Con l’aumento dei prezzi dell’energia e la crescente frequenza di eventi meteorologici estremi dovuti al cambiamento climatico, per città e comuni è più importante che mai utilizzare i dati degli impianti di depurazione per migliorare l’efficienza operativa e la sostenibilità.
La sfida
Stadtwerke Trier (SWT) gestisce il principale impianto di depurazione della città di Trier, dimensionato per una capacità di 170.000 abitanti equivalenti. Per molti anni, l’impianto ha rappresentato una delle principali voci di consumo energetico dell’azienda municipalizzata. Gli investimenti effettuati in tecnologie ad alta efficienza avevano già consentito di ridurre sensibilmente i consumi, ma restava la necessità di introdurre un sistema di controllo intelligente, capace di sfruttare al meglio le apparecchiature esistenti e di avvicinare progressivamente l’impianto all’autosufficienza energetica.
La città più antica della Germania era quindi alla ricerca di una soluzione innovativa in grado di ottimizzare contemporaneamente il consumo energetico dei processi biologici, aumentare la sicurezza operativa e migliorare la gestione dei reagenti chimici.
L’obiettivo era ridurre in misura significativa i costi di esercizio e creare un ciclo energetico il più possibile chiuso all’interno dell’impianto. Per limitare il ricorso all’energia acquistata dall’esterno, era infatti necessario coordinare in modo efficace i consumi con la produzione interna. Il sistema di controllo doveva inoltre garantire, in ogni condizione operativa, il rispetto costante e affidabile dei limiti allo scarico.
La soluzione
Il progetto è stato affidato ad Aquatune GmbH, società successivamente acquisita da Xylem. La prima fase ha previsto l’installazione nell’impianto di un sistema di supporto decisionale in tempo reale per la gestione del trattamento delle acque reflue. L’obiettivo era aiutare il gestore a rispettare con continuità i limiti allo scarico, riducendo al tempo stesso il consumo energetico legato all’aerazione del comparto biologico.
Il sistema di ottimizzazione utilizza modelli previsionali per individuare i parametri di regolazione più adatti a garantire la qualità dell’effluente con il minor consumo energetico possibile. Fino a quel momento, l’impianto era gestito esclusivamente mediante sistemi di regolazione convenzionali.
Stadtwerke Trier ha quindi adottato l’applicazione Plant Real-Time Decision Support di Xylem Vue. La soluzione utilizza reti neurali artificiali per sviluppare modelli basati sui dati, in grado di rappresentare i processi di rimozione dei composti del carbonio, dell’azoto e del fosforo. Tutti i parametri e i dati necessari vengono acquisiti in tempo reale dal sistema SCADA già presente nell’impianto.
Il gemello digitale così realizzato è in grado di simulare centinaia di scenari in pochi secondi e di individuare le condizioni operative ottimali in funzione del carico attuale e di quello previsto. In particolare, il sistema regola sia l’aerazione necessaria alla rimozione biologica dei composti del carbonio e dell’azoto, sia il dosaggio dei reagenti chimici utilizzati per la precipitazione del fosforo.
Al termine della fase di addestramento del modello e del successivo periodo di esercizio sperimentale, il sistema è entrato definitivamente in funzione nel novembre 2017. Da allora calcola i setpoint ottimali per l’aerazione dei sei bacini biologici disposti in parallelo.
In una seconda fase, sempre attraverso l’applicazione Plant Real-Time Decision Support, è stato sviluppato un modello previsionale dei consumi e della produzione energetica dell’impianto. Il modello viene utilizzato per ottimizzare la produzione di biogas e gestirla in modo più efficiente.
Risultati
All’inizio del 2018, i risultati dell’ottimizzazione della prima fase sono stati confrontati con i dati di esercizio precedenti dell’impianto. Da questo confronto è stato definito un importante indicatore di successo: l’energia specifica impiegata per abbattere un chilogrammo di COD (Chemical Oxygen Demand). Questo parametro mette in evidenza le oscillazioni evitabili nel funzionamento dell’impianto.
Grazie alla gestione ottimizzata, tali oscillazioni, e quindi i picchi di consumo energetico legati alle singole condizioni operative, sono state ridotte in modo significativo. Dall’introduzione dell’applicazione Plant Real-Time Decision Support, il principale impianto di Trier ha diminuito di oltre il 20% il consumo energetico del sistema di aerazione, con un risparmio di 200.000 kWh all’anno. Tutti i valori limite dell’effluente continuano inoltre a essere rispettati in modo sicuro e costante.