Metodología basada en el desarrollo de estrategias de regulación para la mejora de indicadores de sostenibilidad a través de la instalación de microgeneración eléctrica en sistemas de distribución presurizados

Abstract

[ES] El agua y la energía son unos de los recursos más importantes para el desarrollo de la sociedad. El nexo entre el agua y la energía es de gran interés por su importancia dentro de los objetivos de desarrollo sostenible. Como respuesta a la búsqueda de la sostenibilidad y la mejora de la calidad de vida, se desarrollan nuevas tecnologías que permiten la recuperación de energía mediante el potencial hidráulico que existe en las redes de distribución de agua urbana o de riego. El exceso de presión, envejecimiento de las tuberías y otros factores externos, incrementan los niveles de fugas, afectando al rendimiento volumétrico en las redes de distribución de agua potable. Esta pérdida del recurso agua es sinónimo de pérdidas económicas, debido a que el caudal a inyectar para lograr satisfacer la demanda hídrica será mayor para compensar el volumen perdido por fugas. Las fugas suponen una pérdida de energía en la red, lo que obligará a incrementar la presión en las estaciones de bombeo para cumplir las presiones mínimas requeridas en las tomas, el aumento de la potencia en estos equipos generará mayores costes energéticos. La creación de energía renovable remplaza la producción de energía no renovable permitiendo la reducción de gases de efecto invernadero. La presente tesis tiene como objetivo principal desarrollar estrategias hidráulicas para mejorar la recuperación de energía en los sistemas de distribución de agua considerando la influencia de las fugas en el sistema, mediante la optimización de la ubicación y selección de bombas funcionando como turbinas (PATs). El cumplimiento del objetivo de esta tesis requirió de la elaboración de cuatro artículos publicados, que permitieron (i) la contextualización sobre las fugas, demostrar los métodos de cálculo existentes para la estimación de las fugas en las redes de distribución y su influencia en el rendimiento volumétrico de los sistemas. En este punto se analizó 45 redes de distribución de agua con fugas y 17 redes donde se habían instalado PATs, lo que permitió definir diferentes indicadores claves de rendimiento (KPIs) y caracterizar el estado de las redes; (ii) la propuesta de de diferentes expresiones de regresión que permitan definir las tres curvas operaciones cuando las PATs operan bajo la estrategia de velocidad de rotación variable, estas son: curva de altura de mejor eficiencia (BEH), curva de mejor altura de potencia (BPH) y curva de mejor flujo de potencia (BPF); (iii) la propuesta de una metodología que permita definir la ubicación y la selección del sistema de recuperación de energía, a través de un procedimiento de simulación de doble recocido en una red de riego; y (iii) la aplicación y mejora de la metodología en una red de abastecimiento de agua urbana.

[CA] L'aigua i l'energia són uns dels recursos més importants per al desenvolupament de la societat. El nexe entre l'aigua i l'energia és de gran interés per la seua importància dins dels objectius de desenvolupament sostenible. Com a resposta a la cerca de la sostenibilitat i la millora de la qualitat de vida, es desenvolupen noves tecnologies que permeten la recuperació d'energia mitjançant el potencial hidràulic que existeix en les xarxes de distribució d'aigua urbana o de reg. L'excés de pressió, envelliment de les canonades i altres factors externs, incrementen els nivells de fugides, afectant el rendiment volumètric en les xarxes de distribució d'aigua potable. Aquesta pèrdua del recurs aigua és sinònim de pèrdues econòmiques, pel fet que el cabal a injectar per a aconseguir satisfer la demanda hídrica serà major per a compensar el volum perdut per fugides. Les fugides suposen una pèrdua d'energia en la xarxa, la qual cosa obligarà a incrementar la pressió en les estacions de bombament per a complir les pressions mínimes requerides en les preses, l'augment de la potència en aquests equips generarà majors costos energètics. La creació d'energia renovable reemplaça la producció d'energia no renovable permetent la reducció de gasos d'efecte d'hivernacle. La present tesi té com a objectiu principal desenvolupar estratègies hidràuliques per a millorar la recuperació d'energia en els sistemes de distribució d'aigua considerant la influència de les fugides en el sistema, mitjançant l'optimització de la ubicació i selecció de bombes funcionant com a turbines (*PATs). El compliment de l'objectiu d'aquesta tesi va requerir de l'elaboració de quatre articles publicats, que van permetre (i) la contextualització sobre les fugides, demostrar els mètodes de càlcul existents per a l'estimació de les fugides en les xarxes de distribució i la seua influència en el rendiment volumètric dels sistemes. En aquest punt es va analitzar 45 xarxes de distribució d'aigua amb fugides i 17 xarxes on s'havien instal·lat *PATs, la qual cosa va permetre definir diferents indicadors claus de rendiment (*KPIs) i caracteritzar l'estat de les xarxes; (*ii) la proposta de de diferents expressions de regressió que permeten definir les tres corbes operacions quan les *PATs operen sota l'estratègia de velocitat de rotació variable, aquestes són: corba d'altura de millor eficiència (*BEH), corba de millor altura de potència (*BPH) i corba de millor flux de potència (*BPF); (*iii) la proposta d'una metodologia que permeta definir la ubicació i la selecció del sistema de recuperació d'energia, a través d'un procediment de simulació de doble recuit en una xarxa de reg; i (*iii) l'aplicació i millora de la metodologia en una xarxa de proveïment d'aigua urbana.

[EN] Water and energy are some of the most important resources for the development of society. The nexus between water and energy is of great interest due to its importance within the sustainable development goals. In response to the search for sustainability and the improvement of quality of life, new technologies are developed that allow the recovery of energy through the hydraulic potential that exists in the urban or irrigation water distribution networks. Excess pressure, pipe aging and other external factors increase leak levels, affecting volumetric performance in drinking water distribution networks. This loss of water resources is synonymous with economic losses, since the flow to be injected to satisfy the water demand will be greater to compensate for the volume lost due to leaks. Leaks mean a loss of energy in the network, which will force an increase in the pressure in the pumping stations to meet the minimum pressures required in the intakes. The increase in power in this equipment will generate higher energy costs. The creation of renewable energy replaces the production of non-renewable energy allowing the reduction of greenhouse gases. The main objective of this thesis is to develop hydraulic strategies to improve energy recovery in water distribution systems considering the influence of leaks in the system, by optimizing the location and selection of pumps working as turbines (PATs). Fulfilling the objective of this thesis required the preparation of four published articles, which allowed (i) contextualization of leaks, demonstrating existing calculation methods for estimating leaks in distribution networks and their influence on performance volumetric systems. At this point, 45 water distribution networks with leaks and 17 networks where PATs had been installed were analyzed, which made it possible to define different key performance indicators (KPIs) and characterize the state of the networks; (ii) the proposal of different regression expressions that allow defining the three operating curves when the PATs operate under the variable rotation speed strategy, these are: best efficiency head curve (BEH), best power head curve (BPH) and best power flow curve (BPF) ; (iii) the proposal of a methodology that allows defining the location and selection of the energy recovery system, through a double annealing simulation procedure in an irrigation network; and (iii) the application and improvement of the methodology in an urban water supply network.