Nozioni generali Impianti Turbine Applicazioni Quadro del settore Notizie sulla energia idroelettrica
Nozioni generali
Energia idroelettrica è un termine usato per definire l'energia elettrica ottenibile a partire da
una caduta d'acqua, convertendo con apposito macchinario l'energia meccanica contenuta
nella portata d'acqua trattata. Gli impianti idraulici, quindi, sfruttano l'energia potenziale
meccanica contenuta in una portata di acqua che si trova disponibile ad una certa quota
rispetto al livello cui sono posizionate le turbine.
La generazione idroelettrica, nella produzione globale ha raggiunto
a livelli internazionali e nazionali una notevole considerazione.
In particolare un aspetto che occorre mettere in evidenza
è il potenziale ancora non sfruttato delle “microidraulica” ovvero
impianti di produzione che utilizzano salti di altezze contenute e
altrettanto ridotte portate.
La spesa per la realizzazione di queste centrali è dipendente
dalle caratteristiche del luogo dove se ne prevede la realizzazione,
ovvero dalle caratteristiche dei manufatti necessari
all’imbrigliamento al convogliamento e, successivamente, allo scarico dell’acqua
utilizzata per la produzione, nel corpo idrico originale.
Le limitate risorse necessarie per delle centrali di microidraulica con potenzialità da
10 kw a 100 kw consente il loro impiego in siti potenzialmente interessanti proprio
per questa loro peculiarità.
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Impianti
La potenza di un impianto idraulico dipende da due termini: il salto (dislivello
esistente fra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica svasata e il livello a cui la
stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso la turbina) e la portata (la massa
d’acqua che fluisce attraverso la macchina espressa per unità di tempo).
In base alla taglia di potenza nominale della
centrale, gli impianti idraulici si suddividono in:
Micro-impianti: P < 100 kW;
Mini-impianti: 100 < P (kW) < 1000;
Piccoli-impianti: 1000 < P (kW) < 10000;
Grandi-impianti: P > 10000 kW.
Gli impianti possono essere poi:
ad acqua fluente;
a bacino;
di accumulo a mezzo pompaggio.
In funzione del salto gli impianti idraulici possono essere:
a bassa caduta (H > 50 m);
a media caduta (H = 50 ÷ 250 m);
ad alta caduta (H = 250 ÷ 1000 m);
ad altissima caduta ( H > 1000 m).
Mentre in funzione della portata si parla di:
piccola portata (Q > 10 m³/s);
media portata (Q = 10 ÷ 100 m³/s);
grande portata (Q = 100 ÷ 1000 m³/s)
altissima portata (Q > 1000 m³/s).
Non tutti gli impianti Mini-Hydro sono catalogabili fra quelli con i più bassi livelli di
caduta e portata, dal momento che la taglia è individuata dal prodotto di queste due
grandezze come meglio evidenziato più avanti dalla relazione. Una centrale è composta in genere da un’opera di derivazione (contenente uno sbarramento), un’opera di adduzione (condotte di collegamento), una condotta
forzata, una centrale elettrica che contiene il macchinario di conversione e generazione
e un’opera di restituzione.
 La derivazione di acque è regolata per legge sulla base di apposite concessioni governative che risultano sempre a titolo oneroso e che sono soggette a rinnovo
con durata, in genere, almeno ventennale. La portata derivata da un bacino deve
essere tale da rispettare l’ambiente e l’idrologia del corpo idrico intercettato. Il cosiddetto
Deflusso Minimo Vitale (DMV) rappresenta il limite posto alla portata derivabile
affinché l’impianto sia compatibile con l’ambiente. La potenza effettivamente
ritraibile da un impianto idraulico si esprime secondo la seguente formula:
P = µ . Q . H . 9,81
ove µ rappresenta il rendimento globale dell’impianto, Q la portata espressa in m³/s
e H il salto geodetico espresso in m.
Una delle particolarità salienti di questi impianti è legata al fatto che per tipologia
impiantistica e taglia si prestano ad essere del tutto automatizzati. L’impiego di
macchinario elettromeccanico realizzato ad hoc consente in qualche modo di ottimizzarne
i costi ma va comunque tenuto presente che i costi legati a questa voce
non superano in genere il 10-15% del totale.
Il macchinario è costituito in genere da piccole turbine Francis e Pelton per gli impianti con maggiori salti.
Nel campo delle portate più elevate e dei salti contenuti, si sono assai diffuse le
turbine dette Banki-Mitchell che in un prossimo futuro potrebbero essere sostituite
da nuovi prototipi studiati e progettati presso l’Università degli Studi di Roma “La Sapienza".
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 Impianti ad accumulo o a serbatoio
Sono impianti con tutte le caratteristiche degli impianti tradizionali ma che ricavano la disponibilità di acqua nel serbatoio superiore mediante sollevamento elettromeccanico (con pompe o con la stessa turbina di produzione). Questo tipo di impianto consiste in due serbatoi di estremità, collocati a quote differenti, collegati mediante i manufatti tipici di un impianto idroelettrico: nelle ore diurne di maggior richiesta (ore di punta) dell'utenza l'acqua immagazzinata nel serbatoio superiore è usata per la produzione di energia elettrica; nelle ore di minor richiesta (ore notturne) la stessa viene risollevata al serbatoio superiore. In questo modo l'uso della corrente elettrica per pompare l'acqua nel serbatoio superiore viene restituita quasi integralmente in una forma di maggior pregio perché restituita nelle ore di maggior richiesta.
La diffusione di un gran numero di questi impianti,anche se di dimensioni medie e piccole, permetterebbe da un lato una maggiore ritenzione di acqua nel territorio, cosa sempre utile, e da un altro lato la possibilità di attenuare i fenomeni alluvionali, nel caso di abbondanti piogge i serbatoi sarebbero riempiti senza la necessità di pompare acqua da valle a monte, in questi casi si ha un guadagno netto di energia elettrica.
Gli impianti idroelettrici a serbatoio o ad accumulo sono attualmente il miglior sistema di accumulo di energia, se tali sistemi fossero adottati in un numero maggiore ciò permetterebbe da un lato la necessità di un minor numero di centrali termoelettriche, oggi necessarie per soddisfare i fabbisogni di punta, dall'altro lato permetterebbero il massimo rendimento delle stesse centrali termoelettriche e anche delle centrali ad acqua fluente nonché dei sistemi eolici, solari e dei sistemi derivati dalle fonti di energia rinnovabili in genere. |
 Mini-idroelettrico
Il micro-idro è una fonte rinnovabile ancora ampiamente da sfruttare, comprende gli impianti inferiori ai 100kW di potenza e fino a pochi kW. E' sufficiente avere salti di 7/20 metri con poca o pochissima portata o piccoli salti con buona e costante portata d'acqua, è possibile sfruttare anche la corrente dei corsi d'acqua: agli inizi del secolo scorso molti laboratori artigiani utilizzavano semplici canali per azionare macchine utensili con piccole pale/mulini accoppiati a pulegge tramite cinghie di trasmissione. Inoltre esistono in commercio piccolissimi sistemi idroelettrici integrati, a partire da 0,2 kW di potenza, facilmente installabili in moltissime situazioni con salti e portate minime.
Il vantaggio di questi piccolissimi sistemi è la non necessaria autorizzazione al prelievo delle acque e un inesistente impatto ambientale, naturalmente devono essere applicati con un minimo di buon senso per evitare comunque uno spreco di acqua potabile che rimane una fonte preziosa. Il potenziale di questi piccoli sistemi è completamente ignorato e quindi non esistono ricerche ufficiali in tal senso ma una valutazione empirica fatta da tecnici e liberi professionisti del settore rivela un potenziale tutt'altro che trascurabile. |
Turbine
La turbina idraulica è quel dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica; è essenzialmente costituita da un organo fisso, il distributore e da uno mobile, la girante. Il primo ha tre compiti essenziali: indirizza la portata in arrivo alla girante imprimendovi la direzione dovuta, regola la portata mediante organi di parzializzazione, provoca una trasformazione parziale o totale in energia cinetica dell'energia di pressione posseduta dalla portata. L'entità di questa trasformazione è l'elemento più importante per la classificazione delle turbine: quando la trasformazione da potenziale a cinetica avviene completamente nel distributore, si parla di turbine ad azione, altrimenti di turbine a reazione. La girante infine trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica resa sull'albero motore.
Turbina Pelton
La Turbina Pelton fu inventata da Lester Allan Pelton Lester, carpentiere, nel 1879 mentre lavorava in california, e risulta essere ancora oggi la turbina con rendimento piu elevato. E' utilizzata per grandi salti (maggiori di 50 m) e piccole portate (inferiori a 50 m³/s), si utilizza quindi solitamente per i bacini idroelettrici alpini.
L'energia potenziale dell'acqua (U = mgh) accumulata ad elevate altitudini giunge alla turbina tramite dei "condotti forzati" (grosse tubature) che conducono l'acqua a valle. Un ugello (o piu' di uno) indirizzano l'acqua sulle pale della pelton determinandone la rotazione. L'ugello grazie alla sua forma trasforma in energia cinetica (E = 1 / 2mv2) tutta la pressione contenuta sui condotti, così il getto sulla turbina non sarà in pressione: proprio per questo la turbina pelton è detta anche turbina ad azione.
La forma delle pale è quella di due cucchiai appaiati, qui il getto li investe centralmente, quindi si divide a metà per uscire ai lati sottoforma di due getti separati. Il flusso di acqua in uscita dall'ugello viene deviato di circa 180° dalle pale della turbina, che, come conseguenza, subiscono una spinta (verso l'alto nel disegno) come reazione alla deviazione del flusso stesso. La massima spinta avviene a girante ferma, ovvero quando la differenza tra la velocità del getto e della girante è piu grande, quindi una caratterisica positiva di questo tipo di turbina è avere un transitorio di avviamento molto breve.
Un'altro aspetto particolarmente apprezzato è l'ampio margine di regolazione della girante, si può regolare la portata del getto, riducendolo in sezione (quindi ottenere una potenza minore), senza che vada ad influire negativamente sul rendimento della trasformazione energetica.
I salti su cui si impiegano le turbine Pelton, vanno generalmente dai 1400m fino anche ai 300m, ovviamente l'architettura della girante tra i due estremi varierà abbastanza. Man mano che il salto decresce, cioè scendendo a valle, si ha un bacino di raccolta maggiore con conseguenti portate più impegnative. Per far fronte a questo fenomeno è necessario impiegare pelton con cucchiai più grandi oppure suddividere il getto in piu parti, così da avere la pelton poligetto, questa seconda soluzione permette di utilizzare giranti piu piccole di diametro e quindi che ruotano piu velocemente. |
Turbina Turgo
La Turgo è una turbina ad azione che può lavorare con salti tra i 15 ed i 300m. Rispetto alla Pelton ha pale con forma e disposizione diverse ed il getto colpisce simultaneamente più pale, similmente alle turbine a vapore. Il volume d'acqua che una turbina Pelton può elaborare è limitato dal fatto che il flusso di ogni ugello possa interferire con quelli adiacenti, mentre la turbina Turgo non soffre di questo inconveniente.
Il minor diametro necessario comporta, a parità di velocità periferica della girante, una maggiore velocità angolare, che consente quindi l'accoppiamento al generatore senza il moltiplicatore, con conseguente diminuzione dei costi ed aumento dell'affidabilità. Non diffusa in Italia, bensì nel resto dell'Europa, i costruttori la consigliano per situazioni con notevole variazioni di afflussi ed acque torbide.
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Turbina Cross-Flow
Turbina a flusso incrociato,viene anche chiamata turbina Banki-Michell, in onore dei suoi inventori, oppure turbina Ossberger, il nome della ditta che la fabbrica da più di 50 anni. Questa turbina ad azione si utilizza con una gamma molto ampia di portate e salti tra 5 m e 200 m.
Il suo rendimento massimo è inferiore all'87%, però si mantiene quasi costante quando la portata discende fino al al 16% della nominale e può raggiungere una portata minima teorica inferiore al 10% della portata di progetto.
L'acqua entra nella turbina attraverso un distributore e passa nel primo stadio della ruota, che funziona quasi completamente sommersa (con un piccolo grado di reazione).
Il flusso che abbandona il primo stadio cambia di direzione al centro della ruota e s'infila nel secondo stadio, totalmente ad azione. La ruota è costituita da due o più dischi paralleli, tra i quali si montano, vicino ai bordi, le pale, costituite da semplici lamiere piegate. Queste ruote si prestano alla costruzione artigianale nei paesi in via di sviluppo, anche se non raggiungono i rendimenti dei gruppi realizzati con tecnologie appropriate.
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 Turbina Kaplan
La turbina Kaplan, fu inventata nel 1913 dal professore austriaco Viktor Kaplan. Girante Kaplan: ai lati si notano le due sezioni del condotto a chiocciola, poi le pale del distributore (in verde), centralmente la girante. Le linee azzurre rappresentano le linee di fluido. In basso la macchina continuerà con il tubo diffusore.
E' una turbina idraulica a reazione che sfrutta piccoli dislivelli, fino a qualche decina di metri, ma con grandi portate, da qualche decina di m³ in su. Costruttivamente è un'elica, ove le pale si possono orientare, al variare della portata d'acqua permettendo di mantenere alto il rendimento fino a portate del 20-30% della portata nominale.
Il liquido giunge sulla turbina grazie ad un condotto a forma di chiocciola che alimenta tutta la circonferenza, poi attraversa un distributore fisso che da al fluido una rotazione vorticosa, essenziale per imprimere il moto alla girante, ove il flusso deviato di 90° la investe assialmente. Allo scarico come per la turbina Francis posso recuperare energia grazie al diffusore.
Se abbiamo una turbina ad elica, la regolazione è praticamene nulla, quindi può funzionare solo per una certa portata, infatti il distributore non è nemmeno regolabile. Con la turbina Kaplan grazie all'orientazione delle pale della girante posso adattarmi alla portata presente. Si è soliti usare insieme queste due turbine: le eliche funzioneranno a pieno regime e il fluido eventualmente eccedente lo si fa lavorare sulla kaplan, qualsiasi sia la sua entità. Installare tutte kaplan sarebbe molto piu dispendioso.
La potenza massima oggi raggiunta dalle turbine Kaplan è di circa 200.000 kW in alcune turbine impiegate in impianti brasiliani.
La turbina a bulbo è un tipo di turbina appartenente alla famiglia delle Kaplan, molto semplice in quanto è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro). La sua particolarità è che solitamente il bulbo contiene pure l'alternatore per la produzione di energia elettrica, inoltre può funzionare con un flusso in entrambi i sensi, come sono utilizzate sulle centrali maremotrici.
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Turbina Francis
La turbina Francis, è una turbina a reazione, sviluppata da James B. Francis James_nel 1848, un ingegnere inglese trasferitosi in america, oggi rappresenta il tipo di turbina più utilizzato. È una turbina a flusso centripeto: l'acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola che la lambisce interamente, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, statorica, indirizzano il flusso per investire le pale della girante.
La turbina è detta a reazione, poiché non sfrutta solo la velocità del getto d'acqua, anzi quando giunge nella girante è ancora in pressione. Tramite il condotto convergente delle pale del distributore e della girante si finisce di trasformare la pressione ancora presente in velocità (energia cinetica). Addirittura all'uscita della girante per sfruttare al massimo il fluido, si cerca di ricomprimerlo, così da creare una sorta di effetto vuoto, che fa aumentare ancora di piu la differenza di pressione. Questo è un fenomeno che è possibile realizzare tramite un diffusore, ovvero un cono che dall'uscita della girante va ad immergersi sul canale di scarico. Se si esagera nella ricerca del vuoto però si ricade nel fenomeno, sgradito, della cavitazione, l'acqua si trasformerebbe in vapore per effetto della bassa pressione, corrodendo i palettamenti della girante.
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Applicazioni
In genere molti impianti di piccola taglia si trovano realizzati in aree montane su
corsi d’acqua a regime torrentizio o permanente e l’introduzione del telecontrollo,
telesorveglianza e telecomando ed azionamento consentono di recuperarli ad una
piena produttività, risparmiando sui costi del personale di gestione, che in genere si
limita alla sola manutenzione ordinaria con semplici operazioni periodiche (ad es.
la sostituzione dell’olio per la lubrificazione delle parti).
Molti impianti di piccola taglia attuano il cosiddetto recupero energetico. I sistemi
idrici nei quali esistono possibilità di recupero sono assai diversi e possono essere
indicativamente raggruppati nelle seguenti tipologie:
- acquedotti locali o reti acquedottistiche complesse;
- sistemi idrici ad uso plurimo (potabile, industriale, irriguo, ricreativo, etc.);
- sistemi di canali di bonifica o irrigui;
- canali o condotte di deflusso per i superi di portata;
- circuiti di raffreddamento di condensatori di impianti motori termici.
In linea generale, nei sistemi idrici in cui esistono punti di controllo e regolazione
della portata derivata o distribuita all’utenza, come pure dei livelli piezometrici,
attraverso organi del tipo di paratoie, valvole, opere idrauliche (vasche di disconnessione,
sfioratori, traverse, partitori), cioè sistemi di tipo dissipativo, è possibile installare turbine idrauliche che siano in grado di recuperare salti altrimenti perduti.
Si può dire che esiste la convenienza a realizzare impianti di piccola taglia ove le
condotte già esistano insieme a salti e portate interessanti, sotto questo punto di
vista gli acquedotti rappresentano una significativa possibilità di sfruttamento.
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Quadro del settore
L'energia idroelettrica è l'unica energia da fonte rinnovabile che viene utilizzata su larga scala e il suo contributo alla produzione mondiale di energia elettrica è cresciuto dal 14.5% del 1986 al 20% del 1992. Attualmente nel mondo sono installati 740.000 MW di impianti idroelettrici, con una produzione di 3.200 TWh che rappresentano circa il 20% dell'attuale consumo di energia elettrica.
Ed anche in Italia, secondo le analisi condotte da TONDI et al. (1999) esistono quote significative di possibile
crescita per gli impianti idraulici e tali stime trovano conferma anche nelle valutazioni
dell'ENEA (1998) secondo cui sarebbe possibile realizzare in Italia, entro il 2010, 850 MWe di
impianti idraulici di taglia small (P > 10 MW), avendone messi in funzione per circa 311 MWe
entro il 2001 insieme a 450 MWe di impianti di taglia superiore a 10 MWe.
Non è noto se tali stime abbiano tenuto conto, in una qualche maniera, del fatto che nel Nostro
Paese risultino in scadenza, proprio nel biennio 1998-2000, numerose concessioni governative
alla derivazione di risorse idriche per uso elettrico. Questa questione potrebbe essere
suscettibile di creare una qualche barriera allo sviluppo dei nuovi impianti oppure al riavvio di
quelli legati alle concessioni in scadenza.
Nonostante l'esistenza delle graduatorie del CIP 6/'92, e quindi la possibilità di sviluppare
impianti della potenza inferiore a 10 MW fino ad un totale di 3300 MW [ENEA (1998)] 1,
non è chiaro come sia possibile sviluppare nuovi impianti idraulici se non saranno definiti i
rapporti con il sistema delle concessioni alla derivazione e sul meccanismo attuativo dei
certificati verdi.
 Nel quadro dell'analisi TONDI et al. (1999) sono stati individuati 814 siti
potenziali di cui circa 450 in aree di tipo urbano e suburbano e 107 nella sola Regione Valle
d'Aosta, per un totale di circa 921 siti. In tali siti potrebbero sorgere nuovi impianti oppure si potrebbe procedere al recupero ed al
potenziamento di quelli esistenti che risultano dismessi o comunque abbandonati anche per
problemi inerenti alle concessioni. Dai 456 siti potenziali rilevati sarebbe possibile, attraverso l'installazione di impianti per una
potenza stimata pari a 115 MW 2, generare circa 500 GWh/anno con un fattore di
utilizzazione medio pari a circa 4500 h/anno.
L'investimento totale per tutti i siti esaminati assommerebbe a circa 880 miliardi di lire italiane,
mentre per le sole aree urbane si dovrebbero spendere solo 283 miliardi di lire. È particolarmente significativo il fatto che, sugli 814 siti ipotizzati, solo 31 consentirebbero l'installazione di impianti con una potenza superiore a 1 MW.
Il costo medio del kWh degli impianti mini-hydro varia dalle 85 alle 115 £ in funzione delle
caratteristiche del sito (salto e portata). Per uno sviluppo di tutti gli impianti individuati nel precedente par. si è stimata una somma
pari a circa 880 miliardi di lire, con un costo unitario della potenza installata pari a circa
2.086.821 lire. Alcune turbine Banki, realizzate in Italia, per impianti micro-hydro hanno costi compresi fra 1,5
e 2,5 milioni di lire/kW nella classe da 10 a 60 kW.
Un possibile incentivo alla realizzazione degli impianti, ipotizzati per le aree urbane e/o
suburbane, potrebbe venire dalla loro integrazione in sistemi DPS (piccoli impianti distribuiti di
accumulo a mezzo pompaggio) del tipo proposti da REYNOLDS (1995) ed in questo caso
tali impianti potrebbero, significativamente, partecipare al miglioramento della qualità del
sistema di distribuzione elettrica a livello locale, specie nelle aree appenniniche della penisola.
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Fonti: www.enea.it, www.enel.it, www.energoclub.it, www.greencrossitalia.it
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