Energy analysis of hydraulic systems - A real time pump scheduling model

Dissertação de Mestrado Integrado em Engenharia do Ambiente apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaOs consumos energéticos em sistemas de abastecimento de água são bastante elevados e uma grande fatia desse consumo deve-se à operação de grupos motobomba elétricos. Junto às captações os volumes de água envolvidos são consideráveis pelo que, se existirem alturas de elevação apreciáveis, as potências instaladas e os consumos de eletricidade serão bastante elevados. Atualmente, estes consumos são muitas vezes menosprezados pelas entidades responsáveis, que, geralmente, utilizam estratégias sem qualquer atenção à variação do custo da energia ao longo do dia. Neste contexto é essencial que exista uma gestão eficiente que pode ser alcançada através de adequadas políticas de exploração reduzindo assim, significativamente, os custos em energia elétrica. As alterações operacionais, de que é exemplo a otimização do horário de funcionamento das bombas, têm a vantagem de não obrigarem à realização de grandes investimentos e já mostraram ter impacto significativo na fatura energética. O principal objetivo desta dissertação consistiu no desenvolvimento de um modelo de gestão em tempo real do horário de funcionamento de bombas, inspirado num sistema real composto por dois reservatórios entre os quais se localiza uma estação elevatória equipada com múltiplos grupos motobomba. A abordagem implementada consistiu na geração de um determinado número de padrões de consumo e no desenvolvimento de um modelo de otimização que, satisfazendo as solicitações, aloque a maior parte possível do funcionamento das bombas a períodos onde a tarifa de eletricidade é mais baixa, tendo a capacidade de reagir, durante a operação do sistema, às alterações entre os consumos esperados e os verificados na realidade.The energy consumption in water supply systems is massive and a big portion of this consumption is due to the operation of pumps. Close to the extraction the water volumes involved are substantial, so if the elevation is considerable, power capacity and energy consumption will be quite high. Nowadays, these consumptions are often underestimated by the responsible entities, who generally implement strategies without any consideration to the variation of the energy costs throughout the day. In this context, energy cost management is crucial, which can be accomplished with operational changes, thereby, considerably reducing the energy consumption and the total costs. The introduction of changes in the pumping operational procedures, such as optimization of pump scheduling, have the advantage that do not required any additional investments and already shown to be effective and capable of significant impact on the energy bill. The main purpose of this dissertation was the development of a real-time pump scheduling operational model to be applied to a real water distribution system composed by a pumping station, a penstock and a reservoir. The approach was to create a certain number of consumption patterns and developing an optimization model that accommodates the most of the electric consumption into the cheapest tariff periods, while satisfying the demand. The developed model has the ability to react, during the implemented policy, to changes between the anticipated consumption demands and the reality