Digital Twin ed ottimizzazione energetica con Oscar Solutions

L’attività di Oscar Solutions va oltre la semplice fornitura e installazione del controllore di processo Oscar® e il supporto tecnico al gestore, ma mira anche al miglioramento continuo delle performance degli impianti. Grazie all’attività di monitoraggio è possibile individuare aspetti gestionali e di processo che possono essere ulteriormente ottimizzati, anche a valle dell’installazione di Oscar®.

Qualora si presenti tale possibilità, ci si confronta con il cliente sulla possibilità di apportare modifiche al funzionamento del controllore e delle macchine in campo. Il processo di decision making è supportato dalla realizzazione del gemello digitale: un modello che viene sviluppato a partire dai dati di impianto che vengono rielaborazione ed analizzati.  Il gemello digitale di un impianto è un modello che consente di riprodurre, tramite un software, i processi biologici, chimici e fisici che si svolgono in un impianto. Esso replica il funzionamento dell’impianto allo stato dinamico, ovvero in funzione della variabile tempo. Ciò comporta la possibilità di riprodurre fedelmente il funzionamento dell’impianto tal quale e di stimare con maggior accuratezza e verosimiglianza la qualità dei parametri allo scarico e il risparmio conseguibile a seguito della variazione delle condizioni operative.

Il presente articolo ha lo scopo di riportare l’esempio di un gemello digitale realizzato per un impianto in cui si è valutata l’opportunità di ottimizzare la prestazione energetica di Oscar®, intervenendo sulla frequenza di funzionamento delle soffianti.  Grazie al gemello digitale è stato possibile determinare il range ottimale di funzionamento entro cui far funzionare le soffianti per avere il massimo dell’efficienza.

L’impianto oggetto dello studio è collocato nel centro Italia e ha potenzialità pari a circa 40’000 AE. Esso è composto da una sezione di pretrattamento, un comparto con due linee di denitrificazione-nitrificazione in parallelo, in cui il controllore Oscar® gestisce l’aerazione intermittente sulla base delle misure di ammoniaca e di ossigeno, due linee in parallelo di sedimentazione secondaria e una sezione di disinfezione.

In Figura 1 è riportato lo schema del comparto biologico e della sedimentazione in cui le due linee in parallelo sono state semplificate in un’unica linea.

Questo impianto è caratterizzato da un carico variabile durante l’anno, che raggiunge il suo picco nei mesi estivi a causa dell’afflusso turistico. L’impianto è stato selezionato per la mole di dati analitici a disposizione, requisito importante per la creazione di un gemello digitale rappresentativo e affidabile dell’impianto oggetto dello studio. Grazie a questa caratteristica, l’impianto è particolarmente idoneo allo studio di una logica aggiuntiva di ottimizzazione della frequenza di funzionamento delle soffianti.

I dati su cui è stato costruito il gemello digitale sono le analisi medie 24 ore del refluo trattato nelle condizioni di medio-alto carico (tipiche del periodo estivo), i dati raccolti automaticamente dal sistema Oscar® sono relativi alle concentrazioni online (N-NH4 e DO in vasca), al funzionamento delle macchine (la potenza assorbita e le ore di funzionamento al giorno) e, infine, quelli ricavati dalle schede tecniche delle macchine (la portata d’aria fornita in funzione della potenza assorbita). Allo scopo di ottenere la massima rappresentatività delle condizioni al contorno, a partire dalle analisi medie 24 ore, si è ricostruito il carico variabile trattato dall’impianto lungo le 24 ore tramite l’andamento tipico di un refluo di medio-alto carico civile proposto da Metcalf&Eddie[1]. I dati pre-trattati sono stati, quindi, utilizzati per la calibrazione del gemello digitale finalizzato a riprodurre il reale funzionamento dell’impianto.

In questo caso, il gemello digitale calibrato e validato sui dati reali è stato utilizzato per le verifiche di fattibilità in 15 differenti scenari, ciascuno caratterizzato da condizioni di funzionamento delle soffianti imposte.

Tra i 15 scenari si è studiata l’ottimizzazione energetica con 3 differenti strategie:

1. Strategia 1: Imporre una frequenza fissa nelle fasi aerate;
2. Strategia 2: Imporre un range di variazione della frequenza nelle fasi aerate;
3. Strategia 3: Cambiare i parametri di funzionamento di Oscar® lasciando la frequenza libera di variare sull’intero range della soffiante.

Il consumo netto giornaliero è influenzato da:

• tempo di aerazione
• frequenza di funzionamento delle soffianti durante le fasi aerate
• perdite di carico ai piattelli

In Figura 2 e Figura 3 è mostrato come il consumo netto giornaliero delle soffianti variano con le perdite di carico ai piattelli e come le perdite di carico ai piattelli variano con la portata d’aria insufflata.

Per discriminare i risultati dei 15 scenari di verifica i fattori considerati sono stati il consumo netto giornaliero delle soffianti e la qualità allo scarico regolamentata dai limiti di Tabella 2 e Tabella 3 del D.Lgs 152/06 – Allegato 5 alla Parte Terza.

[1] Metcalf&Eddy, Wastewater engineering:Treatment and resource recovery, fifth edition, 2013.

Una volta ottenuti i risultati dei 15 scenari di verifica, essi sono stati analizzati con lo scopo di individuare gli scenari migliori, ovvero quelli ottimizzati rispetto al funzionamento attuale con riguardo alla qualità allo scarico e al consumo netto giornaliero. In Figura 2 e Figura 3 sono riportati rispettivamente i risultati della qualità allo scarico e i risultati del consumo netto giornaliero delle soffianti. Gli scenari nominati con la singola portata d’aria fanno riferimento alla Strategia 1, quelli nominati con un range di portate d’aria fanno riferimento alla Strategia 2 e quello nominato “Portata variabile” fa riferimento alla Strategia 3. Le caselle in rosso indicano gli scenari migliori, ovvero ottimizzati rispetto allo scenario attuale (nominato “Attuale”).

Dai risultati dei 15 scenari di verifica emerge che gli scenari migliori dal punto di vista del consumo netto delle soffianti e della qualità allo scarico sono gli scenari “2’997” e con porta variabile “1’867-2’297” e “2’297-2’887”. Gli scenari “1’444”, “1’867” e “Portata variabile” sono stati esclusi perché risulta hanno concentrazione di nitrito allo scarico maggiore alla soglia accettabile imposta. Gli scenari “554” e “1’001” sono stati esclusi perché la nitrificazione non è sufficiente e l’ammoniaca in vasca è superiore alla soglia alta di regolazione. Gli scenari restanti sono stati esclusi perché, nonostante hanno qualità allo scarico accettabile, risultano meno performanti dal punto di vista energetico rispetto allo scenario “Attuale”.

Una volta individuati i 3 scenari migliori tra i 15 verificati, sono stati messi a confronto tra loro e con lo scenario attuale. In Tabella 1 sono riportati i parametri di funzionamento dei 3 scenari individuati e dello scenario attuale.

Il risultato di interesse che emerge è che per tutti e tre gli scenari migliori si registra un risparmio del consumo netto delle soffianti rispetto allo stato attuale, con il rispetto della qualità allo scarico. Per lo scenario con portata variabile “1’867-2’297” il risparmio è del 13%, il che lo rende lo scenario maggiormente ottimizzato rispetto al funzionamento attuale di Oscar®. Nonostante la frazione anossica sia maggiore nello stato attuale, nello scenario “1’867-2’297” la portata d’aria insufflata è del 19% inferiore ed è necessaria una sola soffiante attiva. Questo risultato dimostra che un’ulteriore logica di funzionamento di Oscar® basata sulla regolazione della frequenza della soffiante porta ad un incremento dell’ottimizzazione del consumo energetico delle soffianti.