEM COMPUTACIONAL COMO FERRAMENTA PARA ESTUDOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO SANEAMENTO

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1 MODELAGEM COMPUTACIONAL COMO FERRAMENTA PARA ESTUDOS DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NO SANEAMENTO Vinícius A. Martins 1, Agustin M. E. A. Perez 1, Katheryne L. N. Bardales 1, Fábio V. Gonçalves 1, Peter B. Cheung 1, Carlos N. Ide 1 Resumo - O aumento da demanda por água, associado a crescente urbanização das cidades obriga os prestadores de serviços de saneamento adequarem e/ou melhorarem os sistemas de distribuição de água de forma atender as metas de universalização. Geralmente, essas modificações no sistema (expansão), alteram o comportamento operacional dos sistemas de bombeamento, principalmente, em relação ao aumento no tempo de bombeamento. Do ponto de vista econômico, tais mudanças elevam os custos de energia elétrica nos sistemas de bombeamento. O presente trabalho tem como objetivo demonstrar como a modelagem computacional pode auxiliar estudos de eficiência energética. A metodologia foi aplicada no sistema adutor da cidade de Campo Grande (MS). Índices de eficiência energética foram adotados para verificar o impacto causado pela troca de um motor de uma bomba em linha. Abstract The increase of water demand associated to city urbanization has obliged water utilities adequate and/or improve water distribution systems in order to guarantee supply goals. Usually, such system modifications (e.g. expansion) change the operational behavior of pumping systems mainly in terms of pumping time. Economically, these modifications increase electrical costs. The interest of this paper is to demonstrate as the computational modeling may aid efficient energy studies. The methodology was applied to real case study of Campo Grande (MS). Efficient energy indexes were adopted for verifying the impact caused by pump motor replacement. Palavras-chave: sistemas de distribuição de água, modelagem computacional, eficiência energética 1 Universidade Federal de Mato Grosso do Sul Centro de Ciências Exatas e Tecnologia Departamento de Hidráulica e Transportes Laboratório de Eficiência Energética e Hidráulica no Saneamento - Campo Grande - MS CEP: Fone: 0xx Fax: 0xx viniciusalvesmartins@gmail.com.

2 1. INTRODUÇÃO Sistemas de abastecimento de água são infra-estruturas comuns aos núcleos populacionais urbanos, cujo principal objetivo é oferecer aos consumidores, água com quantidade e qualidade satisfatória. Porém, ao longo do tempo tais sistemas sofrem deteriorações (aumento da rugosidade das tubulações, vazamentos, componentes hidráulicos deteriorados e outros) que alteram o comportamento econômico (custos) e operacional (confiabilidade). Muito destes problemas tem se caracterizado pelo aumento acentuado da demanda para níveis que extrapolam as previsões e a capacidade da oferta de água. Essas deficiências provocam aumento dos custos de energia e faz com que esses sistemas passem a trabalhar sob condições adversas, distintas das previstas no projeto inicial. Sendo assim, a modelagem hidráulica de sistemas de distribuição de água se apresenta como ferramenta que permite avaliar o comportamento dos elementos que os compõem, sempre que o modelo tenha sido construído, considerando as características físicas da rede na forma mais próxima da realidade. Uma ferramenta de simulação hidráulica computacional, como o programa EPANET, é de grande utilidade na modelagem hidráulica e permite considerar elementos elétricos, como bombas e suas características operacionais para simulação ao longo do tempo. Este artigo descreve o trabalho de modelagem de um sistema de distribuição na cidade de Campo Grande, MS, motivado pela deficiência operacional de um dispositivo de bombeamento. Uma modelagem do sistema hidráulico foi desenvolvida em procura de respostas para as causas das deficiências e para determinar as possíveis soluções. Neste sentido o objetivo do estudo foi avaliar os indicadores de eficiência energética do sistema. 2. REVISÃO DA LITERATURA O aumento populacional urbano, associado à escassez de mananciais naturais de boa qualidade, perto dos centros de consumo, tem elevado crescimento da demanda a níveis que extrapolam as previsões e a capacidade de oferta de água. Com isso, o custo da água tratada ofertada se eleva, e o sistema como um todo passa a trabalhar em condições adversas, bastante distintas daquelas previstas no projeto inicial. O consumo de energia é indispensável para bombear a água bruta desde sua fonte de captação até as estações de tratamento (ETA), e posteriormente aos consumidores. Cada litro de água que é conduzido pelo sistema representa um custo significativo de energia; portanto quanto menos água for transportada, ou melhor, quanto tão eficiente for seu transporte, menores serão os custos associados à energia. No Brasil, o setor de saneamento consome 2,3% do total de energia elétrica gerada no País, isso significa 6,471 GW/ano (BAHIA, 1998). Normalmente, são verificadas perdas de energia elétrica nos procedimentos operacionais existentes, no dimensionamento dos sistemas, na idade dos equipamentos, nas tecnologias não eficientes utilizadas, na manutenção, nas formas contratuais e no desperdício de água. Segundo Tsutiya (2001), as despesas com energia elétrica representam o item de custo mais importante nas empresas de saneamento brasileiras, e o custo com consumo de energia elétrica, em motores para o acionamento de bombas, representa 90% do total das despesas. Diante deste cenário, os modelos de simulação de sistemas de distribuição de água, tem se apresentado como ferramentas eficazes, pois visam reproduzir a dinâmica de um sistema existente ou proposto, e com o fim de fornecer a resposta do sistema a uma dada manobra. Zahed (1990),

3 ressaltou que os modelos de simulação podem ser utilizados na operação em tempo real, com intuito de verificar a resposta do sistema a uma dada manobra; e que a simulação por períodos extensivos auxilia na operação, verificando se as pressões nos nós e nos pontos de reservação apresentam valores adequados, no entanto considerou que os modelos em períodos extensivos deveriam ser utilizados, admitindo-se uma curva de consumo conhecida ou adotada. Os modelos utilizados nas simulações realizam cálculos hidráulicos, que se baseiam nos princípios de Conservação da Massa e Conservação de Energia. Os dados do modelo simulador, ou a topologia do sistema, refere-se aos elementos físicos do sistema, tais como: comprimento, diâmetro e coeficiente de rugosidade da tubulação; cotas nos nós e nos dos reservatórios; dimensões dos reservatórios; curvas das bombas; localização dos medidores de pressão e válvulas (BORGES, 2004). Estes modelos são alimentados por dados cadastrais, para que seja realizada a introdução da topologia do sistema em estudo e dados operacionais como: a forma de operação do sistema e manobras de registros e válvulas; e dados de consumo como: as demandas de água observadas ou demandas previstas. Sob a ótica da operação, as simulações hidráulicas podem ser úteis dentre outras finalidades para: a identificação de problemas de abastecimento (pressão insuficiente ou exagerada e/ou qualidade de água distribuída); a otimização energética de sistemas de bombeamento e reservação (estudo de paralisação de elevatórias em horários críticos); a detecção de perdas; o treinamento de operadores (encarregados de operação e de manutenção); o simples entendimento do funcionamento do sistema que se opera; e o controle em tempo real (PROCEL, 2005). Atualmente, no mercado, existem muitos modelos de simulação hidráulica, no entanto, o EPANET destaca-se entre os demais modelos, por ser um software de distribuição gratuita e sem limitação de número de trechos. O EPANET é um programa de computador que permite executar simulações estáticas e dinâmicas, do comportamento hidráulico e de qualidade da água, de um sistema de distribuição. (ROSSMAN, 2001). O modelo de simulação hidráulica pode ser utilizado na análise de planos estratégicos de desenvolvimento como: a modificação do funcionamento operacional de grupos elevatórios e reservatórios para minimização de custos energéticos e tempos de percurso; para planejar e melhorar o desempenho hidráulico de um sistema, seja no projeto, ou na operação diária, ou no estudo de cenários de emergência; na modelação de bombas de velocidade constante ou variável; no cálculo da energia de bombeamento e do respectivo custo; na modelação de dispositivos para os quais a vazão dependa da pressão no nó; na configuração das condições de operação do sistema em controles simples, dependentes de uma só condição (período do dia, altura de água num reservatório de nível variável) ou em controles com condições múltiplas (desligar/ligar a bomba e abrir/fechar a tubulação de by-pass, quando a altura de água no reservatório de nível variável está acima ou abaixo de um determinado valor especificado. 3. METODOLOGIA A metodologia utilizada é composta por três etapas: (1) caracterização do sistema; (2) modelagem hidráulica; (3) avaliação da eficiência hidráulica e energética Caracterização do Sistema A caracterização do sistema envolve as atividades necessárias para construir um modelo que represente o sistema real. Inicialmente, faz-se uma coleta de dados de projeto, com informações

4 cadastrais do sistema, após isso, inicia-se o processo de construção do modelo e representação no programa de simulação e conclui-se com a adequação dos dados reais sobre a operação do sistema Levantamento das informações cadastrais O levantamento inicia-se com o traçado da rede, para isso foi utilizada a informação de cadastro da empresa responsável pela distribuição de água, em forma de arquivos eletrônicos, Computer Aided Drafting (CAD), registros sobre posteriores modificações e fotografias aéreas da região em estudo. Os dados relevantes, extraídos destes registros foram: as características físicas das tubulações (material, comprimento e diâmetro), as cotas de nível e localizações dos nós, as características e localizações dos reservatórios, posicionamento das válvulas e bombas. Adicionalmente, foi realizada uma campanha de campo para coleta de dados específicos relacionados com o funcionamento do sistema de abastecimento. Finalmente, a informação cadastral foi finalizada com dados sobre volumes e padrões de consumo e com as regras operacionais do sistema, que especificam os horários de liga e desliga das bombas e determinam as seqüências de ocorrência dos processos operacionais Construção do modelo via UFC/EPANET A construção de um modelo de rede hidráulica utilizando o EPANET apresenta dificuldades e consume muito tempo na etapa de introdução de dados, pela falta de um ferramental de desenho apropriado. Para contornar estas dificuldades, utilizou-se um aplicativo para o AutoCAD, UFC (CASTRO, 2005). Este aplicativo permite traçar a rede hidráulica utilizando os recursos de desenho do AutoCAD e atribuindo a cada tubulação as correspondentes propriedades mecânicas. Adicionalmente, o UFC identifica as curvas de nível no desenho CAD,e pode determinar as cotas dos nós do sistema através de interpolações. Finalmente, o aplicativo funciona como uma interfase de comunicação entre o AutoCAD e o EPANET, permitindo exportar os bancos de dados com informação geométrica e propriedades físicas do sistema Adequação aos dados reais operacionais Tendo-se constituído o sistema representativo, o próximo passo é adequar os dados para simular o comportamento hidrodinâmico do escoamento. Para a realização da simulação foi feita uma simplificação da rede, foi considerado como representação das redes dos bairros Cel. Antonino e Lageado, como sendo pontos contendo os consumos totais dos respectivos bairros, com seus respectivos padrões de demanda, esta simplificação foi adotada para facilitar a calibração dos dados preliminares. A entrada de dados dos componentes: reservatórios (nível fixo e variável) e booster, foi efetuada com o auxílio do aplicativo UFC, que fornece uma janela de entradas de dados que permite, tanto a entrada direta de dados, como a importação de dados já salvos em outros arquivos Simulação Hidráulica O modelo hidráulico, deve ser validado com a informação de monitoramento, especialmente coletada ou fornecida pela empresa responsável pelo fornecimento de água. Este é um procedimento que pode ser demorado, dependendo do nível de precisão e dos modelos estatísticos utilizados. No presente trabalho, realizaram-se as simulações hidráulicas, em busca de resultados a respeito das pressões e vazões, a jusante dos reservatórios dos bairros e da melhor condição de operação do booster.

5 3.3. Cálculo dos indicadores de Eficiência Energética De acordo com HADDAD et al. (2001) a eficiência energética pode ser definida como a capacidade de realizar um serviço e/ou produzir um bem com uma quantidade de energia inferior à que era usualmente consumida, sem que isso prejudique sua qualidade, conforto e eficiência. Com a finalidade de quantificar esta melhoria, utilizam-se os chamados indicadores de eficiência energética. De acordo com (PROCEL, 2005), dentre os mais comuns e os que apresentam maior utilização, pode-se destacar: Consumo específico de energia (CE): a análise do consumo de energia (kwh) ou da carga instalada (kw) em relação ao produto gerado, serviço prestado ou à área ocupada, produz indicadores de desempenho passíveis de comparação a padrões estabelecidos no país e exterior, por exemplo: em relação ao tratamento de água W/m3, etc. Pode-se projetar padrões muito mais eficientes de consumo de energia elétrica, considerando-se a utilização de produtos e processos de melhor desempenho energético. Para o cálculo do consumo específico de energia (CE), faz-se: CAi CE i = QP i CA: o consumo mensal de energia dado em kwh/mês QP: a quantidade de produto ou serviço produzido no mês pela unidade consumidora; i: índice referente ao mês de análise do histórico de dados Custo Médio de Energia: depende grandemente da forma como ela é utilizada. Caso esteja sendo usada eficientemente, seu custo médio é menor, e caso contrário, não é eficiente. Para análise do custo médio de energia, tem-se: CMe = CT CA = R$ kwh CT: Custo Total da Conta CA: o consumo mensal de energia dado em kwh/mês CMe: custo médio de energia ou custo unitário de energia. 4. RESULTADOS E DISCUSSÕES 4.1. Estudo de Caso O modelo construído representa um sistema real de abastecimento de água, da cidade Campo Grande, MS. O sistema referido é operado pela empresa de saneamento Águas Guariroba S.A. Tal sistema é constituído por quatro reservatórios, que abastece tanto por gravidade quanto através do booster, que foi construído e implantado para suprir a demanda nos horários de pico do sistema. As adutoras apresentam os diâmetros de: (700, 600, 500)mm, e abastecem dois reservatórios de dois bairros distintos, que apresentam as demandas determinadas. O sistema quando está recalcando água, utilizando-se do booster, não alimenta os dois bairros ao mesmo tempo, ou seja, quando o booster opera para um sistema, o outro bairro é alimentado por gravidade.

6 A figura 4.1 ilustra o sistema real: 4.2. Resultados da Simulação Figura Sistema real A rede desenhada em AutoCAD utilizando as ferramentas do UFC foi exportada para o EPANET, obtendo como resultado o modelo do sistema hidráulico em fase inicial. A figura 4.2 mostra as duas etapas importantes da construção do modelo, antes e depois de ser exportado para o EPANET. Esta primeira etapa da modelação finaliza com uma revisão que consiste em verificar a conectividade das tubulações e da correta atribuição de propriedades mecânicas aos elementos da rede. (a) (b) Figura Processo de construção do modelo hidráulico. (a) Rede exportada para o EPANET; (b).rede desenhada em Autocad com as curvas de nível. Como resultado foram obtidas informações relevantes a respeito do sistema, como: comportamento dos reservatórios de ambos os bairros, a figura 4.3 ilustra o comportamento das vazões de entrada destes reservatórios.

7 (a) (b) Figura 4.3: (a) Gráfico que representa o comportamento da vazão na entrada do reservatório do bairro Cel. Antonino; (b) gráfico que representa o comportamento da vazão na entrada do reservatório do bairro Lageado. Existe uma diferença entre as vazões de entrada e saída dos reservatórios, pois a demanda de consumo não é necessariamente igual à vazão que chega nos reservatórios, pois esta depende da vazão do booster, ou da vazão que é fornecida por gravidade pelos quatro reservatórios. A figura 4.4 representa o comportamento das vazões de saída dos reservatórios. (a) (b) Figura 4.4: (a) Gráfico que representa o comportamento da vazão na saída do reservatório do bairro Cel Antonino; (b) gráfico que representa o comportamento da vazão na saída do reservatório do bairro Lageado. As pressões nos reservatórios apresentam comportamento contrário ao apresentado pelos consumos, logo é um importante parâmetro a ser analisado para um bom entendimento do sistema. O comportamento das pressões na entrada e saída dos reservatórios para ambos os bairros estão ilustradas pelas figuras 4.5 e 4.6, abaixo:

8 (a) (b) Figura 4.5: (a) Gráfico que representa o comportamento da pressão na entrada do reservatório do bairro Cel. Antonino; (b) gráfico que representa o comportamento da pressão na saída deste reservatório. (a) (b) Figura 4.6: (a) Gráfico que representa o comportamento da pressão na entrada do reservatório do bairro Lageado; (b) gráfico que representa o comportamento da pressão na saída deste reservatório. Para adequação do modelo com a realidade, e posterior obtenção dos resultados, foram encontradas dificuldades. Estas dificuldades foram superadas com regras operacionais implementadas no simulador. As regras que foram implementadas no EPANET, para o caso em particular, seguem abaixo: rule 1 if tank 42 level above 4.92 then pump 12 status is closed and pipe 64 status is closed and pipe 13 status is closed and pipe 72 status is closed and pipe 65 status is closed and pipe 5 status is open and pipe 4 status is open rule 2 if tank 52 level above 4.98 then pump 12 status is closed and pipe 64 status is closed and pipe 13 status is closed and pipe 72 status is closed and pipe 65 status is closed and pipe 4 status is open

9 and pipe 5 status is open rule 3 if tank 52 level below 3.78 then pump 12 status is open and pipe 64 status is open and pipe 65 status is open and pipe 13 status is closed and pipe 72 status is open and pipe 4 status is closed and pipe 5 status is open rule 4 if tank 42 level below 4.32 then pump 12 status is open and pipe 64 status is open and pipe 13 status is open and pipe 72 status is closed and pipe 65 status is open and pipe 4 status is open and pipe 5 status is closed Para se chegar na automatização do sistema, foram simuladas várias regras, e observou-se, baseado no comportamento da rede, que dentro das regras operacionais existem prioridades de seqüência. E observou-se ainda, que dentro de uma mesma regra também há esta prioridade seqüencial, e somente após estas observações, é que foi possível simular o modelo, de maneira que este representasse o sistema real. A eficiência energética foi calculada através dos indicadores: consumo específico de energia (CE) e custo médio de energia (Cme), estes resultados são obtidos com o auxílio do simulador. Os indicadores de eficiência energética, para um mês padrão, considerando como tempo de simulação de uma semana, estão calculados abaixo: CAi 391, CE = QP 833, i ,24 30 R$ CM e = = 0, , kwh kwh = 0,131 mês m = 3 A primeira simulação foi realizada com uma curva de bomba que estava representando uma bomba 550CV, porém, em termos de índices de eficiência energética, os valores estão relativamente altos, logo com o propósito de avaliar o comportamento destes índices, foi realizada uma diminuição da potência, através da adequação de uma nova curva da bomba, porém com os mesmos coeficientes angulares, ou seja, paralela à anterior. Os resultados desta nova simulação produziram os seguintes índices: CE CAi = QP i 302, , kwh = 0,107 mês m = 3

10 1667,20 30 R$ CM e = = 0, , kwh 5. CONCLUSÃO Conclui-se, com este trabalho, que o EPANET, além de ser um ferramental importante para o gerenciamento de redes existentes e para análises de novos projetos, pode ser usado como recurso para cálculos de índices, que indicam a eficiência energética do sistema. Com o uso de modelos calibrados com o sistema real, aumenta-se a confiabilidade destes índices, e também permite relacioná-los com a eficiência hidráulica do sistema, ou seja, verificar se as características básicas para um bom funcionamento hidráulico, não são alteradas com as modificações das configurações motoras do bombeamento do sistema, uma vez que, dados a respeito das características hidráulicas da rede, serão obtidos diretamente no simulador. Portanto, a análise conjunta de eficiência energética e hidráulica de um sistema de abastecimento de água, fica facilitada, quando se faz uso de ferramentas como o modelo computacional, logo, este modelo é uma maneira facilitada e barata de se adequar o sistema de abastecimento de água às necessidades impostas pela as condições reais da rede. Com isso, servindo-se de uma poderosa ferramenta para as companhias responsáveis pelo abastecimento de água, no gerenciamento, não só hidráulico, como também, energético de suas redes, e assim, evitando-se, por exemplo, o consumo de energia elétrica em horários de pico, resultando em uma economia significativa para estas empresas. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICA BAHIA, S.R. (1998) Eficiência energética nos sistemas de saneamento. IBAM, PROCEL/ELETROBRAS. Río de Janeiro-RJ. 76p BORGES, V. (2004). Acoplamento de um modelo de previsão de demanda de água a um modelo simulador em tempo real, um estudo de caso: Sistema Adutor Metropolitano de São Paulo. Dissertação de Mestrado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo. 206p. ELETROBRÁS/PROCEL (2005). Eficiência Energética em Sistemas de Bombeamento. Rio de Janeiro, Eletrobrás. 272p. HADDAD, J., A. R. MARTINS, et al. (2001). Conservação da energia: eficiência energética de instalações e equipamentos. Editora da EFEI. Itajubá MG: FUPAI. 467p. JAMES, K; CAMPBELL, S. L.; GODLOVE, C. E. (2002.). Água e Energia: Aproveitando as oportunidades de eficientização de água e energia não exploradas nos sistemas municipais. Alliance to Save Energy. 173p. LUVIZOTTO JÚNIOR, E. (1995). Controle Operacional de Redes de Abastecimento de Água Auxiliado por Computador. Dissertação de Doutorado. Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo. 143p. ROSSMAN, L. A. (2001). EPANET 2 - User's Manual. U.S. Environmental Protection Agency. Cincinnati, Ohio, 2000.

11 TSUTIYA, M.T. (2001) Redução do custo de energia elétrica em sistemas de abastecimento de água. 1era edição. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental. São Paulo- SP. 185p. ZAHED FILHO, K. (1990). Previsão da Demanda de Consumo em Tempo Real no Desenvolvimento Operacional de Sistemas de Distribuição de água. Dissertação de Doutorado Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. São Paulo.135p