A geração de energia hidrelétrica enfrenta uma crescente restrição a sua expansão, diretamente relacionada a fatores ambientais e da limitação de terrenos com potencial economicamente aproveitável. A partir deste fato, é relacionada uma possível fonte de energia hidrelétrica, resultante do aproveitamento dos potenciais presentes na rede de distribuição de água das cidades, ainda sem nenhum aproveitamento. O desenvolvimento desta fonte de energia se dá com a instalação de mini e micro centrais hidrelétricas nos condutos da rede distribuidora de água. Este trabalho tem por objetivo avaliar o potencial de aproveitamento hidrelétrico por mini e micro hidrelétricas por meio de técnicas de modelagem e de otimização, para agilizar e facilitar o procedimento de identificação dos potenciais e a instalação na rede de abastecimento. O trabalho leva em conta as diversas peculiaridades das redes de distribuição de água e dos equipamentos eletro-hidráulicos, discorrendo sobre a possível complementariedade da geração de energia durante os picos de consumo. Discorre também sobre a contribuição para a rede de distribuição elétrica, na logística e nos custos de implantação além de discutir a tipologia das turbinas capazes de aproveitar o potencial energético. É avaliado, com o auxilio de modelos hidráulicos e de otimização, o posicionamento das centrais geradoras na rede e os possíveis benefícios, restrições e impedimentos ao seu uso, desenvolvendo uma metodologia para facilitar a tomada de decisão quanto ao aproveitamento para geração, ou não, em redes diversas. A construção deste procedimento e ferramenta são desenvolvidos a partir do estudo de caso do sistema distribuidor de água do Município de Piquete no estado de São Paulo, Brasil. / Hydropower energy production is facing limitations in their capacity to grow due directly to environmental and space limitations, questioning the actual economic benefits that hydropower have always had compared to other energy sources. In order to face this problems and to propose a new technology, the study focus on the potential of hydropower generation in the water supply systems (WSSs) network that are yet to be studied. Developing this new technology means the introduction of mini and micro hydropower plants in the WSS network. This study intends to develop a methodology and evaluate mini and micro hydropower potential, adopting optimization and modeling tools to accelerate and facilitate the identification procedures of potential installation points and the possibility of implementing pressure controls in the form of turbines in the network. The study considers all WSS peculiarities and restrictions, evaluating the introduction of electro hydraulic equipment and their interference and complementarity when considering energy consumption and production that would make the installation feasible. There is also a discussion about how will this technique be implemented in the network without interfering in water supply, and the logistics, costs and how energy distribution issues can be treated, including turbines type and configuration and also the activation timetables. All these features will be linked and treated with an optimization method that can provide decision making easier, locating production units and evaluating benefits and restrictions imposed by the environment. The construction of this procedure will be applied in a case study in the Piquete municipality in São Paulo, Brazil.

Este trabalho apresenta um modelo computacional para otimização energética de sistemas de abastecimento em tempo real. Tal modelo é composto por três módulos principais: (1) um módulo de simulação hidráulica que descreve o comportamento do sistema - EPANET; (2) um módulo de previsão de demandas que realiza a previsão das demandas futuras aplicável à utilização no tempo real (curto prazo), desenvolvido por Odan (2008); e, por fim, (3) um módulo otimizador estruturado em linguagem C++ que implementa a biblioteca de algoritmos genéticos do MIT - Massachusetts Institute of Technology and Matthew Wall, a GAlib, que permite determinar as rotinas operacionais (acionamento de válvulas e bombas) de forma à minimizar o custo de energia elétrica no sistema. O processo de otimização é divido em duas rotinas, nível estratégico e tempo real. Na otimização em nível estratégico, a partir das curvas típicas de demanda para cada nó de demanda do macro-sistema considerado, determina-se o conjunto de controles que minimizam os custos de energia elétrica, respeitando as restrições hidráulicas do sistema. Para cada conjunto de controles otimizados têm-se os níveis que os reservatórios irão atingir ao final de cada hora durante o horizonte de planejamento considerado, denominados níveis metas. Tais níveis servem de guia para a segunda etapa de otimização. A operação em tempo real se inicia com o recebimento dos dados sobre as condições atuais do sistema: níveis dos reservatórios e demandas da última hora. A partir das demandas informadas, o módulo de previsão de demandas gera todas as demandas para o horizonte de planejamento. Alimenta-se então o otimizador em tempo real com os níveis atuais dos reservatórios, os níveis metas e a previsão de demandas, obtêm-se o conjunto de regras operacionais ótimas para o horizonte de planejamento, sendo que são implementadas apenas as regras para a hora atual. E repete-se todo o processo a cada hora. Este modelo foi aplicado a um sistema de abastecimento de água. Os resultados obtidos demonstraram a eficiência do modelo em achar soluções factíveis de serem implementadas e com redução dos custos com energia elétrica. / This work presents a computational model for real-time optimization of water-distribution networks operation. An integrated software tool has been developed which is composed of three main modules: (i) a hydraulic simulator that performs the extended period simulation of the system (EPANET); (ii) a short-term demand-forecasting model, based on the moving Fourier series; and (iii) an optimization module, using genetic algorithm, to minimize pumping costs. The optimization process is divided in two routines, the off-line optimization and the on-line optimization. The aim of the first routine is to find the ideal operation levels for the reservoirs which are used as guidance for the on-line optimization. The schedules to be implemented in the network are determined, however, by an on-line optimization which runs a new optimization processes at each SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) update. In the off-line optimization, near-optimal pump and valve settings for a selected operating horizon are found on the basis of the typical 24-hour water demand cycle in which each reservoir must also start and end with the same water level. The levels of the reservoirs at the end of each hour in this optimization process, called ideal levels, are considered in the on-line optimization as a constraint that represents a penalty added to the objective function whenever a reservoir level is below the ideal level at the end of each hourly operation. The on-line optimization starts updating the state of the network transmitted from the SCADA system and the demand forecast for the next 24-hour period. Near-optimal pump and valve settings for a selected operating horizon are then determined but only the control settings for the next hourly time step are used to implement the operation. At the next SCADA update (next-time step), the whole process is repeated on a continuous basis and a new operating strategy is computed. In this way, the control process moves forward in time, correcting any discrepancies as it progresses. This integrated software tool has been applied to a small example network. The results obtained from this application have shown that the proposed model offers a practical tool for finding feasible operation strategies for a water pipeline system, obtaining reductions in pumping energy costs.

Submitted by SBI Biblioteca Digital (sbi.bibliotecadigital@puc-campinas.edu.br) on 2018-08-09T11:58:01Z No. of bitstreams: 1 MARIA PAULA MINORIN BABONI.pdf: 3935036 bytes, checksum: 6b16b5f82fcb82f4f4e69e7cfd8367d7 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-08-09T11:58:02Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARIA PAULA MINORIN BABONI.pdf: 3935036 bytes, checksum: 6b16b5f82fcb82f4f4e69e7cfd8367d7 (MD5) Previous issue date: 2018-07-28 / To maximize basic sanitation benefits, it?s necessary to solve the challenge of conflicting objectives. As the performance depends on the value of the one who evaluates, this research proposes to evaluate the sanitation from the perspective of different stakeholders that have conflicting objectives: the User Population - PU and the Service Provider - PS. In order to verify how the municipalities placed themselves in each perspective and in the joint vision, this research proposed to classify the Services of Water Supply and Sanitary Sewage of the municipalities of the Metropolitan Region of Campinas, from the vision of the PU and the PS, during the years of 2014 and 2015, according to the relations of efficiencies. Data Envelopment Analysis was used to evaluate the efficiencies of the municipalities in the two views, considering the CCR model oriented to Output and the data provided by the SNIS and IMP, and the Malmquist Index in order to evaluate the movement of the municipalities. It was verified that the majority of the municipal policies favored the PS in detriment of better services for the PU. The municipalities that reached the Great Balance were Engenheiro Coelho and Americana in 2014 and 2015 and Cosm?polis in 2015. In addition, the dominant force of advancement towards the PS occurred due to Technological Progress rather than to the improvement of municipal relative efficiency in the period, while the forces advancing towards the PU were results of the progress of the Frontier and relative municipal efficiency. As regards the characterization of the service providers, it was concluded that the Scope is decisive in the view of the stakeholder when compared to the Legal Nature and the Property, since the municipalities operated by the Regional provider were considered efficient in the view of the PS but inefficient in the vision of the PU, obtaining the last positions in the Ranking of the User Population. / A quest?o dos objetivos conflitantes deve ser resolvida para universalizar os servi?os do saneamento, foco estrat?gico do setor. Para tanto, prop?e-se avaliar o desempenho dos sistemas de abastecimento de ?gua e esgotamento sanit?rio da Regi?o Metropolitana de Campinas ? RMC sob a ?tica de stakeholders que t?m objetivos conflitantes: a Popula??o Usu?ria ? PU e o Prestador de Servi?os ? PS. Os servi?os de ?gua e esgoto foram classificados a partir da vis?o da PU e do PS durante os anos de 2014 e 2015, segundo suas rela??es de efici?ncia, para verificar como os munic?pios colocavam-se em cada perspectiva e na vis?o conjunta. Utilizaram-se a An?lise Envolt?ria de Dados ? DEA para avaliar a efici?ncia municipal, considerando o modelo CCR orientado para Sa?da e os dados p?blicos disponibilizados pelo Sistema Nacional de Informa??es sobre Saneamento ? SNIS e pelo produto Informa??es dos Munic?pios Paulistas ? IMP da Funda??o Sistema Estadual da An?lise de Dados - SEADE, e o ?ndice de Malmquist ? IM para avaliar o comportamento dos munic?pios no per?odo. Verificou-se que a maioria das pol?ticas municipais privilegiavam o PS em detrimento de melhores servi?os para a PU nos dois anos e que os munic?pios que atingiram o Equil?brio ?timo foram Engenheiro Coelho e Americana, em 2014 e 2015, e Cosm?polis em 2014. No sentido do PS, o avan?o ocorreu devido ao Deslocamento da Fronteira ? EFC e o retrocesso de Cosm?polis e Santo Ant?nio de Posse ocorreu devido ao Emparelhamento ? TEC. No sentido da PU, o avan?o ocorreu tanto por causa do TEC quanto do EFC. O retrocesso de Holambra ocorreu tanto por conta do TEC quanto do EFC. A Abrang?ncia do prestador de servi?o, se comparada ? Natureza Jur?dica e ao Direito, foi decisiva na vis?o do stakeholder, j? que os munic?pios operados pelo prestador regional foram ineficientes para a PU e eficientes para o PS, em 2014 e 2015.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:53:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MARTINEZ_Jonathan_2014.pdf: 11989383 bytes, checksum: 96fb53d9544014ea55b1e53ee779c134 (MD5) Previous issue date: 2014-03-14 / Financiadora de Estudos e Projetos / This study presents a pump scheduling problem for the capture, transfer and storage of water supply systems in urban networks, whose objective is to minimize the electricity cost associated to the pumping operations. To deal with the dynamic and random nature of the water-demand, we propose two-stage stochastic programming with recourse models, where the random variables are represented by a finite and discrete set of realizations or scenarios. The developed mathematical models are extensions of previous deterministic models of the literature and they reflect the basic assumption that a fixed cost could be incurred by the turn on/ turn off activities of the hydraulic pumps. In order to control violations of the water-demand constraints in the presence of multiple different scenarios, we also consider a robustness technique in an attempt to obtain almost feasible solutions. Last, but not least, we adopt a risk-aversion criteria so-called mean absolute deviation to obtain second-stage costs less dependent on the realizations of the scenarios. The scenarios were generated according to a Monte-Carlo simulation procedure that may use any probability distributions to produce the empirical probabilities of the random variables. As the proposed pump scheduling problem with fixed cost is a two-stage stochastic mixed 0 − 1 program, we develop a efficient hybrid heuristic to obtain good-quality solutions of practical instances in a plausible running time. Overall results evidence the stability of the scenario generation method, the sensitivity of the solution according to the key parameters of the mathematical model, and the efficiency of the heuristic in solving large instances. Finally, we show that is possible to save resources by solving the stochastic programming model instead of adopting simpler approaches based on the expected value. / Esse estudo apresenta um problema de programação de bombas para a captação, armazenamento e transferência de água em sistemas de abastecimentos de água em redes urbanas, cujo objetivo é minimizar o custo de energia elétrica associado às operações de bombeamento. Para lidar com a natureza dinâmica e aleatória da demanda por água, foram propostos modelos de programação estocástica de dois estágios com recurso, em que a variável aleatória é representada por um conjunto finito de realizações ou cenários. Os modelos matemáticos desenvolvidos são extensões de modelos determinísticos da literatura e refletem a suposição básica de que é possível se incorrer em um custo fixo pelas atividades de liga/desliga das bombas hidráulicas. Para controlar as violações das restrições de demanda por água na presença de múltiplos cenários diferentes, considerou-se também uma técnica de robustez na tentativa de gerar soluções quase factíveis. Por último, mas não menos importante, adotou-se um critério de aversão ao risco denominado desvio médio absoluto para obter custos de segundo estágio menos dependentes das realizações dos cenários. Os cenários foram gerados de acordo com um procedimento baseado em simulação Monte-Carlo que pode utilizar qualquer distribuição de probabilidade para produzir as probabilidades empíricas das variáveis aleatórias. Como o problema de programação de bombas com custo fixo proposto é um programa inteiro misto 0−1 estocástico, desenvolve-se uma heurística híbrida eficiente para obter soluções de boa qualidade de instâncias práticas em um tempo computacional plausível. Os resultados evidenciam a estabilidade do método de geração de cenários, a sensibilidade da solução de acordo com parâmetros-chave do modelo matemático, e a eficiência da heurística na resolução de instâncias de grande porte. Finalmente, foi demonstrado que é possível poupar recursos pela resolução do modelo de programação estocástica, em vez de adotar abordagens mais simples baseadas no valor esperado.