"Opportunità di recupero energetico nelle reti idriche"

1. Sponsor dell’evento
«Opportunità di recupero energetico
nelle reti idriche»
Armando Carravetta Oreste Fecarotta
Università degli Studi di Napoli Federico II
Dipartimento di Ingegneria Civile, Edile e Ambientale
Hydro Energy Lab - CeSMA
Giovedì 25 Gennaio 2024| IREN, Reggio Emilia
SCUOLA DI ALTA FORMAZIONE

2. Opportunità di recupero energetico
nelle reti idriche …..
a) Tecnologia
b) Casi studio
Armando Carravetta
Oreste Fecarotta

3. Verso una gestione industriale dell’acqua
E’ immediato concentrarsi
maggiormente sulla risorsa
principale, rappresentata
dall’acqua
Quindi riduzione dei consumi
e delle perdite idriche, riuso
delle acque reflue
Riduzione del water footprint
dei prodotti alimentari e
industriali
E’ la maniera giusta?

4. La riduzione delle perdite In effetti, considerando la percentuale
di perdite nelle reti idriche e i problemi
di scarsità della risorsa in alcune aree,
sembrerebbe ragionevole
Arera ha introdotto il macroindicatore
M1 come indice annuale delle perdite
presenti sulla rete gestita
Gli interventi finanziati dal PNRR sono
prevalentemente indirizzati alla
riduzione delle perdite idriche in rete

5. Digitalizzazione, smart metering, ricerca perdite

6. Water-Energy nexus per una gestione industriale dell’acqua
Se proviamo a ragionare in maniera
più estesa ci accorgiamo che occorre
considerare anche altri ingredienti
nella gestione del servizio idrico.
Qualità ambientale
Impatto sociale
Resilienza
Sostenibilità
Water-Energy nexus

7. Quando oggi parliamo di RESILIENZA
indichiamo la capacità di un sistema di
resistere a eventi che determinano
sollecitazioni anche superiori a quelle
ipotizzabili in fase di progetto
E’ evidente che le recenti crisi non
potevano essere previste. Tuttavia, un
sistema resiliente può adattarsi alle
condizioni impreviste
Resilienza delle reti idriche

8. Aumento dei costi di sollevamento
Aumento dei costi di depurazione
Crisi energetica e siccità
Aumento dei costi dell’acqua a mc
Aumento dell’energia richiesta

9. Nuovi prodotti per l’Ecodesign
La Comunità europea è già da
tempo era impegnata a ridurre i
consumi energetiche attraverso
alcune direttive che servono a
rendere più efficienti i prodotti in
commercio.
La direttiva (2009/125/EC) per
l’Ecodesign delinea i requisiti
ecologici per i prodotti a
consumo di energia (EuP) e per i
prodotti connessi al consumo di
energia (ErP)

10. Due visioni apparentemente diverse
ECODESIGN
APPROCCIO BOTTOM-UP
CIRCULAR ECONOMY
APPROCCIO TOP-DOWN

11. Proviamo a perseguire insieme i due obiettivi
Vediamo a cosa ci porta questo approccio
RISPARMIO IDRICO RISPARMIO ENERGETICO
Riduzione dei consumi
Riduzione delle perdite
Perdite reali
Perdite apparenti
Riuso di acque reflue
Desalinizzazione
Risparmio energetico
Ottimizzazione dei processi
Potabilizzazione
Adduzione
Distribuzione
Depurazione
Efficienza delle macchine

12. 𝑄𝑙𝑒𝑎𝑘 = 𝛼
𝑝
𝛾
𝛽
Pressure management

13. 𝑄𝑙𝑒𝑎𝑘 = 𝛼
𝑝
𝛾
𝛽
Regolazione di pressione
La regolazione è fatta con le
idrovalvole, che «sentono» gli
eccessi di pressione e la
adeguano ai valori ottimali
dissipando l’energia idraulica in
eccesso.

14. Anche le elettropompe
possiedono una analoga capacità
di regolazione in quanto possono
variare l’energia idraulica fornita,
garantendo un valore di
pressione ottimale
Regolazione dinamica delle elettropompe

15. E = 𝛾
𝑄 𝐻
𝜂
Δ𝑡
Punto di lavoro fisso Regolazione dinamica

16. Nuovi indici di performance energetica

17. E = 𝛾
𝑄 𝐻
𝜂
Δ𝑡
Si riduce dinamicamente n
Si riduce di conseguenza H
Si riducono le perdite idriche e Q
Si riduce l’energia elettrica assorbita
Benefici della regolazione dinamica delle elettropompe

18. RIDUZIONE DELLE PERDITE
IDRICHE
RIDUZIONE DEI CONSUMI
ENERGETICI
𝑄 = 𝑄𝑑 + 𝛼
𝑝
𝛾
𝛽
E = 𝛾
𝑄 𝐻
𝜂
Δ𝑡
Valve pressure management
Dynamic pump control
Pump design and performance
Pump scheduling

19. Uso dell’energia nel SII

20. Il processo normativo
Studi preliminare
Partecipazione
diretta ai tavoli
normativi
Stakeholder
consultation
Dialogo con consultants
Dialoghi con la
Commissione Europea
Implementazione
Sviluppo della
normativa
Analisicommento
bozze
Supporto alle aziende
Divulgazione
Linee Guida
CT 032 Pompe e piccole turbine idrauliche
Commissione Tecnica Assopompe/ANIMA

21. Attuale indice energetico MEI
C
y
46
.
13
x
59
.
88
xy
38
.
0
y
85
.
0
x
48
.
11 2
2
BEP 







)
ln( s
n
x  )
Q
ln(

y
PL= 0.947 ·BEP
OL= 0.985 ·BEP
QPL= 0.75 ·QBEP
QOL= 1.10 ·QBEP
𝐶 = 𝐶(𝜂𝐵𝐸𝑃, 𝑥, 𝑦)

22. Attuale indice energetico MEI
Minimum efficiency index / C
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
C (ESOB 1450) 132,6 130,7 129,4 128,1 127,0 126,1 124,9
C (ESOB 2900) 135,6 133,4 131,6 130,3 129,2 128,1 127,1
C (ESCC 1450) 132,7 131,2 129,8 128,5 127,4 126,6 125,5
C (ESCC 2900) 135,9 133,8 132,2 130,8 129,9 128,8 127,8
C (ESCCI 1450) 136,7 134,6 133,4 132,3 131,0 130,3 129,0
C (ESCCI 2900) 139,5 136,5 134,9 133,7 132,7 131,3 129,8
C (MS 1450) 134,5 133,0 132,4 130,4 130,0 127,2 125,5
C (MS 2900) 138,2 135,4 134,9 134,0 133,4 131,9 130,4
C (MSS 2900) 134,3 132,4 130,9 128,8 127,3 125,2 123,8
C
y
46
.
13
x
59
.
88
xy
38
.
0
y
85
.
0
x
48
.
11 2
2
BEP 






 𝐶 = 𝐶(𝜂𝐵𝐸𝑃, 𝑥, 𝑦)
Per essere poste sul mercato le pompe devono
superare il MEI 0.4

23. Nuovo indice energetico EEI
Il profilo Constant flow si
riferisce a impianti con punto
di funzionamento fisso
Il profilo Variable flow si
riferisce a impianti con punto di
funzionamento variabile

24. Nuovo indice energetico EEI

25. • Pubblicazioni
• Seminari per le water utilities
Approfondimenti sulla normativa ecodesign
www.assopompe.it | assopompe@anima.it
I NUMERI DEL SETTORE
Aziende rappresentate
Addetti
Fatturato
Quota export
del fatturato è in
ASSOPOMPE
7.500
73%
Fonte Dati Ufficio Studi ANIMA
75%
54
2 mld euro

26. Strategia Top-Down
La norma UNI
ISO 14414 è lo
standard di
riferimento per
la valutazione
dell’efficienza
energetica nei
sistemi di
pompaggio

27. Tre fasi di verifica
Organizzazione della
verifica
•Allocare le risorse
•Definire il team
•Garantire accessi
•Definire obiettivi
•Cronoprogramma
•Analisi preliminare
•Definizione livelli di analisi
•Visita preliminare
•Limiti fisici dei sistemi
•Grandezze da acquisire
Acquisizione e analisi
•Curva di impianto
•Curve pompa e motore
•Pressioni
•Portata
•Potenza
•Stima grandezze incognite
•Calcolo efficienza globale
•Calcolo efficienza parziale
•Azioni correttive
•Discussione
•Commenti
Relazione finale
• Analisi storica
•Componenti
•Obiettivi energetici
•Obiettivi della verifica
• Sistemi analizzati
• Limiti dei sistemi
• Energia assorbita
• Margini miglioramento
• Stima risparmi energetici
• Stima economica
• Raccomandazioni

28. Dal basic al plus
E = 𝛾
𝑄 𝐻
𝜂
Δ𝑡
Pump design and performance
Pump scheduling
Basic – Lavoro solo sulle
macchine con condizioni di
lavoro assegnate con
competenze in house
Advanced – Richiedo la
regolazione delle macchine
con competenze del
costruttore
Plus – Rivedo l’intero sistema
con competenze certificate in
conformità alla ISO 14414
Dynamic pump control

29. Advanced
Il sistema di audit proposto dalle industrie del settore è perfettamente in linea con
quanto previsto dalla UNI ISO 14414

30. Advanced
I risultati dell’audit energetico forniscono soluzioni già tecnologicamente avanzate
perché le proposte migliorative sono basate sulle pompe tecnologicamente più efficienti

31. Advanced
La singola unità di pompaggio presenta un motore ad alta classe energetica, un
sistema di comunicazione avanzato e dispone di un due sistemi di controllo con
funzionamento autonomo o gestito da una centrale di comando esterna

32. Reti complesse

33. Quale intelligenza

34. Opportunità di recupero energetico
nelle reti idriche …..
b) Casi studio Oreste Fecarotta
Hydro Energy Lab

35. • Ricerca su energia e reti idriche
• Supporto all’industria meccanica
• Supporto alle water utilities
Hydro-Energy Lab
Pumps

36. Caso studio I
Efficientamento energetico
delle centrali di Hera
Questo lavoro prevedeva la verifica energetica di alcune centrali
particolarmente energivore del comprensorio di Imola.
Si tratta di un sistema di adduzione misto, che prende le acque dal fiume
Santerno e da alcuni pozzi che attingono dalla falda acquifera, e, tramite
pompaggio, serve sia il comparto industriale che i centri urbani.

37. Applicazione della ISO
14414
1. Sono stati istituiti alcuni gruppi di lavoro che partecipavano di volta in volta alle diverse
attività:
A. Sottogruppo efficienza HERA (E-HERA)
B. Sottogruppo consulenza CeSMA (CESMA)
C. Sottogruppo gestione HERA (G-HERA)
D. Sottogruppo modellazione (M-HERA)
2. Si è effettuata una verifica preliminare del livello di analisi necessario per le diverse centrali
3. Sono state selezionate le centrali su cui concentrare lo studio:
I. Centrale Pontesanto che serve Imola
II. Centrale Belfiore che serve Castel San Pietro

38. Applicazione della ISO
14414
Per ciascuna centrale si è proceduto a:
1. Analisi dei limiti fisici dei diversi del sistema di pompaggio
2. Individuazione dei nuovi assetti gestionali della rete a valle dei sollevamenti
3. Verifica modellistica della efficacia del nuovo assetto gestionale
4. Analisi della prestazione delle centrali di sollevamento e loro adeguamento funzionale
5. Analisi delle prestazioni delle pompe a servizio delle centrali
6. Determinazione degli interventi richiesti dalle centrali e dalle macchine in esse installate
7. Calcolo dei benefit energetici, idrici e di servizio

39. Global optimal programming
Machine characteristics
Network interactions
Daily pattern
Optimal pressure
Water leakage
Energy costs
Machine efficiency
Linear and nonlinear
constraints

40. Global optimal programming
Machine characteristics
Network
interactions
Daily pattern
Optimal pressure
Water leakage
Energy costs
Machine efficiency
Linear and nonlinear
constraints
Esigenze del gestore
Esperienza di
gestione pluriennale
Parametri qualitativi
Buon senso/senso pratico

41. Artificial
Intelligence
Natural
Intelligence

42. Le reti di Imola e Castel San Pietro…. da Flatland a Fractaland

43. La rete di Imola
L’audit energetico sulla centrale di Ponte Santo rappresenta un esempio dei risultati che
possono essere ottenuti in un rete pianeggiante.
La città di Imola si sviluppa all’incrocio tra la
valle del Santerno (che scende dall’Appennino)
e la Pianura Padana.
La rete idrica alimenta sia il centro
pianeggiante della città (40/50 m), sia una
zona industriale più bassa (30/40 m), sia
alcune piccole frazioni a quota maggiore
(>50m).

44. La rete di Imola
L’audit energetico sulla centrale di Ponte Santo rappresenta un esempio dei risultati che
possono essere ottenuti in un rete pianeggiante.
L’acqua prosegue poi – tramite sollevamenti
successivi – verso le zone appenniniche a
quota più alta.

45. La rete di Imola
La centrale di Ponte Santo (45m)
alimentava due condotte prementi,
denominate destra e sinistra, con la stessa
pressione.
Il cielo piezometrico si attestava sull’unico
serbatoio attivo, denominato Serbatoio
Belvedere, posto ad una quota piuttosto
elevata rispetto al centro (circa 90 m).
L’accensione e lo spegnimento delle
pompe erano asserviti alla variazione di
livello nel serbatoio, che veniva
mantenuto prevalentemente pieno, come
riserva idrica.

46. Portata in uscita da Pontesanto
Costo dell’energia
Numero di pompe attive a Pontesanto
Portata in ingresso/uscita Belvedere
Livello Belvedere
L’accensione e lo spegnimento delle
pompe erano asserviti alla variazione di
livello nel serbatoio, che veniva
mantenuto prevalentemente pieno, come
riserva idrica.

47. Il primo provvedimento previsto è di sganciare il
cielo piezometrico di Imola dal livello del serbatoio,
isolandolo tramite una valvola temporizzata
Si è fissata una finestra di ricarica del serbatoio
nell’ora di minimo costo dell’energia
Parte della capacità del serbatoio è utilizzata per
alimentare la citta nell’ora di massimo costo
dell’energia, tenendo spente le pompe della centrale
Numero di pompe attive a Pontesanto
Portata in uscita da Pontesanto
Livello Belvedere
Portata in ingresso/uscita Belvedere

48. Il funzionamento della centrale è stato
quindi asservito al punto della rete
altimetricamente più sfavorito ottenendo
una riduzione complessiva delle pressioni
in rete
Si è anche differenziato il sollevamento tra
la premente destra e quella sinistra in
modo da avere un cielo piezometrico
digradante verso la pianura
Le pompe sono già dotate di inverter per
cui è possibile una regolazione di fino della
pompa pivot

49. Riduzione delle perdite idriche
𝜟𝑾𝑯𝟐𝑶 = 𝟗%
Riduzione costi energia
𝜟CEnergia = 10%
Le stime dei benefit in termini di risorsa idrica e energetica derivanti dall’inervento sono
state possibili grazie alla elevata capacità di modellazione idraulica di Hera

50. Dal confronto tra lo stato esistente e quello previsto si osserva la modifica delle pressioni
in rete

51. La rete di Castel San Pietro presentava
caratteristiche del tutto opposte, derivanti
dalla forte variazione altimetrica del
territorio
Lo schema del sollevamento era analogo a
quello precedente con una prevalenza
estremamente elevata necessaria per
raggiungere il serbatoio di Tanari
Ne deriva una fortissima variabilità delle
pressioni in rete, con forti perdite idriche e
frequenti fenomeni di burst sulle condotte
La rete di Castel San Pietro

52. La soluzione proposta è stata davvero innovativa, frutto di
un attento studio della rete e delle capacità di
modellazione del gestore
Infatti, è stato possibile realizzare una vera e propria
distrettualizzazione del territorio tramite l’inserimento di
un booster di rilancio delle portate in centro città che si
collega al serbatoio di Tanari tramite una adduttrice che
viene isolata dal resto della rete
La modellazione ha consentito di individuare alcuni
sezionamenti necessari

53. Dal confronto tra lo stato esistente e quello previsto si osserva la fortissima riduzione
delle pressioni in rete

54. Riduzione delle perdite idriche
𝜟𝑾𝑯𝟐𝑶 = 𝟏𝟕% Castel San Pietro
Riduzione dei costi di manutenzione
𝜟𝑪𝒎𝒂𝒏 = 𝟐𝟒% Castel San Pietro
Riduzione costi energia
𝜟CEnergia = 𝟏8% Castel San Pietro
Le stime dei benefit in termini di risorsa idrica e energetica derivanti dall’intervento
sono state possibili grazie alla elevata capacità di modellazione idraulica di Hera
In questo caso i potenziali benefit sono risultati elevatissimi perché l’intervento può
ridurre drasticamente le perdite idriche e l’insorgere di bursts

55. Caso studio II
Efficientamento energetico
delle centrali di Padova e del
Piovese
Questo studio tuttora in corso prevede la
verifica energetica delle centrali a servizio
della rete gestita da AcegasApsAmga.
Si tratta di un complesso sistema di
adduzione, che prende le acque in più punti
e le distribuisce nella città di Padova, Abano
Terme e nella Saccisica, un ampio territorio
che si estende fino al fiume Adige.

56. La rete di Padova è realizzata su un territorio pianeggiante e servita da un
sistema di serbatoi a terra e soprelevati.

57. La rete della Saccisica, di recente
acquisizione ha subito una
modifica di assetto per due
motivi principali:
• riduzione programmata delle
pressioni
• nuove possibilità di
alimentazione per effetto del
nuovo sistema interregionale
MOSAV
Lo studio è partito proprio da
questa rete.

58. La convenzione tra AcegasApgAmga ha un
respiro temporale di tre anni.
Nei primi mesi sono stati già individuati
alcuni importanti interventi di riduzione dei
consumi energetici, che occorre
programmare, realizzare e verificare.
La pianificazione è la migliore risposta per
portare avanti audit energetici così
complessi.
Parallelamente è prevista anche una sezione
scientifica e una sezione divulgativa.

59. GRAZIE PER L’ATTENZIONE
armando.carravetta@unina.it
oreste.fecarotta@unina.it