Motori elettrici negli impianti di depurazione e biogas: cosa richiede ogni sezione lungo il percorso dell'acqua?

Immagini due motori dello stesso impianto di depurazione, alimentati dalla stessa cabina quadri: uno è il motore di una soffiante che insuffla aria nella vasca di ossidazione e gira a circa 3000 giri/min, l'altro è il motore del carroponte raschiatore che fa ruotare il ponte sopra la vasca di sedimentazione a una velocità tale che un solo giro dura diversi minuti. Il primo deve fare i conti con bolletta energetica e calore, il secondo con coppia elevata a bassissima velocità e ambiente esterno. Ciò che rende difficile la scelta del motore in un depuratore non è una singola applicazione gravosa, ma il fatto che compiti così diversi si svolgano nello stesso sito, nella stessa atmosfera umida e ricca di gas, e senza sosta.

Per questo è più utile leggere l'impianto non come un elenco di motori, ma come il percorso seguito dall'acqua e dai fanghi. Di seguito esaminiamo in ordine, dall'ingresso dei reflui nell'impianto fino alla disidratazione dei fanghi, cosa si richiede al motore in ogni sezione, cosa va storto sul campo e quali informazioni servono nell'ordine.

Opera di presa: griglie e pompe di sollevamento

I reflui entrano nell'impianto di norma attraverso una stazione di sollevamento. Qui griglie grossolane e stacci fini separano i solidi, mentre le pompe di sollevamento portano l'acqua alla quota necessaria per alimentare il resto dell'impianto. Gli sgrigliatori sono azionamenti con riduttore, di bassa potenza e a funzionamento intermittente; i loro problemi principali sono umidità, spruzzi d'acqua e inceppamenti. Quando il pettine si blocca contro un sasso o un ammasso di stracci il motore si blocca; in questo caso la protezione deve escludere rapidamente il motore.

Il comportamento delle pompe di sollevamento è invece determinato dalle oscillazioni della portata nell'arco della giornata. Tra la portata di punta del mattino e della sera e la portata notturna c'è una grande differenza; per questo più pompe entrano in funzione a gradini oppure i giri/min vengono regolati con un convertitore di frequenza. Nelle pompe centrifughe installate in vasca asciutta si può usare un motore asincrono trifase standard. Nelle pompe sommergibili in vasca umida il motore è integrato nella pompa ed è un prodotto del costruttore della pompa.

Un guasto frequente nella stazione di sollevamento è il funzionamento della pompa a secco o a portata molto bassa a causa di un intasamento sul lato aspirazione. La corrente del motore cala, ma il relè termico non se ne accorge. Una funzione di protezione che rileva la bassa corrente intercetta questa condizione; nell'articolo sulle funzioni del relè di protezione motore abbiamo spiegato come si imposta questa protezione.

Ossidazione: il centro energetico dell'impianto

Nel trattamento biologico le soffianti che forniscono ossigeno ai microrganismi sono, nella maggior parte degli impianti, il principale consumatore di energia. Le soffianti a canale laterale sono azionate di solito da un motore a 2 poli, le soffianti a lobi (roots) per lo più tramite cinghia e puleggia da un motore a 2 o 4 poli. I dettagli sulla scelta del motore per tipo di soffiante si trovano nell'articolo sulla scelta del motore per soffianti; qui ci soffermiamo sugli aspetti specifici della depurazione.

Il fabbisogno di ossigeno disciolto nella vasca varia nel corso della giornata. Un convertitore di frequenza collegato al sensore di ossigeno riduce il consumo di energia abbassando i giri/min della soffiante in base al fabbisogno reale. Tuttavia le macchine volumetriche come la soffiante roots, a differenza dei ventilatori centrifughi, richiedono una coppia pressoché costante anche a bassi giri/min. Se il motore deve lavorare a lungo a bassa velocità, la ventola sull'albero può non assicurare un raffreddamento sufficiente e può servire un ventilatore esterno; questa esigenza va chiarita in fase d'ordine.

Poiché i motori delle soffianti funzionano per gran parte dell'anno, la classe di efficienza si riflette direttamente sui costi di esercizio. Ad esempio, per un motore a 4 poli da 37 kW il limite di rendimento è 93,9% per IE3, 95,2% per IE4 e 96,1% per IE5. Su una soffiante in funzione tutto l'anno, questa differenza di pochi punti può superare agevolmente, nell'arco della vita del motore, la differenza di prezzo d'acquisto. Come si calcola il vantaggio in abbinamento al convertitore è illustrato con esempi nell'articolo sul risparmio energetico con VFD.

L'edificio delle soffianti è di solito chiuso e caldo. Le serie HEM Motor erogano i valori nominali fino a una temperatura ambiente di +40 °C; in un locale soffianti poco ventilato questo limite può essere superato d'estate. In tal caso si migliora la ventilazione del locale oppure si sceglie il motore della potenza superiore o con un calcolo di declassamento.

Sedimentazione e carriponte raschiatori: un carico lento ma continuo

Nelle vasche di sedimentazione primaria e secondaria, ponti rotanti o a moto alternato raccolgono i fanghi depositati sul fondo. Il motore di azionamento è di piccola potenza, ma la velocità in uscita è molto bassa; per questo si usano riduttori ad alto rapporto o rotismi a più stadi. L'azionamento della ruota del ponte è all'aperto: pioggia, neve, sole e gelo sono le condizioni quotidiane del motore. Il motore, in posizione verticale od orizzontale, è di norma flangiato a un riduttore.

In questi azionamenti si osservano spesso due errori. Il primo è che il motore che lavora all'aperto accumula condensa durante le lunghe soste e, alla fine di un inverno, la resistenza d'isolamento cala; qui contano la resistenza anticondensa e il corretto orientamento della morsettiera. Il secondo è la sollecitazione del ponte quando d'inverno si forma ghiaccio sulla superficie della vasca. In un azionamento privo di limitatore di coppia o di protezione da sovraccarico, questo carico grava direttamente su riduttore e motore.

Linea fanghi e digestore: l'incontro con le zone a rischio gas

Passando alla linea fanghi, il quadro cambia. Le pompe fanghi sono per lo più di tipo volumetrico (a rotore elicoidale o a lobi) e richiedono una coppia elevata all'avviamento; a differenza della pompa centrifuga, la loro coppia non cala nemmeno a bassi giri/min. Se la velocità viene regolata con un convertitore, il motore deve poter erogare coppia costante a bassi giri/min senza problemi di raffreddamento.

Il digestore anaerobico è il luogo in cui si produce il biogas. Agitatori e pompe di ricircolo fanghi all'interno del serbatoio funzionano in continuo. Una parte degli agitatori interni è di tipo sommergibile e il loro motore è un prodotto del costruttore del miscelatore; negli agitatori ad albero che scendono dalla sommità del serbatoio, invece, motore e riduttore si trovano sopra il serbatoio. La sommità del serbatoio, la cupola del gas, la linea gas, lo stoccaggio del gas e l'area attorno al cogeneratore possono essere classificati come zone con atmosfera esplosiva a causa del metano.

A questo punto occorre essere chiari: la classificazione delle zone viene fatta con il documento di protezione contro le esplosioni dell'impianto e in queste zone si possono usare solo motori Ex certificati per la zona specifica. Un motore standard, per quanto elevato sia il suo grado di protezione IP, non può essere usato in zona Ex. Il catalogo 2026 di HEM Motor non comprende motori certificati Ex; per le esigenze in queste zone occorre rivolgersi a un costruttore che fornisca prodotti certificati. La logica della classificazione delle zone è illustrata a grandi linee nell'articolo su quando è necessario un motore antideflagrante. Nello stesso impianto, per le apparecchiature di sollevamento, ossidazione, sedimentazione e disidratazione al di fuori delle zone si usano motori industriali standard.

Disidratazione: decanter, presse e coclee

I decanter e le nastropresse che riducono il volume dei fanghi sono le macchine meccanicamente più impegnative dell'impianto. Nel decanter l'azionamento principale accelera ad alti giri/min un grande tamburo; l'avviamento è lungo e il motore deve accelerare un carico ad alta inerzia senza surriscaldarsi. Il tempo di avviamento va verificato separatamente nella scelta di motore e avviatore. L'azionamento ausiliario fornisce invece la differenza di velocità tra tamburo e coclea ed è per lo più controllato da convertitore.

Le coclee che trasportano i fanghi disidratati sono azionamenti a bassi giri/min, con riduttore e soggetti a inceppamenti. Al variare della consistenza dei fanghi la coppia oscilla; un riduttore con fattore di servizio elevato e una protezione che rilevi l'inceppamento ne allungano la durata. Le grandezze adatte a questi azionamenti sono visibili nella pagina riduttori a vite senza fine.

Tre temi che riguardano l'intero impianto

Idrogeno solforato e corrosione

L'idrogeno solforato contenuto nei gas fognari si concentra soprattutto nell'opera di presa, nella stazione di sollevamento e nell'edificio fanghi. Questo gas corrode il rame e le superfici metalliche; collegamenti in morsettiera, capicorda e zone della carcassa con vernice danneggiata sono i primi punti colpiti. Nella scelta del motore per volumi chiusi poco ventilati, sistema di verniciatura, pressacavi a tenuta e protezione della morsettiera vanno specificati fin dall'inizio. I motori HEM Motor sono verniciati a polvere elettrostatica; per ambienti fortemente corrosivi le protezioni aggiuntive vanno discusse in fase d'ordine.

Ridondanza

Un depuratore non può fermarsi; pompe di sollevamento e soffianti funzionano di solito con unità di riserva. Se l'unità di riserva resta ferma per settimane, è esposta anch'essa a problemi di condensa e di cuscinetti. Far funzionare a rotazione pompe e soffianti bilancia le ore di esercizio e dimostra che la riserva è davvero pronta all'uso.

Funzionamento continuo e monitoraggio

La maggior parte delle apparecchiature principali lavora in servizio continuo S1. Nei grandi motori di soffianti e pompe, i sensori PTC o PT100 nell'avvolgimento segnalano l'aumento di temperatura prima che si verifichi un guasto. Questi sensori possono essere richiesti come opzione in fase d'ordine.

Conclusione

In un impianto di depurazione o di biogas il fabbisogno di motori cambia sezione per sezione lungo il percorso di acqua e fanghi: nel sollevamento oscillazioni di portata e marcia a secco, nell'ossidazione energia e raffreddamento a bassi giri/min, nella sedimentazione ambiente esterno e velocità molto bassa, nella linea fanghi coppia costante e zone a rischio gas, nella disidratazione avviamento lungo e inceppamenti. Se desidera una valutazione dei motori al di fuori delle zone Ex, sulla base dello schema unifilare e della classificazione delle zone del Suo impianto, può contattarci.

Domande frequenti

In un impianto di biogas tutti i motori devono essere certificati Ex?

No. Il motore Ex è necessario solo nei luoghi classificati come zona nel documento sulle atmosfere esplosive dell'impianto; sommità del digestore, linea gas e stoccaggio del gas sono esempi tipici. Nelle aree fuori zona, come stazione di sollevamento, ossidazione e disidratazione, si usano motori industriali standard.

Il motore della soffiante di ossidazione può funzionare con convertitore di frequenza?

Sì, la regolazione dei giri/min in base al fabbisogno di ossigeno è un metodo diffuso di risparmio energetico. Poiché le soffianti roots richiedono coppia elevata anche a bassi giri/min, se il motore deve lavorare a lungo a bassa velocità va verificata l'adeguatezza del raffreddamento e, se necessario, valutato un ventilatore esterno.

Perché il motore del carroponte raschiatore si guasta spesso?

In questi motori, che lavorano all'aperto e restano a lungo a basso carico, le cause più frequenti sono la condensa e la sollecitazione dovuta al ghiaccio in inverno. Resistenza anticondensa, corretto orientamento della morsettiera e protezione da sovraccarico prevengono la maggior parte dei guasti.

Come capire se il motore della pompa di sollevamento sta girando a secco?

In una pompa che lavora a secco o con aspirazione intasata, la corrente del motore scende nettamente sotto il valore normale. Poiché il relè termico non rileva questa condizione, usare un relè di protezione motore con protezione di minima corrente è il modo pratico per evitare danni a pompa e tenute.