Ottimizzazione gestionale ed energetica dei sistemi idrici regionali tre casi di studio Mario Rosario Mazzola «Acqua Corrente» - Efficientamento gestionale ed energetico delle reti e degli impianti di Acquedotto Lucano Potenza, 11 Novembre 2016
Il miglioramento dell efficienza energetica (e gestionale) nei sistemi idrici Due classi di intervento: interventi sul singolo impianto (es. audit energetico ai sensi della ISO 50002:2014, cfr. anche D.Lgs.102/2014); interventi di incremento di efficienza dell intero sistema; Faremo riferimento ai secondi, con particolare riferimento al segmento di adduzione del SII
Interventi di sistema Consistono nel mettere in atto regole innovative per la gestione dell intero sistema di adduzione che possono portare a miglioramenti gestionali (migliore allocazione delle risorse in condizioni di carenza di risorsa idrica) o, in condizioni normali, a un contenimento dei costi tra cui, in primo luogo, quelli legati ai consumi elettrici. La definizione di queste regole presuppone la costruzione di un modello matematico del sistema di adduzione che serve a esplorare il funzionamento del sistema. In termini generali, esistono due tipi di modelli matematici: modelli di ottimizzazione e modelli di simulazione
Modelli di ottimizzazione e simulazione
Modelli di ottimizzazione e simulazione come sono fatti? Il modello matematico del sistema di adduzione è un sistema algebrico di equazioni che rappresentano: la topologia del sistema (le fonti di approvvigionamento, i serbatoi cittadini, le condotte, gli impianti di sollevamento, i centri di domanda, con i loro reciproci effettivi collegamenti); l offerta di risorsa idrica (le portate delle fonti di approvvigionamento); la domanda di risorsa idrica (i volumi consegnati alle reti di distribuzione); le capacità degli elementi del sistema (capacità di trasporto delle condotte, capacità di pompaggio degli impianti di sollevamento, capacità dei serbatoi, etc.); le condizioni di continuità nello spazio (ai nodi del sistema) e nel tempo (tra un passo temporale e il successivo, assicurando la congruenza tra i volumi immagazzinati nei serbatoi) tra i volumi idrici in ingresso e in uscita dai nodi del sistema.
Modelli di ottimizzazione e simulazione campi di utilizzo Pianificazione infrastrutturale strategica (nuove fonti di approvvigionamento, nuove condotte) supporto all analisi di scenari idrologici Pianificazione della gestione (identificazione di regole operative Gestione operativa (anche in tempo reale) Possibili (e necessarie) scale temporali diverse (mensili, con input idrologici di durata trenta-quarantennale per la pianificazione strategica e l analisi degli scenari idrologici, fino alla scala oraria per la ottimizzazione energetica)
I modelli in pratica: software disponibili Ottimizzazione Programmazione matematica: GAMS, LINGO, MATEMATICA Algoritmi genetici: GANET Consentono la soluzione di sistemi algebrici guidati da una funzione obiettivo non sono specifici per i sistemi idrici Simulazione Software, sviluppati sia in ambito commerciale che accademico, per la simulazione di sistemi idrici generici, cioè che consentono di costruire il proprio schema attraverso tecnologie drag and drop e di simulare il comportamento del sistema sulla base di alcune regole predefinite (p.e. AQUATOOL, WEAP, MIKE-BASIN, WARGI, AQUATOR). Alcuni possiedono moduli di ottimizzazione dei flussi all interno di un certo passo temporale.
Casi di studio
Il modello del sistema di approvvigionamento primario di AQP
L Acquedotto Pugliese L Acquedotto Pugliese S.p.A. (AQP) serve un territorio che interessa tre regioni dell Italia meridionale (Puglia, Campania e Basilicata), con una popolazione residente di oltre 4,5 milioni di persone.
L Acquedotto Pugliese Principali fonti di approvvigionamento Sorgenti del Sele (4.927 l/s). Sorgenti del Calore (803 l/s). Serbatoio di Occhito (247 Mcm). Serbatoio Pertusillo (145 Mcm). Serbatoio di Monte Cotugno (450 Mcm). Acquedotti principali Sele-Calore (5.400 l/s, 250 km). Fortore (2.400 l/s, 400 km). Pertusillo (4.500 l/s, 282 km). Locone (1.800 l/s, 277 km). Ofanto (6.500 l/s, 90 km). Serbatoio di Conza reservoir (63 Mcm). Serbatoio Locone (40 Mcm). Circa 200 pozzi.
Modellazione in ambiente Aquator È stato sviluppato un modello di simulazione (in ambiente Aquator) del sistema di approvvigionamento e adduzione di AQP, dalle fonti fino ai punti terminali. Grazie alle funzionalità del modello, è possibile l ottimizzazione dei flussi, in funzione delle domande e dello stato delle risorse, con particolare riguardo alla minimizzazione dei deficit e dei costi operativi degli impianti.
Modellazione in ambiente Aquator Costruzione del modello (Schema Zero usato per la calibrazione): - Le domande mensili dei centri di domanda sono state assunte pari ai valori consegnati da AQP nell anno 2012; - Per ciascun invaso si è adottata una serie annua di afflussi mensili medi calcolata sulla base dei valori storici.
Modellazione in ambiente Aquator
Modellazione in ambiente Aquator
Modellazione in ambiente Aquator 361 archi 146 nodi 104 centri di domanda 6 invasi 2 sorgenti 36 pozzi 4 impianti idroelettrici 6 impianti di sollevamento 6 impianti di potabilizzazione
Risultati e conclusioni Il sistema idrico di studio non presenta, nell anno medio, rilevanti criticità in termini di deficit alle utenze e di risorsa disponibile immagazzinata negli invasi. Si ha un importante uso della risorsa sotterranea soprattutto nell area del Salento. Il modello calibrato e validato insieme ai tecnici del gestore, pur riproducendo le politiche di gestione di AQP, fornisce inedite regole operative ottimali che consentono di massimizzare i benefici dell utilizzo di alcune infrastrutture recentemente realizzate con risparmi sui costi operativi variabili di 4 8,5 M (in base allo scenario considerato).
Ottimizzazione della gestione del sistema idrico genovese
Il sistema idrico genovese
Opportunità per un ottimizzazione della gestione 1. Nel 2006 le tre società che gestivano il sistema genovese si sono fuse in un unico soggetto (Mediterranea delle Acque); 2. Ne sono conseguite ottimizzazioni gestionali, soprattutto nell interconnessione delle reti di distribuzione, ma NON a livello di sistema idrico; 3. I consumi idrici a Genova sono in costante diminuzione; 4. L obiettivo è di minimizzare i costi di gestione e nello stesso tempo il rischio di deficit idrici, cercando regole innovative che portino ad un uso più efficiente delle risorse.
Strumenti di analisi 1. Analisi dei dati di domanda e di offerta di risorsa idrica (modelli idrologici data-driven, analisi delle serie dei prelievi per l approvvigionamento idrico); 2. Programmazione matematica: implementato un modello ISO (impicit stochastic optimization) delle allocazioni del sistema idrico genovese usando un risolutore non lineare misto a numeri interi della piattaforma GAMS Regole innovative per il sistema; 3. Simulazione: utilizzato AQUATOR (un software specifico per la simulazione di sistemi idrici complessi) Verifica delle regole e definizione di regole operative per i serbatoi; 4. Gestione quotidiana: implementato un semplice foglio di lavoro che sfrutta i dati del giorno prima provenienti dal sistema SCADA per proporre uno schema gestionale quotidiano (Decision Support System)
Risultati della gestione ombra 2007-2012 RIDUZIONE DEI SOLLEVAMENTI DA POZZO Volume medio annuo di acqua sollevata da pozzo: Storico 11,4 Mm 3 DSS 8,7 Mm 3 (2,7 Mm 3 in meno) RIDUZIONE MEDIA DEI COSTI: 0,2 M /anno La gestione «ombra» riproduce la gestione che si avrebbe avuta nel periodo 2007-2012 se fosse stato utilizzato il DSS. Essa utilizza dati reali (storici dei consumi e dei volumi derivati dalle prese ad acqua fluente) ed è pertanto del tutto realistica
Risultati della gestione ombra 2007-2012 PRODUZIONE DI ENERGIA IDROELETTRICA Produzione media annua gestione ombra: E mean = 84,0 GWh/anno Produzione media annua storica: E mean = 47,7 GWh/anno È possibile ottenere un aumento del 75% della produzione di energia elettrica senza compromettere l approvvigionamento idrico della città, con un incremento medio stimato del ricavo dalla vendita dell energia stessa di circa 2,2 M /anno.
Risultati della gestione ombra 2007-2012 Livelli giornalieri di invaso serbatoio Brugneto Questo risultato è ottenuto grazie alla riprogrammazione dell uso dei serbatoi, che tiene conto della minore domanda di acqua e dell attuale livello di interconnessione tra le reti urbane, e che riflette in modo più consapevole la natura stagionale (o substagionale) della regolazione dei serbatoi del sistema.
Modellazione del sistema idrico della Sardegna centro-meridionale (2011 2012, Progetto ENAS, un progetto di ricerca congiunto tra DICA università di Cagliari DICAM Università di Palermo, DIIAMA UPV Valencia)
Sardegna: sistema Tirso - Flumendosa 23 serbatoi (per una capacità totale di oltre 1400 Mm 3 ), 17 traverse fluviali, 23 impianti di sollevamento, 40 centri di domanda
Il progetto ENAS 1. Confrontati tre software per la modellazione di sistemi idrici complessi: WARGI (UNICA), AQUATOOL (UPV), AQUATOR (OSS via UNIPA) 2. Assegnate le condizioni al contorno in termini di idrologia (serie di 53 anni a scala mensile di deflussi nei serbatoi e nelle traverse), confrontate le performance dei tre modelli in termini di un set di parametri operazionali: deficit idrici, costi di sollevamento, livelli di invaso, soddisfacimento del DMV 3. Analizzati diversi scenari di domanda e di funzionamento (fuori servizio di alcuni impianti) 4. Discusse e confrontate le diverse strategie di gestione adottate dai diversi software.
Principali risultati 1. I tre software forniscono risultati confrontabili, anche se presentano peculiarità e specificità nelle regole interne di gestione dei flussi idrici 2. In ogni caso, per ottenere risultati compatibili con la realtà fisica del sistema e per evitare risultati evidentemente sub-ottimali o non efficienti è necessario avere un approfondita conoscenza del sistema e la possibilità di introdurre regole aggiuntive per simulare ragionevoli regole operative. 3. In termini di parametri operativi, AQUATOR si pone in qualche modo al centro tra WARGI e AQUATOOL, avvicinandosi a quest ultimo, dato che entrambi i software sono dotati di ottimizzatori interni (per la minimizzazione dei costi), mentre WARGI ne è privo. 4. Tutti i modelli concordano sulla possibilità di ridurre considerevolmente i trasferimenti idrici (tramite sollevamento) dal Tirso al Flumendosa.
e per l Acquedotto Lucano? L analisi del Bilancio Energetico 2015 di AL mostra che la quota prevalente dei consumi di energia (circa il 70%, per complessivi 13,82 M ) è concentrata nella fase di adduzione delle risorse idriche dalle fonti di approvvigionamento ai serbatoi di testata cittadini. In questo contesto è altresì ben noto il peso dell importante sistema di pompaggio, in alta tensione, che adduce le acque del lago Camastra al potabilizzatore e quindi al serbatoio di Masseria Romaniello (il 21% del totale dei consumi energetici di Acquedotto Lucano, per 4,05 M ). Anche senza considerare il sollevamento dal lago Camastra, il sistema di adduzione di gran lunga più energivoro è l Agri-Basento-Camastra (40,2% dei costi totali di adduzione), seguito dal sistema Frida (25,7% dei costi di adduzione), dal Marmo-Melandro (13,1%), dal Vulture (12,4%). Gli altri sistemi incidono in maniera minore sui consumi energetici.
Lo schema di adduzione del sistema Agri-Basento-Camastra con AQUATOR
Lo schema di adduzione (semplificato) del sistema Agri-Basento- Camastra per il modello di ottimizzazione
possibilità di ottimizzazione energetica e gestionale 1. Analisi in un giorno «tipo» a scala oraria; 2. Modello di ottimizzazione che determina le condizioni di funzionamento dei diversi impianti (quante ore al giorno, con che portata) nel giorno tipo: l obiettivo è la minimizzazione dei costi energetici; i vincoli sono il soddisfacimento della domanda, oltre che le capacità degli impianti, dei serbatoi, delle condotte e la topologia del sistema; 3. Possibilità di elaborare anche modelli «in tempo reale» che tengono conto della disponibilità idrica di fonti ad alta quota (sorgenti) e regolano il funzionamento degli impianti di sollevamento.
ma è necessario approfondire la conoscenza Oltre alle caratteristiche degli impianti di sollevamento (schema di impianto, n di pompe, potenza installata, curve caratteristiche) è necessario acquisire informazioni sulle infrastrutture che costituiscono il sistema 1) le caratteristiche delle condotte (capacità di trasporto, lunghezza e geometria), 2) caratteristiche dei serbatoi (capacità utile), 3) andamento delle portate delle fonti di approvvigionamento, 4) andamento dei volumi domandati dalle utenze urbane ai serbatoi. Più in generale, è di tutta evidenza che la corretta impostazione del modello richiede in via preliminare il consolidamento del bilancio idrico dell intero sistema di adduzione e quindi la caratterizzazione puntuale dei volumi prelevati dalle fonti di approvvigionamento, di quelli consegnati ai serbatoi di testata, e delle perdite nella fase di trasferimento dell acqua dalle fonti di approvvigionamento ai serbatoi.
Conclusioni L ottimizzazione gestionale ed energetica di sistema si affianca a quella sui singoli impianti per migliorare l efficienza complessiva del servizio; Essa presuppone una buona conoscenza del sistema infrastrutturale e dei parametri gestionali (specialmente le portate circolanti, la domanda e l offerta di risorsa idrica) - può costituire un occasione per guidare e indirizzare gli investimenti in miglioramento della conoscenza; Essa si svolge prevalentemente con l ausilio di modelli matematici che possono avere forme e caratteristiche diverse a seconda dello specifico problema affrontato; Attraverso l uso sistematico di questi strumenti anche in Acquedotto Lucano possono essere raggiunti significativi risultati quali una più approfondita comprensione del funzionamento del sistema, la sistematizzazione della conoscenza sul sistema e, in ultimo, risparmi sui costi di gestione.