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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
The main purpose of this work was the development of energy optimization procedures for a
wastewater treatment plant. Along with it, solutions were presented and analysed for
economic viability. For this aim, extensive bibliographic research was undertaken to better
understand the existing tools, models, and results already achieved with each set of conditions.
To elaborate the case-study, data for biogas production and electricity needs of a wastewater
treatment plant were retrieve. Alongside it, the Solcast API was utilized to retrieve historical
data.
After schematizing the functioning of the plant, a rule-based approach was selected for the
simulation and optimization of energy. To guide the programming, flowcharts were designed
to mimic the relations between each set of variables and components. With the intent of
making the simulator have a more widespread utilization, the required programming was
executed in Excel and VBA (Visual Basic for Applications).
The results were broken down and analysed with the objectives of burnt biogas minimization,
cost reduction, and self-sufficiency in view. Results showed a vast improvement after the
introduction of the energy optimization system, with self-sustainability ratio increasing from
70% to above 91% in all analysed scenarios with both biogas and photovoltaic as renewable
energy sources.
The implementation of a secondary cogeneration unit was studied, to reduce the amount of
burnt biogas in low-purchase scenarios. Results showed that the application of a second
cogeneration unit can be profitable, if the wasted biogas is close to 25% of the total production.
Similarly, the cost-effectiveness of the implementation of the photovoltaic system was also
analysed, due to the high amount of exceeding energy derived from this source of energy. Two
solutions were tested. The first one showed that establishing a renewable energy community
with neighbouring facilities is a viable alternative to utilize the excess of produced electricity,
with the internal rate of return oscillating between 38.68% and 15.45%, depending on the
simulation scenario. The second analysis consisted of a sensitivity analysis of the selling price of
electricity. It utilized the scenario which yielded the worst result on the previous analysis. It
determined that, for selling prices higher than 0.15 €/kWh, it can be a viable option to sell the
electricity back to the grid, even though it does not achieve the same economic benefits as the
community approach.
O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de procedimentos de otimização energética para uma estação de tratamento de águas residuais. Foram apresentadas soluções e analisada a sua viabilidade económica. Para o efeito, foi efetuada uma extensa pesquisa bibliográfica para melhor conhecer as ferramentas, modelos e resultados existentes já alcançados com cada conjunto de condições. Para elaborar o caso de estudo, foram utilizados dados relativos à produção de biogás e às necessidades de eletricidade de uma estação de tratamento de águas residuais. Foi utilizada a API Solcast para obter dados históricos de irradiância para o ano de 2023. Após esquematizar o funcionamento da estação, foi selecionada uma abordagem baseada em regras para a simulação e otimização da energia. Para guiar a programação, foram desenhados fluxogramas que simulam as relações entre cada conjunto de variáveis e componentes. Com o objetivo de generalizar a utilização do simulador, a programação necessária foi executada em Excel e VBA (Visual Basic for Applications). Os resultados foram decompostos e analisados tendo em vista os objetivos de minimização do biogás queimado, redução de custos e autossuficiência. Foram desenhados quatro cenários de otimização: dois com o objetivo de atingir um compromisso entre a diminuição do biogás queimado e a poupança económica, sendo que um utiliza apenas os dados referentes à produção de biogás e às necessidades energéticas da estação de tratamento de águas residuais, e o outro adiciona os dados referentes à produção de energia com recurso ao sistema fotovoltaico; um com o objetivo singular de minimizar a queima de biogás; e um último com o objetivo de reduzir a quantidade de energia adquirida. Cada um dos cenários apresentou resultados superiores aos existentes sem otimização para os fins a que se destinava. Dois cenários conseguiram evitar a queima de biogás durante um ano. Por outro lado, e apesar de nenhum dos cenários ter conseguido evitar a compra de eletricidade à rede elétrica, os custos foram substancialmente minimizados. O caso dedicado à minimização de compra de eletricidade conseguiu, durante um ano, adquirir apenas 23,818.30 kWh de energia, o que equivale, de acordo com a estimativa, a 2,446.14 €. Os resultados mostraram uma grande melhoria após a introdução do sistema de otimização energética, com o rácio de autossustentabilidade a aumentar de 70% para mais de 91% em todos os cenários analisados que utilizam biogás e fotovoltaico como fontes de energias renováveis. Foi estudada a implementação de uma unidade de cogeração secundária, para reduzir a quantidade de biogás queimado em cenários de baixa compra. Os resultados mostraram que a aplicação de uma segunda unidade de cogeração pode ser rentável se o biogás desperdiçado estiver próximo dos 25% da produção total. Do mesmo modo, foi também analisada a relação custo-eficácia da implementação do sistema fotovoltaico, devido à elevada quantidade de energia excedentária derivada desta fonte de energia. Foram testadas duas soluções. A primeira mostrou que a criação de uma comunidade de energia renovável com instalações vizinhas é uma alternativa viável para utilizar o excesso de eletricidade produzida, com a taxa interna de retorno a oscilar entre 38.68% e 15.45%, dependendo do cenário de simulação. A segunda análise consistiu numa análise de sensibilidade ao preço de venda da eletricidade. Utilizou-se o cenário que apresentou o pior resultado na análise anterior. Determinou-se que, para preços de venda superiores a 0,15 €/kWh, pode ser uma opção viável vender a eletricidade de volta à rede, apesar de não se obter os mesmos benefícios económicos que a abordagem comunitária.
O principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de procedimentos de otimização energética para uma estação de tratamento de águas residuais. Foram apresentadas soluções e analisada a sua viabilidade económica. Para o efeito, foi efetuada uma extensa pesquisa bibliográfica para melhor conhecer as ferramentas, modelos e resultados existentes já alcançados com cada conjunto de condições. Para elaborar o caso de estudo, foram utilizados dados relativos à produção de biogás e às necessidades de eletricidade de uma estação de tratamento de águas residuais. Foi utilizada a API Solcast para obter dados históricos de irradiância para o ano de 2023. Após esquematizar o funcionamento da estação, foi selecionada uma abordagem baseada em regras para a simulação e otimização da energia. Para guiar a programação, foram desenhados fluxogramas que simulam as relações entre cada conjunto de variáveis e componentes. Com o objetivo de generalizar a utilização do simulador, a programação necessária foi executada em Excel e VBA (Visual Basic for Applications). Os resultados foram decompostos e analisados tendo em vista os objetivos de minimização do biogás queimado, redução de custos e autossuficiência. Foram desenhados quatro cenários de otimização: dois com o objetivo de atingir um compromisso entre a diminuição do biogás queimado e a poupança económica, sendo que um utiliza apenas os dados referentes à produção de biogás e às necessidades energéticas da estação de tratamento de águas residuais, e o outro adiciona os dados referentes à produção de energia com recurso ao sistema fotovoltaico; um com o objetivo singular de minimizar a queima de biogás; e um último com o objetivo de reduzir a quantidade de energia adquirida. Cada um dos cenários apresentou resultados superiores aos existentes sem otimização para os fins a que se destinava. Dois cenários conseguiram evitar a queima de biogás durante um ano. Por outro lado, e apesar de nenhum dos cenários ter conseguido evitar a compra de eletricidade à rede elétrica, os custos foram substancialmente minimizados. O caso dedicado à minimização de compra de eletricidade conseguiu, durante um ano, adquirir apenas 23,818.30 kWh de energia, o que equivale, de acordo com a estimativa, a 2,446.14 €. Os resultados mostraram uma grande melhoria após a introdução do sistema de otimização energética, com o rácio de autossustentabilidade a aumentar de 70% para mais de 91% em todos os cenários analisados que utilizam biogás e fotovoltaico como fontes de energias renováveis. Foi estudada a implementação de uma unidade de cogeração secundária, para reduzir a quantidade de biogás queimado em cenários de baixa compra. Os resultados mostraram que a aplicação de uma segunda unidade de cogeração pode ser rentável se o biogás desperdiçado estiver próximo dos 25% da produção total. Do mesmo modo, foi também analisada a relação custo-eficácia da implementação do sistema fotovoltaico, devido à elevada quantidade de energia excedentária derivada desta fonte de energia. Foram testadas duas soluções. A primeira mostrou que a criação de uma comunidade de energia renovável com instalações vizinhas é uma alternativa viável para utilizar o excesso de eletricidade produzida, com a taxa interna de retorno a oscilar entre 38.68% e 15.45%, dependendo do cenário de simulação. A segunda análise consistiu numa análise de sensibilidade ao preço de venda da eletricidade. Utilizou-se o cenário que apresentou o pior resultado na análise anterior. Determinou-se que, para preços de venda superiores a 0,15 €/kWh, pode ser uma opção viável vender a eletricidade de volta à rede, apesar de não se obter os mesmos benefícios económicos que a abordagem comunitária.
Description
Keywords
Self-sustainability Renewable energy community Wastewater treatment plant Optimization Multi-energy system Autossustentabilidade Comunidades de energia renovável Estação de tratamento de águas residuais Otimização Sistemas multi-energia