Mejora de la eficiencia hídrica y energética en las redes de agua

Pedro Luís Sánchez Rodríguez

Jefe producto infraestructuras, URALITA

Introducción La Carta Europea del Agua es una declaración del consejo de Europa que contiene doce principios esenciales para la protección y conservación del agua. De entre ellos, destacamos:

• Sin agua no hay vida posible. Es un bien preciado, indispensable para toda la actividad humana

• El agua dulce no es inagotable. Es indispensable preservarla, controlarla y, si es posible, aumentar su cantidad

El cambio climático es un problema íntimamente ligado al desarrollo, asociado a nuestro modelo de crecimiento basado en la quema de combustibles fósiles y patrones.

Las fuentes de los gases de efecto invernadero (GEI) son múltiples: quema de combustibles para generación de electricidad, transporte, procesos industriales, agricultura, turismo, vivienda… Las emisiones de estos gases están profundamente ligadas a nuestro modelo de sociedad y nuestro consumo energético y no solemos ser conscientes de la multitud de actos cotidianos asociados a emisiones de gases de efecto invernadero.

Desde el diseño y la gestión de instalaciones de distribución de agua se puede ayudar a la sostenibilidad de nuestro planeta

1º.- Diseñando instalaciones energéticamente eficientes, utilizando materiales en las tuberías menos exigentes energéticamente (tanto en su fabricación, instalación y en su utilización (menor rugosidad)

2º.-Minimizando las pérdidas de agua (fugas)

Producción

De CO2

Efecto invernadero Consumo de energía

Optimización energética de una red de distribución o transporte de agua

Balance energético de una red de distribución de agua

La siguiente ecuación representa el balance energético en una red de agua:

Energía aportada por Bombas u Otras fuentes = Presión Comprometida con el usuario + Energía acumulada en Depósito de Almacenamiento + Energía Perdida en Fugas + Energía Pérdida por ROZAMIENTO

La EFICIENCIA Energética de una Red de Agua se conseguirá minimizando las perdidas por FUGAS y por ROZAMIENTO.

Minimizar las pérdidas por ROZAMIENTO

Las principales gestoras de Redes de Agua han decidido, en miras a la seguridad del suministro, que la PN estándar que van a utilizar en las tuberías de las redes que gestionar es PN 16. La causa es que, en general la normativa actual del producto ha bajado los coeficientes de seguridad a los que existían anteriormente

Las pérdidas por rozamiento del agua en las tuberías depende de:

• La rugosidad del MATERIAL de la tubería

• De la velocidad del agua y por consiguiente del diámetro de la tubería

Luego para conseguir la eficiencia energética en una Red de Agua es necesario elegir el Material del que está hecha la tubería, además de su diámetro interno.

Comparativo de las pérdidas de carga entre las tuberías habituales en las redes de agua

Las tuberías que se van a comparar son:

• PVC-O Clase 500

• PVC-U

• P.E.100

• Fundición Dúctil recubierta interiormente con mortero de cemento

La fórmula de pérdidas de carga que se utilizará para la comparación es la de Hazen- Williams

J = 10,674.C^-1.852.D^-4,871.Q^1,852

Los coeficientes, son los recomendados por el Canal de Isabel II en sus Normas para el Abastecimiento (Revisión de 2004).

- Se van a comparar pérdidas de carga para el mismo caudal en tuberías de PN y diámetros nominales similares

PVC-O vs P.E.

En el siguiente cuadro se compara las pérdidas de carga que para el mismo caudal se produce en tubería de PVC-O clase 500 PN16 y tubería de P.E-100 PN16

PVC-O PN-16 Clase 500 P.E.-100 PN-16

Φ Ext.mm. Espesor mm Φ Int.mm. Φ Ext. Espesor mm Φ Int. Jtop/J P.E

110 3 104 110 10 90 49,45%

140 3,1 133,8 140 12,7 114,6 47,03%

160 3,5 153 160 14,6 130,8 46,60%

200 4,4 191,2 200 18,2 163,6 46,80%

250 5,5 239 250 22,7 204,6 46,91%

315 6,9 301,2 315 28,6 257,8 46,87%

400 8,8 382,4 400 36,3 327,4 46,94%

La pérdida de carga en la tubería de PVC-O Clase 500 PN16 es menos del 50% de la pérdida de carga en la tubería de P.E.100 PN 16 para el mismo caudal.

PVC-O vs Fundición

En el siguiente cuadro se compara las pérdidas de carga que para el mismo caudal se produce en tubería de PVC-O Clase 500 PN 25 y tubería de Fundición recubierta interiormente con mortero de cemento.

PVC-O PN-25 Clase 500 Fundición

Φ Ext.mm. Espesor mm Φ Int.mm. Φ Int. Jtop/J P.E

110 3,8 102,4 100 47,78%

140 4,8 130,4 125 43,65%

160 5,5 149 150 55,40%

200 6,9 186,2 200 75,97%

250 8,6 232,8 250 75,89%

315 10,9 293,2 315 76,05%

La pérdida de carga en la tubería de PVC-O Clase 500 PN 25 está comprendida entre el 44% y el 76% de la producida en la tubería de fundición de diámetro equivalente par el mismo caudal.

P.V.C-O Vs P.V.C-U

En el siguiente cuadro se pueden ver las pérdidas de carga que par el mismo caudal se producen en tubería de PVC-O Clase 500 PN16 y en tubería de PVC-U PN16

PVC-O PN-16 Clase 500 PVC-U PN-16

Φ Ext.mm. Espesor mm Φ Int.mm. Φ Ext. Espesor mm Φ Int. Jtop/J P.E

110 3 104 110 6,6 96,8 70,51%

140 3,1 133,8 140 8,3 123,4 67,43%

160 3,5 153 160 9,5 141 67,18%

200 4,4 191,2 200 11,9 176,2 67,17%

250 5,5 239 250 14,8 220,4 67,40%

315 6,9 301,2 315 18,7 277,6 67,21%

400 8,8 382,4 400 23,7 352,6 67,36%

La pérdida de carga en la tubería de PVC-O Clase 500 es menor del 70% de la producida en la tubería de PVC-U para el mismo caudal

Conclusión

La tubería más eficiente energéticamente de las que se han comparado (PVC-O Clase 500, P.E 100, PVC-U y Fundición) es la tubería de PVC-O Clase 500.

Consumo energético a lo largo del Ciclo de Vida

No solamente se ha de tener en cuenta las pérdidas por rozamiento para la elección del material para realizar la instalaciones energéticamente eficientes., si no que es necesario dar un paso más y ver que materiales son los menos exigentes, a lo largo de su ciclo de vida, en energía y por consiguiente son los que emitirán menos CO2 a la atmósfera.

En el cuadro siguiente se pueden ver las conclusiones que ha sacado el Departament de Proyectes d’Enginyeria de la Universidad Politécnica de Catalunya en su estudio de:

Estimación del consumo energético y de la emisión de CO2 asociados a la producción, uso y disposición final de tuberías de PVC, PEHD, PP, fundición y hormigón

Del cuadro se deduce que la tubería de PVC-O es la que menos consumo de energía necesita, en su ciclo de vida, para la producción, transporte, instalación y uso de las diferentes tuberías que se utilizan en las redes de agua. Esto hace, QUE LA TUBERÍA DE PVC-O ES LA QUE MÁS COLABORA CON LA SÖSTENIBILIDAD DE NUESTRIO PLANETA

Como conclusión se puede decir que la tubería de PVC-O Clase 500 no solamente es la que hace las redes de agua más eficientes energéticamente si no que es la tubería que en su Ciclo de Vida es la menos exigente en energía y por consiguiente es la que menos CO2 emite a la atmósfera, lo que conlleva a que NO COLABORA con el EFECTO INVERNADERO y por consiguiente NO COLABORA con el INCREMENTO DE TEMPERATURA en al tierra y sus CONSECUENCIAS.

Tubería de PVC-O Clase 500 Después de haber demostrado que la tubería de PVC-O es la que hace la redes de agua más eficientes y por otro lado es la tubería que más colabora con la sostenibilidad de la Tierra, me parece importante dedicarle un apartado a destacar las características de la citada tubería de PVC-O Clase 500.

Principios Físico- Químicos de la Orientación Molecular

“EN UN PLÁSTICO AMORFO, AL SUFRIR UNA DEFORMACIÓN EN CONDICIONES CRÍTICAS DE PRESIÓN Y TEMPERATURA…, SE PRODUCÍA UNA TRANSFORMACIÓN DE LA ESTRUCTURA MOLECULAR EN EL SENTIDO DE LA DEFORMACIÓN”, merced a la rotación de las cadenas poliméricas sobre los enlaces moleculares de Van der Waals.

Características de la tubería de PVC-O Clase 500

Resistencia al IMPACTO

Tabla comparativa de ensayos PVC-O Clase 500 Vs PVC-U

Diámetro Nominal PVC-O Clase 500

Norma UNE-ISO-16422

PVC-U

Norma UNE- EN 1452-2

Altura de caída Masa Percutor Kg. Altura de caída Masa Percutor Kg.

110 2 m. 6,3 2,0 1,6

140 2 m. 8 1,8 3,2

160 2 m. 8 2,0 3,2

200 2 m. 10 2,0 4,0

250 2 m. 12,5 2,0 5,0

315 2 m. 12,5 2,0 6,3

400 2 m. 12,5 2,0 6,3

Conclusión: La resistencia al impacto de la tubería de PVC-O Clase 500 es muy superior a la de los productos sustitutivos. Se puede decir que el PVC-O Clase 500 es prácticamente irrompible ante impactos habituales de obra.

Resistencia a la presión interna.- Espesor del tubo

Con el nuevo material que se ha desarrollado podremos hacer tubos con la misma resistencia a presión interna pero con menor espesor de pared. Lo demostraremos a continuación

El cálculo de espesor nominal para una tubería se hace mediante la siguiente expresión (Norma UNE-EN 1452 para PVC-U . Norma UNE-ISO 16422):

en = dn x Pn/ (25 x σs + 1).

La relación entre espesores entre tubo de PVC-O Clase 500 y PVC-U es:

en – PVC-O/ en – PVC-U = (dn x Pn)/(20 x σs- PVC-O Clase 500 + 1) /(( dn x Pn)/ (20 x σs- PVC-u+ 1))

Siendo:

en-PVC-O = Espesor nominal del PVC-O Clase 500

en-PVC-U = Espesor nominal de PVC-U

σs- PVC-O = Tensión de diseño del PVC-O Clase 500 = 36 MPa

σs- PVC-U = Tensión de diseño del PVC-U = 12,5 MPa

en – PVC-O/ en – PVC-U = 0,35

Conclusión: Con el 35% de espesor en el PVC-O Clase 500 se puede conseguir la misma resistencia a la presión interna. Ahora bien, como la curva de regresión es mucho más plana, la tubería de PVC-O Clase 500 mantendrá sus características más homogéneas que el resto de los materiales plásticos.

La tubería de PVC-O Clase 500 PN16 tiene fijado el espesor, no en función de la tensión de diseño, debido a que con esos espesores consideramos que no tendría rigidez suficiente, si no que se calcula en base a que la rigidez del tubo tiene que ser mayor de 6 KN/m^2

Deformación elástica

Lo que nos indica la curva de esfuerzo deformación es que la tubería PVC-O CLASE 500 no tiene fluencia y prácticamente hasta la rotura se mueve en la zona elástica. Esto indica que, prácticamente, si la tubería no se rompe, cualquier deformación que se produzca, una vez que el esfuerzo deja de ejercer su acción la tubería recupera su forma y mantiene sus propiedades (fotografía)

Manejo y Montaje

En comparación con los productos sustitutivos, P.E y Fundición Dúctil, el peso es menor, lo que facilita tanto el manejo y como el montaje.

Peso tubos kg/tubo

Diámetros

PVC-O Clase 500-P.E./ Fundición

PVC-O

Clase 500

PN16

PVC-O Clase 500-25

P.E.-100

Fundición

110/100 10,56 12,18 38,04 108

140/125 14,70 19,56 61,56 138

160/150 19,68 25,62 80,40 165

200/200 30,06 40,74 125,88 222

250/250 48,36 63,54 195,60 288

315/300 75,48 102,18 310,32 366

400/400 110,58 501,24 570

Pesos d e tuberías PVC-O Clase 500, P.E.-100/16 y Fundición dúctil K -9

Características Hidráulicas

Como se ha visto en el apartado, la tubería de PVC-O Clase 500 es capaz de transportar más agua que el resto de las tuberías sustitutivas (P.E.100, Fundición, PVC-U) para la misma pérdida de carga.

Comportamiento químico de la tubería de PVC-O clase 500

En general, la instalación de las tuberías para el transporte de agua se hacen enterradas y por consiguiente se debe tener en cuenta su resistencia frente a las reacciones que puede tener con el suelo o las corrientes eléctricas que se puedan generar en las proximidades de la tubería enterrada.

Al enterrar la tubería de PVC-O clase 500, no es necesario tener precauciones de estudiar el tipo de suelo para preparar protecciones pues es inerte con suelos ácidos o básicos, con conductividad eléctrica alta, con alto contenido en sales, con capa freática alta…etc. En conclusión es inerte frente a todo tipo de suelos, lo que no ocurre con las tuberías metálicas.

También con algunas tuberías plásticas hay que tener precauciones cuando el agua que se transporta tiene contenido en productos oxidantes, pues esos productos pueden favorecer el craking.

La conclusión que podemos sacar es que la tubería de PVC-O clase 500 se puede instalar en cualquier tipo de suelo y puede transportar agua con unas calidades que otros tipos de tuberías tendrían dificultades para su estabilidad. (Oxidación, craking…etc.).

Estanqueidad

Viendo la importancia de la estanqueidad, al sistema que se fuera a elegir para unir la tubería de PVC-O clase 500 hay que pedirle las siguientes propiedades:

1.- La estanqueidad debería depender del sistema y no de las personas que hacen la instalación

Para cumplir esta primera premisa se desecharon todas las posibles soluciones de unir la tubería de PVC-O Clase 5000 por soldadura a tope, mediante colas ...etc.

2.- El sistema debería absorber las posibles dilataciones y contracciones del material sin tensionarle

Las exigencias nos llevaron a escoger la UNIÓN ELÁSTICA con anillo elastomérico

3.- Las exigencias que se pidieron al anillo elastomérico fueron

.- Deberá ser un anillo “autoblocante”. Con esto queríamos decir, que una vez colocado en su posición en fábrica fuera prácticamente imposible moverlo de su sitio tanto en el transporte como en el montaje

.- Su composición debería ser de materiales prácticamente inalterables

El anillo elastomérico, está compuesto de dos anillos:

• Anillo de fijación: Es polipropileno. Su función es

fijar la junta elastomérica al tubo, de tal forma que

no se pueda mover ni en el transporte ni en el montaje.

• Anillo de estanqueidad: Solidario al anillo de fijación.

Es de EPDM y se ha diseñado con un perfil que garantiza

la estanqueidad a altas presiones.

En el siguiente cuadro se pueden ver los ensayos que hay que realizar con las uniones de la tubería de PVC-O Clase 500.

Arillo fijación. (Polipropileno. Fija la junta al tubo)

Arillo de estanquidad. (EPDM). Solidario al arillo de fijación

Costes de instalación

Otra de las ventajas de la tubería de PVC-O clase 500 es su menor coste de instalación en relación con los productos sustitutivos como pueden ser el P.E.-100 y la fundición dúctil.

Las causas son:

1.- Por su peso

Al ser su peso mucho menor no solamente facilita la instalación, si no que es también menos exigente en maquinaria para hacer el montaje.

2.- Por su sistema de unión

Con el tipo de junta desarrollado, es mucho más difícil hacer las cosas mal que con los sistemas alternativos.

Golpe de ariete

Para darnos una idea de la influencia del tipo de tubería en el golpe de ariete, vamos a realizar una simplificación que es suponer que la conducción es “larga”.

El valor máximo de la sobrepresión se puede calcular mediante la fórmula de Allievi.

∆P = a.v/g

Siendo:

a: Celeridad (velocidad de propagación de las ondas), en m/s.

v: velocidad del agua en m/seg.

g: Aceleración de la gravedad (g= 9,81 m/s^2)

a= 9900/(48,3+ Kc. Dm/e)

Siendo:

Kc = 10^10/E

Dm = Diámetro medio de la tubería en mm.

E= módulo de elasticidad del material de la tubería, en kg/m^2

Celeridad

PVC-O Clase 500 291

P.E.16.* 306

Fundición > 1100

* Calculado para una tubería de 200 mm. PN-16

La conclusión que se puede sacar es:

1. La tubería de PVC-O clase 500 en comparación con la de P.E. 100 y fundición es la que menos favorece el golpe de ariete

2. Que para la misma variación de velocidad el golpe de ariete que se produce en una tubería de fundición es entre 4 y 5 veces superior al que se produce en la tubería de PVC-O Clase 500. Poniendo números, para la misma variación de velocidad si el golpe de ariete en la tubería de PVC-O Clase 500 es de 10 kg/cm^2 en la tubería de fundición dúctil sería de entre 40 y 50 kg/cm^2

Para más información de la tubería PVC-O Clase 500 ver página WEB de Uralita

Minimizar las fugas 1.- Utilización de materiales que no se oxiden

2.- Utilización de válvulas reductoras de presión de consigna variable

La instalación de la gestion de la presiónes con válvulas reductoras de presión El gestor de presiones puede ser tan simple como vemos en este siguiente ejemplo:

Lo que se puede apreciar aqui es una valvula hidrometro de BERMAD, 50 mm, modelo WD-923 como bypass de bajo caudal en una linea principal de 90mm. El costo de instalacion fue de aproximadamente 6000 Euros y el tiempo de instalacion fue de una semana incluyendo la camara y su cobertura.

A su vez, nuestros sistemas de gestión de presión pueden ser mas complejos como veremos en el siguiente caso hecho en el Inverness Quads; donde las presiones se reducen de 175 metros a 17,5 metros por la noche:

Esta camara de control de abastecimiento esta instalada a 6 metros de profundidad y las bridas y todos los accesorios son PN25.

Eficacia de control de presión:

La eficacia de un régimen de control de presión debe ser medido por los datos recogidos antes y después de la instalación. En Campbeltown hemos creado una zona de presión controlada, con una válvula hidrometro de Bermad, modelo WD-923 de 100mm con las funciones de hidrometro, reducción y mantenimiento de la presión. Esto permitió el seguimiento continuo de los datos de caudal midiendo así la línea de reducción nocturna, también se controla y monitorea la presión y permitiendo el control electrónico de la presión.

Hay una serie de factores importantes que refieren al control eficaz del Gestor de Presión del Área (PMA):

1. Monitoreo de los datos de caudal – datos diarios de entrada y datos de la línea nocturna

2. Monitoreo de la presión de entrada y de salida – indicador de la eficacia del PRV, requerimiento de servicios y disponibilidad del control de presiones nocturno

Antes de instalar el PRV Despuésdel PRV

3. Frecuencia de averías – Medición de las frecuencia de ruptura antes y después de la instalación

El siguiente gráfico muestra la reducción en una distribución de entrada (DI) metros en Tarbert WTW en Argyll esquema que fue solicitado en octubre de 2006:

Aquí se puede ver hay una una reducción en la línea nocturna de 1,2 l /seg, logrado por el control de la presión.

El siguiente es un gráfico de uno de los Inverness Quads mostrando su desempeño reflejado en el ZMC (zonas de medicion y control) aguas abajo, el gráfico superior es la presión y el inferior el caudal en la ZMC:

En Campbeltown, la eficacia en la gestión de la presión en el mantenimiento de las fugas a largo plazo se demuestra por el mantenimiento de una baja tasa natural en el aumento de la línea nocturna. Esto dio lugar a que la línea nocturna de WOA (water optimización área) de Campbeltown se está manejando entre 15 - 20 l / seg, sabiendo que anteriormente esta zona se estaba ejecutando en 30-35 l / seg.

Instalación del PRV

Economía de la gestión de presiones:

Los beneficios de la técnica de gestión de presión son claros, pero la economía requiere una medición clara y precisa medición de la actividad en la red - el número de roturas en las tuberías, los servicios, los costos de reparación, el numero de roturas, la medición de la pérdida de agua y lo que es más importante el costo nominal de agua por metro cúbico. En el sistema de abastecimiento de agua de Escocia existen sistemas que pueden medir todo esto, pero todavía no podemos indicar el costo de agua por m3 por WOA.

Ejemplo económico en Tarbert en octubre del 2006:

Asumiendo un costo de agua por metro cúbico de 30 céntimos (Euro).

Actividad Costo Ahorro

Construcción de la Cámara

11000 Euros

Válvulas de control de presión 4500 Euros

Registro de datos 3750 Euros

Costo Total de Instalación

19250 Euros

Mantenimiento de los PRV 1200 Euros por año

Coste de agua ahorrada – 120 metros cúbicos por día

13,140 Euros por año

Reducciones de la perdidas – 6 fugas por año a 850 Euros por avería

5,100 por año

Control activo de fugas (ALC) costo (2 semanas por año)

6000 Euros por año

Total 19250 Euros Instalación

7200 Euros por año

18,240 Euros por año

Recuperación de la inversión 19250 / (18240-7200) = 1.75 años

Presión de salida desde el PRV

Caudal en ZMC

Este ejemplo muestra que incluso permitiendo el mantenimiento de la PRV dos veces por año, y con dos ALC registrados por año, el periodo de recuperación para un sistema de gestión de presión es de 1,75 años aproximadamente. La vida efectiva de un PRV es de 20 años.

Reflexión final:

Llegado a este punto debemos detenernos y reflexionar. El Gestor de presión es sólo uno de una serie de herramientas para gestionar y reducir las fugas, pero esta herramienta le pagará con creces muchas veces más que la simple detección de fugas. La gestión presión debe llevarse a cabo sólo después de la creación de la ZMC, de que el control activo de fugas está puesto y trabajando y de que se ha instalado un sistema de control de presión en los puntos críticos. Solo se puede instalar de manera efectiva, monitorear, medir y mantener un sistema de gestión de la presión.

Las válvulas de Presión y de control de flujo, correctamente mantenidas, controladas y monitoreadas son uno de los métodos más eficaces de crear una gestión sostenida de las fugas del sistema.

Referencias:

Naveh, N. (2005) Dynamic pressure control in the operation of supply systems. International Water & Irrigation Vol. 25, N0. 2, 2005, 14-15.

Wiltshire, M. (2004) Water management - Integrating Telemetry to the Network. Scottish water report.

Palabras claves: Economía; Perdidas, Administración de presiones, Válvula de control de presión (PCV), PVC ORIENTADO.