SMART WATER NETWORKS:

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Acqua 2.0
Rilancio industriale del sistema idrico:
sogno o possibile realtà?
San Sebastiano al Palatino ‐ Roma, 16 aprile 2013
Sala Convegni
SMART WATER NETWORKS:
un’ opportunità imperdibile per i sistemi acquedottistici
prof. ing. Furio Cascetta
[email protected]
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INTRODUZIONE
Cos’è una smart grid (smart network) ?
Smart grid (o smart network): tradotto letteralmente significa “rete (distributiva) intelligente”.
Il significato tecnologico dell’intelligenza consta nel fatto che la gestione della rete distributiva viene potenziata ed implementata dal flusso di informazioni che (in tempo reale) provengono dai sistemi di misura e controllo del campo.
SMART WATER NETWORKS: Un'opportunità imperdibile per i sistemi acquedottistici
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INTRODUZIONE
Una smart grid, quindi, rappresenta un sistema fortemente ottimizzato per il trasporto e la distribuzione di energia elettrica, gas e acqua.
Nel settore elettrico, ad esempio, gli eventuali surplus di energia di alcune zone vengono ridistribuiti, in modo dinamico ed in tempo reale (secondo il concetto del Demand Side Management
o DSM), aumentando l’efficienza energetica complessiva del sistema (ad es. regolando il dispacciamento tra centrali di autoproduzione della rete di distribuzione con le centrali della
rete di trasmissione).
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INTRODUZIONE
Una smart grid o smart network realizza una gestione integrata e coordinata di una rete di trasporto/distribuzione energetica (elettricità, gas, calore, acqua) attraverso un flusso bidirezionale di informazioni tra “campo” e “centro di controllo”.
Da un punto di vista tecnologico ed infrastrutturale una smart grid si fonda su:
• un’avanzata infrastruttura di telecomunicazioni tra centro e campo (AMI: Advanced Metering Infrastructure),
• sistemi di misura evoluti ed intelligenti (smart meters).
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INTRODUZIONE
AMI & Smart Meter System
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INTRODUZIONE
AMI & Smart Meter System
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INTRODUZIONE
Smart grid & smart metering
Il concetto di smart grid nasce nel comparto elettrico (in Italia circa nel 2006, con un primato a livello mondiale) come risposta alle mutate esigenze di gestione della rete elettrica nazionale, che deve convivere ed integrarsi con la sempre maggiore presenza sul territorio di generazione distribuita, principalmente legata alla diffusione delle tecnologie di produzione energetica da fonti rinnovabili.
La smart grid nel settore elettrico si fonda sulla disponibilità diffusa di sistemi di misura intelligenti (smart meters) in grado di soddisfare nuovi modelli di gestione della rete elettrica (misura bi‐direzionale di energia).
Più recentemente, il concetto di smart metering diventa una realtà
anche per il settore della distribuzione di gas naturale.
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INTRODUZIONE
Smart Water Networks
Nel mondo dell’acqua, in Italia, il concetto di Smart Water
Networks (SWN) è ancora sostanzialmente inapplicato, tutto da
sviluppare.
Eppure nel settore idrico la generazione distribuita (ovvero la
disponibilità di fonti e sorgenti idriche diffuse sul territorio) esiste
naturalmente da sempre. E’ quindi ancora più evidente ed attuale
l’opportunità di realizzare una piattaforma tecnologica utile per
una gestione intelligente (“illuminata”), per entrare cioè nell’era
del Smart Water Management (gestione integrata ed intelligente
delle risorse idriche), superando il concetto tradizionale di ambito
territoriale (sostanzialmente coincidente con il bacino idrografico),
e guardando a nuovi modelli di governance riferiti a più moderni
ed appropriati ambiti territoriali come quello rappresentato dai
distretti idrografici (l’insieme di più bacini idrografici).
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INTRODUZIONE
Smart Water Network
A livello internazionale invece il concetto di Smart Water
Network viene considerato come una imperdibile opportunità
per lo sviluppo equilibrato socio-economico dei Paesi.
“L’accesso diretto all’acqua potabile nel mondo è solo di 1
individuo su 6, pari a poco più del 16%...!! (*)”.
(*) fonte
http://www.europarl.europa.eu/news/it/headlines/content/20110513STO19335/
html/Una-persona-su-sei-non-ha-libero-accesso-all'acqua-potabile
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INTRODUZIONE
fonte http://www.growingblue.com
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INTRODUZIONE
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INTRODUZIONE
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INTRODUZIONE
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Smart Water Network
I drivers delle smart water networks
La pressione sulle risorse idriche (water stress level) sarà
sempre maggiore in gran parte dei Paesi nel Mondo, per i
seguenti motivi:
¾ cambiamenti climatici (aumento dell’intensità dei fenomeni
estremi , come alluvioni e siccità),
¾ crescita della popolazione mondiale,
¾ crescita dello sviluppo economico e produttivo (incluso la
produzione alimentare ed energetica).
NESSUN PAESE AL MONDO PUO’ RITENERSI AL RIPARO DAL
PROCESSO DI COSTANTE AUMENTO DEL “WATER STRESS
LEVEL”
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Fonte: Vincenzo Ferrara
smart water network
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smart water network
Cosa fare per la disponibilità d’acqua
Gli obiettivi Comunitari (2000/60 CE e 2007/60 CE) sono chiari e
già da tempo individuati:
riduzione dell’inquinamento,
protezione delle risorse idriche,
gestione sostenibile delle risorse idriche (gestione integrata
dell’acqua),
prevenzione delle conseguenze dei cambiamenti climatici.
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smart water network
Le soluzioni
Le soluzioni gestionali:
nuovi assetti organizzativi e nuovi modelli di governance per una
gestione sostenibile delle risorse idriche,
unità geografiche ed idrologiche ottimizzate (raggruppamento di
bacini in distretti),
superamento dei confini politici ed amministrativi (l’acqua è una
risorsa ed un diritto di tutti, non solo di chi la “possiede”):
cooperazione territoriale,
nuova mentalità per gli investimenti: le finalità degli investimenti
devono essere “condivisi” , ovvero guardare in maniera intergrata al
territorio, coordinando gli investimenti degli acquedotti (disponibilità
risorsa idrica) con gli investimenti per la sicurezza idrogeologica.
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smart water network
Le soluzioni
Le soluzioni tecnologiche:
nuove piattaforme tecnologiche nel settore ICT: reti di
telecomunicazione e di telerilevamento sempre più efficienti e
performanti ,
smart metering : sono disponibili sul mercato sensori di misura
intelligenti, elettronici, basati sull’impiego di nuove tecniche di misura
e/o di nuovi materiali,
sistemi di controllo e supervisione da remoto (SCADA), sempre più
moderni, in grado di rendere possibile una gestione e programmazione in
tempo reale,
diffusione pubblica delle informazioni: utilizzare il web per informare la
popolazione, coinvolgere i cittadini, aumentare il senso di partecipazione
e di consapevolezza (modificare i comportamenti le abitudini per il
consumo d’acqua) .
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smart water network
I risultati attesi (20/20/20)
Benefici ottenibili:
migliorare la gestione delle perdite e delle pressioni di rete: porsi
come obiettivo, da raggiungere in tempi ragionevoli, l’abbattimento delle
perdite idriche ben al di sotto della soglia 20%,
gestione automatizzata e da remoto delle operatività: i sistemi
SCADA consentono una razionalizzazione complessiva
(incrementando la produttività), con risparmi fino al 20% dei costi di
personale e di gestione (manutenzione rutinaria),
aumentare l’efficienza energetica e complessiva della distribuzione
idrica (+20%) : solo attraverso una corretta e riferibile compilazione
dei bilanci idrici è possibile intervenire in maniera mirata con
investimenti di risanamento e di razionalizzazione.
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smart water network
Linee guida e
Raccomandazioni
Fonte 2012
http://ec.europa.eu/environment/water/blueprint/
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smart water network
Le raccomandazioni Europee
water efficiency targets: al fine di determinare l’uso ottimale dell’acqua
occorre calcolare correttamente il gap tra la domanda d’acqua (i consumi
ovvero l’acqua prelevata, per i vari usi) e la disponibilità della risorsa (l’acqua
immessa in rete),
il ruolo delle misurazioni è cruciale: solo attraverso l’impiego
diffuso e capillare di adeguata strumentazione di misura e controllo è
possibile realizzare lo smart metering, pre-requisito essenziale per le
smart water grid,
gli investimenti vanno pianificati sulla base delle reali esigenze di
risanamento della rete: senza misurazioni affidabili non si massimizzano
neanche i benefici degli investimenti.
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smart water network
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UTENZE RESIDENZIALI
innovazione
Voip
Phone
high
Telefonia
medium
Smart
Phone
versione “antigelo”
(quadrante
completamente
protetto)
Contatori idrici
Q <16m3/h
versione in
composito
low
1913
1915
2013
tempo
smart water network
Le misurazioni dell’acqua
Nel corso dei decenni (dai primi anni del XX secolo), i contatori d’acqua sono sostanzialmente basati su un’unica tecnica di misura: quella dinamica (misuratori meccanici a turbina o a pistoni).
Il progetto meccanico nel corso del tempo è stato leggermente modificato (piccoli miglioramenti). Le più
rilevanti migliorie forse sono attinenti all’impiego di materiali “innovativi”:
• i componenti interni sono stati prodotti con materiali plastici di sempre miglior qualità ( sempre più leggeri ed economici),
• recentemente viene introdotto l’uso di materiali compositi.
Totalizador
nvoltura del totalizador
Turbina
ámara de distribución
ornillo de regulación
Filtro
Cuerpo del
contador
Filtro
“esploso” di un contatore idrico a getto multiplo
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smart water network
Composite Water Meters
Recentemente, sono stati introdotti sul mercato contatori idrici volumetrici (a pistone rotante) in materiale composito: in questi modelli scompare totalmente quindi il materiale metallico. Il Costruttore (Senus) dichiara che la “leggerezza” degli equipaggi mobili (dall’alberino della girante in poi) migliora alcune prestazioni:
• recenti determinazioni della risoluzione USA ”Changes to the Reduction of Lead in Drinking
Water Act” (in vigore il 4 gennaio 2014), riducono il tasso ammissibile di piombo (zinco e metalli pesanti disciolti) nei contatori idrici di acqua potabile (consumo umano) dall’8.0% al 0.25%. I misuratori in composito sono tecnicamente 'no lead' (zero‐lead.), ovvero 0.00% di piombo. • resistenza (anche a pressioni elevate), affidabilità, buona sensibilità alla basse portate: il valore dichiarato dal Costruttore è dell’ordine di 1‐3 l/h (circa 10 volte inferiore al valore tipico della Qmin); vengono realizzati prevalentemente in classe C;
• migliore impatto ambientale (eco‐meters): si riduce il quantitativo di materiale con cui viene realizzato il contatore (minore materiale da smaltire alla cessazione del servizio);
• efficiente trasmissione magnetica (verso il totalizzatore).
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smart water network
Composite Water Meters
Esempi di contatori idrici (volumetrici) in composito (fonte: Sensus)
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smart water network
Invecchiamento dei contatori meccanici
E’ stato ampiamente riscontrato sperimentalmente (molti studi sono disponibili in letteratura tecnica) che nel tempo l’usura (unitamente all’azione dell’acqua) PRODUCE SUI CUSCINETTI UN SENSIBILE INCREMENTO DELLA COPPIA RESISTENTE. Ne consegue che nei dintorni della portata minima (Qmin) il contatore a turbina risente di questo maggiore attrito alla rotazione per cui la girante, a parità di portata, risulta come “frenata” rispetto al comportamento del contatore a nuovo.
6
Clase C
Clase B
Clase A
.
4
2
0
Error (%)
E’ ben noto che i contatori
a turbina invecchiando
tendono a fornire misure
sottostimate, ovvero con
rimarchevoli errori negativi
-2
-4
-6
Esempio di una tipica curva di errore per contatore nuovo: notare gli errori nei dintorni della Qmin (fonte: Instituto Tecnológico del Agua. Organismo Público Valenciano de Investigación‐ Universidad Politécnica de Valencia.)
Qmin Clase A
Qmin Clase C
-8
Qmin Clase B
-10
-12
1
10
100
1000
10000
Caudal (l/hora)
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smart water network
Esempio di curva di errore medio: risultati di un test condotto su 191 contatori idrici (quadrante bagnato classe B), di età media compresa tra 3 e 40 anni, a quadrante bagnato di classe B (fonte Laboratorio Nazionale di Taratura Contatori Acqua, Camera di Commercio di Asti, Centro di Taratura Accredia (ex SIT) LAT 175, dott. L. Zotti).
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smart water network
Esempio di curva di errore medio: risultati di un test condotto su 120 contatori idrici (getto unico, classe B), di età media compresa tra 3 e 20 anni, a quadrante bagnato di classe B (fonte Laboratorio Nazionale di Taratura Contatori Acqua, Camera di Commercio di Asti, Centro di Taratura Accredia (ex SIT) LAT 175, dott. L. Zotti).
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smart water network
Esempio di curva di errore medio: risultati di un test condotto su 100 contatori idrici obsoleti (fonte studio condotto dall’Acquedotto Pugliese, ing. G. Mazzolani, in collaborazione con il Laboratorio Nazionale di Taratura Contatori Acqua, Camera di Commercio di Asti, Centro di Taratura Accredia (ex SIT) LAT 175, dott. L. Zotti)
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smart water network
Vita media di un contatore idrico meccanico
In
Italia, ad oggi, ancora non è stata introdotta la “validità
temporale del bollo metrico”, ovvero non è definita la “vita
media utile” (mean lifetime) di un contatore idrico (meccanico).
Indagini sperimentali in laboratori metrologici (nazionali ed
internazionali), supportati da studi teorici sul modello di
“performance degradation”, indicano come sostenibili
intervalli temporali compresi tra 12 e 15 anni.
Sarebbe auspicabile incoraggiare l’impiego di tecnologie
di misura basate su un principio fisico statico (ad
esempio: misuratori magnetici, ad ultrasuoni, ad oscillazione
fluidica).
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smart water network
Vita media di un contatore idrico meccanico
E’ ormai opinione diffusa che i contatori idrici, dopo un periodo di esercizio compreso tra i 10 e i 15 anni, mostrino errori di sottoconteggio molto vistosi (acqua non contabilizzata compresa tra il 10% ed il 20%), per cui se ne consiglia la sostituzione (ammodernamento del parco contatori installati).
I vantaggi conseguenti ad avere un parco contatori “adeguato”
(eliminando i contatori obsoleti):
• recupero volume d’acqua misurato (mediamente intorno al 15%),
• riduzione della stima delle perdite idriche (apparenti), ovvero dell’Acqua Non Contabilizzata,
• recupero perdite amministrative dovute al sottoconteggio (aumento del cash‐flow).
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smart water network
Misuratori idrici statici
Esiste la possibilità di misurare l’acqua attraverso sensori di misura “innovativi” basati su
un principio fisico di tipo statico (senza parti in movimento):
• misuratori magnetici
• misuratori ad ultrasuoni
• ( misuratori fluidodinamici, solo per piccoli calibri)
Sono tecnologie di misura ormai ampiamente sperimentate, mature e consolidate (normate).
Alcuni vantaggi:
• notevole sensibilità ai flussi minimi (Qmin),
• mantenimento prestazionale nel tempo in assenza di attrito (affidabilità di misura),
• insensibilità alle condizioni climatiche esterne (anche in caso di gelo),
• misura bi-direzionale,
• misura del volume netto totalizzato e della portata istantanea (district metering),
• natura elettronica del sensore (già predisposto per funzioni di diagnostica, data-logging e
telelettura): trattasi di uno smart meter (o contatore elettronico)!
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smart water network
Misuratori magnetici (statici)
ad inserzione
a batteria
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smart water network
Misuratori ad ultrasuoni (statici)
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smart water network
Contatori idrici (statici) di piccola taglia
Contatori idrici ad ultrasuoni, derivanti dall’esperienza sviluppata per i CET (contatori di calore)
Contatore idrico
statico
elettromagnetico
per uso residenziale
(fonte Sensus, mod.
iPERL)
Contatore idrico ad oscillazione fluidica (effetto
Coanda) [fluidic oscillation water meter, [fonte
Elster]
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smart water network
Le nuove competenze di AEEG in materia di acqua
Il cosiddetto “Decreto Salva-Italia” (D.L. n.201/2011 convertito in Legge
n.214/2011) dispone -all’art. 21 comma 19 e 20- la soppressione dell’Agenzia
Nazionale per la regolazione e la vigilanza in materia di acqua (unitamente alla
CNVRI: Commissione Nazionale Vigilanza Risorse Idriche) ed il passaggio delle
competenze all’Autorità per l’Energia Elettrica e per il Gas (AEEG) attraverso
l’istituzione di 2 Uffici Speciali:
• Ufficio Speciale ASSETTI SERVIZI IDRICI (ASI)
• Ufficio Speciale TARIFFE E QUALITA’ SERVIZI IDRICI (TQI)
E’ auspicabile che una volta completato questo trasferimento di
competenze, l’AEEG possa promuovere e favorire lo sviluppo e
l’innovazione tecnologica anche nel settore idrico, in analogia con le
iniziative e le attività già svolte in materia di “metering” nel settore
elettrico ed in quello del gas.
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smart water network
Le nuove competenze di AEEG in materia di acqua
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smart water network
CONCLUSIONI
• Dopo oltre 100 anni dall’introduzione dei primi e pionieristici misuratori idrici
di tipo meccanico, i tempi appaiono decisamente maturi per introdurre
anche nel settore idrico le “innovative” tecniche di misura di tipo
statico (svecchiamento del parco contatori nazionale).
• E’ necessario avviare una ricognizione sullo stato attuale
(inadeguatezza) dei misuratori idrici (sia nell’adduzione che nella
distribuzione, nelle utenze commerciali/industriali ed in quelle residenziali).
• Occorre adeguare la produzione di “linee guida”, “regolamenti” e
“norme tecniche” nel settore del servizio idrico integrato. Occorre
porre le premesse concrete per aumentare l’efficienza nei sistemi idrici e per
ridurre i consumi energetici (e le perdite).
• L’auspicio, a livello di Sistema Paese, è quello di vedere anche nel mondo
dell’acqua, in tempi ragionevoli, quel necessario cambio di mentalità ed il
necessario ammodernamento tecnologico e prestazionale dei sistemi
distributivi (come nell’elettricità e nel gas).
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