Ecodiseño y ecogestión de redes de distribución de agua a presión

Abstract

[ES] Todos los pronósticos indican que en los próximos años va a existir un aumento importante de población, que conllevará un crecimiento en la demanda de recursos hídricos y energéticos. Este hecho, junto a la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero para hacer frente al cambio climático, ponen de relevancia la importancia de optimizar cualquier proceso relacionado con el nexo agua y energía. Los sistemas de distribución de agua a presión son demandantes de energía, y un claro ejemplo de este nexo, ya que es imprescindible aportar energía al fluido para llevarlo desde la fuente de captación hasta los puntos de consumo. La fase del transporte de agua es una de las que mayor energía consume, representando habitualmente un importante porcentaje de los costes totales del servicio, por lo que parece oportuno hacer una revisión en profundidad de las necesidades energéticas del transporte de agua a presión. En este trabajo se presenta un protocolo de actuación con diferentes etapas a abordar para disminuir el consumo energético en el transporte de agua a presión. Una ruta que permita reducir de manera general el consumo de energía de la instalación, garantizando en todo momento el suministro bajo los estándares de calidad establecidos. La optimización energética de los sistemas de transporte de agua a presión debe comenzar en la fase de diseño. La concepción de las redes debe tener en cuenta el consumo energético que ésta tendrá en su fase de funcionamiento, aspectos fundamentales para ello son la selección de la fuente de suministro, la sectorización de los sistemas, y, en definitiva, el layout propuesto. En la fase de operación, el análisis energético a realizar dependerá de la cantidad y calidad de los datos de la instalación. Un primer diagnóstico permite detectar si existe la necesidad de realizar un análisis más específico que detalle la energía consumida por el sistema. Este diagnóstico se puede llevar a cabo con pocos datos. Si el resultado del diagnóstico indica que existe un margen de mejora considerable, será necesario realizar la auditoría de la red, para lo cual es esencial contar con su correspondiente modelo matemático, y por tanto con datos mucho más precisos. La auditoría de la red permite conocer en detalle cómo se distribuye la energía en el sistema, qué cantidad de energía es aprovechada por los usuarios, y cuanta se pierde por el camino. Lo idóneo sería inyectar únicamente la energía mínima requerida por los usuarios, pero esto es imposible de alcanzar, ya que existen diferentes ineficiencias desde la fuente de suministro hasta los puntos de consumo. Estas pérdidas se dividen en estructurales y operacionales. Las pérdidas estructurales están vinculadas a los desniveles del sistema, de ahí que a la energía relacionada con estas pérdidas se le denomine energía topográfica. Mientras que las pérdidas operacionales están vinculadas a la gestión de la red: energía embebida en fugas, pérdidas energéticas en las estaciones de bombeo, fricción en tuberías, energía de exceso y cualquier otro tipo de pérdida energética vinculada a la gestión del sistema. Para mejorar la eficiencia del sistema se debe realizar un análisis en profundidad de las pérdidas estructurales y operacionales de la red. El análisis de las pérdidas estructurales permitirá decidir si es aconsejable acometer actuaciones de mejora relacionadas con la energía topográfica. En tal caso, se evaluará la posibilidad de modificar el layout del sistema, recuperar parte de la energía topográfica o disiparla con válvulas reductoras de presión. El análisis de las pérdidas energéticas operacionales vendrá definido por los niveles de referencia alcanzables de las mismas. Lo ideal sería que no existiese ningún tipo de pérdida, pero esto es imposible en un sistema real, por lo que para cada pérdida energética operacional se calcula un nivel de referencia a alcanzar basado en criterios económicos y de gestión. Comparando estos niveles de referencia, con las pérdidas de energía reales existentes, se puede evaluar y calificar el estado energético de la red desde el punto de vista operacional. A partir de esta calificación se estudiarán las acciones de mejora operacionales a llevar a cabo. Una vez analizadas y evaluadas las acciones de mejora correspondientes a las pérdidas estructurales y operacionales, se realizará una calificación final del sistema que permite caracterizarlo energéticamente. En definitiva, el protocolo propuesto es el eje central de esta tesis y las aportaciones que se presentan facilitan su comprensión y seguimiento.

[EN] Pressurized water distribution systems are a clear example of water and energy nexus. It is essential to provide energy to the fluid to transport it from the catchments to the points of consumption. The water transport phase is one of the phases that consume more energy, and usually represents a significant percentage of the total costs of the service. Therefore, it seems appropriate to make an in-depth revision of the energy needs this phase. This work presents an action protocol with different stages to be tackled in order to reduce energy consumption in pressurised water transport. It allows a general reduction of the energy consumption in water networks, guaranteeing at any time the supply under the established quality standards. The optimisation of energy in pressurised water transport systems must begin in the design phase. Therefore, the design of the networks must consider the energy consumption that it will have in its operation phase. Fundamental decisions in this phase are the selection of the supply source, the sectorization of the systems, and, in short, the proposed layout. In the operation phase, the energy analysis to be carried out will depend on the quantity and quality of the data available from the system. A first diagnosis allows us to detect if there is a need to perform a more specific analysis that details the energy consumed by the system. If the result of the diagnosis indicates that there is considerable room for improvement, it will be necessary to conduct a network audit, for which it is essential to have a corresponding mathematical model, and therefore much more precise data. The network audit allows us to know in detail how the energy is distributed in the system. Ideally, only the minimum energy required by users should be injected. However, this is unfeasible, as there are different inefficiencies from the source of supply to the consumption points. These losses are divided into structural and operational. Structural losses are linked to the topography of the system. Hence, the energy related to these losses is called topographic energy. Operational losses are linked to the management of the network: energy embedded in leaks, energy losses in pumping stations, friction in pipes, excess energy and any other type of energy loss linked to the management of the system. To improve the efficiency of the system, an in-depth analysis of structural and operational losses in the network must be carried out. The analysis of the structural losses will allow to decide whether it is advisable to undertake improvement actions related to topographic energy. In this case, the possibility of modifying the layout of the system, recovering part of the topographic energy or dissipating it with pressure reducing valves will be evaluated. The analysis of operational energy losses will be defined by the target of loses established. Ideally, there should be no losses at all, but this is impossible in a real system. Hence, for each type of operational energy loss, it is calculated a reference level to be reached, based on economic and management criteria. By comparing these reference levels with the actual existing energy losses, the energy status of the network can be evaluated and qualified from an operational point of view. Based on this qualification, improvement actions can be drawn. Once the improvement actions corresponding to the structural and operational losses have been analysed, the system will be given a complete qualification that will characterise its global energy behaviour. To sum up, the proposed protocol is the central axis of this thesis and the contributions presented facilitate its comprehension.

[CA] Tots els pronòstics indiquen que en els pròxims anys existirà un augment important de població, que comportarà un creixement en la demanda de recursos hídrics i energètics. Aquest fet, al costat de la necessitat de reduir les emissions de gasos d'efecte d'hivernacle per a fer front al canvi climàtic, posen de rellevància la importància d'optimitzar qualsevol procés relacionat amb el nexe aigua i energia. Els sistemes de distribució d'aigua a pressió són demandants d'energia, i un clar exemple d'aquest nexe, ja que és imprescindible aportar energia al fluid per a portar-lo des de la font de captació fins als punts de consum. La fase del transport d'aigua és una de les quals major energia consumeix, representant habitualment un important percentatge dels costos totals del servei. Per la qual cosa, sembla oportú fer una revisió en profunditat de les necessitats energètiques del transport d'aigua a pressió. En aquest treball es presenta un protocol d'actuació amb diferents etapes a abordar per a disminuir el consum energètic en el transport d'aigua a pressió. Una ruta que permeta reduir de manera general el consum d'energia de la instal·lació, garantint en tot moment el subministrament sota els estàndards de qualitat establits. L'optimització energètica dels sistemes de transport d'aigua a pressió ha de començar en la fase de disseny. La concepció de les xarxes ha de tindre en compte el consum energètic que aquesta tindrà en la seua fase de funcionament. Aspectes fonamentals per a això són la selecció de la font de subministrament, la sectorització dels sistemes, i, en definitiva, el layout proposat. En la fase d'operació, l'anàlisi energètic a realitzar dependrà de la quantitat i qualitat de les dades de la instal·lació. Un primer diagnòstic permet detectar si existeix la necessitat de realitzar una anàlisi més específic que detalle l'energia consumida pel sistema. Aquest diagnòstic es pot dur a terme amb poques dades. Si el resultat del diagnòstic indica que existeix un marge de millora considerable, serà necessari realitzar l'auditoria de la xarxa, per a això és essencial comptar amb el seu corresponent model matemàtic, i per tant amb dades molt més precises. L'auditoria de la xarxa permet conéixer detalladament com es distribueix l'energia en el sistema, quina quantitat d'energia és aprofitada pels usuaris, i quanta es perd pel camí. L'idoni seria injectar únicament l'energia mínima requerida pels usuaris, però això és impossible d'aconseguir, ja que existeixen diferents ineficiències des de la font de subministrament fins als punts de consum. Aquestes pèrdues es divideixen en estructurals i operacionals. Les pèrdues estructurals estan vinculades als desnivells del sistema, per aquest motiu a l'energia relacionada amb aquestes pèrdues se l’anomena energia topogràfica. Mentre que les pèrdues operacionals estan vinculades a la gestió de la xarxa: energia embeguda en fuites, pèrdues energètiques en les estacions de bombeig, fricció en canonades, energia d'excés i qualsevol altre tipus de pèrdua energètica vinculada a la gestió del sistema. Per a millorar l'eficiència del sistema s'ha de realitzar una anàlisi en profunditat de les pèrdues estructurals i operacionals de la xarxa. L'anàlisi de les pèrdues estructurals permetrà decidir si és aconsellable escometre actuacions de millora relacionades amb l'energia topogràfica. En tal cas, s'avaluarà la possibilitat de modificar el layout del sistema, recuperar part de l'energia topogràfica o dissiparla amb vàlvules reductores de pressió. L'anàlisi de les pèrdues energètiques operacionals vindrà definit pels nivells de referència assolibles d'aquestes. L'ideal seria que no existira cap mena de pèrdua, però això és impossible en un sistema real. Per la qual cosa, per a cada pèrdua energètica operacional es calcula un nivell de referència a aconseguir basat en criteris econòmics i de gestió. Comparant aquests nivells de referència, amb les pèrdues d'energia reals existents, es pot avaluar i qualificar l'estat energètic de la xarxa des del punt de vista operacional. A partir d'aquesta qualificació s'estudiaran les accions de millora operacionals a dur a terme. Una vegada analitzades i avaluades les accions de millora corresponents a les pèrdues estructurals i operacionals, es realitzarà una qualificació final del sistema que permet caracteritzar-lo energèticament. En definitiva, el protocol proposat és l'eix central d'aquesta tesi i les aportacions que es presenten faciliten la seua comprensió i seguiment.