Energy resources optimization in water supply networks

Mestrado em Sistemas Energéticos SustentáveisAs preocupações com o consumo de água e energia no mundo são crescentes. No entanto, em Portugal não se dá, ainda, a devida importância aos consumos energéticos relacionados com o abastecimento de água. Actualmente, nas estações elevatórias, as bombas são postas em funcionamento até encher os reservatórios responsáveis por abastecer determinadas populações. As mesmas são desligadas quando os reservatórios atingem o seu nível máximo e apenas voltam a funcionar quando os mesmos atingem o nível mínimo. Este tipo de funcionamento não tem qualquer tipo de atenção à variação do custo da energia (necessária ao bombeamento) ao longo do dia. A introdução de um padrão de funcionamento das bombas adequado às tarifas energéticas e aos padrões de consumo das populações permite minimizar os custos energéticos de forma significativa. Nesta dissertação construiram-se dois exemplos distintos de simulação de redes de abastecimento de água e procedeu-se à aplicação de diferentes metodologias de optimização na tentativa de minimizar os consumos e custos energéticos associados ao bombeamento da água. Os métodos de optimização seleccionados foram o método de Levenberg-Marquardt (LM), um método clássico baseado no gradiente, e um algoritmo evolucionário (AE), um método heurístico. Em ambos os exemplos simulados, a optimização do padrão da bomba permitiu reduções significativas dos custos associados ao bombeamento (até 71 %). Apenas num dos exemplos se observaram reduções dos consumos de energia. Verificou-se que a optimização dos padrões das bombas tem em conta a variação do custo energético ao longo do dia. O método clássico de Levenberg-Marquardt demonstrou ser o mais eficiente neste tipo de problemas de optimização. A utilização de ambos os métodos de forma sequencial permite reduções ainda maiores, no entanto o tempo de processamento torna-se substâncialmente mais elevado.Concerns about water and energy consumption in the world are increasing. However, in Portugal is not given importance to the energy consumption related to water supply, yet. Currently, at pumping stations, the pumps are put in place to fill the reservoirs responsible for supplying certain populations. The pumps are turned off when the reservoirs reaches their maximum level and only return to work when they reach the minimum. This kind of operation does not have attention to changes in the energy (needed for pumping) daily cost. The introduction of a pump pattern adapted to energy prices variation and consumption patterns of populations can minimize energy costs significantly. In this thesis we have constructed two distinct examples of water supply networks simulation and proceeded to the application of different optimization methods attempting to minimize energy consumption and costs associated to water pumping. The selected optimization methods were the method of Levenberg-Marquardt (LM), a classic gradient-based method, and an evolucionary algorithm (EA), a method based on heuristic search. In both simulated examples, the optimization of pump pattern allowed significant reductions in costs associated to the pumping (up to 71 %). In just one example there were reductions of energy consumption. It was found that the optimized pump patterns take into account the variation of the energy cost throughout the day. The classic method of Levenberg-Marquardt proved to be the most efficient in this kind of optimization problems. The use of both methods in sequence allows further reductions, however processing time becomes substantially higher