Modelo matemático para a otimização energética em sistemas de abastecimento, considerando zonas de pressão e condições estruturais

Abstract

Os sistemas de abastecimento de água envolvem a captação, tratamento e distribuição de água com a função de levá-la em quantidade e qualidade adequadas à população. Porém, isso envolve o consumo de grandes quantidades de energia elétrica, sendo a maior parte desse consumo destinada aos sistemas de bombeamento. Deste modo, como o custo da energia elétrica é diferenciado ao longo das horas do dia, faz-se necessário um planejamento do acionamento das bombas hidráulicas, para evitar que estas operem nos horários mais caros. Assim, este trabalho propõe um modelo matemático de otimização linear inteiro misto, que visa minimizar os gastos com energia elétrica de um sistema de abastecimento de água, com restrições que facilitam a operação da rede por parte do operador. Um planejamento do estoque de água nos reservatórios também é realizado, de modo a garantir o total atendimento da demanda. Características de hidráulica e dinâmica de fluidos relevantes para o problema são consideradas pelo modelo, juntamente com a atual estrutura tarifária energética do Brasil. Testes numéricos foram realizados através da implementação do modelo no software IBM ILOG CPLEX Optimization Studio para uma rede hipotética proposta neste trabalho, além de uma rede proposta pela literatura, mostrando a eficiência do modelo proposto e do solver CPLEX. Nas etapas dos testes, comparou-se o consumo energético de sistemas com diferentes condições de infraestrutura, concluindo-se que investimentos em bombas mais eficientes, em tubulações mais novas e manutenção para evitar vazamentos geram ganhos ambientais, sociais e econômicos.

The water supply systems involve the collection, treatment and distribution of water, aiming at taking it in appropriate quantity and quality to the population. However, this involves the consumption of large amounts of electrical energy, with most of this consumption is destined to pumping systems. In this way, as the cost of electricity is differentiated throughout the hours of the day, it is necessary to plan the activation of hydraulic pumps, so as to prevent them from operating at the most expensive times. Thus, this work proposes a mathematical model of mixed integer linear optimization, which aims at minimizing the expenditure on electricity from a water supply system, with restrictions that facilitate the operation of the network by the operator. Planning of the water supply in the reservoirs is also carried out, in order to guarantee the total fulfillment of the demand. Hydraulic and fluid dynamics characteristics relevant to the problem are considered by the model, together with the current energy tariff structure in Brazil. Numerical tests were performed through the implementation of the model in the textit software IBM ILOG CPLEX textit Optimization Studio for a hypothetical network proposed in this work and for a network proposed by the literature, showing the efficiency of the proposed model and the textit solver CPLEX. In the testing stages, the energy consumption of systems with different infrastructure conditions was compared, concluding that investments in more efficient pumps, newer pipes and maintenance to avoid leaks generate environmental, social and economic gains.