Pressione acquedotti e recupero energia di dissipazione
1) PREMESSA
L’alimentazione idropotabile delle aree abitate aventi un andamento altimetrico molto variegato ed in particolare di quelle con notevoli dislivelli del suolo, presenta notevoli problemi dovuti alla eccessiva pressione della rete di condotte che, nella realtà, non vengono affatto risolti. Si constata infatti come in molti sistemi acquedottistici di quel tipo, venga adottata una rete unica che copre unitariamente tutto il territorio da servire essendo caratterizzata da pressioni di funzionamento estremamente variabili e che, soprattutto nelle aree poste alle quote più basse e nei periodi di minor consumo, raggiungono valori molto elevati. Vi si pone rimedio dotando ogni allacciamento di utenza di propria valvola di riduzione e di regolazione della pressione con cui, se da un lato si raggiunge lo scopo di assicurare all’utente un funzionamento normale del suo impianto idrico, dall’altro si provocano nelle condotte stradali di distribuzione, soggette al regime irregolare di cui si è detto, numerosi inconvenienti tra i quali quello delle rilevanti perdite occulte. Si tratta di una situazione assolutamente anomala cui chi scrive ha tentato di proporre differenti modalità di risoluzione (vedi vari articoli di questo stesso sito) basandosi su una concezione delle reti totalmente diversa da quelle tradizionali e che raggiunge il risultato di un funzionamento con pressioni abbastanza normalizzate e, nel caso di impianti con sollevamento meccanico dell’acqua, con una notevole economia energetica.
Una modalità che in questi ultimi anni si sta diffondendo a macchia d’olio per i buoni risultati che offre, è quella, illustrata in vari articoli del sito e basata sulla installazione in punti strategici della rete di valvole di regolazione della pressione tenute in tempo reale sotto controllo dal sistema di telecontrollo e telecomando centrale.
Con questo lavoro la ricerca di soluzioni razionali dei problemi esposti viene spinta ancora più avanti con ritrovati meramente teorici ma che si ritiene possano contribuire efficacemente al raggiungimento della vera risoluzione.
2) IL DISPOSITIVO FONDAMENTALE DELLA SOLUZIONE PROPOSTA
Una delle soluzioni dei problemi prima elencati è quella basata, come detto, su una massiccia presenza in rete di valvole di regolazione, che distruggono sic et sempliciter il carico idraulico in eccesso. Risultati notevolmente migliori si otterrebbero qualora tali valvole fossero sostituite da un dispositivo che, anziché dissiparla, ricuperasse tutta l’energia trasformandola in energia elettrica. Il dispositivo in questione potrebbe essere, come sarà di seguito spiegato, un gruppo turbina-alternatore di concezione del tutto particolare. A questo punto occorre precisare come chi scrive questa nota non sia affatto esperto nel campo elettro-meccanico in cui rientra detto dispositivo per cui le affermazioni ad esso relative debbono essere attentamente verificate. Sussistono però dei concetti fondamentali sui quali mi sento di fondare alcune proposte tecniche le quali, proprio per questo, possono ritenersi attendibili.
E’ noto come l’energia elettrica venga prodotta dagli alternatori di normale costituzione facendone ruotare un elemento entro un campo magnetico fisso oppure, per semplicità costruttiva, facendo girare detto campo magnetico tramite la rotazione del rotore e raccogliendo l’energia nell’elemento fisso. In ambedue i casi la frequenza della corrente alternata prodotta è funzione diretta della velocità di rotazione e quindi, per ottenere una corrente a frequenza fissa come normalmente è richiesto, deve essere fissa anche la velocità di rotazione. Nei grandi e complessi impianti idroelettrici tale irrinunciabile condizione è soddisfatta tramite appositi organi di regolazione che, variando l’inclinazione delle pale della turbina o quelle del suo distributore, riescono ad assicurare detta costanza di velocità anche in presenza di portate d’acqua variabili entro determinati limiti. Invece nei gruppi turbina-alternatore specificatamente usati per piccoli impianti come sono quelli atti all’utilizzazione del carico idraulico delle condotte d’acquedotto di cui si tratta, non è praticata, per motivi di semplicità costruttiva e di esercizio, alcuna regolazione del genere, al contrario vi si trovano dei dispositivi automatici che garantiscono la velocità costante della turbina dissipando l’energia in eccesso, tutte le volte che se ne presenta la necessità, previa sua trasformazione in calore. Tale loro caratteristica peculiare rende i piccoli impianti idroelettrici assolutamente rigidi e quindi poco adatti all’uso che si vorrebbe qui fare.
Chi scrive ritiene però che la moderna tecnologia consenta di produrre piccoli gruppi turbina-alternatore completamente diversi da quelli citati ed atti a sfruttare un carico idraulico con continue variazioni energetiche trasformandolo in energia elettrica alternata che, ad una potenza necessariamente variabile, contrapponga una tensione ed una frequenza sempre costanti e di valori rientranti nella norma. Un’altra caratteristica essenziale del sistema qui proposto, è quella relativa alla necessità del suo asservimento al sistema generale di telecontrollo e telecomando dell’acquedotto. In luogo di prevedere, analogamente ai grandi gruppi idroelettrici, complicate apparecchiature di regolazione meccanica delle varie parti della turbina si ritiene preferibile adottare, per le piccole macchine di cui si tratta, una regolazione continuativa e su comando del campo magnetico dell’alternatore. Ciò potrebbe aversi, ad esempio, tramite un rotore eccitato mediante immissione di una corrente esterna di intensità variabile a sua volta ottenuta tramite un dispositivo elettrico/elettronico in grado di produrre corrente continua di potenza variabile. Se in questo modo o con qualche altro sistema equivalente, è sicuramente possibile abbassare a piacere la pressione di funzionamento della condotta cui viene inserito il dispositivo, ne deriva però un inconveniente: il rotore, dovendo vincere un campo magnetico di intensità variabile assumerà velocità di rotazione anch’esse variabili e quindi l’energia elettrica prodotta sarà anch’essa di potenza ed anche di frequenza variabili. Vi si dovrà porre rimedio tramite dispositivo elettronico statico applicato all’uscita dell’alternatore come ad esempio un inverter che, a mezzo di moderni dispositivi elettronici, raggiunga lo scopo di rendere costante frequenza e tensione della corrente elettrica prodotta.
In definitivamente quella qui ipotizzata è un’apparecchiatura che, con asservimento all’impianto centralizzato di telecontrollo e telecomando dell’acquedotto, possa svolgere il ruolo di abbassare la pressione della condotta in cui è inserita fino ad un limite stabilito di volta in volta, senza alcuna dissipazione di energia ma invece trasformando tutta quella in eccesso rispetto al fabbisogno idraulico della rete acquedottistica, in energia elettrica di caratteristica atta alla sua immissione nella rete Enel. Il campo di lavoro del dispositivo dovrà poter variare da una dissipazione del carico idraulico nulla ( nel qual caso la turbina gira in folle e non si ha produzione di energia elettrica) ad una dissipazione massima di una cinquantina di metri di colonna d’acqua che è ritenuto il valore massimo per riportare le reti acquedottistiche di normale costituzione entro valori ottimali. Questa elevata escursione di lavoro provocherà sicuramente una diminuzione del rendimento complessivo della macchina pur restando il risultato economico finale nettamente positivo, come sarà più avanti dimostrato.
Da rilevare come ol dispositivo descritto può anche essere sostituito da pompe a velocità variabile chiamate Pat ( Pump as turbine) di cui di possono trovare dettagli cliccando qui
3) TECNICA DI REGOLAZIONE DELLA PRESSIONE DELLA RETE ACQUEDOTTISTICA
La tecnica di regolazione della pressione di funzionamento delle reti di distribuzione degli acquedotti tramite valvole di riduzione della pressione delle condotte di rete, ha raggiunto in questi ultimi anni un notevole livello di perfezionamento e notevoli risultati pratici. La ubicazione e le modalità di utilizzazione e di taratura delle valvole vengono studiate tramite molteplici simulazioni del funzionamento della rete effettuate tramite modelli matematici per essere poi messe a punto con ripetute prove di esercizio reale. I risultati già ottenuti durante lunghi periodi di effettivo esercizio sono lusinghieri soprattutto per quanto riguarda il contenimento delle perdite occulte di rete. Le esperienze fatte possono essere utilizzate pari pari per l’installazione dei gruppi turbina-alternatore descritti al precedente cap. 2) in quanto la loro funzione per tutto ciò che riguarda la rete acquedottistica è identica a quella delle valvole citate, fatte salve alcune osservazioni.
Innanzitutto è da tenere presente come i gruppi in argomento rappresentino un dispositivo più complesso e costoso delle semplici valvole di regolazione della pressione. Il loro impiego dovrà quindi essere attentamente vagliato limitandone l’installazione negli acquedotti di grande dimensione e, al loro interno, nelle sole condotte di rete principali e quindi adottando un sistema di regolazione misto alternatore-valvola con impiego delle valvole in tutti i casi di secondaria importanza. A loro volta le reti di distribuzione potrebbero essere adattate al nuovo sistema di modulazione privilegiando le condotte munite di turbina-alternatore rispetto a quelle con valvola di riduzione allo scopo di favorire la produzione idroelettrica rispetto alla mera dissipazione energetica. Ciò sarà facilmente attuabile nelle reti magliate con condotte che funzionano in parallelo: al limite sarà possibile l’intercettazione di alcune condotte secondarie limitando la loro funzione alla sola alimentazione delle utenze loro allacciate e riservando gran parte del trasporto idrico alle condotte principali munite di riduttore a turbina.
Naturalmente ambedue i tipi di regolatore della pressione di rete, a turbina-alternatore e a valvola di riduzione, sono costantemente asserviti all’impianto centralizzato di telecomando e telecontrollo.
4) EFFETTI DELLA REGOLAZIONE DI PRESSIONE DI RETE ACQUEDOTTISTICA OPERATA TRAMITE TURBINA-ALTERNATORE
Il beneficio economico che deriva alle reti acquedottistiche dei territori ad altimetria molto variegata dall’uso delle turbine-alternatori è rilevante quando la rete funziona a gravità, quando si tratta di impianti idrici di notevole dimensione ed infine quanto maggiori sono gli eccessi di carico idraulico presenti in rete. Nelle reti con sollevamento meccanico dell’acqua distribuita, il carico in eccesso sarà più esiguo e quindi minori i benefici. Durante le ore di massimo consumo, detto anche periodo critico in quanto è in funzione di esso che vengono progettate le opere acquedottistiche, non sussiste in queste reti alcun carico superfluo da poter sfruttare, però per tutta la restante durata delle giornate dell’annata tipo e quindi per la maggior parte del tempo, le minori perdite di carico conseguenza diretta della diminuita portata, provocano degli eccessi di pressione che, per un buon funzionamento dell’acquedotto, occorre abbattere con le valvole di regolazione o preferibilmente, con le turbine-alternatori. Si arriva alla logica conclusione che anche nelle reti a sollevamento meccanico dell’acqua vi sono notevoli possibilità di utilizzazione di carichi residui. Tale circostanza è ancora più evidente qualora si adotti, durante le ore di consumo minimo, un servizio idrico a pressione di consegna più bassa del normale di cui si tratta in molti articoli del presente sito..
In definitiva in qualsiasi acquedotto sussistono dei carichi residui in eccesso più o meno consistenti sia in fatto di durata che di pressione e che occorre distruggere. Ora, se l’installazione delle valvole può essere consigliabile nella generalità dei casi, quella delle turbine-alternatori richiede una resa economica atta a giustificare i loro maggiori costi di installazione e di esercizio.
In questo senso una valida dimostrazione la si può ricavare dall’esame critico di una rete a sollevamento meccanico nella quale si pratica da anni la regolazione della pressione a mezzo valvole automatiche asservite all’impianto di telecontrollo centrale e della quale sono noti i seguenti grafici di funzionamento. Nella fig. 1 è descritta la portata durante una giornata di consumo medio con e senza la regolazione, mentre nella fig. 2 è rappresentata, per lo stesso giorno, la pressione con e senza la regolazione. Si noterà come l’abbassamento della pressione di rete operata dalle valvole sia massimo durante la notte ed in genere durante le ore di minimo consumo. Invece nelle ore di punta e cioè dalle 10 alle 13 circa, non ha luogo alcun intervento delle valvole dato che, allora, in rete sussiste una pressione appena sufficiente per l’alimentazione dell’utenza. Elaborando i due grafici che, come detto, si riferiscono ad un caso reale, si è potuto costruire la fig. 3 nella quale figurano l’andamento della pressione realmente dissipata dalle valvole e la portata della rete in questo caso indicata in valore simbolico.
Integrando il grafico si ricava che in una rete come quella del grafico n. 3 avente una portata media di 1000 l/sec corrispondente ad una popolazione di circa 300000 abitanti, l’energia elettrica teoricamente ricavabile utilizzando tutto il carico in eccesso è pari a KWh 1900 al mattino e KWh 1200 alla sera. In conclusione un acquedotto come quello descritto può approssimativamente e come minimo contare su una produzione di circa 3000 KWh al giorno, stimati teoricamente senza tener conto delle perdite di rendimento delle macchine. Migliori risultati si ottengono, ovviamente, negli acquedotti di maggiori dimensioni.
Gli esempi riportati riguardano acquedotti a sollevamento meccanico dell’acqua. In quelli a gravità alimentati da sorgenti di alta quota, ad una produttività idroelettrica delle reti di distribuzione assai maggiore di quella anzidetta deve aggiungersi quella della rete di adduzione la quale molto spesso può disporre di notevoli salti utili ai fini idroelettrici. Si pensi ad esempio a città di pianura alimentate da acque di bacini artificiali di alta montagna con dislivelli di centinaia e centinaia di metri!
In definitiva, se negli acquedotti è sempre consigliabile la regolazione della pressione di esercizio per i vantaggi offerti, lo è tanto più quando sussistono le condizioni che consentono, invece di dissipare il carico in eccesso, di utilizzarlo per la produzione di energia elettrica.
5) CONCLUSIONI
Dopo aver accennato all’importanza della regolazione della pressione di funzionamento delle reti di distribuzione d’acqua potabile a servizio di territori ad andamento altimetrico molto variegato al fine di evitare gli inconvenienti causati dall’eccessivo valore pressorio che sovente vi si registra, nell’articolo si propone l’impiego di dispositivi innovativi aventi lo scopo di evitare la dissipazione dell’energia dovuta a detti eccessi di carico idraulico utilizzandola invece per produrre energia elettrica che diviene, di anno in anno sempre più preziosa. Vengono indicate le caratteristiche costruttive di una particolare turbina-alternatore atta ad assolvere a detto compito in modo automatico essendo asservita all’impianto centrale di telecontrollo e telecomando della rete acquedottistica.
Si tratta di proposte che, sopratutto negli acquedotti di grandi dimensione e dopo attenta valutazione svolta acquedotto per acquedotto, si ritiene possano offrire notevoli risultati.