L'alimentazione idropotabile delle aree
abitate aventi un andamento altimetrico molto variegato ed in
particolare di quelle con notevoli dislivelli del suolo, presenta
notevoli problemi dovuti alla eccessiva pressione della rete di
condotte che, nella realtà, non vengono affatto risolti.
Si constata infatti come in molti sistemi acquedottistici di quel
tipo, venga adottata una rete unica che copre unitariamente tutto
il territorio da servire essendo caratterizzata da pressioni di
funzionamento estremamente variabili e che, soprattutto nelle
aree poste alle quote più basse e nei periodi di minor
consumo, raggiungono valori molto elevati. Vi si pone rimedio
dotando ogni allacciamento di utenza di propria valvola di riduzione
e di regolazione della pressione con cui, se da un lato si raggiunge
lo scopo di assicurare all'utente un funzionamento normale del
suo impianto idrico, dall'altro si provocano nelle condotte stradali
di distribuzione, soggette al regime irregolare di cui si è
detto, numerosi inconvenienti tra i quali quello delle rilevanti
perdite occulte. Si tratta di una situazione assolutamente anomala
cui chi scrive ha tentato di proporre differenti modalità
di risoluzione (vedi vari articoli nel sito http://altratecnica.3000.it
) basandosi su una concezione delle reti totalmente diversa da
quelle tradizionali e che raggiunge il risultato di un funzionamento
con pressioni abbastanza normalizzate e, nel caso di impianti
con sollevamento meccanico dell'acqua, con una notevole economia
energetica.
Una modalità che in questi ultimi anni si sta diffondendo
a macchia d'olio per i buoni risultati che offre, è quella,
illustrata in vari articoli del sito http://altratecnica.3000.it
e basata sulla installazione in punti strategici della rete di
valvole di regolazione della pressione tenute in tempo reale sotto
controllo dal sistema di telecontrollo e telecomando centrale.
Con questo lavoro la ricerca di soluzioni razionali dei problemi
esposti viene spinta ancora più avanti con ritrovati meramente
teorici ma che si ritiene possano contribuire efficacemente al
raggiungimento della vera risoluzione.
2) IL DISPOSITIVO FONDAMENTALE DELLA SOLUZIONE PROPOSTA
Una delle soluzioni dei problemi prima
elencati è quella basata, come detto, su una massiccia
presenza in rete di valvole di regolazione, che distruggono sic
et sempliciter il carico idraulico in eccesso. Risultati notevolmente
migliori si otterrebbero qualora tali valvole fossero sostituite
da un dispositivo che, anziché dissiparla, ricuperasse
tutta l'energia trasformandola in energia elettrica. Il dispositivo
in questione potrebbe essere, come sarà di seguito spiegato,
un gruppo turbina-alternatore di concezione del tutto particolare.
A questo punto occorre precisare come chi scrive questa nota non
sia affatto esperto nel campo elettro-meccanico in cui rientra
detto dispositivo per cui le affermazioni ad esso relative debbono
essere attentamente verificate. Sussistono però dei concetti
fondamentali sui quali mi sento di fondare alcune proposte tecniche
le quali, proprio per questo, possono ritenersi attendibili.
E' noto come l'energia elettrica venga prodotta dagli alternatori
di normale costituzione facendone ruotare un elemento entro un
campo magnetico fisso oppure, per semplicità costruttiva,
facendo girare detto campo magnetico tramite la rotazione del
rotore e raccogliendo l'energia nell'elemento fisso. In ambedue
i casi la frequenza della corrente alternata prodotta è
funzione diretta della velocità di rotazione e quindi,
per ottenere una corrente a frequenza fissa come normalmente è
richiesto, deve essere fissa anche la velocità di rotazione.
Nei grandi e complessi impianti idroelettrici tale irrinunciabile
condizione è soddisfatta tramite appositi organi di regolazione
che, variando l'inclinazione delle pale della turbina o quelle
del suo distributore, riescono ad assicurare detta costanza di
velocità anche in presenza di portate d'acqua variabili
entro determinati limiti. Invece nei gruppi turbina-alternatore
specificatamente usati per piccoli impianti come sono quelli atti
all'utilizzazione del carico idraulico delle condotte d'acquedotto
di cui si tratta, non è praticata, per motivi di semplicità
costruttiva e di esercizio, alcuna regolazione del genere, al
contrario vi si trovano dei dispositivi automatici che garantiscono
la velocità costante della turbina dissipando l'energia
in eccesso, tutte le volte che se ne presenta la necessità,
previa sua trasformazione in calore. Tale loro caratteristica
peculiare rende i piccoli impianti idroelettrici assolutamente
rigidi e quindi poco adatti all'uso che si vorrebbe qui fare.
Chi scrive ritiene però che la moderna tecnologia consenta
di produrre piccoli gruppi turbina-alternatore completamente diversi
da quelli citati ed atti a sfruttare un carico idraulico con continue
variazioni energetiche trasformandolo in energia elettrica alternata
che, ad una potenza necessariamente variabile, contrapponga una
tensione ed una frequenza sempre costanti e di valori rientranti
nella norma. Un'altra caratteristica essenziale del sistema qui
proposto, è quella relativa alla necessità del suo
asservimento al sistema generale di telecontrollo e telecomando
dell'acquedotto. In luogo di prevedere, analogamente ai grandi
gruppi idroelettrici, complicate apparecchiature di regolazione
meccanica delle varie parti della turbina si ritiene preferibile
adottare, per le piccole macchine di cui si tratta, una regolazione
continuativa e su comando del campo magnetico dell'alternatore.
Ciò potrebbe aversi, ad esempio, tramite un rotore eccitato
mediante immissione di una corrente esterna di intensità
variabile a sua volta ottenuta tramite un dispositivo elettrico/elettronico
in grado di produrre corrente continua di potenza variabile. Se
in questo modo è sicuramente possibile abbassare a piacere
la pressione di funzionamento della condotta cui viene inserito
il dispositivo, ne deriva però un inconveniente: il rotore,
dovendo vincere un campo magnetico di intensità variabile
assumerà velocità di rotazione anch'esse variabili
e quindi l'energia elettrica prodotta sarà anch'essa di
potenza ed anche di frequenza variabili. Vi si dovrà porre
rimedio tramite dispositivo elettronico statico applicato all'uscita
dell'alternatore come ad esempio un inverter che, a mezzo di moderni
dispositivi elettronici, raggiunga lo scopo di rendere costante
frequenza e tensione della corrente elettrica prodotta.
In definitivamente quella qui ipotizzata è un'apparecchiatura
che, con asservimento all'impianto centralizzato di telecontrollo
e telecomando dell'acquedotto, possa svolgere il ruolo di abbassare
la pressione della condotta in cui è inserita fino ad un
limite stabilito di volta in volta, senza alcuna dissipazione
di energia ma invece trasformando tutta quella in eccesso rispetto
al fabbisogno idraulico della rete acquedottistica, in energia
elettrica di caratteristica atta alla sua immissione nella rete
Enel. Il campo di lavoro del dispositivo dovrà poter variare
da una dissipazione del carico idraulico nulla ( nel qual caso
la turbina gira in folle e non si ha produzione di energia elettrica)
ad una dissipazione massima di una cinquantina di metri di colonna
d'acqua che è ritenuto il valore massimo per riportare
le reti acquedottistiche di normale costituzione entro valori
ottimali. Questa elevata escursione di lavoro provocherà
sicuramente una diminuzione del rendimento complessivo della macchina
pur restando il risultato economico finale nettamente positivo,
come sarà più avanti dimostrato.
3) TECNICA DI REGOLAZIONE DELLA PRESSIONE DELLA RETE ACQUEDOTTISTICA
La tecnica di regolazione della pressione
di funzionamento delle reti di distribuzione degli acquedotti
tramite valvole di riduzione della pressione delle condotte di
rete, ha raggiunto in questi ultimi anni un notevole livello di
perfezionamento e notevoli risultati pratici. La ubicazione e
le modalità di utilizzazione e di taratura delle valvole
vengono studiate tramite molteplici simulazioni del funzionamento
della rete effettuate tramite modelli matematici per essere poi
messe a punto con ripetute prove di esercizio reale. I risultati
già ottenuti durante lunghi periodi di effettivo esercizio
sono lusinghieri soprattutto per quanto riguarda il contenimento
delle perdite occulte di rete. Le esperienze fatte possono essere
utilizzate pari pari per l'installazione dei gruppi turbina-alternatore
descritti al precedente cap. 2) in quanto la loro funzione per
tutto ciò che riguarda la rete acquedottistica è
identica a quella delle valvole citate, fatte salve alcune osservazioni.
Innanzitutto è da tenere presente come i gruppi in argomento
rappresentino un dispositivo più complesso e costoso delle
semplici valvole di regolazione della pressione. Il loro impiego
dovrà quindi essere attentamente vagliato limitandone l'installazione
negli acquedotti di grande dimensione e, al loro interno, nelle
sole condotte di rete principali e quindi adottando un sistema
di regolazione misto alternatore-valvola con impiego delle valvole
in tutti i casi di secondaria importanza. A loro volta le reti
di distribuzione potrebbero essere adattate al nuovo sistema di
modulazione privilegiando le condotte munite di turbina-alternatore
rispetto a quelle con valvola di riduzione allo scopo di favorire
la produzione idroelettica rispetto alla mera dissipazione energetica.
Ciò sarà facilmente attuabile nelle reti magliate
con condotte che funzionano in parallelo: al limite sarà
possibile l'intercettazione di alcune condotte secondarie limitando
la loro funzione alla sola alimentazione delle utenze loro allacciate
e riservando gran parte del trasporto idrico alle condotte principali
munite di riduttore a turbina.
Naturalmente ambedue i tipi di regolatore della pressione di rete,
a turbina-alternatore e a valvola di riduzione, sono costantemente
asserviti all'impianto centralizzato di telecomando e telecontrollo.
4) EFFETTI DELLA REGOLAZIONE DI PRESSIONE DI RETE ACQUEDOTTISTICA OPERATA TRAMITE TURBINA-ALTERNATORE
Il beneficio economico che deriva alle
reti acquedottistiche dei territori ad altimetria molto variegata
dall'uso delle turbine-alternatori è rilevante quando la
rete funziona a gravità, quando si tratta di impianti idrici
di notevole dimensione ed infine quanto maggiori sono gli eccessi
di carico idraulico presenti in rete. Nelle reti con sollevamento
meccanico dell'acqua distribuita, il carico in eccesso sarà
più esiguo e quindi minori i benefici. Durante le ore di
massimo consumo, detto anche periodo critico in quanto è
in funzione di esso che vengono progettate le opere acquedottistiche,
non sussiste in queste reti alcun carico superfluo da poter sfruttare,
però per tutta la restante durata delle giornate dell'annata
tipo e quindi per la maggior parte del tempo, le minori perdite
di carico conseguenza diretta della diminuita portata, provocano
degli eccessi di pressione che, per un buon funzionamento dell'acquedotto,
occorre abbattere con le valvole di regolazione o preferibilmente,
con le turbine-alternatori. Si arriva alla logica conclusione
che anche nelle reti a sollevamento meccanico dell'acqua vi sono
notevoli possibilità di utilizzazione di carichi residui.
Tale circostanza è ancora più evidente qualora si
adotti, durante le ore di consumo minimo, un servizio idrico a
pressione di consegna più bassa del normale ( Vedasi articoli
vari su http://altratecnica.3000.it ).
In definitiva in qualsiasi acquedotto sussistono dei carichi residui
in eccesso più o meno consistenti sia in fatto di durata
che di pressione e che occorre distruggere. Ora, se l'installazione
delle valvole può essere consigliabile nella generalità
dei casi, quella delle turbine-alternatori richiede una resa economica
atta a giustificare i loro maggiori costi di installazione e di
esercizio.
In questo senso una valida dimostrazione la si può ricavare
dall'esame critico di una rete a sollevamento meccanico nella
quale si pratica da anni la regolazione della pressione a mezzo
valvole automatiche asservite all'impianto di telecontrollo centrale
e della quale sono noti i seguenti grafici di funzionamento. Nella
fig. 1 è descritta la portata durante una giornata di consumo
medio con e senza la regolazione, mentre nella fig. 2 è
rappresentata, per lo stesso giorno, la pressione con e senza
la regolazione. Si noterà come l'abbassamento della pressione
di rete operata dalle valvole sia massimo durante la notte ed
in genere durante le ore di minimo consumo. Invece nelle ore di
punta e cioè dalle 10 alle 13 circa, non ha luogo alcun
intervento delle valvole dato che, allora, in rete sussiste una
pressione appena sufficiente per l'alimentazione dell'utenza.
Elaborando i due grafici che, come detto, si riferiscono ad un
caso reale, si è potuto costruire la fig. 3 nella quale
figurano l'andamento della pressione realmente dissipata dalle
valvole e la portata della rete in questo caso indicata in valore
simbolico.
Integrando il grafico si ricava che in una rete come quella del
grafico n. 3 avente una portata media di 1000 l/sec corrispondente
ad una popolazione di circa 300000 abitanti, l'energia elettrica
teoricamente ricavabile utilizzando tutto il carico in eccesso
è pari a KWh 1900 al mattino e KWh 1200 alla sera. In conclusione
un acquedotto come quello descritto può approssimativamente
e come minimo contare su una produzione di circa 3000 KWh al giorno,
stimati teoricamente senza tener conto delle perdite di rendimento
delle macchine. Migliori risultati si ottengono, ovviamente, negli
acquedotti di maggiori dimensioni.
Gli esempi riportati riguardano acquedotti a sollevamento meccanico
dell'acqua. In quelli a gravità alimentati da sorgenti
di alta quota, ad una produttività idroelettrica delle
reti di distribuzione assai maggiore di quella anzidetta deve
aggiungersi quella della rete di adduzione la quale molto spesso
può disporre di notevoli salti utili ai fini idroelettrici.
Si pensi ad esempio a città di pianura alimentate da acque
di bacini artificiali di alta montagna con dislivelli di centinaia
e centinaia di metri!
In definitiva, se negli acquedotti è sempre consigliabile
la regolazione della pressione di esercizio per i vantaggi offerti,
lo è tanto più quando sussistono le condizioni che
consentono, invece di dissipare il carico in eccesso, di utilizzarlo
per la produzione di energia elettrica.
5) CONCLUSIONI
Dopo aver accennato all'importanza della
regolazione della pressione di funzionamento delle reti di distribuzione
d'acqua potabile a servizio di territori ad andamento altimetrico
molto variegato al fine di evitare gli inconvenienti causati dall'eccessivo
valore pressorio che sovente vi si registra, nell'articolo si
propone l'impiego di dispositivi innovativi aventi lo scopo di
evitare la dissipazione dell'energia dovuta a detti eccessi di
carico idraulico utilizzandola invece per produrre energia elettrica
che diviene, di anno in anno sempre più preziosa. Vengono
indicate le caratteristiche costruttive di una particolare turbina-alternatore
atta ad assolvere a detto compito in modo automatico essendo asservita
all'impianto centrale di telecontrollo e telecomando della rete
acquedottistica.
Si tratta di proposte innovative che, sopratutto negli acquedotti
di grandi dimensione e dopo attenta valutazione svolta acquedotto
per acquedotto, si ritiene possano offrire notevoli risultati.