Impianti Idroelettrici
Nota: continuano gli incentivi a favore della produzione di energia elettrica per gli impianti eolici, contattaci per avere informazioni dettagliate e studi di fattibilità in merito.
Gli impianti idroelettrici trasformano l’energia potenziale e cinetica dell’acqua in caduta da una certa altezza in energia meccanica per mezzo di turbine (motori primi) azionanti generatori elettrici.
Una centrale idroelettrica è un sistema di macchinari idraulici ed elettrici, edifici e strutture di servizio. L’elemento principale è la TURBINA IDRAULICA che converte l’energia potenziale e cinetica dell’acqua in energia meccanica disponibile all’albero della turbina. La trasformazione in energia elettrica avviene mediante un generatore elettrico.
La produzione di energia elettrica dipende da due fattori principali:
- la caduta (o salto)
- la portata d’acqua (flow rate)
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).
SALTO NETTO O MOTORE
E' 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.)
PORTATA
Il volume di acqua che attraversa una determinata sezione del corso d’acqua nell’unità di tempo (mc/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.).
È estremamente importante determinare la curva di durata delle portate (flow duration curve, fdc).
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 e definire il massimo valore della portata che è conveniente indirizzare alla turbina.
La derivazione di una determinata portata, anche se restituita al corso d’acqua a valle della sezione di presa, può compromettere la vita acquatica e l’ambiente circostante, per evitare questo problema, deve essere garantita una portata minima al corso d’acqua, ossia il deflusso minimo vitale (dmv).
Dal punto di vista economico è auspicabile che il dmv sia il più basso possibile mentre dal punto di vista ambientale il dmv dovrebbe essere su valori elevati in modo da proteggere la flora e la fauna e garantire la qualità dell’ambiente.
La potenza teorica P in kW ricavabile da una massa d’acqua con una portata Q e con un dislivello H può essere valutata come:
P=9,81*Q*H
con Q in [mc/s] e H in [m].
La potenza teorica di un impianto idroelettrico, nei moderni impianti, va dall'80% al 90%, e rappresentando un valore molto elevato.
La potenza effettiva è minore di quella teorica in quanto si verificano delle inevitabili perdite di carico.
Indicando con η il rendimento complessivo dell’impianto idraulico (comprendente le perdite di carico che si hanno nelle turbine e nelle condutture), la potenza diventa può essere espressa come:
P=9,81*η*Q*H
Con il termine mini-idraulica si indicano le centrali idroelettriche con una potenza inferiore a 10 MW. La classificazione delle centrali idroelettriche si basa sulla potenza generata p in condizioni nominali:
- micro centrali idroelettriche p<100 kW;
- mini centrali idroelettriche p<1.000 kW;
- piccole centrali idroelettriche p<10.000 kW;
- grandi centrali idroelettriche p>10.000 kW.
in quest’ultimo periodo si è assistito ad un ritorno di questa tecnologia che, rispetto alle grandi centrali, ha un più limitato impatto sull’ambiente, richiede minore manutenzione, è caratterizzata da un alto rendimento di conversione dell’energia.
Recentemente si assiste alla promozione di impianti di piccole dimensioni, rispetto alle grandi centrali, in quanto:
- presentano un più limitato impatto sull’ambiente,
- richiedono minore manutenzione,
- presentano un alto rendimento di conversione dell’energia,
- possono essere integrati in sistemi di utilizzo integrato delle risorse idriche
Da un punto di vista funzionale gli impianti idroelettrici possono essere classificati secondo lo schema seguente:
IMPIANTI 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 soluzioni 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.
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 in un certo periodo di tempo durante il quale non viene utilizzata o viene utilizzata in misura minore.
Questa massa d’acqua viene sfruttata nei periodi in cui aumenta la richiesta di energia elettrica.
Gli invasi conferiscono 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 ed all’impatto ambientale.
IMPIANTI DI ACCUMULO O TRAMITE POMPAGGIO
Questi impianti sono caratterizzati da un bacino di raccolta dell’acqua da cui defluisce producendo energia elettrica quando vi e’ richiesta mentre viene riportata in tale bacino quando si ha minor richiesta di energia elettrica. Fornire energia nelle ore di punta.
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.
Tuttavia 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 vantaggiosa.
IMPIANTI IN CONDOTTE
Una interessante possibilità sono gli impianti inseriti in un canale o in una condotta per approvvigionamento idrico.
L'acqua potabile è approvvigionata ad una città adducendo l'acqua da un serbatoio di testa mediante una condotta.
Solitamente in questo genere di impianti la dissipazione dell'energia all'estremo più basso della tubazione in prossimità dell'ingresso all'impianto di trattamento acque o alla rete di distribuzione viene conseguito mediante l'uso di apposite valvole.
Un'alternativa interessante è quella di inserire una turbina che recuperi l'energia che altrimenti verrebbe dissipata.
Si ha così un recupero energetico, che può essere effettuato anche in altri tipi di impianti: sistemi di canali di bonifica, circuiti di raffreddamento di condensatori, sistemi idrici vari.
Le turbine idrauliche usate nelle centrali elettriche si dividono in due categorie:
- turbine ad azione (ruote pelton);
- turbine a reazione (turbine francis, kaplan, ad elica, ecc...).
Un parametro importante per una turbina è il numero di giri caratteristico ns che esprime la velocità di rotazione che avrebbe una turbina qualora, rimanendo idraulicamente simile a se stessa, funzionasse, con le idonee dimensioni, sotto un salto netto di 1 m sviluppando una potenza di 1 kW.
La turbina pelton è la più adatta ai salti elevati, ma a volte viene utilizzata anche in salti medi e bassi.
La girante di questa ruota è costituita da un disco alla cui periferia sono collocate le palette con la tipica forma a doppio cucchiaio: essa viene alimentata da uno o più getti regolati da spine.
La ruota è racchiusa in una cassa opportunamente disegnata.
quando il getto colpisce la pala viene diviso in due parti uguali che vengono deviate sulle superfici interne dei cucchiai e abbandonano la pala dai bordi laterali.
Per regolare la portata si utilizza un distributore munito di una spina che può scorrere in direzione
dell’asse del distributore fino alla chiusura completa.
Questo organo importante è comandato da un servomeccanismo comandato automaticamente dall’impianto di regolazione.
Oltre alla spina esiste anche un tegolo deviatore che ha la funzione di sicurezza.
La turbina francis è caratterizzata da una prima camera forzata a spirale, che ha la funzione di uniformare la pressione dell’acqua prima del suo ingresso nel distributore.
Dalla camera forzata l’acqua arriva al distributore costituito da una serie di palette direttrici mobili che hanno il compito di assicurare un corretto orientamento dell’acqua in ingresso alla girante.
La luce di passaggio tra due palette contigue del distributore può essere variata tramite la rotazione delle palette stesse per modificare la portata della turbina.
Quando l’acqua giunge alla girante, costituita da una successione di pale fisse, si verifica la trasformazione dell’energia potenziale idrica in energia meccanica. la ruota è costituita da due
corone concentriche, l’una esterna e l’altra interna, che trascina l’alternatore.
Le turbine kaplan hanno una girante ad elica con un certo numero di pale che, mediante perni mobili, si calettano su di un mozzo ogivale al cui interno trovano posto i meccanismi per la variazione del passo.
Per ciascuna posizione di apertura del distributore, alle pale della ruota viene fatta assumere l’inclinazione più idonea per ottenere il massimo rendimento.
A seguito di tale accorgimento la curva del rendimento risulta l’inviluppo dei valori massimi di tante corrispondenti ruote a elica a pale fisse.
I fattori più importanti che determinano la scelta del tipo di turbina di un impianto sono il salto netto e la portata da utilizzare.
- le turbine pelton sono adatte per forti salti.
- le turbine francis sono adatte per salti medi.
- le turbine ad elica a pale fisse sono adatte per salti inferiori ai 15-20 m con portata costante
- le turbine kaplan sono adatte per basse cadute con forti variazioni della portata
Un’attenzione particolare deve essere dedicata agli aspetti ambientali connessi alla costruzione ed al funzionamento degli impianti, ottenendo miglioramenti nel campo della progettazione dei vari componenti, dell’utilizzo dei materiali, della gestione e dell’ottimizzazione del funzionamento dell’impianto.
Attrezzatura elettronica le applicazioni più rilevanti sono:
- sistema di controllo e monitoraggio a distanza, tramite radio, linee telefoniche la stessa linea di trasmissione dell’energia;
- turbine a velocità variabile, attraverso dispositivi di controllo elettronici del carico;
Interazione con l’ambiente uno dei maggiori problemi associati allo sviluppo e funzionamento degli impianti idroelettrici è la necessità di prestare una particolare attenzione alla vita acquatica.
alcuni esempi sono:
• sistemi di guida acustici o a campo elettrico per pesci, per controllare e deviare i pesci lontano dalle centrali;
• passaggi e scale per pesci, allo scopo di controllare il loro percorso;
• relazione tra misure di protezione ambientale, ecologia e idrodinamica per minimizzare le possibilità di inquinamento.
in generale si richiedono quattro diverse autorizzazioni che comportano un iter autorizzativo mediamente triennale:
• autorizzazione al diritto di derivazione delle acque pubbliche;
• autorizzazione ambientali (i vincoli paesaggistici impongono installazioni più onerose e a volte precludono opere come bacini, dighe, ecc.);
• autorizzazione e costi dell’allacciamento alla rete elettrica;
• concessione edilizia per la costruzione delle opere civili.
Il costo di un impianto puó variare a seconda della topografia e della struttura geologica e delle altre caratteristiche del luogo di installazione, oltre ad un notevole investimento di capitali per la costruzione, bisogna mettere in conto l’acquisto dei terreni e le infrastrutture per il conferimento dell’energia elettrica.
