49 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale

Transcript

1 Gruppo di lavoro GESTIONE IMPIANTI DI DEPURAZIONE DICATAM - Università degli Studi di Brescia ATTI 49 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale RISPARMIO ENERGETICO NEGLI IMPIANTI DI TRATTAMENTO DELL ACQUA Mercoledì, 23 ottobre 2013 Sala Convegni AMGA Genova Via SS. Giacomo e Filippo 7 Genova Coordinatore: Prof. Ing. Carlo COLLIVIGNARELLI Con la collaborazione di:

2 RELATORI Ing. Caterina ALIVERTI Ingegnere Nord Milano Consult S.r.l., Busto Arsizio (VA) Prof. Gianni ANDREOTTOLA Ordinario di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Università di TRENTO Ing. Pier Carlo ANGLESE Direttore generale Gruppo CAP Holding, Assago (MI) Prof. Giorgio BERTANZA Ordinario di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Università di BRESCIA Ing. Michela BIASIBETTI Assegnista di Ricerca di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Università di BRESCIA Ing. Giuseppe BONACINA Energy Efficiency Specialist ABB S.p.A. Italy, Sesto San Giovanni (MI) Ing. Massimiliano CAMPANELLI Direttore AATO Alto Veneto, BELLUNO Prof. Carlo COLLIVIGNARELLI Ordinario di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Università di BRESCIA Ing. Barbara Marianna CROTTI Esperto pianificazione C.I.I. ASMare S.r.l., ASMia S.r.l., Mortara (PV) Ing. Gianluigi DEVOTO Amministratore Delegato Mediterranea delle Acque S.p.A., GENOVA Ing. Paola FOLADORI Ricercatrice di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Università di TRENTO Ing. Luciano FRANCHINI Direttore Autorità Ambito Territoriale Ottimale Veronese, VERONA Ing. Giovanni Battista GATTI Dirigente Servizio gestione degli impianti, Provincia di TRENTO Ing. Andrea GUERESCHI Dirigente Settore Pianificazione e Sviluppo, Padania Acque Gestione, CREMONA Dott.ssa Lorena GUGLIELMI Gruppo Iren Acqua gas S.p.A., REGGIO EMILIA Prof. Rosario MAZZOLA Ordinario di Ingegneria Idraulica, Università di PALERMO Prof. Sergio PAPIRI Associato di Costruzioni idrauliche, Università di PAVIA Ing. Alberto PICCOLI Progettista AOB2 S.p.A., Rovato (BS) Ing. Valentino PIRAMIDE Responsabile Impianti Idrici Enìa Parma S.r.l., Iren Emilia S.p.A. Gruppo Iren, PARMA Prof. Vincenzo RIGANTI Già Ordinario di Chimica merceologica, Università di PAVIA P.i. Francesco SIRIO Responsabile Funzione Idrico A2A Ciclo Idrico S.p.A., BRESCIA Ing. Sabrina SORLINI Ricercatrice di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Università di BRESCIA Ing. Eros TASSI Responsabile Business Unit Energy, The IT Group Italia S.r.l. (MI) Ing. Mentore VACCARI Ricercatore di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Università di BRESCIA Ing. Chiara ZIVERI Ingegnere Enìa Reggio - Gruppo Iren S.p.A., REGGIO EMILIA MATTINO 8:30 Registrazione dei partecipanti 9:15 Indirizzi di saluto 9:30 Introduzione al Convegno Carlo Collivignarelli Presiedono: R. Mazzola, L. Franchini 9:40 Incidenza dei consumi energetici sul costo del servizio idrico integrato Massimiliano Campanelli 10:00 Quadro legislativo e normativa volontaria sul risparmio energetico negli impianti del servizio idrico integrato Vincenzo Riganti, Eros Tassi 10:20 Potenzialità di risparmio e recupero energetico negli impianti di depurazione Giorgio Bertanza 10:40 PAUSA Presiedono: G. Andreottola, A. Guereschi 11:00 Prospettive di risparmio energetico nelle reti acquedottistiche e nei sistemi di collettamento/fognatura Sergio Papiri 11:20 Il sistema di misura come strumento per la gestione dell energia Giuseppe Bonacina 11:40 Soluzioni gestionali per il risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua Paola Foladori 12:00 TAVOLA ROTONDA 13:00 PAUSA PRANZO POMERIGGIO Presiedono: G. Bertanza, G. Devoto 14:00 Indagine del GdL «Gestione impianti di depurazione» sul consumo energetico: - Impianti di depurazione Mentore Vaccari - Impianti di potabilizzazione Sabrina Sorlini 14:15 Analisi del consumo energetico dell impianto di potabilizzazione di Borgo S. Giacomo (BS) Michela Biasibetti 14:30 Analisi del consumo energetico dell impianto di depurazione di Rudiano (BS) Alberto Piccoli 14:45 Analisi ed efficientamento energetico dell impianto di depurazione di Folgaria (TN) Paola Foladori, Giovanni Battista Gatti 15:00 Esempi applicativi di up-grading e miglioramento dell efficienza energetica Sistemi di approvvigionamento idropotabile: - I casi di Brescia Francesco Sirio - Il caso di Parma Valentino Piramide - Il caso di Reggio Emilia Chiara Ziveri - I casi di Milano Pier Carlo Anglese Sistemi di collettamento e di depurazione: - Il caso di Reggio Emilia Lorena Guglielmi - Il caso di Mortara (PV) Barbara Marianna Crotti - Il caso di S. Antonino Ticino (VA) Caterina Aliverti 16:30 CONCLUSIONI

3 PRESENTAZIONE DELLA GIORNATA DI STUDIO Nel maggio 1998, presso la Facoltà di Ingegneria dell Università di Brescia, si è costituito il GRUPPO DI LAVORO sulla GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE, che coinvolge circa duecento tra ricercatori universitari e tecnici gestori di impianti, con l obiettivo di studiare le tematiche più importanti sulla gestione degli impianti di depurazione, attraverso un iniziativa avente carattere di continuità. Nel corso degli anni, il Gruppo di lavoro si è occupato di diverse problematiche inerenti la gestione degli impianti di depurazione e potabilizzazione: criteri di monitoraggio, verifiche di funzionalità, smaltimento dei fanghi, gestione delle acque meteoriche, costi e tariffazione, sistemi di distribuzione dell acqua potabile, riutilizzo delle acque di scarico, certificazione ambientale, emissioni odorigene, ecc. I risultati dei lavori sono stati presentati in numerose Giornate di Studio e sono stati raccolti in volumi pubblicati da vari Editori: Il Sole 24 Ore, CIPA, Aracne, CLUB. In Italia il consumo totale nazionale di energia elettrica è pari a circa miliardi di di questi, si stima c e circa il sia assorbito dal servizio idrico integrato aumento dei costi di approvvigionamento energetico e la contemporanea introduzione di limiti più stringenti che vengono via via imposti per migliorare gli standard di qualità ambientale ha portato alla ribalta negli ultimi anni il tema dell utilizzo di energia nel settore dei servizi idrici, in particolare nella fase della fornitura idropotabile e della depurazione. Il presente convegno è organizzato dal Gruppo di Lavoro "Gestione impianti di depurazione", in seno al quale sono attivi da tempo due sottogruppi che si occupano del tema del consumo energetico negli impianti di depurazione e potabilizzazione. Il convegno a l obiettivo di illustrare le possibilità di risparmio offerte da un adeguato ammodernamento e da una oculata gestione di tali impianti. La tematica viene trattata attraverso alcuni interventi di inquadramento sugli aspetti normativi e sul tema dei consumi di energia elettrica nel servizio idrico integrato, cui seguirà la presentazione dei risultati di un indagine svolta, a livello nazionale, sui consumi energetici negli impianti di depurazione e potabilizzazione. Vi saranno inoltre diversi interventi riguardanti esperienze di up-grading e miglioramento dell efficienza energetica del servizio idrico integrato Il convegno è rivolto a ricercatori universitari, gestori di impianti, esponenti degli Enti di controllo e operatori del settore. i

4 PRESENTAZIONE DEL GRUPPO DI LAVORO Gruppo di lavoro GESTIONE IMPIANTI DI DEPURAZIONE Cattedra di Ingegneria sanitaria-ambientale Dipartimento DICATAM, Università degli Studi di Brescia Nel maggio 1998, presso la Facoltà di Ingegneria dell Università di Brescia, si è costituito il GRUPPO DI LAVORO sulla GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE (che, di fatto, ha avuto origine dal 3 Seminario di Studio in Ingegneria Sanitaria-Ambientale La gestione e l upgrading degli impianti a fanghi attivi, Brescia, Facoltà di Ingegneria, 4 e 5 dicembre 1997), coinvolgendo sia ricercatori universitari sia numerosi tecnici gestori di impianti, con l obiettivo di studiare le tematiche più importanti sulla gestione degli impianti di depurazione, attraverso un iniziativa avente carattere di continuità. Durante i primi due anni di attività, il Gruppo di lavoro si è occupato di diverse problematiche inerenti la gestione degli impianti di depurazione municipali. La rielaborazione di tutto il materiale raccolto si è concretizzata nella pubblicazione del volume La gestione degli impianti di depurazione delle acque di scarico, edito da Il Sole 24 Ore (ottobre 2000). Un altra importante tematica di cui il Gruppo di lavoro si è occupato è rappresentata dal capitolato d oneri per la gestione degli impianti di depurazione. Anche in questo caso, il lavoro è approdato ad una proposta che è stata pubblicata, come inserto speciale, sul n. 7 (2001) della rivista Ambiente & Sicurezza de Il Sole 24 Ore. L attività del Gruppo di lavoro, che nel frattempo ha visto l adesione di numerosi altri tecnici e ricercatori (oggi i partecipanti sono circa 200), si è poi rivolta verso l approfondimento di numerose altre tematiche di attualità ed interesse. Nel corso del 2002 si è concluso il lavoro (che ha preso avvio nel gennaio 2000) relativo agli impianti di depurazione che ricevono significativi contributi in termini di acque reflue industriali (includendo in questa categoria sia gli impianti municipali che trattano liquami con importante componente industriale, sia gli impianti a servizio di consorzi industriali), che ha portato alla pubblicazione del volume La gestione delle acque industriali, edito da Il Sole 24 Ore (gennaio 2003). Nel 2003 è invece terminata l attività del sottogruppo che si è occupato degli impianti di trattamento rifiuti liquidi, concretizzatasi nella pubblicazione del Manuale di Ingegneria sanitaria-ambientale La gestione degli impianti di trattamento di rifiuti liquidi, edito da CIPA nel maggio Nel settembre 2002 sono stati avviati cinque nuovi sottogruppi, che hanno affrontato i seguenti argomenti: il trattamento e smaltimento dei fanghi di depurazione, conclusosi con la pubblicazione del volume L ottimizzazione del trattamento e smaltimento dei fanghi da depurazione delle acque reflue urbane (CIPA Editore, giugno 2004); le problematiche concernenti le acque destinate al consumo umano, che ha portato alla stesura del volume Acque ad uso umano: dalle acque di rete a quelle confezionate, edito da CIPA nel dicembre Il sottogruppo ha successivamente affrontato due ulteriori tematiche: l influenza dei sistemi di distribuzione sulla qualità delle acque potabili (che ha portato alla pubblicazione del volume Influenza dei sistemi di distribuzione sulla qualità dell'acqua potabile, Aracne Editrice, settembre 2007) e la rimozione dell arsenico dalle acque ad uso umano (che si è concretizzato nella pubblicazione del volume L arsenico nelle acque destinate al consumo ii

5 PRESENTAZIONE DEL GRUPPO DI LAVORO umano Esperienze e applicazioni delle tecnologie di rimozione dell arsenico e aspetti gestionali, Ed. Flaccovio, febbraio 2011); la gestione delle acque meteoriche di dilavamento, che si è concluso con la redazione dell omonimo volume (CIPA Editore, novembre 2006); il riutilizzo delle acque di scarico, che ha portato alla pubblicazione delle monografie Riutilizzo delle acque reflue con destinazione d uso Industriale (CIPA Editore, ottobre 2007) e Riutilizzo delle acque reflue industriali per uso interno (CIPA Editore, novembre 2009); la certificazione ambientale nell ambito del ciclo integrato dell acqua, che si è concretizzato con la stesura del volume Ecogestione nel servizio idrico integrato: elementi per l'applicazione della norma ISO 14001:04 (Aracne Editrice, gennaio 2007). Nel 2007 sono stati avviati inoltre altri due sottogruppi: il primo si è occupato della gestione dei piccoli impianti di depurazione delle acque reflue urbane ed ha pubblicato la monografia La gestione dei piccoli impianti di depurazione (CIPA Editore, maggio 2010), il secondo ha affrontato il problema degli odori negli impianti di depurazione e nelle piattaforme che trattano rifiuti liquidi. Successivamente, nel 2010, hanno preso avvio tre nuovi sottogruppi: il primo si è occupato della verifiche di funzionalità di impianti e infrastrutture del ciclo idrico integrato (che ha portato alla pubblicazione del volume Impianti di trattamento acque: verifiche di funzionalità e collaudo - Manuale operativo, Hoepli Ed., ottobre 2012), il secondo ha affrontato il tema dell autorizzazione integrata ambientale degli impianti di trattamento acque (che ha pubblicato il volume Autorizzazione integrata ambientale Impianti di trattamento acque e rifiuti liquidi, CIPA Editore, ottobre 2012), il terzo quello del risparmio energetico nell ambito del servizio idrico integrato (a breve verrà pubblicato i volume Consumi elettrici ed efficienza energetica nel trattamento delle acque reflue Ed. Maggioli). Infine, nel luglio 2013 sono stati avviati due nuovi sottogruppi: il primo si occupa della gestione dei processi MBR nel trattamento di reflui urbani e industriali; il secondo riguarda la massimizzazione del recupero di materia ed energia negli impianti di depurazione. Le attività del Gruppo di Lavoro Gestione Impianti di Depurazione sono aperte a chiunque sia interessato, sia che provenga da aziende private, sia che provenga da Enti pubblici, indipendentemente dal campo prevalente di attività (gestione, progettazione, ricerca, controllo ecc.). Per informazioni: Prof. Giorgio Bertanza ( ) Prof. Mentore Vaccari ( ) Sito web: ingsan@ing.unibs.it - Fax: iii

6 PRESENTAZIONE DEL GRUPPO DI LAVORO Monografie PUBBLICAZIONI Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. La gestione degli impianti di depurazione delle acque di scarico. A cura di C. Collivignarelli, V. Riganti, M. Pergetti, Ed. Il Sole 24 Ore, Milano, ottobre 2000 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Proposta di capitolato d oneri per la gestione degli impianti di depurazione. Inserto in Ambiente & Sicurezza n. 7 (2001), 10 aprile Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. La gestione delle acque di scarico industriali. A cura di F. Avezzù, C. Collivignarelli, V. Riganti, Ed. Il Sole 24 Ore, Milano, gennaio 2003 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. La tariffazione degli scarichi industriali, n. 1 (gennaio) vol. XXXIII (2004) IA - Ingegneria Ambientale, pag Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Ottimizzazione del trattamento e smaltimento dei fanghi da depurazione delle acque reflue urbane. A cura di G. Bertanza, R. Bianchi, M. Ragazzi, Volume Collana Ambiente, Ed. Cipa, Milano, giugno 2004 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. La gestione degli impianti di trattamento di rifiuti liquidi. A cura di C. Collivignarelli, F. Avezzù, V. Riganti, Manuale di Ingegneria ambientale, volume 5, Ed. Cipa, Milano, maggio 2005 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Acque ad uso umano: dalle acque di rete a quelle confezionate. A cura di C. Collivignarelli, S. Sorlini, Volume Collana Ambiente, Ed. Cipa, Milano, dicembre 2005 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. La Gestione delle acque meteoriche di dilavamento. A cura di G. Bertanza, S. Papiri, Manuale di Ingegneria ambientale, volume 5, Ed. Cipa, Milano, novembre 2006 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Ecogestione nel servizio idrico integrato: elementi per l'applicazione della norma ISO 14001:04. A cura di R. Canziani, E. Perotto, M. Vaccari, Aracne Editrice, Roma, gennaio 2007 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Influenza dei sistemi di distribuzione sulla qualità dell'acqua potabile. A cura di C. Collivignarelli, S. Sorlini, Aracne Editrice, Roma, settembre 2007 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Riutilizzo delle acque reflue con destinazione d uso industriale. A cura di F. Avezzù, S. Cavallari, M. Anselmi, Volume Collana Ambiente, Ed. Cipa, Milano, ottobre 2007 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Riutilizzo delle acque reflue industriali per uso interno. A cura di M. Vaccari, M.C. Zanetti, Volume Collana Ambiente, Ed. Cipa, Milano, novembre 2009 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. La gestione dei piccoli impianti di depurazione. A cura di F. Avezzù, L. Falletti, V. Riganti, Manuale di Ingegneria Ambientale, Ed. Cipa, Milano, maggio 2010 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. L arsenico nelle acque destinate al consumo umano Esperienze e applicazioni delle tecnologie di rimozione dell arsenico e aspetti gestionali. A cura di C. Collivignarelli, V. Riganti, S. Sorlini, Ed. Flaccovio, Palermo, febbraio 2011 iv

7 PRESENTAZIONE DEL GRUPPO DI LAVORO Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Impianti di trattamento acque: verifiche di funzionalità e collaudo - Manuale operativo. A cura di G. Bertanza e C. Collivignarelli, Ed. Hoepli, Milano, ottobre 2012 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Autorizzazione integrata ambientale Impianti di trattamento acque e rifiuti liquidi. A cura di C. Collivignarelli, V. Riganti, S. Sorlini, Ed. Cipa, Milano, ottobre 2012 Gruppo di lavoro Gestione degli impianti di depurazione. Consumi elettrici ed efficienza energetica nel trattamento delle acque reflue. A cura di M. Campanelli, P. Foladori, M. Vaccari, Ed. Maggioli, Bologna, in stampa LE GIORNATE DI STUDIO GdL 3 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE E L UPGRADING DEGLI IMPIANTI A FANGHI ATTIVI Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 4-5 dicembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: aspetti normativi e sicurezza Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 9 aprile a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: monitoraggio, collaudo e verifiche di funzionalità Facoltà di Scienze MM. FF. NN. - Università dell Insubria - VARESE, 21 maggio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: upgrading Centro Convegni AMGA - GENOVA, 11 giugno a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: gestione, manutenzione e controllo Università Cattolica del Sacro Cuore - PIACENZA, 28 settembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: trattamento di reflui speciali ed aspetti economici Centro Congressi Terme di Salice - SALICE TERME (PV), 15 ottobre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: linee guida per conseguire l efficacia, l efficienza e l economicità del servizio Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 10 dicembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: il trattamento degli scarichi industriali negli impianti pubblici: aspetti normativi ed amministrativi PAESE (TV), 25 maggio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale SCARICHI DI ACQUE REFLUE IN AREE SENSIBILI: aspetti normativi ed implicazioni e impiantistiche Università di Bologna BOLOGNA, 12 ottobre 2001 v

8 PRESENTAZIONE DEL GRUPPO DI LAVORO 18 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale SCARICHI INDUSTRIALI IN FOGNATURA: pretrattamento, collettamento, tariffazione Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia BRESCIA, 8 febbraio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale IMPIANTI DI DEPURAZIONE DI ACQUE DI SCARICO CON SIGNIFICATIVA COMPONENTE INDUSTRIALE: aspetti impiantistici e gestionali Centro Convegni AMGA GENOVA, 4 giugno a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale IMPIANTI DI TRATTAMENTO DI RIFIUTI LIQUIDI: problematiche gestionali Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia BRESCIA, 13 dicembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: ottimizzazione del trattamento-smaltimento dei fanghi Aula del Quattrocento, Università di Pavia PAVIA, 26 giugno a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale La gestione degli impianti di depurazione: IL RIUTILIZZO DELLE ACQUE REFLUE RISPARMIO IDRICO E RIDUZIONE DELL IMPATTO SULL AMBIENTE (DM del 12/06/03 n 185) Palazzo Cittanova, CREMONA, 20 novembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale ACQUE DESTINATE AL CONSUMO UMANO Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia BRESCIA, 12 dicembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale ECOGESTIONE NEL SERVIZIO IDRICO INTEGRATO: elementi per una certificazione ambientale Politecnico di Milano, sede di Como - COMO, 2 aprile a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale La gestione degli impianti di depurazione: IL RIUTILIZZO DELLE ACQUE REFLUE ASPETTI IMPIENTISTICI E GESTIONALI Centro congressi VeronaFiere, VERONA, 16 aprile a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale "POTABILIZZAZIONE DELLE ACQUE: aspetti normativi, tecnici e gestionali" Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 11 febbraio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale GESTIONE DELLE ACQUE METEORICHE DI DILAVAMENTO: un approccio integrato Università dell Insubria, Facoltà di Scienze MM.FF.NN. VARESE, 6 maggio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale "INFLUENZA DEI SISTEMI DI DISTRIBUZIONE SULLA QUALITÀ DELL ACQUA POTABILE" Centro Convegni AMGA GENOVA, 18 novembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale "LA GESTIONE DELLE ACQUE METEORICHE DI DILAVAMENTO NELLE AREE URBANE E INDUSTRIALI" Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 3 febbraio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA CERTIFICAZIONE AMBIENTALE DEL SERVIZIO IDRICO INTEGRATO: potenzialità e limiti Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 12 maggio 2006 vi

9 PRESENTAZIONE DEL GRUPPO DI LAVORO 32 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale IL RISPARMIO IDRICO IN AZIENDA: aspetti impiantistici e gestionali Centro Incontri Regione Piemonte TORINO, 14 luglio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale L ARSENICO NELLE ACQUE DESTINATE AL CONSUMO UMANO. Nuove tecnologie di rimozione: esperienze ed applicazione Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 6 luglio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale IL RIUTILIZZO DELLE ACQUE REFLUE URBANE E INDUSTRIALI Palazzo Cittanova - CREMONA, ottobre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEI FANGHI DI DEPURAZIONE: aspetti tecnici, economici e di pianificazione Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 30 novembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEI PICCOLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE Piacenza EXPO - PIACENZA, 11 aprile a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale 10 ANNI DI ATTIVITA' DEL GRUPPO DI LAVORO GESTIONE IMPIANTI DI DEPURAZIONE: prospettive future Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 28 novembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale L ARSENICO NELLE ACQUE DESTINATE AL CONSUMO UMANO: tecnologie di rimozione e aspetti gestionali Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 10 luglio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale L ARSENICO NELLE ACQUE DESTINATE AL CONSUMO UMANO: aspetti sanitari, tecnologici e gestionali Aula Magna del Rettorato - Università della Tuscia - VITERBO, 10 dicembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale LA GESTIONE DEI PICCOLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE: aspetti gestionali Fieraverona - VERONA, 28 maggio a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale VERIFICHE INNOVATIVE PER LA FUNZIONALITÀ DEL CICLO IDRICO INTEGRATO E DEL TRATTAMENTO DI RIFIUTI LIQUIDI Auditorium (Scuole Medie) - MORTARA (PV), 29 settembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale "GLI ODORI NEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE DELLE ACQUE DI SCARICO E DI TRATTAMENTO DEI RIFIUTI LIQUIDI: aspetti tecnici e normativi" Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 29 ottobre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale: "LE VERIFICHE DI FUNZIONALITÀ COME STRUMENTO PER L'OTTIMIZZAZIONE DI IMPIANTI E INFRASTRUTTURE DEL SERVIZIO IDRICO INTEGRATO" Palazzo Cittanova - CREMONA, 27 gennaio 2011 vii

10 PRESENTAZIONE DEL GRUPPO DI LAVORO 44 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale: "GESTIONE DEI FANGHI DI DEPURAZIONE: INTERVENTI E PROSPETTIVE" Dogana Veneta - LAZISE (VR), 9 giugno a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale: "RISPARMIO ENERGETICO NEL SERVIZIO IDRICO INTEGRATO" Ecomondo 2011, Fiera di Rimini - RIMINI, 11 novembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale: AUTORIZZAZIONE INTEGRATA AMBIENTALE DEGLI IMPIANTI DI DEPURAZIONE DELLE ACQUE Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 2 dicembre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale: LA PREVENZIONE E IL CONTROLLO DEGLI ODORI NEGLI IMPIANTI DI TRATTAMENTO ACQUE E RIFIUTI LIQUIDI Facoltà di Ingegneria - Università di Brescia - BRESCIA, 12 ottobre a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale: IMPIANTI DI TRATTAMENTO ACQUE: VERIFICHE DI FUNZIONALITÀ E COLLAUDO Centro Servizi Banco Popolare - VERONA, 14 giugno a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale: RISPARMIO ENERGETICO NEGLI IMPIANTI DI TRATTAMENTO DELL ACQUA Sala Convegni AMGA - GENOVA, 23 ottobre 2013 viii

11 INDICE DELLE RELAZIONI 49 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria- Ambientale RISPARMIO ENERGETICO NEGLI IMPIANTI DI TRATTAMENTO DELL ACQUA GENOVA 23 ottobre 2013 Massimiliano Campanelli Incidenza dei consumi energetici sul costo del servizio idrico integrato pag. 1 Vincenzo Riganti, Eros Tassi Quadro legislativo e normativa volontaria sul risparmio energetico negli impianti del servizio idrico integrato pag. 9 Giorgio Bertanza Potenzialità di risparmio e recupero energetico negli impianti di depurazione pag. 24 Sergio Papiri Prospettive di risparmio energetico nelle reti acquedottistiche e nei sistemi di collettamento/fognatura pag. 30 Giuseppe Bonacina Il sistema di misura come strumento per la gestione dell energia pag. 37 Paola Foladori Soluzioni gestionali per il risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua pag. 42 Mentore Vaccari Sabrina Sorlini Indagine del GdL «Gestione impianti di depurazione» sul consumo energetico: - Impianti di depurazione - Impianti di potabilizzazione pag. 50 pag. 56 Michela Biasibetti Analisi del consumo energetico dell impianto di potabilizzazione di Borgo S. Giacomo (BS) pag. 64 ix

12 INDICE DELLE RELAZIONI Alberto Piccoli Analisi del consumo energetico dell impianto di depurazione di Rudiano (BS) pag. 73 Paola Foladori, Giovanni Battista Gatti Analisi ed efficientamento energetico dell impianto di depurazione di Folgaria (TN) pag. 81 Francesco Sirio Valentino Piramide Chiara Ziveri Lorena Guglielmi Barbara Marianna Crotti Caterina Aliverti Esempi applicativi di up-grading e miglioramento dell efficienza energetica Sistemi di approvvigionamento idropotabile: - I casi di Brescia - Il caso di Parma - Il caso di Reggio Emilia Sistemi di collettamento e di depurazione: - Il caso di Reggio Emilia - Il caso di Mortara (PV) - Il caso di S. Antonino Ticino (VA) pag. 89 pag. 100 pag. 107 pag. 115 pag. 122 pag. 127 Atti della 49 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua A cura del Gruppo di Lavoro Gestione impianti di depurazione ISBN by Gruppo di lavoro Gestione Impianti di depurazione x

13 Incidenza dei consumi energetici sul costo del servizio idrico integrato Ing.Massimiliano Campanelli Consiglio di Bacino Dolomiti Bellunesi, via S.Andrea, Belluno m.campanelli@provincia.belluno.it Riassunto In questa presentazione viene stimato il consumo di energia elettrica richiesta dalla fornitura di acqua per usi idropotabili e quindi dal successivo trattamento di depurazione delle acque reflue prodotte. Il valore di energia elettrica richiesta è pari a circa il 2,5% della domanda nazionale. La dimensione del consumo stimato è stata quindi confrontata con i dati raccolti dall Autorità per l Energia Elettrica ed il Gas a fine 2012 presso i gestori del servizio idrico integrato. Il costo sostenuto annualmente dai gestori è quindi pari a circa 1 miliardo di euro. 1. Introduzione La continua e progressiva tendenza all aumento dei costi dell energia spinge a concentrare l attenzione sul consumo di energia elettrica assorbito dai servizi idrici. In questo lavoro saranno analizzati nel dettaglio i parametri macro-quantitativi che influenzano e determinano i consumi di energia elettrica all'interno del servizio idrico integrato, utilizzando i dati prodotti da ISTAT e da alcuni studi internazionali. Grazie al lavoro svolto dall Autorità per l Energia Elettrica ed il Gas a fine 2012, è stato inoltre possibile ottenere una stima più accurata del consumo energetico a livello nazionale. 2. Relazione Prima di affrontare l'argomento oggetto di indagine della presente pubblicazione, si ritiene utile inquadrare il tema all'interno della situazione economica italiana, ci si riferisce in particolare alla spesa sostenuta dall'economia italiana per la gestione delle risorse idriche e delle acque reflue. 2.1 Spese dell'economia italiana per la gestione delle risorse idriche e delle acque reflue L'ISTAT ha reso disponibile a febbraio 2011 i dati relativi alle spese sostenute dall'economia italiana per la gestione dei rifiuti, delle acque reflue e delle risorse idriche relativa al periodo [4]. Nel 2009 la spesa nazionale ammonta complessivamente a 34,7 miliardi di euro, pari a una incidenza sul PIL del 2,3%; di questi il 38% della spesa, pari a 13,2 miliardi di euro proviene dalla gestione delle risorse idriche ( 9,5 miliardi di ) e delle acque reflue (3,7 miliardi di ), corrispondenti quindi allo 0,8% del PIL. Tali valori sono determinati dai consumi finali (famiglie e pubblica amministrazione) intermedi (imprese), nonché dagli investimenti degli operatori economici. Nel settore delle risorse idriche sono i consumi finali a rappresentare la maggior incidenza con un valore pari mediamente nel periodo in esame al 49%; mentre nel settore delle acque reflue risulta maggiore la spesa dei consumatori intermedi quali appunto le imprese (comprendendo anche le utenze degli esercizi commerciali o di ristorazione). Dal 1997 al 2009 si osserva che la spesa nazionale a prezzi correnti e' aumentata in tutti i settori presi in esame dall'istat, in particolare la spesa per la gestione delle acque 1

14 reflue ha subito un incremento pari al 44%, mentre quella per le risorse idriche e' aumentata del 52%. 2.2 Caratterizzazione del servizio idrico: principali grandezze L'ISTAT ha pubblicato a dicembre 2009 il Censimento delle risorse idriche ad uso civile [5]. Nella Relazione di accompagnamento e nella tabelle allegate sono state esposte le principali grandezze utili a descrivere a livello macro-economico il servizio relativo al prelievo di acqua per uso potabile, i relativi volumi sottoposti a trattamenti di potabilizzazione, l'acqua immessa nelle reti comunali e quella erogata ai cittadini, fino alla stima delle acque reflue trattate. Non sono incluse in questa rilevazione quindi gli usi, i prelievi e le fasi di trattamento a destinazione produttiva esterna al perimetro del servizio pubblico, ovvero interni al ciclo produttivo aziendale. Nel 2008 sono stati quindi immessi in rete 136 mc/anno per abitante, valore che risulta sostanzialmente invariato rispetto al 2005 e al Il volume erogato per abitante e' invece pari a 92 mc/ anno per abitante (+1,2% rispetto al 2005 e +1,0% rispetto al 1999) [4]. Ai fini del presente studio è importante rilevare il valore delle dispersioni di acqua potabile in rete. ISTAT ha svolto tale calcolo considerando (Fig.1) con riferimento alla quantità di acqua erogata, ovvero consegnata al consumatore, il volume di acqua prelevato in più rispetto al necessario nonché come quota in più immessa in rete. A livello nazionale, nel 2008 per 100 litri di acqua erogata all'utente, sono necessari 65 litri in più, ovvero devono essere prelevati 165 litri alla sorgente di produzione. Con riferimento al nostro oggetto di studio, tale fenomeno riveste notevole importanza se si pensa al consumo energetico dovuto al prelievo da falda sotterranea e al successivo pompaggio per garantire una adeguata fornitura alle utenze. REGIONI Acqua prelevata Acqua potabilizzata Percentuale di acqua potabilizzata Acqua immessa nelle reti di distribuzione Acqua erogata dalle reti di distribuzione Percentuale di acqua erogata sul totale di acqua immessa nelle reti di distribuzione comunali ITALIA , ,9 Italia nord-occidentale , ,3 Italia nord-orientale , ,4 Italia centrale , ,8 Italia meridionale , ,7 Italia insulare , ,6 Fig.1 - Ripartizione volumi di acqua ad uso potabile - Anno 2008 (volumi in migliaia di metri cubi). Elaborazione dell Autore da Tavola 6 allegata a [5]. La tabella seguente (Tab.2) riporta i volumi annuali d acqua prelevata suddivisi in funzione della tipologia di fonte di approvvigionamento [6]. Tali valori saranno utilizzati per determinare il consumo di energia elettrica nel successivo paragrafo. 2

15 Acque sotterranee Acque superficiali Acque marine o Totale Sorgente Pozzo Totale Corso Lago Bacino Totale salmastre di d'acqua superficiale naturale artificiale superficie Tab.2 - Acqua prelevata per tipologia e fonte di approvvigionamento - Anno 1999 (migliaia di mc) Elaborazione dell Autore da [6]. Nella tabella successiva (Tab.3) sono riportati i valori prodotti da ISTAT [5] in merito al numero, alla tipologia e alle dimensioni degli impianti di trattamento delle acque reflue nel Tali dati sono utili per determinare l'assorbimento di energia elettrica da parte del sistema di depurazione pubblico italiano. Sono quindi esclusi da tale elenco gli impianti a servizio dei singoli esercizi produttivi. Di conseguenza, anche i successivi calcoli dei consumi saranno relativi al solo servizio idrico integrato. Primario Secondario Terziario Totale Numero Aes Numero Aes Numero Aes Numero Aes (a ) Gli abitanti equivalenti effettivi riportati in tabella, esprimono il carico inquinante veicolato nelle acque reflue urbane definite come acque reflue domestiche o il miscuglio di acque reflue domestiche, acque reflue industriali e/o meteoriche di dilavamento, ai sensi della direttiva 91/271/CEE. Tab.3 Tipologia impianti di depurazione delle acque reflue urbane in esercizio e Abitanti equivalenti serviti (Aes) effettivi per tipologia di trattamento al 31 dicembre 2008 (valori assoluti) (a). Elaborazione dell Autore da Tavola 10 allegata a [5]. La sottostante tabella 4 riporta invece i carichi inquinanti prodotti dal sistema produttivo e residenziale nazionale. Il confronto tra AES riportati in Tab.3 (pari a 78,5 milioni ) e AETU (pari a 100 milioni) può dare una dimensione dell'incremento potenziale di consumi elettrici assorbiti dalla depurazione qualora si provvedesse alla depurazione della quota parte di AETU attualmente non ancora serviti. Popolazion e residente Popolazion e presente non residente Popolazion e in case sparse Lavoratori e studenti pendolari Fonti di inquinamento Posti letto alberghi, campeggi e alloggi per turisti Abitanti in seconde case (non destinate a turisti) Ristoranti e bar Micro industria Piccola, media e grande industria Abitanti equivalenti totali urbani (Aetu) Abitanti equivalenti totali (Aet) Tab.4 Carico inquinante potenziale espresso in termini di Abitante equivalente per fonte di inquinamento - Anno Elaborazione dell Autore da Tavola 15 allegata a [5]. 2.3 Consumi unitari degli impianti di trattamento delle acque e di depurazione pubblici Nel presente paragrafo sono riportati i valori dei consumi energetici unitari, rapportati alle unità di volume, relativi alle singole tipologie di impianto così come ricavati da uno studio prodotto da EPRI [7]. Si richiama anche l'articolo "Energy recovery from wastewater treatment plants in the United States: a case study of the energy-water 3

16 nexus." [7], nel quale in appendice sono riportati ulteriori dettagli relativi allo studio di EPRI citato. Il dato medio del consumo per gli impianti di potabilizzazione suddivisi per taglia si attesta sul valore medio di 0,35-0,40 kwh/mc. Si rimanda al dettaglio della pubblicazione per l'esame della metodologia di calcolo. Classe dimensionale impianto x galloni/giorno (m3/giorno) Consumi elettrici unitari kwh/x galloni (kwh/m3) 1 MM gal/day (3,785 m3/d) 1,483 kwh/million gal (0,392 kwh/mc) 5 MM gal/day (18,925 m3/d) 1,418 kwh/million gal (0,375 kwh/mc) 10 MM gal/day (37,850 m3/d) 1,406 kwh/million gal (0,371 kwh/mc) 20 MM gal/day (75,700 m3/d) 1,409 kwh/million gal (0,372 kwh/mc) 50 MM gal/day (189,250 m3/d) 1,408 kwh/million gal (0,372 kwh/mc) 100 MM gal/day (378,500 m3/d) 1,407 kwh/million gal (0,372 kwh/mc) Tab.5 Valori unitari di consumo di energia elettrica per le acque destinate al consumo umano da fonte superficiale. Elaborazione dell Autore da [7]. Il consumo è fortemente influenzato dai costi di pompaggio e immissione in rete, che pesano per circa l 80-85% del totale. Nello studio citato di EPRI [7] il consumo di energia elettrica per le acque estratte dal sottosuolo è stimato in 0,482 kwh/mc ovvero circa il 30% in più rispetto alle acque estratte da fonte superficiale. I fattori che determinano il maggior consumo sono dati dall emungimento tramite pozzi (che incidono per circa il 30% del totale) e dal successivo rilancio nella rete di distribuzione. Nella tabella sottostante (Tab.6) sono riportati i valori unitari di consumo relativi agli impianti di depurazione della acque reflue, suddivisi per tipologia e classe dimensionale. Classe dimensionale impianto x galloni/giorno (m3/giorno) Consumi elettrici unitari kwh/x galloni (kwh/m3) Trickling Filter Fanghi attivi Fanghi attivi avanzati Fanghi attivi avanzati con nitrificazione 1 MM gal/day (3,785 m3/d) 1,811 (0.479) 2,236 (0.591) 2,596 (0.686) 2,951 (0.780) 5 MM gal/day (18,925 m3/d) 978 (0.258) 1,369 (0.362) 1,573 (0.416) 1,926 (0.509) 10 MM gal/day (37,850 m3/d) 852 (0.225) 1,203 (0.318) 1,408 (0.372) 1,791 (0.473) 20 MM gal/day (75,700 m3/d) 750 (0.198) 1,114 (0.294) 1,303 (0.344) 1,676 (0.443) 50 MM gal/day (189,250 m3/d) 687 (0.182) 1,051 (0.278) 1,216 (0.321) 1,588 (0.423) 100 MM gal/day (378,500 m3/d) 673 (0.177) 1,028 (0.272) 1,188 (0.314) 1,558 (0.412) Tab.6 Valori unitari di consumo di energia elettrica per impianti di trattamento delle acque reflue. Elaborazione dell Autore da [7]. 2.4 Domanda e offerta di energia elettrica In base alle informazioni rese disponibili dall AEEG con la Relazione Annuale 2012, nel 2011 (dati provvisori diffusi dal gestore della rete nazionale) la domanda di energia elettrica è aumentata dello 0,6% rispetto all anno precedente. Il valore della domanda è 4

17 risultato infatti pari a 332,3 TWh, ovvero in crescita di circa 2 TWh rispetto all anno precedente. Con riferimento agli utilizzi, il leggero aumento dei consumi al netto delle perdite viene collegato a un moderato incremento della domanda da parte del settore industriale, pari a circa 1 TWh, e del settore terziario, nell ordine di 0,8 TWh. Durante lo stesso periodo, come rileva sempre l AEEG, il Prodotto Interno Lordo ha conseguito un aumento dello 0,4%. La domanda relativa al 2011 risulta comunque inferiore di circa 7 TWh rispetto all anno 2008, considerato come periodo precedente l inizio della crisi economica. Nel corso del 2011, il fabbisogno complessivo è stato coperto per l 86,3% mediante la produzione nazionale, confermando nella sostanza la stessa incidenza rilevata nell anno precedente (86,6%). La parte restante del fabbisogno è stata garantita mediante importazioni nette dall estero per 45,6 TWh, in aumento del 3,3% rispetto all anno precedente. 2.5 Confronto internazionale dei prezzi dell energia elettrica Esaminando i prezzi medi di fornitura per le industrie, si rileva chiaramente che le imprese italiane sostengono prezzi per l energia elettrica più elevati della media europea per tutte le classi di consumo (vedi Tab.7 sottostante). Consumatori per fascia di consumo (MWh) < Paesi netti lordi netti lordi netti lordi netti lordi netti lordi netti lordi Danimarca 11,09 25,24 9,16 24,73 8,43 23,80 8,38 23,77 7,61 22,82 7,61 22,82 Francia 10,73 14,83 8,40 11,89 6,75 9,91 6,13 8,60 5,94 8,02 5,32 7,08 Germania 16,57 26,80 11,00 19,08 9,00 16,65 7,98 15,28 7,12 14,29 7,24 13,71 Italia 18,60 28,02 13,63 21,14 11,70 18,25 10,23 15,03 9,64 13,41 8,17 11,02 Regno Unito 13,62 16,81 11,30 14,13 9,69 12,16 8,73 10,94 8,24 10,22 8,01 9,91 Spagna 17,77 22,04 13,50 16,75 10,91 13,53 8,82 10,94 7,62 9,45 6,85 8,50 Unione 15,38 21,62 11,21 16,15 9,35 13,71 8,23 12,06 7,60 11,12 7,11 10,23 Europea Tab.7 Prezzi finali dell energia elettrica per i consumi industriali Prezzi riportati al netto e al lordo delle imposte; c /kwh anno 2011 (fonte: elaborazioni dell Autore su dati prodotti da Autorità per l Energia Elettrica ed il Gas, documento /I/COM) I prezzi di fornitura sul mercato elettrico italiano sono superiori a quelli medi europei per tutte le classi di consumo sia al netto delle imposte (con aumenti compresi tra il 15% e il 27%), sia al lordo delle imposte (in tal caso le differenze con i vari paesi sono comprese tra il 21% e il 33%). In tal caso gli aumenti sono più marcati, indice di una maggiore imposizione fiscale applicata in Italia. Se si confrontano i prezzi con i singoli paesi i prezzi industriali italiani risultano più elevati rispetto ai principali paesi europei, con l eccezione della Germania, in cui i prezzi al lordo delle imposte sono più elevati per le categorie di consumo superiori ai MWh/a. 2.6 La tariffazione del servizio idrico integrato alla luce dei nuovi provvedimenti dell Autorità per l Energia Elettrica ed il Gas Il decreto legge 6 dicembre 2011, n.201, convertito, con modificazioni, dalla legge 22 dicembre 2011, n.214, ha avviato un processo di riforma della regolazione del servizio idrico integrato sopprimendo l Agenzia nazionale per la regolazione e la vigilanza in 5

18 materia di acqua e trasferendo all Autorità per l energia elettrica ed il gas (AEEG) le funzioni attinenti alla regolazione e al controllo dei servizi idrici, specificando altresì che tali funzioni vengono esercitate con i medesimi poteri attribuiti all Autorità stessa dalla legge 14 novembre 1995, n.481 (ovvero con poteri anche di ispezione, controllo e di irrogazione di sanzioni). L AEEG ha avviato l attività di ricognizione sullo stato dei servizi idrici in Italia e ha predisposto alcuni documenti di consultazione per la riforma del sistema tariffario vigente (i.e. Metodo Tariffario Normalizzato ex D.M.LL.PP 1 agosto 1996). Con deliberazione 28 dicembre 2012, n.585/2012/r/idr, come successivamente emendata con la deliberazione 28 febbraio 2013, n.88/2013/r/idr è stato approvato il metodo tariffario transitorio per la determinazione delle tariffe negli anni 2012 e Il metodo tariffario transitorio definisce le seguenti componenti di costo del servizio: costi delle immobilizzazioni, intesi come somma degli oneri finanziari, degli oneri fiscali e delle quote di restituzione dell investimento; costi della gestione efficientabili, pari alla somma dei costi operativi endogeni alla gestione, intesi quindi come quei costi sui quali la gestione può esercitare una azione di efficientamento; costi della gestione non efficientabili, intesi come costi operativi esogeni alla gestione nel periodo considerato (i.e. costo energia elettrica, costo forniture all ingrosso, mutui e canoni riconosciuti agli enti locali a fronte dell utilizzo delle infrastrutture, altre componenti di costo). Ai sensi dell art.45 del metodo tariffario transitorio è previsto che il costi sostenuti per l energia elettrica siano soggetti a valutazione a consuntivo rispetto ai valori indicati in fase previsionale con due modalità differenti a seconda dell esercizio considerato. Per ciò che riguarda il costo dell energia elettrica dell anno 2012, il metodo prevede che possa essere recuperato nel 2014 lo scostamento tra la componente determinata in fase di pianificazione ed i costi effettivamente sostenuti, secondo la seguente formula: dove è la differenza tra il costo effettivamente sostenuto nell anno 2012 dal gestore del SII, al netto dell energia reattiva, e la componente di costo dell energia elettrica riconosciuta in tariffa nel medesimo anno. Per quanto attiene invece il costo dell energia elettrica dell anno 2013 è previsto il recupero nel 2015 dello scostamento tra la componente determinata in fase di pianificazione ed i costi effettivamente sostenuti, secondo la seguente formula: dove: Rc 2015 reali, 2013 reali, EE min CoEE ; CoEE * kwh *, 1 10 Co 2013 EE è il costo medio del settore idrico sostenuto nel 2013 valutato dall AEEG sulla base del costo sostenuto da ciascun gestore i- esimo. 6

19 Si osserva come per ciò che attiene il conguaglio relativo al 2013, l AEEG ha previsto come termine di riferimento il costo medio sostenuto dal settore, a cui viene aggiunta una sorta di franchigia del 10%. L obiettivo è quindi di iniziare a creare una sorta di confronto tra gestori non tanto sulla quantità di energia consumata da ogni singolo gestore, quanto sul prezzo di fornitura che può essere modificato ricorrendo ai meccanismi competitivi del mercato libero dell energia. Si evidenzia inoltre il fatto che il costo dell energia oggetto di conguaglio è quello al netto dell energia reattiva, che di fatto rappresenta una energia non produttiva. 2.7 Stima del consumo di energia elettrica nel servizio idrico integrato in Italia (su base dati ISTAT) Utilizzando i valori unitari di consumo di energia elettrica e i parametri dimensionali del servizio idrico in Italia determinati elaborando i dati ISTAT, si è potuto calcolare un valore del consumo energetico nazionale. I risultati [3] possono cambiare in funzione del parametro assunto come riferimento per il calcolo, ovvero kwh/ae o kwh/mc, ma tali differenze sono ininfluenti per gli obiettivi del presente contributo, che ha l obiettivo di produrre una stima di massima del consumo di energia elettrica a livello nazionale. Il consumo totale è stimabile in circa 7,5 miliardi di kwh/anno, pari al 2-2,5% del consumo elettrico nazionale calcolato in 332 miliardi di kwh/anno per il 2011 (fonte AEEG [1]). Tale valore risulta in linea con quanto reperibile nella letteratura internazionale per paesi con un grado di infrastrutturazione comparabile a quello italiano. 2.8 Stima del consumo di energia elettrica in base alle rilevazioni dell Autorità per l Energia elettrica ed il Gas Nell Relazione Annuale sullo Stato dei Servizi e dell attività svolta [2], l Autorità riporta le elaborazioni effettuate in base ai dati raccolti con proprio censimento effettuato nel 2012 ai sensi di propria delibera n.347/2012/r/idr. Il campione di gestioni analizzato copre il 55% della popolazione totale per il servizio di acquedotto, il 46% per quanto attiene la fognatura e il 43% per la depurazione. Con riferimento ai consumi energetici, sono riportati i dati aggregati per regioni, ma esposti anche come valore medio per gestore, relativi ai punti di consegna (numero, potenza impegnata, energia consumata) esplicitando anche il dato relativo al consumo energetico per la depurazione. E interessante notare come il numero di punti di consegna in AT e MT rappresenti il 10% circa del totale a fronte di energia assorbita pari al 75% del totale del campione (risulta così confermata una distribuzione di Pareto). Il consumo energetico relativo al campione è pari a 3,591 miliardi di kwh, di cui il 30% pari a 1,089 miliardi di kwh riferito alla depurazione. Estrapolando tali dati a livello nazionale (con tutti i limiti che tale procedura comporta), risulta un consumo energetico stimabile in circa 7,5 miliardi di kwh, sostanzialmente in linea con il dato nel paragrafo precedente. 2.9 Incidenza del costo energetico Per quanto attiene al valore del volume erogato riportato dall AEEG con riferimento al campione analizzato, che è quantificato in circa 3,152 miliardi di mc/anno, si può 7

20 ragionevolmente derivare un consumo energetico medio lordo dell ordine di grandezza pari a 1-1,15 kwh/mc. Il costo totale relativo al consumo di energia elettrica nel servizio idrico integrato, ipotizzando una tariffa di 0,12-0,14 /kwh, può essere pertanto quantificato in circa 1 miliardo di euro/anno. 3. Conclusioni In uno scenario macro-economico che vedrà una sempre maggiore competizione per l accesso alle fonti di energia, il costo e, quindi, il consumo di energia elettrica, avrà un impatto sempre più rilevante nel bilancio nel servizio idrico integrato. L entità della spesa dovrebbe stimolare iniziative volte a perseguire una riduzione dei costi agendo sia sulla riduzione dei volumi movimentati, ovvero riducendo le perdite nelle reti acquedottistiche, sia aumentando l efficienza delle apparecchiature elettro-meccaniche e dei processi in generale. La riduzione del consumo energetico di un sistema presuppone la conoscenza dell impianto e, quindi il conseguimento del corretto funzionamento. L analisi dei consumi energetici, proprio per il carattere spesso sintomatico assunto da un valore eccessivo, può svolgere un ruolo sinergico e propedeutico alla ricalibratura e messa in regola dell impianto stesso. Una volta compresa l origine delle anomalie funzionali del processo, e individuate le soluzioni più idonee, potrà quindi essere sviluppata anche una proposta progettuale di upgrading strutturale, tecnologico e gestionale, che può anche essere sostenuto da una strategia di sostituzione delle apparecchiature elettromeccaniche con modelli a maggiore efficienza. Bibliografia [1] Autorità per l Energia Elettrica ed il Gas (2012) Relazione Annuale sullo Stato dei Servizi e dell attività svolta. [2] Autorità per l Energia Elettrica ed il Gas (2013) Relazione Annuale sullo Stato dei Servizi e dell attività svolta. [3] Campanelli M. (2011) Analisi del consumo e del costo energetico nel servizio idrico integrato. Atti della 45 a giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale, Fiera Ecomondo, Rimini 11 novembre [4] ISTAT Spese dell economia italiana per la gestione dei rifiuti, delle acque reflue e delle risorse idriche. Anni Statistiche in breve, 23 febbraio 2011, [5] ISTAT Censimento delle risorse idriche ad uso civile. Anno 2008, Statistiche in breve. Relazione e Tabelle allegate. [6] ISTAT SIA Sistema Indagini Acque 1999, sito ISTAT [7] EPRI Electric Power Research Institute "Water & Sustainability (Volume 4): U.S. Electricity Consumption for Water Supply & Treatment - The NeXT Half Century. Tecnical Report Sito EPRI. [8] Sustainability ISSN "Energy recovery from wastewater treatment plants in the United States: a case study of the energy-water nexus." Stilwell et al.,

21 Quadro legislativo e normativa volontaria sul risparmio energetico negli impianti del servizio idrico integrato Vincenzo Riganti, Eros Tassi Dipartimento di Chimica, Università degli Studi di Pavia, via Taramelli Pavia. riganti@unipv.it Eros Tassi, The IT Group Italia S.r.l, Largo Volontari del Sangue 10, San Donato Milanese (MI) etassi@theitgroup.it 1 Introduzione Nell'ambito dei Paesi Membri della Comunità Europea, le attività del servizio idrico integrato non sono direttamente tenute al risparmio energetico da provvedimenti legislativi stringenti; volendo introdurre una schematizzazione utile ad inquadrare il tema, si potrebbe dire che la Comunità Europea stabilisce alcuni obiettivi e definisce un insieme di strumenti e misure raccomandati allo scopo; ciascuno Stato membro provvede poi, attraverso la taratura di un sistema di incentivi, a favorire la penetrazione di pratiche e tecnologie che vadano nella direzione raccomandata. In un contesto di risorse limitate, è evidente che sugli incentivi dovranno farsi delle scelte, a loro volta facenti riferimento a criteri di efficienza dei risultati promossi. Oltre agli incentivi, un'altra leva che può spingere un soggetto ad adottare spontaneamente soluzioni virtuose in termini di risparmio energetico, è quella di rispondere ad un gruppo di requisiti previsti da una certa norma: tra i moventi vi può essere il bisogno di rispondere a determinate specifiche, al presente o in previsione, la consapevolezza di innescare processi ciclici virtuosi che innescheranno risultati positivi dall'efficienza progressivamente crescente, o a volte semplicemente un motivo di immagine o rispondenza a "decaloghi" comportamentali previsti dall'organizzazione. Non è poi infrequente che provvedimenti legislativi facciano riferimento a norme già definitive, nate originariamente per dare un riferimento ad iniziative di carattere volontario. L'articolo traccia una panoramica di entrambi i contesti: per il quadro legislativo si ripercorreranno i principali dispositivi comunitari e nazionali, riguardo a fonti rinnovabili, elettriche e termiche, ed efficienza energetica; per le norme volontarie si esporranno due esempi importanti: uno relativo ai sistemi di gestione dell'energia e alla norma ISO UNI EN 50001, che ne raccomanda i requisiti; l'altro tecnologico, relativo alle definizioni di classi di efficienza energetica per i motori elettrici. 2 La normativa comunitaria 2.1 La direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell uso dell energia da fonti rinnovabili A livello comunitario, si possono prendere le mosse dalla direttiva 2009/28/CE6. La Direttiva considera che il controllo del consumo di energia europeo e il maggiore ricorso all energia da fonti rinnovabili, congiuntamente ai risparmi energetici e ad un aumento dell efficienza energetica, costituiscono parti importanti del pacchetto di misure necessarie per ridurre le emissioni di gas a effetto serra e per rispettare il 9

22 protocollo di Kyoto della convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici e gli ulteriori impegni assunti a livello comunitario e internazionale per la riduzione delle emissioni di gas a effetto serra oltre il La Direttiva, riprendendo le definizioni della precedente direttiva 2003/30/CE, così definisce l energia da fonti rinnovabili : energia proveniente da fonti rinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica, solare, aero termica, geotermica, idrotermica e oceanica, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas. La direttiva punta sul decentramento della produzione energetica, che offrirebbe molti vantaggi, fra i quali l utilizzo delle fonti di energia locali, la maggiore sicurezza locale degli approvvigionamenti energetici, le minori distanze di trasporto, la ridotta dispersione energetica, lo sviluppo e la coesione delle comunità grazie alla disponibilità di fonti di reddito e alla creazione di posti di lavoro a livello locale. Il finanziamento europeo per le energie rinnovabili ha una dotazione finanziaria di 2.3 miliardi di Euro per il periodo e ad esso si accede presentando una richiesta di finanziamento a seguito della pubblicazione di appositi bandi sulla Gazzetta Ufficiale dell Unione Europea (GU) serie C. Possono essere finanziate, tra le altre, attività di ricerca, sviluppo e dimostrazione di tecnologie di conversione perfezionate per la produzione sostenibile e le catene di approvvigionamento di combustibili solidi, liquidi e gassosi da biomassa, con particolare attenzione ai biocarburanti. I progetti devono essere realizzati da consorzi composti in genere da almeno 3 partecipanti provenienti da diversi Paesi. 2.2 La Direttiva 2012/27/UE sull efficienza energetica Sull efficienza energetica, l UE ha emanato la Direttiva 2012/27/UE[2.] del 25 ottobre 2012; alla stessa seguiranno le varie implementazioni a livello nazionale, dalle quali si potrà valutare l impatto della Direttiva 2012/27/UE, che abroga le Direttive 2004/8/CE[13.] e 2006/32/CE e modifica le Direttive 2009/125/CE[13.] e 2010/30/CE[14.]. La 2012/27/CE è fondamentale in termini di strategia energetica: laddove la 2006/32/CE stabiliva il 9% di riduzione dei consumi di energia primaria 1 rispetto alle proiezioni del 2016, già l anno dopo il Consiglio riconosceva la necessità di una riduzione 20% al 2020, obiettivo ben più ambizioso. Oggi si riconosce che l UE sta riuscendo a cogliere il primo obiettivo del 9% al 2016, mentre per soddisfare la riduzione dei consumi primari del 20% al 2020 si è decisamente in ritardo. Quindi, fermi restando gli strumenti già disposti a livello nazionale per cogliere il primo obiettivo, riconosciuti adeguati, bisogna aggiungere altri apporti. La 2012/27/CE nasce allo scopo, e prevede anche un maggiore intervento dell EU, nel rispetto dei principi di sussidiarietà e di proporzionalità 2. Sono abrogate e 2006/32/CE e la 2004/8/CE, pur invitando gli stati a non cambiare i dispositivi legislativi informati da queste ultime, a meno che questo non espressamente in contrasto con la 27/2012/CE. La 2012/27/CE è una Direttiva ad ampio spettro, occupandosi di tutti i settori energivori, prendendo in considerazione tutta la filiera dell energia e coinvolgendo non solo gli aspetti tecnologici, ma anche quelli della gestione, del mercato dei servizi 1 Valore globale per l intera Unione Europea. 2 Principi che, assieme al principio di attribuzione, regolano i limiti di intervento centralizzato della Comunità Europea sulle policies nazionali. 10

23 energetici, della formazione di una classe professionale di esperti in tematiche energetiche. Interviene anche nell allineare alle nuove esigenze due Direttive che stabiliscono dei fondamenti rispettivamente: - nella progettazione ecocompatibile dei prodotti connessi all energia (Direttiva CE/2009/125[13.], evoluzione della precedente CE/2005/32). - nei metodi di indicazione del consumo di energia e di altre risorse dei prodotti connessi all energia (Direttiva CE/2010/30[14.]) La CE/2012/27 invoca anche una possibile modifica di entrambe, nel senso di un coordinamento tra le due Direttive, affinché il piano di lavoro che discende dalla CE/2009/15 faccia riferimento più esplicito alle tematiche della CE/2010/30. La CE/2010/30, che si occupa dell indicazione del consumo di energia mediante l etichettatura ed informazioni uniformi relative ai prodotti, dovrà essere più esplicitamente rivolta anche ai prodotti di utilizzo non domestico. Dispone inoltre (art.24, comma 2) che ogni Paese Membro invii un suo piano d azione nazionale per l efficienza energetica, entro il 30 aprile 2014 e successivamente ogni 3 anni, secondo un modello presentato nell allegato XIV. 3 L implementazione italiana 3.1 Il contenimento dei consumi nelle PA Sulla Gazzetta Ufficiale n. 156 del è stata pubblicata la Legge 6 luglio 2012, n. 94 di conversione del decreto-legge 7 maggio 2012, n. 52, recante disposizioni urgenti per la razionalizzazione della spesa pubblica[3.]. La legge conferma quanto previsto dal decreto legge in materia di efficienza energetica della Pubblica Amministrazione. Le strutture della PA entro il 9 maggio 2014 dovranno adottare misure per contenere i loro consumi di energia e rendere più efficienti gli usi finali della stessa; i risultati potranno essere raggiunti anche attraverso il ricorso ai contratti di servizio energia. Ricordiamo anche la riforma della tariffa del servizio idrico integrato, operata dall AEEG, alla quale sono state trasferite le competenze di regolazione del settore. Il metodo tariffario transitorio (relativo agli esercizi 2012 e 2013) recentemente predisposto introduce alcuni meccanismi di confronto del prezzo dell energia elettrica sostenuto dai gestori che potrebbero avviare un processo di miglioramento del sistema. 3.2 Le fonti rinnovabili La direttiva 2009/28/CE è stata implementata in Italia con il decreto legislativo 3 marzo 2011, n. 28[4.] Il provvedimento dispone una riorganizzazione del sistema di incentivi riferiti a questo settore, definendo strumenti e meccanismi volti al raggiungimento degli obiettivi fissati al 2020, compreso il traguardo del 17% di energia prodotta da fonti rinnovabili. In particolare il testo del decreto propone un riordino dei vigenti sistemi di sostegno per gli impianti che entrano in esercizio dal 1 gennaio 2013, prevedendo, per la produzione di energia termica ed elettrica da fonti rinnovabili, successivi decreti interministeriali che nel rispetto delle condizioni stabilite dal testo vadano a definire le modalità per l attuazione delle misure di incentivazione. Soltanto in alcuni casi quindi le disposizioni del decreto legislativo risultano immediatamente applicabili; la maggior parte, invece, necessita di specifici provvedimenti attuativi, quali decreti ministeriali e delibere dell AEEG. 11

24 In GUCE n. 143, S.O. n. 159 del 10 luglio 2012 sono stati pubblicati due decreti attuativi: - il D.M. 5 luglio 2012 (c.d. Quinto Conto Energia0), che riguarda sostanzialmente il fotovoltaico 3 - il D.M. 6 luglio 2012[7.], rivolto alle altre rinnovabili elettriche. Il biogas. La normativa guarda con particolare favore al biogas derivante da attività agricole. Difatti l art. 24 del decreto legislativo n. 28 del 2011 afferma che l incentivo è finalizzato a promuovere: - l uso efficiente di rifiuti e sottoprodotti, di biogas da reflui zootecnici o da sottoprodotti delle attività agricole, agro-alimentari, agroindustriali, di allevamento e forestali, di prodotti ottenuti da coltivazioni dedicate non alimentari, nonché di biomasse e bioliquidi sostenibili e biogas da filiere corte, contratti quadri e da intese di filiera; - la realizzazione di impianti operanti in cogenerazione; - la realizzazione e l esercizio, da parte di imprenditori agricoli, di impianti alimentati da biomasse e biogas asserviti alle attività agricole, in particolare di micro e minicogenerazione, nel rispetto della disciplina comunitaria in materia di aiuti di Stato. Questo è coerente con la considerazione della direttiva UE, che, come si è visto, punta sul decentramento della produzione energetica. I Certificati Verdi E appena il caso di ricordare che attualmente il meccanismo di incentivazione della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili è costituito dai certificati verdi, titoli emessi dal Gestore dei servizi energetici (GSE) attestanti la produzione di energia da fonti rinnovabili e introdotti nell ordinamento nazionale dall articolo 11 del decreto legislativo 79/1999. Tale decreto, al fine di incentivare l uso delle energie rinnovabili, il risparmio energetico, la riduzione delle emissioni di anidride carbonica e l utilizzo delle risorse energetiche nazionali, ha stabilito che, a decorrere dall anno 2001, gli importatori e i soggetti responsabili degli impianti che, in ciascun anno, importano o producono energia elettrica da fonti non rinnovabili hanno l obbligo di immettere nel sistema elettrico nazionale, nell anno successivo, una quota prodotta da impianti da fonti rinnovabili. I soggetti obbligati possono adempiere al suddetto obbligo anche acquistando, in tutto o in parte, l equivalente quota o i relativi diritti appunto, i certificati verdi da altri produttori, purché immettano l energia da fonti rinnovabili nel sistema elettrico nazionale, o dal gestore della rete di trasmissione nazionale. I certificati verdi sono quindi uno strumento con il quale i soggetti obbligati dimostrano di avere adempiuto al proprio obbligo e quindi costituiscono l incentivo alla produzione da fonte rinnovabile. Si crea infatti un mercato, in cui la domanda è data dai soggetti sottoposti all obbligo e l offerta è costituita dai produttori di energia elettrica con impianti aventi diritto ai certificati verdi. 3 In provincia di Trento, l impianto di depurazione di Folgaria è stato dotato di un impianto fotovoltaico realizzato sulla copertura dell edificio, con potenza nominale di circa 66 kw, che ha permesso una riduzione delle emissioni pari a 21,15 TEP (Tonnellate equivalenti di petrolio). L impianto è costituito da 288 moduli, di 1,6 m2 ciascuno, in silicio mono/policristallino. Sono in grado di resistere al carico da neve e l inclinazione scelta di 41 rispetto al piano orizzontale favorisce il suo scivolamento. Sono inoltre resistenti all azione dell ammoniaca. I moduli sono montati su supporti in alluminio e la superficie complessiva è pari a 460,8 m². La produzione annua è stimata in circa kwh/anno. 12

25 3.3 I certificati bianchi e l efficienza energetica Il sistema di incentivazione dei Titoli di Efficienza Energetica (TEE), detti anche Certificati Bianchi, opera dal 2005 ed è un meccanismo che prevede che ai soggetti che realizzano interventi di efficienza energetica venga rilasciato un ammontare di Certificati Bianchi pari al risparmio di energia realizzato 4. I certificati bianchi sono titoli economico-finanziari emessi dall Autorità per l Energia Elettrica e il Gas che possono essere ottenuti installando specifiche tecnologie dettate dalla normativa o effettuando degli interventi che permettano di incrementare l efficienza energetica. Più di una azienda multiservizio che opera nel campo della depurazione ha rivolto attenzione ai certificati bianchi, che hanno lo scopo prevalente di incentivare il risparmio energetico nell uso finale dell energia. Oltre ai distributori di gas ed energia elettrica, anche le società di servizi energetici accreditate all AEGG possono realizzare interventi che generano certificati bianchi, ma su base volontaria e non obbligatoria. La logica fondante dell affidamento di questa facoltà alle ESCo (Energy Service Company) 5 è che questi soggetti abbiano, rispetto ai distributori, un minore costo marginale di realizzazione degli interventi corrispondenti ai certificati bianchi, che poi saranno rivenduti ai distributori stessi. Inoltre possono eseguire progetti che generano certificati bianchi anche 6 : - i soggetti con obbligo di nomina dell energy manager: soggetti di cui all articolo 19, comma 1, della legge n. 10/91, che hanno effettivamente provveduto alla nomina del responsabile per la conservazione e l uso razionale dell energia; - le imprese operanti nei settori industriale, civile, terziario, agricolo, trasporti e servizi pubblici, ivi compresi gli enti pubblici purché provvedano alla nomina dell energy manager, ovvero si dotino di un sistema di gestione dell energia certificato in conformità alla norma ISO e mantengano in essere tali condizioni per tutta la durata dell intervento. Tipici interventi frequentemente raccomandabili negli impianti di depurazione possono essere: - la regolazione in frequenza dei motori elettrici, - l ottimizzazione dell impianto e gestione dei sistemi di pompaggio azionati da motori elettrici, 4 Ciò avviene sulla base dei citati decreti del 20 luglio 2004 emanati dal Ministro per le attività produttive di concerto con il Ministro dell'ambiente e della tutela del territorio, che riformano profondamente la politica di promozione del risparmio energetico negli usi finali, introducendo un sistema molto innovativo anche nel panorama internazionale. Essi sono Nuova individuazione degli obiettivi quantitativi nazionali di risparmio energetico e sviluppo delle fonti rinnovabili, di cui all'art. 16, comma 4, del decreto legislativo 23 maggio 2000, n. 164 e Nuova individuazione degli obiettivi quantitativi per l'incremento dell'efficienza energetica negli usi finali di energia, ai sensi dell'art. 9, comma 1, del decreto legislativo 16 marzo 1999, n. 79. L Autorità per l Energia Elettrica e il Gas fa notare che la possibilità di scambiare titoli di efficienza energetica consente ai distributori che incorrerebbero in costi marginali relativamente elevati per il risparmio di energia attraverso la realizzazione diretta di progetti, di acquistare titoli di efficienza energetica da quei soggetti che invece presentano costi marginali di risparmio energetico relativamente inferiori e che pertanto hanno convenienza a vendere i propri titoli sul mercato. Il meccanismo garantisce che il costo complessivo di raggiungimento degli obiettivi fissati risulti più contenuto rispetto ad uno scenario alternativo in cui ciascuno dei distributori fosse obbligato a soddisfare gli obblighi di risparmio energetico sviluppando in proprio progetti per l'uso razionale dell'energia. 5 Le Energy Service Company (anche dette ESCO) sono società che effettuano interventi finalizzati a migliorare l'efficienza energetica, assumendo su di sé il rischio dell'iniziativa e liberando il cliente finale da ogni onere organizzativo e di investimento. I risparmi economici ottenuti vengono condivisi fra la ESCO ed il Cliente finale con diverse tipologie di accordo commerciale. 6 (comma 1 lettere d) ed e) dell art.7 del decreto 28 dicembre 2012[10.]) 13

26 - l utilizzo di motori e di impianti di trasmissione della forza motrice a più alta efficienza. Nel settore acquedottistico è tipico riscontrare opportunità per interventi quali: - modifiche impiantistiche volte all ottimizzazione nella gestione di impianti di pompaggio, in modo da minimizzarne il numero di ore di lavoro; - alimentazione di determinate zone con acqua proveniente da fonti a minor intensità energetica (rapporto tra consumo energetico e volume di acqua prodotta), ad esempio ove possibile prediligere un alimentazione a gravità piuttosto che proveniente da impianti di pompaggio; - sostituzione di pompaggi con macchine più efficienti. Possiamo citare quanto realizzato da IREN a Reggio Emilia, che nell anno 2012 ha inoltrato all AEEG un progetto riguardante i principali interventi di ottimizzazione delle centrali di pompaggio eseguiti nel biennio : la recente approvazione del progetto ha portato alla certificazione da parte di AEEG di nuovi titoli di efficienza energetica (TEE) che verranno riconosciuti ed emessi a favore di Iren per cinque anni ( ), per un totale di TEE. Peraltro, è stato giustamente osservato che il sistema è caratterizzato da non indifferenti incombenze burocratiche che coinvolgono molti soggetti, e che rendono non facile né immediato l ottenimento delle agevolazioni. 3.4 Valorizzazione dei fanghi di biodepurazione per via termica Benché la produzione di biogas sia la tecnica più frequente per la valorizzazione energetica dei fanghi di biodepurazione, dobbiamo ricordare che tale valorizzazione può essere conseguita anche attraverso processi termici: combustione, gassificazione, pirolisi, ecc. Per quanto riguarda i processi termici atti alla generazione di energia elettrica o alla cogenerazione va ricordato che il decreto legislativo 28/2011 prevede che per gli impianti di incenerimento e coincenerimento dei rifiuti, è fatto salvo quanto disposto dall articolo 182, comma 4, del decreto legislativo 3 aprile 2006, n. 152 e successive modificazioni. Le attività di incenerimento e coincenerimento dei rifiuti (e i fanghi di depurazione rientrano nella categoria dei rifiuti) possono quindi avvenire in impianti disciplinati dal decreto legislativo 11 maggio 2005, n. 133 recante attuazione della direttiva 2000/76/CE in materia di incenerimento dei rifiuti. Il decreto si applica agli impianti di incenerimento e di coincenerimento dei rifiuti e stabilisce le misure e le procedure finalizzate a prevenire e ridurre per quanto possibile gli effetti negativi dell incenerimento e del coincenerimento dei rifiuti sull ambiente, in particolare l inquinamento atmosferico, del suolo, delle acque superficiali e sotterranee, nonché i rischi per la salute umana che ne derivino. 4 La Normativa Volontaria 4.1 La certificazione del proprio sistema di gestione dell energia Obiettivi di un Sistema di Gestione dell Energia - Un organizzazione che si ponga l obiettivo del miglioramento continuo delle prestazioni energetiche dovrebbe dotarsi di un proprio sistema di gestione dell energia (SGE): dovrebbe cioè stabilire i processi ed i sistemi di cui servirsi per il perseguimento di questo obiettivo. La codifica di un proprio SGE racchiude un potenziale economico notevole. Se le opportunità messe a disposizione dalla tecnologia per conseguire risparmi energetici sono numerose, sfruttarne il potenziale richiede programmi di gestione, il cui ruolo è 14

27 altrettanto importante della disponibilità di soluzioni tecniche innovative. Fanno parte della gestione: - organizzazione delle attività; - monitoraggio e registrazione continua dei risultati; - motivazione a tutti i livelli del personale. Requisiti di un SGE- Ai fini del miglioramento continuo delle prestazioni energetiche di un organizzazione, intese sia in termini di efficienza energetica che di uso e consumo dell energia, deve esserne reso possibile il perseguimento in maniera sistematica. La norma UNI CEI EN ISO 50001[18.], riguarda espressamente i requisiti di un SGE, e contiene i requisiti per creare, avviare, mantenere e migliorare un sistema di gestione dell energia. L obiettivo di tale sistema è di consentire che un organizzazione persegua, con un approccio sistematico, il miglioramento continuo della propria prestazione energetica comprendendo in questa l efficienza energetica nonché il consumo e l uso dell energia. Dalla stessa premessa deriva che la norma definisce i requisiti applicabili all uso e consumo dell energia, includendo l attività di misurazione, di documentazione e di reportistica, di progettazione e di acquisto per le attrezzature, i processi e il personale che contribuiscono alla definizione della prestazione energetica. Si mette in luce anche che, oltre ad applicarsi a tutti i fattori che concorrono a determinare la prestazione energetica e che possono essere controllati ed influenzati dall organizzazione, la norma non definisce specifici criteri di prestazione energetica, lasciando dunque ad ogni organizzazione di definire il proprio sistema ed i propri obiettivi, in base alle proprie caratteristiche: la norma è applicabile ad ogni organizzazione che desideri assicurarsi di essere conforme alla propria politica energetica [...]. Attuazione e funzionamento di un SGE-L approccio di Fig.1 coglie un attenzione episodica alla riduzione dei consumi: esaurita la spinta iniziale e ottenuta qualche soddisfazione in termini di riduzione dei consumi, l accento torna sul proprio core business, ritenuto più attinente alla propria occupazione elettiva. Nel giro di qualche tempo è probabile un nuovo peggioramento, e conseguente ripartenza del processo sulla base della stessa modalità una tantum. La Fig. 2 mostra un atteggiamento più efficace: dopo i primi risultati, che sgrossano le inefficienze più evidenti, si prosegue ad evidenziare continuamente progetti di miglioramento, si resta aggiornati sulle possibilità offerte da mercato e quadri incentivanti eventuali; ogni tanto qualche idea imprevista consente scalini di miglioramento. Si cerca di misurare e confrontare, nonché di migliorare la propria capacità di analisi. Si comunica, e l attuazione delle idee che hanno avuto successo in un caso pilota viene propagata. Si è anche disposti a fare prove con piccoli errori, compresi e sostenuti come passi avanti per organizzare prove successive. In fin dei conti, questi esempi possono essere numerosi; organizzarne l implementazione vuole dire fondare un proprio sistema di gestione dell energia. Un motto inerente potrebbe essere: l efficienza energetica è un viaggio, non una destinazione ; tale viaggio dovrebbe condursi con una strategia di gestione dell energia, per la quale il primo punto è quello di avere programmi, processi e un sistema, di gestione dell energia. 15

28 Fig.1: approccio tradizionale all ottimizzazione energetica. In ordinata la riduzione dei costi energetici, in ascissa i tempi (anni). Fig. 2: l approccio strategico all efficienza energetica La norma UNI CEI EN ISO 50001: situazione e sviluppi futuri- Ad ottobre 2012, il numero di certificazioni ISO rilasciate in Italia era all incirca 30, mentre a luglio 2013 tale numero è salito a 101: è presumibile che ci si trovi all ingresso della fase di accelerazione nella diffusione di tale certificazione. 16

29 Al momento, la tipologia dei soggetti che hanno ottenuto una certificazione ISO50001 è molto dispersa: solo pochi settori sono rappresentati da più di 5 soggetti 7 ; seguono 4 PA e 4 certificazioni conseguite nel settore auto; la restante metà delle certificazioni conseguite si distribuisce su quasi altrettante tipologie di attività. I conseguimenti nel settore Gestione Acque sono due; questo lascia spazio ad alcune considerazioni di opportunità: - La norma dà agio ad ogni organizzazione di dotarsi di un SGE adeguato alle sue caratteristiche: un azienda dedicata al servizio idrico integrato può per esempio dotarsi di un SGE che tenga conto delle sue peculiarità, per impianti, estensione, tipologie di servizi inclusi nel suo mandato e prospettive di sviluppo. - Il conseguimento tempestivo di una certificazione ISO è ancora un elemento di forte distinzione; d altra parte, quando la stessa passerà ad essere un elemento generalmente richiesto, essere in anticipo costituirà un notevole vantaggio. - Per chi ha già ottenuto altre certificazioni sui sistemi di gestione, è plausibilmente più facile il cammino per il conseguimento di quest ultima, in fin dei conti ancora imperniata sullo stesso ciclo Plan-Do-Check-Act 8 e, tra l altro, della quale è contemplata anche dalla norma un integrazione con gli altri sistemi di gestione. Il percorso verso la certificazione ISO tipicamente, il processo relativo al conseguimento della certificazione ISO si sviluppa attraverso le seguenti fasi principali: - progetto e redazione del sistema di gestione aziendale, contemporaneamente in accordo con le caratteristiche del soggetto ed in modo da assolvere ai requisiti della norma UNI CEI EN ISO 50001:2011; - pre-certificazione, con visite dell incaricato dell Ente di Certificazione precedenti alla certificazione: in queste occasioni emergono le eventuali non-conformità, che il soggetto farà in modo di sanare; - conseguimento della certificazione - mantenimento: per la stessa natura di strumento per il miglioramento continuo della ISO 50001, il Gestore dovrà nominare un Garante Aziendale per l energia, responsabile del mantenimento della idoneità accertata. Le agevolazioni nel conseguimento di certificati bianchi - Gli interventi di efficienza energetica, qualora rispettino alcune modalità, sono idonei a maturare titoli di efficienza energetica (TEE), o certificati bianchi, la cui valutazione è in proporzione al risparmio annuo conseguito, calcolato secondo alcune procedure che possono rientrare nella tipologia standard, analitica o a consuntivo. In linea di massima, gli obiettivi quantitativi di conseguimento dei risparmi qualificabili nel meccanismo dei TEE sono stabiliti. L onere del loro conseguimento è in carico ad alcuni soggetti obbligati; ma gli interventi corrispondenti sono in ogni caso eseguiti presso utenti finali. Data questa combinazione, che a volte rende marginalmente non conveniente muoversi al soggetto obbligato, nel meccanismo si è inserito come terzo soggetto la ESCo, (Energy Service Company): si tratta di una Società qualificata ad eseguire gli interventi presso gli utenti finali, maturando così i titoli di efficienza energetica che, immessi su un opportuna piattaforma di mercato o a seguito di trattative bilaterali, permettono al soggetto obbligato di far fronte ai suoi oneri mediante acquisto anziché interesse diretto 7 12 appartenenti al settore energia, 8 qualificati come ESCo, 9 aziende del settore meccanico, 6 alimentari e 6 impiantistica 8 ciclo PDCA o di Deming 17

30 nell intervento. Con questo meccanismo, il gestore di impianto che attua interventi idonei, può negoziare benefici con la ESCo che li realizza, ma non ottenere direttamente certificati bianchi. Ad oggi, grazie agli aggiornamenti introdotti da [8.] e [10.], il vincolo di passaggio attraverso alle ESCo non è più necessario: l art.7, comma 1, lettera e), stabilisce che le aziende che hanno adottato un sistema di gestione dell energia conforme alla norma ISO possano conseguire direttamente i TEE. La stessa facoltà è data alle aziende che si sono dotate di energy manager, anche se questo dovrà entro due anni dall emanazione del decreto in questione, essere qualificato come Esperto in Gestione dell Energia secondo norma UNI [19.] 4.2 L efficienza dei motori elettrici nel servizio idrico Evoluzione delle normative di riferimento - Nel ciclo di vita di un motore elettrico, la parte preponderante dei costi è associata ai suoi consumi elettrici (Fig. 2). Questo concetto è tanto più valido quanto più il componente opera per un elevato numero di ore annue: ciò si applica in particolare ai processi del servizio idrico integrato, la cui esecuzione sia affidata a motori elettrici in servizio continuo o comunque ad elevato fattore di utilizzo. consumi elettrici O&M investimento Fig. 3: costi associati alla vita operativa di un motore elettrico: rappresentazione indicativa delle incidenze relative. In precedenza, si sono diffusi diversi sistemi di classificazione delle efficienze dei motori, con differenze in termini di scopo, terminologia e valori; nell Unione Europea, una prima classificazione dei motori trifase in bassa tensione, faceva riferimento alle classi di efficienza EFF3, EFF2 and EFF1 (l ultima la più pregiata). Più recentemente, la IEC 9 ha sviluppato gli standard di efficienza energetica che armonizzano le norme precedentemente in vigore: lo standard IEC individua a 9 International Electrotechnical Commission 18

31 livello mondiale le classi di efficienza IE1, IE2 and IE3 10 per i motori elettrici trifase in bassa tensione (la IE3 è la classe più elevata), da 0.75 fino a 375 kw: - IE1 = Standard Efficiency (comparabile alla precedente EFF2) - IE2 = High Efficiency (comparabile alla precedente EFF1) - IE3 = Premium Efficiency La norma IEC stabilisce anche le nuove condizioni e procedure che i test di rilevazione delle efficienze devono rispettare 11. Le norme funzionano come raccomandazioni che possono essere osservate su base volontaria da parte di chiunque; non sono giuridicamente vincolanti, ma possono diventarlo in seguito a norme di legge imposte dal legislatore o attraverso contratti in cui l osservanza è obbligatoria. La norma IEC viene presa ampiamente a riferimento dal quadro legislativo: - la Direttiva (2009/125/CE) riguarda l istituzione di un quadro per l elaborazione di specifiche per la progettazione ecocompatibile dei prodotti connessi all energia (ERP Energy Related Products), vi fa riferimento; - il D. Lgs. n.15/2011, in vigore dal 23 marzo 2011, recepisce la Direttiva 2009/125/CE; - il Regolamento CE n. 640/2009, che riguarda le specifiche per la modalità ecocompatibile dei motori elettrici 12, nell allegato I fissa le specifiche per l efficienza energetica nominale minima dei motori, facendo riferimento alle classi IE2 e IE3. Il regolamento CE 640/2009 stabilisce il seguente cronoprogramma per il rispetto sul mercato 13 dei requisiti di rendimento: - dal 16 giugno 2011 i motori immessi sul mercato per la prima volta devono essere di una classe di rendimento minima IE2; - dal 1 gennaio 2015 i motori con una potenza nominale tra 7,5-375 kw devono essere di una classe di rendimento minima IE3, o minima IE2 se dotati di azionamento con controllo elettronico della velocità; - dal 1 gennaio 2017 i motori con una potenza nominale tra 0, kw devono essere di una classe di rendimento minima IE3, o minima IE2 se equipaggiati da azionamento con controllo elettronico della velocità; Alcune considerazioni aggiuntive: - un motore di efficienza più elevata richiede maggiore complessità nella produzione e un maggior apporto di materiali (es. rame), con prezzi conseguentemente più elevati; - dei progressi nell efficienza dei motori, hanno negli ultimi anni beneficiato soprattutto le taglie più piccole, per le quali è intrinsecamente più difficile ottenere efficienze elevate. Anche la differenza di prezzo tra un motore efficiente ed uno in classe scadente è sensibilmente maggiore per piccole taglie, in termini relativi. 10 IE sta per International Efficiency; si noti che, per le precedenti classi EFF, l indice decresceva con le prestazioni (eff1 più efficiente di eff2), mentre per le IE la classe IE1 è la meno pregiata. Ciò permette di aggiungere la classe IE4, super premium, di cui si accenna più avanti e, idealmente, classe che raccolgano ulteriori progressi futuri. 11 Con risultati di fatto più severi rispetto alle precedenti secondo classi EFF. 12 Trattandosi di Regolamento e non di Direttiva, le sue disposizioni sono direttamente applicabili in tutti gli stati Membri. 13 Gli stock di motori esistenti presso i rivenditori potranno essere venduti agli utenti finali anche dopo le date che introducono limiti minimi all efficienza, poiché il divieto riguarda solo produttori ed importatori. 19

32 IE2 IE Figura 4: rendimento (%) minimo richiesto per i motori di classe IE2 ed IE3, in funzione della taglia (kw). Valori riferiti a modelli 4poli e rete di alimentazione 50Hz. Detto questo, bisognerà caso per caso valutare se il numero di ore di servizio che il motore sarà chiamato a sostenere sia tale da introdurre un risparmio nei consumi che giustifichi un investimento: in linea di massima, si può dire che nel caso di acquisto forzato del motore (impianto nuovo o motore esistente a fine vita, dove il dato da confrontare coi risparmi è l investimento differenziale rispetto al componente più scadente) la maggiore efficienza in genere è raccomandabile, salvo casi particolari 14 ; la sostituzione facoltativa di un motore funzionante, dove l investimento completo è il termine di paragone con i risparmi conseguibili, potrebbe invece dare risultati meno scontati. Un altra importante osservazione parte dal fatto che, nei precedenti paragrafi, si è parlato sostanzialmente di prestazioni a carico nominale, mentre in genere una pompa ed il suo azionamento elettrico sono dimensionati con margini anche elevati, non solo rispetto al funzionamento medio stagionale, ma anche rispetto ai picchi. Questo introduce il tema della regolazione in frequenza, e di un tipico limite ancor oggi presente in molte applicazioni industriali (il settore delle acque non fa eccezione): sono ancora molto diffusi i pompaggi caratterizzati da alimentazione fissata alla frequenza di rete, con una valvola che attua una regolazione dissipativa, la cui incidenza è spesso particolarmente pesante sul totale della potenza assorbita. Questa dissipazione è tanto maggiore quanto più il sistema sia stato dimensionato con margini di sicurezza, o si trovi a fornire un servizio ridotto rispetto a necessità passate, o ancora lavori con forti variazioni di carico (quotidiano, settimanale, stagionale): l inserimento del convertitore di frequenza e conseguente regolazione a frequenza variabile è in questi casi un intervento con prestazioni economiche particolarmente elevate, anche se il retrofitting in un impianto esistente potrebbe richiedere alcune modifiche aggiuntive Ad esempio un azionamento per emergenza o stand by potrebbe essere valutato diversamente. 15 Vale la pena di osservare che in questi casi, un secondo effetto spesso da aggiungere alle dissipazioni a cavallo della valvola è quello di far funzionare la pompa lontana dal suo punto di massima efficienza (BEP), con deterioramento anche del rendimento idraulico di pompaggio. Il Regolamento CE n.547/2012, promulgato in 20

33 Tra queste, ad esempio potrebbero incontrarsi motori non particolarmente idonei ad essere eserciti a velocità di rotazione troppo basse, per problemi di surriscaldamento o anche solo di forte perdita di efficienza: questo suggerisce come, a valle del lavoro di regolamentazione fatto finora, il prossimo aspetto da sviluppare riguardi la valutazione delle prestazioni agli effettivi carichi di esercizio. A questo proposito va citata la classe super premium IE4, che la norma IEC già descrive[16.], e che l Allegato A della guida applicativa alla IEC [17.] riporta. La classe IE4 fa riferimento ad una nuova tecnologia, basata sulla riluttanza magnetica variabile, particolarmente premiante nei casi in cui le prestazioni elevate siano richieste non solo a carichi nominali, ma in un ampio range di funzionamento. Ovviamente uno standard di classificazione dell efficienza dovrà fare riferimento all intero range, e dovrà includere anche la dissipazione al convertitore di frequenza, essendo un confronto bruto con l efficienza nominale dei motori attualmente classificati quantomeno riduttiva rispetto ai nuovi vantaggi conseguibili. 5 Conclusioni L impianto comunitario in materia di efficienza energetica e utilizzo delle fonti rinnovabili è in continua evoluzione. Si basa innanzitutto su Direttive, il cui contenuto in termini di obiettivi, raccomandazioni e strumenti viene successivamente recepito ed attuato dai Paesi Membri, ciascuno considerando le proprie peculiarità. In questo meccanismo, pensato in termini generali per qualunque settore idealmente chiamato ad utilizzare energia per le proprie attività, anche il settore del servizio idrico integrato (SII) può inserirsi per ricavare sostegno alle proprie strategie di riduzione dei costi energetici. A fianco dei dispositivi di legge, che sostanzialmente si esprimono disponendo un sistema di incentivi per comportamenti o interventi virtuosi, assumono una forte importanza anche le iniziative di recepimento di standard, sia tecnologici che di procedure di gestione, capaci di innescare dei cicli virtuosi di miglioramento. Inoltre, è da tenere presente che gli stessi provvedimenti legislativi prendono spesso a riferimento delle norme nate come riferimenti non vincolanti. In Italia, il sistema dei Titoli di Efficienza Energetica (TEE) ha recentemente ricevuto dei potenziamenti, che ne hanno accresciuto l interesse; prevede un sostegno per numerose tipologie di intervento, molte delle quali sono tipicamente inerenti agli interventi eseguibili negli impianti del SII. Nonostante il sostegno dei TEE, va detto che alcuni tipici interventi possono, ad impianto già costruito, presentare difficoltà: dovrebbe essere fondamentale l attenzione all efficienza energetica sin dalla fase di progettazione degli impianti, anche qui per esempio traendo aiuto dal volontario conseguimento di standard elevati, la cui normativa copre un sempre maggior numero di esigenze. In fase di gestione, in ogni caso, molte restano le opportunità, anche tecnologiche, da cogliere: per farlo è fondamentale una gestione sistematica dei propri aspetti energetici, che non lasci il miglioramento ad azioni occasionali. La norma ISO UNI raccomanda i requisiti di un sistema di gestione energia (SGE). accordo alla Direttiva 2009/125/CE, ha forte importanza nel settore idrico, riguardando proprio la progettazione ecocompatibile delle pompe per acqua. 21

34 Come già detto, tra la normativa di legge e quella volontaria si stabiliscono spesso sinergie: ad esempio, un azienda certificata secondo norma ISO può conseguire i TEE senza doversi rivolgere ad un soggetto intermediario (ESCo). Nonostante questa opportunità offerta dalla certificazione del proprio SGE, al momento in Italia la diffusione delle certificazioni è ancora in una fase iniziale: dalle 30 nell autunno 2012, alle 101 dell estate 2013, solo nel corso del 2014 sarà probabilmente possibile valutare meglio il favore che questo standard sta incontrando. 6 Riferimenti [1.] DIRETTIVA 2009/28/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO del 23 aprile 2009 sulla promozione dell uso dell energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE. [2.] DIRETTIVA 2012/27/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO del 25 ottobre 2012 sull'efficienza energetica, che modifica le direttive 2009/125/CE e 2010/30/UE e abroga le direttive 2004/8/CE e 2006/32/CE [3.] TESTO AGGIORNATO DEL DECRETO-LEGGE 7 maggio 2012, n. 52: Testo del decreto-legge 7 maggio 2012, n. 52 recante: «Disposizioni urgenti per la razionalizzazione della spesa pubblica». [4.] DECRETO LEGISLATIVO 3 marzo 2011, n. 28, Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE (S.O. n. 81 alla G.U.28/3/11 n. 71 In vigore dal 29/3/11) [5.] Decreto Legislativo 30 maggio 2008, n. 115: "Attuazione della direttiva 2006/32/CE, relativa all'efficienza degli usi finali dell'energia e i servizi energetici e abrogazione della direttiva 93/76/CEE" [6.] DM 5luglio 2012, noto come Quinto Conto Energia [7.] Decreto ministeriale 6 luglio Incentivi per energia da fonti rinnovabili elettriche non fotovoltaiche [8.] Decreto ministeriale 28 dicembre 2012, (detto Conto Energia Termico) Incentivazione della produzione di energia termica da fonti rinnovabili ed interventi di efficienza energetica di piccole dimensioni [9.] Deliberazione 27 ottobre EEN 9/11 dell Autorità per l energia elettrica e il gas, dal titolo Aggiornamento, mediante sostituzione dell Allegato A alla deliberazione dell Autorità per l energia elettrica e il gas 18 settembre 2003, n. 103/03 e successive modifiche ed integrazioni, in materia di Linee guida per la preparazione, esecuzione e valutazione dei progetti di cui all'articolo 5, comma 1, dei decreti ministeriali 20 luglio 2004 e s.m.i. e per la definizione dei criteri e delle modalità per il rilascio dei titoli di efficienza energetica. [10.] Decreto del 28 dicembre 2012, Determinazione degli obiettivi quantitativi nazionali di risparmio energetico che devono essere perseguiti dalle imprese di distribuzione dell energia elettrica e il gas per gli anni dal 2013 al 2016 e per il potenziamento del meccanismo dei certificati bianchi [11.] DECRETO LEGISLATIVO 16 febbraio 2011, n. 15 Attuazione della direttiva 2009/125/CE relativa all'istituzione di un quadro per l'elaborazione di specifiche per progettazione ecocompatibile dei prodotti connessi all'energia [12.] REGOLAMENTO (CE) N. 640/2009 DELLA COMMISSIONE del 22 luglio 2009 recante modalità di applicazione della direttiva 2005/32/CE del Parlamento 22

35 europeo e del Consiglio in merito alle specifiche per la progettazione ecocompatibile dei motori elettrici [13.] DIRETTIVA 2009/125/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO del 21 ottobre 2009 relativa all istituzione di un quadro per l elaborazione di specifiche per la progettazione ecocompatibile dei prodotti connessi all energia. [14.] DIRETTIVA 2004/08/UE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO dell 11 febbraio 2004 sulla promozione della cogenerazione basata su una domanda di calore utile nel mercato interno dell energia e che modifica la Direttiva 92/42/CEE. [15.] DIRETTIVA 2010/30/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO del 19 maggio 2010, concernente l indicazione del consumo di energia e di altre risorse dei prodotti connessi all energia, mediante l etichettatura ed informazioni uniformi relative ai prodotti. [16.] REGOLAMENTO (UE) N. 547/2012 DELLA COMMISSIONE del 25 giugno 2012 recante modalità di applicazione della direttiva 2009/125/CE del Parlamento europeo e del Consiglio in merito alle specifiche per la progettazione ecocompatibile delle pompe per acqua [17.] IEC (2008): Efficiency classes of single-speed, three-phase, cageinduction motors [18.] IEC (2010): Selection of energy-efficient motors including variable speed applications - Application guide [19.] Norma UNI CEI EN ISO 50001:2011 Energy management systems Requirements with guidance for use [20.] Norma UNI CEI 11339: "Gestione dell'energia. Esperti in gestione dell' energia. Requisiti generali per la qualificazione" 23

36 Potenzialità di risparmio e recupero energetico negli impianti di depurazione Giorgio Bertanza, giorgio.bertanza@ing.unibs.it, Università degli Studi di Brescia, Brescia Riassunto L acqua di scarico presenta un contenuto energetico potenziale molto interessante (energia cinetica + energia potenziale + energia termica + energia chimica). Purtroppo, lo sfruttamento di questa energia è tecnicamente fattibile solo in parte. Ad esempio, l energia elettrica ricavabile dalla combustione del biogas prodotto in un impianto di depurazione con rimozione di nutrienti, sedimentazione primaria e digestione anaerobica dei fanghi non è sufficiente a coprire il fabbisogno per la depurazione. Tuttavia esistono oggi ampi margini di miglioramento (in ambito gestionale e impiantistico) per poter tendere ad un bilancio energetico in pareggio. Summary Energy content of wastewater (kinetic energy + potential energy + thermal energy + chemical energy) is very promising. Unfortunately, only a small fraction of this amount can be actually exploited. For instance, electric energy which can be obtained from biogas combustion in a plant equipped with nutrient removal stages, primary sedimentation and anaerobic digestion of sludge is not enough to cover the power requirements of wastewater treatment. Nevertheless, consistent improvement solutions are available nowadays, which push towards the zero energy balance. 1. Introduzione L esame del bilancio energetico complessivo di un impianto di depurazione richiede di definire il bilancio di massa (liquame in ingresso, liquame depurato in uscita, fango estratto, aria introdotta, flussi gassosi) e i contenuti energetici dei diversi stream, le trasformazioni biochimiche che si verificano nel processo, gli input di energia dall esterno (es. per la fornitura dell aria) ecc. Una valutazione dettagliata è, come si può immaginare, piuttosto complessa. In questa breve memoria si cercherà di fornire alcuni spunti basati su detti bilanci di energia per comprendere il potenziale di recupero e di risparmio energetico in un impianto, citando anche alcuni fra i sistemi/interventi ad oggi già disponibili o in fase di studio. In ogni caso, non va dimenticato che scopo primario di un depuratore è quello di depurare l acqua per preservare la qualità del corpo idrico ricettore. Per esigenze di sintesi, gli argomenti verranno solamente accennati, con l intento non certo di fornire una panoramica esaustiva, bensì di dare, attraverso la breve presentazione di alcuni dati ed esempi, spunti di riflessione per ulteriori indispensabili approfondimenti. 2. Contenuto energetico potenziale delle acque di scarico L acqua di scarico ha un contenuto energetico potenziale che può essere distinto in quattro contributi: 24

37 1. energia cinetica: l energia cinetica dell acqua è in realtà di modesta entità, valutabile in circa 0,2 kwh/ae/a con una velocità di qualche m/s; interventi volti a un eventuale recupero sono quindi di scarso interesse pratico; 2. energia potenziale: dipende ovviamente dalla morfologia del territorio, essendo, a meno delle perdite di carico, pari a m g h. Ad esempio, in funzione della dotazione idrica, con una disponibilità di 50 m di salto l energia potenziale risulta pari a 5-7 kwh/ae/a; 3. energia termica: le acque di scarico sono calde per il contributo delle acque grigie. Considerando un volume, per queste ultime, di 40 L/AE/d, se si potesse recuperare il calore direttamente alla fonte determinandone un abbassamento di temperatura di 30 C, si potrebbero ricavare circa 500 kwh/ae/a; questo valore è molto elevato, se paragonato con i precedenti, ed è comunque di molto inferiore all energia che viene consumata durante l uso dell acqua da parte dell utenza (circa 950 kwh/ae/a); 4. Energia chimica: la presenza nelle acque di scarico di contaminanti organici rappresenta, dal punto di vista energetico, una risorsa. Con una produzione procapite di COD di 110 g/ae/d, il contenuto energetico corrispondente risulta di 145 kwh/ae/a. Questo dato sembrerebbe molto interessante: se confrontato con l energia che viene spesa per la depurazione (20-40 kwh/ae/a, o 0,40 0,70 kwh/m 3, a seconda del tipo di impianto e della dimensione [1], [2], [3], [4]). Naturalmente le stime di cui sopra si riferiscono solo al contenuto di energia, ma nulla dicono circa le possibilità concrete di estrarre questa energia dall acqua. Vale la pena osservare però che, delle due forme principali, energia termica ed energia chimica, la prima potrebbe essere sfruttata al meglio installando scambiatori di calore direttamente presso le utenze, prima cioè che il calore venga dissipato durante il trasporto e prima che la temperatura si abbassi per effetto della miscelazione con le acque nere. Viceversa, l energia chimica viene praticamente trasportata lungo la rete fognaria, praticamente senza perdite. 3. Quantità di energia effettivamente recuperabili Per quanto riguarda l energia potenziale, la sua recuperabilità dipende, come detto, dall orografia del territorio. L energia termica, difficilmente recuperabile alla fonte, per oggettive difficoltà pratiche, può essere recuperata al depuratore con l uso di pompe di calore. Alcune esperienze rilevanti (es. [5]) hanno mostrato la fattibilità di questo approccio, essendo il rapporto energia recuperata/energia elettrica spesa superiore a 3 (soglia che determina la convenienza del processo). L energia chimica può essere in parte recuperata, ricavandola dal fango, essenzialmente per due vie: producendo biogas e, da questo, energia elettrica e calore, oppure usando i fanghi come combustibile in impianti di termovalorizzazione. Seguendo la prima strada (decisamente più comune, in Italia), si può calcolare che un impianto con rimozione dei nutrienti, sedimentazione primaria e digestione anaerobica dei fanghi, se il biogas viene utilizzato per alimentare motori a combustione interna, si può produrre energia elettrica per circa l 8% rispetto all energia chimica del liquame grezzo, il che, ovviamente, non è un risultato particolarmente entusiasmante: l energia elettrica prodotta non riesce a coprire nemmeno i fabbisogni della depurazione. L energia producibile dipende comunque dalla resa di abbattimento del COD in sedimentazione primaria e dal 25

38 rapporto N/COD del liquame influente. Sono ben note peraltro, agli addetti ai lavori, le inefficienze che spesso caratterizzano queste fasi di trattamento (a fronte peraltro di esempi dove, viceversa, tale comparto funziona egregiamente). Come dati di riferimento per valutare l efficienza complessiva del sistema di digestione anaerobica e produzione di energia, si possono considerare i seguenti valori: fino a 35 Wh/AE trattato /d per l energia elettrica e fino a 95 Wh/AE trattato /d per l energia termica [6]. Per quanto riguarda la combustione diretta dei fanghi, molto allettante sembrerebbe la possibilità di sfruttarne il contenuto energetico associato alla frazione solida volatile (con un potere calorifico inferiore secco dell ordine di kcal/kg [7]). Grossi vincoli a questo sfruttamento sono però connessi alla presenza della frazione solida inerte e, soprattutto, alla forte presenza di acqua (che anche, dopo disidratazione meccanica, rappresenta circa l 80% in peso del totale). 4. Possibilità di miglioramento Esistono in realtà diverse possibilità di azione per 1) risparmiare energia e 2) produrne. E stato dimostrato che, rispetto a un impianto con equipaggiamenti convenzionali e una gestione standard, esistono significativi margini di migliormaneto così quantificabili: 1. risparmio energetico (controllo dell aerazione, idonea manutenzione di pompe e apparecchiature elettro-meccaniche, uso di variatori di frequeza, trattamento separato di stream a elevato carico azotato, riduzione della respirazione endogena, ecc.): si possono conseguire riduzione dei consumi del 10-20%. In una recente indagine condotta dall Università di Brescia per conto di APAT (oggi ISPRA) [6] è emerso come nella fornitura di aria, che rappresenta la voce di costo principale nei sistemi convenzionali, si verifichino spesso inefficienze, dal punto di vista energetico. L ottimizzazione di questo segmento di impianto rappresenta quindi un obiettivo importante in molte situazioni. Spesso questo compito è facilitato dall esistenza di ampi margini di miglioramento in tal senso. In questa sede ci si limita a considerare, perché concretamente realizzabili, due tipi di interventi: la sostituzione dei diffusori e l ottimizzazione della regolazione della fornitura d aria. Per quanto riguarda il primo punto, si vuole sottolineare che, per valutare i benefici energetici reali conseguibili con l adozione di diffusori a maggiore resa (SOTE), è importante prendere in esame tutti i fattori che concorrono a determinare la richiesta effettiva di energia: in particolare, non deve essere considerato soltanto l incremento della SOTE, che evidentemente gioca a favore, ma si deve anche calcolare l incidenza negativa (sui consumi) che deriva da una probabile diminuzione del fattore e dall eventuale aumento della pressione di mandata dei compressori (se si verifica una maggiore perdita di carico sui diffusori). Per quanto riguarda la regolazione della fornitura d aria, si vuole rilevare che, in diversi impianti, anche di taglia medio-grande, l assetto delle apparecchiature (numero e velocità dei compressori, posizionamento delle valvole ecc.) viene effettuato manualmente e su basi empiriche. Nei sistemi più evoluti, si prevede la regolazione in automatico delle condizioni di funzionamento delle soffianti a lobi (con inverter) o turbo-compressori (es. variando il posizionamento delle palette della centrifuga e/o la velocità di rotazione, con inverter, in risposta a una variazione di posizione di una valvola motorizzata posta sul collettore di mandata), in relazione ad un set-point dell ossigeno disciolto impostato manualmente. 26

39 Ulteriori importanti benefici (ovvero risparmi energetici) potrebbero conseguirsi aggiungendo, a un sistema di questo tipo, una regolazione supplementare (ovvero una variazione nel tempo) del set-point dell ossigeno disciolto, sulla base delle effettive esigenze di processo, valutate attraverso la misura di un altro parametro. Su questo principio si basa il sistema brevettato Oxy Fuzzy [8], con già alcune importanti applicazioni a scala reale. 2. Recupero di energia termica e potenziale dall acqua: il recupero di energia termica può arrivare a incidere di qualche punto percentuale rispetto al contenuto di energia del liquame fognario. Per quanto riguarda l energia potenziale, la sua recuperabilità dipende, come detto, dall orografia del territorio, essendo comunque proponibili, anche per salti minimi, micro- o nanoturbine. 3. Recupero dell energia chimica: la fase di digestione anaerobica può essere significativamente potenziata con idoneo pre-trattamento (es. idrolisi) dei fanghi, fino ad incrementare la produzione di energia del 20-30% rispetto a un impianto convenzionale. Si è rivelata interessante anche la possibilità di usare la digestione (in caso di disponibilità volumetriche sufficienti) per il co-trattamento con altre matrici organiche (es. FORSU o scarti dell industria agro-zootecnica), a elevata resa di produzione di metano. Ancora, si cita la possibilità di pulire il biogas per poterlo sfruttare in dispositivi a maggiore efficienza, così come si ricordano gli studi e le ricerche sulle celle a combustibile (MCF: Microbial Fuel Cells) e sulla produzione di idrogeno o metanolo. Per quanto riguarda la combustione diretta dei fanghi, si possono valutare i sistemi di gassificazione e pirolisi, con molta cautela sulla affidabilità del processo se applicato a una matrice variabile come i fanghi di depurazione. Ancora, è possibile incrementare i recuperi di energia attraverso l uso di cicli ORC (in luoghi dei classici a vapore) per sfruttare cascami a bassa temperatura. 4. Si cita infine la possibilità di produrre energia da fonti rinnovali, intendendo essenzialmente l eolico e il solare. In effetti, esiste qualche esempio di impianto dove, attraverso anni di lavoro, con un continuo e progressivo miglioramento, si è raggiunto il traguardo del bilancio energetico in pareggio [9]. 5. Conclusioni Il trattamento delle acque di scarico avviene con consumi energetici che sono molto influenzati dalla tipologia impiantistica, dai limiti da conseguire, dalla presenza o meno di trattamenti aggiuntivi (rispetto alla configurazione convenzionale), ma, soprattutto, dalle condizioni di funzionamento degli impianti. Anche tralasciando le soluzioni più innovative, peraltro in genere ancora in fase di studio, esistono oggi concrete possibilità di risparmio energetico attraverso l impiego di macchinari e dispositivi più efficienti e l adozione di sistemi di controllo automatico per le fasi più energivore (es. l aerazione), come testimoniato da diverse applicazioni. L investimento per l adeguamento degli impianti viene in breve tempo ripagato dai risparmi conseguiti. Anche la produzione di energia in digestione anaerobica (laddove presente) può essere incrementata ottimizzando il funzionamento di questo comparto o adottando idonei pre-trattamenti 27

40 (in questo caso con non trascurabile investimento). Energia può essere inoltre recuperata usando pompe di calore e sfruttando l energia potenziale dell acqua. Occorre però, da un lato, valutare attentamente, caso per caso, quali siano i margini di miglioramento e i criteri migliori di intervento e, dall altro lato, sbloccare una situazione che troppo spesso, senza una visione lungimirante, rende difficoltoso investire nell upgrading gestionale (in primis) e tecnologico degli impianti di depurazione. 28

41 Bibliografia [1] G. Bertanza, C. Collivignarelli (2006). Le verifiche di funzionalità per l ottimizzazione della depurazione delle acque di scarico urbane. Collana ambiente, vol. 28, ISSN , CIPA ed., Milano. [2] STOWA, Exploratory study for wastewater treatment techniques and the European water framework directive (Publicaties van de STOWA, Utrecht, 2005). [3] G. Bertanza, R. Pedrazzani, M. Papa, G. Mazzoleni, N. Steimberg, L. Caimi, C. Montani, D. Dilorenzo (2010). Removal of BPA and NPnEOs from secondary effluents of municipal WWTPs by means of ozonation. Ozone Science and Engineering, vol. 32, n. 3, May-June, [4] AA.VV. (in stampa). Consumi elettrici ed efficienza energetica nel trattamento delle acque reflue. A cura di Massimiliano Campanelli, Paola Foladori, Mentore Vaccari. Maggioli Editore. [5] R. Mazzini, G. Davoglio (2012). Sostenibilità ed efficienza energetica dalle acque di scarico depurate Case history di Milano Nosedo. IA-Ingegneria Ambientale, vol. XLI, n.6, [6] C. Collivignarelli, G. Bertanza, M.C. Collivignarelli, S. Zanaboni, A. Abbà (2009). L ottimizzazione del servizio di depurazione delle acque di scarico urbane: massimizzazione dei recuperi di risorsa (acque e fanghi) e riduzione dei consumi energetici. Rapporti, ISPRA, vol. 93, pp.327. [7] G. Mininni, M.C. Tomei, C.M. Braguglia (2006). Ottimizzazione di un processo combinato di essiccamento e incenerimento di fanghi urbani. RS-Rifiuti Solidi, vol. XX, n.1, gennaio-febbraio, [8] P. Baroni, G. Bertanza, C. Collivignarelli, V. Zambarda (2006). Process improvement and energy saving in a full scale wastewater treatment plant: air supply regulation by a fuzzy logic system. Environmental Technology, Vol. 27, pp [9] O. Novak, S. Keil, C. Fimml (2011). Examples of energy self-sufficient municipal nutrient removal plants. Water Science and Technology, Vol. 64.1, pp

42 Prospettive di risparmio energetico nelle reti acquedottistiche e nei sistemi di collettamento/fognatura Sergio Papiri papiri@unipv.it, Sara Todeschini Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale, Università di Pavia, Pavia Riassunto Un maggiore rigore nell uso della risorsa idropotabile è inscindibile dal contenimento energetico nell intero ciclo idrico urbano. I consumi energetici legati ai sistemi acquedottistici, fognari e di depurazione rappresentano, infatti, un aliquota importante dei consumi energetici globali e un aliquota ancora più significativa dei costi di gestione di tali sistemi. Al proposito, questa memoria indaga alcune scelte che possono essere intraprese in fase progettuale e gestionale dei sistemi d acquedotto e di fognatura in un ottica di contenimento energetico. La comprensione di questi aspetti è fondamentale per individuare azioni combinate di recupero di risorsa idrica ed energetica supportate da una valutazione tecnica ed economica corretta. Summary A more rigorous usage of water is strictly dependent on an energy control concerning the entire urban water system. Energy consumption related to municipal water system, sewerage, wastewater treatment plant represents an important component of global energy consumption and an even more significant part of the management costs of these systems. On this topic this manuscript looks into possible choices that can be taken during planning and management of water supply and sewerage systems in order to limit the energy consumption. Understanding these aspects is essential to identify joint actions for recovery of water and energy supported by a proper technical and economic evaluation. 1. Introduzione I consumi energetici legati alla gestione dei sistemi acquedottistici, fognari e di depurazione rappresentano un aliquota importante dei consumi energetici globali e un aliquota ancor più significativa dei costi di gestione di tali sistemi. A titolo d esempio, la California Energy Commission [1] ha condotto uno studio sul territorio per valutare i consumi energetici in ciascuna fase del ciclo idrico, dal prelievo della risorsa alla depurazione dei reflui, considerando anche il fabbisogno energetico degli usi finali delle diverse utenze. Il consumo di energia legato alle attività connesse all acqua è stato quantificato pari al 19% dell intero consumo energetico della California. L entità di questo consumo giustifica, quindi, l interesse sempre crescente nella ricerca di soluzioni tecniche e gestionali atte a ridurre l energia spesa [1], [2], [3], [4], [5]. Il contenimento energetico nell intero ciclo idrico urbano riveste estrema attualità, prima ancora che per la quantità di energia recuperabile, anche perché inscindibile da un maggiore rigore nell uso della risorsa idropotabile, concetto espresso dalla Watergy efficiency [2], ovvero il soddisfacimento della domanda dell utenza con il minor impiego possibile di risorsa idrica e di energia [5]. 2. Il risparmio energetico nei sistemi acquedottistici Il prelievo, la potabilizzazione e la distribuzione della risorsa idropotabile richiedono, in generale, elevati quantitativi di energia. L analisi dell energia necessaria al 30

43 funzionamento dei sistemi acquedottistici è importante dal punto di vista ambientale, oltre che economico, in vista di azioni mirate al contenimento energetico [5]. L impiego di energia in un sistema acquedottistico varia in funzione di fattori oggettivi strettamente legati alle caratteristiche del territorio da servire, ma anche in funzione di scelte effettuate in fase di progettazione ed esercizio. Nel seguito si commentano alcune scelte progettuali e gestionali mirate al risparmio energetico nei sistemi acquedottistici: - riduzione delle pressioni nelle reti di distribuzione; - riduzione delle perdite idriche; - adeguamento strutturale delle reti di distribuzione; - impiego di inverter negli impianti di pompaggio nelle reti di distribuzione; - impiego di apparecchiature elettromeccaniche ad elevata efficienza energetica. 2.1 Riduzione delle pressioni nelle reti di distribuzione In molti sistemi acquedottistici le pressioni in rete sono esuberanti rispetto alle esigenze reali di distribuzione all utenza. Queste sovrappressioni causano effetti negativi sui consumi energetici degli impianti di pompaggio in rete, sia diretti (prevalenze maggiori di quelle necessarie), sia indiretti (incremento dei volumi da pompare in rete e da approvvigionare per incremento delle perdite idriche nella rete di distribuzione). 2.2 Riduzione delle perdite idriche Tra i fattori che incidono sui consumi energetici dei sistemi acquedottistici, accanto a quelli legati alla reperibilità della risorsa, all altimetria del terreno ed all efficienza di impianti e condotte, è significativo il ruolo delle perdite idriche in rete [6]. Ad esempio, nel report del Wisconsin Energy Centre [7] emerge l incidenza rilevante delle perdite idriche sui consumi energetici. È quindi evidente che la riduzione delle perdite idriche (nei sistemi acquedottistici in generale e nelle reti di distribuzione in particolare) da valori medi attuali che superano il 30% a valori fisiologici, ovvero pari a circa 10-15% del volume approvvigionato, consente di ridurre i consumi energetici di un entità più che proporzionale in quanto riduce sia i volumi da approvvigionare (sovente con sollevamento meccanico) sia i volumi da pompare in rete. Più contenute portate circolanti in rete implicano anche minori perdite di carico e, quindi, la necessità di minori pressioni minime da garantire nei nodi di alimentazione del sistema di distribuzione. 2.3 Adeguamento strutturale delle reti di distribuzione In molti casi, le reti di distribuzione sono sottodimensionate a causa dello sviluppo urbanistico e, quindi, dell incremento progressivo delle portate richieste dall utenza. L incremento delle portate circolanti nel sistema induce, infatti, un incremento circa quadratico delle perdite di carico in rete. Pertanto, la necessità di garantire prestabiliti valori di pressione minima in tutti i punti della rete di distribuzione, sovente, ha indotto il gestore ad eseguire l intervento più semplice e a più basso costo di investimento: incrementare le pressioni nei nodi di alimentazione del sistema. Questa scelta ha avuto come ovvia conseguenza un incremento dei consumi energetici e, in generale, dei costi gestionali. In questo contesto, una via praticabile per il contenimento delle dissipazioni energetiche è rappresentata dall adeguamento strutturale della rete di distribuzione. L adeguamento strutturale della rete di distribuzione è molto opportuno anche nei sistemi in cui le pressioni sono molto esuberanti rispetto alle esigenze in gran parte della rete, ad esempio, per la necessità di servire anche piccole porzioni di territorio 31

44 urbanizzato poste a quote altimetriche molto maggiori rispetto al resto dell abitato. In tali casi, la ristrutturazione della rete con la realizzazione di piccoli impianti di rilancio per il servizio delle utenze in posizione più sfavorevole consente una riduzione drastica delle prevalenze di pompaggio per gran parte dei volumi immessi in rete e, di conseguenza, un notevole risparmio energetico. 2.4 Impiego di inverter negli impianti di pompaggio nelle reti di distribuzione Nei centri abitati di pianura il sistema di distribuzione può essere costituito, oltre che dalla rete di distribuzione, da serbatoi pensili, da serbatoi a terra con torrino piezometrico, da serbatoi a terra con autoclave. Dal punto di vista dei consumi energetici, le soluzioni migliori sono quelle con serbatoio pensile o con serbatoio a terra con torrino piezometrico in quanto consentono ai gruppi di pompaggio di lavorare con portata costante, ovvero con rendimento massimo (se correttamente scelti) e conseguente consumo energetico minimo. Tuttavia, ragioni di natura urbanistica ed economica spesso inducono ad adottare soluzioni con serbatoio a terra e gruppo di pompaggio che pompa direttamente in rete. Sovente, il funzionamento del gruppo di pompaggio è asservito a serbatoi autoclave che avviano e arrestano in sequenza i singoli gruppi elettropompa in funzione della pressione nei serbatoi autoclave (pressione variabile con la richiesta di portata del sistema distributore e con i gruppi di pompaggio in funzione). Alla pressione minima tutti i gruppi elettropompa sono in funzione, mentre, all aumentare della pressione (conseguente ad una diminuzione della richiesta) progressivamente i gruppi si arrestano. Dunque, le elettropompe lavorano a portata variabile e, di conseguenza, il rendimento medio diminuisce. Inoltre, le pressioni nel nodo di alimentazione sono massime quando in realtà potrebbero essere minime, ovvero quando la richiesta dell utenza e le perdite di carico in rete sono minime. È evidente che questa modalità funzionamento comporta consumi energetici inutili. Al contrario, gli inverter, variando il numero dei giri dei gruppi di pompaggio in funzione della portata richiesta (senza variazioni apprezzabili del rendimento), consentono di mantenere il carico piezometrico nel nodo di alimentazione della rete pressoché costante e prossimo al valore minimo necessario associato alla portata massima richiesta dall utenza, diminuendo in tal modo i consumi energetici. Esistono, poi, degli inverter che consentono una regolazione proporzionale della pressione in funzione della richiesta dell utenza, riducendo ulteriormente i consumi d energia. 2.5 Impiego di apparecchiature elettromeccaniche ad elevata efficienza energetica Per ridurre il consumo energetico nei sistemi di distribuzione è opportuno installare delle apparecchiature elettromeccaniche ad alto rendimento. Si tratta di minimizzare il rendimento complessivo dell elettropompa, ovvero il prodotto del rendimento del motore elettrico e del rendimento idraulico. È questo prodotto che determina la potenza assorbita dalla rete e, quindi, il consumo effettivo di energia elettrica. La norma IEC dell ottobre 2008 definisce tre classi di efficienza IE International Efficiency per motori asincroni trifasi a gabbia e singola velocità: IE1 efficienza standard; IE2 alta efficienza; IE3 efficienza Premium. Con riferimento a motori di piccola potenza, il rendimento aumenta di circa il 5% passando da un motore in classe IE1 ad uno in classe IE3. 32

45 Analogamente, è possibile contenere i consumi elettrici scegliendo elettropompe con elevato rendimento idraulico e in maniera tale che lavorino nell intorno del punto di massimo rendimento. 3. Il risparmio energetico nei sistemi di collettamento/fognatura Come nel caso delle reti d acquedotto, anche nei sistemi fognari l impiego di energia è fortemente dipendente dalle caratteristiche del territorio da servire, ma anche dai criteri progettuali e gestionali implementati. Nel seguito si commentano alcune scelte progettuali e gestionali mirate al risparmio energetico nei sistemi fognari: - ottimizzazione della configurazione plano-altimetrica della rete fognaria; - riduzione delle acque meteoriche drenate; - riduzione delle infiltrazioni di acque parassite; - ottimizzazione degli impianti di sollevamento e di pompaggio; - impiego di dispositivi di lavaggio delle vasche a basso consumo energetico; - impiego di apparecchiature elettromeccaniche ad elevata efficienza energetica. 3.1 Ottimizzazione della configurazione plano-altimetrica della rete fognaria Quando la zona da servire è piatta e la giacitura del ricettore non consente lo scarico a gravità di una rete mista attraverso gli scaricatori di piena, il ricorso al sistema separato può consentire di limitare i sollevamenti meccanici alle sole acque reflue minimizzando i consumi energetici. In tal caso, infatti, la fognatura bianca, non presentando problemi di allacciamento, potrà essere posata molto superficiale in modo da rendere possibile un suo funzionamento a gravità. Quando sono presenti zone depresse di estensione modesta rispetto all estensione totale dell area da servire, il sollevamento meccanico delle acque drenate nelle aree più basse evita inutili approfondimenti di tutto il sistema di drenaggio e, quindi, scongiura il sollevamento di volumi idrici ben più significativi più a valle. Questa strutturazione della rete è ancor più raccomandata qualora la falda freatica sia molto superficiale. In questo modo, infatti, si può limitare lo sviluppo della rete immersa in falda e, quindi, ridurre l infiltrazione di acque parassite. Anche in questo caso, è dunque possibile contenere i volumi idrici da sollevare meccanicamente. 3.2 Riduzione delle acque meteoriche drenate La riduzione delle portate meteoriche recapitate nei sistemi fognari può essere perseguito con molteplici metodi (negli U.S.A. indicati come Storm Water Best Management Practices) che includono misure non strutturali, essenzialmente finalizzate alla riduzione alla sorgente delle portate meteoriche e interventi strutturali, consistenti nella costruzione di particolari sistemi e manufatti. Ogni metodo presenta vantaggi e limitazioni che dipendono dai molteplici fattori fisici che caratterizzano l area servita e dalle sue connotazioni urbanistiche. Per le nuove urbanizzazioni di particolare importanza sono le attività di pianificazione e di governo del territorio, esercitate dalle Autorità locali al fine di controllare lo sviluppo urbanistico (e.g. l ottimizzazione degli schemi viari per ridurre la lunghezza totale delle strade, l impiego di materiali porosi per la pavimentazione di aree a parcheggio, ecc.). Il contenimento delle portate meteoriche è direttamente connesso a minori costi di investimento dell infrastruttura (diametri dei condotti più contenuti), a meno frequenti insufficienze della rete di drenaggio esistente, ma anche a minori consumi energetici 33

46 qualora l assenza di un recapito superficiale imponesse il sollevamento integrale delle acque meteoriche veicolate in fognatura. 3.3 Riduzione delle infiltrazioni di acque parassite Le acque di falda freatica si infiltrano attraverso giunti difettosi, condotti e manufatti fratturati, oppure vengono recapitate quali acque di drenaggio degli scantinati. La principale fonte di infiltrazione delle acque di falda è rappresentata dai condotti di allacciamento che continuano ad essere realizzati in modo mediocre e la cui lunghezza complessiva supera spesso quella delle fognature pubbliche. I limiti di tolleranza dell infiltrazione di acque freatiche per unità di superficie servita dalla rete di fognatura fissati da diverse città americane appartengono all intervallo m 3 /d km 2 [8]. I valori minori dei volumi giornalieri di infiltrazione si riferiscono a fognature poste sopra il livello freatico, mentre quelli maggiori a fognature poste sotto il livello freatico. L importanza della riduzione delle infiltrazioni di acque parassite è evidente anche solo facendo riferimento ai minori consumi energetici che sarebbero richiesti negli impianti di sollevamento e pompaggio della rete fognaria. 3.4 Ottimizzazione degli impianti di sollevamento e di pompaggio Il dimensionamento di un impianto di sollevamento (o di pompaggio) è un problema idraulicamente indeterminato. Pertanto, si ricorre alla condizione di minimo costo, ovvero si sceglie il diametro della condotta premente che minimizza il costo globale annuo (somma del costo gestionale e dell ammortamento dell investimento). Tuttavia, nell ottica di minimizzare i consumi energetici, si potrebbe scegliere di assegnare alla condotta premente il diametro massimo che consente di convogliare la portata di progetto con una velocità (pari circa 1 m/s) che evita rischi di intasamento e formazione di sacche d aria. In genere, il diametro conseguente dall applicazione di questo criterio non risulta molto differente da quello economicamente più conveniente. Le portate di dimensionamento dell impianto non dovrebbero mai essere inferiori a circa 8 l/s per consentire l impiego di una condotta premente di diametro non inferiore a 100 mm e ciò al fine di minimizzare i rischi di intasamento. Questo criterio consente, inoltre, di scegliere delle elettropompe con passaggio libero di almeno 75 mm e, quindi, con rendimenti idraulici ancora accettabili. 3.5 Impiego di dispositivi di lavaggio delle vasche a basso consumo energetico Una bassa richiesta di energia elettrica è uno tra i requisiti più importanti di un sistema di pulizia delle vasche volano e di prima pioggia. In generale, tutti i sistemi di lavaggio in commercio sono equivalenti dal punto di vista dei costi di investimento, tuttavia, richiedono impegni di potenza e consumi di energia molto diversi. I sistemi che agiscono quando la vasca è vuota (lavaggio tramite paratoie, con sistema a depressione, tramite vasche ribaltanti) impegnano minore potenza e consumano meno energia di quelli che agiscono quando l acqua è in vasca per mantenere e/o riprendere in sospensione i solidi (pulizia mediante mixer ed eiettori). Per una quantificazione dei consumi pertinenti ciascuna modalità di pulizia si rimanda alla pubblicazione [9]. 3.6 Impiego di apparecchiature elettromeccaniche ad elevata efficienza energetica Nel settore della gestione delle acque reflue l attenzione è sempre di più puntata sui 34

47 costi connessi ai consumi elettrici e sull emissione di anidride carbonica in atmosfera che ne deriva. A questi aspetti si associa anche l esigenza di ridurre la probabilità di intasamento delle elettropompe e, quindi, i rischi conseguenti di tracimazione e sversamento di reflui grezzi con i danni ambientali che ne derivano. Per ridurre il consumo energetico negli impianti di sollevamento/pompaggio di acque reflue si devono installare apparecchiature elettromeccaniche ad elevato rendimento. Come già richiamato nel Paragrafo 2.5, si tratta di minimizzare il rendimento complessivo dell elettropompa (prodotto di rendimento idraulico e del motore elettrico). In molti casi, per aumentare il rendimento idraulico dell elettropompa, il costruttore sceglie di aumentare il numero di canali della girante. Tuttavia, questa scelta si traduce in una riduzione del passaggio libero e nell adozione di profili palari poco adatti al pompaggio di reflui fognari. D altro canto, dall analisi di numerosi database, emerge che una percentuale molto significativa delle segnalazioni di guasto in un impianto di sollevamento è connessa al blocco della girante per intasamento. Per questa ragione, i gestori degli impianti di sollevamento per acque reflue sono spesso spinti a preferire giranti con un rendimento idraulico anche modesto, però a vantaggio della riduzione del rischio di bloccaggio. Per raggiungere un equilibrio fra basso rischio di bloccaggio e consumo energetico contenuto, il punto di partenza dovrebbe essere la scelta di motori di classe di efficienza massima disponibile sul mercato. Un elevato rendimento motore, infatti, contribuisce a migliorare il rendimento complessivo senza influire sul rischio di bloccaggio. Se poi si esige di aumentare ulteriormente il rendimento complessivo occorre migliorare anche il rendimento idraulico, privilegiando giranti con profilo palare ottimizzato e comunque con un passaggio libero non inferiore a 75 mm per contenere il rischio di intasamento, soprattutto in assenza di griglie in ingresso alla stazione di sollevamento. Bibliografia [1] Californian Energy Commission CEC (2005). California s water-energy relationship CEC SF. [2] Barry J. (2007). WATERGY: Energy and water efficiency in municipal water supply and wastewater treatment, Alliance to save energy. [3] Kumar G., Karney B.W (2007). Electricity usage in water distribution networks, IEEE Canada Electrical Power Conference. [4] NSW (2007). Water supply and sewerage benchmarking report 2005/2006, Department of water and energy, Sydney. [5] Bragalli C., Lenzi C., Liserra T., Marchi A., Artina S. (2009). Indicatori di efficienza energetica nei sistemi acquedottistici, Acqua e Città 2009: 3 Convegno nazionale di idraulica urbana, Milano, 6-9 ottobre [6] Artina S., Lenzi C., Bissoli R., Bragalli C., Liserra T., Marchi A., Ruggeri F. (2008). Impatto energetico dei sistemi acquedottistici: ruolo delle perdite idriche. 31 Convegno nazionale di idraulica e costruzioni idrauliche, Perugia, 9-12 settembre [7] Elliott T., Zeier B., Xagoraraki I., Harrington G.W. (2003). Energy use at Wisconsin s drinking water facilities, ECW Report Number 222-1, Madison,Wisconsin. [8] Fair G.M., Geyer J.C., Okun D.A. (2010) Water and Wastewater Engineering: Water Supply and Wastewater Removal, 3 rd Edition, John Wiley & Sons, Inc., NY, USA. 35

48 [9] Papiri S. Todeschini S. (in press) Capítulo 13. Reservatórios de primeira chuva. Manual para Projetos Integrados de Sistemas de Águas Pluviais e Esgotos Sanitários. 36

49 Il sistema di misura come strumento per la gestione dell energia Giorgio Brianza, Giuseppe Bonacina, Sammy Saba ABB SpA, Process Automation Division, Via Luciano Lama, Sesto San Giovanni (MI) Riassunto Il rispetto dei limiti di legge sulla qualità delle acque reflue sversate nell ambiente, il rincaro del costo dell'energia e le preoccupazioni per i cambiamenti climatici provocati dall'uomo e dalle emissioni di biossido di carbonio hanno posto il tema dell'efficienza energetica come prioritario nell'agenda dei gestori del servizio idrico integrato, con focus alla depurazione acque reflue civili o assimilabili. Il sistema di gestione dell energia secondo ISO 50001:2011 [1] è uno strumento utile a definire le modalità di implementazione degli interventi di efficienza energetica, e deve essere accoppiato con un sistema di misura completo per garantirne l efficacia. 1. Introduzione Le tecnologie sono tra i principali protagonisti della grande sfida globale legata ai consumi energetici. Infatti, è proprio dalle tecnologie che tutti si attendono soluzioni capaci di aumentare l'efficienza e di contenere l'impatto ambientale, salvaguardando le risorse del pianeta ma anche le prestazioni e la resa degli impianti. Esse però da sole non possono garantire una corretta ed efficace implementazione delle soluzioni per l efficienza energetica. Serve infatti una azione mirata per poter usufruire dei loro vantaggi al meglio: la normativa internazionale ISO 50001:2011 si pone come standard per implementare e gestire correttamente l efficienza energetica, e deve essere accoppiata a un sistema di misura efficace, per validare e verificare l installazione delle tecnologie più adatte. ABB, leader nelle tecnologie per l'energia e l'automazione, lavora in sintonia con questi obiettivi, offrendo prodotti e servizi sviluppati sulle reali esigenze del terziario e dell'industria permettendo di migliorare le loro attività non solo in termini di efficienza energetica, ma anche di affidabilità delle reti e produttività industriale. Si tratta di proposte concrete che consentono di ottenere vantaggi rapidi e misurabili in termini di costi energetici, produttività, materiali, oneri di gestione e manutenzione. I sistemi di misura risultano strumenti fondamentali per valutare le prestazioni e avere la consapevolezza in termini quantitativi dei propri consumi. I risparmi ottenibili con il solo monitoraggio e controllo istantaneo dei consumi possono variare fra l 1 e il 10% semplicemente grazie alla visibilità del dato in tempo reale che, istintivamente, genera nelle persone una maggior consapevolezza dei propri comportamenti. 37

50 2. Basi della normativa ISO La norma specifica i requisiti per stabilire, attuare, mantenere e migliorare un sistema di gestione per l energia, mirando all ottimizzazione delle prestazioni energetiche sotto forma di un uso più efficiente e sostenibile dell energia. La norma permette all'organizzazione un approccio sistematico al miglioramento continuo della sua efficienza energetica. Il sistema di gestione è applicabile a organizzazioni di qualsiasi dimensione e tipologia, che vogliano gestire e migliorare l efficienza energetica. Non definisce specifici livelli di performance energetica da raggiungere, l impegno della organizzazione definisce i risultati dell applicazione del sistema di gestione per l energia. Evidenzia l impegno della organizzazione nei confronti dell efficienza energetica attraverso una certificazione di parte terza. La norma è strutturata in maniera analoga alle ISO 9001,14001 e e per questa ragione può essere facilmente integrata in sistemi già esistenti. Figura 1 Ciclo di miglioramento continuo per sistema di gestione dell energia Definizioni Sistema di gestione per l energia (EnMS): Insieme di elementi correlati o interagenti di una organizzazione che stabiliscono una politica energetica per il raggiungimento degli obiettivi fissati (clausola 3.9) Energia: Elettricità, combustibile, vapore, calore, aria compressa e altre fonti simili(clausola 3.5) Utilizzo energetico: Modo o tipo di applicazione dell energia (clausola 3.18) 38

51 Baseline energetica: Riferimento quantificabile che determina la base di comparazione delle performance energetiche (clausola 3.6) Efficienza Energetica: Rapporto tra l output dell attività di una organizzazione, beni e servizi e l input energetico (da riferirsi alla determinazione ingegneristica utilizzato dall organizzazione) (clausola 3.8) Performance energetiche: Risultato energetico misurabile (clausola 3.12) Profilo energetico: Stato delle perfomance energetiche di una organizzazione Indicatore di performance energetica (EnPI): Indice quantitativo di misura delle performance energetiche definito dall organizzazione (clausola 3.13). 3. Il processo di efficienza energetica e i sistemi di misura Il primo passo per l ottenimento dell Efficienza Energetica è la definizione di obiettivi di miglioramento, portando di fatto alla definizione di una policy energetica al cui interno si definiscono la portata ed i limiti del sistema di gestione dell'energia. Per la definizione di obiettivi è necessario conoscere i consumi e le performance energetiche della realtà in oggetto. L Audit Energetico consiste in una verifica dello stato energetico della realtà aziendale tramite opportune analisi qualitative e quantitative finalizzate all indagine ed alla diagnosi. L analisi quantitativa è volta a identificare la condizione di consumo energetico attuale e definire i target di consumo futuri, sulla base delle possibili opportunità di efficienza energetica identificabili. Il processo di efficienza energetica consiste nella progettazione e implementazione delle azioni di miglioramento identificate. Per la corretta implementazione del processo è necessario verificare che le azioni intraprese abbiano portato al risultato atteso, questo è possibile solo tramite la misura dei consumi. La standardizzazione del processo di Efficienza Energetica avviene tramite l implementazione di un Sistema per la Gestione dell Energia (ISO 50001): tutto questo processo non è possibile senza avere un sistema di misura efficace, che monitori i parametri necessari a compiere le decisioni corrette nell implementazione dell efficienza. Figura 2 Il prcesso di efficienza energetica e la determinazione dei dati necessari 39

52 4. Tipologie di sistemi di misura Esistono diverse possibili soluzioni disponibili alle aziende per monitorare i consumi energetici e quindi andare a implementare e verificare le soluzioni più idonee all efficienza energetica di ogni sito. La scelta deve essere calibrata sulle dimensioni del sito, sul budget disponibile e sulla presenza di altri sistemi eventualmente integrabili. Di seguito riportiamo le più comuni per i diversi ambiti. 3.1 Quadri di monitoraggio Plug and Play I quadri di monitoraggio Plug and Play nascono per soddisfare l esigenza di avere misure di parametri energetici puntuali e uno strumento di facile installazione e configurazione. Le sue caratteristiche sono: portale Web Integrato senza necessità di software aggiuntivi, esportazione delle grandezze su file excel per analisi statistiche, lettura parametri analizzatori di rete, set parametri drive preconfigurata, possibilità di comando remoto (non istantaneo), possibilità di comando locale (con HMI), segnalazioni e allarmi via . Questi strumenti sono adatti ai siti industriali e non con pochi punti di misura necessari. 3.2 Building Management System (BMS) I Building Management System (BMS) sono finalizzati alla creazione di un sistema completo di controllo, supervisione e monitoraggio per building automation che permette di misurare i consumi in tempo reale e quantificare i benefici del controllo degli impianti presenti nell edificio. Tutto ciò tramite l installazione di contatori applicati a tutti gli impianti, interfacce per la raccolta di tutti i dati rilevati e visualizzazione dei risparmi energetici espressi in kwh, Euro ed emissione di CO2 evitate. Figura 3 - Esempio di sistema di monitaraggio per ambito industriale 40

53 3.3 Software per ambito industriale e servizi I software di monitoraggio per ambiti industriale e per i servizi supportano le aziende con vantaggi tangibili quali la misura dei consumi energetici e del risparmio economico, l implementazione del Sistema di Gestione per l Energia secondo lo Standard ISO 50001:2011. La tecnologia web-based, la configurabilità dell interfaccia di monitoraggio e analisi per qualsiasi esigenza, la rappresentazione gerarchica degli impianti (asset management), la creazione libera di formule e EnPIs, la generazione di benchmark, storicizzazione e monitoraggio continuo (grafici e trend) e la configurazione e gestione degli allarmi permettono di elaborare il controllo e la verifica dei risultati come prescrive la norma ISO. Questi sistemi sono più complessi e richiedono una base installata di strumenti da monitorare più vasta rispetto ai quadri plug and play, ma permettono anche eleborazioni più complete e previsioni sui consumi. 5. Bibliografia [1] Normativa internazionale ISO 50001:2011, Sistemi di gestione dell energia, International Standard Organization 41

54 Soluzioni gestionali per il risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua Paola Foladori Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica (DICAM), Università degli Studi di Trento, via Mesiano 77, Trento; paola.foladori@ing.unitn.it Riassunto Soluzioni gestionali di risparmio energetico, volte a ridurre i consumi elettrici senza intaccare le rese di trattamento e la qualità dell acqua, sono implementabili in varie sezioni di un impianto di trattamento, quali pompaggi, aerazione, miscelazione, e servizi ausiliari quali building, illuminazione. Nell implementazione di soluzioni di risparmio energetico, assumono un ruolo fondamentale le misure elettriche (voltaggio, correnti e potenze assorbite, ore di funzionamento, cosfi, ) per fornire un quadro di dati pre- e post-intervento. Il risparmio energetico ottenibile con soluzioni gestionali applicabili a breve termine e con basso pay-back (2-3 anni o meno) può arrivare al 30% nei comparti biologici dei depuratori e nei trattamenti di potabilizzazione, al 30% nei pompaggi, al 15% nei ricircoli, al 10% nei sistemi ausiliari. 1. Introduzione Il consumo di energia elettrica costituisce una delle voci più importanti dei costi operativi negli impianti di trattamento dell acqua. Si può infatti considerare che, orientativamente, il consumo energetico rappresenti il 30% dei costi gestionali, sia negli impianti di potabilizzazione che negli impianti di depurazione. A livello nazionale (Italia, Germania, USA, ) si può stimare che il trattamento di acque potabili e acque reflue comporti circa il 2-3% del consumo elettrico nazionale, con cifre dell ordine di alcuni miliardi di Euro. Il settore del trattamento dell acqua, dalla potabilizzazione alla depurazione delle acque reflue domestiche o industriali, si è evoluto negli ultimi decenni con il principale obiettivo di ottenere elevati standard qualitativi e rispettare limiti più restrittivi allo scarico. Nel tempo l'innovazione tecnologica ha sviluppato prodotti in grado di assicurare un elevata qualità nei processi di potabilizzazione e di depurazione, ma non sempre valorizzando contestualmente gli aspetti energetici. Solo negli ultimi anni problematiche di carattere economico ed ambientale hanno focalizzato l attenzione su temi quali l efficientamento energetico nel settore dei servizi idrici, quali reti di distribuzione, reti di collettamento e impianti di trattamento dell acqua. Tra i vari costi operativi, l energia rappresenta probabilmente la voce su cui si può agire con maggiore efficacia ed immediatezza nel contenimento dei costi. Soluzioni di risparmio energetico, volte a ridurre i consumi elettrici senza intaccare le rese di trattamento, sono implementabili in varie sezioni di un impianto di trattamento, potenzialmente quasi ovunque siano installate apparecchiature elettromeccaniche. Sono già disponibili opportunità di risparmio energetico applicabili a livello gestionale, senza ricorrere ad onerosi interventi strutturali, ottenendo risultati nel breve periodo con costi di investimento modesti o addirittura senza costi aggiuntivi. Le soluzioni applicabili a livello gestionale riguardano interventi sia sull hardware (motori, pompe, soffianti, ) 42

55 sia sul processo e sul sistema di controllo (software) e conducono a risparmi energetici in genere fino al 30%, con ridotti tempi di pay-back entro i 2-3 anni o meno. Interventi di questo tipo contano già varie applicazioni a livello internazionale: per esempio, in diversi paesi sono già operativi programmi di risparmio energetico rivolti all efficientamento delle filiere di depurazione attualmente esistenti (California -20%, Svezia %, Olanda -2% per anno fino al 2020), mentre in Italia si tratta per lo più di iniziative sporadiche. 2. Audit energetico per la valutazione delle soluzioni di risparmio energetico La valutazione di opportunità di risparmio energetico negli impianto di potabilizzazione o impianti di depurazione e la verifica dei risultati ottenuti dopo l implementazione, può essere affrontata secondo il seguente approccio: 1) inventario di tutte le apparecchiature elettromeccaniche presenti nell impianto alla situazione attuale. In certi impianti è emerso come comparti considerati minori sono poi risultati importanti, come nel caso di ricircoli, mixer, deodorizzazione o autoclavi (10-20% del consumo totale), mentre altrove, macchine considerate energeticamente rilevanti come nastropresse o centrifughe, si sono rivelate trascurabili, poiché ad elevate potenze nominali erano associate poche ore di funzionamento; 2) misura dettagliata dei consumi elettrici dell impianto e dei singoli comparti, mediante misurazioni di voltaggio, assorbimenti, potenze e ore di funzionamento; è preferibile disporre di misurazioni rilevate per tempi prolungati (uno o più anni); è necessario conoscere i consumi per ogni comparto e non solo quelli totali in bolletta; 3) nel caso siano stati misurati i consumi elettrici di tutte le macchine di un impianto, è possibile verificare la congruenza tra la sommatoria di tali consumi e il totale in bolletta; l eventuale differenza comprende le fonti non identificate o l errore del metodo, che dà l entità dell incertezza della valutazione energetica; 4) analisi dei risultati delle misurazioni al fine di evidenziare le aree in cui si può realizzare un risparmio energetico; per effettuare tale analisi è utile disporre di valori di confronto derivanti da altri impianti che hanno già implementato soluzioni di efficientamento energetico (benchmark); ad oggi tale opportunità è limitata dal modesto numero di impianti costituenti benchmark. Enti ed organizzazioni stanno divulgando casi di studio di esperienze positive [1] [2] e sono disponibili o in via di implementazione dispositivi informatizzati a livello nazionale ed internazionale per la sistematizzazione di dati di consumi elettrici degli impianti [3] [4]; 5) identificazione delle priorità degli interventi secondo il seguente ordine: (1) opzioni applicabili da subito o a breve-termine con costi minimi; (2) opzioni applicabili a medio termine, che richiedono un investimento ma presentano breve tempo di payback; (3) opzioni a lungo termine che presentano lunghi tempi di pay-pack e che quindi richiedono attenta valutazione; 6) implementazione di soluzioni di risparmio energetico e analisi dei risultati ottenuti in termini di kwh/anno o Euro/anno risparmiati; anche per tale analisi è necessario un monitoraggio continuativo di voltaggio, assorbimenti, potenze e ore di funzionamento in modo da misurare i progressi nel tempo del risparmio energetico. Nell efficientamento energetico, le misure elettriche (voltaggio, correnti assorbite, potenze e ore di funzionamento, cosfi, ) effettuate in modo capillare all interno dell impianto assumono sempre un ruolo fondamentale [4] [5], sia per basare l analisi decisionale, sia per fornire un quadro di dati storici pre- e post-intervento. 43

56 Riduzione perdite Ottimizzaz. pompaggi Ottimizzaz. aerazione Controllo di processo Interventi strutturali più efficienti Produzione di energia Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua Il risparmio energetico in un impianto di trattamento delle acque deve essere perseguito senza influenzare negativamente la qualità dell acqua trattata, sia destinata ad uso umano o recapitata nei recettori, e senza influenzare negativamente la prassi gestionale, quando alcune macchine, ancorché energeticamente inefficienti, risultino preferibili per semplificare il lavoro del gestore o renderlo più sicuro. 3. Principali ambiti in cui applicare soluzioni di risparmio energetico Molti sono i comparti, processi, apparecchiature elettromeccaniche che comportano significativi consumi elettrici nel servizio idrico, costituito da presa e sollevamento, trattamento di potabilizzazione, distribuzione all utenza, collettamento in fognatura delle acque reflue, trattamento di depurazione (linea acque e linea fanghi) e scarico delle acque trattate (tabella 1). In tabella 1 sono indicate le aree del servizio idrico in cui si può perseguire un efficientamento energetico mediante un ottimizzazione a livello gestionale. Per completezza, la tabella 1 riporta anche gli ambiti in cui avrebbero un ruolo importante tecnologie energeticamente più efficienti (però con rilevanti interventi strutturali) e il recupero energetico, non affrontate però nel presente contributo. Tab. 1 Quadro sintetico dei trattamenti dell acqua e delle reti con indicazione dei consumi percentuali. In grigio le aree prioritarie ai fini dell efficientamento energetico. Ottimizzazione a livello gestionale % del consumo elettrico totale del settore* Dispositivi coinvolti Settore - Acque potabili Presa/sollevamento Superficiali =10% - pompaggi acque grezze Sotterranee =30% - building X X - trattamenti vari - miscelazione Trattamento di - aerazione 10% potabilizzazione - pompaggi vari X X X - gestione fanghi - building Distribuzione 65% - pompaggi X X X Settore - Acque reflue Fognatura 10-20% - pompaggi X Trattamento di - trattamenti vari depurazione, linea 55-60% - miscelazione X X X X acque - aerazione - pompaggi vari Trattamento di - gestione fanghi depurazione, linea 15-35% - disidrataz. fanghi X X X fanghi - building Scarico - - pompaggi o condotte a gravità X Legenda: * dati tipici tratti da [1],[6]. 44

57 La presa delle acque grezze, ed in particolare i pompaggi associati, può comportare elevati consumi elettrici nel caso di elevata distanza planimetrica dalla fonte al punto di utilizzo, o per la profondità dei pozzi. Per esempio, a Stoccarda si consumano 1.1 kwh/m 3 per il solo pompaggio delle acque grezze, al fine di trasportare le acque del lago di Costanza per una distanza di circa 150 km [7]. In questi casi l ottimizzazione dei pompaggi è prioritaria, ma anche la riduzione delle perdite nelle reti assume un ruolo importante ai fini del risparmio energetico (Tabella 1). I trattamenti di potabilizzazione delle acque grezze sono associati a consumi elettrici molto variabili, a seconda dei trattamenti implementati, e crescenti nei casi di scarsità delle risorsa idrica (fino a 4 kwh/m 3 in California). I consumi elettrici per presa + sollevamento + trattamento sono dell ordine di kwh/m³ nel caso di trattamento convenzionale, ma possono triplicare o più nel caso di trattamenti avanzati. Complessivamente, i trattamenti di potabilizzazione non costituiscono il comparto più energivoro dell intero sistema di approvvigionamento idropotabile, poiché comportano circa il 10% dei consumi elettrici totali (Tabella 1). L efficientamento energetico in tale sistema non può escludere quindi i problemi dei pompaggi e delle perdite nelle reti. Il consumo energetico per la distribuzione delle acque potabili all utenza è riconducibile principalmente ai pompaggi e dipende da topografia, distanze, materiali e diametri dei tubi, pressione dell acqua, età della rete. Tuttavia, la problematica più importante sono le perdite d acqua, che possono arrivare fino al 50% [8] e che si ripercuotono indirettamente sui costi energetici, costituendo una voce molto importante nell obiettivo di efficientamento energetico del sistema di approvvigionamento idropotabile. L efficientamento energetico nel collettamento delle acque reflue in fognatura riguarda i pompaggi e, indirettamente, l immissione di acque bianche e parassite che, quando convogliate al depuratore, causano consumi energetici per i sollevamenti senza un reale vantaggio per la qualità delle acque (il beneficio è limitato alle acque di prima pioggia). L efficientamento energetico degli impianti di depurazione è piuttosto rilevante dato che impianti di potenzialità tra 10,000 e 100,000 AE comportano consumi elettrici di kwh/m³ [2]. Le opportunità per realizzare risparmi energetici nei depuratori dipendono dai comparti presenti nella filiera, ma in genere sono numerose, come indicato nel seguente 4. Opportunità di produzione di energia (tabella 2) si presentano negli acquedotti e negli impianti di depurazione (mini-hydro su acquedotti o scarichi depurati), ma tali interventi sono sostenibili se abbinati ad interventi di risparmio energetico nelle filiere. Complessivamente, considerando l intero servizio idrico, i consumi elettrici possono differire molto da nazione a nazione, con range di kwh/m³ in nazioni europee, fino a range di kwh/m³ in alcuni stati USA, escludendo ovviamente il consumo elettrico per l uso dell acqua da parte dell utenza (abitazioni, attività produttive). 4. Descrizione delle varie soluzioni di risparmio energetico nel trattamento dell acqua Il risparmio energetico ottenibile nel trattamento delle acque mediante applicazione di soluzioni gestionali di cui sia stata già confermata la fattibilità e la validità a scala reale, comporta una riduzione dei consumi elettrici fino al 30% circa, con un tempo di payback in genere entro i 4 anni. In Tabella 2 è riportata una lista, non esaustiva, di soluzioni per l efficientamento energetico con indicazione del risparmio percentuale 45

58 ottenibile e, in alcuni casi, del tempo di pay-back. I valori indicati sono orientativi, in quanto la reale riduzione dei consumi dipende da vari fattori specifici dell impianto di trattamento, tra cui anche l età dell impianto stesso. In genere, su impianti datati è possibile realizzare maggiori ottimizzazioni e quindi maggiori risparmi energetici; per esempio, in un impianto di depurazione con aerazione funzionante in continuo con concentrazioni di ossigeno disciolto (OD) in vasca di ossidazione molto alte, soprattutto durante le ore notturne, l applicazione del controllo automatizzato dell aerazione comporta risparmi energetici tanto maggiori quanto maggiori sono gli esuberi di ossigeno nella situazione iniziale. Tab. 2 Quadro sintetico di varie soluzioni per l efficientamento energetico nei comparti di impianti di trattamento dell acqua, con indicazione dei risparmi ottenibili. Comparto Soluzioni per l efficientamento energetico dell impianto Componenti comuni tra gli impianti Manutenzione preventiva e piano di manutenzione Vari comparti dettagliato e ben definito per tutti i componenti/apparecchiature Vari comparti Vari comparti Vari comparti Contabilizzazione dei consumi elettrici suddivisi per i vari comparti Sostituzione di apparecchiature, motori o pompe obsolete in termini di efficienza energetica, o sottoposte a varie modificazioni (riavvolgimenti, accoppiamenti motore/girante), con modelli nuovi e motori ad alto rendimento Verifica di sovradimensionati nelle apparecchiature a velocità fissa. Applicazione di inverter per ridurre la frequenza dei motori rispetto a quella nominale, considerando che la potenza assorbita dipende dal cubo del numero di giri del motore. Efficientamento building per riduzione consumi elettrici Building in riscaldamento/raffrescamento, illuminazione interna Efficientamento illuminazione utilizzando lampade a Illuminazione esterna basso consumo, controllo crepuscolare,. Impianti di potabilizzazione Pompaggi (presa, Installazione di inverter su pompe funzionanti a velocità distribuzione) fissa Installazione di inverter su pompe sovradimensionate ad alta pressione funzionanti con strozzature (sovradimensionamenti motivati da possibili intasamenti, variazioni stagionali del livello falda, influenza tra pozzi Pompaggi vicini). Il controllo delle pompe avviene in modo (sollevamento da pozzi) continuo mediante inverter in configurazione multipompa, anziché in modalità on-off. Si ottiene un ulteriore risparmio energetico ed un prolungamento della vita utile della pompa. Processo di coagulazione/flocc./sed. + filtrazione Processo di coagulazione/flocc./sed. + radiazioni UV Ottimizzazione del processo di coagulazione (ph, dosaggi, ) per un risparmio energetico nella successiva filtrazione, dovuto ad un minore contenuto di solidi e quindi minori fasi di controlavaggio dei filtri. Ottimizzazione del processo di coagulazione (ph, dosaggi, ) per un risparmio energetico nel successivo trattamento UV, dovuto ad una minore concentrazione di DOC. Risparmio energetico ( * ),(#) < 5% < 5% 3-7% n.d. ( ) 10% 10% 33% pay-back:4 anni ( ) 15-20% pay-back:2.5 anni 25% pay-back:1 anno 5-10% 35% 46

59 Impianti di depurazione Pompaggi (sollevamento) Sedimentazione primaria Sistemi di aerazione in vasca di ossidazione Aerazione continua in vasca di ossidazione Aerazione continua in vasca di ossidazione Aerazione ad intermittenza in vasca di ossidazione Miscelazione in denitrificazione Funzionamento delle pompe nel punto di lavoro ottimale, impiego di inverter al posto di serrande o valvole di strozzamento Una più spinta rimozione di SST, COD e BOD 5 mediante chemicals in sedimentazione primaria permette di ridurre il consumo energetico per l aerazione in ossidazione del 25% e aumentare la produzione di biogas nella digestione anaerobica (garantire capacità di denitrificazione) Installazione di aeratori a bolle fini e ad alta efficienza (per esempio aeratori a piastre), con elevata capacità di ossigenazione, in modo da aumentare i kgo 2 /kwh trasferiti Controllo dell OD in vasca per fornire l aria strettamente necessaria a mantenere la concentrazione desiderata (setpoint) + inverter su soffianti Controllo di parametri di processo quali OD e NH 4 -N per fornire l aria strettamente necessaria al rispetto dei limiti allo scarico + inverter su soffianti Controllo di parametri di processo quali NH 4 -N e/o NO 3 - N o altri per accensione/spegnimento soffianti + mixer + (eventuale) inverter su soffianti Fermo del 50% del numero dei mixer in predenitrificazione senza peggioramento della rimozione dell azoto. Ottimizzazione della portata di ricircolo della miscela aerata mediante sensore online di NO 3 -N all uscita della vasca di pre-denitrificazione. < 30% Pay-back: anni 25% 25% 15% Pay-back:2-3 anni 20-30% Pay-back:2-3 anni 0-20% (+consumo mixer) n.d. ( ) 16% Ricircolo miscela aerata Pay-back: 3.5 anni ( * ) le percentuali indicate non vanno intese come valori cumulabili nell ipotesi di applicazione di varie soluzioni contemporaneamente. (#) le percentuali indicano il rispamio ottenibile rispetto al consumo del comparto precedentemente all implementazione della miglioria. ( ) sono riportati risultati di più esperienze a confronto. ( ) dato non disponibile. Nella produzione di acque potabili, l efficienza energetica riguarda il trattamento dell acqua, ma soprattutto i pompaggi, la rete di distribuzione e l uso della risorsa. Infatti il risparmio della risorsa acqua (utenze e perdite) si traduce anche in un risparmio energetico. Singoli interventi di efficientamento energetico sui trattamenti e sui pompaggi costituiscono un utile sforzo, ma riduttivo in presenza di elevate perdite delle reti con spreco di risorsa e di energia. L efficientamento energetico coinvolge quindi l intero sistema di approvvigionamento idropotabile anziché il singolo trattamento. Per esempio una riduzione della pressione in rete nei momenti di minimo consumo permette un risparmio energetico ma anche un contenimento delle perdite delle reti con un risparmio di risorsa e di costi per il suo trattamento. Per quanto riguarda l efficienza energetica dei pompaggi (sollevamento acque grezze, controlavaggio filtri acque potabili, sollevamento acque reflue, ricircoli dei fanghi, ecc.), i principali aspetti a cui prestare attenzione sono: 1) funzionamento delle pompe in prossimità del punto di lavoro ottimale (massimo rendimento), determinabile in base alle curve della pompa e alle curve del circuito idraulico; 47

60 fognatura scarico Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua 2) dotazione delle apparecchiature dimensionate sui carichi massimi con variatori di velocità (cioè dispositivi che modificano il numero di giri, quali soft-starter o inverter), così da far funzionare il motore alla potenza necessaria anziché costantemente al massimo regime. Le operazioni di miscelazione (coagulazione, denitrificazione, ) possono avvenire con installazione di mixer di potenza esuberante rispetto alle necessità. Considerando che i miscelatori sono spesso funzionanti in modo continuativo, un sovradimensionamento di 1 kw di potenza nominale si traduce in un surplus di consumo elettrico di almeno 1000 Euro/anno. Negli impianti di depurazione, è l aerazione delle vasche biologiche ad incidere maggiormente sui consumi energetici, che possono variare ampiamente dal 30 al 70% del consumo complessivo dell impianto. Le percentuali più alte si riscontrano in vasche in cui l OD non viene controllato, potendo fluttuare ben oltre i 2 mg/l, adeguati per i processi aerobici. Per efficientare il sistema di aerazione, le portate d aria insufflate vengono modulate mediante inverter applicati ai compressori e mediante controllo di processo (PID, logiche fuzzy, ) basato sul monitoraggio, singolo o in simultanea, delle concentrazioni di OD e/o NH 4 con sonde on-line nel reattore (Figura 1). Modulando in questo modo la portata d aria delle soffianti, si possono ottenere risparmi energetici superiori al 30% con tempi di pay-back di qualche anno. Opportune logiche di controllo permettono anche di alternare processi di ossidazione/nitrificazione e denitrificazione nella medesima vasca in cui le fasi si susseguono ad intermittenza, spegnendo le soffianti per prefissati intervalli temporali (open loop control) o in funzione di set-point di NH 4 e/o NO 3 (feedback control o closed-loop control). In questa configurazione, che permette di ridurre l aerazione per il 20-40% del tempo, si rende necessaria tuttavia la miscelazione dei fanghi attivi durante le fasi non aerate: per ottimizzare tale operazione è bene posizionare i mixer in modo appropriato rispetto alla geometria della vasca ed evitare di installare un eccessiva potenza meccanica per non vanificare il risparmio energetico indotto dalla mancata aerazione. P Processo O VM Strumento di controllo Set-point OD debatterizzaz. griglia grossolana stacciatura dissabbiatore aerato denitrificazione ossidazione NH 4 sedimentatore secondario dalla linea fanghi ricircolo miscela aerata ricircolo fanghi di supero alla linea Fig. 1 Schema del controllo dell aerazione in vasca di ossidazione mediante misura di OD e NH 4. Legenda: P = perturbazione; O = output; VM = variabile manipolata. 48

61 Nella linea fanghi di un depuratore, la presenza della stabilizzazione aerobica comporta la necessità di aerare il digestore: anche in questo caso, l insufflazione d aria ad intermittenza può contenere i consumi elettrici. In certi casi la vasca di stabilizzazione aerobica funge da accumulo dei fanghi prima della disidratazione: in tal caso la variazione del livello in vasca porta ad un esubero dell aerazione nei momenti a basso tirante e ad un conseguente dispendio energetico, difficilmente controllabile con le sole valvole a regolazione manuale. 5. Conclusioni Le soluzioni di efficientamentro energetico degli impianti di trattamento dell acqua sono molteplici (Tabella 2), affidabili e presentano tempi di pay-back relativamente brevi, spesso dell ordine di 2-3 anni o inferiore. Il risparmio energetico ottenibile con soluzioni gestionali applicabili a breve termine e con costi minimi può arrivare a circa il 30%. Un piano di efficientamento energetico, tuttavia, richiede di conoscere in dettaglio i consumi elettrici dei singoli comparti di un impianto di trattamento, al fine di evidenziare le zone di inefficienza e poter misurare i risparmi conseguibili dopo l implementazione. L applicazione di soluzioni di risparmio energetico migliora con la diffusione di positivi case-study e good practices che divulgano i benefici derivanti dall implementazione di particolari soluzioni, oltre che con la disponibilità di benchmark tools in grado di comparare l impianto con altri casi aiutando nel processo decisionale. 5. Bibliografia [1] STOWA & KWR (2010) Energy efficiency in the European water industry. A compendium of best practices and case studies. KWR, Watercycle Research Insititute, The Netherlands, February [2] Campanelli M., Foladori P., Vaccari M. (2013) A cura di. Consumi elettrici ed efficienza energetica nel trattamento delle acque reflue. Maggioli Editore. In corso di stampa. [3] Environmental Protection Agency (2008) Ensuring a Sustainable Future: An Energy Management Guidebook for Wastewater and Water Utilities. USA, January [4] Foladori P., Bonacina G., Andreottola G. (2013) La misura dell'efficienza energetica negli impianti di trattamento delle acque reflue. Forum Telecontrollo, 13 a Edizione, Bologna, novembre [5] Bonacina G. (2013) Il sistema di misura come strumento per la gestione dell energia. In: Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua. 49 a Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria-Ambientale. Università di Brescia. Genova, ottobre [6] The World Bank (2012) A primer on energy efficiency for municipal water and wastewater utilities. Technical Report 001/12. Energy Sector Management Assistance Program. [7] Meda A., Cornel P. (2010). Energy and Water: Relationships and Recovery Potential. In: Proceedings of the IWA Conference on Water and Energy. Amsterdam, November [8] UNESCO (2009) Water in a Changing World. The United Nations World Water Development Report 3. UNESCO Publishing. 49

62 Il consumo energetico negli impianti di depurazione Mentore Vaccari*, Francesco Vitali* Paola Foladori + *DICATAM, Università di Brescia, Brescia, vaccari@ing.unibs.it + DICAM, Università di Trento, Trento Riassunto Il consumo di energia elettrica negli impianti di depurazione è influenzato da diversi fattori, quali localizzazione e dimensione dell impianto, origine e caratteristiche qualiquantitative delle acque reflue in ingresso, condizioni idrauliche, configurazione della filiera di depurazione, età e stato di manutenzione dell impianto, efficienza energetica dei dispositivi installati. I risultati di una recente indagine svolta dal GdL Gestione impianti di depurazione, che verranno pubblicati nella loro interezza in una monografia di prossima uscita, mostrano che esiste una correlazione molto buona tra il consumo energetico complessivo dell impianto e numero di abitanti equivalenti serviti, volume di liquame trattato e massa di COD rimosso. L indagine ha inoltre messo chiaramente in evidenza un importante effetto scala: gli impianti di maggiori dimensioni presentano minori consumi energetici specifici riferiti a metro cubo di liquame trattato e chilogrammo di COD rimosso. 1. Introduzione In Italia il consumo totale nazionale di energia elettrica è pari a circa 300 miliardi di kwh; di questi, si stima che circa il 2,5% (i.e. 7,5 miliardi di kwh/a) sia assorbito dal servizio idrico integrato. Il costo totale relativo al consumo di energia elettrica nel servizio idrico integrato, ipotizzando una tariffa di 0,15 E/kWh, può essere pertanto quantificato in circa 1,0-1,1 miliardi di euro/anno [1]. Il piano di ottimizzazione e riorganizzazione dei servizi idrici in atto in Italia ha come obiettivo quello di creare un industria matura e competitiva per garantire standard qualitativi in linea con le richieste degli utenti. Quindi ai gestori degli impianti di depurazione sarà richiesta una spiccata capacità tecnico-gestionale in grado di far fronte a un mercato competitivo nel rispetto di standard qualitativi sempre più alti. Lo sviluppo dei processi di trattamento ha permesso di ottenere standard qualitativi degli effluenti sempre più stringenti. Il risparmio energetico è diventato una pratica necessaria, dal momento che la richiesta di energia nel nostro paese e nel mondo sta aumentando in modo pressoché costante [2]. Il Gruppo di Lavoro Gestione impianti di depurazione, che opera dal 1998 presso la Facoltà di Ingegneria dell Università di Brescia, ha recentemente istituito un sottogruppo che si occupa del tema del risparmio energetico nell ambito del servizio idrico integrato e che a breve pubblicherà una monografia su questo argomento. Il presente articolo riassume brevemente uno degli aspetti approfonditi in tale volume: il consumo energetico negli impianti di depurazione. 50

63 2. Fattori di consumo di energia negli impianti di depurazione Il consumo specifico di energia elettrica negli impianti di depurazione è influenzato da diversi fattori, di seguito brevemente riassunti: localizzazione dell impianto: specifiche caratteristiche geografiche della zona in cui è localizzato l impianto possono influenzare i consumi energetici dell impianto come, per esempio, l altitudine (che si ripercuote su un più basso rendimento dei motori e su un minore trasferimento dell ossigeno in vasca di ossidazione) o la dislocazione in zone decentralizzate o montane in cui è meno frequente l ottimizzazione energetica per una minore permanenza degli operatori; dimensione dell impianto di depurazione: la potenzialità può essere espressa in termini di AE di progetto o AE realmente trattati dall impianto ed influenza, oltre alle volumetrie dei comparti, anche il numero e la taglia delle apparecchiature elettromeccaniche installate. In genere, gli impianti di maggiori dimensioni risultano energeticamente più efficienti rispetto a quelli piccoli, grazie ad economie di scala e maggiore capacità di laminazione dei picchi di carico; origine delle acque reflue in ingresso: se di origine domestica, urbana od industriale, possono comportare la necessità di pre- o post-trattamenti diversi, più spinti nel caso di reflui industriali; caratteristiche quali-quantitative delle acque reflue in ingresso: concentrazione di COD, BOD5, composti azotati e del fosforo, temperatura, portata sono tra i parametri fondamentali che influenzano i consumi energetici; condizioni idrauliche: fattori di influenza principali sono l infiltrazione di acque parassite nella rete, la necessità di sollevamento delle acque in testa all impianto, il profilo idraulico dell impianto; configurazione della filiera di depurazione: fattori di influenza sono la presenza o meno della sedimentazione primaria, la configurazione del processo biologico che può essere a fanghi attivi, a biomassa adesa o con bioreattori a membrana, l implementazione di trattamenti per la rimozione dell azoto e/o del fosforo, la presenza o meno della filtrazione finale, la stabilizzazione del fango aerobica o anaerobica nella linea fanghi. Il rispetto di limiti nell effluente più restrittivi e il conseguente utilizzo di trattamenti spinti per conseguire tali obiettivi di qualità, implica in genere maggiori consumi energetici; età e stato di manutenzione dell impianto: le apparecchiature elettromeccaniche diminuiscono inevitabilmente la loro efficienza nel corso della vita utile di funzionamento; i consumi elettrici per la movimentazione dei liquami aumentano in quanto aumenta la scabrezza delle tubazioni inducendo maggiori perdite di carico distribuite. Un regolare e adeguato piano di manutenzione e sostituzione di attrezzature logore o obsolete può risultare in significativi risparmi energetici; efficienza energetica dei dispositivi installati: i consumi sono influenzati dal grado di efficienza energetica delle apparecchiature elettromeccaniche installate quali pompe, compressori, ma anche dalla tipologia dei dispositivi di 51

64 insufflazione dell aria che possono presentare differente efficienza di trasferimento dell ossigeno. 3. Consumi energetici negli impianti di depurazione: indicazioni in letteratura È noto, dalla letteratura e dalle esperienze gestionali, che, in un impianto di depurazione convenzionale che tratta acque reflue urbane, circa il 30% dei costi gestionali è imputabile ai consumi energetici. Come ordine di grandezza, i consumi di energia elettrica variano nell intervallo 0,40 0,70 kwh/m 3, a seconda del tipo di impianto e della dimensione. Negli impianti a fanghi attivi convenzionali dotati di digestione anaerobica del fango, il consumo di energia elettrica risulta compreso tra 10 e 40 kwh/ae*a, mentre in quelli muniti di digestione aerobica il consumo sale a kwh/ae*a. L ossidazione biologica rappresenta la sezione a maggior incidenza percentuale (50-65% sul consumo totale), seguita dalla linea di trattamento dei fanghi (che può raggiungere il 20%) e dalla fase di sollevamento (circa 15%) (Fig. 1). Fig. 1 Distribuzione dei consumi energetici in un impianto di depurazione convenzionale [4] Nel caso di impianti dotati di trattamenti spinti per la depurazione delle acque di scarico, i quantitativi richiesti di energia elettrica risultano essere superiori [3]. Se ad esempio il trattamento biologico è finalizzato alla rimozione dei nutrienti e l impianto è dotato di filtrazione finale, il quantitativo di energia elettrica utilizzato per le fasi di aerazione, sollevamento e trattamento dei fanghi risulta superiore del 30-50% rispetto ad un tradizionale processo a fanghi attivi (Fig. 2). 52

65 Fig. 2 Confronto fra l energia elettrica impiegata in diverse tipologie di processo di trattamento in funzione della portata [4] 4. L indagine del Gruppo di Lavoro Il Gruppo di Lavoro ha svolto un indagine sul consumo energetico degli impianti di depurazione che ha preso in esame i dati riferiti all anno 2010 di 253 impianti a fanghi attivi; la suddivisione in classi di potenzialità del campione di impianti analizzato è riportata in Fig. 3. Sulla base dei dati raccolti e dei criteri statistici di esclusione, il campione finale su cui sono state fatte le rielaborazioni è risultato essere composto da 241 impianti a fanghi attivi (Figura 3). Il maggior numero di impianti (106, 44%) è di piccolemedie dimensioni (potenzialità compresa tra 2000 e 9999 AE): a tali impianti è però imputabile solo il 7% del carico influente di COD (espresso come AE). Gli impianti di medie-grosse dimensioni (>10000AE) sono responsabili del trattamento della maggior parte del carico inquinante (92% come somma delle due classi), pur essendo numericamente inferiori. Fig. 3 Suddivisione del campione di impianti indagato in classi di potenzialità effettiva 53

66 I risultati dell indagine mostrano che esiste un correlazione molto buona tra il consumo energetico complessivo dell impianto e numero di abitanti equivalenti serviti, volume di liquame trattato e massa di COD rimosso. In Fig. 4 si riporta, a titolo di esempio, la correlazione che esiste tra il consumo energetico di un impianto di depurazione e il volume annuo di liquame trattato; si evidenzia che il grafico è in scala bi-logaritmica. Fig. 4 Consumo energetico complessivo al variare della portata di liquame trattato L indagine ha inoltre evidenziato un importante effetto scala: gli impianti di maggiori dimensioni presentano minori consumi energetici specifici riferiti a metro cubo di liquame trattato e chilogrammo di COD rimosso. A titolo di esempio si riporta in Fig. 5 il consumo energetico per chilogrammo di COD abbattuto al variare delle diverse classi di potenzialità considerate. 5. Conclusioni Il consumo specifico di energia elettrica negli impianti di depurazione è influenzato da diversi fattori, quali localizzazione e dimensione dell impianto, origine e caratteristiche quali-quantitative delle acque reflue in ingresso, condizioni idrauliche, configurazione della filiera di depurazione, età e stato di manutenzione dell impianto, efficienza energetica dei dispositivi installati. I risultati di una recente indagine svolta dal GdL Gestione impianti di depurazione, che verranno pubblicati nella loro interezza in una monografia di prossima uscita, mostrano che esiste una correlazione molto buona tra il consumo energetico complessivo dell impianto e numero di abitanti equivalenti serviti, volume di liquame trattato e massa di COD rimosso. L indagine ha inoltre messo chiaramente in evidenza un importante effetto scala: gli 54

67 impianti di maggiori dimensioni presentano minori consumi energetici specifici riferiti a metro cubo di liquame trattato e chilogrammo di COD rimosso. Fig. 5 Consumo energetico specifico per chilogrammo di COD rimosso per classe di potenzialità Bibliografia [1] Campanelli M. (2011). Analisi del consumo e del costo energetico nel servizio idrico integrato. Atti dei seminari di Ecomondo 2011, RiminiFiera, Rimini, 9-12 novembre 2011, ISBN: [2] Vaccari M., Vitali F. (2011). Indagine del Gruppo di Lavoro Gestione impianti di depurazione sul consumo energetico degli impianti di depurazione: primi risultati. Atti dei seminari di Ecomondo 2011, RiminiFiera, Rimini, 9-12 novembre 2011, ISBN: [3] Bertanza G. (2011) Prospettive di risparmio energetico negli impianti di depurazione. Atti dei seminari di Ecomondo 2011, RiminiFiera, Rimini, 9-12 novembre 2011, ISBN: [4] Metcalf & Eddy (2006). Ingegneria delle acque reflue Trattamento e riuso. IV edizione Ed. McGraw-Hill. 55

68 Indagine del GdL «Gestione impianti di depurazione» sul consumo energetico: impianti di potabilizzazione Sabrina Sorlini, Francesca Gialdini Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e di Matematica, Università degli Studi di Brescia, Via Branze 43, Brescia sabrina.sorlini@ing.unibs.it Riassunto Vengono presentati i risultati di un indagine condotta presso dieci enti gestori riguardante i consumi di energia elettrica all interno dei 108 sistemi di approvvigionamento idropotabile di loro competenza. Nell indagine è stato possibile raccogliere i dati di consumo complessivo di energia elettrica riferito all intero sistema di approvvigionamento (comprensivo di adduzione, trattamento e distribuzione). I risultati hanno evidenziato una richiesta di energia maggiore negli impianti che trattano acque sotterranee rispetto a quelli per acque superficiali. Inoltre, il consumo complessivo di EE non risulta influenzato dal livello di complessità dell impianto. Le fasi di sollevamento hanno una evidente influenza sul consumo complessivo di EE. Infine, all aumentare della potenzialità dell impianto (sia in termini di volume d acqua emunta, sia in termini di popolazione civile servita), il consumo specifico di energia per metro cubo di acqua emunta risulta pressoché costante. 1. Introduzione Quest indagine ha lo scopo di fotografare la situazione dei consumi di energia elettrica (EE) dei sistemi di approvvigionamento idropotabile, suddivisi quando possibile tra i consumi legati all adduzione (pozzi), ai trattamenti e alla distribuzione nelle sue fasi. L indagine è stata condotta nel 2011 inviando un questionario a cui hanno risposto 10 gestori sul territorio nazionale, in modo da raccogliere i dati relativi ad un numero complessivo di 108 impianti. I dati forniti riguardano sostanzialmente il consumo complessivo di energia elettrica riferito alle fasi di adduzione, trattamento e distribuzione dal momento che non è quasi mai presente una contabilizzazione separata dell EE per queste fasi. 2. Materiali e metodi 2.1 Impianti analizzati Gli impianti sono stati selezionati in base a criteri relativi alla tipologia di fonte, all ubicazione, al tipo di trattamento e, più in generale, alle caratteristiche tecniche. Gli impianti analizzati sono stati suddivisi in base ai seguenti criteri: 56

69 - Tipologia di fonte, ovvero se superficiale o sotterranea: le acque derivanti da queste fonti sono molto diverse dal punto di vista qualitativo e necessitano di tipologie differenti di trattamento; - Tipologia di trattamento: è stata ipotizzata una classificazione coerente con quella presente in normativa (Art. 80 D. Lgs. 152/2006). Per realizzare l indagine sono stati presi contatti con 10 gestori (Tabella 1), che hanno fornito dati riguardanti un totale di 108 impianti, di cui 95 alimentati da fonti sotterranee, 9 alimentati da fonti superficiali e 4 da fonti sia superficiali che sotterranee. Gestore Regione N. impianti A Lombardia 23 sotterranea B Emilia-Romagna 6 5 sotterranee e 1 superficiale Tipologia di fonte alimentata all impianto C Lombardia 2 sotterranea D Friuli Venezia-Giulia 1 superficiale e sotterranea E Emilia-Romagna 1 sotterranea F Lombardia 52 sotterranea G Liguria 6 superficiale H Lombardia sotterranee e 2 superficiali I Sicilia 3 superficiale e sotterranea L Friuli Venezia-Giulia 1 sotterranea TOT Questionario Tab. 1 - Panoramica risposte al questionario A ciascun gestore è stato somministrato un questionario formulato con lo scopo di individuare la tipologia di impianto, i consumi e i costi dovuti a tali consumi di EE, secondo la seguente struttura: generalità sull impianto: identificazione del quadro generale riguardo la tipologia di trattamenti adottati; consumi annui di EE complessivi e suddivisi tra adduzione, trattamento e distribuzione; costi operativi e dettaglio costi di EE: definizione dell incidenza dell EE sul bilancio dei costi ascrivibili ad un impianto di trattamento. 3. Risultati 3.1 Tipologia di trattamento L analisi degli schemi di trattamento ha permesso di classificare gli impianti nelle seguenti categorie: 57

70 Energia/acqua emunta (kwh/m 3 ) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua Categoria L0: disinfezione: 12 impianti; Categoria L1: trattamento fisico semplice e disinfezione: 3 impianti; Categoria L2: trattamento fisico e chimico normale e disinfezione: 54 impianti; Categoria L3: trattamento fisico e chimico spinto, affinamento e disinfezione: 34 impianti. 3.2 Confronto dati di consumo di EE per tipologia di trattamento La Figura 1 mostra la correlazione tra il consumo totale specifico di EE per metro cubo d acqua emunta in funzione del tipo di trattamento adottato Valor medio L0 L1 L2 L3 Categoria di appartenenza Fig. 1 - Relazione tra il consumo specifico di EE e tipologia di trattamento Ad eccezione della prima categoria (L0), si osserva un aumento del valor medio di energia specifica passando da L1 ad L3, fatto ragionevole dovuto alla crescita della complessità d impianto. Il valore minimo di L2 è molto basso perché si riferisce ad un impianto che funziona a gravità. Il consumo di energia elettrica complessivo comprende i consumi legati non solo al trattamento, ma anche ad adduzione, eventuali sollevamenti intermedi e rilanci in rete. Per quantificare il peso delle fasi di movimentazione dell acqua sui consumi energetici totali vengono messi in relazione i consumi energetici e il numero di sollevamenti dell impianto (Figura 2). 58

71 Energia/ acqua emunta (kwh/m 3 ) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua N=53 N= N= N= Numero di sollevamenti Fig. 2 - Relazione tra il consumo specifico di EE e numero di sollevamenti 1 (la linea rossa unisce i valori medi; N: numero di impianti) A conferma del fatto che la movimentazione dell acqua ha un forte peso sui consumi energetici, si osserva un aumento dell energia specifica all aumentare del numero di sollevamenti. Si precisa che gli impianti con zero sollevamenti (che sono impianti a gravità) sfruttano fonti superficiali. 3.3 Confronto dati per tipologia di fonte Fonti sotterranee Uno dei fattori che può influenzare il consumo di energia elettrica è il volume d acqua emunta. In Figura 3 vengono messi in relazione i dati di consumo specifico di energia per metro cubo di acqua emunta con il volume d acqua emunta stesso. Si osserva che la maggior parte degli impianti in esame ricade nella classe di potenzialità che va da 0 a di metri cubi d acqua emunta in un anno. L impianto D1, non paragonabile per dimensioni a tutti gli altri, è l unico alimentato sia da fonti superficiali che sotterranee. Si nota una certa dispersione attorno al valor medio (pari a 0,48 kwh/m 3 circa), soprattutto per valori di acqua emunta bassi. 1 0 sollevamenti: funzionamento a gravità; 1 sollevamento: pompaggio iniziale o rilancio in rete; 2 sollevamenti: pompaggio iniziale + rilancio in rete o pompaggio iniziale + sollevamento intermedio; 3 sollevamenti: sollevamento intermedio oltre al pompaggio iniziale e al rilancio in rete. 59

72 EE/acqua emunta (kwh/m 3 ) Energia/ acqua emunta (kwh/m 3 ) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua D1 media ,000,000 40,000,000 60,000,000 Acqua emunta (m 3 ) Fig. 3 - Relazione tra il consumo specifico di EE e acqua emunta Un altro fattore che influenza il consumo di energia elettrica è la popolazione civile servita. Vengono quindi messi in relazione i dati di consumo specifico di energia per metro cubo di acqua emunta con la popolazione civile servita (Figura 3). Si osserva che la maggior parte degli impianti in esame ricade nella classe di potenzialità che va da 0 a abitanti e, come nel caso precedente, anche qui si osserva una forte dispersione dei dati intorno al valore medio , , , , ,000 Popolazione civile servita (abitanti) Fig. 4 - Relazione tra il consumo specifico di EE e popolazione civile servita 60

73 Energia/ acqua in ingresso (kwh/m 3 ) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua Fonti superficiali Analogamente, anche per i sistemi di approvvigionamento da acque superficiali, in Figura 4 vengono messi in relazione i dati di consumo specifico di EE per metro cubo di acqua emunta con il volume d acqua emunta stesso H H7 G6 G4 G1 G2 G3 0 20,000,000 40,000,000 60,000,000 Acqua in ingresso (m 3 ) G5 B1 D1 Fig. 5 - Relazione tra energia specifica e acqua emunta Si nota che si tratta di impianti eterogenei tra loro e in numero troppo esiguo per poter individuare delle tendenze. Vengono di seguito analizzati i casi degli impianti i cui consumi specifici si discostano maggiormente dal valor medio, in particolare si osserva che: l impianto H10 presenta un elevato consumo di EE per la presenza di due prese a lago (a circa 37 metri di profondità), una disinfezione con una batteria di quattro lampade UV e due pompe di rilancio; gli impianti i cui consumi si trovano al di sotto di 0,1 kwh/m 3 (G1, G2, G3 e G5) sono molto simili tra loro, appartenenti alla categoria L2, dotati di linea fanghi, che funzionano a gravità. L assenza di pompaggi è quindi il fattore fondamentale che determina valori di consumo molto più bassi della media. In Figura 5 vengono messi in relazione i consumi di energia elettrica e la popolazione civile servita. Vengono quindi messi in relazione i dati di consumo specifico di energia per metro cubo di acqua emunta con la popolazione civile servita. Analogamente all analisi precedente si riscontra l eterogeneità degli impianti che, peraltro, sono in numero troppo esiguo per poter individuare una evidente tendenza. 61

74 Energia/ acqua in ingresso (kwh/m 3 ) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua H G6 H 7 D1 G4 B1 G1 G2 G3 G , , , , ,000 Popolazione(abitanti) Fig. 6 - Relazione tra energia specifica e popolazione civile servita 3.4 Confronto tra tipologia di fonte Il consumo specifico di energia elettrica per metro cubo di acqua emunta è mediamente più alto nel caso degli impianti che prelevano da fonte sotterranea rispetto a quelli che prelevano da fonte superficiale (Tabella 2). EE/acqua emunta (kwh/m 3 ) Numero di valore valore valore impianti massimo minimo medio Fonte sotterranea 93 1,064 0,247 0,482 Fonte superficiale 10 1,044 0,009 0,267 Tab. 2 - Confronto consumi specifici di energia elettrica tra impianti che prelevano da fonte sotterranea e da fonte superficiale Nel dettaglio si passa da un valore medio di 0,482 kwh/m 3 per impianti che prelevano da fonte sotterranea ad un valore di 0,267 kwh/m 3 per impianti che prelevano da fonte superficiale. Si tratta di una differenza notevole (intorno al 45%), legata presumibilmente al fatto che nel caso di acque superficiali, nonostante in genere necessitino di un maggior numero di trattamenti per la potabilizzazione, il consumo di EE associato ai pompaggi è esiguo. Questi risultati trovano riscontro nei dati di letteratura [1], a partire dai quali è stato stimato un consumo specifico di 0,48 kwh/m 3 per le acque sotterranee e di 0,37-0,40 kwh/m 3 per le acque superficiali. 62

75 4. Conclusioni I dati acquisiti dimostrano che il consumo di EE negli impianti di potabilizzazione è strettamente correlato alla fonte di approvvigionamento, presentando una richiesta di energia maggiore negli impianti per il trattamento delle acque sotterranee (0,482 kwh/m 3 ) rispetto a quelli per le acque superficiali (0,267 kwh/m 3 ). Viceversa, il consumo complessivo di EE non risulta influenzato dal livello di complessità dell impianto, vista la scarsa incidenza del consumo di EE associato al trattamento rispetto al consumo complessivo. L influenza delle fasi di sollevamento sul consumo complessivo di EE risulta molto evidente, passando da un consumo medio di 0,020 kwh/m 3 in assenza di sollevamenti ad un consumo di 0,54 kwh/m 3 in presenza di 4 sollevamenti. Emerge inoltre che all aumentare della potenzialità dell impianto (sia in termini di volume d acqua emunta, sia in termini di popolazione civile servita), il consumo specifico di energia per metro cubo di acqua emunta risulta pressoché costante. Ringraziamenti Si ringraziano i gestori che hanno collaborato all indagine: BrianzAcque (MB), Hera Bologna (BO), AEM Cremona (CR), AcegasAps (TS), AIMAG (MO), Padania Acque Gestione (CR), Iren Acqua Gas (GE), AOB2 (BS), AMAP (PA), AMGA Udine (UD). Si ringraziano inoltre l Ing. Silvia Gibellini e l Ing. Giulia Raffelli per avere partecipato all indagine nell ambito della tesi di laurea. Infine, un ringraziamento all Ing. Andrea Pollmann e Michela Biasibetti per la collaborazione in fase di elaborazione dei dati. Bibliografia [1] Elliot T., Zeier B., Xagorarachi I and Harrington G. W. (2003). Energy use at Wisconsin s Water treatment facilities. Report Wisconsin Focus on Energy. 63

76 Analisi del consumo energetico dell impianto di potabilizzazione di Borgo S. Giacomo Michela Biasibetti, Sabrina Sorlini, Francesca Gialdini Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e di Matematica, Università degli Studi di Brescia, Via Branze 43, Brescia michela.biasibetti@ing.unibs.it Riassunto Nel presente studio si riporta l analisi dei consumi energetici dell impianto di potabilizzazione di Borgo S. Giacomo, situato in provincia di Brescia e gestito da AOB2. Lo studio si articola nelle seguenti fasi: - descrizione delle generalità dell impianto in termini di portata, popolazione civile servita, caratteristiche della fonte e filiera di trattamento; - elenco delle apparecchiature responsabili del consumo di energia per ciascuna macro-fase del sistema di approvvigionamento idropotabile; - analisi dei consumi energetici complessivi, dei consumi suddivisi per adduzione, trattamento e distribuzione e dei consumi relativi al solo trattamento. 1. Introduzione In Italia il consumo totale nazionale di energia elettrica è pari a circa 300 miliardi di kwh all anno; di questi, si stima che circa il 2% sia assorbito dal servizio idrico integrato, valore in linea con quanto reperibile nella letteratura internazionale per paesi con un livello tecnologico nel settore idrico comparabile a quello italiano [1]. In particolare, tale consumo è dovuto per il 25% al sistema di approvvigionamento idropotabile, che comprende le operazioni che vanno dal prelievo dell acqua alla fonte fino alla consegna finale all utenza (contatore), e per il restante 75% al collettamento, alla depurazione e allo scarico delle acque reflue [1]. Nello specifico, in un sistema di approvvigionamento idropotabile la maggior parte dell energia consumata è associata alle operazioni di mobilitazione dell acqua (adduzione e distribuzione), in particolare nei sistemi di pompaggio [2]. Le pompe infatti sono impiegate per il sollevamento dell acqua grezza, per eventuali sollevamenti intermedi, per il trasporto dell acqua trattata e per eseguire il controlavaggio dei filtri. Il consumo energetico associato all impianto di trattamento in presenza di processi convenzionali (ad esempio filtrazione a sabbia, filtrazione su GAC, chiariflocculazione, disinfezione) rappresenta invece una minima parte, circa il 2% del consumo complessivo [3]. Nel caso in cui vengano applicati trattamenti a maggiore consumo energetico (come ad esempio ozono, lampade UV, membrane) i consumi risultano rilevanti (circa il 25% del totale), anche se la componente di consumo maggiore rimane associata alle pompe per i sistemi di sollevamento. L esperienza presentata in questo lavoro si inserisce nell'ambito dell'attività del Gruppo di Lavoro Gestione impianti di depurazione ed in particolare nel sottogruppo Risparmio energetico nel servizio idrico integrato, che ha effettuato un'indagine 64

77 finalizzata a rilevare i consumi energetici di diversi impianti di potabilizzazione in Italia. Nello specifico, questo lavoro presenta un analisi dei consumi energetici nell impianto di potabilizzazione di Borgo S. Giacomo, situato in provincia di Brescia e gestito da AOB2. Sono stati suddivisi i consumi legati all adduzione, ai trattamenti e alla distribuzione. Inoltre, sono stati rilevati con maggiore dettaglio i consumi energetici associati a ciascun trattamento presente nell impianto, al fine di quantificarne l incidenza percentuale sul consumo energetico totale. 2. Generalità impianto 2.1 Portata, popolazione servita, caratteristiche della fonte L impianto di potabilizzazione di Borgo S. Giacomo, a servizio di una popolazione civile di 3000 abitanti, preleva acqua di falda. Il livello statico della falda è m sotto il piano campagna, il livello dinamico è m sotto il piano campagna: si tratta quindi di una falda in pressione. La portata annua emunta è pari a circa m 3 /anno, mentre la portata annua erogata è pari a circa m 3 /anno. La differenza tra queste portate (del 10% circa) è imputabile a consumi interni di acqua legati ai controlavaggi del filtro a sabbia. Gli inquinanti presenti nell acqua grezza in ingresso all impianto di trattamento sono riportati in Tabella 1. Concentrazione in ingresso µg/l Concentrazione in uscita µg/l Fe < Mn <5 50 H 2 S tracce - - As Limiti D.Lgs. 31/2001 µg/l Tab. 1 - Concentrazione in ingresso e in uscita degli inquinanti presenti (funzionamento con ozono, anno 2011) La fonte è caratterizzata da una concentrazione di ferro ampiamente al di sopra del limite imposto dal D.Lgs. 31/2001 ed una concentrazione di manganese prossima al limite normativo; inoltre, è situata in una zona potenzialmente soggetta alla presenza di arsenico che risulta ad oggi presente in basse concentrazioni. 2.2 Filiera di trattamento Dal punto di vista del trattamento (Figura 1) l impianto è costituito essenzialmente da uno stadio di filtrazione su sabbia (un modulo), preceduto da una fase di ossidazione con ozono. Viene poi dosato ipoclorito di sodio per la disinfezione prima della distribuzione in rete. Inoltre l impianto necessita di 3 sollevamenti: adduzione, carico al serbatoio pensile e sollevamento delle acque di controlavaggio in fognatura. 65

78 O3 NaClO falda ossidazione Filtro a sabbia Accumulo e disinfezione Serbatotio pensile rete Raccolta acque contro lavaggio fognatura Pompa di sollevamento Fig. 1 - Schema a blocchi dell'impianto di trattamento In Tabella 2 vengono elencate le apparecchiature responsabili del consumo di energia per ciascuna macro-fase del sistema di approvvigionamento idropotabile. Adduzione Trattamento acque Trattamento fanghi Ossidazione con ozono Filtro a sabbia Disinfezione Pompa pozzo Compressore aria Sistema refrigerazione aria Produttore ozono Pompa di aumento pressione Pompa controlavaggio filtro Soffiante controlavaggio filtro Compressore valvole elettropneumatiche Pompa dosatrice di ipoclorito Pompa sollevamento acque controlavaggio Distribuzione Pompe di rilancio (2) Tab. 2 - Apparecchiature che consumano energia nelle diverse fasi del sistema di approvvigionamento idropotabile 3. Consumi di energia elettrica 3.1 Consumi energetici complessivi Il consumo di energia elettrica fornito dal gestore dell impianto relativamente all anno 2010 è pari a kwh/anno (Tabella 3). Il pozzo che fornisce l acqua grezza all impianto di trattamento, distante circa 300 m dallo stesso, è un utenza elettrica a sé stante, ha un suo contatore e quindi una sua lettura di consumo. Consumo EE pozzo Consumo EE (trattamento e distribuzione) Consumo EE tot kwh/anno Incidenza % Tab. 3 - Prima suddivisione del consumo di energia elettrica dell impianto di trattamento per l anno 2010 (funzionamento con ozono) 66

79 Consumo di EE (kwh) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua L incidenza dell adduzione sul consumo totale è pari al 36%. Il gestore ha fornito un ulteriore suddivisione del dato totale di consumo annuo per mensilità (Figura 2) Pozzo Trattamento e rilancio Fig. 2 - Andamento dei consumi di EE durante l'anno (funzionamento con ozono, anno 2010) I consumi mensili di energia elettrica dell impianto in esame hanno un andamento pressoché costante durante l arco dell anno, ad eccezione di un picco registrato nei mesi estivi legato alla maggiore richiesta d acqua potabile. 3.2 Consumi energetici suddivisi in adduzione, trattamento e distribuzione Per poter fare una ulteriore suddivisione del dato di consumo totale di energia elettrica è stato effettuato il monitoraggio dell impianto alla scala reale, che si articola nelle seguenti fasi: a. registrazione della tensione di alimentazione e del fattore di potenza (cos ) per ciascuna apparecchiatura elettromeccanica; b. acquisizione diretta, con l aiuto di personale specializzato e di una pinza amperometrica, dei dati di assorbimento istantanei di corrente elettrica per le varie apparecchiature elettromeccaniche; c. reperimento delle ore di funzionamento (relativamente all anno 2010) di ogni macchinario a partire dalle registrazioni, se presenti, o da stime fatte con il gestore; d. elaborazione e analisi dei dati. Il calcolo della potenza è stato effettuato utilizzando la formula: per i motori trifase 67

80 per i motori monofase dove: V I cos è la tensione di rete (Volt) è la corrente elettrica (Ampere) è il fattore di potenza, che riduce la potenza quando tensione e corrente non sono in fase Il consumo energetico di ogni sezione è quindi stato determinato dal prodotto tra la potenza calcolata ed il tempo di funzionamento. I dati recuperati ed elaborati sono riassunti in Tabella 4. Apparecchiatura Tensione V Cos Assorbimento di corrente I Potenza Calcolata P Tempo di funzionamento Consumo EE Volt - Ampere kw ore/anno kwh/anno Pozzo Croce 400 0, , ,09 Compressore aria 400 0,85 8,3 4,89 701, ,97 Sistema refrigerazione aria (frigo) Pompa di aumento pressione 230 0,9 0,3 0, , ,85 2,7 1, , ,35 Produttore ozono 400 0,85 5,3 3, ,77 Pompa controlavaggio filtro Soffiante controlavaggio filtro Compressore valvole elettropneumatiche Pompa sollevamento acque controlavaggio Pompa dosatrice di ipoclorito 400 0,86 11,8 7, , , ,01 34,33 343, ,9 7,5 1,55 24,33 37, ,9 3,5 0, , * Pompa di rilancio ,8 15,4 8, , ,43 Pompa di rilancio , , , ,71 *) L assorbimento della pompa di dosaggio dell ipoclorito è stato trascurato perché irrisorio. Tab. 4 Dati di funzionamento dell impianto (funzionamento con ozono, anno 2011) A partire da questi dati è stata fatta una prima elaborazione per capire l incidenza dei consumi legati alle tre macro-fasi adduzione, trattamento e distribuzione (Tabella 5). Analogamente, è stata fatta una valutazione dei consumi nel caso di funzionamento dell impianto con aria in sostituzione dell ozono (Tabella 5), dal momento che: 1. ferro e manganese possono essere rimossi tramite semplice ossidazione con aria; 2. dalle analisi di qualità dell acqua in uscita dall impianto in caso di trattamento senza ozono (dati non riportati) risultava comunque nei limiti di legge, senza grosse variazioni rispetto al caso con ozono; 68

81 3. il ph in testata pozzo è di 7,5, il che non implica una reazione particolarmente lenta per il manganese (che risulterebbe molto lenta a ph superiori a 9,5). Consumo EE Funzionamento con ozono Funzionamento con aria (kwh/m 3 (kwh/m 3 (kwh/anno) di acqua % (kwh/anno) di acqua % emunta) emunta) Adduzione 38115,09 0, ,09 0, Trattamento 19422,35 0, ,23 0,026 6 Distribuzione 51598,14 0, ,14 0, TOT ,58 0, ,46 0, Tab. 5 - Consumi annui di EE valori effettivi, specifici e percentuali (anno 2011) Nel caso di funzionamento con ozono, la fase a cui spetta la maggior percentuale del consumo è la distribuzione (47%) seguita dall adduzione (35%), mentre il trattamento vero e proprio pesa per il 18%. Senza produzione di ozono il consumo di energia elettrica associato al trattamento passa dal 18% al 6% sul consumo totale. È opportuno evidenziare che la scelta di utilizzo dell ozono nel processo di l ossidazione (anziché di aria) è motivata dalla necessità di garantire anche la rimozione dell arsenico, qualora le concentrazioni nell acqua emunta si presentassero con valori superiori al limite di legge. La presenza di arsenico nelle falde, sebbene attualmente con valori ampiamente inferiori ai limiti di legge, può subire nel tempo delle variazioni determinando così la necessità di specifici trattamenti di rimozione. In tal caso il processo di ossidazione ad ozono è in grado di garantire livelli di rimozione decisamente superiori all ossidazione ad aria. 3.3 Consumi energetici solo per il trattamento Viene di seguito riportato il dettaglio dei consumi dovuti al trattamento nel caso di funzionamento con ozono (Tabella 6 e Figura 3). 69

82 Sezione di trattamento Ossidazione con ozono Filtrazione su sabbia Apparecchiature Consumo EE Consumo EE (kwh/anno) % Compressore aria 3426,97 17,6 Sistema refrigerazione aria (frigo) 544,00 2,8 Pompa di aumento pressione 4722,35 24,3 Produttore ozono 9216,77 47,5 Tot ossidazione con ozono 17910,09 92,2 Pompa controlavaggio filtro 337,47 1,7 Soffiante controlavaggio filtro 343,69 1,8 Compressore valvole elettropneumatiche 37,78 0,2 Pompa sollevamento acque controlavaggio 793,38 4,1 Tot filtrazione su sabbia 1512,27 7,8 TOT TRATTAMENTO 19422, Tab. 6 - Consumi di energia elettrica per sezione di trattamento con dettaglio apparecchiature (funzionamento con ozono, anno 2011) Soffiante controlavaggio filtro 2% Pompa controlavaggio filtro 2% Compressore valvole elettropneumatiche 0% Compressore aria 18% Produttore ozono Pompa di aumento 47% pressione 24% Pompa sollevamento acque controlavaggio 4% Sistema refrigerazione aria (frigo) 3% Fig. 3 - Distribuzione dei consumi di EE nella fase di trattamento (funzionamento con ozono, anno 2011) 70

83 La fase più energivora è l ossidazione con ozono responsabile del 92% del consumo di energia legato al trattamento, mentre il sistema di controlavaggio del filtro a sabbia è responsabile del restante 8%. A quest ultimo è stato attribuito anche il consumo legato alla pompa di sollevamento acque di controlavaggio, che ha il compito di mandare in fognatura il surnatante della vasca di accumulo delle acque di controlavaggio e quindi apparterrebbe propriamente al trattamento. La fase di disinfezione non implica praticamente alcun consumo di energia, essendo questo legato alla sola pompa dosatrice dell ipoclorito di sodio, che ha un consumo trascurabile. Nel dettaglio, le apparecchiature responsabili del maggior consumo di energia della fase di ossidazione con ozono sono il produttore di ozono (47% del consumo totale del trattamento), la pompa di aumento pressione (24%) e il compressore dell aria in ingresso all ozonatore (18%). Si tratta dunque della produzione e dell iniezione dell ozono. Si riporta il dettaglio dei consumi dovuti al trattamento nel caso di funzionamento con aria (Tabella 7 e Figura 4). Sezione di trattamento Ossidazione con aria Filtrazione su sabbia Apparecchiature Consumo EE Consumo EE (kwh/anno) % Compressore aria 3426,97 62,5 Sistema refrigerazione aria (frigo) 544,00 9,9 Tot ossidazione con aria 3970,96 72,4 Pompa controlavaggio filtro 337,47 6,1 Soffiante controlavaggio filtro 343,69 6,3 Compressore valvole elettropneumatiche 37,78 0,7 Pompa sollevamento acque controlavaggio 793,38 14,5 Tot filtrazione su sabbia 1512,27 27,6 TOT TRATTAMENTO 5483, Tab. 7 - Consumi di energia elettrica per sezione di trattamento con dettaglio apparecchiature (funzionamento con aria, anno 2011) 71

84 Compressore valvole elettropneumatiche 1% Soffiante controlavaggio filtro 6% Pompa controlavaggio filtro 6% Sistema refrigerazione aria (frigo) 10% Pompa sollevamento acque controlavaggio 14% Compressore aria 63% Fig. 4 - Distribuzione dei consumi di EE nella fase di trattamento (funzionamento con aria, anno 2011) Si osserva che anche in questo caso la fase di ossidazione (con aria) è il processo che pesa di più in termini di percentuale di consumo energetico del trattamento di potabilizzazione. Tuttavia, facendo un ossidazione con aria invece che con ozono, il valore del consumo di energia legato al trattamento si ridurrebbe di kwh (da 19422,35 a 5483,23 kwh), cioè del 72%. Ringraziamenti Si ringraziano Acque Ovest Bresciano 2, AOB2 (Rovato), per la collaborazione tecnica nella raccolta e elaborazione dei dati e l Ing. Silvia Gibellini per aver supportato questo studio nell ambito della propria tesi di laurea sul tema Consumi energetici nella potabilizzazione delle acque: analisi, monitoraggio e comparazione di casi reali. Bibliografia [1] O Connor K. (2007). Improving the energy efficiency of your municipal treatment facilities NYS. Energy Research & Development Authority (NYSERDA). [2] Goldstein R., Smith W. (2002). EPRI (Electric Power Research Institute) Water & Sustainability vol. 4: U.S. Electricity - Consumption for Water Supply & Treatment The Next Half Century- Technical Report. [3] Sorlini S., Gialdini F. (2011). Le Prospettive di risparmio energetico negli impianti di potabilizzazione. Atti convegno Risparmio energetico nel ciclo idrico integrato, Ecomondo, 9-12 novembre [4] Gibellini S. (AA ). Consumi energetici nella potabilizzazione delle acque: analisi, monitoraggio e comparazione di casi reali. Tesi di laurea in Ingegneria per l Ambiente e il Territorio, Università degli Studi di Brescia. 72

85 Indagine sui consumi energetici dell impianto di depurazione di Rudiano Mauro Olivieri*, Alberto Piccoli*, Mentore Vaccari +, Francesco Vitali + *AOB2 Acque Ovest Bresciano Due - via XXV aprile, Rovato alberto.piccoli@aob2.it + DICATAM, Università degli Studi di Brescia via Branze Brescia Riassunto La presente relazione illustra le modalità e l esito delle indagini sui consumi energetici svolte nel 2011 presso il depuratore del Comune di Rudiano (BS), gestito da AOB2. L impianto, con potenzialità complessiva di AE è dotato di due linee, ma solo una è in funzione; la potenzialità attuale dell impianto è quindi di AE. Lo studio è stato condotto in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile, Architettura, Territorio, Ambiente e Matematica (DICATAM) dell Università degli Studi di Brescia, anche attraverso lo svolgimento di una tesi di laurea [1]. 1. Introduzione: configurazione dell impianto L impianto di depurazione, realizzato nel 2010, serve il territorio comunale di Rudiano (BS) ed è dimensionato per una popolazione servita di AE. L impianto è dotato di due linee, ma, attualmente, solo una è in funzione; la potenzialità attuale dell impianto è quindi di AE; si prevede che prossimamente anche i reflui di un Comune limitrofo a Rudiano vengano convogliati al medesimo impianto, così da sfruttarne in modo ottimale la potenzialità di progetto. L impianto presenta un tradizionale processo a fanghi attivi, con una sezione di ossidazione/nitrificazione (2 bacini da 600 m 3 ) preceduta da quella di denitrificazione biologica (2 bacini da 387 m 3 ). In testa all impianto sono predisposte una griglia grossolana piana (30 mm) e una fine a coclea (3 mm), entrambe ad azionamento automatico con il sensore di livello nei rispettivi pozzetti di carico. A valle del successivo sollevamento, dotato di 5 pompe (di cui una di riserva) con una prevalenza massima di 8 m, è predisposto un dissabbiatore/disoleatore aerato dotato di ponte raschiatore delle sabbie. Al successivo comparto biologico, oltre che al dissabbiatore e al comparto di stabilizzazione aerobica del fango, sono asserviti i compressori dell aria. La regolazione dell insufflazione è effettuata tramite inverter asserviti ad una sonda di misura in continuo dell ossigeno disciolto in vasca di ossidazione con set point impostato da 1,5 mg/l a 2,5 mg/l. La ripartizione dell aria tra i comparti è gestita manualmente attraverso valvole poste sulla condotta di mandata dei compressori. L effluente sfiorato dal sedimentatore secondario è scaricato per stramazzo in corpo idrico superficiale. È predisposto, ma non utilizzato, un bacino a chicane per un eventuale disinfezione dell effluente. Il fango di supero viene inviato, dopo una prima fase di stabilizzazione aerobica (di volume uguale a 246 m 3 ), ad un ispessitore statico (di volume pari a 85 m 3 ) e a una centrifuga installata in un locale dedicato. L utilizzo della linea fanghi avviene in discontinuo ed è regolato manualmente dal gestore dell impianto. 73

86 Figura 1 - Schema di flusso dell impianto di depurazione di Rudiano. AE di progetto AE AE realmente trattati (calcolati in base all apporto procapite di COD) AE Portata media di progetto m 3 /d Portata media reale trattata m 3 /d Carico del fango medio in ossidazione 0,12 kgbod 5 kgsst -1 d -1 Produzione fanghi di supero 145 kgsst/d Produzione di grigliato 21 kg/d Parametro Refluo in ingresso Refluo in uscita BOD 5 (mg/l) COD (mg/l) SST (mg/l) N totale (mg/l) P totale (mg/l) 5 1 Tabella 2 - Dati di funzionamento dell impianto di depurazione di Rudiano. 2. Metodologia di analisi dei consumi energetici Lo studio delle prestazioni energetiche dell impianto di Rudiano è avvenuta mediante l acquisizione dei consumi energetici mensili, nonché dei dati riferiti al periodo gennaio-settembre 2011 riguardanti le caratteristiche quali-quantitative del liquame in ingresso e dell effluente. Successivamente, nel periodo ottobre-dicembre 2011, è stato condotto un monitoraggio intensivo dei consumi elettrici di ciascuna apparecchiatura elettromeccanica installata e funzionante nell impianto, delle caratteristiche qualitative dei flussi in ingresso e in uscita dall impianto (con campionamenti medi giornalieri sulle 24 ore con frequenza di 2 volte a settimana), dei principali parametri operativi, della produzione di grigliato e fanghi. I consumi energetici delle singole utenze sono stati quantificati attraverso: - l inventario delle apparecchiature elettromeccaniche installate nell impianto; 74

87 FUNZIONAMENTO Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua - la valutazione delle modalità di funzionamento delle utenze in base allo schema riportato in Tabella 3; - la misura in continuo del consumo elettrico di ciascuna utenza o il calcolo dello stesso moltiplicando il tempo di funzionamento per la potenza assorbita (misurata con pinza amperometrica). On/Off AZIONAMENTO Modulato da inverter Utenze temporizzate Utenze non temporizzate Potenza: pinza amperometrica; Tempo: ore di funzionamento da programma Potenza: pinza amperometrica; Tempo: intervallo di funzionamento da telecontrollo Consumo energetico: misurato in continuo con sistema di acquisizione fornito da Schneider Electric oppure Potenza: registrata in continuo da telecontrollo; Tempo: intervallo di funzionamento da telecontrollo Tabella 3 - Modalità di rilievo dei consumi elettrici delle apparecchiature elettromeccaniche. 3. Consumo elettrico complessivo e relazione con i principali parametri di funzionamento dell impianto Nella Tabella 4 sono riportati gli indici di consumo totale annuo dell impianto riferiti all anno 2011 rispetto ad alcune grandezze quali il volume totale di acqua trattata, gli abitanti equivalenti effettivamente serviti, il carico di COD abbattuto. L indice di consumo per metro cubo di liquame trattato è risultato 0,70 kwh/m 3, leggermente superiore ai dati di letteratura per la stessa classe di potenzialità ( AE; mediana = 0,40 kwh/m 3 ). L indice di consumo per abitante equivalente servito (68 kwh/ae anno) coincide invece con il valore medio calcolato sullo stesso campione, mentre risulta inferiore l indice di consumo specifico relativo al carico di COD abbattuto (1,5 kwh/kg COD_abbattuto contro una mediana di 1,8 kwh/kg COD_abbattuto riscontrata nell indagine). Ciò è da attribuirsi all elevato rendimento di depurazione conseguito nell impianto (94% sul COD), che porta ad abbattere la quasi totalità del carico inquinante in ingresso. Parametro u.d.m. valore Consumo totale kwh/anno Volume di acqua trattata m 3 /anno Abitanti equivalenti effettivi AE Carico rimosso kgcod/anno Indici di consumo per metro cubo trattato kwh/m 3 0,70 per abitante equivalente servito kwh AE -1 anno -1 67,6 per unità di COD rimosso kwh/kgcod 1,54 per unità di BOD rimosso kwh/kgbod 3,47 per unità di SST rimosso kwh/kgsst 4,39 per unità di N rimosso kwh/kgn 16,7 per unità di P rimosso kwh/kgp 140,4 Tabella 4 - Indici di consumo energetico riferiti a volume idrico trattato, AE serviti e inquinanti rimossi (dati riferiti al 2011). 75

88 4. Consumi elettrici per comparto Nella Tabella 7 sono riportate tutte le apparecchiature elettromeccaniche attualmente in esercizio nell impianto di depurazione di Rudiano e la loro logica di azionamento. APPARECCHIATURA N AZIONAMENTO LINEA ACQUE PRETRATTAMENTI REFLUI Griglia sub-verticale grossolana 1 Programmato/automatico Griglia fine filtrococlea 1 Automatico SOLLEVAMENTO INIZIALE Elettropompe sommergibile liquami 2 Automatico DISSABBIATURA Quadro carroponte 1 Automatico Pompa sommersa sabbie 1 Manuale DENITRIFICAZIONE Miscelatore sommergibile 2 Continuo OSSIDAZIONE BIOLOGICA Elettropompe sommergibili miscela aerata 1 Temporizzato Misurazione ossigeno vasca ox linea 1 2 Continuo PRODUZIONE ARIA COMPRESSA Soffiante volumetrica ox/stabiliz 1 Automatico (inverter) SEDIMENTAZIONE FINALE Ponte raschiatore 1 Continuo Elettropompa lavaggio sedimentatori 1 Manuale RICIRCOLO FANGHI E SUPERO Elettropompe sommergibili ricircolo fanghi 1 Manuale Elettropompe sommergibili supero 1 Manuale LINEA FANGHI STABILIZZAZIONE FANGHI BIOLOGICI Pompa rilancio fanghi stabilizzato 1 Programmato ISPESSITORE FANGHI BIOLOGICI Ponte per pre-ispessitore 1 Continuo Pompe alimentazione fanghi alla centrifuga 1 Manuale Misurazione portata fanghi alla centrifuga 1 Manuale CENTRIFUGA FANGHI BIOLOGICI Pompa dosatrice emulsione polielettrolita 1 Manuale Stazione polielettrolita emulsione 1 Automatico Pompe monovite polielettrolita 1 Manuale Centrifuga fanghi motore primario 1 Manuale Elettrovalvola lavaggio centrifuga 1 Automatico Coclea trasporto fanghi disidratati 1 Manuale Tabella 7. - Elenco delle apparecchiature elettromeccaniche in funzione e relativo azionamento. Per il calcolo dei consumi energetici è stato necessario misurare l assorbimento istantaneo delle apparecchiature presenti in impianto non soggette a monitoraggio in continuo. In Tabella 8 si riporta, per ogni tipo di apparecchiatura elettromeccanica considerata, la potenza installata, la potenza istantanea misurata in condizioni di esercizio con pinza amperometrica, le ore giornaliere di funzionamento (da telecontrollo 76

89 Potenza nominale (kw) Potenza assorbita misurata (kw) Ore giornaliere di funzionamento (h/d) Percentuale sul consumo elettrico complessivo (%) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua o da programmazione gestionale) e l incidenza del relativo consumo energetico come quota sul totale dell impianto. COMPARTO TIPO DI MACCHINA PRE- Griglia grossolana 1,50 0,8-1,0 1,0 0,1% TRATTAMENTI Filtro-coclea 1,10 0,5-0,7 6,5 0,5% DISSABBIATURA Carroponte Pompa sommersa sabbie 3,20 0,4-0,5 0,03 0,0% SOLLEVAMENTO Elettropompa sommergibile 3,50 2,1-2,2 15 4,7% Miscelatore sommergibile per denitrificazione 1,55 1,2-1,3 24 8,6% TRATTAMENTO Elettropompa sommergibile per BIOLOGICO ricircolo miscela areata 3,10 2,1 6,5 2,0% Soffiante volumetrica per 18,7 + aerazione # 37,0 (8,3-41,7) 24 71,4% Ponte raschiatore 1,10 0,4 24 1,5% SEDIMENTATORE Elettropompa lavaggio SECONDARIO 1,80 1,5-1,7 0,03 0,0% sedimentatori RICIRCOLO E Elettropompa ricircolo 3,10 1,2-1,3 24 4,5% SUPERO FANGHI Elettropompa supero 1,20 1,1 1,7 0,3% Pompa fanghi stabilizzati 1,20 1,2 0,9 0,2% Ponte pre-ispessitore 1,10 0,2 24 0,8% Pompa alimentazione centrifuga 2,20 1,3-1,4 LINEA FANGHI Stazione dosatrice polielettrolita 3,25 1,4-1,5 1,6 2,0% Centrifuga 15,00 5,2-5,4 Coclea trasporto fanghi 2,20 0,8-0,9 ILLUMINAZIONE nd 0,9 10,5 1,3% ALTRE UTENZE ELETTRO- Campionatore, misuratore di livello IN e OUT, ventilatori ,1% MECCANICHE locali, misuratori di ossigeno # la soffiante è asservita, oltre che alla vasca di ossidazione, anche alla dissabbiatura e alla stabilizzazione aerobica + valore medio rilevato; l assorbimento delle soffianti dotate di inverter è compreso nell intervallo indicato tra parentesi le apparecchiature elettromeccaniche asservite alla centrifuga funzionano contemporaneamente Tabella 8 - Quadro complessivo delle potenze, delle ore di funzionamento e dei consumi elettrici giornalieri per tutte le apparecchiature elettromeccaniche installate nell impianto ed aggregate nei principali comparti. Nel periodo oggetto di monitoraggio (anno 2011) il consumo elettrico giornaliero dell intero impianto è stato complessivamente di circa kwh al mese. Dal confronto tra il consumo energetico totale stimato del depuratore e il consumo 77

90 energetico indicato in bolletta, è emerso che in tutti i mesi il calcolo del consumo di energia elettrica è risultato sovrastimato con percentuali comprese tra il 9% e il 17%. Tale errore è accettabile, considerando il metodo utilizzato per la rilevazione della potenza assorbita con pinza amperometrica. Le apparecchiature elettromeccaniche che consumano il maggior quantitativo di energia elettrica sono le soffianti (71%); ciò è dovuto al fatto che, nonostante siano dotate di inverter e il loro funzionamento sia regolato in base alla concentrazione di ossigeno disciolto in vasca di ossidazione, le soffianti, in previsione di futuri allacciamenti, risultano sovradimensionate (la potenzialità di progetto è di AE per ciascuna soffiante) rispetto al carico inquinante attualmente trattato dall impianto (circa AE), tant è che la concentrazione di OD in vasca di ossidazione risulta molto spesso, anche quando la soffiante funziona alla velocità minima, ben al di sopra del set point dell OD impostato a 1,5 mg/l. Al secondo posto tra le utenze più energivore si trovano i miscelatori sommersi del comparto di denitrificazione con un consumo del 9%, seguiti dalle pompe di sollevamento (5%) e da quelle di ricircolo dei fanghi (4%). In Figura 9 si riportano le quote aggregate per ciascun comparto considerando le diverse apparecchiature elettromeccaniche asservite alle singole sezioni d impianto. Nell impianto di Rudiano le soffianti forniscono ossigeno a tre diverse sezioni di impianto: dissabbiatura-disoleatura, ossidazione e stabilizzazione biologica dei fanghi. Non è possibile distinguere la quantità d aria destinata ai singoli comparti, in quanto non sono installati misuratori di portata d aria e la regolazione di quest ultima viene eseguita manualmente, tramite valvole, a seconda delle esigenze di processo, quindi il consumo energetico nei tre diversi comparti è stato suddiviso proporzionalmente al fabbisogno di aria da progetto: 70% all aerazione in vasca di ossidazione, 24% alla stabilizzazione aerobica e 6% alla dissabbiatura-disoleatura. La Figura evidenzia che il comparto biologico è il più energivoro (60,9%), seguito dall intera linea fanghi (19,9%), nella quale la stabilizzazione aerobica risulta l utenza principale (17%). Ai pretrattamenti (grigliatura e dissabbiatura) è imputabile quasi il 5% dei consumi energetici, così come al sollevamento iniziale e al ricircolo dei fanghi dal sedimentatore secondario. La ripartizione del consumo energetico dei vari comparti del depuratore di Rudiano è in linea con quello di impianti di depurazione analoghi in termini di potenzialità e filiera di trattamento. Si ricorda che la soffiante in esercizio è stata dimensionata, in previsione di futuri allacciamenti, per una potenzialità di progetto di AE, ben superiore rispetto a quella attuale (3.751 AE). Pretrattamenti I consumi specifici dei pretrattamenti presenti nell impianto di Rudiano sono riportati in Tabella 12. Si può osservare che i comparti di grigliatura hanno un consumo specifico molto ridotto, come prevedibile, essendo responsabili dello 0,6% dei consumi energetici complessivi. Il consumo specifico per kilogrammo di grigliato prodotto dalla filtrococlea (0,30 kwh/kg) è maggiore di quello prodotto dalla grigliatura grossolana (0,18 kwh/kg). Il sollevamento iniziale risulta avere un consumo specifico di 0,041 kwh/m 3, leggermente superiore al valore calcolato per il comparto di dissabbiatura (0,036 kwh/m 3 ), in cui è preponderante il contributo dovuto al consumo delle soffianti per l aerazione. 78

91 Figura 9 - Ripartizione percentuale del consumo energetico nelle varie sezioni d impianto. Comparto Apparecchiature [kwh/m 3 trattato] [kwh/kg grigliato ] GRIGLIATURA GROSSOLANA - Griglia automatica 0,001 0,18 GRIGLIATURA FINE - Filtrococlea 0,004 0,30-5 pompe SOLLEVAMENTO sommergibili 0,041 n.a. DISSABBIATURA - Pompa sabbie - Aerazione 0,036 --* n.a.: non applicabile * non sono disponibili i quantitativi di sabbia rimossi nel 2011, quindi non è stato possibile quantificare il consumo specifico di energia elettrica. Tabella 12 - Consumi energetici specifici dei pretrattamenti dell impianto di Rudiano. Sistema a fanghi attivi La Tabella 13 riporta gli indici di consumo energetico specifico calcolati per il processo a fanghi attivi (reattore biologico, sedimentatore secondario e ricircolo fanghi), con riferimento ai principali carichi di inquinanti rimossi. Si può osservare come sia estremamente elevato il consumo per l abbattimento dell azoto che, si ricorda, avviene mediante pre-denitrificazione con ricircolo della miscela aerata. Consumo specifico Valore U.M. per metro cubo trattato 0,59 [kwh/m³] per unità di COD rimosso 1,49 [kwh/kg COD rimosso ] per unità di BOD rimosso 3,15 [kwh/kg BOD rimosso per unità di N rimosso 15,17 [kwh/kg N tot,rimosso ] Tabella 13 - Consumi energetici specifici del sistema a fanghi attivi dell impianto di Rudiano. 79

92 Linea fanghi La linea fanghi è costituita da digestione aerobica, post-ispessimento e disidratazione meccanica mediante centrifugazione. Per ogni sezione è stato calcolato il consumo specifico di energia riferito sia alla portata sia alla massa di fango (espressa in kg di sostanza secca) in ingresso, riportato in Tabella 14. Per la sezione di stabilizzazione, si è calcolato anche il consumo rispetto ai solidi sospesi volatili abbattuti. Il comparto più energivoro è risultato la digestione aerobica dei fanghi, seguita dalla disidratazione meccanica e dall ispessimento. Il consumo energetico specifico della vasca di stabilizzazione aerobica è risultato di circa 3 kwh per kilogrammo di solidi sospesi volatili abbattuti. Comparto Apparecchiature [kwh/m 3 in] [kwh/kg SS_in ] [kwh/kg SSV_abb ] DIGESTIONE AEROBICA - Aerazione 6,81 0,58 3,07 ISPESSIMENTO - Pompa fanghi digeriti - Carroponte 0,67 0,04 - DISIDRATAZIONE - Pompa fanghi ispess. - Centrifuga 3,24 0,14 - Tabella 14 - Consumi energetici specifici della linea fanghi dell impianto di Rudiano. 5. Conclusioni: criticità emerse nell indagine dei consumi elettrici I principali aspetti emersi dall analisi dei consumi elettrici dell impianto di Rudiano, dai quali possono scaturire interventi di ottimizzazione energetica, sono così riassumibili: - l'impianto, in previsione dell allacciamento dei reflui provenienti da un Comune limitrofo a Rudiano, è stato progettato per servire AE ma, attualmente, serve circa AE. Risulta quindi del tutto evidente che numerose apparecchiature elettromeccaniche hanno potenze nominali abbondantemente maggiori rispetto all attuale fabbisogno, ciò che determina consumi energetici superiori rispetto alle esigenze depurative; - le soffianti, in particolare, sebbene siano dotate di inverter, forniscono anche alla minore velocità eccessive portate d aria in vasca di ossidazione tant è che, generalmente, le concentrazioni di ossigeno disciolto risultano ben oltre il valore impostato come set point (1,5-2,5 mg/l), con punte superiori a 8 mg/l; - l illuminazione dell impianto, necessaria seppur non strettamente connessa con il processo depurativo, incide per poco più dell 1% sul consumo energetico complessivo dell impianto. Bibliografia [1] Orizio F. Indagine sul consumo energetico dell impianto di depurazione di Rudiano. Tesi di laurea triennale in Ingegneria per l ambiente e il territorio. Università degli Studi di Brescia, AA Relatore: prof. Collivignarelli C. correlatori: Ingg. Vaccari M., Vitali F.. 80

93 Analisi ed efficientamento energetico dell impianto di depurazione di Folgaria (TN) Paola Foladori 1, Giovanni Battista Gatti 2, Mauro Groff 3 1 Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica (DICAM), Università degli Studi di Trento, via Mesiano 77, Trento; paola.foladori@ing.unitn.it 2 Servizio Gestione degli Impianti, Provincia Autonoma di Trento, via Pranzelores, 29, Trento 3 APOP Servizio Opere Ambientali, Provincia Autonoma di Trento, via S. Giovanni, 36, Trento Riassunto Una dettagliata analisi energetica dell impianto di depurazione di Folgaria ha messo in luce le utenze elettriche con i maggiori consumi, quali aerazione, miscelazione, pompaggi di ricircolo. Vari interventi di efficientamento energetico hanno interessato l impianto negli ultimi anni, al fine di ottenere: (1) la riduzione sensibile del consumo elettrico dell impianto, grazie all applicazione di migliori pratiche gestionali applicate soprattutto all aerazione della vasca di ossidazione/nitrificazione e alla dismissione di comparti ridondanti; (2) la produzione di energia elettrica da fonti alternative, quali il fotovoltaico e l idroelettrico. Prendendo a riferimento un anno tipico, con un consumo elettrico complessivo dell impianto di depurazione di 315 MWh/anno, la produzione del fotovoltaico è di 87,14 MWh/anno, mentre la produzione dell idroelettrico (attivo da agosto 2013) è stimata in proiezione in 309,12 MWh/anno. In questo modo l impianto di depurazione di Folgaria è in grado di raggiungere l autosufficienza energetica, confermata già a partire da agosto INTRODUZIONE Il depuratore di Folgaria, sito a 977 m s.l.m., serve una località turistica sede di un importante stazione sciistica ed è dimensionato per AE utilizzando 2 linee di trattamento distinte, realizzate in diversi tempi: (1) linea 1 con potenzialità di AE e (2) linea 2 con potenzialità AE. La configurazione dell impianto è articolata in pretrattamenti (grigliatura e dissabbiatura), trattamento secondario con sistema a fanghi attivi e sedimentazione secondaria, linea fanghi dotata di stabilizzazione aerobica, ispessimento e disidratazione. Tutto l impianto di depurazione è alloggiato in una struttura chiusa per garantire la buona funzionalità anche nei periodi invernali e per facilitare il controllo degli odori, non percepibili nelle zone limitrofe. L impianto di depurazione ha visto negli anni una serie di interventi sostanziali finalizzati ad un progressivo efficientamento energetico dello stesso, attraverso due strategie: (1) riduzione dei consumi di energia elettrica mediante modifica di alcune pratiche gestionali e dismissione di alcune apparecchiature senza alterare la qualità dell effluente; (2) produzione di energia rinnovabile ricorrendo ad un impianto fotovoltaico posizionato sulla copertura dell impianto di depurazione e ad un impianto idroelettrico in grado di utilizzare le acque di scarico del depuratore. In questo modo il depuratore di Folgaria ha perseguito l obiettivo di impianto energy-self-sufficient, a cui sono giunti solo pochissimi impianti a livello internazionale: 2 impianti in Austria, 1 impianto negli Stati Uniti e 1 impianto in Gemania (inter alia Wett et al., 2007). 81

94 2. ANALISI DEI CONSUMI ELETTRICI PER SINGOLO COMPARTO I consumi elettrici suddivisi per i vari comparti e apparecchiature elettromeccaniche della linea 2 sono indicati in tabella 1. I pretrattamenti, costituiti da una griglia fine meccanizzata dotata di compattatore contribuisce per l 1,1% del consumo elettrico complessivo. Secondo la configurazione più recente, l aerazione in vasca di ossidazione è ad intermittenza, mediante impiego di soffianti dotate di inverter e mixer, che incidono rispettivamente per il 20% e il 14% del consumo elettrico complessivo. I ponti raschiafango dei sedimentatori circolari comportano un consumo elettrico pari al 3,8% dei consumi complessivi, mentre le pompe di ricircolo dei fanghi sedimentati incidono per il 23%. Le pompe di estrazione dei fanghi di supero costituiscono il 4,7%. Nella stabilizzazione aerobica, l aerazione contribuisce per il 10% del consumo elettrico complessivo, mentre la miscelazione per il 4,0% (potenza specifica di circa 10 W per m 3 di vasca). Il package di disidratazione dei fanghi (nastropressa) consuma il 2,6% dell energia complessiva. Altri dispositivi ausiliari, quali ventilatori, riscaldamento/raffrescamento, illuminazione interna ed esterna, quadri elettrici, influiscono sul consumo totale per l 11% circa. Tab. 1 Dati di consumo elettrico per i principali comparti dell impianto di Folgaria. Legenda: [1] Consumo elettrico giornaliero; [2] Percentuale sul consumo elettrico complessivo pari a 853 kwh/anno; [3] Consumo elettrico specifico per unità di volume trattato; [4] Consumo elettrico specifico per AE per anno. COMPARTO/MACCHINA kwh/d [1] % [2] kwh/m 3 [3] kwh AE -1 anno Pretrattamenti griglia fine meccanizzata 9,2 1,1% 0,0039 0,61 Ossidazione miscelatori ,0% 0,048 7,9 Ossidazione soffianti con inverter ,6% 0,069 11,1 Ricircolo fanghi pompe ,8% 0,256 12,9 Sedimentatori secondari ponti 32 3,8% 0,014 2,2 Fanghi pompe estrazione supero 40,5 4,7% 0,017 2,69 Stabilizzazione aerobica miscelatori 34,5 4,0% 0,014 2,3 Stabilizzazione aerobica aerazione 82 9,6% 0,034 5,44 Ispessimento agitatore 0,83 0,1% 0,0004 0,05 Ispessimento pompa surnatante 4,5 0,5% 0,0016 0,24 Disidratazione meccanica nastropressa 22,2 2,6% 0,010 1,47 Ventilatori zona grigliatura 4 0,5% 0,0017 0,26 Riscaldamento/raffrescamento 20 2,3% 0,008 1,3 Quadri elettrici 36 4,2% 0,015 2,4 Illuminazione esterna 15,2 1,8% 0,006 1,01 Illuminazione locali interni (56 punti luce) 15 1,8% 0,006 1,0 3. INTERVENTI APPORTATI ALL IMPIANTO PER LA RIDUZIONE DEI CONSUMI ELETTRICI Partendo dalla situazione originale nell impianto di depurazione, prima dell implementazione delle varie migliorie, tale configurazione viene indicata come FASE 1 PRE e costituisce un periodo di controllo, in cui i consumi elettrici vengono presi come riferimento per valutare l efficacia delle soluzioni di risparmio energetico. Gli interventi finalizzati ad ottenere una riduzione dei consumi elettrici dell impianto sono sintetizzati in Tabella 2 e l andamento dei consumi elettrici nel periodo è rappresentato in Figura [4] 82

95 Energia elettrica (kwh/d) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua Tab. 2 Indicazione degli interventi implementati per il risparmio energetico. Sigla della fase Periodo Interventi per la riduzione dei consumi elettrici FASE 1 PRE gen mar Periodo di controllo antecedente gli interventi. FASE 2 INV mar feb FASE 3 - OFF Fase 4 - CA da aprile 2011 ad oggi da maggio 2011 ad oggi Dotazione di inverter su soffianti esistenti, dismissione di soffianti non dotate di inverter, aerazione asservita al controllo di OD in ossidazione. Dismissione della linea 1 e mantenimento in funzione della sola linea 2 da AE, aumentando l impegno gestionale ma mantenendo la medesima qualità delle acque effluenti. Implementazione di una strategia di aerazione ad intermittenza nella vasca di ossidazione e nella stabilizzazione aerobica (cicli CA): si prevede una sequenza di fasi di aerazione e non-aerazione basate sui profili di OD e ORP misurati in vasca di ossidazione. Con questa strategia le fasi di nitrificazione e denitrificazione possono avvenire nella stessa zona della vasca sequenzialmente nel tempo fase 1-PRE fase 2-INV fase 3-OFF + fase 4-CA gen-08 lug-08 dic-08 lug-09 dic-09 giu-10 dic-10 giu-11 dic-11 giu-12 dic-12 data Fig. 1 Andamento dei consumi elettrici dell impianto di depurazione con indicazione delle fasi degli interventi di risparmio energetico. Sono ben visibili i picchi di consumo durante l alta stagione turistica estiva o invernale. I consumi elettrici dell impianto nelle varie fasi sono indicati in tabella 3, che riporta anche i parametri di funzionamento, consumi elettrici specifici e riduzioni percentuali. La qualità dell effluente per i principali parametri è rimasta del tutto simile tra le varie fasi (tabella 3), eccetto che per il parametro N totale che è diminuito significativamente a partire dalla Fase4-CA fino ad arrivare a 6 mgn/l, grazie all implementazione della nitrificazione e denitrificazione in alternanza. L intervento sulle soffianti (Fase2-INV) finalizzato a tenere in funzione solo macchine dotate di inverter, ha portato ad una riduzione del 10% circa dei consumi elettrici complessivi dell impianto, che sono passati da un valore medio di 1117 kwh/d a 1010 kwh/d, nonostante un sensibile aumento del carico in ingresso intercorso nel medesimo periodo. A causa della variabilità dei carichi idraulici e organici passando da una fase all altra (per esempio nel passaggio da Fase1-PRE a Fase2-INV i carichi di BOD 5 e COD aumentano del 26% per il BOD 5 e del 31% per il COD) è opportuno considerare i 83

96 consumi specifici secondo gli indici riportati in Tabella 3. Il passaggio da Fase1-PRE a Fase2-INV ha portato ad una diminuzione del consumo specifico da 0,49 a 0,40 kwh/m 3 e da 73 a 52 kwh AE -1 anno -1. La successiva dismissione della linea 1 (Fase3-OFF) ha portato ad un risparmio elettrico di circa kwh/anno dovuto allo spegnimento di una serie di macchine presenti nella linea, utilizzate in modo non continuativo e durante periodi di alto carico. La dismissione della linea 1 ha portato quindi ad un ulteriore riduzione dei consumi arrivando ai consumi specifici di 0,37 kwh/m 3 e 48 kwh AE -1 anno -1. Con l implementazione dell aerazione ad intermittenza in vasca di ossidazione (Fase4- CA), si è osservata un ulteriore riduzione dei consumi specifici per volume trattato, arrivando a 0,35 kwh/m 3, sebbene non sia diminuito il consumo specifico per AE. Tab. 3 Dati di funzionamento e consumi elettrici per le varie fasi. Dati di funzionamento Fase1-PRE Fase2-INV Fase3-OFF + Fase4-CA Parametro u.d.m. IN OUT IN OUT IN OUT BOD 5 mg/l COD mg/l TKN mgn/l 41 2,4 30 3, N totale mgn/l Portata in ingresso m 3 /d OD medio in ossidazione mgo 2 /L 6,6 5,7 1,6 Consumi elettrici specifici Fase1-PRE Fase2-INV Fase3-OFF Fase4-CA Consumo elettrico complessivo kwh/d Risparmio energetico rispetto a Fase1-PRE (%) riferimento -10% -16% -24% Per unità di volume di refluo kwh/m 3 0,49 0,40 0,37 0,35 Risparmio energetico rispetto a Fase1-PRE (%) riferimento -18% -25% -28% Per unità di COD rimosso kwh/kgcod 2,0 1,2 1,1 1,0 Risparmio energetico rispetto a Fase1-PRE (%) riferimento -40% -45% -50% Per abitante equivalente kwh AE -1 anno Risparmio energetico rispetto a Fase1-PRE (%) riferimento -29% -34% -22% Considerando il consumo elettrico specifico per unità di COD rimosso, ciascun intervento contribuisce a ridurre il valore, passando da 2,0 kwh/kgcod nella Fase1- PRE, a 1,2 kwh/kgcod nella Fase2-INV grazie alle modifiche sulle soffianti e a 1,0 kwh/kgcod nella Fase4-CA a seguito dello spegnimento della linea 1 e l applicazione dell aerazione ad intermittenza. L insieme di questi parametri specifici indica complessivamente il raggiungimento di una migliore efficienza dell impianto, in quanto è diminuita l energia elettrica consumata complessivamente dall impianto, garantendo però concentrazioni effluenti simili ai periodi precedenti e decisamente migliori per N totale. Con l impiego di inverter nella Fase2-INV e l inserimento di fasi di ossidazione/denitrificazione nella Fase4-CA si è riscontrato un notevole calo dell OD in vasca di ossidazione (da 6,6 mgo 2 /L nella Fase1-PRE a 1,6 mgo 2 /L nella Fase4-CA) come atteso, ma contestualmente si è riscontrato un leggero aumento dell indice SVI. 84

97 Energia elettrica (kwh/d) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua 4. IMPIANTI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA RINNOVABILE Nell impianto di Folgaria sono previsti due impianti per la produzione di energia rinnovabile finalizzati a coprire il consumo energetico dell impianto stesso: un impianto fotovoltaico completato ad agosto 2011 ed ormai in funzione da più di 2 anni ed un impianto idroelettrico in grado di sfruttare la portata in uscita dal depuratore, la cui entrata in funzione è avvenuta recentemente, a luglio Impianto fotovoltaico L impianto fotovoltaico è stato realizzato sulla copertura dell edificio, sul lato sud-ovest del depuratore, prevedendo un rifacimento dell impermeabilizzazione per predisporre la struttura metallica di sostegno dei moduli fotovoltaici. I 288 moduli sono in silicio, con rendimento superiore al 14%, e coprono una superficie complessiva di 461 m². La potenza nominale di ogni modulo è di 288 W e la potenza nominale del generatore è stata valutata in circa 66 kwp. L energia totale prodotta dall impianto alle condizioni STC è stata stimata in kwh/anno, in conto energia con la cessione parziale dell energia. La connessione alla rete avviene in bassa tensione con una tensione di 400 V ed una frequenza di 50 Hz. I 4 inverter hanno una potenza nominale di 17 kw ed un rendimento del 97%. Grazie all adozione di questo impianto, è possibile una riduzione delle emissioni di inquinanti pari a TEP (tonnellate equivalenti di petrolio). Allo stato attuale sono disponibili dati di produzione di energia elettrica per un periodo prolungato, essendo l impianto entrato in funzione a settembre La produzione energetica dipende ovviamente dalle stagioni e dall irraggiamento che caratterizza i vari mesi, come si osserva dall andamento annuale del 2012 riportato in Figura 2. Nel periodo autunno-invernale (ottobre-febbraio) si ha un diminuzione della produzione di energia, mentre si ha un aumento della produzione nei mesi primaverili ed estivi. In media la produzione giornaliera per il 2012 è stata di 251 kwh/d energia elettrica prodotta da fotovoltaico e immessa in rete autoconsumo di energia elettrica prodotta da fotovoltaico energia elettrica consumata complessivamente dall'impianto gen-12 mar-12 apr-12 giu-12 ago-12 ott-12 dic-12 Fig. 2 Produzione di energia elettrica con l impianto fotovoltaico (distinta in autoconsumo e energia immessa in rete) e consumo del depuratore. data 85

98 Nel periodo maggio-giugno l impianto fotovoltaico riesce a produrre picchi orari, durante le ore centrali del giorno, tali da soddisfare il consumo elettrico del depuratore, ed eventualmente anche ad immettere in rete. Infatti, nei periodi di bassa stagione turistica i consumi del depuratore sono più bassi e la produzione di energia elettrica mediante l impianto fotovoltaico risulta in certe ore superiore al fabbisogno dell impianto, consentendo di arrivare occasionalmente alla situazione di self-energysufficient plant, anche con il solo contributo dell impianto fotovoltaico. Il bilancio effettuato nell ultimo anno solare disponibile, ovvero il 2012, ha visto una produzione di energia dal fotovoltaico pari a kwh/anno, a fronte di un fabbisogno dell impianto di depurazione di kwh/anno; il fotovoltaico ha quindi contribuito a coprire circa il 30% del fabbisogno energetico complessivo annuale. 3.2.Impianto idroelettrico Sullo scarico del depuratore di Folgaria è stata realizzata nel 2013 una piccola centrale idroelettrica che utilizza la portata depurata dall impianto ed il salto geodetico creato dal dislivello tra lo scarico (968 m s.l.m.) ed il corso d acqua sottostante denominato Rio Cavallo (723 m s.l.m.). L impianto di depurazione tratta un volume complessivo annuo pari a circa m 3, con portate variabili da 28,53 L/s fino a punte di 103 L/s. Considerati i parametri sopra indicati, il dimensionamento della centralina è stato effettuato scegliendo una turbina tipo Pelton funzionante a 1500 rpm, in grado di trattare portate ridotte con salti consistenti, mantenendo un rendimento comunque elevato. Il generatore è asincrono trifase da 106 kw, tensione 400 Vca. La condotta forzata è stata realizzata in ghisa sferoidale DN 200 ed opera in parallelo allo scarico attuale dell impianto, mantenuto operativo nel caso di manovre di by-pass della centralina idroelettrica. Nelle ore notturne la produzione elettrica è minore, nelle ore diurne si ottiene l energia massima producibile, mentre la portata in eccesso sarebbe sfruttabile mediante un adeguato bacino di accumulo ma a costi superiori di investimento. La progettazione risale all anno 2010 e l intervento è stato realizzato nel corso del 2013, con un costo complessivo di investimento pari ad euro Si riportano i dati essenziali di dimensionamento dell impianto: - Portata media annua, Q media = 20,98 L/s (75 m 3 /h) - Portata massima, Q max = 50 L/s (180 m 3 /h) - Portata minima di funzionamento Q min = 5 L/s (18 m 3 /h) - Carico idraulico netto minimo, Δh= 254,56 m e medio 261,39 m - Potenza nominale, P n = 54,12 kw - Potenza idraulica, P h = 51,41 kw - Potenza reale della turbina, P r = 42,16 kw - Potenza reale al generatore, P g = 39,84 kw - Potenza reale al trasformatore, P t = 39,04 kw. Il valore della potenza reale al trasformatore tiene conto dei rendimenti idraulici ed elettrici della macchina, stimati sulla base della portata media di progetto di 20,98 l/s. Considerato che l impianto è entrato in funzione solamente alla fine di luglio 2013, i dati di produzione annua di energia elettrica devono essere elaborati sulla base dei valori progettuali, considerando inoltre l ipotesi cautelativa di un fermo macchina di circa 20 giorni all anno (e quindi con un funzionamento di 8280 h/anno). La produzione annua stimata di energia elettrica (EE a ) è quantificabile in: 86

99 27/07/13 28/07/13 29/07/13 30/07/13 31/07/13 01/08/13 02/08/13 03/08/13 04/08/13 05/08/13 06/08/13 07/08/13 08/08/13 09/08/13 10/08/13 11/08/13 12/08/13 13/08/13 14/08/13 15/08/13 16/08/13 17/08/13 18/08/13 19/08/13 20/08/13 21/08/13 Energia idroelettrica prodotta (kwh/d) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua EE a = 39,04 kw x 8280 h/anno = 323,51 MWh/anno Questo dato stimato può essere posto a confronto, sebbene con una contenuta significatività per il numero ridotto di dati disponibili, con la produzione giornaliera registrata dall impianto in funzione dal 27/07/13 al 21/08/13, rappresentata in Figura 3. Si ricava la produzione media giornaliera di 0,896 MWh/d, ottenuta depurando il dato anomalo all avviamento del 29/07/13. La produzione media annua risulterebbe in proiezione pari a circa 309,12 MWh/anno, compatibile con quella teorica sopra ricavata Fig. 3 Produzione dell impianto idroelettrico nel primo mese di funzionamento. A prescindere dagli aspetti strettamente energetici, si è ritenuto comunque significativo sottoporre l investimento per la realizzazione della centralina idroelettrica alla verifica dei parametri di sostenibilità economica secondo le direttive impartite a livello europeo [2]. L analisi è stata condotta sulla base dei costi di investimento, sul valore della tariffa incentivante della vendita dell energia a 0,219 /kwh, sull assunzione che i costi di manutenzione e di gestione siano pari al 2% dell investimento e cioè circa /anno. La verifica è stata condotta per un orizzonte temporale di 30 anni, ritenuto rappresentativo della vita media tecnica dell impianto, e simulando tassi di interesse del costo di investimento compresi tra 4% e il 5%. Il primo indicatore utilizzato dalle menzionate direttive riguarda il periodo di ammortamento semplice (simple pay-back period) quantificato in 10,8 anni, ritenuto sufficientemente significativo. Altri 3 indicatori consigliati per l analisi economica, i cui risultati sono riassunti in Tabella 4, sono: (1) NPV (Net Present Value) che risulta decisamente positivo rendendo quindi il progetto interessante; (2) IRR (internal rate of return method) che consente di stimare la percentuale di guadagno attesa che l investimento genera, che in questo caso risulta 8,3%, decisamente positivo; (3) R b/c (Benefit-Cost Ratio), che indica come sostenibili i progetti con rapporti superiori ad 1, come nel presente caso. Tab. 4 Indicatori per la valutazione della sostenibilità economica dell intervento. r = 4,0% r = 4,5% r = 5,0% NPV (Net Present Value) R b/c (Benefit-Cost Ratio) 1,425 1,364 1,36 IRR (Internal Rate of Return Method) 8.3% data 87

100 27/07/13 28/07/13 29/07/13 30/07/13 31/07/13 01/08/13 02/08/13 03/08/13 04/08/13 05/08/13 06/08/13 07/08/13 08/08/13 09/08/13 10/08/13 11/08/13 12/08/13 13/08/13 14/08/13 15/08/13 16/08/13 17/08/13 18/08/13 19/08/13 20/08/13 21/08/13 Energia totale prodotta (kwh/d) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua 4. CONCLUSIONI - BILANCIO ENERGETICO COMPLESSIVO L efficientamento energetico effettuato nell impianto di Folgaria è stato ottenuto con una sequenza di migliorie attuate progressivamente nel tempo. I vari interventi sono stati applicati sull impianto reale senza cambiarne la configurazione ma intervenendo solo sugli aspetti gestionali e quindi anche con investimenti modesti e di rapida implementazione. L intervento di modifica alle soffianti (installazione degli inverter sui compressori) ha portato alla diminuzione dei consumi elettrici passando da 73 a 52 kwh AE -1 anno -1. La disattivazione di una linea dell impianto (la più vecchia), lo spegnimento delle macchine ivi installate ed la successiva implementazione dell aerazione ad intermittenza (cicli CA) hanno ridotto ulteriormente i consumi complessivi, prospettando la possibilità di ottenere ulteriori margini di miglioramento. Oltre agli interventi di riduzione dei consumi elettrici, l impianto di Folgaria si caratterizza per l applicazione di impianti per la produzione di energia (di tipo rinnovabile) consistenti in un impianto fotovoltaico e un piccolo impianto idroelettrico. Preso a riferimento per l anno 2012 il dato relativo alla produzione del fotovoltaico (87,14 MWh/anno) e sommata la produzione media annua dell idroelettrico, così come stimata in proiezione sulla base dei primi dati di funzionamento 2013 (309,12 MWh/anno), si ottiene una produzione totale di 396,26 MWh/anno. Considerato che il fabbisogno energetico dell impianto è stato, nel corso del 2012, di 315 MWh, l obiettivo di rendere l impianto energy self-sufficient verrebbe quindi raggiunto, con l ulteriore possibilità di un surplus energetico. La figura 4 mostra una verifica puntuale dei bilanci energetici, nel breve periodo a partire dall avviamento dell impianto idroelettrico: la produzione media di energia è stata pari a circa kwh/d, superiore al consumo elettrico medio giornaliero dell impianto nella configurazione attuale Fotovoltaica Idroelettrica Fig. 4 Produzione di energia elettrica dall impianto fotovoltaico e dall impianto idroelettrico (periodo dal 27/07/13 al 21/08/13). 5. BIBLIOGRAFIA [1] Wett B., Buchauer K., Fimml C. (2007). Energy self-sufficiency as a feasible concept for wastewater treatment systems. Proc. IWA Leading Edge Technology Conference, Singapore, Asian Water, Sept.2007, [2] Commission of the European Communities, Directorate General for Energy (1998) Layman s Guidebook on how to develop a small hydro site (Second Edition). data 88

101 Esempi di up-granding e miglioramento dell efficienza energetica. Sistemi di approvvigionamento idropotabile: i casi di Brescia. Francesco Sirio A2A Ciclo Idrico S.p.A., via Lamarmora Brescia Riassunto Per il conseguimento di risparmi economici A2A, da tempo, ha messo in atto numerosi interventi per ottenere recuperi di energia di scarto per la produzione elettrica e risparmi di energia elettrica, attuando sia sostanziali modifiche ai processi, sia installando apparecchiature che concorrono a garantire le migliori performance all impianto. La relazione riassume le risultanze del risparmio energetico, conseguite con due tipologie d interventi di up-granding effettuati sugli impianti di captazione e ripompaggio dell acqua per uso idropotabile. Le due tipologie d interventi riguardano: l installazione di sistemi elettronici di regolazione di frequenza in un impianto di captazione e pompaggio dell acqua in rete; la sostituzione di un elettropompa dotata di motore ad alta efficienza IE3 presso una stazione di ripompaggio installata sulla rete di distribuzione. Si è proceduto con prove in campo, effettuate con step test sulle portate di funzionamento degli impianti, rilevando gli assorbimenti elettrici ante e post gli interventi; correlando i risultati delle prove alle ore di funzionamento annuo degli impianti, è stato possibile calcolare il relativo costo energetico e confrontarlo con il costo energetico ante prova. Le prove sono state eseguite applicando la procedura analitica prevista dall Autorità per l energia elettrica e il gas che, da un lato, fornisce una maggiore accuratezza nella determinazione dei risparmi energetici, dall altro, proprio per la sua puntualità, comporta un maggior impegno in termini di disponibilità di dati storici, di esecuzione di misure sperimentali, di elaborazione dei dati raccolti. I risultati conseguiti hanno confermato le attese, in altre parole il rientro nel breve periodo dell investimento, ottenendo per il periodo di vita dell impianto sensibili riduzioni dei costi energetici. 1. Introduzione L efficienza energetica rappresenta una delle priorità della nuova strategia delle aziende del settore idrico per contenere i costi di esercizio, influenzati, in modo significativo, dai costi energetici per la captazione dell acqua dalle falde sotterranea e per il ripompaggio alla quota piezometrica necessaria per garantire i livelli minimi di servizio previsti dal D.P.C.M. del A2A Ciclo Idrico gestisce il Servizio Integrato in 74 Comuni della Provincia di Brescia e distribuisce acqua contabilizzata (consumi dell utenza e autoconsumi per l esercizio) pari a circa 56,00 Mm 3 /anno, prelevata da 171 pozzi e da 155 sorgenti, distribuita attraverso una capillare rete di lunghezza complessiva pari a Km. Circa l 85% dell acqua erogata è proveniente dai pozzi, che captano falde profonde per intercettare gli acquiferi qualitativamente migliori, e il 30% dell acqua è trattata con specifici impianti. 89

102 Il sistema fognario di Brescia e dei comuni serviti in provincia è costituito da Km di rete e da n. 133 stazioni di sollevamento. Per il trattamento delle acque reflue sono in esercizio 59 impianti a fanghi attivi, il più importante è situato in località Verziano (Brescia) di capacità di trattamento pari abitanti equivalenti. I consumi complessivi di energia elettrica di A2A Ciclo Idrico sono pari a 69,47 GWh; la Figura 1 mostra la ripartizione sui tre settore funzionali. 33% ACQUEDOTTO FOGNATURA DEPURAZIONE 2% 65% Fig. 1 Suddivisione dei consumi di energia elettrica sui tre settori funzionali Il settore funzionale acquedotto, che comprende le fasi di adduzione, trattamento, pompaggio e distribuzione di acque destinate al consumo umano, è quello che ha un consumo energetico più importante rispetto alla depurazione e fognatura. Il solo costo di energia elettrica equivale al 25% dei costi totali (costi variabili e costi fissi) e il consumo specifico è circa 0,54 kwh/m 3 di acqua immessa nella rete di distribuzione. 2.1 Installazione di un sistema elettronico di regolazione di frequenza presso il pozzo Mazzini 2 nel Comune di Concesio Il pozzo in questione, unitamente ad altri 3 pozzi, alimenta la rete di distribuzione del Comune alla quale sono collegati i serbatoi di compenso accumulo, che consentono di sopperire alla richiesta delle punte massime giornaliere. L accensione del pozzo, asservita alla chiamata del galleggiante di minimo livello del relativo serbatoio, è telecomandata dalla sala di telecontrollo aziendale (Figura 2). Fig. 2 - Vista di una pagina del telecontrollo e del piping del pozzo Mazzini 2 Il pozzo è dotato di elettropompa, la cui scelta è avvenuta sulla scorta dei seguenti elementi: 90

103 portata ottimale del pozzo, rilevate con la prova di pompaggio a gradini, elaborando i dati con sw specifico per comprendere il comportamento idraulico del pozzo; prevalenza manometrica necessaria per l immissione dell acqua in rete, che tiene conto della notevole escursione del livello della falda che, nel caso specifico, subisce una variazione di ±15 m in relazione alle condizioni climatiche; portata idrica, richiesta dall acquedotto da alimentare. Il campo d impiego dell elettropompa, per far lavorare la macchina nel punto di massimo rendimento alla portata di 34 l/s richiesta dall acquedotto, con pressione manometrica di 130 m, è evidenziato nel grafico della curva caratteristica (Figura 3). Fig. 3 - Curva caratteristica dell elettropompa del pozzo Mazzini 2 Il motore elettrico che aziona la pompa è del tipo a 2 poli, caratterizzato dei seguenti dati di targa: frequenza H z = 50 H z ; tensione concatenata V c = 400 V; potenza attiva assorbita P a = 67,42 kw; rendimento a pieno carico ɳ p = 87,5%; fattore di potenza a pieno carico cos φ = 0,845. Si è provveduto a modificare l impianto elettrico di alimentazione dell elettropompa, installando un variatore di frequenza inverter, scelto sulla scorta della potenza elettrica dell elettropompa Descrizione degli strumenti di misura utilizzati e delle prove effettuate sul campo E stato utilizzato un analizzatore elettrico, di cui riportiamo i dati di targa: strumento Power Xplorer (c) Dranetz-BMI Sep 10 10:36:33Ver.: V 2.10, Numero di serie 4400AB

104 Lo strumento è stato configurato per la misura di potenza elettrica, con sistema di collegamento voltmetrico sulle 3 fasi più il neutro, prelevando la tensione direttamente all interno del quadro elettrico e il collegamento amperometrico sulle 3 fasi con pinze amperometriche. Lo strumento, come mostra la Figura 4, rileva la tensione, la corrente, la potenza attiva e reattiva e il fattore di potenza; la sua precisione è la seguente: tensione: ± 0,1% misura ± 0,05% fondo scala (range canali: da 1 a 600 Vrms max); corrente: ± 0,1% misura ± 0,05% fondo scala (range dal 10% al 200% del FS della sonda di corrente). Le pinze Dranetz_BMI: ± 1% misura (range A); ± 2% misura (range A). Fig. 4 Schema della configurazione dello strumento e parametri rilevati Per le misure di portata è stato utilizzato il contatore elettromagnetico dell impianto DN 100 modello OPTIFLUX 2000 della KRONE, dotato di convertitore di flusso con uscita analogica, programmabile per flusso bidirezionale, con corrente in uscita 4 20 ma. L errore limite del contatore è ± 0,3% del valore misurato (range Qmin 0,4 m 3 /h Qmax 312,5 m 3 /h). Le prove sul campo si sono svolte in data , misurando gli assorbimenti elettrici dell elettropompa in corrispondenza di prefissati regimi parziali di portata richiesta dall acquedotto e simulata con l utilizzo di due noti sistemi per la variazione della portata idrica: strozzatura della valvola posta sulla mandata dell elettropompa; modifica del numero dei giri dell elettropompa agendo sulla frequenza, mediante l installazione di un inverter. La prova ha consistito nell esecuzione delle seguenti fasi: misura della potenza elettrica PV, assorbita in corrispondenza di N valori di portata Qi adottando la regolazione della portata con il sistema più semplice valvola di strozzamento, tecnologia assunta come riferimento; 92

105 Potenza assorbita kw Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua misura analoga della potenza elettrica PI, assorbita in corrispondenza di N valori di portata Qi adottando la regolazione della portata mediante un sistema elettronico di regolazione di frequenza inverter ; estrapolazione dei consumi energetici nel corso di un periodo standard di riferimento (orizzonte temporale al quale viene riferita la rendicontazione dei risparmi energetici) e calcolo del risparmio della seconda soluzione di regolazione della portata rispetto alla prima Risultanze delle prove effettuate con l utilizzo delle due regolazioni di portata La prima prova di regolazione della portata idrica è stata eseguita strozzando la valvola posta sulla mandata dell elettropompa, per simulare la richiesta idrica dell acquedotto che è variabile durante la giornata (come risulta dai dati storici delle registrazioni presenti nel date base del sistema di telecontrollo), mantenendo fisso il valore di pressione d esercizio in rete. La prova è stata condotta con una successione di manovre manuali sulla valvola di strozzamento parzializzando la portata da circa il 50% fino al 100% della portata (valvola completamente aperta). Analoga prova è stata effettuata utilizzando il regolatore di frequenza di rete (inverter), per simulare la portata idrica dell acquedotto, mantenendo fissa la pressione d esercizio. Con i dati rilevati nelle due prove è stato costruito il grafico, che mostra l andamento delle potenze elettriche assorbite con i due sistemi di regolazione (Figura 5). 80 Regolazione con valvola Regolazione con inverter Portata l/sec Fig. 5 - Andamento delle potenze assorbite con i due sistemi di regolazione di portata Dai dati rilevati si osserva come l azionamento a velocità variabile (inverter) conduca in ogni caso a un decremento della potenza elettrica assorbita, rispetto al sistema con valvola di strozzamento per la regolazione della portata e come tale decremento sia tanto sensibile quanto maggiore è la parzializzazione della portata rispetto al valore massimo. In particolare, quando la parzializzazione è par al 50% della portata si osservano decrementi percentuali della potenza assorbita pari al 60% della potenza elettrica massima Calcolo del risparmio economico utilizzando l inverter In termini quantitativi il risparmio energetico annuo, determinato dalla differenza tra l energia consumata con la regolazione mediante lo strozzamento della valvola e 93

106 energia (kwh) Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua l energia consumata mediante la regolazione con l utilizzo del variatore di frequenza inverter, è stato calcolato rilevando la distribuzione delle ore di funzionamento annuali sulle rispettive portate idriche richieste dall acquedotto, nell anno standard di riferimento (PR). I dati sono stati raccolti utilizzando la fonte del data base storico del telecontrollo, mostrati nella Tabella 1. Portata (l/s) 22,0 23,0 24,0 25,0 26,0 27,0 28,0 29,0 30,0 31,0 32,0 33,0 34,0 35,0 36,0 37,0 38,0 Ore di funzionamento annue (h) 102,0 91,0 46,0 34,0 35,0 32,0 314,0 181, ,0 64,0 238, , , ,0 208,0 10,0 91,0 Potenza con valvola (kw) 64,70 65,10 65,50 65,90 66,30 66,70 67,10 67,50 67,90 68,30 68,70 69,10 69,50 69,70 69,90 70,00 70,00 Energia consumata con valvola (kwh) 6.599, , , , , , , , , , , , , , ,2 700, ,0 Potenza con inverter (kw) 27,50 29,20 30,10 31,60 33,10 34,00 36,10 37,40 39,20 41,20 43,10 45,10 46,90 48,60 51,00 53,20 55,30 Energia consumata con inverter (kwh) 2.805, , , , , , , , , , , , , , ,0 532, ,3 Energia risparmiata (kwh) 3.794, , , , , , , , , , , , , , ,2 168, ,7 Tab. 1 - Calcolo del risparmio energetico annuo in corrispondenza dei regimi di portata Il grafico di Figura 6 evidenzia il risparmio di energia utilizzando l inverter per la regolazione di portata. energia consumata con valvola (kwh) energia consumata con inverter (kwh) energia risparmiata (kwh) portata l/s Fig. 6 - Risparmio di energia primaria utilizzando l inverter Il totale dell energia risparmiata E tr risulta essere: E tr = E r = ,2 kwh/anno Il risparmio energetico annuo di ,2 kwh, rappresenta un valore pari al 36% del consumo elettrico calcolato in assenza dell inverter. Il risparmio economico annuo, espresso in /anno, calcolato per un costo unitario dell energia sul mercato libero pari a circa 0,17 /kwh è di : 94

107 RE = ,2 kwh/anno 0,17 / kwh = ,90 /anno Il costo della fornitura ed installazione dell inverter, completo di filtro, è stato di Pertanto in modo semplificato, non considerando il VAN, il tempo di pay-back dell inverter è di circa 6 mesi. 2.2 Up-granding ripompaggio Taramelli nel Comune di Brescia L intervento in questione, di recente completamento, effettuato da A2A Ciclo Idrico S.p.A., è consistito nella sostituzione dell elettropompa fuori terra della stazione di ripompaggio Taramelli (Figura 1), situata nella zona Nord della città di Brescia, ai piedi del colle San Giuseppe, ove il territorio presenta importanti variazioni altimetriche (da quota 191 m s.l.m. a quota 352 m s.l.m.). Fig. 7 - Stazione di ripompaggio Taramelli e cartografia della rete La stazione di ripompaggio, installata per alimentare una zona collinare residenziale con presenti 60 fabbricati posti lungo la via Taramelli, è dotata di due pompe HVU25/6A, di cui una di riserva, gestite da inverter e dotate di sistema di sicurezza per massima pressione. La scelta dell elettropompa ha tenuto conto della portata richiesta dall acquedotto, con punte intorno ai 6 7 l/s nella stagione estiva, e della pressione manometrica di 190 m, necessaria per garantire il servizio all utenza più sfavorita (Figura 2). Fig. 8 - Elettropompa della stazione Taramelli e caratteristiche tecniche 95

108 I motori elettrici che azionano le due elettropompe (di cu una di riserva) sono del tipo a 2 poli, con i seguenti dati di targa: classe di efficienza EFF2; frequenza H z = 50 H z ; tensione concatenata V c = 400 V; potenza attiva assorbita P a = 24,8 kw; rendimento a pieno carico ɳ p = 88,5%; fattore di potenza a pieno carico cos φ = 0,85. Si è provveduto a sostituire in data una delle due elettropompe con una simile, con il motore elettrico in classe di efficienza IE3 (rendimento premium) Descrizione degli strumenti di misura utilizzati e delle prove effettuate sul campo Le misure elettriche sono state registrate con la strumentazione indicato al punto , mentre le misure in corrispondenza di prefissati regimi parziali di portata sono state registrate con un flussimetro a ultrasuoni montaggio esterno, tipo portatile della ditta CONTROLOTRON. Principali caratteristiche: principio di misura a tempo di transito; adatto per tubazioni da 6 mm a 9 metri; data logger integrato; accuratezza da 1% a 2% del valore misurato con sensibilità di flusso di 0,015 m/s; sensibilità 0,0003 m/s. Le prove sul campo si sono svolte dal al , rilevando i seguenti dati il volume registrato dal contatore acqua installato per registrare il profilo giornaliero dell acquedotto nel periodo invernale; la potenza elettrica assorbita dal motore in corrispondenza di prefissati regimi parziali di portata richiesta dall acquedotto, integrando con prove aggiuntive per simulare la richiesta idrica dell acquedotto nella stagione estiva Risultanze delle prove effettuate sulle due elettropompe EFF2 e IE3 I dati registrati delle prove effettuate in condizioni normali di esercizio dell acquedotto, evidenziavano una portata idrica variabile da un valore minimo di circa 0,5 l/s a un valore massimo di circa 2,7 l/s. La prova è stata condotta regolando la portata idrica con l inverter esistente, che alimenta le elettropompe, in corrispondenza ai prefissati regimi di portata idrica, spillando all occorrenza acqua dalla rete per simulare i prelievi. Dai dati rilevati della potenza assorbita, ai regimi di portata richiesta dall acquedotto durante le prove effettuate, si è potuto costruire il grafico dell andamento della potenza elettrica assorbita dalla rete, mostrato in Figura 3. 96

109 Potenza Elettrica kw Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua 25 pompa EFF2 pompa IE Portata l/s Fig. 9 - Andamento delle potenze assorbite con le due elettropompe EFF2 e IE3 Per determinare il risparmio annuo di energia mostrato nella Figura 4, sono state rapportate all anno le ore di funzionamento dell elettropompa ai regimi richiesti dall acquedotto (Tabella 1) registrate durante le prove e in occasione della campagna ricerca perdite sulla rete effettuata nel luglio 2012 (per le ore nei mesi estivi di giugno luglio e agosto), come evidenziato nella Tabella 1. Portata (l/s) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 5,0 6,0 7,0 Ore/anno di funzionamento 74, , ,0 394,0 170,0 123,0 91,0 60,0 32,0 14,0 4,0 Potenza pompa EFF2 (kw) 11,63 12,44 13,24 14,07 14,92 15,55 16,48 18,57 20,63 22,45 23,70 Energia consumata con pompa EFF2 (kwh) 860, , , , , , , ,2 660,2 314,3 94,8 Potenza con pompa IE 3 (kw) 8,37 9,03 9,65 10,04 10,85 11,30 11,98 13,50 15,00 18,60 21,00 Energia consumata con pompa IE 3 (kwh) 619, , , , , , ,2 810,0 480,0 260,4 84,0 Energia risparmiata (kwh) 241, , , ,8 691,9 522,8 409,5 304,2 180,2 53,9 10,8 Tab. 2 - Calcolo del risparmio energetico annuo in corrispondenza dei regimi di portata 97

110 Energia kwh Atti della 49^ Giornata di Studio di Ingegneria Sanitaria Ambientale Risparmio energetico negli impianti di trattamento dell acqua energia consumata dalla pompa EFF2 energia consumata dalla pompa IE3 energia risparmiata Portata l/s Fig. 10 Energia annua in corrispondenza dei regimi di portata con le due elettropompe EFF2 e IE3 Il totale dell energia risparmiata E tr, che rappresenta un valore pari al 27,3 % del consumo elettrico con motore EFF2, è: E tr = E r = ,5 kwh/anno Il risparmio economico annuo, espresso in /anno, calcolato per un costo unitario dell energia sul mercato libero pari a circa 0,17 /kwh è di : RE = ,5 kwh/anno 0,17 / kwh = 5.277,05 /anno Il costo della fornitura ed installazione della nuova elettropompa IE3, è stato di Pertanto in modo semplificato, non considerando il VAN, il tempo di pay-back della sostituzione della pompa risulta essere di circa 13 mesi. 3. Conclusioni E necessario proseguire con campagne di sensibilizzazione sui mass media sull efficienza negli usi di energia elettrica e in particolare in quello dei motori elettrici, che rappresenta la percentuale più importante di tutta l elettricità richiesta nel settore industriale. Si ricorda a tal proposito che la Comunità Europea (CE) ha recentemente approvato il Regolamento CE n. 640/2009 che è basato sostanzialmente sulla IEC e impone dall 1 gennaio 2017 a tutti i paesi dell Unione Europea di conformarsi ai nuovi parametri, che prevedono fra l altro, l utilizzo di motori, per potenze nominali tra 0, kw, di classe di rendimento IE3, o minima IE2 se equipaggiati da azionamento con controllo elettronico della velocità. L attuazione degli interventi di risparmio deve comunque avvenire dopo un attenta analisi dell impianto e dell ambiente circostante, per consentire una corretta progettazione che comprenda anche le misure di mitigazione dei disturbi elettromagnetici, di rumore e di calore, che sono generati dagli inverter di importante potenza elettrica. 98

111 Bibliografia D.P.C.M. del 4 marzo 1996 Disposizioni in materia di risorse idriche; Proposte di schede tecniche dell Autorità per l energia elettrica e il gas per la quantificazione dei risparmi di energia primaria relativi agli interventi di cui all articolo 5, comma 1, dei decreti ministeriali 20 luglio 2004 Documento di consultazione del ; Norma tecnica CEI EN Classi di rendimento dei motori asincroni trifase con rotore a gabbia ad una sola velocità (Codice IE), Comitato Elettrotecnico Italiano, 2009; Regolamento della Commissione N. 640/2009 del 22 luglio 2009 recanti modalità di applicazione della direttiva 2005/32/CE del Parlamento europeo e del Consiglio in merito alle specifiche per la progettazione ecocompatibile dei motori elettrici, Commissione Europea, 2009; Motori elettrici e variatori di velocità: ridurre i consumi elettrici. Sigfrido Vignati ENEA AEIT

112 La riduzione dei consumi energetici risultanti dall up-grading dell impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore a servizio dell acquedotto della Città di Parma Valentino Piramide Funzione Impianti Idrici di Enìa Parma S.r.l., società di Iren Emilia S.p.A., Gruppo Iren Strada Santa Margherita 6/A, Parma valentino.piramide@gruppoiren.it Riassunto L impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore è entrato in funzione nel 1996 quando, in seguito all incremento della concentrazione dei nitrati nell acqua emunta dal campo pozzi di Marore, si è reso necessario il trattamento per il rispetto del limite di 50 mg/l dell acqua destinata agli usi idroprotabili. A partire dall anno 2010 e fino all agosto 2012, grazie all implementazione delle innovazioni rese disponibili dallo sviluppo tecnologico nel settore del trattamento ad osmosi inversa, sono stati realizzati importanti interventi di manutenzione straordinaria finalizzati al mantenimento degli obiettivi di produzione nominale dello stesso impianto e alla riduzione del consumo sia di energia elettrica che di reagenti chimici. 1. Introduzione L impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore è un impianto ad osmosi inversa utilizzato per l abbattimento della concentrazione dei nitrati nell acqua emunta dal campo pozzi di Marore; l impianto ad osmosi inversa è inserito all interno del complesso impiantistico attraverso il quale viene alimentata la rete idrica dell area Sud della città di Parma e una porzione significativa dell acquedotto del Comune di Montechiarugolo; in particolari casi di emergenza idrica, la Centrale Idrica Marore e l impianto di denitrificazione possono contribuire al superamento dell emergenze stesse grazie alle interconnessioni della Centrale Marore con la restante parte dell acquedotto della città di Parma. L acqua che alimenta l impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore proviene dal campo pozzi di Marore, ovvero da n. 4 pozzi di falda profonda (da 40 fino a 90 metri dal piano di campagna) le cui caratteristiche chimico-fisiche evidenziano una concentrazione di nitrati che oscilla tra i 65 e i 70 mg/l. L impianto di denitrificazione è costituito da n. 2 linee poste in parallelo denominate Linea A e Linea B, ciascuna in grado di trattare una portata nominale di 110 mc/h di acqua grezza con un recupero nominale del 60%, ovvero di produrre 66 mc/h di acqua permeata e 44 mc/h di acqua concentrata. L acqua permeata viene stoccata all interno di una vasca della capacità di 1000 mc e spillata in modo controllato con l obiettivo di avere una concentrazione obiettivo di nitrati in uscita dalla Centrale Idrica Marore pari a 35 mg/l; l acqua concentrata viene scaricata in pubblica fognatura e, attraverso il sistema fognario della città di Parma, addotta all impianto di depurazione biologica denominato Parma Est. L impianto di denitrificazione viene gestito con piano di funzionamento 24/24 ore 7/7 giorni e fermato solo per manutenzioni straordinarie. 100

113 L impianto di denitrificazione presenta per ciascuna linea una sezione di pretrattamenti e una sezione ove avviene il processo di osmosi inversa; appartengono alla sezione pretrattamenti il dosaggio dell antiprecipitante, la pressurizzazione dell acqua grezza, la filtrazione per la rimozione delle impurità con sezione di passaggio 10 micron assoluti, la disinfezione a Raggi UV; la sezione osmosi inversa è costituita da 13 vessel all interno di ciascuno dei quali sono alloggiate 7 membrane per un complessivo di 91 membrane. Di seguito si riporta lo schema funzionale dell impianto di denitrificazione: Figura 1 Schema funzionale e grandezze caratteristiche della Linea A e della Linea B dell impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore 2. Gli interventi di up-grading dell impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore Gli interventi di efficientamento eseguiti sull impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore sono stati condotti a partire da fine Giugno 2010 fino ad inizio Agosto 2012; relativamente al periodo antecedente gli interventi di efficientamento (giugno 2009-giugno 2010), sono stati registrati i valori caratteristici della performance dell impianto riportati di seguito: - volume acqua grezza in ingresso Linea A: mc/anno; - volume acqua grezza in ingresso Linea B: mc/anno; 101

114 - volume acqua permeata Linea A: mc/anno; - volume acqua permeata Linea B: mc/anno; - volume acqua concentrata Linea A: mc/anno; - volume acqua concentrata Linea B: mc/anno. - concentrazione media acqua permeata Linea A + Linea B: 9,57 mg/l I dati caratteristici del funzionamento della Linea A e della Linea B nel periodo immediatamente precedente agli interventi di efficientamento sono riportati di seguito: Tabella 1 Dati caratteristici di funzionamento dell impianto prima del 1 Intervento di efficientamento Il consumo di energia dell Impianto di Denitrificazione della Centrale Idrica Marore prima degli interventi di efficientamento è stato calcolato in kwh/anno per il trattamento di mc/anno di acqua grezza; da tale processo si ottenevano mc/anno di acqua permeata. L indice di consumo energetico, calcolato sull acqua grezza trattata, è stato calcolato in 0,464 kwh/mcgrezza. L analisi dei dati caratteristici della performance idraulica ed energetica dell impianto di denitrificazione della centrale idrica Marore ha messo in evidenzia che era possibile produrre più acqua permeata (trattando più acqua grezza) utilizzando meno energia attraverso l efficientamento dei gruppi di pressurizzazione (indipendentemente dal punto di lavoro imposto dalle membrane), utilizzo di membrane di nuova generazione a bassa pressione di lavoro delle membrane senza sacrificare il coefficiente di recupero, ridurre il consumo energetico dell impianto di disinfezione a Raggi UV e ottimizzare il dosaggio del reagente antiprecipitante garantendone la concentrazione effettivamente necessaria e conseguentemente la durata delle nuove membrane che si sarebbero installate; Nel periodo intercorso da Giugno 2010 ad Agosto 2012 sono stati effettuati la serie di interventi descritta di seguito: Giugno Intervento: - sulla Linea A e Linea B, installazione del sistema di dosaggio in feed-back del reagente antiprecipitante con inseguimento del set-point di concentrazione desiderato; - sulla Linea A e Linea B, sostituzione delle valvole di contropressione per il governo della pressione di lavoro dell impianto stesso; 102

115 - sulla Linea B, sostituzione del gruppo di pressurizzazione, modifica elettrica per il funzionamento ad inseguimento di portata della pompa di pressurizzazione dell acqua grezza, implementazione del by-pass filtri del sistema di prefiltrazione e sostituzione delle 91 membrane della sezione osmosi inversa; - sulla Linea A e Linea B, utilizzo di prodotto antiprecipitante concentrato in sostituzione di quello diluito. L analisi dei dati caratteristici della performance idraulica ed energetica dell impianto di denitrificazione della centrale idrica Marore dopo gli interventi di Giugno 2010 mette in evidenza che il consumo energetico della Linea B è diventato sensibilmente più basso di quello calcolato prima degli interventi stessi. Le tabelle di seguito mostrano in sintesi i dati della performance idraulica dopo il 1 Intervento: Tabella 2 Dati caratteristici di funzionamento dell impianto prima del 1 Intervento di efficientamento Tabella 3 Dati caratteristici di funzionamento dell impianto dopo il 1 Intervento di efficientamento. Tabella 4 Dati caratteristici di funzionamento dell impianto prima del 2 Intervento di efficientamento 103

116 Il primo intervento di efficientamento eseguito nel Giugno 2010 ha consentito una diminuzione media di 0,0933 kwh/mcgrezza dello stesso indice del periodo Pre 1 Intervento e questo, considerato che nei 25 mesi successivi allo stesso intervento sono stati trattati mc di acqua Grezza, ha determinato un recupero energetico di kwh. Agosto Intervento: - sulla Linea A e Linea B, nuovo impianto a Raggi UV e rimozione delle componentistiche elettromeccaniche per il funzionamento del secondo stadio; - sulla Linea A, sostituzione del gruppo di pressurizzazione, modifica per il funzionamento ad inseguimento di portata della pompa di pressurizzazione dell acqua grezza, implementazione by-pass filtri del sistema di pre-filtrazione e sostituzione delle 91 membrane della sezione osmosi inversa; L analisi dei dati caratteristici della performance idraulica ed energetica dell impianto di denitrificazione della centrale idrica Marore dopo il secondo intervento di efficientamento ha messo in evidenza che l indice di consumo energetico dell impianto di denitrificazione di Marore è diventato, in seguito agli intervento stessi, sensibilmente più basso di quello calcolato prima degli interventi stessi. Le tabelle di seguito mostrano in sintesi i dati della performance idraulica ed energetica dell impianto dopo il 2 Intervento di efficientamento: Tabella 5 Dati caratteristici di funzionamento dell impianto dopo il 2 Intervento di efficientamento Tabella 6 Dati caratteristici di funzionamento dell impianto oggi, dopo gli interventi di efficientamento Il secondo intervento di efficientamento ha consentito una riduzione media di 0,073 kwh/mcgrezza rispetto allo stesso indice del periodo Post 1 Intervento e una 104

117 riduzione media di 0,134 kwh/mcgrezza rispetto allo stesso indice del periodo Pre 1 Intervento ; in riferimento alla seconda riduzione, considerato che nei 12 mesi successivi all intervento sono stati trattati mc di acqua Grezza, il secondo intervento di efficientamento ha determinato un ulteriore recupero energetico di kwh. Il primo e il secondo intervento di efficientamento hanno determinato complessivamente, rispetto alla performance idraulica ed elettrica registrata sull impianto di denitrificazione ad osmosi inversa prima degli interventi di efficientamento che hanno avuto inizio nel Giugno 2010, un recupero energetico di kwh; gli stessi interventi hanno prodotto un incremento dei volumi di acqua permeata del processo di osmosi inversa, ovvero l aumento dal valore di medio di mc/anno al valore medio di mc/anno per un incremento percentuale pari al 42% circa. La concentrazione dei nitrati nell acqua permeata è decresciuta sensibilmente in seguito agli interventi effettuati; la tabella che segue riporta i valori medi registrati sulla miscelazione dell acqua permeata della Linea A e della Linea B nel periodi corrispondenti agli interventi effettuati: Tabella 7 Concentrazione dei nitrati in corrispondenza degli interventi di efficientamento Dalla tabella si evince che la riduzione media della concentrazione dei nitrati nell acqua permeata, per effetto della prima e seconda serie di interventi, è diminuita del 75% circa. Ad oggi, sull impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore non sono stati condotti ulteriori interventi di efficientamento; la gestione dell impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore non ha richiesto alcun intervento di pulizia e sanitizzazione delle membrane né sulla Linea B installate a Giugno 2010 né sulla Linea A installate ad Agosto Conclusioni Gli interventi di efficientamento condotti sull impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore hanno dato modo di ridurre sensibilmente sia il consumo di energia elettrica dello stesso impianto che di incrementare i volumi di acqua trattata e, conseguentemente, quelli di acqua permeata utili al raggiungimento della concentrazione obiettivo di 35 mg/l dell acqua distribuita dalla Centrale Idrica Marore. I dati caratteristici della performance idraulica dopo gli interventi sono riportati di seguito: 105

118 - volume acqua grezza in ingresso Linea A: mc/anno; - volume acqua grezza in ingresso Linea B: mc/anno; - volume acqua permeata Linea A: mc/anno; - volume acqua permeata Linea B: mc/anno. - volume acqua concentrata Linea A: mc/anno; - volume acqua concentrata Linea B: mc/anno; - concentrazione media acqua permeata Linea A + Linea B: 2,35 mg/l rispetto al periodo antecedente gli interventi descritti risulta che: - l indice di consumo energetico si è ridotto di 0,134 kwh/mcgrezza e attualmente si attesta a 0,338 kwh/mcgrezza; - sono stati risparmiati ad oggi circa kwh di energia elettrica; - è stato prodotto, mediamente, un volume di acqua permeata maggiore di circa mc/anno; - la concentrazione dei nitrati nell acqua permeata si è ridotta di 7,22 mg/l e si attesta oggi ad un valore medio di 2,35 mg/l. Inoltre, relativamente al consumo del reagente antiprecipitante, il consumo specifico ha registrato una lieve diminuzione passando dal valore di 5,36 gr/mc del periodo Giugno 2009-Giugno 2010 al valore 5,01 gr/mc del periodo Settembre 2012-settembre 2013, corrispondente ad una riduzione di circa il 6,5%. L aumento del volume di acqua permeata ottenuto dal trattamento di osmosi inversa nell impianto di denitrificazione della Centrale Idrica Marore, in particolare, ha consentito di mantenere la concentrazione obiettivo di 35 mg/l nell acqua distribuita dalla stessa centrale utilizzando volumi inferiori di altre risorse idriche disponibili, determinando così sia un vantaggio economico che gestionale; infatti sono stati ridotti sia i volumi di acqua acquistata da altro gestore idrico che quelli di autoproduzione emunti in altre aree dell acquedotto della città di Parma e utilizzati per compensare la richiesta idrica delle utenze alimentate dalla Centrale Idrica Marore; di fatto, pertanto, oltre al mancato acquisto e al mancato emungimento, è aumentato il livello di affidabilità della Centrale Idrica Marore oltre che dell acquedotto della Città di Parma e del Comune di Montechiarugolo. 106

119 L esperienza di Enía Reggio (Gruppo Iren) nella riduzione dei consumi energetici nel settore acquedottistico Chiara Ziveri 1, Federico Ferretti 1, Pietro Pedrazzoli 2 1 Enía Reggio Emilia S.r.l. Gruppo Iren, 2 Iren Acqua Gas Gruppo Iren Via Nubi di Magellano, Reggio Emilia chiara.ziveri@gruppoiren.it Riassunto In questo contributo vengono presentate le misure adottate da Enía Reggio nel settore acquedottistico per il contenimento dei consumi energetici. Il risparmio energetico rappresenta oggi uno degli obiettivi fondamentali nella gestione del servizio idrico integrato, poiché costituisce una delle voci di maggior impatto nei costi operativi, senza trascurare gli effetti ambientali in termini di emissioni di gas serra. Il continuo contenimento dei consumi elettrici in ambito acquedottistico che negli ultimi quindici anni Enía Reggio è riuscita ad ottenere è stato reso possibile grazie alle modifiche impiantistiche su pompaggi e piping nelle centrali e sulla distribuzione in rete, alla grande attenzione rivolta alla ricerca delle perdite idriche e alle attività di riduzione delle pressioni di rete. Tra i diversi progetti di risparmio energetico implementati verrà presentato il caso dell ottimizzazione dell acquedotto di Fellegara. 1. Introduzione Il Ciclo Idrico Integrato in provincia di Reggio Emilia è gestito da Iren Acqua Gas (gruppo IREN, nato nel luglio 2010 dalla fusione delle società Iride ed Enia Spa), in ambito emiliano le attività operative di gestione vengono poi svolte da Iren Emilia attraverso tre società territoriali, tra cui Enìa Reggio. L'attività nel settore dei servizi idrici integrati consiste nella progettazione, realizzazione, esercizio e manutenzione di impianti e reti di: captazione, potabilizzazione, accumulo, sollevamento, adduzione, distribuzione di acqua potabile, delle reti e dei sollevamenti fognari, e degli impianti di trattamento delle acque reflue urbane. A questo si aggiungono l allacciamento delle unità alle reti di acqua potabile, il controllo ed il mantenimento della qualità delle acque reflue e potabili secondo quanto stabilito dalle normative vigenti. Il bacino provinciale servito dalle reti acquedottistiche del Ciclo Idrico Integrato di Iren a Reggio Emilia è di circa abitanti, pari ad oltre il 90% dei abitanti residenti, svolto su 44 dei 45 Comuni della Provincia. La copertura del servizio fognario e di depurazione sfiora l 85% della popolazione, ad esclusione cioè delle sole case sparse e dei piccoli borghi prevalentemente situati sulla fascia appenninica. Nell anno 2012 il consumo complessivo di energia elettrica relativo al SII di Reggio Emilia è stato pari a kwh, suddiviso al 50% tra il settore acquedottistico ed il settore fognatura e depurazione. Dal punto di vista economico la spesa per l energia elettrica ha rappresentato il 37% dei costi operativi diretti di gestione. 2. Analisi del consumo di energia elettrica associato al sistema acquedottistico della Provincia di Reggio Emilia Il sistema acquedottistico della provincia di Reggio Emilia si sviluppa su un territorio orograficamente molto differente: solamente il 9% della popolazione, rappresentata dalle utenze approvvigionate da acquedotti montani, è servita da sistemi a gravità, per i 107

120 quali l acqua prodotta, provenendo da una captazione superficiale e da numerose sorgenti ubicate in quota, possiede un contenuto energetico che fondamentalmente non necessita di rilanci. Estremamente differente è il caso degli acquedotti della pianurapedecollina che approvvigionano il 91% della popolazione: ad eccezione infatti di un unica captazione di subalveo dalla quale è stato prelevato un volume pari al 5% del totale provinciale, l 81% dell acqua prodotta nella provincia di Reggio Emilia viene estratta dal sottosuolo. Il volume prelevato viene generalmente stoccato in serbatoi primari dai quali aspirano impianti di pompaggio che sollevano l acqua verso serbatoi piezometrici pensili o posti in quota, dove possono essere presenti ulteriori rilanci a servizio di utenze altimetriche più elevate; sono inoltre installati diversi gruppi di spinta ad inverter a diretto servizio della rete di distribuzione. Complessivamente sull intera provincia sono presenti 106 stazioni di pompaggio, per una potenza installata di oltre kw. Nel settore acquedottistico reggiano l incidenza dei consumi elettrici dovuti ai sollevamenti è preponderante rispetto all energia consumata negli impianti di trattamento; su tutto il territorio sono infatti presenti sei impianti di potabilizzazione (esclusi gli impianti di disinfezione): due per il trattamento di acqua superficiale, uno a carboni attivi per la rimozione di microinquinanti, uno per la rimozione di ferro e manganese e due per la rimozione di ferro, manganese e ammoniaca. Si stima che l energia impiegata nei sistemi di trattamento sia inferiore al 5% del consumo totale. Considerando l intero sistema acquedottistico della provincia di Reggio Emilia il volume di acqua prodotto nell anno 2012 è stato di m 3 con un corrispondente consumo di energia elettrica di 23, kwh, pari ad un consumo energetico specifico di 0,506 kwh/m 3 e a 49,3 kwh/abitante servito. La Tab.1 riassume le principali caratteristiche del sistema acquedottistico della provincia di Reggio Emilia. Prendendo in considerazione il volume di acqua transitato da ciascun impianto di pompaggio ed i relativi consumi di energia elettrica, è stato valutato il consumo energetico specifico per le diverse tratte dei vari acquedotti, a seconda del numero di sollevamenti a cui l acqua è sottoposta ed alle prevalenze ad essi associate: nella provincia di Reggio Emilia si passa da valori prossimi a 0 kwh/m 3 per gli acquedotti montani, a valori compresi tra 0,3 e 1 kwh/m 3 per gli acquedotti di pianura e pedecollina. Anno 2012 Abitanti serviti Lunghezza reti (km) Volume prodotto (m 3 ) da falda (m 3 ) da sorgente (m 3 ) 3, da captazione superficiale (m 3 ) 5, Portata media annua (m 3 /s) 1,49 Dotazione idrica lorda (l/ab/d) 267 Consumo idrico (l/ab/d) 196 Consumo energetico (kwh) 23, Consumo energetico specifico (kwh/m 3 ) 0,506 Tab. 1 - Principali caratteristiche del sistema acquedottistico della provincia di Reggio Emilia. Da oltre 15 anni è attivo presso Enìa Reggio un servizio di ricerca perdite, distrettualizzazione e gestione delle pressioni il cui impegno ha permesso la continua 108

121 diminuzione del volume di acqua prodotta raggiungendo valori attuali al di sotto di quelli dell anno 1994, quando il numero di abitanti serviti era inferiore del 45% (Fig.1). Dai primi anni 2000 inoltre sono stati implementati numerosi progetti per il risparmio energetico nel settore dell acquedottistico che, insieme alla gestione delle pressioni e alla ricerca perdite, hanno permesso di passare dai valori massimi di kwh ai minimi di questi ultimi anni (Fig.1); i risultati degli interventi di ottimizzazione energetica degli impianti si riflettono nella riduzione del consumo specifico di energia elettrica (Fig.2). Fig.1 - Andamento temporale di: volume idrico prodotto, energia elettrica consumata e popolazione servita nel sistema acquedottistico della provincia di Reggio Emilia. Fig. 2 - Andamento temporale del consumo specifico di energia elettrica nel sistema acquedottistico della provincia di Reggio Emilia. 3. Analisi dell upgrading impiantistico e gestionale ai fini della riduzione dei consumi energetici Come già citato nel paragrafo precedente, sono stati numerosi gli interventi di ottimizzazione energetica intrapresi all interno degli acquedotti della provincia di Reggio Emilia. Le misure adottate hanno riguardato soprattutto: - la sostituzione di pompe con macchine a più alto rendimento; 109

122 - modifiche impiantistiche volte alla diminuzione di eccessive perdite di carico; - l alimentazione di parti di acquedotto, ove le interconnessioni lo hanno permesso, con acqua proveniente da captazioni piezometricamente favorite, come ad esempio acqua di sorgente o proveniente da prese superficiali, piuttosto che da un acquifero sotterraneo; - l eliminazione di passaggi ridondanti in vasche intermedie che facessero perdere all acqua il carico residuo rendendo necessario un ulteriore integrazione energetica per raggiungere la destinazione finale; - l inserimento di valvole motorizzate lungo le dorsali principali che, attraverso una regolazione temporizzata delle portate in transito, permettessero di mantenere sulle tubazioni un carico piezometrico tale da alimentare anche i serbatoi a monte più sfavoriti evitando l utilizzo di rilanci; - modifiche nella gestione dei pompaggi per minimizzare il numero di ore di lavoro; - individuazione di distretti di utenza con scala di dettaglio superiore da asservire direttamente a pompaggi con inverter e quindi con pressioni adeguate piuttosto che da serbatoi aventi un carico piezometrico eccessivo. Grazie all attività di distrettualizzazione ad oggi il 98% della rete acquedottistica della provincia di Reggio Emilia è suddivisa in distretti per ognuno dei quali sono monitorati i dati in ingresso di portata e pressione; inoltre sul 37 % della rete sono attivi dispositivi per la gestione della pressione (valvole di regolazione o pompe ad inverter) per garantire un regime pressorio più uniforme, con valori contenuti ma tali da soddisfare la richiesta al punto critico. Mantenere valori bassi di pressioni sulle reti ha il vantaggio di diminuire la frequenza delle rotture grazie alla minor sollecitazione delle tubazioni, di limitare la portata delle dispersioni e complessivamente del volume idrico consumato, finalizzando un risparmio energetico dovuto al minor volume captato e pressurizzato. Essendo Iren Emilia (ex Enìa S.p.a.) soggetto distributore di gas e quindi obbligato ai sensi dell art. 4 del DM 20 luglio 2004 (gas) e s.m.i. al conseguimento di titoli di efficienza energetica (TEE), sono stati presentati all Autorità per l Energia Elettrica ed il Gas (AEEG) due progetti riguardanti le attività sopra descritte, il primo nell anno 2005 relativo ad interventi effettuati tra il 2001 ed il 2003 ed il secondo nell anno 2011 relativo ad interventi effettuati tra il 2009 ed il I progetti sono stati approvati dall autorità competente che ha emesso nel periodo in favore dell ex Enìa Spa titoli di efficienza energetica (TEE) per il primo gruppo di interventi, pari a kwh risparmiati, e a favore di Iren Emilia TEE previsti nel periodo per gli interventi realizzati successivamente. Tra i progetti presentati nel 2011 si trova il caso dell ottimizzazione della centrale idrica di Fellegara, appartenente all omonimo acquedotto pedecollinare, dove nel 2010, grazie a modifiche del piping interno ed all installazione di un pompaggio ad inverter, è stato possibile asservire a quest ultimo due distretti di distribuzione, abbassandone il carico piezometrico di esercizio rispetto alla configurazione precedente. I dettagli dell intervento verranno presentati nel seguito. 3.1 Caso di studio: l ottimizzazione energetica dell acquedotto di Fellegara L acquedotto di Fellegara (Fig.3), a servizio di circa abitanti, è alimentato da acque sotterranee attraverso due pozzi situati alla centrale di Arceto Pensile (comune di Scandiano), dove è inoltre attiva un interconnessione con il campo pozzi di Salvaterra Nord (comune di Casalgrande), e di Arceto Campassi (comune di Scandiano); l acquedotto di Fellegara serve la quasi totalità del comune di Scandiano, tra cui a nord 110

123 le frazioni di Fellegara ed Arceto, il paese di San Donnino (comune di Casalgrande) ed in parte il comune di Albinea. Fig. 3 - Acquedotto di Fellegara: impianti principali e linee adduttrici. Alla centrale di Arceto Pensile (68,7 m s.l.m.) l acqua emunta dai pozzi viene stoccata, previa disinfezione con biossido di cloro, in un serbatoio a terra in uscita dal quale si trovano due impianti di pompaggio: il primo, a servizio degli abitati di Masone e di Arceto, con una prevalenza di circa 40 m; il secondo solleva acqua verso il serbatoio piezometrico e di stoccaggio di Ventoso Nuovo (160 m s.l.m.), in uscita dal quale viene alimentato a gravità il serbatoio di Ventoso Vecchio (141,8 m s.l.m.) e, con il carico di quest ultimo, la rete di distribuzione di Scandiano suddivisa già a partire dal 1997 in quattro distretti, tra cui quello di Fellegara le cui quote altimetriche sono comprese tra 80 e 90 m s.l.m.. Alla centrale di Fellegara (78,9 m s.l.m.) le acque in arrivo dal campo pozzi di Arceto Campassi subiscono un trattamento di filtrazione su carboni attivi per l abbattimento di microinquinanti e di disinfezione con biossido di cloro prima dell ingresso in vasca. Precedentemente all anno 2010 alla centrale di Fellegara era in funzione un unico sollevamento per il serbatoio di Ventoso Nuovo ad integrazione dell acqua proveniente dalla centrale di Arceto Pensile; il gruppo di spinta era costituito da quattro pompe in parallelo di potenza 37 kw ciascuna, con una prevalenza di circa 90 m. La Tab.2 riassume per l anno 2009, precedente all intervento di ottimizzazione, il volume di acqua in ingresso alla vasca di Fellegara ed interamente sollevato verso il serbatoio di Ventoso Nuovo ed i consumi energetici dell intera centrale (si assume che l incidenza degli impianti di trattamento nella variazione dei consumi energetici sia stata irrilevante, poiché nessun parametro è stato modificato nel loro funzionamento). ANNO Volume (m 3 ) E.E. (kwh) E.E. specifica (kwh/m 3 ) ,50 Tab. 2 - Centrale di Fellegara, anno 2009 pre-intervento: volume idrico in ingresso alla vasca, consumo elettrico, consumo elettrico specifico. 111

124 Per ciò che riguardava l alimentazione del distretto di Fellegara, la problematica legata al funzionamento precedente all ottimizzazione (Fig.4) era duplice: la prima, di carattere prevalentemente energetico, legata alla ridondante prevalenza di 90 m alla quale il pompaggio della centrale di Fellegara doveva spingere per raggiungere il serbatoio Ventoso Nuovo, la cui quota generava un regime pressorio eccessivo rispetto alle necessità di esercizio del distretto; la seconda legata proprio alle elevate pressioni in rete (50 m al punto altimetricamente più elevato). Come è noto infatti un elevato regime pressorio in rete è causa dell aumento del numero di rotture dovute alla sollecitazione a cui le tubazioni sono sottoposte e dell aumento dei volumi di acqua dispersa; è evidente inoltre che un maggiore consumo idrico si traduce anche in un aumento del consumo energetico dovuto al maggiore numero di ore di funzionamento degli impianti di pompaggio. Fig. 4 - Schema di alimentazione del distretto di Fellegara antecedente all intervento di ottimizzazione energetica. Per ovviare ad alcune delle problematiche sopra descritte, nel Febbraio del 2010 è entrata in funzione una valvola di regolazione della pressione installata presso il vecchio punto di immissione del distretto di Fellegara (denominato Via Verdi, 93 m s.l.m.): la valvola, che effettuava un regolazione di tipo giorno/notte ovvero con una pressione di set-point notturna impostata ad un valore inferiore rispetto a quella diurna, ha permesso di ridurre la pressione di monte data dal carico del serbatoio di Ventoso Vecchio da un valore di circa 50 m ad un valore di circa 40 m durante il giorno e 30 m durante la notte, ottenendo un immediata riduzione delle portate minime notturne da 7 l/s a 5 l/s, come visibile in Fig.5. Alla centrale di Fellegara, grazie alla presenza di un collegamento già presente con la rete di distribuzione dell omonimo distretto, è stato poi possibile realizzare nell anno 2010 un pompaggio ad inverter a diretto servizio dell utenza. Il nuovo gruppo di sollevamento, composto da due pompe analoghe di potenza 15 kw ciascuna, ha permesso di scorporare il volume di alimentazione del distretto (Q max =16 l/s) dal volume pompato verso il serbatoio di Ventoso Nuovo, con una diminuzione della prevalenza da 90 m a 47 m (pressione di set-point). In caso di criticità rimane sempre attiva l alimentazione precedente attraverso la valvola di regolazione di Via Verdi; la Fig.6 mostra il nuovo schema di alimentazione del distretto di Fellegara. La Tab.3 riassume per gli anni post intervento 2011 e 2012 l andamento del volume in ingresso alla vasca della Centrale di Fellegara, il consumo complessivo di energia elettrica e l andamento del consumo energetico specifico; la Fig.7 confronta i valori di consumo energetico specifico pre e post intervento di ottimizzazione. 112

125 Il risparmio energetico annuale può essere quantificato moltiplicando la differenza tra i valori di consumo energetico specifico negli anni pre e post intervento per il volume transitato per la centrale di Fellegara: rispetto all anno 2009 nell anno 2011 è stato conseguito un risparmio di circa kwh, mentre nell anno 2012 di circa kwh. Fig.5 - Andamento della portata di alimentazione del distretto di Fellegara, della pressione di monte e di valle alla valvola di riduzione pressione di Via Verdi prima e dopo la regolazione. Fig.6 - Schema di alimentazione del distretto di Fellegara in seguito all intervento di ottimizzazione energetica. ANNO Volume (m 3 ) E.E. (kwh) E.E. specifica (kwh/m 3 ) , ,38 Tab. 3. Centrale di Fellegara, anni 2011 e 2012 post-intervento: volume idrico in ingresso alla vasca, consumo elettrico, consumo elettrico specifico. 113

126 Fig.7 - Andamento del consumo energetico specifico dall anno 2009 (pre-intervento) all anno 2012 (post-intervento) alla centrale di Fellegara. 4. Conclusioni Da anni Enía Reggio è impegnata in attività volte al contenimento dei consumi energetici in ambito acquedottistico. Gli interventi hanno riguardato soprattutto l efficientamento di gruppi di pompaggio, modifiche impiantistiche su centrali e sulla distribuzione in rete, l alimentazione di parti di acquedotto, ove le interconnessioni lo hanno permesso, con acqua proveniente da captazioni piezometricamente favorite, l asservimento di parti di utenza direttamente a pompaggi con inverter e quindi con pressioni adeguate. Insieme a tutto questo hanno giocato un ruolo fondamentale le attività di ricerca perdite, di distrettualizzazione e di gestione delle pressioni, grazie alle quali è stato possibile ridurre il volume idrico consumato e di conseguenza il consumo energetico dovuto al minor volume captato e pressurizzato. Dall anno 2010 il consumo di energia elettrica relativa al settore acquedottistico sulla provincia di Reggio Emilia è minore di quello del 1994, quando la popolazione servita era inferiore del 45%, e ad oggi è in ulteriore diminuzione. Tra i vari progetti di risparmio energetico implementati è stato riportato il caso dell acquedotto di Fellegara: grazie all individuazione di distretti di utenza con scala di dettaglio superiore, è stato possibile in un primo momento implementare attività di gestione delle pressioni riducendo così i volumi erogati e di conseguenza l energia per pressurizzarli. La successiva modifica dell assetto impiantistico con l installazione di pompe ad inverter a diretto servizio di parte dell utenza ha permesso di contenere rilanci verso serbatoi aventi un carico piezometrico eccessivo; gli interventi effettuati hanno permesso di ridurre il consumo energetico specifico della centrale di Fellegara e di conseguire un risparmio annuo di circa kwh. Il caso dell ottimizzazione dell acquedotto di Fellegara, insieme ad altri progetti di risparmio energetico implementati tra gli anni e , ha permesso inoltre di ottenere titoli di efficienza energetica (TEE). Tuttora sulla provincia di Reggio Emilia sono in atto progetti di efficientamento energetico degli acquedotti, come ad esempio l ottimizzazione dell acquedotto di Quattro Castella, grazie ai quali è prevista un ulteriore riduzione dei consumi per l anno