WORKSHOP L ACQUA E L INGEGNERIA: OGGI E DOMANI

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1 ACQUA BUONA O CATTIVA? L OGGI E LE SFIDE FUTURE INIZIATIVA ORGANIZZATA IN OCCASIONE DELLA GIORNATA MONDIALE DELL ACQUA MARZO 2016 WORKSHOP L ACQUA E L INGEGNERIA: OGGI E DOMANI La sfida dell Energy Harvesting nelle applicazioni idrauliche (Stefano Malavasi)

2 L acqua è sempre stata un bisogno primario e una fonte di energia 2

3 Disporre dell acqua richiede Energia 3 La disponibilità di acqua corrente nelle case ha rappresentato la svolta fondamentale per migliorare le condizioni salute pubblica. Ma avere l acqua a disposizione spesso richiede un dispendio Energetico non trascurabile SPESSO DOBBIAMO FORNIRE ENERGIA ALL ACQUA PER RENDERLA DISPONIBILE Milano: Consumo pro-capite giornaliero 200 litri Consumo totale GIORNALIERO litri

4 Energia necessaria per disporre dell Acqua 4 acquedotto complesso, Base Demand 0.00 Per 5.00 esempio a Milano LPS Diameter totalmente alimentato da un sistema 6.00 di pompaggio mm 2200 Km di tubature 31 stazioni di pompaggio 3-5 pompe per ogni stazione di pompaggio pompe (H=30-50m,Q= l/s) Consumo Energetico pari a MWh/anno Studio del D.I.C.A. OPTIMIZING PUMP OPERATIONS IN WATER SUPPLY NETWORKS THROUGH GENETIC ALGORITHMS (2016) S. Mambretti, E. Orsi

5 Energia necessaria per disporre dell Acqua 5 Consumo medio di una famiglia di 4 persone è di circa 250KWh / mese 3 MWh / anno MWh/anno è il consumo medio annuo di circa famiglie

6 L acqua fonte di energia «Energia Idroelettrica» 6 In Italia è stata avviata la prima grande centrale Idroelettrica d Europa: Elettricità per Milano: Centrale Idroelettrica Bertini IERI OGGI Centrale Idroelettrica Bertini costruita tra 1895 e 1898 a Paderno d Adda per fornire energia elettrica a Milano e affiancarla alle centrali a carbone. Centrale ancora in funzione, con aggiornamenti ed ampliamenti: -potenza installata 11 MW

7 L acqua fonte di energia «Energia Idroelettrica» 7 Il laboratorio di Idraulica del D.I.C.A. ha una forte tradizione nel campo idroelettrico, tradizione che si è sviluppata e continua a svilupparsi. Modello di scaricatore a risalto - centrale di S. Antonio (1950) Ottimizzazione Numerica di Turbine Pelton (2014) Modello di sbarramento e presa - centrale di Pont Ventoux (1998)

8 L acqua fonte di energia «Energia dal Mare» 8 Moto ondoso maree correnti marine Rance Francia

9 L acqua fonte di energia «Energia dal Mare» 9 Al laboratorio di Idraulica del D.I.C.A. disponiamo di un canale ondogeno per lo studio e lo sviluppo dispositivi di produzione di energia dalle onde Sistema E.D.S (Techflue) Foto inserimento per una possibile installazione

10 L acqua fonte di energia «situazione italiana» 10 Dalla nascita dell idroelettrico moderno la tendenza è stata quella di centralizzare la produzione in grandi centrali e trasportare l energia alle utenze. Generazione centralizzata Vantaggi: -elevata efficienza delle macchine -controllo semplice da parte del gestore -economicamente vantaggioso Svantaggi: -impatto ambientale -dispersioni durante il trasporto -dipendenza da un solo centro -diminuzione del potenziale sfruttabile

11 *fonte GSE L acqua fonte di energia «situazione italiana» 11 La tendenza degli ultimi anni è di decentrare la produzione. Nascita di molti impianti di piccola taglia. La taglia media è scesa dal 8,7MW del 2001 ai 6,1 del 2012 Potenza efficace lorda (MW). Numero impianti Produzione & Impianti Idroelettrici

12 Energy Harvesting concetto e prospettive 12 L Energy Harvesting consiste nel recuperare energia dall ambiente in cui operiamo e nello sfruttarla con il minimo impatto ambientale. Dove / come possiamo recuperare energia? Illuminazione a LED Risparmio energetico (ottimizzazione di un processo) Ottimizzazione reti Produzione di energia (generazione di processi nuovi) Energia dalle onde Pannelli solari KERS Recupero di energia (evoluzione di un processo) Supporto alle Aziende Kinetic Energy Recovery System Brevetti

13 Energy Harvesting concetto e prospettive 13 Recupero di energia Acquedotti Total Energy for Water Demand 123 Milion MWh/yr Consumo Energetico pari a MWh/anno

14 Energy Harvesting concetto e prospettive 14 Recupero di energia Acquedotti Tecnologie in note 2a) Produzione su by-pass PICO-TURBINE 1) Senza contropressione TURBINA BANKI MINI PELTON 3) Funzionamento reversibile P.A.T POMPE COME TURBINE 2b) Produzione sulla linea principale LICID-PIPE

15 Energy Harvesting concetto e prospettive 15 Recupero di energia Acquedotti Tecnologie in sviluppate in collaborazione con il D.I.C.A. GIRALOG GREENVALVE Brevetto POLIMI (*)Trovate entrambe le macchine alla zona espositiva

16 Energy Harvesting GreenValve 16 GreenValve è un innovativa valvola di regolazione progettata per controllare il flusso e recuperare l energia normalmente dissipata. Flow control Energy harvesting GreenValve Valvola a sfera Turbina Dispositivo per il controllo e il recupero di energia GreenValve è brevetto del Politecnico di Milano Sostituisce le comuni valvole di regolazione senza la necessità di installare componenti aggiuntivi sulla linea o cambiare le condizioni di lavoro. Recuperando energia allarga gli orizzonti di utilizzo delle valvole di regolazione

17 Energy Harvesting GreenValve 17 GreenValve premette l evoluzione del processo di regolazione. L evoluzione di un processo è una prospettiva interessante perché permette di inserirsi direttamente in un attività necessaria e diffusa Vantaggi GREENVALVE Regolazione del flusso + Recupero di energia Evoluzione di processi esistenti Nuove applicazioni Riduzione dell impatto ambientale Ampio potenziale di diffusione Il mercato dell Energy Harvesting: ha raggiunto 700 milioni di dollari nel 2011 * fonte Idtech si prevede raggiunga 1.4 miliardi entro il 2017 i settori trainanti riguarderanno l alimentazione di sensori wireless.

18 Energy Harvesting GreenValve 18 Inserendo una particolare turbina all interno di una valvola a sfera (tipicamente on-off) questa si trasforma in una valvola di regolazione che in più recupera energia dal flusso. Evoluzione del processo Come funziona? Massima portata Controllo Chiusura 100% 50% 0% L orientamento e il design della turbina rappresentano i punti di maggior innovazione La GreenValve utilizza tecnologie disponibili, sicure e poco costose Valvola a sfera Turbina Generatore Trasformazione del prodotto Innovazione e semplicità

19 Energy Harvesting GreenValve 19 La GreenValve è stata testata presso il Laboratorio di Idraulica del Politecnico di Milano sia come valvola di regolazione sia come turbina. Test Sperimentali 1) Valvola di Regolazione 2) Turbina Coefficiente di Flusso CV Potenza estratta e rendimento Alimentazioni Flussimetro Prese di pressione Pompe Parametri di prova: Portata [Q] Differenziale di pressione [ΔP] Temperatura [T] Velocità di rotazione [ω] Brake force [F] GreenValve Circuito di prova del laboratorio di Idraulica del Politecnico di Milano Standard di rif. ISARP

20 CV [gpm/psi^0.5] CV [gpm/psi 0.5 ] Energy Harvesting GreenValve 20 Curva caratteristica e disaccoppiamento regolazione/produzione di energia 120 Valvola a sfera Ball valve Globe valve GreenValve Apertura [ ] Valvola a Globo GreenValve Rotazione Turbina [rpm] La turbina che non influenza la regolazione (CV =cost. anche se la turbina è ferma)!!! Nella GreenValve la regolazione non è influenzata dal numero di giri della turbina Sicurezza nel servizio e facilità di gestione

21 Efficienza [-] Energy Harvesting GreenValve 21 Esempio di dimensionamento Monitoraggio di una delle valvole di controllo utilizzate a valle di un serbatoio di alimentazione Valvola Globo con linea da [pollici] Situazione attuale (imput) Range di regolazione CV p [bar] (da mantenere costante) Vincoli di dimensionamento richiesti: 1. Mantenere DP=3,5 bar costante 2. Coefficiente di flusso max CV= ,5 Novel S.p.A., Novara 4 2 GV 3 GV 4 GV Cv [gpm/psi0,5] Configurazione con GreenValve GreenValve dimensione [inches] Energia recuperata [kwh/mese] Potenza media [W]

22 Flow coefficient [gpm/ psi] Moment coefficient [-] Energy Harvesting GreenValve 22 Ottimizzazioni della turbina 4 Coefficiente di coppia (My) Aumentata la coppia all albero con simile andamento del CV Migliora il recupero di energia 3 2 M My = 1 2 ρv2 AD 5fr 250 Coefficiente di Flusso CV 1 7ns 7d GreenValve Opening [ ] Opening [ ] Aumenta il CV alla massima apertura mantenendo la stessa coppia Migliora la rangeability della valvola Possibile applicazione valvole on-off

23 Energy Harvesting GreenValve 23 AMBITI DI APPLICAZIONE POTENZIALI: dove serve una valvola si può installare una GreenValve Prime applicazioni Acquedotti Impianti di teleriscaldamento Off grid control Off grid monitoring Impianti Industriali Sviluppi potenziali Oil&Gas

24 GreenValve : nuove potenzialità 24 Valvola di regolazione STAND-ALONE Attuatore Controller Rete elettrica Batteria Trasmissione dati Alternatore Sensori

25 GreenValve : nuove potenzialità 25 2 ulteriori brevetti depositati il concetto della GreenValve applicato ad altre tipologie di valvola GeenValve - Globo GreenValve - Fuso

26 Base Demand LPS Diameter mm Conclusioni 26 La sfida dell Energy Harvesting nelle applicazioni idrauliche Dove / come possiamo recuperare energia? Illuminazione a LED Risparmio energetico (ottimizzazione di un processo) OTTIMIZZARE I PROCESSI (es. Efficienza macchine e delle reti) Produzione di energia (generazione di processi nuovi) NUOVE SOLUZIONI (es. Energia dal Mare) Pannelli solari KERS Recupero di energia (evoluzione di un processo) EVOLUZIONE DI PROCESSO (es. GreenValve) Kinetic Energy Recovery System

27 La sfida dell Energy Harvesting nelle applicazioni idrauliche 27 Grazie dell attenzione Stefano Malavasi, Ph.D. Professore Associato di Idraulica Politecnico di Milano - D.I.C.A.-sez. Ingegneria Idraulica tel: stefano.malavasi@polimi.it