Energy efficiency interventions in Water Supply Systems (WSSs) can lead to significant energy, environmental and economic advantages. In this thesis, some strategies have been studied to predict water flow rates and improve WSSs efficiency. In particular, an Italian WSS located in Osimo town, located in Marche Region, has been analysed. The first part of this thesis presents a methodology for predicting flow rates in gravity adduction pipelines based on the electricity bills, so that the potential energy recovery through a small-scale hydropower plant is evaluated and subsequently validated through measured data. A Pelton turbine has been chosen as energy recovery unit with the aim of supplying electricity to a pumping station of a preloading tank where the water is treated to make it drinkable. In the year 2018, an energy saving of 475.26 MWh was achieved, which can be also expressed as 88.87 saved Tonnes of Oil Equivalent (TOE) and 204.36 tCO2 not released into the atmosphere. The gross economic saving due to the installation of the Pelton turbine is equal to 94.29 k€/year and it can be further increased up to 116.51 k€/year if the energy efficiency certificates issued by the Italian Authorities are considered. In the second part, a novel methodology to predict the yearly average flow rate in gravity adduction pipelines is presented and validated using measured data coming from a water meter installed on an adduction pipeline. Then, a methodology already developed was used to select Pump-as-Turbines (PaTs) and evaluate their Best Efficiency Point (BEP) to maximize the energy recovery. On the selected WSS branch, two different installation layouts were investigated, namely one PaT and two PaTs in parallel. The first one showed the best economic profitability and led to a net economic saving of 1,325 €/year and a PayBack Period (PBP) of 11 years. Another branch with higher energy recovery potential was studied and a net economic saving of 4,915 €/year and a PBP of 6 years could be achieved. Finally, the last part of the present study is focused on the efficiency of the WSS through the reduction of the electricity consumption of pumping systems acting on the volume of the supplied water. To achieve this goal, a method for monitoring and reducing network water losses has been developed. This method is based on the subdivision of the distribution water network into District Metering Areas (DMAs) and on the implementation of a remote reading system for hourly monitoring of the water balance of each water district. Subsequently, this methodology was applied to the water district of the historic center of the Osimo network, which was divided into 5 districts after having verified the resilience and hydraulic reliability of the water network divided into DMAs. An innovative 868 Mhz remote reading infrastructure was built and smart water meters were installed at the entrance of each district, as well as replaced the old residential ones. Then, a software for remote reading, management and seeking the water losses was created. In the analysed water district, 5,558.8 m^3 of water savings, an energy saving Ee_saving= 7,332 kWh and an economic saving EC_saving= 1,857.45 € were achieved during the period between September and November 2020 with a PBP of the investement of 7 years and a 20-year Net Present Value (NPV) equal to 34,405.10 €.

Gli interventi di efficienza energetica nei sistemi di approvvigionamento idrico possono portare a significativi vantaggi energetici, ambientali ed economici. In questa tesi, sono state studiate alcune strategie per prevedere le portate d'acqua e migliorare l'efficienza degli acquedotti. In particolare, è stato analizzato l’acquedotto italiano situato nel comune di Osimo, nelle Marche. La prima parte di questa tesi presenta una metodologia per la previsione delle portate nelle condotte di adduzione a gravità basata sui dati di consumo delle bollette elettriche, cosi da poter valutare il recupero energetico potenziale attraverso una piccola centrale idroelettrica. Successivamente tale metodologia viene confrontata e validata attraverso dati misurati. Come turbina idraulica è stata optata la Pelton per conseguire l'obiettivo di fornire energia elettrica ad una stazione di pompaggio presente a valle di una vasca di precarico nella quale l'acqua viene trattata per renderla potabile. Nell'anno 2018 è stato ottenuto un risparmio energetico di 475.26 MWh, che equivale a 88.87 Tonnellate di Petrolio Equivalente (TEP), ed è stata evitata l’emissione in atmosfera di 204.36 tCO2. Il risparmio economico lordo dovuto all'installazione della turbina Pelton è pari a 94.29 k€/anno e può essere ulteriormente incrementato fino a 116.51 k€/anno se si considerano i certificati di efficienza energetica rilasciati dalle Autorità italiane (Certificati Bianchi). Nella seconda parte, viene presentata una nuova metodologia per prevedere la portata media annuale nelle condotte di adduzione a gravità e convalidata impiegando i dati misurati provenienti da un contatore dell'acqua installato su una condotta di adduzione. Poi è stata utilizzata una metodologia già sviluppata per selezionare delle Pump-as-Turbines (PaTs) e per valutare il loro Best Efficiency Point (BEP) per massimizzare il recupero energetico. Sul ramo di rete idrica selezionato, sono stati studiati due diversi layout di installazione, vale a dire una PaT e due PaTs in parallelo. Il primo ha mostrato la migliore redditività economica e ha condotto ad un risparmio economico netto di 1,325 €/anno e un PayBack Period (PBP) di 11 anni. È stato studiato un altro sito di installazione con maggiore potenziale di recupero energetico e si è potuto ottenere un risparmio economico netto di 4,915 €/anno e un PBP di 6 anni. Infine, l'ultima parte del presente studio è focalizzata sull’efficientamento del sistema di approvvigionamento idrico attraverso la riduzione dei consumi elettrici dei sistemi di pompaggio che sollevano i volumi dell'acqua fornita. Per raggiungere questo obiettivo, è stato sviluppato un metodo per il monitoraggio e la riduzione delle perdite idriche di rete. Tale metodo si basa sulla suddivisione della rete idrica di distribuzione in sotto-distretti monitorati e sull'implementazione di un sistema di telelettura per il monitoraggio orario del bilancio idrico di ogni sotto-distretto idrico. Successivamente tale metodologia è stata applicata al distretto idrico del centro storico della rete di Osimo che è stato suddiviso in 5 sotto-distretti dopo aver verificato la resilienza e l'affidabilità idraulica della rete idrica suddivisa. È stata realizzata un'innovativa infrastruttura di telelettura a frequenza 868 Mhz e sono stati installati contatori teleleggibili all'ingresso di ogni sotto-distretto, oltre a sostituire il parco contatori degli utenti. Poi è stato predisposto un software per la lettura, la gestione e la ricerca delle perdite d'acqua a distanza. Nel distretto idrico analizzato sono stati conseguiti un risparmio idrico di 5,558.8 m^3, un risparmio energetico di Ee_saving = 7,332 kWh ed un risparmio economico di EC_saving = 1,857.45 € nel periodo tra settembre e novembre dell’anno 2020 per un investimento con un PBP pari a 7 anni ed un Valore Attualizzato Netto (VAN) pari a 34,405.10 €.

Development and application of energy efficiency solutions in water supply systems (wsss)

SPEDALETTI, SAMUELE
2021-05-28

Abstract

Gli interventi di efficienza energetica nei sistemi di approvvigionamento idrico possono portare a significativi vantaggi energetici, ambientali ed economici. In questa tesi, sono state studiate alcune strategie per prevedere le portate d'acqua e migliorare l'efficienza degli acquedotti. In particolare, è stato analizzato l’acquedotto italiano situato nel comune di Osimo, nelle Marche. La prima parte di questa tesi presenta una metodologia per la previsione delle portate nelle condotte di adduzione a gravità basata sui dati di consumo delle bollette elettriche, cosi da poter valutare il recupero energetico potenziale attraverso una piccola centrale idroelettrica. Successivamente tale metodologia viene confrontata e validata attraverso dati misurati. Come turbina idraulica è stata optata la Pelton per conseguire l'obiettivo di fornire energia elettrica ad una stazione di pompaggio presente a valle di una vasca di precarico nella quale l'acqua viene trattata per renderla potabile. Nell'anno 2018 è stato ottenuto un risparmio energetico di 475.26 MWh, che equivale a 88.87 Tonnellate di Petrolio Equivalente (TEP), ed è stata evitata l’emissione in atmosfera di 204.36 tCO2. Il risparmio economico lordo dovuto all'installazione della turbina Pelton è pari a 94.29 k€/anno e può essere ulteriormente incrementato fino a 116.51 k€/anno se si considerano i certificati di efficienza energetica rilasciati dalle Autorità italiane (Certificati Bianchi). Nella seconda parte, viene presentata una nuova metodologia per prevedere la portata media annuale nelle condotte di adduzione a gravità e convalidata impiegando i dati misurati provenienti da un contatore dell'acqua installato su una condotta di adduzione. Poi è stata utilizzata una metodologia già sviluppata per selezionare delle Pump-as-Turbines (PaTs) e per valutare il loro Best Efficiency Point (BEP) per massimizzare il recupero energetico. Sul ramo di rete idrica selezionato, sono stati studiati due diversi layout di installazione, vale a dire una PaT e due PaTs in parallelo. Il primo ha mostrato la migliore redditività economica e ha condotto ad un risparmio economico netto di 1,325 €/anno e un PayBack Period (PBP) di 11 anni. È stato studiato un altro sito di installazione con maggiore potenziale di recupero energetico e si è potuto ottenere un risparmio economico netto di 4,915 €/anno e un PBP di 6 anni. Infine, l'ultima parte del presente studio è focalizzata sull’efficientamento del sistema di approvvigionamento idrico attraverso la riduzione dei consumi elettrici dei sistemi di pompaggio che sollevano i volumi dell'acqua fornita. Per raggiungere questo obiettivo, è stato sviluppato un metodo per il monitoraggio e la riduzione delle perdite idriche di rete. Tale metodo si basa sulla suddivisione della rete idrica di distribuzione in sotto-distretti monitorati e sull'implementazione di un sistema di telelettura per il monitoraggio orario del bilancio idrico di ogni sotto-distretto idrico. Successivamente tale metodologia è stata applicata al distretto idrico del centro storico della rete di Osimo che è stato suddiviso in 5 sotto-distretti dopo aver verificato la resilienza e l'affidabilità idraulica della rete idrica suddivisa. È stata realizzata un'innovativa infrastruttura di telelettura a frequenza 868 Mhz e sono stati installati contatori teleleggibili all'ingresso di ogni sotto-distretto, oltre a sostituire il parco contatori degli utenti. Poi è stato predisposto un software per la lettura, la gestione e la ricerca delle perdite d'acqua a distanza. Nel distretto idrico analizzato sono stati conseguiti un risparmio idrico di 5,558.8 m^3, un risparmio energetico di Ee_saving = 7,332 kWh ed un risparmio economico di EC_saving = 1,857.45 € nel periodo tra settembre e novembre dell’anno 2020 per un investimento con un PBP pari a 7 anni ed un Valore Attualizzato Netto (VAN) pari a 34,405.10 €.
Energy efficiency interventions in Water Supply Systems (WSSs) can lead to significant energy, environmental and economic advantages. In this thesis, some strategies have been studied to predict water flow rates and improve WSSs efficiency. In particular, an Italian WSS located in Osimo town, located in Marche Region, has been analysed. The first part of this thesis presents a methodology for predicting flow rates in gravity adduction pipelines based on the electricity bills, so that the potential energy recovery through a small-scale hydropower plant is evaluated and subsequently validated through measured data. A Pelton turbine has been chosen as energy recovery unit with the aim of supplying electricity to a pumping station of a preloading tank where the water is treated to make it drinkable. In the year 2018, an energy saving of 475.26 MWh was achieved, which can be also expressed as 88.87 saved Tonnes of Oil Equivalent (TOE) and 204.36 tCO2 not released into the atmosphere. The gross economic saving due to the installation of the Pelton turbine is equal to 94.29 k€/year and it can be further increased up to 116.51 k€/year if the energy efficiency certificates issued by the Italian Authorities are considered. In the second part, a novel methodology to predict the yearly average flow rate in gravity adduction pipelines is presented and validated using measured data coming from a water meter installed on an adduction pipeline. Then, a methodology already developed was used to select Pump-as-Turbines (PaTs) and evaluate their Best Efficiency Point (BEP) to maximize the energy recovery. On the selected WSS branch, two different installation layouts were investigated, namely one PaT and two PaTs in parallel. The first one showed the best economic profitability and led to a net economic saving of 1,325 €/year and a PayBack Period (PBP) of 11 years. Another branch with higher energy recovery potential was studied and a net economic saving of 4,915 €/year and a PBP of 6 years could be achieved. Finally, the last part of the present study is focused on the efficiency of the WSS through the reduction of the electricity consumption of pumping systems acting on the volume of the supplied water. To achieve this goal, a method for monitoring and reducing network water losses has been developed. This method is based on the subdivision of the distribution water network into District Metering Areas (DMAs) and on the implementation of a remote reading system for hourly monitoring of the water balance of each water district. Subsequently, this methodology was applied to the water district of the historic center of the Osimo network, which was divided into 5 districts after having verified the resilience and hydraulic reliability of the water network divided into DMAs. An innovative 868 Mhz remote reading infrastructure was built and smart water meters were installed at the entrance of each district, as well as replaced the old residential ones. Then, a software for remote reading, management and seeking the water losses was created. In the analysed water district, 5,558.8 m^3 of water savings, an energy saving Ee_saving= 7,332 kWh and an economic saving EC_saving= 1,857.45 € were achieved during the period between September and November 2020 with a PBP of the investement of 7 years and a 20-year Net Present Value (NPV) equal to 34,405.10 €.
Economic saving; Energy efficiency; Flow rate estimation; Pump-as-Turbine; Water Supply System, Pelton turbine, District Metered Area, Water losses
Risparmio economico; Efficienza energetica; Stima della portata; Pump-as-Turbine; Sistema di approvvigionamento idrico, turbina Pelton, Distretto idrico misurato, Perdite idriche
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