Electric power generation via pressure regulation in water distribution systems

Abstract

Over the past two decades, the European Union took firm action against climate change, resulting in about 40% drop in greenhouse gas emissions. In order to accomplish the even higher objective of climate-neutrality by the year 2050, not only renewable generation must be further increased, but significant improvements in energy efficiency through multi-sectoral co-operation and co-ordination must be done. To this direction, utilizing existing infrastructure to the fullest and reduction of energy dissipation at its absolute minimum are required. Currently, though, large amounts of energy are dissipated in Water Distribution Systems (WDSs) during the process of water pressure regulation with the use of passive hydraulic devices, such as Pressure Reduction Valves (PRVs) and Brake-Pressure Tanks (BPTs). At the same time, existing WDSs do not incorporate efficient strategies for achieving water savings through water pressure control. Appropriate methods towards these two still have not been extensively researched. In this context, the objective of this thesis was to investigate the potential of energy recovery in WDSs, with the employment of micro-turbines that will do not only inject significant amounts of sustainable energy to the Power Distribution System (PDS), but simultaneously perform precise regulation of water pressure. For this purpose, for the first time, a specific methodology was developed for the proper selection, sizing, and design of the turbine, which allowed the replacement of the existing PRVs with micro-turbines that provide equivalent water pressure regulation. Pressure Regulating Turbines (PRTs) operate as interconnecting links between the two systems allowing their co-optimization for both power generation and accurate pressure regulation. Dimensioning of PRTs is produced in such way, so that they can be directly accommodated in existing WDS infrastructure in order to ensure their practical implementation and the reduction of civil and mechanical work costs. The design process of PRTs has been enhanced so that it also involves basic economic assessment properties during the design point selection process, along the objectives of accurate pressure regulation and maximum energy yield. In the context of the thesis, an innovative extension of the mathematical formulation of Optimal Power Flow (OPF) was developed, so that the impact of PRTs as power generation and pressure regulation devices is considered in the operational objectives and constraints of both the WDS and PDS. The suggested mathematical approach offers expandability. This has been demonstrated, first, with the incorporation of different voltage control strategies in the optimization process, so that their impact on both systems can been assessed. It was proven that intelligent decentralized control schemes can achieve comparable PRT penetration level to PDSs, without the telecommunication burden and costs of centralized control. Second, a trade-off between precise pressure regulation and increased power generation could be formulated in the form of soft constraints, allowing network operators to increase the amount of renewable power generation by a significant 7% (€2.8K of additional revenue per year) with negligible impact on quality of service. Application of the co-optimization framework on real-sized simulated WDS and PDS networks indicated that, energy recovery from PRTs is expected to add a significant income to the operator’s budget (approximately €40K), while increasing the share of renewables in the energy mix.

Την τελευταία εικοσαετία, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει λάβει αυστηρά μέτρα κατά της κλιματικής αλλαγής, με αποτέλεσμα μια μείωση των εκπομπών του διοξειδίου του άνθρακα της τάξης του 40%. Για να επιτευχθεί ο ακόμα υψηλότερος στόχος της κλιματικής ουδετερότητας μέχρι το 2050, δεν αρκεί μόνο η περαιτέρω αύξηση της παραγωγής από Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), αλλά απαιτούνται σημαντικές βελτιώσεις στην ενεργειακή αποδοτικότητα μέσω συνεργασίας και συντονισμού διαφορετικών τομέων ενεργειακών δραστηριοτήτων. Προς αυτή την κατεύθυνση, είναι απαραίτητη η πλήρης αξιοποίηση των υπαρχουσών υποδομών και η ελαχιστοποίηση των απωλειών ενέργειας. Ωστόσο, επί του παρόντος, μεγάλες ποσότητες ενέργειας χάνονται στα Δίκτυα Διανομής Νερού (ΔΔΝ), κατά τη διαδικασία ρύθμισης πίεσης του νερού με τη χρήση παθητικών υδραυλικών συσκευών, όπως οι Μειωτές Πίεσης (ΜΠ) και τα πιεζοθραυστικά φρεάτια. Ταυτόχρονα, τα υπάρχοντα ΔΔΝ δεν ενσωματώνουν αποδοτικές στρατηγικές για την εξοικονόμηση νερού μέσω του ελέγχου της ζήτησης. Οι κατάλληλες μέθοδοι προς αυτήν την κατεύθυνση δεν έχουν μελετηθεί εκτενώς. Στο πλαίσιο αυτό, ο κύριος στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση της δυνατότητας ανάκτησης ενέργειας στα ΔΔΝ μέσω της χρήσης υδροστροβιλικών γεννητριών μικρής κλίμακας, οι οποίες όχι μόνο θα προσφέρουν σημαντικές ποσότητες βιώσιμης ενέργειας στο Δίκτυο Διανομής Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΔΗΕ), αλλά ταυτόχρονα θα προσφέρουν ακριβή ρύθμιση της πίεσης του νερού. Για αυτόν τον σκοπό, για πρώτη φορά αναπτύχθηκε μια συγκεκριμένη μεθοδολογία για την κατάλληλη επιλογή, το μέγεθος και τον σχεδιασμό του στροβίλου που επέτρεψε την αντικατάσταση των υφιστάμενων ΜΠ με μικροστρόβιλους που προσφέρουν ισοδύναμη ρύθμιση της πίεσης του νερού. Οι Στρόβιλοι Ρύθμισης Πίεσης (ΣΡΠ) λειτουργούν ως διασυνδετικοί κρίκοι μεταξύ των δύο συστημάτων, επιτρέποντας τη συν-βελτιστοποίησή τους τόσο στη παραγωγή ενέργειας όσο και στη ακριβή ρύθμιση πίεσης. Η διαστασιολόγηση των ΣΡΠ πραγματοποιείται με τέτοιον τρόπο ώστε να μπορούν να φιλοξενηθούν στις υπάρχουσες υποδομές του ΔΔΝ, εξασφαλίζοντας έτσι την πρακτική εφαρμογή τους και την μείωση των δαπανών για έργα πολιτικού μηχανικού. Η διαδικασία σχεδιασμού των ΣΡΠ έχει βελτιστοποιηθεί έτσι ώστε, παράλληλα με την ακριβή ρύθμιση της πίεσης και την μεγιστοποίηση της παραγωγής ενέργειας να περιλαμβάνει βασικά οικονομικά κριτήρια κατά την επιλογή του σημείου σχεδίασης. Στο πλαίσιο της διατριβής, αναπτύχθηκε μία καινοτόμα επέκταση της μαθηματικής διατύπωσης της Βέλτιστης Ροής Ισχύος (ΒΡΙ), έτσι ώστε η επίδραση των ΣΡΠ ως συσκευών παραγωγής ενέργειας και ρύθμισης πίεσης να λαμβάνεται υπόψη στους λειτουργικούς στόχους και περιορισμούς τόσο των ΔΔΝ όσο και των ΔΔΗΕ.Η προτεινόμενη μαθηματική προσέγγιση προσφέρει δυνατότητες επεκτασιμότητας. Αυτό αποδείχθηκε, αρχικά, με την ενσωμάτωση διαφορετικών στρατηγικών ελέγχου τάσης στη διαδικασία βελτιστοποίησης, ώστε να μπορεί να εκτιμηθεί η επίδρασή τους και στα δύο συστήματα. Αποδείχθηκε ότι οι ευφυείς, αποκεντρωμένοι έλεγχοι μπορούν να πετύχουν συγκρίσιμο επίπεδο διείσδυσης ΣΡΠ στα ΔΔΗΕ, χωρίς την επιπρόσθετη πολυπλοκότητα και κόστη που συνοδεύουν τις τηλεπικοινωνιακές υποδομές του κεντρικού ελέγχου. Δεύτερον, ο συμβιβασμός μεταξύ ακριβούς ρύθμισης πίεσης και αυξημένης παραγωγής ενέργειας μπορεί να διατυπωθεί υπό τη μορφή ελαστικών περιορισμών, επιτρέποντας στους διαχειριστές των δικτύων να αυξήσουν την παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας κατά 7% (εξασφαλίζοντας με επιπλέον έσοδα €2,8 χιλ. ανά έτος) με αμελητέες επιπτώσεις στην ποιότητα της υπηρεσίας. Η εφαρμογή του μοντέλου συν-βελτιστοποίησης σε δίκτυα ΔΔΝ και ΔΔΗΕ πραγματικού μεγέθους απέδειξαν ότι η ανάκτηση ενέργειας από τους ΣΡΠ αναμένεται να προσθέσει σημαντικά έσοδα στον προϋπολογισμό του διαχειριστή (περίπου €40 χιλ. ανά έτος), ενώ ταυτόχρονα αυξάνει το μερίδιο των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο ενεργειακό μίγμα.