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Título: Exergy analysis of the urban water cycle: a case study of Brasília, Brazil
Outros títulos: Nálise exergética do ciclo da água urbana: estudo de caso Brasília, Brasil
Autor(es): Franco, Valtrudes Pereira
Orientador(es): Silveira, Edgar Amaral
Assunto: Análise exergética
Otimização
Data de publicação: 22-Jun-2026
Referência: FRANCO, Valtrudes Pereira. Exergy analysis of the urban water cycle: a case study of Brasília,Brazil. 2025. 150 f., il. Tese (Doutorado em Ciências Mecânicas) — Universidade de Brasília, Brasília, 2025.
Resumo: "Urban water supply and sewage systems must operate in a way that guarantees service to the population, optimizing the consumption of resources, environmental impacts, and energy depletion. Seeking to contribute to this goal, this thesis studied the applicability and reliability of exergy analysis as a diagnostic tool in the urban water cycle systems of Brasília, Federal District, Brazil. A bibliometric review conducted in the Scopus and Web of Science databases revealed a growing interest in applying the concept of exergy to the exergy-urban water nexus in water cycle systems and formed the basis for the study's methodology. Using operational data from both systems provided by CAESB, the steady-state processes were modeled, and mass, energy, and exergy balances were performed. In the city's water supply system, 2,461 m³ s⁻¹ of raw water are collected, 17.6% are lost in the distribution of treated water, and 72.1% return to the environment, closing the water balance. The electricity demand is 10.68 MW, with an energy intensity of 4.34 kWh m⁻³ and a specific energy of 3.6 W inhabitant⁻¹. Raw water pumping dominates the thermodynamic profile, where approximately 60% of the total exergy is destroyed and efficiencies range between 59.8% and 76.1%. At the water treatment plant, the exergy efficiency is 7.6%, with 53.6% of the incoming exergy related to chemical reagents, of which 82.9% is destroyed by internal irreversibilities. In treated water distribution, the exergy efficiency of pumping is 70.7%, and losses represent 43%, equivalent to 260 kW of useful pumping exergy. In the sewage system, wastewater treatment is the most dissipative stage of the cycle due to biochemical oxidation. The overall exergy efficiency of the Brasília’s UWCremained around 69–70% throughout the operational chain. Analyses indicated that strategies such as modernization of old pumps, reduction of treated water losses, and recovery of biogas generated in wastewater treatment plants (WWTPs) can significantly improve the operational performance of the both systems and the exergy efficiency of the cycle. The exergy analysis method, combined with the evaluation of process emissions, proved effective in identifying bottlenecks, guiding operational improvements, and promoting more rational use of resources. Finally, the study offers a replicable quantitative methodology capable of identifying critical points, supporting optimization actions, and contributing to the reduction of environmental impacts on the urban water cycle.
Abstract: Os sistemas de abastecimento de água e de esgotamento sanitário do ciclo da água urbana (CAU) devem operar de forma a garantir atendimento à população, otimizando o consumo de insumos, impactos ambientais e depleções de energia. Buscando contribuir neste sentido, na presente tese foi estudada a aplicabilidade e a confiabilidade da análise exergética como ferramenta de diagnóstico nos sistemas do CAU de Brasília, Distrito Federal, Brasil. Revisão bibliométrica feita nas bases Scopus e Web of Science revelou um crescente interesse da aplicação do conceito de exergia ao nexo exergia–água urbana nos sistemas do ciclo e embasou a metodologia do estudo. Com dados operacionais de ambos sistemas fornecidos pela CAESB, foram modelados os processos em regime permanente e efetuados os balanços de massa, energia e exergia. No sistema de abastecimento da cidade, 2,461 m³ s⁻¹ de água bruta são captados, 17,6% são perdidos na distribuição de água tratada e 72,1% retornaram ao meio ambiente, fechando o balanço hídrico CAU. A demanda de eletricidade é de 10,68 MW, comintensidade energética de 4,34 kWh m⁻³ e energia específica 3,6 W habitante⁻¹. O bombeamento de água bruta domina o perfil termodinâmico, onde cerca de 60% da exergia total é destruída e eficiências entre 59,8% e 76,1%. Na ETA, a eficiência exergética é 7,6%, sendo 53,6% da exergia de entrada relativa a reagentes químicos da qual 82,9% é destruída por irreversibilidades internas. Na distribuição de água tratada, a eficiência exergética do bombeamento é 70,7% e as perdas representam 43%, equivalendo a 260 kW da exergia útil de bombeamento. No sistema de esgotamento sanitário, o tratamento de efluentes é a etapa mais dissipativa do ciclo devido à oxidação bioquímica. A eficiência exergética global do CAU de Brasília, manteve-se em torno de 69–70% ao longo da cadeia operacional. As análises indicaram que estratégias como modernização de bombas antigas, redução de perdas de água tratada e recuperação do biogás gerado nas ETEs podem melhorar significativamente o desempenho operacional dos sistemase a eficiência exergética do ciclo. O método da análise exergética, aliada à avaliação das emissões dos processos, mostrou-se eficaz para identificar gargalos, orientar melhorias operacionais e promover o uso mais racional de recursos. Por fim, o estudo oferece uma metodologia quantitativa replicável, capaz de identificar pontos críticos, subsidiar ações de otimização e contribuir para a redução de impactos ambientais no ciclo da água urbana.
Unidade Acadêmica: Faculdade de Tecnologia (FT)
Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)
Informações adicionais: Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas, 2025.
Programa de pós-graduação: Programa de Pós-Graduação em Ciências Mecânicas
Licença: A concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.unb.br, www.ibict.br, www.ndltd.org sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra supracitada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.
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