Come Vitens ha aumentato l'efficienza operativa di 7% grazie alle misurazioni degli asset in tempo reale

L'ambiziosa strategia di Vitens per migliorare la sostenibilità con l'efficienza industriale

"Ogni goccia è sostenibile": questa è la visione alla base di Vitens, la più grande azienda di acqua potabile dei Paesi Bassi. L'azienda fornisce acqua potabile di alta qualità a 5,6 milioni di persone e aziende in 7 delle 12 province olandesi. Vitens è consapevole che un'acqua potabile affidabile è una necessità per la nostra salute e il nostro benessere e che la fornitura di questa risorsa essenziale deve essere sostenibile e conveniente. In quanto azienda che pone la responsabilità globale al centro della sua visione a lungo termine, Vitens si impegna a creare un ecosistema idrico sostenibile entro il 2030.

A tal fine, Vitens sta investendo in soluzioni innovative, utilizzando i dati in modo intelligente per migliorare le proprie prestazioni operative. Grazie a misurazioni continue (in tempo reale) e all'uso di algoritmi, calcoli di modelli e analisi di scenari, è possibile produrre ed erogare una qualità e una quantità di acqua potabile più costante e affidabile. Questo pone Vitens all'avanguardia nell'innovazione del settore idrico per migliorare l'efficienza e la sostenibilità. La riduzione dei consumi energetici e delle emissioni gioca un ruolo fondamentale in questo percorso per Vitens, soprattutto alla luce delle problematiche legate al cambiamento climatico, alla volatilità del mercato energetico e all'aumento dei prezzi dell'energia. Le pompe sono la linfa vitale delle operazioni quotidiane di Vitens, con la maggior parte del consumo di elettricità utilizzata per l'estrazione delle acque sotterranee e la distribuzione dell'acqua pulita. Il miglioramento delle prestazioni e dell'efficienza delle pompe avrà quindi un impatto positivo sulle attività di Vitens, riducendo il consumo energetico, i costi e l'impatto ambientale.

Vitens ha collaborato con Samotics per intraprendere un progetto pilota di prova presso uno degli impianti di produzione. L'obiettivo di questo progetto pilota era dimostrare la capacità delle soluzioni di monitoraggio continuo degli asset di Samotics di migliorare le prestazioni e l'efficienza energetica delle pompe critiche. La scelta è ricaduta su Samotics per le prestazioni dimostrate in questo settore nell'industria idrica. Questo caso di studio evidenzia come questo progetto pilota abbia migliorato l'efficienza operativa di una stazione di pompaggio Vitens di oltre 7% con l'implementazione di semplici modifiche al processo.

Analisi di una parte importante di una vasta rete idrica

Per poter fornire costantemente acqua potabile affidabile e a prezzi accessibili, Vitens necessita di una vasta infrastruttura per l'acqua potabile. 117 campi di estrazione con 1.250 pozzi per l'estrazione delle acque sotterranee, 100 impianti di trattamento delle acque, 49.000 chilometri di rete idrica e 1.400 dipendenti sono necessari per fornire 350 milioni di m³ di acqua all'anno in una vasta area dei Paesi Bassi. Al centro di tutto questo ci sono migliaia di pompe, tra cui pompe per pozzi e pompe per la distribuzione di acqua pulita. Nel 2021, il consumo energetico della rete Vitens è stato di 171 GWh. Vitens ha piani ambiziosi per ridurre questo livello di consumo energetico come parte degli obiettivi di sostenibilità per il 2030. È stato stimato che nell'industria globale fino a 40% di energia utilizzata dalle apparecchiature industriali azionate da motori elettrici viene sprecata a causa di inefficienze operative, disallineamenti tra processo e macchina e danni in fase di sviluppo. Questo dato offre quindi un ampio margine di miglioramento dell'efficienza in tutti i settori industriali.

L'impianto di produzione Vitens di Hoenderloo, nella provincia olandese di Gelderland, è stato scelto come luogo ottimale per eseguire questa prova pilota con Samotics. In questo stabilimento, Vitens pompa l'acqua in superficie utilizzando un gruppo di pompe a pozzo. Dopo essere stata trattata, l'acqua pulita viene distribuita in tre località attraverso stazioni di pompaggio dedicate in loco.

Implementazione di una soluzione analitica avanzata in grado di integrarsi con i sistemi di Vitens.

Dal 2010 Vitens lavora al programma di innovazione SLIMM, acronimo di Self Learning Integrated Model based Management. L'obiettivo di questo progetto è quello di digitalizzare e automatizzare i processi di gestione della rete idrica, in modo da controllare costantemente la qualità dell'acqua potabile prodotta e distribuita, nel modo più efficiente ed efficace possibile. Un elemento chiave del progetto pilota di Hoenderloo è stato quello di determinare se la soluzione di analisi avanzata Samotics potesse essere integrata con il sistema SLIMM di Vitens. L'obiettivo è stato raggiunto.

È stata implementata una soluzione analitica combinata Samotics per il monitoraggio continuo di tutte le 17 pompe dell'impianto di produzione di Hoenderloo (nove pompe per pozzi e otto pompe per la distribuzione di acqua pulita). Si trattava di: sensori di energia, installati all'interno dell'armadio di controllo del motore delle pompe per raccogliere i dati elettrici; un gateway per l'elaborazione iniziale del segnale
e distribuzione; e l'accesso alla piattaforma analitica di benchmark di Samotics per trasformare questi dati elettrici in raccomandazioni sulle prestazioni/efficienza degli asset. Non essendo necessario installare sensori sulle pompe stesse, l'installazione è stata rapida e l'analisi dei dati è iniziata.

Un elemento chiave di questa soluzione totale, che riguarda specificamente l'efficienza energetica, è chiamato SAM4, i cui risultati sono illustrati in questo caso di studio. La soluzione è stata implementata per determinare la sua capacità di individuare e diagnosticare gli sprechi energetici delle pompe e generare soluzioni a questi problemi per aiutare Vitens a ridurre il consumo energetico, i costi e le emissioni associate a queste pompe. A livello più ampio, SAM4 si concentra sull'efficienza completa dell'impianto del motore della pompa sul campo, distinguendo l'efficienza del motore e della pompa per ogni asset (efficienza del componente), guardando all'efficienza dell'asset (set-up completo della pompa) e a un livello più elevato.
efficienza (come le stazioni di pompaggio con pompe co-localizzate).

Incorporando l'analisi avanzata nella strategia e nei sistemi di gestione dell'acqua, Vitens mirava a determinare dove queste pompe non funzionavano secondo le modalità di funzionamento più efficienti (il più vicino possibile al punto di massima efficienza) o potevano essere potenzialmente sovradimensionate per lo scopo.

Individuazione delle inefficienze energetiche delle pompe e generazione di soluzioni

Durante il progetto pilota, l'attenzione si è concentrata su tre pompe di distribuzione dell'acqua pulita che costituiscono il nucleo di una stazione di pompaggio che distribuisce acqua pulita a Otterlo/Ede, non lontano dall'impianto di produzione di Hoenderloo. Queste pompe sono fondamentali per la fornitura di acqua ai clienti sia nelle ore di punta che in quelle non di punta. È abbastanza comune avere più pompe di dimensioni diverse che lavorano insieme in luoghi specifici per soddisfare le variazioni della domanda. Le tre pompe di distribuzione dell'acqua pulita comprendono due pompe di distribuzione più grandi da 55 kW (RNP8 e RNP9) e una pompa di distribuzione più piccola da 11 kW (RNP7). Per una panoramica dell'impianto, si veda l'illustrazione seguente.

Dopo l'installazione dei sensori, la piattaforma SAM4 ha informato Vitens che le due pompe più grandi (RNP8 e RNP9) venivano spesso utilizzate in modo inefficiente per fornire portate che potevano essere coperte in modo molto più efficiente dalla pompa più piccola. SAM4 ha inoltre determinato che una parte significativa delle perdite di energia era dovuta alla modalità di funzionamento, introducendo perdite di efficienza operativa nella pompa e nel motore elettrico associato, pari a circa 10% delle perdite di efficienza totali.

Curva della pompa (in alto) che mostra aree di funzionamento molto lontane dal punto di massima efficienza della pompa RNP8 nel febbraio 2022 (la RNP9 ha mostrato un funzionamento altrettanto inefficiente). Le metriche (in basso) generate da SAM4 Energy mostrano che l'efficienza di entrambe le pompe da 55 kW si aggira intorno a 69%, al di sotto del livello di efficienza.

Le perdite operative delle pompe RNP8 e RNP9 rappresentano circa 10% di perdite di efficienza totale. Queste perdite possono essere ridotte migliorando il funzionamento delle pompe.

Mettere in pratica i consigli generati e monitorare i miglioramenti delle pompe

Vitens ha implementato due semplici modifiche alle impostazioni consigliate dalla piattaforma SAM4 per ottenere un pompaggio più efficiente durante i periodi di bassa portata. Nella prima fase di queste attività, è stata regolata la soglia di commutazione del flusso: è stata aumentata la soglia di flusso a cui la pompa da 11kW erogava il flusso, in quanto la pompa da 11kW poteva erogare il basso flusso in modo indipendente e più efficiente di due pompe da 55kW. Il flusso, il consumo energetico e l'efficienza risultanti sono stati successivamente monitorati utilizzando la piattaforma SAM4.

La seconda fase di questa modifica operativa ha aumentato la velocità della pompa da 11 kW per ampliare ulteriormente l'intervallo operativo utile della pompa più piccola e fornire una maggiore portata alla pressione richiesta. Questo è stato fatto aumentando la frequenza di alimentazione del VFD, senza superare la potenza nominale del motore e le capacità della pompa. In questo modo si è ottenuto un intervallo di portata più ampio per la pompa da 11 kW, attivando le pompe più grandi solo quando era veramente necessario.

Le due semplici modifiche apportate al processo hanno avuto un effetto significativo sull'efficienza delle tre pompe di una delle stazioni di pompaggio dell'impianto di produzione di Hoenderloo. Tenendo conto della distribuzione del tempo di funzionamento, della pressione e della portata nella vecchia e nella nuova situazione, l'efficienza elettrica complessiva della stazione di pompaggio è aumentata di 7,1%.

Dopo l'implementazione delle due modifiche al processo, ogni pompa funzionava in misura maggiore in condizioni operative più efficienti (zone verdi) e meno in condizioni più inefficienti (zone rosse). Ecco la situazione di una delle pompe più grandi da 55 kW prima (a sinistra) e dopo (a destra) l'implementazione delle modifiche al processo.

Convalida dei risultati

Una volta implementate queste semplici modifiche al processo, il miglioramento della situazione è stato immediatamente visibile tramite la piattaforma SAM4 nel monitor energetico e nella curva della pompa generata. Le modifiche operative, relativamente semplici, sono state apportate senza ulteriori investimenti e hanno fatto sì che tutte e tre le pompe funzionassero più vicino ai loro punti di massima efficienza. Ciò ha aumentato l'efficienza e l'affidabilità delle pompe. L'efficienza totale della stazione di pompaggio è migliorata di 7,1%, tenendo conto della distribuzione del tempo di funzionamento, della pressione e della portata nella vecchia e nella nuova situazione.

Ciò si traduce in un risparmio annuo di elettricità di 2.500 euro per le tre pompe e in una riduzione associata di 9,2 tonnellate di CO2 basata sulla sola riduzione energetica. Un ulteriore aspetto significativo è il fatto che un funzionamento inefficiente può raddoppiare le possibilità di guasto e ridurre la durata di vita delle apparecchiature industriali. Ciò implica che ulteriori risparmi possono essere ottenuti grazie al miglioramento della salute operativa.

Abbiamo notato che la maggior parte dell'energia viene consumata dalle pompe di Vitens per distribuire acqua pulita ai nostri clienti. Da questo progetto pilota SAM4 abbiamo capito subito che c'è molto da guadagnare migliorando l'efficienza operativa delle pompe e riducendo così il loro consumo energetico, pur continuando a soddisfare la domanda.

Rein Wuestman, Ingegnere di processo, Vitens

Prospettive rosee per un approvvigionamento idrico sostenibile

Per fornire acqua ai propri clienti in modo più sostenibile, Vitens è alla ricerca di mezzi più innovativi per affrontare le sfide che la attendono fino al 2030 e oltre. Con l'aumento dei costi e della volatilità associati al mercato dell'energia, diventa sempre più importante ridurre il consumo energetico sia dal punto di vista dei costi che della sostenibilità.

Per Vitens, la collaborazione con Samotics ha dimostrato che l'utilizzo di analisi avanzate sui dati energetici di una delle sue stazioni di pompaggio ha garantito risparmi annuali ricorrenti sul consumo energetico, sui costi e una riduzione delle emissioni associate. Il metodo utilizzato per realizzare i risparmi energetici in questa valutazione è anche estremamente traslabile ad altre pompe della rete Vitens.

L'avvio del progetto pilota SAM4 si è rivelato un'esperienza positiva per Vitens e Samotics. Ha dimostrato come l'efficienza elettrica possa essere migliorata in modo significativo e in tempi brevi, individuando le inefficienze energetiche nelle pompe industriali, generando soluzioni concrete a tali inefficienze e implementando semplici modifiche al processo che non comportano investimenti aggiuntivi.

Ha inoltre dimostrato che l'implementazione di un sistema di questo tipo può essere eseguita rapidamente ed essere in grado di integrarsi con i sistemi di Vitens. Per Vitens, questo significa che il passaggio a un ecosistema idrico più sostenibile è molto più vicino.