PROYECTO DE EFICIENCIA HIDRÁULICA Y ENERGÉTICA DEL SISTEMA DE AGUA POTABLE DE MONCLOVA Y FRONTERA , COAHUILA (2ª ETAPA)
Programa Watergy en México de la Alliance to Save Energy- USAID
Temas Principales:
• Redistribución de caudales y presiones en la red para incrementar la eficiencia hidráulica y energética
• Continuidad en el servicio de agua a los usuarios en 24 horas
• Sectorización de red de distribución • 35 % de Ahorro de Energía en base a la
metodología integral Watergy
Sistema Municipal de Agua y Saneamiento de Monclova, Coah. (SIMAS)
Ing. Mario Zamudio Miechielsen, Director General Ing. Abel de Luna, Director Técnico
Teléfono: 01-866-633-1331 y 632-2748 Ing. Arturo Pedraza M.
Coordinador Watergy Mexico Tel. 222- 7567084 y 243- 2174273 Email: apedraza@ase.org
Dr. Leonel H. Ochoa Alejo Consultor Alliance to Save Energy Tel. 777- 3 20 98 52
Email: lochoa@ase.org
Antecedentes
En julio de 2006, el organismo operador del Sistema Municipal de Agua y Saneamiento de Monclova, Coah. (SIMAS), encargó a la Alianza para el Ahorro de Energía (Alliance to Save Energy) dentro de su Programa
Watergy en México, financiado por la Agencia para el Desarrollo Internacional de los Estados Unidos
(USAID, por sus siglas en inglés), la elaboración del Proyecto de Eficiencia Electromecánica, Física y de la Operación Hidráulica del Sector Sur de la ciudad de Monclova, con el que se realizó un programa de acciones para redistribuir caudales y presiones e identificar medidas de ahorro de agua y energía eléctrica.
Al corroborar los beneficios de la metodología aplicada por la Alliance to Save Energy al sector Sur, SIMAS decidió realizar en una segunda etapa, un proyecto similar en los sectores Norte, Oriente, Centro y Frontera de Monclova, con la intención de obtener una redistribución de caudales y presiones en las líneas primarias de abastecimiento de agua y dentro de las zonas de distribución de agua de cada sector, además de la obtención de medidas de ahorro de agua y energética, tal como se realizó en el sector Sur de la ciudad.
Meta
Continuando con la experiencia obtenida en la primera etapa de este Proyecto, así como de las logradas en otros proyectos desarrollados por la Alliance to Save Energy, en el sistema de abastecimiento de agua potable de los sectores Norte, Oriente, Centro y Frontera de Monclova se tiene como meta lograr la continuidad del servicio de agua durante las 24 horas del día, a todos los usuarios de la red de distribución de agua, con la menor inversión posible aplicable a corto plazo y generando ahorros de energía resultantes de la optimización en la operación hidráulica.
Motivaciones
Algunos de los beneficios obtenidos con el Proyecto de Eficiencia del Sector Sur de Monclova fueron: la eliminación de los tandeos en el servicio, lo cual permitirá dar un servicio continuo en la distribución de agua a la población, así como un ahorro del orden del 40% en el consumo de energía eléctrica.
Lo anterior, motivó a las autoridades de SIMAS a llevar a cabo la elaboración del Proyecto de eficiencia hidráulica de la entrega de agua en bloque y de la red de distribución del sistema de agua potable de Monclova-Frontera, Coahuila, que comprende los sectores Norte, Oriente, Centro y Frontera, a fin de lograr lo obtenido en el sector Sur.
Metodología
La metodología utilizada en el proyecto de eficiencia ha sido la desarrollada por el programa Watergy, consistente en la aplicación de medidas enfocadas a proporcionar al consumidor, con efectividad de costos, los servicios deseados relacionados con el agua, al mismo tiempo que se utiliza la menor cantidad posible de agua y energía.
El programa Watergy propone realizar proyectos de agua potable para el incremento de eficiencia electromecánica, física e hidráulica que cumplan con las cinco condiciones siguientes:
1. Basados en información y datos disponibles generando la información complementaria mínima 2. Que aprovechen al máximo la infraestructura hidráulica existente
3. Con soluciones prácticas, económicas y de implantación en el corto plazo 4. Que garanticen mejor calidad del servicio de agua a los usuarios (cero tandeos) 5. Que reduzcan sustancialmente el costo energético
Las herramientas básicas para la aplicación del programa Watergy son las que se muestran en la figura siguiente:
El consumo energético en los sistemas de agua potable está estrechamente ligado con la distribución hidráulica de las conducciones y redes, el volumen de agua que se pierde por fugas y el bajo rendimiento de los equipos de bombeo.
El programa Watergy Efficiency tiene su enfoque técnico en las siguientes ecuaciones de potencia de los equipos de bombeo y costo de energía eléctrica:
η γQHb Potencia=9.8 (1) anuales horas No. x Potencia x C anual Bombeo de Costo = kw (2)
Donde γ es el peso específico del agua en kg/m3, Q el gasto en m3/s, Hb es la carga dinámica de la bomba en metros y η es la eficiencia de la potencia entregada al fluido y la potencia del motor, Ckw es el costo del kilowatt-hora; en este caso la potencia está dada en kilowatt-hora.
De las ecuaciones (1) y (2) se deduce que un sistema de agua potable o saneamiento consume energía eléctrica en primer lugar por la utilización de equipos de bombeo. Cuando estos equipos se desgastan por el uso continuo, disminuyen su rendimiento η y, por lo tanto, aumentan la potencia y el consumo de energía. Se puede observar en la ecuación (1), que los factores que impactan directamente en el consumo de energía eléctrica son: la carga dinámica de bombeo Hb y el caudal Q.
La carga dinámica Hb, depende de cada sistema hidráulico y de las condiciones particulares, como la profundidad del acuífero, desniveles topográficos y capacidad de conducción de las tuberías. El exceso de la carga dinámica puede ser provocado directamente por el deterioro interno de las tuberías por donde es conducida el agua bombeada. El envejecimiento de las tuberías, la calidad del agua y el funcionamiento en condiciones cambiantes de presión y caudal, aumentan su rugosidad interna y con ello sus coeficientes hidráulicos de cortante (Darcy-Weisbach o Hazen Williams), trayendo como consecuencia este aumento de la carga dinámica de operación de las bombas y entonces el incremento de consumo de energía eléctrica. Sumado a lo anterior, si el diseño del sistema hidráulico es deficiente o si se presentan obstrucciones como válvulas parcialmente cerradas, aire atrapado, o si hay fugas en las tuberías, se tendrán enormes pérdidas de carga hidráulica con el consecuente incremento de la carga dinámica del bombeo y el alto consumo de energía eléctrica.
Por último, el caudal bombeado, Q, es el otro factor que es susceptible a generar desperdicio de energía eléctrica. Cada litro de agua potable o residual bombeada hacia las tuberías ha requerido de un consumo de energía y, por ende, representa un costo para el organismo operador. Si después de ser bombeada el agua se pierde en la fugas o es derrochada por los usuarios, entonces también la energía eléctrica utilizada es desperdiciada. Las fugas incrementan la demanda de agua potable, lo que se refleja en un mayor caudal de bombeo y, por lo tanto, en un mayor consumo de la energía eléctrica. Por lo general, nadie utiliza el agua de las fugas, lo que significa una pérdida de dinero para la empresa de agua y escasez para los pobladores de la localidad.
De esta manera, con el análisis Watergy se hacen viables otras medidas de ahorro en los sistemas de bombeo como:
Medidas operativas (Baja inversión)
• Operar los sistemas en su zona de máxima eficiencia
• Evitar tener en operación bombas no indispensables
Medidas de reducción de costo
energético
• Control de demanda en hora punta apoyados en el análisis hidráulico de la red para asegurar el servicio
El análisis de la capacidad de regulación de cada tanque para diferentes horarios de operación realizados bajo la metodología Watergy hacen viable estas medidas.
Acciones realizadas
El proyecto se desarrolló con base en una recopilación y análisis de datos estadísticos del organismo operador y con la generación de información complementaria siguiente: a) Descripción del funcionamiento general del sistema, b) Actualización de los planos de la red y conducciones, c) Campaña de mediciones de caudal y presión, y d) Elaboración de un modelo de simulación hidráulica en el programa de cómputo Epanet V 2.0 en español.
Como en el caso del sector Sur de Monclova, también en los sectores Norte, Oriente, Centro y Frontera existen muchas zonas de tandeo a través de la red primaria y secundaria. Únicamente en el sector Oriente, se dispone de cinco colonias con servicio continuo, por lo que la mayoría de las zonas antes mencionadas tienen servicio tandeado.
Cabe señalar, que otro de los problemas que existen, es que las pérdidas potenciales generadas por fugas en los sectores Norte, Oriente, Centro y Frontera es del orden del 42%, a diferencia del sector Sur, en donde éstas únicamente son del 15.3%.
Para dar solución a toda esta problemática, se respetaron las tres zonas manejadas por SIMAS como se puede ver en la figura 2.a, y a su vez se dividieron en sectores y subsectores, a los cuales se les asignó un caudal medio requerido, en función de una dotación media (incluidas las pérdidas) que requería la población y de la disponibilidad del agua suministrada para cada Sector Hidráulico.
Del balance volumétrico realizado, se consideró una dotación de proyecto de 280L/hab/día, la cual implica realizar, además, un programa de reducción de fugas para llevarlas a un 20% de la producción.
Las tres zonas de estudio, reciben suministro de los pozos ubicados en la zona de Pozuelos y Viborillas y una parte de la producción de los pozos Monclova 1 y 2 (100L/s), y la zona Oriente recibe el suministro de los pozos ubicados al este de la ciudad (Placetas, San José 1 y 3, Matilde Barrera, Carnero y 20 de Noviembre). En ocasiones se transfiere caudal entre las zonas, debido a que, por el funcionamiento actual de la red no es suficiente el suministro de agua.
De acuerdo con los registros de caudal en los puntos de producción de agua, resultó que actualmente se están extrayendo para la zona de estudio 950 L/s, como se muestra en la figura 2.b, incluyendo los 100 L/s que provienen de los pozos Monclova 1 y 2.
SECTOR FRONTERA SECTOR NORTE-CENTRO SECTOR ORIENTE Q = 300 L/s Q = 350 L/s Q = 100 L/s de Sector Sur Q = 200 L/s Q = 650 L/s de Viborillas y Pozuelos SECTOR FRONTERA SECTOR NORTE-CENTRO SECTOR ORIENTE Q = 300 L/s Q = 350 L/s Q = 100 L/s de Sector Sur Q = 200 L/s Q = 650 L/s de Viborillas y Pozuelos
En cuanto a la definición de sectores y subsectores, ésta se basó en tres tipos de modificaciones a la red. El primero fue aislar las líneas de conducción, de tal forma que no existiera ninguna inyección directa a la red para que el gasto producido por los pozos llegue íntegro hasta los tanques de regularización. El siguiente trabajo fue aislar los sectores hidráulicos propuestos para que estos fueran alimentados únicamente desde los tanques de regularización correspondientes. El tercer trabajo fue realizar cambios en la red, principalmente proponiendo líneas nuevas de la menor longitud posible para que la distribución del agua interna tuviera las menores pérdidas por cortante posibles. En la figura 3, se muestra la distribución de los sectores hidráulicos en la zona de estudio.
Una vez establecidas las áreas de influencia de cada fuente de abastecimiento, fue necesario revisar la capacidad de regularización que se encuentra instalada en cada una de ellas. El resultado de la capacidad instalada en Monclova se encuentra valorada en el cuadro 1.
Cuadro 1 Capacidad de regularización instalada por zonas de abastecimiento
Sector
Hidráulico Tanque Regulador
Capacidad (m3) SH-1 Tanque Cloración 1,500.00 SH-2 Sin tanque - SH-3 Tanque Borjas 1,000.00 SH-4 Tanque Ermita 3,000.00
Tanque Los Bosques 150.00
SH-5 Tanque Bartola 2,000.00
SH-6 Tanque La Loma 4,000.00
SH-7 Tanque Loma Alta 3,200.00
Tanque Guerrero 2,000.00
SH-8 Tanque Buenos Aires 1,000.00
SH-9 Tanque Flores Tapia 500.00
Sumas 18,350.00
Para el correcto funcionamiento de esta distribución es necesario rehabilitar el Tanque Cloración, que está en malas condiciones; sacar de operación el Tanque Guerrero, ya que no es necesario para la regulación del sector SH-7, así como proyectar un nuevo tanque que alimente el sector SH-2, para poder cumplir con la capacidad de regulación requerida. Se propuso que el tanque Proyecto necesario para el SH-2 tenga una capacidad de 1,200 m3 para que en esta línea de conducción se pudieran apagar algunos pozos en hora punta.
Por lo que se refiere a los rebombeos, dentro de la red se encuentran en la actualidad funcionando siete rebombeos: Guadalupe, Borjas, Bosque, San Francisco, Estadio, Ermita y La Loma; sin embargo, después de efectuada la modelación, se analizó la factibilidad de eliminar algunos de estos sistemas, resultando que cuatro salen de operación, siendo éstos: Guadalupe, Borjas, Bosque y San Francisco.
En cuanto a los pozos, de los 12 pozos que pertenecen al sistema Pozuelos y Viborillas, se pudieron sacar de operación a 4 de ellos: V3, V5, V7 y P5B, ya que su gasto no es necesario y de esta manera se mantienen como pozos de reserva.
Estos cambios en el sistema de suministro del sector Sur de Monclova, generarán que el gasto extraído por los pozos, se reduzca de 728 L/s a 570 L/s, considerando únicamente los del sistema Pozuelos y Viborillas, puesto que en los pozos del sector Oriente no hay modificaciones del gasto, lo cual significa una disminución considerable en la potencia de los motores, y por lo tanto de la energía consumida. Además, con estos cambios se está en posibilidad de que el 100% de la población disponga del servicio de agua potable durante las 24 horas del día.
El correcto funcionamiento hidráulico de estas modificaciones propuestas, la redistribución de caudales y control de presiones en la red y de las líneas de conducción, fueron analizados mediante un modelo de simulación creado con el programa Epanet 2.0, tal como se puede observar en la figura 4.
Figura 4. Modelo Hidráulico de los Sectores Norte, Oriente, Centro y Frontera
Debido a que en este modelo se simulan todos los tramos de la red, se logra un óptimo funcionamiento hidráulico de los sectores, llevando a cabo cortes de tubería para aislar zonas, instalación de líneas nuevas, instalación de válvulas reguladores de presión y reguladoras de caudal, entre otras actividades.
Las adecuaciones al sistema fueron entregados en un plano digital al personal de mantenimiento y operación de SIMAS, el cual está entrenado en el uso del programa Epanet; explicándoles a detalle, el nuevo esquema propuesto de la red por sectores, así como las interconexiones propuestas en la red, tal como se muestra en las figuras 5 y 6.
Figura 6 Propuesta de líneas de conducción de Pozos a Tanques en el Sector Oriente de Monclova
En general, el trabajo realizado resultó eficaz y eficiente y ha sido muy positivo, porque en breve tiempo se incrementará la continuidad del servicio de agua, beneficiando a la población de los sectores Norte, Oriente, Centro y Frontera de Monclova, Coah. Cuando se concluyan los trabajos, se alcanzará la continuidad del servicio de 24 horas diarias, con una distribución de presiones más homogénea y con un control operacional optimizado con mínimos movimientos de válvulas.
Ahorro de Energía Logrado
Uno de los grandes beneficios de aplicar la metodología Integral Watergy es maximizar el potencial de ahorro de energía alcanzable. Muchas medidas de ahorro, que no son viables sin hacer el análisis integral, así como mejorar la operación hidráulica, se hacen posibles si se adopta esta visión.
De esta manera, en los sectores Norte, Oriente, Centro y Frontera de Monclova se lograron diversos ahorros de energía convencionales como las siguientes:
• Eficiencia Electromecánica.
La conclusión del Cuadro 2, es que se pueden ahorrar hasta $2’906,862.00 pesos anuales, lo que representa un ahorro en consumo de 2’781,810 kWh anuales que representa el 17 % del costo energético total de estos sectores. La inversión se calcula que podría pagarse en menos de 1 año, sin considerar costos de instalación y mantenimiento que podrían optimizarse si la propia gente del organismo realiza estas maniobras.
Cuadro 2 Análisis costo-beneficio por optimización de eficiencia electromecánica en SIMAS M y F vía sustitución de equipos
Potencia eléctrica Potencia Eléctrica kW kW Pozuelos 5A 56.3% 109.0 73.1% 83.9 $ 345,690 Pozuelos 6 31.2% 80.0 70.7% 35.3 $ 156,562 Pozuelos 8B 57.4% 88.0 78.1% 64.7 $ 205,512 Pozuelos 13 64.4% 192.0 80.8% 153.2 $ 295,939 Pozuelos 14 55.3% 169.0 79.9% 117.1 $ 295,939 Viborillas 1 63.2% 78.0 71.0% 69.5 $ 156,562 Viborillas 5 51.2% 129.0 72.2% 91.4 $ 37,245 El Carnero (*) 57.7% 119.0 70.6% 97.4 21.6 173,126 172,433.06 $ 194,145 Placetas 38.0% 35.1 76.8% 17.4 17.7 122,234 107,192.36 $ 206,235 1.92 San José 1 53.5% 75.0 76.8% 52.3 $ 131,076 San José 3 52.7% 75.3 76.8% 51.7 $ 131,076 Matilde Barrera 52.7% 75.3 73.9% 53.6 21.6 29,781 36,665.53$ 157,454 4.29 R. Estadio 65.0% 49.6 78.4% 41.1 8.5 23,031 37,952.59$ 144,997 3.82 1,274.3 928 398.5 2,781,810 2,906,862.61 $ 2,458,431 0.85 0.48 Equipo TOTAL: 99.0 614,237 Evaluación Económica Eficiencia Electro-Mecánica Eficiencia Electro-Mecánica
kW kWh/año $/año Inversión ($) Equipo Propuesto Pay-Back (años) 230.0 1,819,402 Sitio Ahorros 2,004,580.26 Operación Actual Sector Oriente Pozuelos-Viborillas 0.75 548,038.82
• Control de demanda en Hora Punta.
El reordenamiento de la operación hidráulica, además de lograr una continuidad de 24 horas, permitió parar en hora punta algunos equipos de bombeo con el consecuente ahorro en costo energético mostrado en el cuadro 3.
Cuadro 3 Ahorros por paro en hora punta alcanzables en SIMAS
Demanda
Facturable Energía Total
kW kWh/año lps kW kWh kW kW $/año $/año $/año
85.00 58,198 52.0 59.50 37.50 56,573 -11.25 85.00 58,197.78 52.0 37.50 56,573 48.25 1,283 70,968 96,581 167,549 54.49 37,306 42.0 38.14 56.78 38,879 42.0 39.75 40.72 58,548 -12.22 111.27 76,185 84.0 40.72 58,548 65.67 - 96,595 137,004 233,599 210.00 158,448 32.0 147.00 63 216,213 367,948 584,161 76.00 - - 57,343 -32.0 -22.80 - 33,535 - 133,162 - 166,697 134.00 101,105 0.0 - - 124.20 63.00 182,678 234,786 417,464 330.27 235,487 78.22 115,121 238 350,241 468,370 818,612 GRAN TOTAL: Paro del Pozuelos 8A en Punta Gasto que se dejará de suministrar en punta Ahorros Económico Carga que se disminuirá en punta Energía que se dejará de consumir en punta Carga adicional que se demandará fuera de Demanda Facturabl e esperada Disminució n de la demanda facturable Energía adicional que se consumirá fuera de punta Medida Disminución del gasto del Pozuelos 13 y 14 en Punta Paro del Monclova 2 en Punta, y suministro al Tq. Buenos Aires en punta, a partir del Monclova 1
La combinación de medidas “convencionales” con las resultantes de la optimización en la operación hidráulica resulto en ahorros de energía impactantes hasta del 36.5% cuyo resumen se muestra en el cuadro 4:
Cuadro 4 Resumen de Ahorros de Energía y análisis costo–beneficio para SIMAS
Demanda Consumo Ahorro Inversión Estimada
Pay back
kW kWh /año $/año $ años
Optimización del FP $ 80,676 $ 54,750 0.68 0.5% Optimización de Eficiencias Electromecánicas 398 2,781,810 $ 2,906,863 $ 2,458,431 0.85 17.5% Control de Demanda en Hora Punta 238 120,366 $ 818,612 4.9% Optimización de la Operación Hidráulica 739 1,698,793 $ 2,250,229 $ 242,363 0.11 13.5% GRAN TOTAL 1,375 4,600,969 $ 6,056,379 $ 2,755,544 0.45 36.5% Medida
Ahorro de Energía Evaluación Económica
Como conclusión final, se puede decir que con el proyecto de eficiencia física, de la operación hidráulica y electromecánica, se pueden lograr ahorros globales por $6’056,379.00 y 4’600,969 kWh anualmente, que representa el 35% del costo actual.
Esto se logrará con una inversión solo en equipos electromecánicos de $ 2’755,554.00 que se pagaría en 0.45 años. Por lo tanto, se considera una inversión sumamente rentable, que además podría considerarse como una alternativa para pagar las inversiones hidráulicas necesarias de rehabilitación de la red y reparación de fugas, o para sustituir todos los equipos de bombeo que no se consideraron en esta inversión.
De esta manera, la optimización de la operación hidráulica trajo consigo medidas de ahorro adicionales a las convencionales aun cuando fue necesario incrementar algunas cargas de bombeo.
Conclusiones
Según los resultados preliminares del balance de agua, actualmente se dispone de una dotación media de 362 L/habitantes/día, superior para la región, de acuerdo con los estándares de la CONAGUA. No obstante, la dotación requerida estimada es del orden de los 280 L/habitante por día, si se reducen las fugas al 20% del volumen suministrado. En caso contrario, si no se reducen las fugas, se requerirían 416 L/habitante/día aproximadamente, cuyo valor supera la disponibilidad actual.
Con el análisis del balance de agua, se ha detectado que en el sector existen pérdidas de agua del orden del 42.7%, lo que confirma que el problema del servicio de agua en sector se debe tanto a la deficiente redistribución, como a la existencia de fugas. El costo de la reducción de fugas a un nivel del 20% del volumen suministrado asciende a $3’753,810.00 pesos aproximadamente.
Se recomienda instalar dispositivos de control de golpe de ariete en las conducciones de Viborillas y Pozuelos, puesto que ante el paro repentino de los equipos de los pozos, por falla de energía eléctrica se alcanzan sobrepresiones de hasta 223 metros de columna de agua y subpresiones que vaporizan el agua. Al reemplazar equipos nuevos de alta eficiencia en los pozos y rebombeos se pueden ahorrar hasta $2’906,862.00 pesos anuales, lo que representa un ahorro en consumo de 2’781,810 kWh anuales que representa el 17 % del costo energético total de estos sectores. El costo de los equipos resultó de $2’458,000.00 pesos, sin considerar costos de instalación y mantenimiento que podrían optimizarse si la propia gente del organismo realiza estas maniobras, por lo que la inversión se pagaría en 0.85 años.
Con el proyecto de eficiencia física, de la operación hidráulica y electromecánica desarrollado aquí, se pueden lograr ahorros globales por $6’056,379.00 y 4’600,969 kWh anualmente, que representa el 35 % del costo actual. Esto se logrará con una inversión solo en equipos electromecánicos de $2’755,554.00 que se pagaría en 0.45 años. Por lo tanto, se considera una inversión sumamente rentable.
Agradecimientos
El personal de SIMAS hace un agradecimiento a la Alianza para el Ahorro de Energía, a la USAID y la ANEAS por el apoyo técnico al proyecto de eficiencia para el servicio continuo de agua a los usuarios con reducción de costos energéticos.
Estratégicamente, es un procedimiento que puede ser fácilmente transferido a otros sistemas del país, como se ha podido demostrar en Monclova, Coah. y Parral, Chih., donde se está replicado el caso del proyecto de eficiencia de Zihuatanejo con bastante éxito.
