Desarrollo de una metodología para la determinación de la energía potencialmente recuperable en una red de abastecimiento de agua. Aplicación al caso de la red arterial de la ciudad de Bogotá (Colombia)

Abstract

[ES] Las necesidades que existen en nuestra sociedad ante la gran dependencia de los recursos energéticos, originan la demanda de nuevas tecnologías que permitan el ahorro y la recuperación de energía (RE). El agua es uno de los mayores recursos naturales que se encuentran disponibles en la naturaleza del cual depende en buena parte la generación de la energía. Por ello, estudiar energéticamente las redes de distribución de agua (RDA), permite identificar las pérdidas que poseen estos sistemas y determinar la energía potencialmente recuperable (EPR) que podría obtenerse a partir de los excesos de energía suministrada a los usuarios. Algunos trabajos presentes en la literatura, han definido el balance energético de los SDA y han caracterizado la EPR como la diferencia entre la energía suministrada a cada nudo de consumo y la energía mínima necesaria. Sin embargo, en el presente trabajo, se propone un nuevo balance energético, distinguiendo dentro del término de EPR, tres términos más. Es decir, la cantidad de energía que se puede recuperar en el sistema tiene su origen en tres puntos: los usuarios, las conducciones de la red en las que pueden instalarse nuevos elementos de RE, y las válvulas de regulación y control que pueden ser sustituidas por pequeñas turbinas. Esta metodología permite obtener el máximo de energía posible que pudiera recuperarse de un sistema de distribución de agua. Para demostrar la validez de la metodología, ésta se aplica a la red de riego de Balerma. Aunque la mayor parte del trabajo se centra en la posible instalación de elementos de RE a nivel de red, el capítulo 4 se dedica a estudiar los diferentes dispositivos que podrían instalarse: diferentes tipos de turbinas hidráulicas convencionales, PATs (del inglés pump as turbines) o incluso dispositivos de recuperación de energía de tipo doméstico. Para profundizar en la caracterización de estos dispositivos se realizan una serie de ensayos de una micro turbina hidráulica, obteniéndose tanto la curva presión-caudal como la curva tensión-caudal. La metodología desarrollada se aplica al caso de la Red Matriz de Bogotá. Esta red presenta una orografía en el terreno que la hacen idónea para recuperar energía de exceso que llegue a los nudos de consumo. Para ello se aplica la metodología y se estudian las diferentes opciones para instalar recuperadores energéticos a nivel de red. Para ello, es necesario realizar un análisis de costes para observar la rentabilidad que ofrecen estas máquinas en función de la energía que son capaces de extraer.

[CA] Les necessitats que existeixen en la nostra societat davant la gran dependència dels recursos energètics, originen la demanda de noves tecnologies que permetin l'estalvi i la recuperació d'energia (RE). L'aigua és un dels majors recursos naturals que es troben disponibles a la naturalesa del qual depèn en bona part la generació de l'energia. Per això, estudiar energèticament les xarxes de distribució d'aigua (RDA), permet identificar les pèrdues que tenen aquests sistemes i determinar l'energia potencialment recuperable (EPR) que podria obtenir-se a partir dels excessos d'energia subministrada als usuaris. Alguns treballs presents a la literatura, han definit el balanç energètic dels SDA i han caracteritzat la EPR com la diferència entre l'energia subministrada a cada nus de consum i l'energia mínima necessària. No obstant això, en el present treball, es proposa un nou balanç energètic, distingint dins el terme d'EPR, tres termes més. És a dir, la quantitat d'energia que es pot recuperar en el sistema té el seu origen en tres punts: els usuaris, les conduccions de la xarxa en les que poden instal·lar-se nous elements de RE, i les vàlvules de regulació i control que poden ser substituïdes per petites turbines. Aquesta metodologia permet obtenir el màxim d'energia possible que pogués recuperar-se d'un sistema de distribució d'aigua. Per demostrar la validesa de la metodologia, aquesta s'aplica a la xarxa de reg de Balerma. Encara que la major part de la feina se centra en la possible instal·lació d'elements de RE a nivell de xarxa, el capítol 4 es dedica a estudiar els diferents dispositius que podrien instal·larse: diferents tipus de turbines hidràuliques convencionals, PAT (de l'anglès pump es turbines) o fins i tot dispositius de recuperació d'energia de tipus domèstic. Per aprofundir en la caracterització d'aquests dispositius es realitzen una sèrie d'assajos d'una micro turbina hidràulica, obtenint tant la corba pressió-cabal com la corba tensió-cabal. La metodologia desenvolupada s'aplica al cas de la Xarxa Matriu de Bogotà. Aquesta xarxa presenta una orografia en el terreny que la fan idònia per a recuperar energia d'excés que arribi als nusos de consum. Per a això s'aplica la metodologia i s'estudien les diferents opcions per instal·lar recuperadors energètics a nivell de xarxa. Per a això, és necessari realitzar una anàlisi de costos per observar la rendibilitat que ofereixen aquestes màquines en funció de l'energia que són capaços d'extreure.

[EN] The needs of our society and the great dependence on energy resources, originate the demand for new technologies that allow the saving and energy recovery (ER). Water is one of the greatest natural resources available in nature, on which a large part of the generation of energy depends. Therefore, the energy study of water distribution networks (WDN), allows identifying the losses of these systems and determining the potentially recoverable energy (PER) that could be obtained from the excess energy supplied to users. Some works of the literature have defined the energy balance of the WDN, and have characterized the PER as the difference between the energy supplied to each node of consumption and the minimum energy required. However, in the present work, a new energy balance is proposed, distinguishing three more terms within the term of PER. That is, the amount of energy that can be recovered in the system has its origin in three points: the users, the network conduits in which new RE elements can be installed, and the regulation and control valves that can be replaced by small turbines. This methodology allows obtaining the maximum possible energy that could be recovered from a water distribution system. To demonstrate the validity of the methodology, it is applied to the Balerma irrigation network. Although most of the work focuses on the possible installation of RE elements at the network level, chapter 4 is devoted to studying the different devices that could be installed: different types of conventional hydraulic turbines, PATs (from English pump as turbines) or even domestic type energy recovery devices. To deepen the characterization of these devices, a series of hydraulic miniturbine tests are carried out, obtaining both the pressure-flow curve and the voltage-flow curve. The methodology developed applies to the case of the Red Matriz of Bogotá. This network presents an orography in the terrain that makes it ideal to recover excess energy that reaches the consumption nodes. To do this, the methodology is applied and the different options for installing energy recovery devices at the network level are studied. For this, it is necessary to perform a cost analysis to observe the profitability offered by these machines in terms of the energy they are able to extract.