A cura del Dipartimento Ricerca, Innovazione e Sviluppo di ACCIONA divisione Agua
Gli impianti di trattamento delle acque reflue richiedono un consumo significativo di energia e di reagenti chimici per il loro corretto funzionamento. L’efficacia e l’efficienza dei processi depurativi dipendono da variazioni esterne al processo, come le condizioni meteorologiche (ad esempio, piogge o temporali), variazioni improvvise o stagionali della portata e/o del carico inquinante, eventi biologici imprevedibili, che possono portare ad un decadimento del processo, a volte irreversibile, compromettendo il funzionamento dell’impianto nel suo complesso, con ricadute sul corpo idrico recettore e sull’ambiente circostante.
L’ottimizzazione del funzionamento degli impianti di trattamento è essenziale non solo per raggiungere gli obiettivi ambientali prefissati, tutelando l’ambiente, ma anche per ridurre i costi operativi, pur mantenendo la stabilità/sicurezza del processo. Nell’ottica di una maggiore sostenibilità e del rispetto dei 17 obiettivi dell’Agenda 2030 per lo sviluppo sostenibile, ed in considerazione degli elevati prezzi dell’energia elettrica e correlato aumento dei costi dei reagenti chimici utilizzati nel processo, questo progetto avviato da Acciona, così come gli altri 20 progetti di ricerca e sviluppo che il Dipartimento I+D+i ha ad oggi attivi, risulta di fondamentale importanza.
Grazie alla rivoluzione introdotta negli ultimi anni con l’Industria 4.0, che ha lo scopo di orientare le industrie verso una produzione automatizzata e interconnessa, le nuove tecnologie digitali hanno un impatto profondo nell’ambito di quattro direttrici di sviluppo. La prima riguarda l’utilizzo dei dati, la potenza di calcolo e la connettività, e si declina in big data, open data, Internet of Things, machine-to-machine e cloud computing per la centralizzazione delle informazioni e la loro conservazione.
La seconda è quella degli analytics: una volta raccolti i dati, bisogna ricavarne valore. Oggi solo l’1% dei dati raccolti viene utilizzato dalle industrie, che invece potrebbero ottenere vantaggi a partire dal “machine learning”, cioè dalle macchine che perfezionano la loro resa “imparando” dai dati raccolti e analizzati. La terza direttrice di sviluppo è l’interazione tra uomo e macchina, che coinvolge le interfacce “touch”, sempre più diffuse, e la realtà aumentata.
Infine, c’è tutto il settore che si occupa del passaggio dal digitale al “reale”, che comprende la manifattura additiva, la stampa 3D, la robotica, le comunicazioni, le interazioni machine-to-machine e le nuove tecnologie per immagazzinare e utilizzare l’energia in modo mirato, razionalizzando i costi e ottimizzando le prestazioni. I Gemelli Digitali, divenuti molto popolari negli ultimi anni, soprattutto post pandemia, costituiscono un potente strumento non solo per cambiare le strategie di gestione degli impianti di trattamento, ma anche per modificare le metodologie e tecniche di progettazione dei processi di ogni tipo.
La definizione di Digital Twin (Gemello Digitale) è molto controversa, ma nel suo significato più ampio, è una rappresentazione virtuale di un ambiente fisico, che, indipendentemente dal linguaggio in cui sia realizzato, deve soddisfare le seguenti condizioni:
Oltre all’implementazione ed utilizzo dei Gemelli digitali, esistono altre tecnologie che possono contribuire all’ottimizzazione del funzionamento negli impianti di depurazione, attualmente oggetto di sperimentazione da parte di Acciona, come il controllo predittivo basato su modelli (Model Predictive Control), che impiega approcci di controllo avanzati e proattivi, studiati appositamente per i Gemelli digitali.
Mentre le soluzioni di controllo classico, basate su loop di controllo come PI/PID, al giorno d’oggi ampiamente utilizzate nel controllo del processo degli impianti di depurazione, presentano notevoli criticità a gestire il comportamento dinamico del refluo in ingresso, gli eventi anomali, i cambi repentini del processo di depurazione, le soluzioni basate su modello predittivo hanno dimostrato di essere estremamente reattive e più efficaci.
Purtroppo, tali soluzioni MPC, non sono largamente utilizzate nel settore idrico, a causa di vincoli tecnologici, dell’elevato costo di alcune componenti (sensori di ultima generazione, potenza di calcolo dei PLC e/o DCS, ecc.), della difficoltà di implementazione rispetto ai tradizionali processi di controllo, della scarsa conoscenza dei metodi di progettazione ed implementazione degli stessi, ed infine della riluttanza al cambiamento. In tal senso Acciona, già da oltre un decennio, ha investito risorse ed oggi dispone di un’ampia casistica di progetti già realizzati.
I modelli deterministici e meccanicistici, nonostante un notevole sviluppo degli ultimi anni, non si sono ancora dimostrati efficaci nel prevedere eventi microbiologici, causa dei principali problemi della separazione dei solidi negli impianti di depurazione (ad esempio schiume biologiche, bulking filamentoso o fenomeni di rottura dei flocculi di fango) o le emissioni di gas serra (GHG), come l’N2O, a causa della complessità intrinseca dei processi microbiologici alla base degli impianti di depurazione a fanghi attivi.
Tali processi normalmente si comportano in modo dinamico nel tempo; le loro strategie di gestione implicano interazioni tra diversi aspetti, ad esempio la cinetica, la catalisi, i fenomeni di trasporto, ecc., richiedendo l’impiego di ragionamento e dell’esperienza acquisita per essere risolti. Tuttavia, i modelli euristici che integrano i modelli numerici ed i sistemi basati sulla conoscenza pregressa hanno mostrato risultati promettenti in letteratura. I sistemi basati sulla conoscenza pregressa (Knowledge-Based Systems o KBS) ed quelli di ragionamento basati sui casi (Case-Based Reasoning Systems o CBRS) sono alcuni di questi esempi. Questi sistemi possono essere utilizzati come supporto alle decisioni per la gestione degli impianti di depurazione al fine di ottimizzare i processi e prevedere le deviazioni, così da prevenire questi episodi.
Attualmente per la simulazione dei processi biologici negli impianti di trattamento acque reflue è ampiamente utilizzato il modello a fanghi attivi, nome generico per un gruppo di metodi matematici per modellare i sistemi a fanghi attivi (Activated Sludge Model o ASM), che dalla sua prima introduzione nel 1987 (modello ASM 1) ha subito continue implementazioni.
Allo stesso tempo, i modelli di fluidodinamica computazionale (Computational Fluid Dynamics o CFD), complessi e dettagliati per la simulazione delle unità di processo degli impianti, sono oggigiorno sempre più utilizzati, grazie ai progressi tecnologici susseguitisi negli ultimi anni, nel campo della modellazione dei processi multifase.
Le simulazioni ottenute grazie a tali modelli possono fornire utili previsioni sull’evoluzione della dinamica dei fluidi e sui principali fenomeni di trasferimento delle specie caratteristiche del processo biologico. Nonostante l’impiego combinato di modelli CFD e ASM sia ancora poco utilizzato, numerose sperimentazioni hanno dimostrato un notevole potenziale per lo studio dei fenomeni chimici e biologici di questi processi. Tuttavia, l’elevata potenza di calcolo necessaria per una corretta implementazione dei modelli combinati CFD+ASM rende, ad oggi, difficile la loro integrazione nei Gemelli Digitali, anche se varie sperimentazioni hanno proposto un approccio di modellazione ibrida tra modelli CFD+ASM e modelli più semplici, che riducono i tempi di calcolo, pur garantendo risultati di simulazione caratterizzati da un’accuratezza suffi ciente per essere considerati realistici e significativi.
Il progetto HADES, finanziato dalla Comunità Europea Next GenerationEU/PRTR, di cui Acciona fa parte in collaborazione con il Laboratorio di Ingegneria Chimica ed Ambientale (LEQUIA) dell’Università di Girona, ha lo scopo di sviluppare un Gemello Digitale di un impianto di depurazione, che integri tutte le metodologie, i sistemi ed i modelli indicati in precedenza, al fine di diventare un utile strumento di supporto alle decisioni di gestione dell’impianto stesso, con l’obiettivo di migliorare l’efficienza, l’affidabilità e la qualità dell’effluente.
Alla base del Gemello digitale HADES vi sarà il cosiddetto “nucleo”, che racchiuderà i modelli matematici ASM e idrodinamici CFD, estesi poi mediante l’integrazione dei modelli biologici ASM (utilizzando piattaforme commerciali e specializzate comuni come GPS-X e ANSYS Fluent).
Il “centro dati” acquisirà regolarmente le informazioni dal campo attraverso lo SCADA dell’impianto, specifici report di analisi dati raccolti dal campo (in forma manuale e/o automatica), database meteorologici in tempo reale, ecc., che saranno precedentemente validati per valutare la presenza di valori anomali e/o mancanze, che possano generare errori di computazione.
Il “centro di controllo e monitoraggio” avrà due funzioni principali. In primis, calcolare strategie di controllo ottimizzate, basate su MPC e altri algoritmi di controllo, e convalidare queste strategie in base a modelli matematici. Una seconda funzione sarà quella di visualizzare, attraverso un’interfaccia utente (UI), i risultati ottenuti, nonché suggerire le azioni più opportune per ottimizzare il funzionamento dell’impianto, per migliorarne l’efficienza ed evitare probabili riduzioni del rendimento del processo.
Parallelamente l’utente, sempre tramite l’interfaccia utente, disporrà dei modelli di calcolo per simulare i vari scenari (what if) possibili a partire dai dati reali, o anche per scopi didattici o di formazione degli operatori. Con l’implementazione di HADES, Acciona prevede di ridurre del 50% degli eventi di non conformità dell’effluente, una riduzione del 15% del consumo energetico derivante dal controllo avanzato e un risparmio consistente dei reagenti necessari per la rimozione chimica del fosforo, nonché un sostanziale miglioramento della sedimentabilità e disidratazione dei fanghi.
Il progetto HADES sarà implementato presso l’impianto di depurazione di La Almunia (Aragona – Spagna), gestito da Acciona, facente parte del Piano Speciale di Sanifi cazione e Depurazione dell’Aragona, promosso dall’Istituto Aragonese delle Acque.
Questo impianto, al servizio dei Comuni di La Almunia de Doña Godina, Almonacid de la Sierra, Alpartir, Calatorao e Ricla, ha una capacità di trattamento di 10.500 m3/d ed una popolazione servita di 28.350 Abitanti equivalenti e dispone di un elevato livello di automazione, essendo dotato di moderne strumentazioni di analisi, che saranno incrementate per monitorare i parametri chiave del Gemello Digitale.
Questa è la galleria 1.
Compila i campi per richiedere il tuo abbonamento alla rivista Servizi a Rete
