Potenziali energetici nell’approvvigionamento idrico in Ticino

Un team vincente per l’energia negli acquedotti

Storicamente nella Svizzera italiana il consumo di energia negli acquedotti, grazie soprattutto al fatto che l’acqua è principalmente trasportata sfruttando la forza di gravità, è sempre stato molto contenuto. Negli ultimi decenni tuttavia, tre fattori hanno fatto crescere il fabbisogno di energia elettrica. I primi due scaturiscono dalle esigenze legali di qualità dell’acqua potabile, che hanno portato all’abbandono di numerose sorgenti a favore di pozzi di captazione di acqua di falda nei fondovalle e all’incremento del numero di stazioni di trattamento e disinfezione dell’acqua. Il terzo riguarda l’aumento della complessità degli acquedotti, che grazie al processo di fusioni politiche dei comuni in atto e alla pianificazione cantonale dell’approvvigionamento idrico, risultano sempre più estesi e interconnessi.

Questa tendenza ha motivato l’Istituto Sostenibilità Applicata all’Ambiente Costruito (ISAAC) della SUPSI, lo studio CSD Ingegneri SA e la succursale della Svizzera italiana della SSIGA a formare un Team interdisciplinare per analizzare i sistemi energetici degli acquedotti ticinesi alla ricerca di potenziali di produzione e di risparmio di elettricità.

Il progetto “Elettricità dall’acqua potabile” è terminato nella primavera del 2017, e ha esplorato la potenzialità degli impianti idroelettrici di piccole dimensioni che potrebbero essere posti negli acquedotti, valutando nel contempo il possibile incremento di energia proveniente da questo tipo di sfruttamento particolarmente sostenibile della risorsa idrica. L’analisi effettuata sul territorio cantonale, partendo da 300 casi teorici, ha permesso di valutare dal punto di vista tecnico ed economico 54 casi. Oltre a fornire uno stato dell’arte degli acquedotti esistenti e della loro complessità, la ricerca ha consentito di individuare le principali barriere alla fattibilità tecnico-economica. Infine ha identificato le situazioni ad oggi più promettenti per un possibile sfruttamento energetico, rispondendo a una delle misure del Piano Energetico Cantonale (PEC).

Il secondo progetto invece ha preso avvio quest’estate ed ha come obiettivo il calcolo del potenziale di risparmio di elettricità nel pompaggio nell’approvvigionamento idrico.

Di seguito presentiamo nel dettaglio i due progetti.

Progetto 1: Elettricità dall’acqua potabile

Introduzione

Lo sfruttamento dell’energia idroelettrica in Ticino rappresenta un elemento caratteristico: circa il 95% della produzione di energia elettrica sul territorio cantonale deriva infatti dello sfruttamento idrico (3.415 GWh su un totale di 3.616 GWh).

Ad oggi, dei 3.415 GWh di energia idroelettrica prodotti nel 2016, 9,5 GWh sono generati grazie al turbinaggio dell’acqua potabile, tramite impianti idroelettrici collocati sugli acquedotti. Gli acquedotti nel loro insieme devono primariamente soddisfare il fabbisogno per l’acqua potabile; al contempo possono però generare energia elettrica, senza avere un impatto sulla natura e sull’ecologia fluviale, un rischio maggiormente presente nello sfruttamento di fiumi e riali. Tale tipologia d’impianto, pur presentando nella maggior parte dei casi una produzione irrisoria rispetto a quella generata grazie allo sfruttamento delle dighe, propone dunque un enorme vantaggio in termini ambientali. Permette inoltre la dislocazione delle risorse in acquedotti posti in punti diversi del territorio, ciò che non avviene per le grandi opere, che in Ticino sono interamente presenti nella parte settentrionale del cantone.

Se da un lato la ricerca ha lo scopo di proporre l’attuale stato dell’arte degli acquedotti esistenti, dall’altro ha l’obiettivo di indagare la reale potenzialità ancora inesplorata degli acquedotti ticinesi, definendo quali dei potenziali teorici valutati siano effettivamente sfruttabili, dopo l’analisi tecnica e infine economica dei casi. Inoltre vuole dare indicazioni sui fattori maggiormente vincolanti affinché un potenziale teorico diventi una reale possibilità di sfruttamento.

Non da ultimo, identificare le potenze ancora installabili negli acquedotti nel Canton Ticino consente di avere un valore di riferimento nell’ambito delle politiche energetiche, definendo dunque un limite oltre il quale lo sfruttamento energetico nell’ambito del turbinaggio delle acque potabili non è pensabile.

Metodologia

La metodologia applicata si basa sulla valutazione preliminare di tutti i casi esistenti, cioè tratti di acquedotti sui quali si potrebbero collocare degli impianti (fase 1); e attraverso il calcolo dei potenziali teorici, cerca di circoscrivere i casi interessanti da verificare in sito, con la relativa analisi tecnico-economica (fase 2).

La metodologia ha seguito nello specifico le seguenti fasi:

i) raccolta dei dati generali degli acquedotti (portata media, quota delle camere di raccolta, quota dei serbatoi, con geolocalizzazione e vettorializzazione in ambiente GIS (Geographic Information System),¹

ii) verifica della disponibilità di tutti i dati per effettuare i passi successivi,

iii) calcolo dei potenziali teorici,

iv) estrapolazione dei casi da approfondire per la seconda fase,

v) sopralluoghi in situ, con relativo completamento dei dati tecnici,

vi) analisi tecnico-economica dei casi,

vii) calcolo del costo dell’energia.

Dai risultati della prima fase si ottengono potenzialità teoriche, che descrivono quanto potrebbe essere in linea di principio sfruttato. I dati necessari per tale scopo sono le portate medie e il dislivello fra le camere di raccolta delle sorgenti e i serbatoi di arrivo. Tali dati sono stati raccolti attraverso il Piano di Approvvigionamento Idrico (PCAI)² del Canton Ticino e i Piani Generali dei rispettivi acquedotti.

In termini generali per calcolare la potenza si considera: l’accelerazione di gravità (g), la portata media (Q), il salto netto (H) e il rendimento totale (µ) [Eq. 1].

Nello specifico della ricerca, per calcolare la potenza nella fase di valutazione del potenziale è stata utilizzata la formula [Eq. 2] (derivata dalla Eq. 1), che considera la portata media della sorgente (Qm) ed il salto totale, calcolato attraverso la differenza fra la quota della sorgente (Hso) e la quota del serbatoio (Hse). Il numero 7 della formula Eq.2 deriva da due elementi: l’accelerazione di gravità (9,8 m/s²) e 0,71 (µ), che rappresenta il rendimento dell’impianto. 

Il calcolo della potenza viene poi utilizzato per avere una stima della produzione totale teorica annua dell’impianto, ottenuta utilizzando l’Eq.3, in cui la potenza viene moltiplicata per il numero di ore di funzionamento dell’impianto. Le ore di funzionamento considerate annualmente sono state 8.500 [Eq. 3]. Le ore presenti in un anno sono 8.760; considerando che l’impianto possa funzionare per 8.500 ore significa che si mantiene un margine di 260 ore di non funzionamento, che può considerare ad esempio delle interruzioni dovute alla manutenzione ordinaria o straordinaria.

Una volta ottenute le produzioni teoriche, queste hanno dovuto essere selezionate. La selezione nella fase 1 è avvenuta considerando la produzione teorica dell’impianto, che non deve essere inferiore ai 25.000 kWh³ e deve quindi adempiere alle esigenze energetiche di almeno 7 utenze domestiche, considerando 3.500 kWh⁴ di consumi di energia annui per un modello di economia domestica tipo.

Sulla base dei casi esaminati e ritenuti interessanti durante la prima fase del progetto si è strutturata la seconda fase. Scopo dell’approfondimento è quello di escludere i casi non fattibili, considerando sia gli aspetti tecnici sia, in un secondo tempo, quelli economici. Lo studio, dato l’elevato numero di casi e la finalità stessa, non aveva lo scopo di sostituirsi ad analisi di dettaglio svolte sul territorio dagli operatori del settore, quanto piuttosto di evidenziare i casi in cui effettivamente questi approfondimenti possono essere utili e la sistemazione di acquedotti vetusti possa prevedere l’installazione di un sistema di turbinaggio.

La procedura standard utilizzata è stata quella di contattare i comuni/consorzi di riferimento per i casi da approfondire e svolgere un sopralluogo sul posto. In quella sede sono stati verificati i dati in nostro possesso, e quando possibile sono state approfondite le informazioni sulle portate delle sorgenti. Si sono richieste informazioni sugli interventi previsti in futuro e guardati i casi singolarmente con le persone di riferimento.

Per ognuno dei casi analizzati è stato preparato un foglio di calcolo, con l’analisi dei costi e dei ricavi.

Gli elementi più rilevanti per l’analisi di redditività, verificati durante il sopralluogo, sono stati: lo stato delle condotte, della camera di carico e del serbatoio; il tipo di tracciato e la presenza di una linea di trasporto dell’elettricità al serbatoio e/o alla camera di raccolta:

Elementi acquisiti durante il sopralluogo presso i comuni.

I costi per la realizzazione delle opere per un impianto di turbinaggio finalizzato alla produzione idroelettrica posta sull’acquedotto sono stati suddivisi in: opere di genio civile (opera di presa, camera di carico, condotta d’alimentazione, manufatto centrale con equipaggiamenti e impianto microturbina); opere idrauliche e opere elettromeccaniche e elettriche. Il tempo di ammortamento considerato è stato di 25 anni. L’analisi di redditività degli impianti è stata eseguita sia considerando i costi imputabili alla realizzazione della microcentrale sia i costi totali del progetto, inclusi quindi quelli relativi ad opere che portano beneficio alla rete acquedottistica ma che tuttavia non sono direttamente legati alla realizzazione della microcentrale (per esempio i costi relativi alla realizzazione della nuova camera di raccolta delle sorgenti). Nell’investimento iniziale da ammortare sono stati inclusi gli onorari e gli imprevisti, calcolati al 10%. Al costo annuo sull’investimento (ammortamento) è stato aggiunto un costo di manutenzione ordinaria dell’impianto. A tutte le opere è stato applicato un tasso di interesse del 2%. In base alle condizioni è stato valutato il costo di produzione dell’energia come rapporto tra i costi annui (annualità) e la produzione annua di energia
 
¹ Strumenti software che permettono l’acquisizione, l’elaborazione, l’analisi, la memorizzazione e la rappresentazione delle informazioni territoriali georeferenziate (Burrough, P.A., 1986). In termini più completi si tratta di sistemi che, partendo dall’individuazione di esigenze specifiche, permettono di creare sistemi di conoscenza e supporto alle decisioni, nei quali la componente geografica viene esplicitata (Graci, G. e Sedazzari M., 2008).

² Strumento che concretizza la pianificazione a livello cantonale, permettendo di trovare soluzioni a livello regionale, per risolvere problemi locali e sostenere un uso parsimonioso della risorsa idrica.

³ Il manuale Energie in der Wasserversorgung indica che la produzione annua per un impianto idroelettrico su acquedotto economicamente sostenibile non dovrebbe essere inferiore a 25.000 kWh.

⁴ Il consumo di 3.500 kWh è basato su un’economia domestica composta da quattro persone in un appartamento di 4 ½ locali, fornito di una cucina con piastre elettriche e privo di produzione di calore e acqua calda tramite elettricità.