INTRODUZIONE

Gli impianti idroelettrici trasformano l'energia potenziale dell'acqua in caduta da una certa altezza in energia meccanica per mezzo di turbine (motori primi) azionanti generatori elettrici. Sin dalle origini quella idroelettrica è stata, ed è ancora, la seconda maggiore fonte energetica rinnovabile dopo le biomasse. Oltre il 20% della produzione mondiale di energia elettrica, pari a circa 236 Mtep, proviene da centrali idroelettriche per una potenza installata di circa 750.000 MW.Si stima che l'energia idroelettrica prodotta sia solo una piccola parte (di poco superiore al 10%) dell'energia potenzialmente ottenibile. I maggiori potenziali risultano localizzati nei paesi in via di sviluppo mentre nell'europa occidentale il potenziale residuo è limitato a circa il 30%. La produzione totale di energia idroelettrica potrebbe essere potenzialmente incrementata fino a 5 volte quella attuale, in pratica l'energia idroelettrica potrebbe soddisfare l'attuale richiesta di energia elettrica.
Sono gli Stati Uniti a possedere il numero maggiore di centrali idroelettriche al mondo e a detenere il primato della potenza installata (di poco superiore ai 100 GW) ed, insieme al canada ed ai paesi dell’ex unione sovietica, producono oltre il 40% dell’energia idroelettrica mondialeLa più grande centrale in assoluto è quella di itaipu sul paranà, tra brasile e paraguay, con 7,4 GW installati ed una potenzialità finale di 12,6 GW.
Il ricorso a sistemi in grado di generare energia in maniera “pulita” e sostenibile sta avendo in questi ultimi anni un notevole incremento, grazie anche alla spinta emotiva conseguente i problemi climatici e di approvvigionamento delle risorse cui va incontro il nostro pianeta, e che acquisterà un’importanza sempre maggiore, in seguito alla ratifica da parte della Comunità Europea, insieme ad altri Paesi, del Protocollo di Kyoto ed il conseguente impegno alla riduzione delle emissioni clima-alteranti.
Il ricorso all’energia potenziale dell’acqua disponibile tra una quota superiore ed una inferiore, trova le sue applicazioni già secoli indietro: con i mulini ad acqua si è impiegata una “forza” messa a disposizione dalla natura per compiere del lavoro. Fin dalla fine dell’ottocento l’impiego della risorsa idrica per produrre energia elettrica è stato il modo più diffuso di generazione, pur senza attribuirle, per mancanza di sensibilità agli effetti alteranti del clima indotti dalle emissioni prodotte dalla combustione di carbone e petrolio, il valore aggiunto del beneficio ambientale connesso al ridotto impatto in termini di sostanze liberate in atmosfera. La tecnologia in campo idroelettrico è attualmente giunta a piena maturità (non si attendono in questo settore mutamenti di tecnologia consistenti), e l’uso industriale della risorsa idrica, almeno nei Paesi Europei, dopo quasi due secoli di sfruttamento, ha quasi raggiunto il suo potenziale tecnico. Esistono comunque delle possibilità di impiego della risorsa idroelettrica, su piccola scala, che interessano realtà più piccole e con un uso dell’energia prodotta diverso da quello tipicamente industriale. È il caso dell’utilizzo dei salti d’acqua sugli acquedotti (si spende energia per pompare l’acqua a un certo dislivello, perché non recuperarne una parte in fase di caduta), oppure di piccole turbine (da pochi kW a poche decine di kW) posizionate su rigagnoli o torrenti di montagna, asservite all’alimentazione di realtà locali, o ancora su canali irrigui o di bonifica.

La produzione di energia elettrica tramite lo sfruttamento della forza dell’acqua è entrata nel nostro bagaglio culturale come un mezzo normale, sicuro e consolidato di produrre energia (sia essa meccanica o elettrica).
Si pensi infatti ai tanti mulini ad acqua visti nel nostro paesaggio, utilizzati per macinare i cereali, per muovere segherie o telai, per spremere l’olio; tutto questo ha un sapore quasi fiabesco e comunque accettato perché facente parte delle consuetudini dei nostri nonni. Ad oggi l’utilizzo maggiore della forza idraulica consiste nella produzione di energia elettrica, almeno nei Paesi industrializzati: quasi un secolo e mezzo di applicazioni industriali in tal senso, con realizzazioni di opere e centrali di un certo pregio anche dal punto di vista architettonico, hanno contribuito a consolidare nel nostro immaginario l’idea di sfruttamento di una risorsa disponibile, in maniera pulita.
Eppure alcuni impianti, specialmente quelli di grosse dimensioni, con invasi per milioni di metri cubi d’acqua, hanno sicuramente avuto un qualche impatto negativo sull’ambiente.
Occorre verificare l’effettivo impatto sul territorio da un lato e il beneficio in termini di riduzione di inquinanti dall’altro, evitando di portare detrimento anche a quelle fonti, come il microidraulico, che nel resto dell’Europa vengono salutate e incentivate proprio dalle associazioni ambientaliste.
In questo ambito le Pubbliche Amministrazioni e i professionisti assumono un ruolo importante nel processo di impiego di queste opportunità: da un lato i dirigenti responsabili delle impostazioni e delle linee guida in tema di energia, ambiente e territorio hanno la possibilità di favorire la diffusione nel territorio di piccoli impianti da FER, attraverso gli strumenti della programmazione, della facilitazione degli iter autorizzativi, dello stanziamento di fondi, dell’adesione a progetti e iniziative programmatiche su base locale.
Dall’altro lato i professionisti hanno i compiti di individuare quali potenzialità offra il territorio, studiare come integrare questi sistemi nell’ambiente tipico locale, definire progetti-pilota che concorrano alla determinazione e diffusione di uno standard applicabile su base locale.

COME SFRUTTARE LA RISORSA ACQUA

La fisica di un impianto idroelettrico
la produzione di energia dipende da due fattori principali, la caduta o salto (head) e la portata d’acqua (flow rate). Le turbine idrauliche utilizzano l’energia potenziale posseduta da una massa d’acqua tra un dislivello, detto salto, esistente tra le due sezioni di pelo libero superiore (a monte) ed inferiore (a valle). Si definisce salto lordo o geodetico la differenza di altezza fra la superficie libera della sezione di presa dell’acqua ed il livello nella sezione del corso d’acqua dove il flusso è restituito (ottenibile con una depressione naturale o artificiale). il salto lordo dipende dall’orografia del luogo e presenta ampi margini di variazione (da 1 a 1.500 m).
Il salto netto o motore di una centrale idroelettrica è la caduta effettivamente utilizzata alla turbina, ossia il salto lordo meno le perdite che si verificano all’opera di presa e quelle dovute al sistema di trasporto dell’acqua (canali, tubazioni, condotte forzate, ecc.). Si intende per portata il volume di acqua che attraversa una determinata sezione del corso d’acqua nell’unità di tempo (si esprime abitualmente in m3/s). La portata è estremamente variabile, dipende dalla superficie del bacino imbrifero, dalla permeabilità del suolo, dalla vegetazione e soprattutto dai fattori climatici che generano gli apporti positivi (le precipitazioni) e negativi (l’evaporazione, l’evapotraspirazione, ecc.). La trasformazione da energia potenziale in energia meccanica dell’acqua avviene per mezzo di turbine, messe in rotazione dalla massa di acqua che transita al loro interno. A sua volta la potenza meccanica all’asse della turbina può essere impiegata direttamente per compiere lavoro (si pensi ai mulini ad acqua) oppure per produrre energia elettrica collegando l’asse della turbina, tramite opportuni riduttori, ad un alternatore.

Schema di un impianto idroelettrico
(presa, canale, vasca di carico, condotta forzata, centrale)

La composizione di un impianto idroelettrico
Un impianto idroelettrico è costituito da componenti civili ed idrauliche (opere di presa, di convogliamento e di restituzione, centralina) e da opere elettromeccaniche (turbina, alternatore, quadri elettrici, sistemi di comando). L’acqua viene opportunamente derivata tramite le opere di presa e convogliata, attraverso canali o condotte, alla vasca di carico dove determina il pelo libero superiore necessario al calcolo del salto utile alla centrale. Da questo punto, per mezzo di condotte forzate, l’acqua viene portata alle turbine e nel passaggio attraverso gli organi mobili (giranti) ne determina la rotazione. L’albero della girante in rotazione è collegato ad un generatore di elettricità (alternatore); l’acqua in uscita dalla turbina viene rilasciata, per mezzo delle opere di restituzione, nel suo alveo originario ad un livello che determina il pelo libero inferiore.

Più nel dettaglio un impianto idroelettrico è costituito dalla seguenti componenti:

La potenza ottenibile da un impianto, a parità di portata e salto, dipende dal rendimento globale di trasformazione di un impianto idroelettrico che è il risultato del prodotto di almeno quattro rendimenti parziali:

TURBINE IDRAULICHE: COME FUNZIONANO E COME SI CLASSIFICANO

La turbina idraulica è una macchina motrice che consente di trasformare l’energia potenziale dell’acqua in energia meccanica.
Essa si compone di:

In rapporto alle caratteristiche dinamiche le turbine possono essere classificate in:

Turbine ad azione
L'energia dell’acqua in uscita dal distributore è tutta cinetica (la trasformazione da potenziale a cinetica avviene nel passaggio attraverso un ugelloche provoca un restringimento rispetto al diametro della condotta forzata).
Lungo tutto il percorso attraverso la girante il fluido si trova a pressione atmosferica. Le uniche turbine ad azione adottate nella pratica costruttiva sono le PELTON.

Turbine a reazione
L’energia dell’acqua in uscita dal distributore è parzialmente cinetica e parzialmente di pressione (la trasformazione da potenziale a cinetica che avviene nel distributore non è completa: l’acqua ne esce con una velocità minore rispetto alle turbine ad azione, ma dotata di una pressione non nulla). Le turbine a reazione lavorano completamente immerse in acqua e sono dotate nella loro parte terminale di un diffusore. Esistono numerose tipologie riconducibili a FRANCIS e AD ELICA (tra cui turbine KAPLAN).
In base a salto e portata disponibili si installano turbine differenti:

IMPIANTO IDROELETTRICO

Esistono diverse tipologie d' impianti idroelettrici, le più diffuse sono riportate di seguito ma occorre ricordare che ogni impianto finisce per configurarsi sempre con delle peculiarità specifiche data la quantità delle variabili in gioco nella progettazione.
La classificazione di un impianto idroelettrico può essere fatta in funzione della potenza nominale:

Osservazione:
La classificazione degli impianti di mini-idraulica altro non è che una convenzione utile a rispecchiare differenti modalità realizzative e di funzionamento.

In particolare Mini-idraulica è il termine con cui la UNIDO (Organizzazione delle Nazioni Unite per lo Sviluppo Industriale) indica le centrali idroelettriche di potenza inferiore a 10 MW. All’interno della mini-idraulica vale la seguente classificazione:

Oppure in funzione dell’ approvvigionamento d’acqua: Definita la durata di invaso come “il tempo necessario per fornire al serbatoio un volume d’acqua pari alla sua capacità utile con la portata media annua del o dei corsi d’acqua che in esso si riversano, escludendo gli eventuali apporti da pompaggio”, si distinguono:

Considerazioni d’impatto ambientale, di rischio idraulico e di tipo economico, come specificheremo in seguito, ci portano in questo caso alla scelta di una tipologia d’impianto ad acqua fluente con derivazione a pelo libero, vasca carico e condotta forzata. Gli impianti ad acqua fluente sono quelli che non hanno serbatoio o hanno serbatoio con durata d’invaso uguale o minore di due ore. Solitamente la potenza efficiente è commisurata ai valori della portata di morbida normale (3÷6 mesi all’ anno). La producibilità varia da una settimana all’ altra, da un mese all’altro, in relazione ai deflussi disponibili. Il diagramma della disponibilità di potenza non coincide mai con il diagramma di carico del consumo. L’energia producibile può essere ben sfruttata soltanto nel funzionamento in parallelo con altri impianti dotati di regolazione. Negli anni 60’ quando il fabbisogno energetico italiano era quasi interamente affidato alla produzione idroelettrica agli impianti ad acqua fluente si affidava un servizio di base con produzione continua secondo il salto e la portata istantaneamente disponibili: l’utilizzazione della potenza efficiente era molto elevato, dell’ordine di 5000÷6000 ore all’ anno. L’ utilizzazione viene realizzata, ad esempio quando l’ impianto sottende un meandro del fiume, lungo la derivazione in pressione. Allora sul tronco fluviale viene costruito lo sbarramento, mentre la centrale viene disposta al termine della derivazione in pressione. Il salto motore è dato dal dislivello fra il livello dell’acqua a monte, che è sensibilmente costante, ed il livello a valle che cresce al crescere della portata del fiume. In corrispondenza delle massime piene la riduzione del salto e quindi della potenza è tale da indurre all’arresto delle turbine e all’apertura completa delle paratoie anche per ridurre il rigurgito a monte. Nella figura successiva è riportato il diagramma delle durate delle portate di un corso d’acqua durante l’anno. Ad ogni valore dell’afflusso viene fatto corrispondere il livello a monte (costante) e il livello a valle (restituzione alta con alta portata, bassa con bassa portata, secondo la curva delle altezze del corso naturale a valle).

La differenza delle due curve di livello corrisponde alla curva delle durate dei salti lordi disponibili, poiché il salto diminuisce con l’aumentare della portata. La potenza disponibile, proporzionale al prodotto del salto lordo per la portata, aumenta al crescere della portata, anche se il salto diminuisce; ciò è vero però solamente sino al momento in cui l’afflusso supera la capacità di ricezione dell’impianto. Da questo punto la diminuzione di salto non è più controbilanciata dall’aumento dell’afflusso: la potenza comincia a decrescere anche se la portata continua a salire. In alcuni casi la potenza durante le piene può ridursi a valori bassissimi per mancanza del salto disponibile, così da consigliare la fermata della centrale. Il maggior impianto ad acqua fluente italiano è quello di Isola Serafini (Piacenza). Esso è situato sul fiume Po, tra Piacenza e Cremona, ed è stato realizzato negli anni’60 con uno sbarramento a traversa mobile che sottende una grande ansa (circa 12 km di sviluppo) che il fiume forma in corrispondenza della confluenza dell’Adda in Po. Il salto è variabile da 3,5 a 11 metri e la portata massima utilizzata è pari a 1000 mc/s. Sono installati 4 gruppi generatori per una potenza complessiva di 80 MW. Le turbine Kaplan hanno giranti del diametro di 7,6 metri e gli alternatori, a poli salienti, hanno potenza apparente unitaria di 23 MVA e velocità di rotazione di 53,6 giri/min (112 poli).

Impianto ad acqua fluente

Schema funzionale di un impianto ad acqua fluente

Gli impianti ad acqua fluente sono privi di capacità di regolazione (se non all’interno della centrale) e pertanto la portata utilizzata, e quindi la potenza istantanea, è pari alla quantità di acqua disponibile fino al limite consentito dall’opera di presa. Portate elevate e basse cadute (fino a 20 m) sono tipiche di questi impianti. queste oluzioni comprendono di solito un sistema di sbarramento che intercetta il corso d’acqua ed una centrale di produzione elettrica situata sulla traversa stessa o nelle immediate vicinanze. Nel diagramma a blocchi riportato accanto viene rappresentato lo schema funzionale di un impianto ad acqua fluente in generale si distinguono due elementi costitutivi principali:

Opera di sbarramento (traversa) per intercettare il corso d’acqua nella sezione
prescelta per la presa.
Centrale di produzione incorporata nella traversa o ad essa affiancata.


Traversa per intercettare il corso d'acqua	Centrale di produzione incorporata nella traversa

Nei casi in cui la centrale è posta a distanza dalla traversa di sbarramento e dal corso d’acqua lo schema presenta un’opera di presa delle acque a lato dello sbarramento, alla quale seguono delle apparecchiature per decantare il trasporto solido (ghiaia e sabbia) delle acque, un sistema di adduzione in pressione, in galleria o in condotta, la centrale di produzione ed un canale di restituzione delle acque. Tale schema è rappresentato nel diagrammi a blocchi riportato prima.

Dettagli impianto idroelettrico ad acqua fluente:

Opere di presa: il flusso del corso d’acqua, o di una parte di esso, viene deviato verso le opere di convogliamento.
Opere di convogliamento: tramite canali a pelo libero, gallerie o tubazioni pressoché orizzontali, l’acqua viene convogliata fino al punto idoneo per realizzare il salto idraulico da sfruttare.
Vasca di carico: se il convogliamento è fatto con canale a pelo libero (comprendono: sfioratori, scarichi di fondo, dissabbiatori, griglie, paratoie di sbarramento). Opere all’imbocco della condotta se il convogliamento è fatto mediante tubazioni in pressione (comprendono: pozzo piezometrico, valvola a farfalla, altre valvole).
Camera di carico per piccoli salti: condotta in pressione per salti e distanze maggiori.
Turbine idrauliche: l’energia idraulica viene trasformata in energia meccanica disponibile al suo asse.
Macchina elettrogeneratrice: l’energia meccanica viene trasformata in energia elettrica disponibile ai propri morsetti d’uscita.
Apparecchiature elettriche: per l’uscita dell’energia elettrica (comprendono il trasformatore per adattare, se necessario, la tensione del generatore a quella di rete, e altri strumenti di misura, protezione, emergenza, etc.)
Canale di scarico: il cui compito è quello di allontanare l’acqua che ha ceduto la sua energia alla turbina.

Impianti a bacino

Gli impianti a bacino sono caratterizzati dall’avere un bacino di raccolta dell’acqua (invaso) in modo da regimare l’energia elettrica prodotta (deflusso regolato).
La funzione dell’invaso è quella di accumulare acqua che defluisce attraverso una determinata sezione di un corso d’acqua in un certo periodo di tempo durante il quale non viene utilizzata.
Questa massa d’acqua viene sfruttata nei periodi in cui aumenta la richiesta di energia elettrica.

Schema impianto a bacino

In questo modo si conferisce elasticità di servizio alla centrale perché si riesce a regolare in qualsiasi momento la quantità di acqua utilizzata in base alla richiesta di energia.

L’invaso si può ottenere sbarrando la valle di un corso d’acqua con una diga, che costituisce l’opera più importante di tutto l’impianto.

Il costo di questi impianti è molto più elevato rispetto a quelli ad acqua fluente.
In questi impianti i problemi maggiori sono connessi al bilancio idrico dell’invaso superiore.

Impianti di accumulo tramite pompaggio

Schema impianto di accumulo tramite pompaggio

Questi impianti sono caratterizzati da un bacino di raccolta dell’acqua da cui defluisce producendo energia elettrica quando questa viene richiesta mentre viene riportata in tale bacino quando si ha minor richiesta di energia elettrica. Sono costituiti da due serbatoi posti a quote diverse e collegati da un sistema di opere e tubazioni simili a quelle di un normale impianto idroelettrico. La sola differenza sta nella possibilità di invertire il ciclo di funzionamento. Nelle ore di maggior richiesta di energia (ore di punta), l’acqua del serbatoio superiore fluisce verso il basso e la centrale produce energia elettrica. Nelle ore di bassa richiesta di energia l’acqua raccolta nel bacino inferiore viene pompata attraverso le stesse condotte fino al serbatoio superiore, che viene così riempito in modo da poter essere nuovamente pronto a fornire energia nelle ore di punta durante il pompaggio l’alternatore funziona da motore sincrono assorbendo energia elettrica dalla rete e la turbina funziona da pompa. Questi impianti, per poter svolgere un ciclo intero di potenza e ripristino del livello iniziale del bacino superiore, devono prelevare energia elettrica dalla rete in quantità superiore a quella prodotta dall’impianto stesso. L’energia elettrica consumata con il pompaggio ha un valore commerciale inferiore rispetto a quella prodotta dalla centrale nelle ore di punta perché viene sfruttata in periodi di minore richiesta, pertanto questa utilizzazione è economicamente antaggiosa.

CRITERI DI DIMENSIONAMENTO

Per il dimensionamento di una centrale idroelettrica è estremamente importante determinare la curva di durata delle portate (flow duration curve, fdc).

Curva di durata delle portate

La curva mostra il periodo di tempo durante il quale la portata è uguale o superiore ad un certo valore nella sezione considerata. elaborando i dati di portata relativi a lunghi periodi di osservazione (almeno 20-30 anni se possibile), si ricava la curva media di durata delle portate necessaria a valutare il potenziale energetico del corso d’acqua in una data sezione (l’area sottesa dalla curva rappresenta il volume di acqua che scorre attraverso la sezione data) e definire il massimo valore della portata che è conveniente indirizzare alla turbina.

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