Gestione ottimale dell’impianto di sollevamento a servizio del serbatoio di compenso della rete di distribuzione idrica di Castelfranco Emilia (MO)

I costi energetici legati al pompaggio dell’acqua nei sistemi di distribuzione idrica rappresentano una percentuale importante del costo gestionale dei sistemi stessi. Per questo motivo, quando nei sistemi di distribuzione idrica sono presenti serbatoi di compenso e le tariffe energetiche sono variabili nel tempo (ad esempio nell’arco della giornata), un significativo contenimento dei costi può essere perseguito mediante un’opportuna gestione nel tempo del funzionamento degli impianti di sollevamento che alimentano i serbatoi. A tal fine, si considerano generalmente due approcci¹, ovvero (a) la pianificazione nel tempo dell’accensione e spegnimento delle pompe e (b) il controllo dell’accensione e dello spegnimento delle pompe in base a un prefissato livello all’interno del serbatoio. Il primo approccio consente generalmente di ottenere un ottimo accordo tra le fasi di ricarica e svuotamento del serbatoio e le fasce orarie a basso e alto costo dell’energia elettrica, garantendo il riempimento del serbatoio nelle fasce orarie a basso costo e lo svuotamento in quelle ad elevato costo; necessita tuttavia, per poter essere applicato, di una previsione dei consumi idrici sulla finestra temporale oggetto di pianificazione² e l’applicazione di algoritmi di ottimizzazione per individuare quotidianamente la pianificazione temporale ottimale³. Nel secondo caso, invece, essendo l’accensione e lo spegnimento delle pompe definito semplicemente sulla base del raggiungimento di un prefissato livello idrico all’interno del serbatoio, non è necessaria alcuna previsione e ottimizzazione; per contro, questo secondo approccio può comportare nel tempo, al variare dei consumi, uno sfasamento tra le fasi di ricarica e svuotamento del serbatoio e le fasce orarie a basso ed alto costo dell’energia elettrica, con conseguente riduzione dei benefici economici.

In questo studio si considera un approccio alternativo e lo si confronta con i precedenti due evidenziandone vantaggi e svantaggi.  Tale approccio consiste in un controllo delle pompe definito, come nel caso (b), sul livello idrico all’interno del serbatoio, ma in cui l’accensione e lo spegnimento delle pompe avviene a livelli soglia variabili nell’arco del tempo secondo un prefissato andamento, così come illustrato in Figura 1. Nell’esempio riportato, a fronte di un’ipotetica tariffa bioraria dell’energia elettrica con elevati costi nella fascia diurna compresa tra le 7 di mattina e le 7 di sera, si impone che il livello di attacco della pompa (curva rossa) cresca nelle ore notturne fino ad un massimo in corrispondenza delle 7 di mattina; viceversa si impone che il livello di stacco della pompa (curva blu) decresca nelle ore ad alto costo energetico fino ad un minimo in corrispondenza delle 7 di sera.  In questo modo si vincola il sistema a garantire grandi e piccoli volumi accumulati al termine delle fasce orarie rispettivamente a basso e alto costo. La forma delle curve che rappresentano l’andamento nel tempo dei livelli di attacco e stacco della pompa, (vedi ad esempio le curve a), b) e c) di Figura 1), nonché i livelli massimi e minimi in corrispondenza del termine delle fasce orarie a basso e alto costo energetico, evidenziati con freccette nere in Figura 1, sono definiti in modo tale da minimizzare i costi nel rispetto del vincolo sul numero massimo di attacchi e stacchi della pompa.

I tre approcci sono applicati a un caso reale costituito dall’impianto di sollevamento che alimenta il serbatoio pensile di testata al servizio della rete di distribuzione idrica di Castelfranco Emilia. I risultati ottenuti evidenziano l’efficacia del terzo approccio, che consente un contenimento dei costi di gestione comparabile all’approccio (a), e nettamente migliore di quello dell’approccio (b), ma senza necessitare di alcuna previsione dei consumi idrici e l’applicazione di algoritmi di ottimizzazione per individuare quotidianamente la pianificazione temporale ottimale.

Figura 1. Esempio di sistema di controllo di una pompa definito sulla base livello idrico all’ interno del serbatoio assumendo che l’accensione e lo spegnimento avvenga a livelli di attacco e stacco variabili nell’arco del tempo secondo un prefissato andamento.

Bibliografia essenziale

1. Giustolisi O., Laucelli D. and Berardi L. (2013), Operational optimization: water losses versus energy costs. Journal of Hydraulic Engineering, 139(4), 410-423.
2. Alvisi S., Franchini M. and Marinelli  A.  (2007), A short-term pattern-based water demand forecasting model, Journal of Hydroinformatics, 9(1), 39-50.
3. Giacomello C., Kapelan Z. and Nicolini M. (2013) Fast hybrid optimization method for effective pump scheduling, Journal of water resource planning and management, 139(2), 175-183.