Rinnovabili • reti di distribuzione dell’acqua

Come gestire in modo ottimale le reti di distribuzione dell’acqua

Nei prossimi anni, l'industria dell'acqua deve essere guidata verso l'adozione di soluzioni efficienti dal punto di vista energetico e di strumenti avanzati di monitoraggio e comunicazione, progettati specificamente per la futura rete idrica intelligente, supportata dalle soluzioni basate sull’IoT

reti di distribuzione dell’acqua
via depositphotos.com

Nuovi paradigmi di gestione per l’efficientamento energetico e l’aumento della resilienza della risorsa idrica

di Massimiliano Renzi*, Andrea Menapace*, Maurizio Righetti*

La scarsità della disponibilità della risorsa idrica e le problematiche legate alla distribuzione dell’acqua sono diventate argomenti di grande attualità a causa di una sempre crescente domanda di acqua potabile e di acqua per i processi industriali e per l’agricoltura. A livello globale la domanda di acqua potabile è in aumento mentre la disponibilità della risorsa idrica sta diminuendo. Questo ha portato in Italia, come in altre regioni del mondo, ad un aumento dei costi di servizio e ad una diminuzione della fornitura di acqua, con conseguenti potenziali svantaggi sociali, ambientali ed economici.

È stato stimato che in molti sistemi di approvvigionamento idrico in Italia, la perdita di acqua è mediamente il 40% del volume immesso (dati ISTAT, marzo 2020), con circa una perdita di 44 metri cubi al giorno (44000 litri!) per km di rete nei capoluoghi di Provincia. In alcuni casi essa raggiunge livelli molto più elevati, dal 50% al 70%. Una situazione non idilliaca che induce alla battuta: molti nostri acquedotti “fanno acqua”. Le ripercussioni finanziarie e ambientali sono di rilievo, soprattutto considerando gli episodi sempre più frequenti di scarsità idrica che interessano il nostro territorio e che si acuiranno anche nel Nord Italia come uno degli effetti del cambiamento climatico.

Le perdite totali di rete si compongono, oltre che di una parte fisiologica, che incide inevitabilmente su tutte le infrastrutture idriche, anche di una parte dovuta a vetustà degli impianti e a rotture, componente prevalente soprattutto in alcune aree del territorio, e di una parte amministrativa (non propriamente “perdite” quindi), legata a errori di misura dei contatori e ad allacci abusivi. La frequente carenza di strumenti di monitoraggio e controllo dei volumi e dei flussi certo non aiuta a controllare e contenere le perdite.
Vi è da notare infine che i sistemi di trattamento ed approvvigionamento dell’acqua hanno un impatto energetico sostanziale: sempre secondo i dati dell’ISTAT, in Italia nel 2018, il 5% del consumo complessivo nazionale di energia è stato assorbito dai sistemi di pompaggio, distribuzione e trattamento dell’acqua.

Per sostenere la transizione verso un sistema idrico urbano resiliente, intelligente e sostenibile, è obbligatorio un nuovo approccio per la gestione della risorsa idrica, come suggerito dalle più recenti linee guida europee e previsto dall’obiettivo di neutralità climatica dell’UE entro il 2050. Un approccio che tenda a coniugare competenze e conoscenze dell’ingegneria con quelle delle tecnologie innovative e digitali.

Anche la sempre maggiore conoscenza di dettaglio delle reti di drenaggio consente di comprendere al meglio le dinamiche di deflusso, individuare le relative criticità e pianificare gli interventi. I modelli numerici offrono quindi la possibilità di una migliore conoscenza delle dinamiche del sistema idrico, rappresentando un pilastro fondamentale per ogni attività di progettazione e, soprattutto, ottimizzazione gestionale delle reti e degli impianti.

Nei prossimi anni, l’industria dell’acqua deve essere guidata verso l’adozione di soluzioni efficienti dal punto di vista energetico e di strumenti avanzati di monitoraggio e comunicazione, progettati specificamente per la futura rete idrica intelligente, supportata dalle soluzioni basate sull’Internet of Things (IoT). Gli strumenti di misurazione tradizionali e l’analisi del fabbisogno di acqua basati su dati storici non sono più adeguati; sono ad alta intensità di lavoro e mancano di visibilità sui modelli di distribuzione, raccolta e consumo, con il risultato di servizi dispendiosi in termini di tempo, costosi e poco reattivi. Gli utilizzi dell’acqua nel mondo odierno sono sempre più diversificati e sempre più cruciale diventa acquisirne consapevolezza per ottimizzarli a causa della diminuzione di disponibilità della risorsa idrica, in questo contesto le soluzioni IoT risultano particolarmente utili, anche nell’ottica di riqualificazione delle reti.

Questi sono alcuni degli aspetti di cui si occupa il laboratorio di Termo Fluido Dinamica della Libera Università di Bolzano. Il laboratorio, recentemente sviluppato presso il nuovo Parco Tecnologico NOI (Nature of Innovation) di Bolzano, presenta una ampia gamma di attrezzature, strumentazioni e banchi prova che sono pensati per affrontare le nuove sfide nell’ambito del settore delle reti in pressione, dell’idroelettrico, dell’idraulica industriale ed ambientale e dei processi di conversione dell’energia. Tra le attrezzature a disposizione si possono elencare diversi circuiti, sia ad alta portata che ad alta pressione, sistemi di misura fluidodinamica avanzata basati su tecniche ottiche, sistemi per la simulazione ed il test di flussi con trasporto solido e con fluidi non newtoniani. Le attività comprendono anche lo sviluppo di codici numerici che possono essere utilizzati per modellare i fenomeni fisici analizzati e validati grazie ai test sperimentali. Il laboratorio è stato sviluppato grazie al supporto degli stakeholder locali e al supporto della Provincia Autonoma di Bolzano con l’obiettivo di rispondere alle esigenze del tessuto imprenditoriale locale e globale.

Nello specifico delle attività legate alle reti di distribuzione dell’acqua, negli ultimi anni i professori ed i ricercatori della Libera Università di Bolzano hanno condotto diversi progetti, finanziati dalla Provincia di Bolzano e da fondi europei, legati all’efficientamento e all’ottimizzazione nella gestione delle reti di distribuzione dell’acqua, con particolare riferimento alla minimizzazione delle perdite e al recupero energetico tramite l’uso di una modellazione avanzata, l’uso di algoritmi euristici per ottimizzare il design, la programmazione e la gestione, l’uso dell’intelligenza artificiale per la previsione della domanda e l’identificazione di anomalie e l’uso di macchine idrauliche a basso costo.

Sistema di gestione delle rete acqudottistica, basato su soluzione IoT e di telecontrollo

Lo sviluppo di strumenti di previsione accurati e di procedure di ottimizzazione affidabili sono cruciali per la futura gestione delle reti di distribuzione dell’acqua secondo i principi di resilienza e di uso sostenibile della risorsa idrica. Di particolare interesse risultano essere i modelli sviluppati grazie a nuovi strumenti di analisi e basati sull’uso dei dati provenienti dai sistemi di monitoraggio delle reti e di soluzioni di machine learning. I modelli possono essere costantemente aggiornati e calibrati grazie ai dati ricavati dalla rete sensoristica integrata per prevedere la domanda e la disponibilità di acqua nei diversi distretti della rete, ma anche per controllarla in modo ottimale e rilevarne i guasti. Questi strumenti possono essere utilizzati anche per l’ottimizzazione sia dei sistemi di pompaggio che dei dispositivi di recupero dell’energia, permettendo così di massimizzare il recupero dell’energia idraulica residua.

Infatti, anche gli aspetti energetici sono di fondamentale importanza nella gestione delle reti di distribuzione dell’acqua. Sebbene siano già state proposte soluzioni basate su macchine idrauliche per il recupero energetico, la loro applicazione è ancora limitata e impedita da una serie di limitazioni tecniche, economiche e pratiche. Una delle linee di ricerca del laboratorio è quella di affrontare queste sfide legate ai problemi di gestione e di instabilità delle pompe, dei dispositivi di controllo e delle turbine per il recupero energetico, soprattutto in condizioni operative variabili; questi infatti sono alcuni degli aspetti che attualmente limitano l’implementazione di strategie di efficienza energetica all’interno delle reti di distribuzione dell’acqua.

Purtroppo, molto spesso, le turbine idrauliche tradizionali sono difficilmente applicabili in applicazioni di piccolissima taglia, come per gli impieghi di recupero energetico, a causa della complessità e dei costi di impianto e di gestione. Una delle soluzioni percorribili è quella di adottare delle semplici macchine idrauliche, le pompe, invertendo il flusso dell’acqua per produrre energia su piccola taglia: si tratta delle cosiddette “Pumps as Turbines” o PaT. Un ulteriore vantaggio rispetto alle turbine tradizionali risiede nel fatto che le pompe sono disponibili in diverse dimensioni e soluzioni progettuali, il loro costo è nettamente inferiore, il controllo e l’installazione sono più semplici. Purtroppo, ad oggi, non sono disponibili delle metodologie generali per ricostruire il comportamento delle pompe quando queste vengono utilizzate come turbine; ciò comporta che ingegneri e progettisti siano limitati nell’uso delle PaT in quanto il rendimento energetico e, di conseguenza, il vantaggio economico sono difficilmente valutabili e ancora scoraggiano gli investimenti su questa tecnologia.

L’obiettivo della ricerca sviluppata presso il laboratorio di Termo Fluido Dinamica è, pertanto, quello di fornire ai tecnici uno strumento affidabile e generale per prevedere le prestazioni delle PaT, partendo semplicemente dai dati principali delle macchine in modalità pompa, come riportato nelle schede tecniche fornite dai produttori. Tra le varie metodologie sviluppate nell’ambito di questa ricerca i risultati più promettenti e accurati sono stati ottenuti utilizzando la metodologia delle Reti Neurali Artificiali. Tramite una fase di apprendimento supervisionato, sono state fornite le curve prestazionali delle PaT in diverse condizioni di funzionamento e la rete neurale si è dimostrata in grado di prevedere con un’altissima precisione il comportamento in modalità turbina. Tramite l’utilizzo della fluidodinamica computazionale, è stato anche possibile studiare il comportamento del flusso interno alla macchina e proporre modifiche specifiche per migliorarne ulteriormente le prestazioni.

pats
Banco prova sistema di recupero energetico basato sulle PaTs

Il progetto sulle PaTs ha già avuto un primo impatto applicativo nel territorio dell’Alto Adige: grazie alla disponibilità degli stakeholders locali, è stato possibile valutare l’applicazione di queste macchine nella rete acquedottistica delle città di Egna e di Laives; le PaTs sono state proposte come dispositivi per controllare la pressione nelle tubazioni, limitando così anche le perdite d’acqua della rete, e contemporaneamente come dispositivi di recupero. Si è dimostrato che la soluzione proposta garantisce un notevole ritorno energetico ed economico, tanto che il comune di Egna, partner del progetto, sta valutando l’introduzione delle PaT nella rete idrica locale.

In conclusione, l’obiettivo finale del progetto è quello di fornire gli strumenti e di dimostrare l’applicabilità delle soluzioni necessarie per affrontare le sfide future delle reti di fornitura dell’acqua e per guidare le analisi dei rischi e dei costi degli investimenti nelle infrastrutture idriche.

*Libera Università di Bolzano

Rinnovabili •
About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Simulare i fenomeni termomeccanici

Simulare i fenomeni termomeccanici [Webinar]

SponsoredContenuto
Sponsorizzato

Martedì 18 giugno COMSOL terrà un seminario gratuito dedicato alla simulazione multifisica delle interazioni termomeccaniche

fenomeni termomeccanici

Come prevedere la tendenza di un materiale a cambiare di volume in risposta ad un cambiamento di temperatura all’interno di un sistema meccanico? Come valutare l’effetto sulle prestazioni di fenomeni termomeccanici come il riscaldamento Joule? Come modellare le possibili deformazioni indotte dal calore e studiarne le conseguenze sul comportamento meccanico di strutture solide?

Per tutte queste domande esiste una risposta “semplice”: la simulazione multifisica. Questo strumento d’analisi permette, a partire da un sistema complesso, di simulare i singoli aspetti (elettrici, meccanici, termici o chimici) e gli effetti della loro interazione. Nel dettaglio la simulazione multifisica permette di creare un modello matematico e analizzarlo minuziosamente con l’obiettivo di prevedere o convalidare il risultato del mondo reale. Evidenziando eventuali criticità e ottimizzando i progetti ancor prima della prototipazione. 

Nel settore delle energie rinnovabili (ma non solo) l’approccio risulta particolarmente valido per il comportamento meccanico di strutture solide dove la complessità dei fenomeni termomeccanici richiede necessariamente un’attenzione e una cura più elevate durante la fase progettuale. 

A spiegarne vantaggi e potenzialità è il nuovo webinar gratuito di COMSOL, una delle aziende leader nello sviluppo software di modellazione matematica. L’evento, in programma per il 18 giugno alle ore 14.30 permetterà ai partecipanti di comprendere come sia possibile analizzare le strutture meccaniche combinando tutti gli effetti fisici e le interazioni rilevanti. 

 Lo strumento principe è COMSOL Multiphysics®, uno dei software di modellazione più avanzati del settore, in grado simulare progetti, dispositivi e processi in ogni ambito tecnologico. Grazie al modulo dedicato alla Meccanica Strutturale, la piattaforma permette di analizzare la meccanica dei solidi, simulando il comportamento dei materiali, delle dinamiche, delle vibrazioni, dell’attrito ecc. all’interno di un unico modello e di un unico ambiente di modellazione.

Il modulo offre accoppiamenti multifisici integrati che includono anche gli aspetti termici, a partire dalle semplici condizioni operative di un dispositivo, per arrivare a fenomeni più complessi come l’effetto Joule. La piattaforma rende possibile, infatti, modellare la conduzione della corrente elettrica in una struttura, il successivo riscaldamento elettrico causato dalle perdite ohmiche e le sollecitazioni termiche indotte dal campo di temperatura.

Simulare i fenomeni termomeccanici

Per avere una panoramica completa delle possibilità durante il seminario i tecnici Comsol esamineranno i diversi meccanismi importanti da considerare in un modello termomeccanico. Come ad esempio il creep termico, ossia la deformazione anelastica che si verifica nel tempo quando un materiale è sottoposto a stress a una temperatura pari o superiore al 40% del punto di fusione. O ancora lo smorzamento termoelastico, che si verifica quando si sottopone un materiale a stress ciclico di compressione e di espansione. La deformazione ciclica crea variazioni locali di temperatura in grado a loro volta di produrre perdite meccaniche.

Il webinar passerà in rassegna vari casi di studio ed esempi di modelli, mostrando il software in azione e rispondendo in tempo reale a tutte le domande dei partecipanti.

Partecipa al seminario gratuito dedicato alla simulazione dei fenomeni termomeccanici registrandoti all’indirizzo  https://www.comsol.it/c/fvmd 

Rinnovabili •
About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • Decreto FER X

Decreto FER X, aste entro la fine dell’anno

Lo ha dichiarato il sottosegretario al MASE, Claudio Barbaro, ma l'iter del Decreto Fer X appare ancora indietro con i tempi

Decreto FER X
Foto di Ed White da Pixabay

Incentivi alle rinnovabili, la normativa in attesa

Il Decreto FER X è in dirittura d’arrivo e le prime procedure competitive del provvedimento potrebbero essere lanciate entro la fine del 2024. Questa perlomeno è la previsione avanzata dal sottosegretario al Ministero dell’Ambiente e della Sicurezza Energetica, Claudio Barbaro, durante un’interrogazione alla Camera. Rispondendo in X Commissione ad un quesito dell’onorevole Peluffo sui tempi di adozione del DM FER-X, Barbaro ha fatto chiarezza sui prossimi passi del provvedimento.

Lo schema, ha ricordato il sottosegretario, è stato trasmesso all’ARERA nel mese di aprile ai fini dell’acquisizione del parere. L’Authority dovrebbe far sapere la propria posizione in questi giorni per poi “passare la palla” alla Conferenza Unificata. A valle dell’acquisizione di quest’ultimo parere “sarà possibile procedere con la notifica formale del provvedimento in Commissione europea per la verifica dei profili di compatibilità con la disciplina in materia di Aiuti di Stato”.

Decreto FER X, quando arriva?

Il percorso, dunque, si prospetta ancora lungo ma il Sottosegretario rassicura gli animi spiegando che il MASE sta cercando di velocizzare i passaggi rimanenti. “Per accelerare […] il Ministero ha già avviato i colloqui con la Commissione con l’obiettivo di illustrare le principali novità introdotte dal meccanismo. Tra le innovazioni, rispetto al disegno attuale, il nuovo schema prevede infatti che il Sistema si faccia carico del rischio dovuto alle dinamiche inflattive, particolarmente accentuate nell’ultimo anno, in modo tale da rendere i corrispettivi riconosciuti più adeguati alla struttura di costo e alla sua evoluzione, riducendo così i rischi degli operatori“.

Il Decreto, ricordiamo, nasce per sostenere la produzione di energia elettrica da impianti rinnovabili “con costi vicino alla competitività di mercato”. Ossia fotovoltaici, eolici, idroelettrici e di trattamento dei gas residuati dai processi di purificazione. L’ultima bozza del decreto FER X riporta due modalità di accesso agli incentivi: quella diretta, riservata ai sistemi rinnovabili di taglia uguale o inferiore ad 1 MW per un massimo di 5 GW sviluppabili in Italia; quella tramite aste, nel caso di impianti di potenza superiore a 1 MW (e con contingenti differenziati per tecnologia che vanno da un 45 GW per il fotovoltaico allo 0,02 GW per i gas residuati).

Barbaro ha anche anticipato che per mitigare le problematiche relative all’operatività dei contratti alle differenze convenzionali, il Ministero ha provveduto a “ridisegnare la struttura dei pagamenti del contratto al fine di disincentivare l’offerta della capacità contrattualizzata a prezzi inferiori ai propri costi marginali”. Un intervento che permetterebbe al tempo stesso di “ridurre il rischio volume sostenuto dai titolari della medesima capacità“. Le prime aste? “Potranno essere bandite entro la fine dell’anno“, ha concluso il sottosegretario.

Rinnovabili •
About Author / Stefania Del Bianco

Giornalista scientifica. Da sempre appassionata di hi-tech e innovazione energetica, ha iniziato a collaborare alla testata fin dalle prime fasi progettuali, profilando le aziende di settore. Nel 2008 è entrata a far parte del team di redattori e nel 2011 è diventata coordinatrice di redazione. Negli anni ha curato anche la comunicazione e l'ufficio stampa di Rinnovabili.it. Oggi è Caporedattrice del quotidiano e, tra le altre cose, si occupa quotidianamente delle novità sulle rinnovabili, delle politiche energetiche e delle tematiche legate a tecnologie e mercato.


Rinnovabili • pcb ricarica

PCB per la ricarica dei veicoli elettrici (EVC)

SponsoredContenuto
Sponsorizzato

Il ruolo e l'importanza dei circuiti stampati nel mondo della ricarica dei veicoli elettrici

pcb ricarica

Il mondo dell’EV charging promette di cambiare il nostro modo di spostarci e di viaggiare e molte sono le tecnologie in gioco per raggiungere questo ambizioso obiettivo. L’elettronica svolge di certo un ruolo chiave, ma è necessario sviluppare prodotti ad hoc per questo segmento di mercato, che siano in grado di gestire picchi energetici, alte temperature, funzionalità molteplici e dimensioni ridotte. Molte di queste necessità devono essere soddisfatte nella progettazione di un circuito stampato (anche detto PCB) che permetterà di garantire funzionalità, affidabilità ed efficienza di una colonnina di ricarica. I PCB (Printed Circuit Boards) sono infatti fondamentali per consentire una ricarica affidabile e ad alta potenza e si sono evoluti parallelamente allo sviluppo di colonnine di ricarica sempre più performanti, di dimensioni più compatte e più leggere.

Diminuendo le dimensioni delle colonnine di ricarica, anche lo spazio dedicato ai PCB si è ridotto, portando i progettisti di circuiti stampati a studiare nuovi design che permettessero di ottenere le stesse prestazioni in dimensioni più contenute. In alcuni casi può essere sufficiente usare elementi più compatti, in altri lavorare sulla densità del circuito, oppure optare per un maggior numero di strati che possano ospitare tutte le funzionalità richieste, o ancora prestare particolare attenzione alla larghezza delle piste e alla distanza di isolamento.

I circuiti stampati dedicati al mondo dell’ev charging devono inoltre poter gestire correnti e tensioni elevate, che richiedono l’uso di materiali specifici e spesso di una grande quantità di rame che permetta di condurre considerevoli flussi di corrente e dissipare il calore in eccesso.

I circuiti stampati di un EV charger non sono solo sviluppati per garantire il fine ultimo della colonnina, la ricarica in sè, ma anche un’esperienza di acquisto adeguata. Se, da un lato, la crescente richiesta di tempi di ricarica più rapidi richiede una tecnologia dei PCB in grado di supportare operazioni di ricarica efficienti e ad alta potenza, dall’altro devono essere considerate anche tutte le interfacce che includono funzioni come touchscreen, applicazioni mobili, lettori di schede RFID e controlli intuitivi, tutti progettati con lo scopo di migliorare l’esperienza dell’utilizzatore di una colonnina di ricarica.

Attenzione alla sostenibilità nella progettazione di un PCB

Un’attenta progettazione di circuiti stampati può inoltre contribuire alla sostenibilità del prodotto finale, perché permette di ottimizzare spazio e materiali, riducendo gli sprechi. Studiare con attenzione il design del PCB permette di sfruttare il pannello in modo da ridurre la quantità di materie prime necessarie per produrre il circuito stampato ma anche delle risorse richieste per lavorarlo, come acqua, calore ed elettricità. La dimensione inferiore di un circuito stampato si tramuta anche in meno materiali di scarto nel caso in cui la scheda finale abbia dei difetti e debba quindi essere rottamata, e anche un imballaggio con dimensioni minori, peso minore con conseguente riduzione del costo di spedizione. I vantaggi sono quindi al contempo ambientali ed economici.

NCAB ha sviluppato delle linee guida che permettono di identificare i fattori che determinano il costo di un PCB  e supporta i propri clienti sin dalle prime fasi della progettazione per raggiungere obiettivi di sostenibilità comuni. 

I webinar sul circuito stampato di NCAB Group

Per questo motivo il Gruppo svedese mette a disposizione il know how dei propri tecnici attraverso un fitto programma di webinar gratuiti dedicati al circuito stampato. 

Giovedì 13 giugno 2024, in particolare, Jonathan Milione, FAE di NCAB Group Italy, terrà un webinar dal titolo “PCB affidabili per l’EVC​ – Opportunità, sfide e applicazioni in ambito ricarica EV“ a cui è possibile iscriversi da questo link https://attendee.gotowebinar.com/register/3189250463637126235

Parleremo di:

  • Evoluzione e sfide del settore dei veicoli elettrici
  • Metodi di ricarica e sviluppi tecnologici delle colonnine di ricarica
  • Soluzioni di design per PCB: sistemi di ricarica ad alta potenza

leggi anche Circuiti stampati più sostenibili, l’approccio virtuoso di NCAB Group

About Author / La Redazione