Azionamenti in sistemi di protezione dalle inondazioni

Da New Orleans ai Paesi Bassi, sono numerosi i luoghi al mondo minacciati dalle inondazioni. E la vecchia arma per proteggersi dai disastri delle alluvioni, la pompa per la gestione dei fluidi, continua a essere sempre più efficiente grazie all’uso di motori a velocità variabile e di azionamenti che li controllano.

Secondo le stime dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, fra il 1998 e il 2017 le alluvioni hanno avuto ripercussioni sulla vita di oltre due miliardi di persone nel mondo. Oltre al pericolo immediato per la vita umana, le inondazioni possono devastare le zone agricole (spesso situate in terreni golenali) e danneggiare gravemente gli asset strutturali e infrastrutturali delle aree edificate.

Con acquazzoni sempre più intensi e l’aumento del livello dei mari, entrambi conseguenze riconducibili ai cambiamenti climatici, si prevede che le inondazioni violente saranno sempre più numerose almeno nel breve e nel medio termine.

Quali sono le principali sfide che una motopompa per acqua deve affrontare? E perché i motori a velocità variabile rappresentano una soluzione particolarmente appropriata?

Le inondazioni sono per definizione imprevedibili. Se un’inondazione, di intensità particolarmente forte, si verifica dopo un lungo periodo di siccità, le pompe rimaste ferme per un certo intervallo di tempo devono essere attivate all’istante e funzionare con potenza ed efficacia per iniziare a trasferire grandi volumi d’acqua (la più grande stazione di pompaggio al mondo, nei pressi di New Orleans, può sollevare quasi 600.000 litri di acqua di piena al secondo) a livelli di flusso continuamente variabili.

Diverse intensità di risposta a un’inondazione si ottengono in primo luogo variando il numero di pompe in funzione.

Le pompe multiple sono imprescindibili nei sistemi di protezione dalle inondazioni (anche nei progetti di piccole dimensioni, una pompa di servizio deve essere dotata di un’unità ausiliaria). Ripartire il lavoro fra un numero elevato di piccole pompe invece che fra un numero minore di unità di grandi dimensioni è il primo passo verso un sistema più sicuro e controllabile. Inoltre, a pompe di dimensioni minori corrisponde una loro inferiore vulnerabilità alle sollecitazioni indotte da detriti, vortici e inclusioni d’aria.

Oltre a questo, i motori a velocità variabile sono necessari se le pompe devono contrastare la turbolenza delle acque di piena con un’efficienza ottimale.

L’avvio (o l’arresto) diretto di una pompa per acque di piena rischia di innescare il fenomeno del colpo d’ariete, a causa della repentina variazione di portata nella tubazione. Tali urti idraulici accorciano la vita utile di esercizio dei sistemi di pompaggio e causano perdite dai giunti e rotture delle tubazioni. L’utilizzo di avviatori statici o di azionamenti a frequenza variabile (VFD) assicura accelerazioni graduali della rotazione della pompa fino alla velocità nominale; inoltre gli VFD offrono il vantaggio di una velocità del motore completamente regolata.

Sebbene auspicabile, in linea di principio, la regolazione efficiente della velocità dei motori delle pompe per acque di piena può rivelarsi piuttosto complessa.

Per esempio, sebbene abbia senso, in termini di consumo energetico, che un motore a velocità variabile non ruoti più velocemente di quanto sia strettamente necessario, le pompe e le tubazioni impiegate per grandi volumi d’acqua di piena possono, in base alla progettazione, essere più o meno vulnerabili all’accumulo di sedimenti. Nei sistemi nei quali tale accumulo costituisce un problema si può riscontrare che il funzionamento a una velocità elevata costante mantiene l’accumulo di sedimenti a livelli minimi, come minori sono di conseguenza le corrispondenti sollecitazioni meccaniche a carico dei motori.

È anche importante che le pompe non funzionino a velocità eccessive. In un’area come le paludi attorno al fiume Great Ouse, per esempio, i livelli dell’acqua devono essere regolati in modo da consentire la navigazione (imbarcazioni da diporto al posto della navigazione commerciale interna di un tempo). In altre parole, occorre raggiungere una condizione di equilibrio, quindi un drenaggio che non sia sufficiente né eccessivo.

Il progettista del sistema di protezione dalle inondazioni deve pertanto calcolare attentamente i livelli d’acqua appropriati nell’ambiente da proteggere. Questi sono i punti di raccolta dei dati che gli azionamenti utilizzeranno per stabilire la velocità dei motori: più l’acqua supera un livello prefissato, più velocemente funziona la pompa; più il livello dell’acqua scende, più la velocità della pompa diminuisce.

Bisogna poi considerare che a una maggiore programmabilità del sistema corrispondono maggiori opportunità per vari tipi di efficienza. Quale che sia la tecnologia di controllo utilizzata, ovvero PLC o PID (proporzionale-integrale-derivativo), si può programmare la variazione dei valori preimpostati in base al calendario, in modo da considerare le variazioni stagionali del livello dell’acqua. Inoltre, a integrazione delle operazioni in tempo reale, si possono utilizzare sistemi di controllo di supervisione e di acquisizione dati (SCADA) per fornire informazioni sull’evoluzione delle condizioni meteorologiche.

Le pompe centrifughe sono preferite nei sistemi di protezione dalle inondazioni in virtù della loro potenza, semplicità costruttiva e dimensioni relativamente piccole. Grazie alle leggi di affinità per pompe centrifughe e ventilatori, si possono ottenere importanti risparmi energetici dalla riduzione della velocità del motore (tale velocità ridotta del 25% si traduce in una diminuzione del consumo energetico di quasi il 60%, e così via).

Ciò è importante se si considerano i costi di esercizio generalmente elevati di una stazione di pompaggio, alcune delle quali privilegiano ancora i motori Diesel per motivi economici (sebbene tali sistemi debbano accontentarsi di livelli di efficienza di appena il 20-40%).

Per questo, quando si tratta quindi di costruire una nuova stazione di pompaggio per acque di piena (o di ripararne una esistente), attualmente anche i sistemi elettrici a velocità variabile raggiungono un alto livello di preferenza. Oltre agli straordinari vantaggi in termini di controllabilità, efficienza e risparmio, questi sistemi sono anche relativamente silenziosi - un aspetto progettuale importante per i sistemi ubicati in aree popolate (dal quale deriva la preferenza, in alcuni sistemi, per il raffreddamento a liquidi invece che ad aria dei motori e degli azionamenti).

Quanto al futuro, tutti i sistemi motorizzati stanno diventando sempre più intelligenti, arrivando a combinare un’automazione più complessa con interfacce sempre più accessibili. In particolare, con l’affermarsi della connettività delle app per telefoni cellulari, le possibilità di controllo motore, di monitoraggio e manutenzione si stanno diversificando ed evolvendo verso l’obiettivo di sistemi sempre più efficienti; aspetto che, nell’ambito della protezione dalle inondazioni, significa ambienti sempre più sicuri.