I-031 METODOLOGIA PARA APOIO NA GESTÃO DE PERDAS E NA GESTÃO DE ENERGIA EM SISTEMAS DE ABASTECIMENTO DE ÁGUA Katia Regina Garcia da Silva (1) Tecnóloga Civil pelo CEFET-PR. Pós-graduada em planejamento e gestão de negócios, mestre em engenharia de recursos hídricos e ambiental pela UFPR, gestora de modelagem hidráulica no centro de controle operacional de Curitiba, Sanepar. Pedro Augusto Mikowski Engenheiro civil pela UEPG, licenciado em matemática, pós-graduado em administração empresarial e em gestão pela qualidade total, coordenador do centro de controle operacional de Curitiba, Sanepar. Endereço (1) : Av. Humberto de Alencar Castelo Branco, 30 Cristo Rei Curitiba - PR - CEP: 82530-020 - Brasil - Tel: +55 (41) 330-7010 Fax: +55 (41) 330-7070 - e-mail: katiagarcia@sanepar.com.br RESUMO Este trabalho tem por objetivo, apresentar uma metodologia de apoio à gestão de perdas e gestão de consumo de energia em Sistemas de Abastecimento de Água (SAA) através do monitoramento de pressão na rede de distribuição associada à modelagem matemática e a sistemas automatizados de supervisão e controle. Os resultados práticos obtidos comprovam as vantagens que o monitoramento de pressão - integrado a modelos matemáticos e sistemas de automação - traz ao processo de gestão operacional. PALAVRAS-CHAVE: Gerenciamento de pressões; controle de perdas; controle de energia; modelagem hidráulica. INTRODUÇÃO Atualmente, cerca de sete por cento da energia produzida no mundo é empregada no bombeamento de água. Até o ano de 2020 espera-se que metade da população dos países em desenvolvimento esteja morando nas cidades, o que significa um aumento considerável na demanda de água e energia (ALLIANCE, 2002). A necessidade de maximização do potencial dos recursos de água e energia existentes é de suma importância devido ao aumento de demanda e à redução da quantidade média de água renovável por pessoa no mundo. Os incentivos para uso mais eficiente deste recurso são traduzidos em inúmeros programas em desenvolvimento pelas empresas do setor: gestão de custos (insumos de tratamento, energia elétrica, manutenção); gestão de perdas; manutenções preventivas (extensão da vida útil dos equipamentos e redução da deterioração dos sistemas) e gestão ambiental, entre outros. Este estudo foca a gestão de perdas e a gestão de custos de energia através do controle de pressão na rede de distribuição e otimização operacional, integrando os recursos de sistemas de automação, medição de campo e softwares de simulação hidráulica. Os resultados obtidos têm sido promissores, reduzindo o consumo de energia e as vazões distribuídas, sem prejuízo do consumidor. O objetivo deste trabalho é apresentar uma metodologia para minimizar as perdas de água e reduzir o consumo de energia elétrica através do gerenciamento de pressões para o Sistema de Abastecimento Integrado. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA O presente trabalho direciona-se a dois programas de melhoria de operação em SAA comuns em todas as empresas do setor: gestão de perdas e gestão de energia. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 1
A gestão de perdas busca minimizar as perdas no sistema atuando nos processos de (COPASA, 2003): Gestão de Perdas Gerenciamento de pressão; Controle ativo de vazamentos; Velocidade e qualidade dos reparos; Gerenciamento da infra-estrutura, entre outras. Dentro da gestão de perdas, este trabalho apresenta o gerenciamento de pressões na minimização das mesmas e da faixa de duração de pressões máximas, enquanto assegura os padrões mínimos de serviço para os consumidores. O controle de pressão possibilita: Reduzir o volume perdido em vazamentos, economizando recursos de água e custos associados; Reduzir a freqüência de arrebentamentos de tubulações e conseqüentes danos que têm reparos onerosos, minimizando também as interrupções de fornecimento e os perigos causados ao público usuário de ruas e estradas; Prover um serviço com pressões mais estabilizadas ao consumidor, diminuindo a ocorrência de danos às instalações internas dos usuários até a caixa d água (tubulações, registros e bóias); Reduzir os consumos relacionados com a pressão da rede, como por exemplo, a rega de jardins. Quanto à priorização das ações, o Documento Técnico de Apoio - DTA D1 (SEDU, 2004) apresenta uma sugestão de hierarquização das mesmas para o gerenciamento de vazamentos, no qual está incluído o gerenciamento de pressão. A relação Pressão X Volume do Vazamento O Relatório 26 (SEDU, 2004) descreve os resultados de diversas experiências efetuadas sobre controle de pressão. Em condições gerais da rede de distribuição, uma diminuição de 10% na pressão implica em uma redução de 11,5% nas vazões dos vazamentos (aproximadamente pode-se dizer que a vazão aumenta ou diminui linearmente com a pressão). A vazão mínima noturna é um importante indicador da ocorrência de vazamentos no sistema, pois a proporção dos vazamentos em relação ao consumo legítimo é maior que nos períodos de maior consumo. A modelagem hidráulica é uma ferramenta muito útil para simulação do comportamento hidráulico de uma rede de distribuição, apresentando parâmetros de referencia para controle. Gestão de Energia A gestão de energia busca otimizar o consumo de energia pelas estações elevatórias de água (EE) atuando nos processos de (ALLIANCE, 2002): Operação de EE; Acompanhamento de faturas; Gestão de contratos com as concessionárias de energia; Manutenção de EE, entre outras. Dentro da gestão de energia, o enfoque é dado no sentido de se operar as EE buscando-se o balanço do consumo de energia com as variações de pressão em pontos críticos da rede garantindo a manutenção de pressões compatíveis com a necessidade de consumo de cada usuário do SAA. Nas estações elevatórias de transferência (bombeamento entre captações e estações de tratamento de água, entre estas e os centros de reservação, e entre estes), o balanço hidráulico leva à minimização os custos de energia no horário de ponta, o que possibilita a adequação dos contratos de energia para a unidade operativa (reservatório) em questão. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 2
São ferramentas especificas: Bancos de dados de sistemas de supervisão e controle que fornecem dados em tempo real, que permitem agilizar o uso das demais ferramentas; A vazão mínima noturna como indicador da ocorrência de vazamentos no sistema. (COPASA, 2003); A modelagem matemática para simulação do comportamento hidráulico de uma rede de distribuição (WALSKI et al, 2003); Dispositivos de controle de demanda que podem ajustados de acordo com as necessidades e cálculos efetuados. METODOLOGIA A Metodologia proposta foi desenvolvida através de um estudo de caso utilizando uma abordagem quantitativa com base nas atividades operacionais do Centro de Controle Operacional (CCO) do Sistema de Abastecimento Integrado de Curitiba (SAIC) que integra as atividades de: modelagem hidráulica, operação, macromedição, programação de paradas, controle de reclamações por falta de água ou baixa pressão, acompanhamento dos volumes distribuídos e sistema de supervisão e controle (SSC). Trata-se de um processo contínuo, que requer constante reavaliação, devido à dinamicidade de um sistema de abastecimento de água. Situações como: aumento de vazão por vazamento não identificado, alteração da área da zona de abastecimento, melhoria através de reforço da rede, perda de rendimento em uma elevatória, aumento de população, ampliação de reservação, entre outros, obrigam um novo estudo de caso, para a otimização operacional. O SAIC tem produção mensal aproximada de 19.500.000 m 3 /mês (7,5 m 3 /s), atendendo uma população de 2.500.000 habitantes através de 114 zonas de abastecimento, sendo 55 recalques de distribuição e transferência (combinados) e 13 recalques apenas de transferência entre unidades operativas. A metodologia é composta de 6 etapas: Modelagem das áreas de abastecimento; Calibração do modelo; Avaliação e alteração de rotinas operacionais; Medições de pressão em campo; Acompanhamento de reclamações de clientes; Avaliação e alteração de contrato de energia. A modelagem é desenvolvida através da simulação do comportamento da rede hidráulica com base em: informações cadastrais da rede e da unidade operativa; dados comerciais para distribuição das demandas; dados operacionais referentes a regras de operação, demandas e perfis de consumo em período estendido. O software utilizado é WaterCad. A calibração é feita através de medições de pressões em campo, que são comparadas com as pressões calculadas e as pressões coletadas pelo SSC. O estudo de comparação é usado para o ajuste dos coeficientes de rugosidade da tubulação, das demandas e verificação de cotas dos nós da rede. As medições em campo são feitas em pontos críticos de abastecimento pré-definidos na simulação hidráulica. Os procedimentos operacionais são avaliados e redefinidos para cada EE do SAA e contemplam: as diferentes possibilidades de operação e os procedimentos de operação com base em indicações do modelo matemático. As medições de pressão em campo são feitas para ajuste do modelo e adequação dos procedimentos operacionais. Após a definição de novas regras operacionais, os pontos críticos permanecem sendo monitorados, analisando-se os valores de pressão antes e após a alteração, confirmando-se a eficiência da nova regra de operação. Desenvolve-se, desta forma, um processo de qualidade PDCA planejamento, desenvolvimento, controle e avaliação. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 3
Paralelamente são monitorados os níveis de reclamação de clientes nas áreas de abastecimento e podem, dependendo da procedência das reclamações, provocar uma reavaliação do modelo hidráulico, a revisão das condições de abastecimento (rede) e dos procedimentos operacionais nas unidades (EE). Atualmente 37% das zonas de recalque do SAIC contam com regras operacionais definidas através da metodologia proposta. Doze unidades operativas responsáveis por 17 elevatórias sofreram alterações em seus contratos de energia elétrica, após o estudo de balanço hidráulico. A avaliação dos contratos de energia se dá através da definição de demanda necessária para os horários de ponta e fora de ponta, segundo estratégia definida, e projeção de consumo para a mesma. São feitas simulações de tarifas, nas opções existentes para contratação de energia, verificando-se a melhor opção tarifária para cada caso. A implantação de novas regras operacionais é feita com conscientização e participação das equipes multidisciplinares envolvidas nas atividades do CCO, pois cabe às escalas de operação em turnos de revezamento aplicarem os procedimentos estudados e avaliarem os primeiros efeitos através das ferramentas disponíveis. RESULTADOS O procedimento de gerenciamento de pressão foi aplicado a partir de 2003 no Centro de Controle Operacional do Sistema de Abastecimento Integrado de Curitiba. As ações foram divididas em duas fases: num primeiro momento, avaliou-se a questão operacional, sem a preocupação quanto à necessidade de revisão de contratos de energia; na segunda fase de ações foram considerados os contratos de energia em conjunto com a otimização da operação. A sistemática de avaliação dos resultados obtidos em cada área trabalhada envolve análise de redução dos seguintes parâmetros: Consumo de energia elétrica (KWh); Consumo de energia elétrica por volume aduzido/distribuído (KWh/m3); Vazão média distribuída (l/s); Custo de energia elétrica (R$). A tabela 1 contém os resultados obtidos na primeira fase de ações (de 03/2003 a 08/2004). A economia de energia consumida variou de 2,1 a 50,9% nas unidades, sendo que a redução no geral foi igual a 7,63%. A economia totalizou 535 MWh/mês. O consumo de energia elétrica por volume aduzido/distribuído apresentou para as áreas estudadas, uma redução total de 9,35%. Obteve-se também uma redução da vazão média distribuída, de 159,80 l/s, somando-se todas as áreas trabalhadas, o que significa 16,5% de redução de vazão nas respectivas áreas. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 4
Tabela 1 Resultados Obtidos na Primeira Fase Unidade de Consumo de Energia (%) de Consumo de Energia por Volume Bombeado (%) da Vazão Média Aduzida/Distribuída (l/s) Bacacheri 18,54 21,72 53,20 Pinheirinho 50,91 28,35 80,00 Santa Cândida 4,33 13,58-3,20 S. Felicidade 19,82 11,08 6,24 Campo Comprido 9,15 0,21 18,5 São José 14,52 11,237 - Iguaçu 7,37 0,24 - Passaúna 11,56 20,07 - Costeira 36,58 20,28 8,50 Iraí 4,56 0,94 - J. Macanhan 5,05 3,15-7,63% 9,35% 159,80 l/s Na segunda fase de trabalhos, a economia de energia consumida foi de 7,13%, o que representa uma redução de 15.317 KWh/mês. O consumo de energia elétrica por volume aduzido/distribuído apresentou redução total de 1,61%. A redução da vazão média distribuída foi de 58 l/s no total das áreas estudadas nesta fase, o que significa uma redução de 3,28%. A adequação dos contratos de fornecimento de energia trouxe os principais ganhos nesta segunda fase de trabalhos. Ao todo, a redução de custos foi de 16,62%, cerca de 94 mil reais de economia por mês. A tabela 2 apresenta os resultados obtidos na segunda fase de ações (de 08/2004 a 03/2005). ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 5
Tabela 2 Resultados Obtidos na Segunda Fase de de Consumo de Unidade Consumo de Energia Energia por Volume (%) Bombeado (%) da Vazão Média Aduzida/Distribuída (l/s) do Custo de Energia por alteração de contrato (%) Tarumã - - - 13,58 Passaúna - - - 2,36 Corte Branco 7,38 0,60 23 16,98 Cajuru - - - 20,49 Portão 7,69 6,73 7 5,53 Bacacheri - - - 33,07 Mercês 1,38 1,38 0 - Batel 10,45-8,78 17 - Pinheirinho - - - 37,44 C. Comprido - - - 21,00 Karst - - - 26,23 Rio Pequeno 6,62 4,19 4 - Xaxim 6,66 4,74 7-7,13 % 1,61 % 58 l/s 16,62 % CONCLUSÕES Os resultados deste trabalho evidenciam sua importância para a preservação dos recursos disponíveis de água e energia, bem como para a racionalização dos custos das empresas de saneamento. As gestões de perdas e de energia são processos que necessitam de constante acompanhamento e reavaliação, devido à dinamicidade dos sistemas de distribuição (variações de temperatura, umidade, crescimento populacional, modificações das áreas, ocorrências de vazamentos, desgastes do sistema), por isso devem ser incluídos em ciclos de PDCA. Devido às regras que são criadas a partir da definição de estratégias operacionais otimizadas e ajustes dos contratos de fornecimento de energia, é necessário efetivo comprometimento de toda a equipe envolvida na operação do sistema distribuidor, no sentido de monitorar ininterruptamente o sistema e tomar as decisões em sintonia com as mesmas estratégias. Com a tendência de automatização dos sistemas de distribuição de água, deve-se atentar para as lógicas computacionais aplicadas aos sistemas supervisórios, pois as mesmas podem levar a extrapolações dos limites fixados pelos estudos de redução de pressão e de otimização da operação e provocar resultados adversos aos esperados. Na aplicação das reduções de pressão na rede de distribuição, quando se chega aos limites mínimos, existe uma parcela dos clientes que passa a ser atendido com pressão mínima (em torno de 10 metros de coluna de água). Essa redução pode ser sentida pelos mesmos clientes que, acostumados a residuais de pressão mais elevados, eventualmente reclamam seus direitos junto à concessionária de água. É importante a verificação dos casos de reclamações antes de um retorno a condições de operação com maiores pressões, portanto é necessária uma ação conjunta entre áreas de operação, distribuição e comercialização, visto que os resultados são benefício não só para a empresa de saneamento, mas também para a sociedade e meio ambiente. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 6
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. ALLIANCE ALIANÇA PARA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA. Água e Energia: Aproveitando as oportunidades de eficientização de água e energia não exploradas nos sistemas de água municipais. 2002. 2. COÊLHO, A. C. Manual de Economia de Água: Conservação de Água. Olinda, PE: Comunigraf, 2001. 3. COPASA. Programa de de Perda de Água no Sistema de Distribuição. Belo Horizonte, MG: Copasa, 2003. 4. SEDU - SECRETARIA ESPECIAL DE DESENVOLVIMENTO URBANO. Documento Técnico de Apoio D1 (DTA D1). Disponível em: www.pncda.gov.br Acesso em: 15 abr. 2004. 5. WALSKI, T. M.; CHASE, D. V.; SAVIC, D.A.; GRAYMAN, W.; BECKWITH, S.; KOELLE, E. Advanced Water Distribution Modeling and Management. 1. ed.waterbury, CT: Haestad Press, 2003. ABES - Associação Brasileira de Engenharia Sanitária e Ambiental 7