Metodología de análisis para la mejora de los indicadores de sostenibilidad en las redes de distribución presurizadas mediante el uso de sistemas híbridos

Abstract

[ES] La emisión de gases de efecto invernadero de manera desmesurada, ha generado la degradación de la capa de ozono, provocando variaciones en los procesos ambientales que afectan a los organismos vivientes en el planeta Tierra. En los últimos años debido al cambio climático, los seres humanos buscamos enfatizar en el cuidado del medio ambiente y la preservación de los recursos naturales. Por lo que, en la mayoría de los casos, el avance tecnológico se enfoca en alcanzar las metas de desarrollo sostenible planteadas por la Organización de las Naciones Unidas (ONU). El mundo del agua no queda atrás, al tener que utilizar equipos energéticamente cada vez más consuntivos para suplir la demanda hídrica, se determina que existe una relación entre la emisión de GEI y el consumo de agua. Existen numerosos estudios que demuestran que, al optimizar las redes de distribución de agua: 1) se reduce la cantidad de energía requerida en las redes de agua; 2) se reduce la emisión de GEI; 3) se aumenta el tiempo de vida útil de una red de abastecimiento; 4) se mejora el aprovechamiento del agua; 5) se logra disminuir el coste relacionado con la operación, entre otros. El desarrollo del objetivo de esta tesis conllevó consigo la creación de tres (3) artículos científicos publicados en revistas JCR de alto impacto, con lo que se consiguió: 1)Contextualización del estudio, estableciendo las diferencias existentes en los sistemas de distribución de agua desde el punto de vista de la sostenibilidad. 2)Optimización de redes de riego en busca de un sistema híbrido que persiga una configuración de utilización nula de energía neta. 3)La aplicación y la optimización de una red de abastecimiento aislada que suple la demanda urbana, turística y paisajística. En el capítulo 2 se muestran distintos métodos de optimización de redes mediante la modelación, calibración y análisis hidráulicos donde varios estudios presentan tecnologías y herramientas que permiten estimar la cantidad de energía utilizada por el uso del agua en suministros de distintas envergaduras, exponiendo datos de las redes como son volumen inyectado, presión de abastecimiento, energía suministrada, regulación de los sistemas, entre otros. La revisión del estado del arte pone de manifiesto que tras la instalación de PAT se logra tener una recuperación energética desde un valor nulo hasta conseguir 0.042 kWh/m3. De igual manera se pudo estimar que tras la instalación de PFV para suministrar energía en las estaciones de bombeo se logra una reducción anual en la emisión de GEI de 16571 tCO2. A su vez, se pudo determinar que, tras la modificación en la operación del sistema, se consigue modificar el consumo inicial anual de 11651 a 2100 MWh. En el capítulo 3, se propone una metodología de optimización que muestra cómo se puede realizar la optimización de una red de riego real ubicada en Aspe (Alicante, España). Esta metodología emplea el método de optimización de "simulated annealing", tanto para conocer la mejor ubicación para instalar sistema micro hidroeléctricos como definir la regulación. El estudio muestra alternativas que alcanzan una reducción anual de emisión de GEI de hasta 2838 tCO2, y, de igual manera, se aprecia la posibilidad anual de vender hasta 283 MWh al sistema de abastecimiento de energía local. La metodología propuesta, asimismo fue aplicada en un sistema de abastecimiento de una ciudad aislada (Bahamas), mostrado en el capítulo 4. Se puede apreciar que al realizar modificación en la regulación del sistema se puede reducir el consumo energético anual de una estación de bombeo en un 32% y una reducción de la emisión de GEI en un 40%, esto se consiguió tras realizar un método de optimización basado en la búsqueda de los mejores puntos de funcionamiento de las bombas.

[CA] L'emissió de gasos d'efecte d'hivernacle de manera desmesurada, ha generat la degradació de la capa d'ozó, provocant variacions en els processos ambientals que afecten els organismes vivents en el planeta Terra. En els últims anys a causa del canvi climàtic, els éssers humans busquem emfatitzar en la cura del medi ambient i la preservació dels recursos naturals. Pel que, en la majoria dels casos, l'avanç tecnològic s'enfoca a aconseguir les metes de desenvolupament sostenible plantejades per l'Organització de les Nacions Unides (ONU). El món de l'aigua no queda arrere, en haver d'utilitzar equips energèticament cada vegada més consumptius per a suplir la demanda hídrica, es determina que existeix una relació entre l'emissió de *GEI i el consum d'aigua. Existeixen nombrosos estudis que demostren que, en optimitzar les xarxes de distribució d'aigua: 1) es redueix la quantitat d'energia requerida en les xarxes d'aigua; 2) es redueix l'emissió de *GEI; 3) s'augmenta el temps de vida útil d'una xarxa de proveïment; 4) es millora l'aprofitament de l'aigua; 5) s'aconsegueix disminuir el cost relacionat amb l'operació, entre altres. El desenvolupament de l'objectiu d'aquesta tesi va comportar amb si la creació de tres (3) articles científics publicats en revistes *JCR d'alt impacte, amb el que es va aconseguir: 1)Contextualització de l'estudi, establint les diferències existents en els sistemes de distribució d'aigua des del punt de vista de la sostenibilitat. 2)Optimització de xarxes de reg a la recerca d'un sistema híbrid que perseguisca una configuració d'utilització nul·la d'energia neta. 3)L'aplicació i l'optimització d'una xarxa de proveïment aïllada que supleix la demanda urbana, turística i paisatgística. En el capítol 2 es mostren diferents mètodes d'optimització de xarxes mitjançant el modelatge, calibratge i anàlisis hidràuliques on diversos estudis presenten tecnologies i eines que permeten estimar la quantitat d'energia utilitzada per l'ús de l'aigua en subministraments de diferents envergadures, exposant dades de les xarxes com són volum injectat, pressió de proveïment, energia subministrada, regulació dels sistemes, entre altres. La revisió de l'estat de l'art posa de manifest que després de la instal·lació de *PAT s'aconsegueix tindre una recuperació energètica des d'un valor nul fins a aconseguir 0.042 kWh/m³. D'igual manera es va poder estimar que després de la instal·lació de *PFV per a subministrar energia en les estacions de bombament s'aconsegueix una reducció anual en l'emissió de *GEI de 16571 *tCO2. Al seu torn, es va poder determinar que, després de la modificació en l'operació del sistema, s'aconsegueix modificar el consum inicial anual de 11651 a 2100 *MWh. En el capítol 3, es proposa una metodologia d'optimització que mostra com es pot realitzar l'optimització d'una xarxa de reg real situada a Aspe (Alacant, Espanya). Aquesta metodologia empra el mètode d'optimització de "*simulated *annealing", tant per a conéixer la millor ubicació per a instal·lar sistema micro hidroelèctrics com definir la regulació. L'estudi mostra alternatives que aconsegueixen una reducció anual d'emissió de *GEI de fins a 2838 *tCO2, i, d'igual manera, s'aprecia la possibilitat anual de vendre fins a 283 *MWh al sistema de proveïment d'energia local. La metodologia proposada, així mateix va ser aplicada en un sistema de proveïment d'una ciutat aïllada (Bahames), mostrat en el capítol 4. Es pot apreciar que en realitzar modificació en la regulació del sistema es pot reduir el consum energètic anual d'una estació de bombament en un 32% i una reducció de l'emissió de *GEI en un 40%, això es va aconseguir després de realitzar un mètode d'optimització basat en la cerca dels millors punts de funcionament de les bombes.

[EN] The disproportionate emission of greenhouse gases has led to the degradation of the ozone layer, causing variations in environmental processes that affect living organisms on planet Earth. In recent years, due to climate change, human beings seek to emphasize the care of the environment and the preservation of natural resources. Therefore, in most cases, technological progress is focused on achieving the sustainable development goals set by the United Nations (UN). The world of water is not left behind, as it is necessary to use more and more energy-consuming equipment to meet the demand for water, and it has been determined that there is a relationship between GHG emissions and water consumption. There are numerous studies that show that, by optimizing water distribution networks: 1) the amount of energy required in water networks is reduced; 2) GHG emissions are reduced; 3) the useful life of a supply network is increased; 4) the use of water is improved; 5) the cost related to operation is reduced, among others. The development of the objective of this thesis entailed the creation of three (3) scientific articles published in high impact JCR journals, thus achieving: 1)Contextualization of the study, establishing the existing differences in water distribution systems from the point of view of sustainability. 2)Optimization of irrigation networks in search of a hybrid system that pursues a configuration of zero net energy use. 3)The application and optimization of an isolated supply network that meets urban, tourist and landscape demand. Chapter 2 shows different methods of network optimization through modeling, calibration and hydraulic analysis where several studies present technologies and tools that allow estimating the amount of energy used by the use of water in supplies of different sizes, exposing network data such as volume injected, supply pressure, energy supplied, regulation of the systems, among others. The review of the state of the art shows that after the installation of PAT it is possible to have an energy recovery from a null value to 0.042 kWh/m3. Likewise, it was estimated that after the installation of PFV to supply energy to the pumping stations, an annual reduction in GHG emissions of 16571 tCO2 was achieved. At the same time, it was determined that, after the modification in the operation of the system, it was possible to modify the initial annual consumption from 11651 to 2100 MWh. In Chapter 3, an optimization methodology is proposed that shows how the optimization of a real irrigation network located in Aspe (Alicante, Spain) can be carried out. This methodology uses the "simulated annealing" optimization method, both to know the best location to install micro hydroelectric systems and to define the regulation. The study shows alternatives that achieve an annual GHG emission reduction of up to 2838 tCO2, and, likewise, the annual possibility of selling up to 283 MWh to the local energy supply system. The proposed methodology was also applied in a supply system of an isolated city (Bahamas), shown in Chapter 4. It can be seen that by modifying the regulation of the system, the annual energy consumption of a pumping station can be reduced by 32% and GHG emissions can be reduced by 40%, this was achieved after performing an optimization method based on the search for the best operating points of the pumps.