Abril 2 - aca-web.gencat.cataca-web.gencat.cat/aca/documents/ca/jornadatecnica004/12_polo.pdf · Un soneto me manda hacer Violante, que en mi vida me he visto en tal aprieto; …….

IV JORNADAS TÉCNICAS DEGESTIÓN DE SISTEMASDE SANEAMIENTO DEAGUAS RESIDUALES.

Energía y Saneamiento

Abril 2.009

- Energías renovables en la depuración: solar, eólica y minihidráulica.

- Experiencias en eficiencia energética: sistemas expertos y no expertos en elcontrol de la aereación de los tratamientos biológicos.

2

Un soneto me manda hacer Violante,que en mi vida me he visto en tal aprieto; …….

3

SUMARIO.

1.- INTRODUCCIÓN.

1.1.- Energías renovables.1.2.- Eficiencia energética.

2.- ENERGÍAS RENOVABLES.

2.1.- Energía solar.2.2.- Energía eólica.2.3.- Energía micro- hidráulica.

3.- EFICIENCIA ENERGÉTICA.

3.1.- Pequeñas instalaciones.3.2.- Grandes instalaciones.

4.- CONCLUSIONES.

5.- AGRADECIMIENTOS.

4

CRECIENTE DEMANDA ENERGÉTICA

+ 49% 2005-2030

CRECIENTE DEMANDA ENERGÉTICA

+ 49% 2005-2030

PREOCUPACIÓN AMBIENTAL

- Kioto y más allá- Gestión sostenible

de los recursos naturales

PREOCUPACIÓN AMBIENTAL

- Kioto y más allá- Gestión sostenible

de los recursos naturales

DEPENDENCIA-INSEGURIDAD

43% de la demanda mundial de energía se producirá en Oriente

Medio en 2030

DEPENDENCIA-INSEGURIDAD

43% de la demanda mundial de energía se producirá en Oriente

Medio en 2030

PAÍSES EMERGENTES

China, IndiaDerecho global al desarrollo

PAÍSES EMERGENTES

China, IndiaDerecho global al desarrollo

SUBDESARROLLO

2.000 millones de personas dependen de la biomasa tradicional

SUBDESARROLLO

2.000 millones de personas dependen de la biomasa tradicional

PRECIO DEL PETRÓLEO

- Elevada volatilidad- Inestabilidad política- Crisis estructural

PRECIO DEL PETRÓLEO

- Elevada volatilidad- Inestabilidad política- Crisis estructural

CRISISMODELO FÓSIL

CRISISMODELO FÓSIL

La energía: un PROBLEMA con múltiples factores.

INTRODUCCIÓN.

5

14.000

12.000

10.000

8.000

6.000

4.000

18.000

16.000

2000 2010 202019800

2.000

1990 2030

Mtep

La demanda energética crecerá un 49% en 25 años y dependeráen más del 80% de fuentes fósiles, si no actuamos YA.

Evolución de la demanda mundial de energía primaria (Escenario Referencia AIE)

6.595

17.014

11.429

+73%

+49%

2005

Petróleo

Carbón

Gas

Biomasa

Nuclear

Hidro

Otras renovables

Cuota (%)

2005 2030

0,6 2,1

2,2 2,4

6,3 5,3

10,0 9,8

20,6 21,6

25,3 28,8

35,0 30,0

Fuente: AIE, WEO 2008 (Escenario de Referencia) Mtep: millones de toneladas equivalentes de petróleo

X 2,6

Crecimiento anual (%)

7,2

1,9

0,9

1,4

1,8

2,0

1,0

1,6

INTRODUCCIÓN.

6

LA VIABILIDAD SOCIO- ECONÓMICA DEL FUTURO PASA POR DISMINUIR LA DEPENDENCIA EN EL ABASTECIMIEN-TO ENERGÉTICO.

⇒ ENERGÍAS RENOVABLES.

INTRODUCCIÓN.

7

El modelo energético causa alteraciones ambientales…

Concentración de CO2 en la atmósfera en los últimos 400.000 años (ppm)

-10

-6

-8

-4

-2

2

0

4

Evolución de la temperatura media en los últimos 400.000 años (ºC)750 ppm

160

200

180

220

240

280

260

300

400.000 350.000 300.000 250.000 200.000 150.000 100.000 50.000 0

(1950)

21

00

20

00

430 ppm

ppm

ºC

+ ?ºC

INTRODUCCIÓN.

8Fuente: AIE, World Energy Outook, 2008 con datos del IPCC.

Concentraciónde CO2 eq.

a 2100

>855 ppm

>550 ppm

<450 ppm

Aumentotemp. media

s. XXI

6 ºC

3 ºC

2 ºC

(*) La energía es la principal fuente de emisiones de CO2 equivalente, con un 61% del total, que subirá hasta el 68% en 2030 (esc. Ref.)La generación eléctrica y el transporte causan más del 70% del incremento de emisiones previsto en el escenario de referencia

-15 Gt(-37%)

2000 2005 2010 2015 2020 20251990 20301995

20

25

30

35

40

45

41 GtEscenario

de referenciaAIE

Escenario 450 ppm

AIE

33 Gt

26 Gt

Emisiones energéticas de CO2 equivalente (*)

Gt

Escenario550 ppm

AIE

…que es preciso afrontar con URGENCIA para estabilizar el clima ANTES DE QUE SEA DEMASIADO TARDE

27 Gt

INTRODUCCIÓN.

9

LA VIABILIDAD DEL FUTURO PASA POR DISMINUIR EL CONSUMO DE ENERGÍA.

⇒ EFICIENCIA ENERGÉTICA.

INTRODUCCIÓN.

10

Energía solar. Introducción.

En nuestro campo, podemos clasificar las aplicaciones más usuales en dosprincipales, si bien pueden tener diferentes escalas y aplicaciones:• Energía fotovoltaica.

- Fija.- Con seguidores.

• Energía solar térmica.

ENERGÍAS RENOVABLES. Energía solar.

Energía fotovoltaica. Instalaciones fijas. Conceptos varios

• Los paneles fotovoltaicos producen electricidad en corriente continua.

• La corriente continua se convierte en corriente alterna mediante un inversor, y se inyecta a la red eléctrica.

• La vida útil de una instalación fotovoltaica está entre los 35 y los 40 años aproximadamente.

• Espacio o superficie útil disponible

Orientada al Sur

Sin sombreamiento

11

Instalaciones fijas. Tipos de instalaciones, dependiendo del tipo de cubierta

• Cubierta Plana o inclinada sin los requisitos anteriores:

- Si la cubierta es plana o es inclinada pero no cumple los requisitos anteriores, las placas fotovoltaicas se instalan sobre una estructura de lamas que le dan la orientación e inclinación necesaria

- Hacen falta aproximadamente 100m2 por cada 5 kW instalados

• Cubierta Inclinada:

- Si la cubierta tiene la orientación adecuada (Sur), una inclinación suficiente (la óptima son 30º) y está libre de sombras, las placas fotovoltaicas se instalarían superpuestas a dicha cubierta o tejado.

- Hacen falta aproximadamente 55 m2 por cada 5 kW instalados

ENERGÍA FOTOVOLTAICA. Instalaciones fijas.

12


Cubierta inclinada

Instalación Fotovoltaica con lamas

13


14

ENERGÍA FOTOVOLTAICA. Instalaciones con seguimiento solar.

Instalaciones con seguimiento solar. Conceptos varios

• Los paneles fotovoltaicos se montan sobre una estructura ó parrilla, sustentada sobre un mástil vertical, que realiza un giro azimutal siguiendo el movimiento del sol.

• La producción total es de alrededor del 35% superior a las fijas.

Instalaciones con seguimiento solar. Conceptos varios

• Los paneles fotovoltaicos se montan sobre una estructura ó parrilla, sustentada sobre un mástil vertical, que realiza un giro azimutal siguiendo el movimiento del sol.

• La producción total es de alrededor del 35% superior a las fijas.

• Hace falta cimentación.

• Campo fotovoltaico: 50 m2.

• Inclinación parrilla: 45º.

• Alturas. Desde 1,5 m (inferior) hasta 6,5 m (coronación).

• Superficie: 270 m2 para evitar sombras.

Instalaciones con seguimiento solar. Características.

15

ENERGÍA FOTOVOLTAICA. Instalaciones con seguimiento solar.

16

ENERGÍA FOTOVOLTAICA. Resumen.

• Emisiones de CO2, -kg CO2/ añox kw………………………………………...1.500- 1.600

• Árboles equivalentes, 1/ kw………………………………………………………...90- 100

• Tiempo de funcionamiento, hp/ año…………………………………….…....1.500- 1.800

• Vida útil de los captadores, años…………………………………………………...35- 40

• Sistemas externos de gestión, operación y mantenimiento.

ENERGÍA FOTOVOLTAICA. Resumen.

17

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. Introducción.

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. Introducción.

• Las instalaciones solares térmicas producen agua caliente:

- Para ACS.

- Para calefacción.

- Para climatización.

• Complementan a la instalación convencional, no la sustituyen.

• Los principales componentes son:

- Colectores o captadores solares

- Intercambiadores

- Depósitos de acumulación solar

- Centralita, bombas, válvulas, vasos de expansión.

18

Posible esquema y cobertura de instalación solar térmica

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. Esquema y cobertura.

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Ventajas aportadas por la instalación solar térmica

• Ahorro de combustible convencional (gas natural, gasóleo, electricidad...).

• Evita la emisión de CO2 a la atmósfera.

• Se alarga la vida útil de la caldera convencional.

• Disminuye el número de averías de la caldera (evita arranques y paradas).

• Incrementa la disponibilidad de agua caliente (supone una segunda fuente de

aporte de agua caliente).

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. Ventajas.

20

Parámetros para el diseño.

• Necesidades y consumos de agua caliente.

• Espacio para colectores ó captadores solares.

• En este caso no es tan crítica la existencia de sombras puntuales.

•Inclinación óptima de 45º y orientación Sur.

• Paso de bajantes desde colectores hasta la sala de acumulación.

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. Parámetros para el diseño.

• La vida útil de una instalación solar térmica es de unos 20 o 25 años.

• La instalación de los colectores dependerá de la cubierta disponible:

• Inclinada: colectores superpuestos.

• Plana: Colectores sobre estructura.

• Integraciones.

Parámetros para el diseño.

21

ENERGÍA SOLAR TÉRMICA. Ejemplos.

22

ENERGÍA EÓLICA.

23

ENERGÍA EÓLICA. Introducción

Introducción.

• Energía eólica es la que proviene del movimiento de grandes masas de aire.

• Los vientos más interesantes son los llamados locales entre ellos:

• Brisas marinas.• Vientos de montaña.

• La potencia del viento depende entre otros factores de:

• Área.• Velocidad.

• La máxima potencia que se puede extraer del viento es el 59%.

• El tramo de velocidades de funcionamiento se encuentra entre 15 y 90 km/ h.

24

AEROGENERADORES. Elementos constituyentes.

Elementos constituyentes.

• Hélice: está formada por las palas y el buge, donde se alojan los elementos decontrol de angulación de las palas.

• Eje.

• Multiplicador.

•Freno mecánico.

• Generador: pueden ser de dos tipos.

• Generadores asíncronos.• Generadores síncronos.

• Sistemas de control electrónico, que recibe datos de dirección y velocidad deviento.

• Sistemas de refrigeración del aerogenerador.

• Barquilla: elemento que agrupa a todo menos palas y buge, y es orientable.

25

AEROGENERADORES. Elementos constituyentes.

26

ELEMENTOS CONSTITUYENTES. Hélices.

Hélices. Relación tamaño/ potencia.

27

ELEMENTOS CONSTITUYENTES. Tipos de generadores.

Tipos de generadores. Asíncronos.

• Producen E. E. en el estator cuando la velocidad de giro delrotor es mayor que la del campo magnéticode excitación.

• Ventajas.

• Facilidad de conexión.• Ausencia de contactos móviles.• Sistema de control sencillo.• Menor coste.• Robustez.

• Inconvenientes.

• Necesita estar conectado a la red.• Necesidad de grupos de condensadores.

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ELEMENTOS CONSTITUYENTES. Tipos de generadores.

Tipos de generadores. Síncronos.

• Rotor compuesto por electroimanes y un estatorcon devanado en el que se producela corriente.

• Ventajas.

• Presentan mayor rendimiento.• Vierten potencia reactiva a la red.• Pueden funcionar de forma autónoma.

• Inconvenientes.• Complejo sistema de control• Conexión a la red compleja.

29

ENERGÍA EÓLICA. Resumen.

Resumen.

• Eliminación de emisiones de CO2: -1 kgCO2/ kWh.

• Vida útil de funcionamiento estimada en 20 años ó más.

• En el mercado se encuentran aerogeneradores desde unos pocos cientos de kW hasta los últimos de más de 3.000 kw.

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ENERGÍA MINIHIDRÁULICA.

Aprovechamientos en estaciones depuradoras o de tratamiento de aguas.

En las estaciones depuradoras o plantas de tratamientos de agua una de posibles recuperaciones de energía es el aprovechamiento hidroeléctricode los caudales de retorno.

Particularidades de las estaciones depuradoras o de tratamiento en España- Saltos aprovechables desde 3m hasta 15m.- Caudales utilizables máximos de 3,5 m3/sg.

Tipo de turbinas adaptables.- Semikaplan de eje inclinado (hasta 5m).- Semikaplan vertical (desde 5m hasta 15 m).

Se considera suficiente una semikaplan debido a la regularidad de caudales. En caso de variaciones estacionales donde el caudal se reduzca hasta un 30% del nominal, seria necesario estudiar la posibilidad de instalar 2 turbinas.

Venta 100% de la energía o conexión a la instalación de BT de ladepuradora (legalización).

31


Turbinas semikaplan.

Principales características de las turbinas semikaplan

Se adaptan a saltos inferiores a 20 metros para turbinas de 4 y 5 palas.La gama de funcionamiento es del 100% hasta el 30% del caudal

nominal.Posibles instalaciones en eje vertical e inclinado.El rodete tiene forma de hélice. Alabes orientables.La descarga se realiza mediante tubo de aspiración. (40%).Transmisión turbina-generador generalmente con multiplicador.Obra civil muy reducida.Fácil adaptación a instalaciones existentes.Premontaje y alineación en fábrica reduciendo los trabajos en la obra.

32


Turbinas semikaplan disposición en eje inclinado.

33


Turbinas semikaplan disposición en eje inclinado.

34


Turbinas semikaplan disposición en eje vertical.Rodetes de 4 palas (5-9m) y de 5 palas (9-15m).

35


Turbinas semikaplan disposición en eje vertical.

36


Costes aproximados.

Los costes de este tipo de soluciones dependerán de las condiciones de salto y caudal, pero para delimitar y disponer de valores de referencia,

Turbina semikaplan de eje inclinado- Salto neto de 4m y un caudal de 3.100 l/s, completa desde la compuerta de

entrada, turbina inclinada diam. 900mm, generador asíncrono, grupo hidráulico, montaje y puesta en marcha. Coste total 135.000,- €. Potencia obtenida 97 kW

- Salto neto de 2,5m y un caudal de 3.000 l/s, completa desde la compuerta de entrada, turbina inclinada diam. 1000mm, generador asíncrono, grupo hidráulico, montaje y puesta en marcha. Coste total 130.000,- €.Potencia obtenida 57 kWTurbina semikaplan de eje vertical

- Salto neto de 8m y un caudal de 2.900 l/s, completa desde la compuerta de entrada, turbina vertical 4 palas diam. 800mm, generador asíncrono, grupo hidráulico, montaje y puesta en marcha. Coste total 165.000,- €. Potencia obtenida 175 kW

- Salto neto de 14m y un caudal de 2.400 l/s, completa desde la compuerta de entrada, turbina vertical 5 palas diam. 800mm, generador asíncrono, grupo hidráulico, montaje y puesta en marcha. Coste total 185.000,- €.Potencia obtenida 250 kW

A tener en cuenta otros costes en la instalación de obra civil, equipos eléctricos, equipos auxiliares como pueden ser limpiarrejas, …

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EFICIENCIA ENERGÉTICA. Pequeñas instalaciones.

Pequeñas instalaciones. EDAR Montblanc.

• Control por O2D, complicado por ser dos reactores y un solo colector de suministro.

• Alguna irregularidad por vertidos amoniacales y/ ó ligeras

desnitrificaciones incontroladas.

• Se busca sistema de alta fiabilidad y manejo sencillo.

• Año de garantía cumplido.

• Mejoras 2.008.

38EDAR Montblanc


39


EDAR Montblanc. Mejoras 2.008

• Instalación de válvulas de compuerta motorizadas en las alimentaciones de aire a cada reactor.• Re- programación de los PLC´s incluyendo modos de

funcionamiento en base redox.

• Instalación de dos sondas redox.

40


41


42

PEQUEÑAS INSTALACIONES. Resumen.

Resumen.

• Resultados de proceso:

• Nitrificación total y/ ó razonablemente regulable.• Desnitrificación: total. (Nox < 1 mgN/ l).

• Resultados de eficiencia energética:

• 8,5% respecto del mismo período del año anterior.• 11% respecto la media del último año (incluidos losmeses de estudio)

Presentación técnica1 de abril de 2.009.

Control optimizado ADEX Para el proceso biológico de una la E.D.A.R.

Juan M. Martín Sánchez

IV JORNADAS TÉCNICAS DE GESTIÓN DE SISTEMAS DE SANEAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

IV JORNADAS TÉCNICAS DE GESTIÓN DE SISTEMAS DE SANEAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES44

Presentación técnicaJuan M. Martín Sánchez ‐ 1 abril 2009

Descripción del proceso

• 6 balsas con válvulas mariposa y dos sensores de oxígeno (actualmente 4 en operación).

• 4 soplantes con difusores para control de presión en el conducto de aire.



Descripción del proceso



Problemática de control

• Dinámica biológica del proceso.

• Contexto de operación de carácter aleatorio.

• Falta de información sobre el proceso.

• Naturaleza interactiva del proceso.



Objetivos de control

• Mantener la señal de oxígeno alrededor de su consigna utilizando las posición de las válvulas mariposa de cada una de las balsas.

• Mantener un nivel de presión de aire en el conducto principal alrededor de la consigna solicitada por el sistema ADEX.



Estrategia de control

• Seis controladores ADEX, uno para cada una de las balsas, que controlan la señal del oxigeno, en cada una de ellas, actuando sobre la posición de la válvula mariposa.



Rendimiento del control PID



Rendimiento – control PIDOxígeno y válvula.



Rendimiento – control PIDPresión y caudal.



Rendimiento del sistema ADEX



Rendimiento – Sistema ADEXOxígeno y válvula.

Cuando se recupera la soplante después del paro, el sistema sigue la operación normal sin deteriorar el rendimiento.

Paro de soplante



Rendimiento – Sistema ADEXSeñales de presión y caudal.

Paro de soplante



Optimización ADEX del proceso biológico



Estrategia de optimización

• Mantener la presión en el nivel mínimo que permita un control satisfactorio del oxígeno en todas las balsas.

• Mantener las consignas del oxígeno en el nivel mínimo que garantice la calidad del agua tratada.



Optimización – Sistema ADEX

Balsa 5




Balsa 1




Balsa 2




Todas las balsas



Cambio PID-ADEX



Cambio PID ‐ ADEX

Balsa 2



Cambio PID - ADEX

Balsa 5



Cambio PID - ADEX

Todas las balsas



Mejoras en consumos: estimadas



dVpdW ⋅= W – energía, p – presión, V – volumen.

VpdtdVp

dtdWP Φ⋅=⋅== P – potencia, ΦV – caudal.

∫ Φ⋅=1

0

)()()( 1

t

tV dtttptW W – energía consumida para cada balsa

en el período (t0, t1).




27.03171.489 235.01 Total

22.9341.98 54.47 Balsa 6

22.7052.28 67.63 Balsa 5

43.1834.97 61.55Balsa 2

17.7442.25 51.36 Balsa 1

Ahorro energéticoen media [%]

Potencia media [kW] aplicada bajo control ADEX

Potencia media [kW] aplicada bajo control PID Balsa




Mejoras en consumos y calidad: medidas




La mejora depende del OD: Resultados para OD=2.

Nº DÍAS FCTO RATIO

CONSUMO NT OD

Kw/ kg DBO mg/ l mg/ l

9 PID 0,3485 13,7 2

9 ADEX 0,2952 12,2 2

OPTIMIZACIÓN OBTENIDA 15,3% 10,95%




La mejora depende del OD: Resultados para OD=1.4.

Nº DÍAS FCTO RATIO

CONSUMO NT OD

Kw/ kg DBO mg/ l mg/ l

5 PID 0,4228 13,3 1,4

5 ADEX 0,3250 12,2 1,4

OPTIMIZACIÓN OBTENIDA 23,1% 8,27%


• El sistema ADEX ha estabilizado las variables del proceso en sus consignas, Una de las consecuencias directas y más importantes de un control de oxígeno más preciso y estable, como el alcanzado, es la mejora de la calidad del agua tratada.

• El control más preciso y estable de las variables del proceso y la estrategia de optimización ha resultado en una reducción del consumo normalizado al DBO que varía entre el 15-23 % según el OD mantenido en el reactor.

• Este control más preciso, sobre el OD de las balsas ayuda en gran medida a optimizar los procesos de eliminación de nutrientes. El control del oxígeno disuelto recirculado internamente en las balsas de desnitrificación es mucho más estable mejorando el rendimiento de éstas.

• Asimismo, el control estable de OD en el licor mezcla favorece la estabilidad del ecosistema microbiano, lo que ayuda en gran medida a controlar las poblaciones de bacterias no deseables en el proceso, en especial las filamentosas.


Conclusiones

72

CONCLUSIONES.

Conclusiones.

• Las energías renovables no son una alternativa: son el futuro.

• La eficiencia energética no es una alternativa: es una obligación.

• Hay herramientas suficiente variadas en el campo de las energías renovables, como para poder elegir en cada caso y circunstancia.

• Todavía hay campo que recorrer en la eficiencia energética.

73

AGRADECIMIENTOS.

Agradecimientos.

• ACCIONA Solar.

• ACCIONA Windpower.

• SALTOS DEL PIRINEO.

• ADEX.

…que voy los trece versos acabando; contad si son catorce, y está hecho.

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