Una fonte non convenzionale di energia rinnovabile: il controllo attivo delle perdite ed il recupero energetico nei sistemi acquedottistici

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1 Una fonte non convenzionale di energia rinnovabile: il controllo attivo delle perdite ed il recupero energetico nei sistemi acquedottistici Maurizio Giugni 1, Nicola Fontana 2 e Davide Portolano 3 1 Dipartimento di Ingegneria Idraulica, Geotecnica ed Ambientale, Centro Interdipartimentale di Ricerca Ambiente (CIRAM), Università degli Studi di Napoli Federico II. 2 Dipartimento di Ingegneria, Università del Sannio, Benevento. 3 Centro Interdipartimentale di Ricerca Ambiente (CIRAM), Università degli Studi di Napoli Federico II. SOMMARIO. Il controllo attivo delle pressioni nei sistemi acquedottistici, generalmente finalizzato al recupero delle perdite idriche, può essere utilmente integrato dal recupero energetico, costituendo in tal modo una preziosa fonte non convenzionale di energia rinnovabile in ambiente urbano (WATERGY). All uopo possono essere utilizzate turbine a reazione o pompe inverse (PAT - Pumps As Turbines) in parallelo a valvole di riduzione della pressione (PRV - Pressure Reducing Valves). L applicazione di un sistema integrato di PRV e PAT in una sub-rete del sistema distributivo della città di Napoli ha fornito risultati d interesse con riferimento sia alla riduzione delle perdite che all energia elettrica potenzialmente producibile ed al periodo di recupero dell investimento necessario. 1. RIDUZIONE PERDITE E RECUPERO ENERGETICO NEI SISTEMI IDRICI L acqua è ormai l oro blu del terzo millennio: l attuale carenza di risorse idriche ha dato luogo da un lato a fenomeni di eccessivo sfruttamento delle fonti di approvvigionamento esistenti (in particolare di quelle sotterranee), con pericolosi impatti sull ambiente, dall altro alla ricerca di nuove fonti, talvolta in contrasto con le esigenze di sostenibilità ambientale. In questa prospettiva, assume un importanza sempre maggiore il problema delle perdite nei sistemi acquedottistici, oggi dell ordine del 40% a livello nazionale (CO.VI.R.I., 2005). Il recupero anche soltanto di un aliquota degli ingenti volumi idrici dispersi consentirebbe, quindi, da un lato l acquisizione di nuove risorse di pregio, dall altro una riduzione dei costi di adduzione, sollevamento e trattamento ed un risparmio energetico (di particolare interesse nei sistemi serviti per pompaggio). È evidente, quindi, la necessità di criteri innovativi di gestione dei sistemi acquedottistici, attualmente delineati in due moderni approcci di controllo attivo delle pressioni e riduzione delle perdite: controllo del cielo piezometrico in rete mediante telecontrollo statico o dinamico di valvole di regolazione della pressione (Pressure Reducing Valves - PRV), da implementare mediante un algoritmo ottimizzatore (ad es. un algoritmo genetico) supportato da un modello quali-quantitativo di simulazione idraulica, mirato ad individuare il numero, l ubicazione ed il grado di apertura delle PRV; distrettualizzazione del sistema idrico, ossia creazione di aree di distribuzione fra loro disconnesse (District Meter Areas - DMA), alimentate da un numero limitato di punti di immissione, muniti di

2 misuratore di portata e di PRV. La distrettualizzazione consente ovviamente un più completo ed efficace controllo del sistema idrico, ma ne modifica in modo radicale l assetto funzionale ed il comportamento idraulico, per cui è necessario valutarne l opportunità sulla base di una procedura mirata al conseguimento di un livello globale di performance (customer standards). Alle procedure gestionali mirate al controllo attivo delle pressioni nei sistemi acquedottistici, possono essere efficacemente affiancate strategie di risparmio energetico e di valorizzazione di fonti energetiche rinnovabili (WATER and energy WATERGY): in particolare, l inserimento nel sistema di distribuzione idrica di macchine motrici può consentire, oltre ai vantaggi connessi al controllo delle pressioni, il recupero energetico corrispondente al salto altrimenti dissipato dalle PRV. Ovviamente si può ricorrere a tali tecniche anche in sistemi caratterizzati da perdite ridotte, ma da carichi idraulici eccessivi rispetto alle esigenze dell utenza. Le macchine installate in linea nel sistema di distribuzione possono essere turbine a reazione o pompe inverse funzionanti da turbina (Pumps As Turbine - PAT). Nel primo caso lo schema dell impianto è essenzialmente realizzato da due tratti in parallelo turbina-prv, ai quali vanno aggiunti gli organi di regolazione e di controllo, gli strumenti di misura ed i componenti elettrici (Figura 1). La portata richiesta dall utenza ed il mantenimento della pressione a valle dell impianto sono vincoli da rispettare con una regolazione in continuo comandata da una centralina che controlla il grado di apertura del distributore della macchina. Figura 1. Schema dell impianto con turbina (MP: misuratori di pressione) (Artina et al., 2008). Nel secondo caso è possibile disporre di una vasta produzione relativamente economica e la valutazione si sposta sulla scelta da catalogo delle pompe disponibili per ottenere le migliori prestazioni in termini di rendimento (Figura 2). Figura 2. Schema dell impianto con PAT (1 PRV; 2 valvole per l esclusione di uno dei due tronchi) (Artina et al., 2008).

3 Da questo punto di vista va segnalata la difficoltà di determinazione delle curve caratteristiche della macchina inversa, che devono essere costruite a partire da quelle fornite dal costruttore della pompa: in tale settore si aprono, quindi, interessanti prospettive di sviluppo industriale. 2. UN CASO DI STUDIO: LA RETE DI DISTRIBUZIONE NAPOLI EST Le potenzialità del recupero energetico per la produzione di energia rinnovabile in ambito urbano sono state evidenziate in un caso di studio, sviluppato in collaborazione con l ARIN S.p.a. (Azienda Risorse Idriche Napoletane), costituito dal macro-sistema Napoli Est, a servizio dell area orientale della città di Napoli (circa abitanti su un territorio di 920 ha) (Figura 3). Il sistema, alquanto vetusto almeno in alcune aree, è risultato caratterizzato da una percentuale molto elevata di perdite globali, ammontanti all incirca al 67% del volume immesso in rete. Il significativo livello delle perdite è dovuto, con ogni probabilità, sia all età di alcune tratte, sia a fenomeni di corrosione per le condotte metalliche, sia alle elevate pressioni che sollecitano il sistema distributivo, in particolare nelle aree periferiche. Figura 3. Ubicazione territoriale dell area Napoli Est nel comune di Napoli. La procedura di riduzione delle perdite idriche integrata dal recupero energetico è stata implementata mediante un algoritmo genetico supportato da un simulatore idraulico, sviluppando una serie di scenari. Gli scenari di maggiore interesse dal punto di vista tecnico ed economico sono stati sintetizzati nella Tabella 1 indicando, per ciascuno di essi, il numero ed il modello delle PAT, il rendimento medio, la riduzione delle perdite fisiche e l energia giornaliera prodotta, mentre nella Figura 4 è stata riportata l ubicazione delle valvole e delle pompe inverse.

4 Scenario Modelli PAT η medio [%] Riduzione delle perdite fisiche [%] Energia prodotta [kwh/giorno] A 3 NC ,3% 15,9% 821,6 B C 1 NC ,4% 1 NC ,7% 3 NC ,3% 1 NC ,6% 14,3% 418,8 28,1% 778,6 Tabella 1. Risultati dell installazione delle PAT. 1 PRV - grado di apertura = 3.5% 1 PAT mod. NC PRV - grado di apertura = 18.3% Scenario B 1 PAT mod. NC Scenario B 1 PAT mod. NC PAT in parallelo mod. NC Scenario A 3 PAT in parallelo mod. NC Serbatoio "San Sebastiano" Figura 4. Posizionamento delle PRV e delle PAT Un analisi economica preliminare - sviluppata tenendo conto dei costi idraulici ed elettrici delle macchine, delle opere civili (assunte pari al 30% del costo delle macchine), di manutenzione e di gestione (15% del costo totale) e dei ricavi ottenuti nel corso della vita utile degli impianti (220 /MWh) - ha individuato un periodo di copertura dell investimento pari a circa 2,5 anni per gli scenari A e B e a circa 3 anni per lo scenario C (Tabella 2).

5 Scenario PAT Costi PAT [ ] Costi dei lavori civili [ ] Totale costi di installazione [ ] A 3 NC B C 1 NC NC NC NC Scenario Energia prodotta [MWh/anno] Costi di manutenzione [ /anno] Ricavo annuale [ /anno] Guadagno annuale [ /anno] A 300, B 153, C 284, Tabella 2. Analisi economica preliminare dell intervento di recupero energetico di Napoli Est. 3. CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE Le pompe inverse (PAT) possono essere utilizzate nei sistemi di distribuzione idrica con il duplice scopo di ottimizzare il cielo piezometrico in rete, riducendo le perdite, e di recuperare energia. L analisi dell intervento sulla rete Napoli Est ha fornito risultati incoraggianti dal punto di vista tecnico, ambientale ed economico. Tuttavia, l inserimento di turbine o PAT in un sistema di distribuzione è un applicazione ancora tecnicamente non usuale, che richiede un attenta analisi preliminare per assicurare: la scelta ottimale della macchina, al fine di massimizzarne il rendimento (analisi delle variazioni giornaliere e stagionali di portata e di pressione); il mantenimento di valori adeguati di pressione nel sistema di distribuzione; la valutazione di eventuali transitori di moto vario e la conseguente scelta di dispositivi di protezione; la risoluzione di eventuali problemi di dispacciamento alla rete di distribuzione elettrica dell energia prodotta. È, infine, necessaria una più dettagliata analisi costi/benefici, con particolare riguardo ai costi dei sistemi di controllo e protezione e di dispacciamento dell energia prodotta, per valutare l effettiva convenienza economica di un intervento di recupero energetico. BIBLIOGRAFIA ESSENZIALE Artina S., Naldi G., Marchi A., Bragalli C., Lenzi C., Liserra T. Dal controllo della pressione al recupero energetico nei sistemi di distribuzione idrica, Atti del XXXI Convegno di Idraulica e Costruzioni Idrauliche, Perugia (Italy), 2008.

6 Comitato per la Vigilanza sull uso delle Risorse Idriche (CO.VI.R.I.), Relazione annuale al parlamento sullo stato dei servizi idrici - Anno 2005, Derakhshan S., Nourbakhsh A. Experimental study of characteristic curves of centrifugal pumps working as turbines in different specific speeds, Experimental Thermal and Fluid Science 32, Giugni M., Fontana N., Romanelli D., Portolano D. Strategic planning optimization of Napoli Est water distribution system, Atti del XXXII Congresso dell IAHR, Venezia (Italy), Giugni M., Fontana N., Portolano D. Energy saving policy in water distribution networks, Conferenza Internazionale su Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 2009) Giugni M., Fontana N., Portolano D. Il controllo attivo delle perdite ed il recupero energetico: criteri innovativi di gestione dei sistemi acquedottistici, TT-Trasferimento Tecnologico, Anno I, 2009 IWA Conference. Workshop on Global Perspectives on Managing Water Security, Melbourne, Portolano D. Il controllo delle perdite nei sistemi acquedottistici: criteri innovativi di gestione, Tesi di dottorato, CIRAM, Università degli Studi di Napoli Federico II, 2008.