Prospettive di risparmio energetico nelle reti acquedottistiche e nei

Prospettive di risparmio energetico nelle reti acquedottistiche e nei
sistemi di collettamento/fognatura
Sergio Papiri, Sara Todeschini
Dipartimento di Ingegneria Idraulica e Ambientale, Università degli Studi di Pavia,
Via Ferrata, 1 -27100 Pavia
[email protected]
Sommario
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.
Abstract
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
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.
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
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 60034-30 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.
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.
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
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 500-
5000 m3/d km2 [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
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.
4. Conclusioni
Un consistente risparmio energetico nei sistemi acquedottistici e nei sistemi fognari è
conseguibile mediante oculate scelte progettuali e gestionali. Nei sistemi acquedottistici
tali scelte consistono essenzialmente in un adeguamento strutturale delle reti che
consenta una riduzione delle pressioni nei nodi di alimentazione, nella riduzione delle
perdite idriche, nell’impiego di inverter negli impianti di pompaggio in rete e
nell’impiego di apparecchiature elettromeccaniche ad elevata efficienza energetica. Nei
sistemi fognari le opzioni possibili includono principalmente l’ottimizzazione della
configurazione plano-altimetrica della rete fognaria che limiti i sollevamenti meccanici
alle sole acque reflue, il contenimento delle acque meteoriche drenate, la riduzione di
infiltrazioni di acque parassite, l’ottimizzazione degli impianti di pompaggio, l’impiego
di dispositivi di lavaggio delle vasche di prima pioggia e volano a basso consumo
energetico e l’uso di apparecchiature elettromeccaniche ad elevata efficienza energetica.
Bibliografia
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[2] Barry J. (2007). WATERGY: Energy and water efficiency in municipal water
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[3] Kumar G., Karney B.W (2007). Electricity usage in water distribution networks,
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[6] Artina S., Lenzi C., Bissoli R., Bragalli C., Liserra T., Marchi A., Ruggeri F. (2008).
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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, 3rd Edition, John Wiley & Sons, Inc., NY, USA.
[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.