ACQUEDOTTI CON ELEVATE CAPACITA'
DI COMPENSAZIONE DELLE PORTATE E DI ACCUMULO ENERGETICO
1)
PREMESSA
Uno degli interventi basilari
che in un futuro sempre più prossimo dovrà essere
sistematicamente adottato per la risoluzione dei problemi legati
all'approvvigionamento idropotabile, riguarda senza dubbio la
costruzione di capaci serbatoi di accumulo atti ad effettuare
la compensazione delle portate per periodi ben più lunghi
di quelli giornalieri comunemente in atto. Si deve notare come,
in una annata tipo, i periodi di consumo molto elevato sono statisticamente
in numero limitato e quindi il modo più razionale per farvi
fronte è proprio quello dell'accumulo delle eccedenze di
portata operate nei giorni di basso consumo per renderle disponibili
durante i successivi di grande richiesta e statisticamente di
breve durata. Tale circostanza, se da un lato risolve un problema
della massima importanza, dall'altro fa rilevare un grave difetto
proprio dei sistemi acquedottistici e cioè un pieno uso
delle strutture molto limitato nel tempo mentre per la stragrande
maggioranza esse restano sottoutilizzate. Se poi si considerano
le usuali modalità di progettazione degli acquedotti che
impongono di dimensionarli in funzione del consumo massimo dell'ora
di punta e per di più maggiorato, per ulteriore garanzia,
di un buon 50% si arriva alla constatazione che i servizi idropotabili
presentano di solito elevatissimi costi di costruzione ma una
utilizzazione effettivamente molto scarsa che incide notevolmente
nei costi di esercizio.
Lo scopo di questa nota è dimostrare come sia possibile
costruire acquedotti che svolgono al meglio il loro compito 24
ore al giorno per 365 giorni all'anno, potendo disporre di due
diversi regimi di esercizio: il primo che, impiegando interamente
ed a soli fini acquedottistici tutte le risorse disponibili, fa
fronte ai brevi periodi di consumo elevato, il secondo che le
utilizza, durante tutto il tempo restante, in parte per alimentare
l'utenza ed in parte per produrre energia elettrica. Se ne ricava
un impiego costantemente razionale ed economicamente valido dei
complessi e costosi impianti.
2) LA SOLUZIONE PROPOSTA
Il problema in argomento può
essere ricondotto alla modalità di risoluzione dell'accumulo
dell'energia eccedente il fabbisogno del momento allo scopo di
poterla utilizzare nei successivi periodi di grande fabbisogno
energetico. I dispositivi atti allo scopo e di cui è nota
l'esistenza, sono costituiti soltanto dagli accumulatori elettrici
che hanno però il grave difetto di una potenza molto limitata
e dagli impianti idroelettrici reversibili basati su un doppio
uso e cioè produrre energia elettrica di giorno e pompaggio
d'acqua dal serbatoio inferiore a quello superiore sfruttando
i cascami di energia elettrica durante la notte o durante i periodi
di sovrabbondanza energetica. In questi ultimi tempi si sta pensando,
con gli stessi scopi, all'impiego dell'idrogeno. Altre modalità
in corso di sperimentazione concernono lo stoccaggio di di aria
compressa a pressioni elevatissime ma trovano ostacolo nel riscaldamento
che ne deriva e che provoca rilevanti dispersioni energetiche.
Gli esempi sono comunque molto pochi e si può considerare
ancora inesistente un valido metodo di accumulo energetico.
La soluzione che viene qui proposta è basata sull'impiego
di un capace serbatoio idropneumatico atto allo stoccaggio di
acqua in pressione durante i periodi in cui si rende disponibile
energia elettrica a bassi costi.
FIGURA 1 SCHEMA IDRAULICO
Lo schema idrico del sistema,
riportato nella fig. 1 allegata comprende:
- un serbatoio di accumulo di tipo tradizionale, avente una capacità
pari almeno al 50% del consumo totale previsto per il giorno di
massimo consumo, posto all'arrivo dell'adduzione e nel quale pescano
tutte le pompe di sollevamento. Nulla vieta l'adozione di serbatoi
di maggiore capacità con cui poter effettuare la compensazione
multi giornaliera od addirittura multi settimanale ottenendo,
sia ai fini acquedottistici e sia a quelli idroelettrici, risultati
ancora più eclatanti di quelli di cui si parla in dettaglio
nella presente nota e di cui si è fatto cenno nell'introduzione;
- l'impianto di pompaggio con immissione in rete per alimentarla
in diretta tramite pompa a velocità variabile asservita
alle pressioni anch'esse variabili che di ora in ora bisogna mantenere
in rete;
- un secondo impianto di pompaggio per l'alimentazione del serbatoio
idropneumatico tramite una serie di pompe a velocità fissa
a funzionamento pulsante ma con diversificate pressioni di mandata,
oppure tramite pompe a velocità variabile atte a coprire
tutta la gamma di sollevamento di cui si discute;
- il collegamento diretto tra serbatoio tradizionale e serbatoio
idropneumatico tramite condotta di collegamento munita di apparecchiatura
di intercettazione servo comandata;
- l'impianto per la produzione di energia elettrica tramite una
serie di turbine alternatori funzionanti a velocità e potenza
variabili atte a sfruttare l'esistente carico idraulico tra i
due serbatoi anch'esso variabile ;
- un serbatoio idropneumatico di cubatura identica a quello tradizionale
prima citato ed in grado di accogliere l'acqua con una pressione
variabile in funzione del momento ma che può arrivare anche
a 100 m ed oltre di colonna d'acqua.
Il concetto di base della soluzione proposta è dato dalla
presenza dei due serbatoi funzionanti il primo alla pressione
atmosferica ed il secondo a pressione maggiorata ad arte e quindi
dalla possibilità che tutta l'acqua in arrivo durante la
notte, ed in pratica per tutto il periodo in cui si può
disporre di energia elettrica a basso costo, possa essere pompata
nel serbatoio idropneumatico onde poterla sfruttare durante periodi
successivi con il duplice scopo di alimentare l'utenza ed al tempo
stesso di produrre energia elettrica preziosa. Come detto anche
l'acqua utilizzata per produrre energia elettrica viene restituita
nel serbatoio tradizionale dove torna ad essere disponibile per
l'alimentazione dell'utenza.
Sono previste due strutture innovative come il serbatoio idropneumatico
e la turbina/alternatore funzionante a velocità variabile
le cui caratteristiche principali possono essere riepilogate come
segue.
1) Il serbatoio idropneumatico.
Si tratta di una struttura del tutto simile alle autoclavi normalmente
utilizzate per aumentare la pressione di esercizio delle piccole
reti acqedottistiche con la sola differenza delle dimensioni che,
in questo caso, sono molto maggiori. In sostanza è un grande
contenitore a tenuta ermetica che accumula acqua nella parte inferiore
ed aria compressa superiormente. Ciò gli consente di svolgere
le stesse funzioni di un serbatoio sopraelevato ma con il vantaggio
di poter variare a piacere la pressione di uscita dell'acqua.
Nel caso specifico è in grado di contenere grandi volumi
d'acqua ad una pressione tanto maggiore quanto più alta
è la potenza disponibile per il pompaggio di immissione.
È munito di compressore per realizzare una volta tanto
il cuscinetto d'aria e le valvole di scarico dell'aria stessa.
Maggiori delucidazione del serbatoio idropneumatico possono leggersi
nell'omonimo articolo presente nel sito e direttamente: http://www.altratecnica.it/indicemiscellaneanuova/indiceacquedotti/serbidr_sett2003.html
2) La turbina-alternatore.
Si tratta di una serie di macchine in grado di funzionare a portata
e pressione diversificate producendo energia elettrica in quantità
variabile in funzione dei volumi e delle pressioni che si rendono
via via disponibili ma avente tutte le caratteristiche per poter
essere accolta dalla rete Enel. Gli alternatori dovranno quindi
possedere organi di regolazione dell'eccitazione che gli consentano
di funzionare a velocità diversificate in funzione dei
salti utili disponibili ma con buoni rendimenti ed inoltre possedere
un sistema di inverter atti a stabilizzare la frequenza della
corrente prodotta.
Il funzionamento normale sarà il seguente.
Nei periodi di grandi consumi tutti gli impianti devono essere
adibiti alla funzione specifica dell'acquedotto e cioè
all'alimentazione idropotabile dell'utenza. A tale scopo i due
serbatoi funzioneranno in parallelo ed ambedue a pressione atmosferica
essendo aperte le condotte di collegamento e le valvole dell'aria.
Essi contribuiranno pertanto con il loro intero volume di invaso
alla compensazione delle portate consentendo di far fronte ai
picchi di richiesta dell'utenza grazie alla loro notevole capacità.
Nel caso si sia scelta la soluzione di grande capacità
si potrà dar luogo alla compensaziine settimanale o addirittura
a quella quindicinale con tutti i vantaggi che ne derivano.
Terminato il periodo critico il serbatoio idropneumatico inizierà
a svolgere la sua azione e saranno pertanto chiuse le valvole
di collegamento con l'altro serbatoio e le valvole di scarico
dell'aria mentre sarà ripristinato, con i compressori,
il cuscinetto d'aria compressa e si darà inizio all'accumulo
dell'acqua in arrivo in due diversi modi e cioè nel serbatoio
idropneumatico ogni qualvolta si rende disponibile energia elettrica
a basso costo come ad esempio durante la notte, oppure nell'altro
serbatoio di tipo tradizionale negli altri casi.
La rete acquedottistica viene alimentata da una pompa a velocità
variabile che pesca dal serbatoio tradizionale ed immette l'acqua
direttamente in rete a pressione variabile in funzione delle richieste
dell'utenza e quindi elevata di giorno quando esse sono massime
e bassa di notte e nei periodi di basso consumo. Durante il giorno
ed in genere quando la corrente elettrica è a costo maggiorato,
entrano in funzione le turbine che producono corrente elettrica
preziosa sfruttando l'acqua in pressione del serbatoio idropneumatico
e che viene scaricata nel serbatoio tradizionale onde renderla
disponibile per l'utenza.
A sua volta quest'ultimo serbatoio svolge un duplice ruolo potendo
sia rifornire la rete seguendone a puntino le richieste oppure
rifornire il serbatoio idropneumatico.
Interessante far notare la grande capacità di accumulo
totale d'acqua dato dalla presenza dei due serbatoi ambedue in
grado, tutte le volte che si presenta la necessità, di
far pervenire in rete tutto il volume invasato in precedenza.
Ed ecco la descrizione di una
normale giornata di funzionamento rappresentata nel grafico della
fig. 2 e nella tabella allegati.
Durante la precedente notte tutta
l'acqua in arrivo nel serbatoio tradizionale e quella accumulata
in precedenza sono state pompate a pressione elevata nel serbatoio
idropneumatico fatta eccezione per la piccola parte che è
servita per alimentare in diretta l'utenza. Il sollevamento ha
avuto luogo tramite la serie di pompe a giri fissi con funzionamento
pulsante oppure, a seconda dell'installazione fatta, da pompe
a velocità variabile, onde adeguare portata sollevata e
la pressione alle condizioni del momento.
Al mattino (ore 5 nell'esempio) il serbatoio tradizionale è
quasi vuoto mentre l'altro è al massimo invaso. Quando
iniziano ad aumentare i consumi dell'utenza (ore 7) il serbatoio
idropnematico comincia a svuotarsi per alimentare le turbine che
producono corrente elettrica. Nel serbatoio tradizionale entra
sia l'acqua dell'adduzione e sia quella scaricata dalle turbine
e quindi c'è la disponibilità massima per l' alimentazione
dell'utenza nel mentre l'acqua in esubero rispetto ai consumi
è immagazzinata nel serbatoio tradizionale stesso. Alle
ore 17 il serbatoio idropneumatico è vuoto ed ha termine
la produzione di energia elettrica. La notte successiva il ciclo
si ripete con riempimento del serbatoio idropneumatico ed alimentazione
in diretta della rete a bassa pressione.
Da notare come la notevole capacità
di invaso dei due serbatoi consenta di utilizzare al meglio gli
impianti di produzione idroelettrica potendo nelle ore notturne
immettere nel serbatoio idropneumatico non solo la portata in
arrivo dall'adduzione ma anche quella accumulata in precedenza
nel serbatoio tradizionale. Ciò sarà meglio comprensibile
esaminando il grafico ed i dati dell'esempio di una giornata tipo.
FIGURA 2 = GRAFICO DI
FUNZIONAMWENTO DELLA GIORNATA TIPO
Resta da definire la pressione
di fu
nzionamento
del serbatoio idropneumatico per la quale sussiste un buon grado
di libertà per cui si può impostare il regime che
meglio si adatta alle condizioni del momento. Infatti il funzionamento
di tale struttura segue la regola di "Mariotte" rappresentata
nel grafico a lato dove sono rappresentate le variazioni delle
percentuali di riempimento in funzione della pressione. Sono tracciate
in linea continua 6 diverse curve di esercizio che sono funzione
dalla pressione iniziale dell'aria compressa immessa dai compressori.
Ad esempio se si adotta la curva n. 2 è necessario all'inizio
(ed una volta soltanto) immettere aria compressa a due bar il
che significa appunto una pressione di due bar a serbatoio vuoto.
Tramite pompaggio si otterrà un riempimento del 20% del
volume totale del serbatoio con una pressione di 2.5 bar, del
50% con 4. Il limite massimo corrisponde ad un 80% di riempimento
del serbatoio con 10 bar di pressione. La stessa pressione descritta
si rende poi disponibile per il funzionamento delle turbine, ovviamente
fatte salve le perdite di rendimento dell'insieme. Qualora si
volesse operare a maggior pressione occorre scegliere una curva
di valore più elevato come ad esempio la curva n.3. Si
ritiene però consigliabile di contenere la pressione massima
al valore di 10 bar per facilitare la regolazione delle turbine
ed inoltre per contenere il riscaldamento-raffreddamento del cuscino
d'aria durante le fasi di compressione-decompresione.
Nell'applicazione descritta si
verificano variazioni di temperatura del cuscino d'aria temperatura
che tende ad aumentare durante la compressione ed a diminuire
in caso contrario. Si tratta degli stessi problemi che si sono
incontrati nella ricerca di realizzare una modalità di
accumulo di energia del tutto simile a quella qui presentata con
la sostanziale differenza dell'impiego di aria compressa immagazzinata
a pressioni elevatissime (fino a 500 bar), problemi che, in quegli
esperimenti, si è tentato di superare immagazzinando il
calore prodotto in speciali piastre metalliche ad alto assorbimento
calorico ma che alla fine hanno decretato il fallimento di tale
tecnica di accumulo energetico . Si ritiene che il problema non
sussista nella soluzione quì proposta perché in
questo caso il calore prodotto è modesto sia perché
la variazioni di pressione in serbatoio è molto lenta sia
perché è di valore molto piccolo. Nell'esempio riportato
si passa da 2 a 10 bar in cinque ore durante le quali tutto il
maggior calore dell'aria viene assorbito dal grande volume d'acqua
che vi si trova a contatto e che pertanto aumenterà leggermente
di temperatura. Il fenomeno contrario avrà luogo durante
la successiva fase attiva di produzione energetica con decompressione
dell'aria che avrà ben 10 ore a disposizione. Il cuscinetto
d'aria, grazie al passaggio da 10 a 2 bar, si raffredderà
facendo ritornare fresca anche l'acqua con cui è a contatto
e che riprenderà la temperatura originale, fatte salve
piccole perdite energetiche di valore del tutto trascurabile.
3) CONCLUSIONI
Si è descritto un sistema
idrico atto a realizzare in primo luogo una notevole compensazione
delle portate degli acquedotti e cioè di immagazzinare
il surplus di portata caratteristica peculiare di certi periodi
per restituirlo successivamente al verificarsi di richieste eccezionalmente
elevate. Trova così compimento una operazione che, potendo
riguardare perfino la compensazione quindicinale o addirittura
mensile delle portate, rappresenta un risultato importantissimo
nella gestione dei moderni acquedotti assillati da una carenza
delle fonti sempre più sentita e difficile da colmare.
Il secondo scopo che si raggiunge è la piena utilizzazione
di opere come quelle necessarie per l'accumulo di ingenti volumi
idrici le quali in un regime acquedottistico normale rimarrebbero
sottoutilizzate per lunghi periodi. Con le opere proposte si approfitta
della notevole disponibilità di invaso per lunghi periodi
per produrre energia elettrica preziosa in quanto prodotta nelle
ore diurne di maggior pregio.
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