Centrali Idroelettriche

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Energia idroelettrica

L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono emissioni), alternativa e rinnovabile, che sfrutta la trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale, posseduta da una certa massa d'acqua ad una certa quota altimetrica, in energia cinetica al superamento di un certo dislivello; tale energia cinetica viene infine trasformata, grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina, in energia elettrica.

Storia

I greci e i romani furono le prime civiltà nel Mondo allora conosciuto, ad utilizzare la potenza dell'acqua, o più precisamente dell'energia cinetica prodotta dal liquido; si deve però specificare che queste due antiche civiltà sfruttarono questo tipo di energia rinnovabile solo per azionare semplici mulini ad acqua per macinare il grano. Si deve aspettare il Basso Medioevo, e le scoperte portate dal popolo degli Arabi del Nord Africa, per avere altri metodi di sfruttamento dell'energia contenuta in un flusso d'acqua: furono sempre più utilizzate, sia per l'irrigazione dei campi sia per la bonifica di vaste zone paludose, la ruota idraulica, schematizzabile come un mulino senza pale che ruotava su un punto fisso per azione della forza esercitata dall'acqua stessa. Un progresso tecnico di enormi proporzioni si è avuto alla fine dell'Ottocento, circa all'inizio della Seconda Rivoluzione Industriale avvenuta in Europa e non solo, in seguito all'evoluzione della ruota idraulica in turbina, macchina motrice costruita da una ruota a pale imperniata su un asse, che all'inizio erano grossolane e schematizzate, ma con le innovazioni tecnologiche, soprattutto della prima metà del Novecento, divenne sempre più perfezionata e funzionale.

Descrizione

L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate. Esistono vari tipi di diga: nelle centrali a salto si sfruttano grandi altezze di caduta disponibili nelle regioni montane. Nelle centrali ad acqua fluente si utilizzano invece grandi masse di acqua fluviale che superano piccoli dislivelli; per far questo però il fiume deve avere una portata considerevole e un regime costante.
L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata a valle attraverso condutture forzate, trasformando così la sua energia potenziale in energia di pressione e cinetica grazie al distributore e alla turbina. L'energia cinetica viene poi trasformata attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Per permettere di immagazzinare energia e di averla a disposizione nel momento di maggiore richiesta, sono state messe a punto centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio. Nelle centrali idroelettriche di pompaggio, l'acqua viene pompata nei serbatoi a monte sfruttando l'energia prodotta e non richiesta durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore, si può disporre di ulteriori masse d'acqua da cui produrre energia. Questi impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di disponibilità per utilizzarla nei momenti di bisogno.
L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita (non vi sono emissioni), alternativa e rinnovabile, tuttavia la costruzione di dighe e grandi bacini o invasi artificiali, con l'allagamento di vasti terreni, apporta sempre e comunque un certo impatto ambientale che nei casi più gravi può provocare lo sconvolgimento dell'ecosistema della zona con grandi danni ambientali, come è successo con la grande diga di Assuan in Egitto, oppure rischi di tipo idrogeologico come accaduto nel disastro del Vajont.
La produzione di energia idroelettrica può avvenire anche attraverso lo sfruttamento del moto ondoso, delle maree e delle correnti marine. In questo caso si parla di energia mareomotrice.

Bacino idroelettrico

Il bacino idroelettrico serve a raccogliere le acque di un fiume in una conca artificiale, il cui elemento principale è la diga, e farne alzare la quota, per poterne in seguito utilizzare il dislivello per la generazione di energia elettrica. Dal bacino alla centrale dove sono situati i generatori, è presente una condotta forzata, ovvero un tubo che ha l'imbocco iniziale largo e quello terminale stretto, per favorire la velocità di uscita sulle pale delle turbine.

Centrale idroelettrica

Per centrale idroelettrica si intende una serie di opere di ingegneria idraulica posizionate in una certa successione, accoppiate ad una serie di macchinari idonei allo scopo di ottenere la produzione di energia elettrica da masse di acqua in movimento. L'acqua viene convogliata in una o più turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua. Ogni turbina è accoppiata a un alternatore che trasforma il movimento di rotazione in energia elettrica.

Classificazione in base al tipo

Le centrali si classificano in base a diverse tipologie di impianto.

Centrali ad acqua fluente

L'acqua viene convogliata in una condotta forzata da li poi viene immessa nelle turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua, producendo così energia meccanica, ognuna di esse è accoppiata a un alternatore che trasforma il movimento di rotazione in energia elettrica.
La velocità impressa dall'acqua alle turbine viene generata attraverso una differenza di quota, detta "salto", che si traduce in pressione idrodinamica alla quota in cui sono posizionate le turbine.

Centrali a bacino

A differenza delle "centrali ad acqua fluente" viene creato un lago artificiale per mezzo dello sbarramento di una gola fluviale con una diga, da cui poi partono le condotte, le quali vengono arricchite da un pozzo piezometrico (interposto prima della turbina) che smorza ed evita gli effetti dirompenti del colpo d'ariete (enormi sovrappressioni che si generano quando la turbina viene fermata tramite la chiusa della condotta).

Centrali con impianti ad accumulazione

A differenza delle "centrali a bacino" sono dotate di un bacino di raccolta anche a valle: l'acqua che ha generato energia elettrica durante il giorno passando nelle turbine può essere riportata dal bacino di valle al bacino di monte durante le ore di minor richiesta di energia (ad esempio di notte), mediante pompaggio, utilizzando per questa operazione l'energia elettrica in eccesso prodotta dalle centrali di tipo "sempre acceso" e non diversamente accumulabile. In altre parole il bacino di monte viene "ricaricato" durante la notte e le masse d'acqua riportate a monte possono quindi essere riutilizzate nelle ore di maggiore richiesta energetica.
Quest'ultimo tipo di centrali sono dette impianti ad accumulazione. In essi si realizzano gruppi ternari di macchine, ossia la turbina, la pompa e il macchinario elettrico che, essendo reversibile, funziona all'occorrenza da generatore o da motore. Nel caso l'impianto sia dotato esclusivamente di un bacino di monte e un bacino di valle (senza dunque una componente "fluente"), la centrale viene detta centrale idroelettrica a ciclo chiuso o anche stazione di pompaggio. In taluni impianti è inoltre possibile sfruttare la reversibilità di talune turbine, come ad esempio la turbina Francis, che nel suo funzionamento inverso funziona da pompa, riducendo i costi di impianto e di manutenzione, a fronte di una accettabile perdita di rendimento.

Classificazione in base alla potenza

La potenza di un impianto idroelettrico dipende da due termini:

• il salto, o prevalenza: dislivello esistente fra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica da sfruttare e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso l'impianto
• la portata: la massa d'acqua che fluisce attraverso l'impianto nell’unità di tempo.
In base alla potenza, si distinguono:
• microimpianti: potenza < 100 kW;
• mini-impianti: 100 kW – 1 MW
• piccoli impianti: 1 – 10 MW
• grandi impianti: potenza > 10 MW.

Gli impianti possono essere classificati anche in base alla caduta o salto (H):

• Bassa caduta: H < 50 m
• Media caduta: H = 50-250 m
• Alta caduta: H = 250-1000 m
• Altissima caduta: H > 1000 m

Infine, possono essere classificati in portata (Q)

• 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

Configurazione di un impianto idroelettrico

Un impianto idroelettrico tipico consta delle seguenti parti o strutture:

• Opere di sbarramento: intercettano l’acqua per alimentare un invaso nella località prescelta per la presa. Le dighe sono opere di altezza notevole (fino a centinaia di metri); oltre a fermare il flusso di un fiume o elevare la quota di un lago naturale già esistente, creano un serbatoio utile per la regolazione delle portate. Le traverse sono invece opere di altezza modesta (al massimo qualche decina di metri) che operano uno sbarramento di un fiume entro limiti precisi (solitamente sono costruite in maniera da essere tracimate dall’acqua in caso di elevate portate). Forma e dimensioni di un bacino idrografico sono generalmente determinati dalle caratteristiche geologiche della zona.
• Opere di presa, filtraggio e derivazione dell’acqua: le opere di presa consentono di trasportare l'acqua dallo sbarramento alla centrale; sono costituite da un manufatto di presa (dotato di griglie e di organi di intercettazione) seguito da un’opera di derivazione, cioè un condotto che può essere del tipo:
• canale a pelo libero: l'acqua è a contatto superiormente con l'atmosfera; ha solitamente sezione trapezoidale e può essere scavato nel terreno e dotato di un rivestimento in calcestruzzo
• condotta in pressione: ha sezione circolare ed è realizzata mediante tubazioni di acciaio.
• Vasca di carico e pozzo piezometrico: il condotto di derivazione termina con una vasca di carico, se il canale è a pelo libero, oppure con un pozzo piezometrico (per contenere i colpi d’ariete che si manifestano durante i transitori), nel caso di condotte in pressione.
• Condotte forzate e organi di intercettazione: sono le tubazioni che portano l’acqua dalla vasca di carico o dal pozzo piezometrico alla centrale. Il flusso è regolato tramite opportuni sistemi di intercettazione (valvole a sfera, a farfalla, a bulbo...).
• Centrale: edificio nel quale avviene la trasformazione dell’energia e nel quale cono presenti i vari apparati di comando, controllo, ausiliari:
• Turbina idraulica: dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica, resa all'albero motore
• Alternatore: macchina elettrica rotante, collegata direttamente alla turbina, in grado di trasformare in energia elettrica l'energia meccanica ricevuta dalla turbina
• Trasformatore: macchina elettrica statica utilizzata per rendere le caratteristiche della corrente elettrica prodotta idonee al convogliamento nelle linee di trasmissione a grande distanza, attraverso l’abbassamento dell’intensità e innalzamento della tensione a migliaia di volts
• Sistemi di controllo e automazione: dispositivi che regolano il funzionamento dell’impianto, tramite la misura dell’energia elettrica prodotta, il controllo dei parametri funzionali dell’impianto, la gestione delle fasi di avvio e fermata, l’interfaccia con la rete.. Molte centrali elettriche operano attualmente senza la presenza permanente di personale, grazie ai sistemi automatizzati
• Opere di restituzione: sistema di trasporto dell’acqua in uscita dalla turbina, e la restituzione al corso d’acqua, a valle, delle portate prelevate a monte. Solitamente sono costituite da un canale o galleria e un opportuno manufatto di sbocco.

Impianti mini-idro

Le maggiori possibilità di nuove installazioni idroelettriche sono attualmente su piccola scala, attraverso il ricorso a impianti classificabili come mini-idro, cioè con taglia inferiore a 10 MW (comprendono quindi i piccoli, mini e micro, secondo la classificazione precedente).
Nel 2003, secondo i dati del GRTN (Gestore Nazionale Rete Trasmissione), in Italia erano attivi:
• 1.122 impianti da 0 a 1 MW
• 583 impianti da 1 a 10 MW
per una potenza installata di 2.300 MW circa.
Il mini-idro è considerato, nei documenti programmatici sulle fonti rinnovabili, come uno dei settori dove è possibile operare maggiori sviluppi.

Alcuni fattori che rendono interessante questa categoria di impianti:

• Copertura della domanda elettrica nazionale. Pur essendo di limitata potenza unitaria, possono diventare complessivamente molto numerosi, e quindi apportare un contributo non trascurabile. Nell’attuale contesto di liberalizzazione del mercato elettrico contribuiscono inoltre positivamente alla generazione distribuita e all’ampliamento del mix energetico;
• Salvaguardia dell'ambiente. Gli impianti idroelettrici di piccola taglia sono caratterizzati da modalità costruttive e organizzative di scarso impatto sul territorio; inoltre possono essere gestiti, almeno per l'ordinario funzionamento, anche da piccole comunità (alcuni impianti, ad esempio, sono condotti dai gestori di rifugi alpini) ed anche integrati in un uso plurimo ed equilibrato della risorsa acqua;
• Tutela del territorio: la presenza di piccoli impianti sul territorio induce all' osservazione e manutenzione del territorio;
• Tecnologia: i mini-idro sono impianti idroelettrici che si basano sulle tecnologie consolidate degli impianti maggiori; nel caso delle taglie “micro” le tecnologie sono più innovative e stanno mostrando ampi margini di sviluppo;
• Costi di installazione e tempi di ritorno di investimento competitivi rispetto alle altre fonti di energia rinnovabili, grazie anche alle forme di incentivazione.

Configurazione di impianti mini-idro

La suddivisione per taglia degli impianti idroelettrici è basata sulla potenza installata, che è proporzionale al prodotto tra portata e salto idrico. Di conseguenza, gli impianti mini-idro non sono tutti quelli con i più bassi livelli di caduta o i più bassi livelli di portata. Ad esempio, un impianto di potenza prossima di 10 MW può essere realizzato sfruttando cadute medie e portate piccole, oppure cadute basse e portate medie.
Gli impianti mini-idro di potenza compresa tra 100 kW e 10 MW hanno configurazione simile agli impianti di taglia superiore.
La piccola taglia degli impianti impone che, per essere economicamente convenienti, i seguenti costi siano minimi:
• Investimenti iniziali:
• Per i macchinari, sono stati sviluppati turbine idrauliche o gruppi completi composti da turbina, generatore ed apparecchiature di comando e controllo, con caratteristiche più o meno spinte di costruzione in serie. Per quanto concerne le opere civili, alcuni impianti, del tipo ad acqua fluente, sfruttano salti molto contenuti (da 2-3 m fino a 20-30 m), già disponibili in natura o opere preesistenti, simili alle traverse. In tali applicazioni si utilizzano turbine assiali (ad elica o Kaplan) ad asse verticale, che più si prestano a costruzioni di tipo standardizzato con possibilità di forti riduzioni dei costi. Esistono anche installazioni mini-idro che utilizzano salti medi, con turbine Francis ad asse orizzontale, Pelton, o a flusso incrociato.
• Costi di gestione: per ridurre al minimo le spese di conduzione e di manutenzione, assicurando nel contempo la massima utilizzazione delle risorse idrauliche disponibili, i principali accorgimenti sono:
• la realizzazione di impianti destinati a funzionare con esercizio automatico non presidiato, quindi senza personale di turno addetto alla conduzione;
• la definizione attenta delle effettive, e sufficienti, condizioni funzionali da soddisfare, anche rinunciando a pesanti operazioni di adattamento del funzionamento dell’impianto a situazioni occasionali di esercizio;
• la realizzazione della massima semplificazione degli schemi degli indispensabili automatismi, elettrici ed oleodinamici al servizio dei gruppi, attraverso una corretta progettazione coordinata degli impianti, al fine di ridurre il numero dei componenti, facilitare la ricerca e l'eliminazione dei guasti, contribuendo con ciò ad aumentare l'affidabilità;
• l'accurata scelta ed adozione di componenti di elevata affidabilità correttamente installati e accuratamente messi a punto in ogni loro dettaglio prima di iniziare l'esercizio, al fine di ridurre per quanto possibile gli interventi per controllo e manutenzione ed evitare cause di guasto con la conseguente mancata produzione.

Microimpianti

Per quanto riguarda il "microidro“, cioè gli impianti al di sotto dei 100 kW di potenza, il pregio non consiste tanto nel contributo energetico che possono dare al fabbisogno elettrico nazionale, quanto piuttosto nella valorizzazione della risorsa idrica a livello locale. Gli impianti microidroelettrici rappresentano una modalità di sfruttamento di una fonte energetica rinnovabile, che altrimenti andrebbe dispersa, con un bassissimo impatto ambientale.
I principali vantaggi sono i seguenti:
• sfruttano le risorse idriche minori, disponibili in molteplici siti, e la loro installazione è molto semplice
• necessitano di una limitata risorsa idrica per produrre energia elettrica
• producono energia elettrica vicino alle utenze attraverso una generazione distribuita
• sono poco ingombranti e relativamente semplici da trasportare.

Turbine per mini-idro

Nel mini-idro si utilizzano turbine concettualmente simili a quelle per impianti maggiori, progettate con opportuni accorgimenti. Le turbine applicate su questa taglia di impianti hanno le seguenti caratteristiche.

Microturbina Pelton ad asse orizzontale o verticale

Molto simile alle turbine utilizzate negli impianti di taglia maggiore. Per il numero di giri relativamente basso, è adatta per impianti con salti d’acqua di qualche centinaio di metri. Di costruzione semplice e robusta, con ingombro ridotto ed un ottimo rendimento, lavora a pressione atmosferica e non pone problemi di tenuta. È dotata di pale a doppio cucchiaio, con un numero di getti fino a sei. Generalmente tutte le principali parti meccaniche sono realizzate in acciaio inox. Le turbine Pelton sono quelle maggiormente impiegate nei micro-impianti, perché meglio si adattano a sfruttare il potenziale connesso con portate limitate.

Microturbina Turgo

È una turbina con un’azione simile alla Pelton ed è adatta a salti da 30 a 300 m. È adatta per situazioni con notevoli variazioni di afflussi d’acqua e per acque torbide.

Microturbina a flusso radiale o incrociato

È utilizzata per impianti di piccola potenza, poiché è adatta per salti da pochi metri fino a 100 metri e per portate da 20 a 1000 litri/secondo. L’ingresso dell’acqua è radiale, con la particolarità di una doppia azione del fluido sulle pale. La trasmissione del moto al generatore è affidata ad una cinghia dentata. Generalmente i componenti metallici sono realizzati in acciaio inox. Il rendimento delle turbine a flusso incrociato è minore delle turbine Pelton, ma hanno una maggiore facilità costruttiva ed una migliore adattabilità ai piccoli salti.

Miniturbina Francis

La miniturbina Francis è una turbina a reazione valida per centrali con potenza attorno ai 100 kW. La concezione costruttiva è molto simile alle turbine per impianti di taglia maggiore. Il vantaggio di questa macchina consiste nello sfruttamento di tutto il salto disponibile, fino al canale di scarico. La costruzione complessa, l’alta velocità di rotazione che provoca attrito e usura, e taluni problemi di tenuta, rendono problematica l’installazione di queste turbine nei piccoli impianti.

Turbina a coclea (o vite di Archimede)

Funziona sul principio “inverso” della chiocciola di Archimede, brevettata di recente come turbina idroelettrica. È particolarmente adatta per operare in presenza di detriti, semplicità di installazione e manutenzione, bassi costi di impianto e gestione, possibilità di operare anche con portate minime d’acqua, quindi in corsi d’acqua con portata discontinua. Le turbine a coclea sono utilizzate per salti da 1 a 10 metri e portate d’acqua da 0,5 a 5,5 m3/sec.

Caratteristiche

Le centrali idroelettriche hanno la particolarità di poter essere attivate e disattivate in pochi minuti con l'immediata apertura delle saracinesche idrauliche, dando quindi la possibilità di coprire facilmente gli improvvisi picchi di richiesta che si possono verificare. Al contrario, gran parte delle centrali termoelettriche e nucleari hanno tempi di attivazione più lunghi, necessari per il riscaldamento dell'acqua e sono pertanto una tipologia di impianti di tipo "sempre acceso" (o "di base").