Il Mini - Idroelettrico Sezione 1 Introduzione

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1 Il Mini - Idroelettrico Sezione 1 Introduzione Corso di Produzione di Energia Rinnovabile A.A. 2012/2013 Docente: Prof. Ing. Sergio Montelpare Ing. Roberto Romagnoli

2 Lo sfruttamento energetico dell acqua 4000 ac impianti irrigazione Egitto e Mesopotamia 2000 ac prime ruote ad acqua 500 ac primi mulini ad acqua (macinazione farina, frantoi, segherie,...) 200 ac grandi opere idrauliche Romane (acquedotti) IX sec. dc ruote ad acqua a palette XI sec. dc primi mulini a marea XIV sec. dc ruote ad acqua a cassetta 1750 circa ruota ad acqua a reazione 1767 circa ruota ad acqua in ghisa 1824 la prima turbina 1849 turbina Francis 1866 prima produzione di en. idroelettrica (Siemens) 1880 turbina Pelton 1881 prima illuminazione pubblica alimentata da idroelettrico (Niagara Falls city) prima centrale idroelettrica (US, Wisconsin, Appleton sul Fox River) prima grande diga di sbarramento 1910 turbina Kaplan 1920 circa primi impianti idroelettrici in Alto Adige Lo sfru(amento dell acqua corrente è stato una delle prime fon5 di energia u5lizzate dall uomo 2

3 Principi e definizioni L obie'vo è la conversione dell energia potenziale posseduta da una massa d acqua in quota in energia ele9rica. Si sfru9a il dislivello topografico esistente tra due pun> pos> a monte ed a valle dell impianto di produzione (salto H), trasformando l energia potenziale dell acqua in energia meccanica di rotazione della turbina che viene conver>ta dire9amente in energia ele9rica tramite il generatore. Un trasformatore perme9e quindi l immissione in rete dell energia ele9rica prodo9a. L energia così creata è dire9amente proporzionale al salto ed alla portata d acqua tra9ata. DEFINIZIONE DI MINI IDROELETTRICO DOE (USA): small hydropowers da 100 kw a 30 MW mini hydropowers so9o a 100 KW UK: < 20 MW Francia: <12 MW Portogallo, Spagna, Irlanda, Belgio, Grecia: <10 MW ITALIA: < 3 MW (micro < 100 kw, pico < 5 kw) SVEZIA: <1,5 MW ESHA (European Small Hydropower Associa>on): <10 MW P = potenza [W] H= salto [m] Q = portata volumetrica [m 3 /s] ρ = densità dell acqua [kg/m 3 ] η = rendimento complessivo 3

4 Pro e Contro VANTAGGI + è una risorsa pulita: non produce gas ad effe9o serra (non prevede processi di combus>one) né la dispersione di inquinan> nelle acque + è una risorsa sostenibile: è economicamente conveniente, (l efficienza della conversione dell energia è elevata) + è una risorsa rinnovabile: l acqua non viene consumata nel processo di conversione + opportunamente proge9ata non è di ostacolo alla fauna + aumenta la stabilità della rete (diversificazione in sistemi di distribuzione più piccoli) e riduce le perdite di distribuzione (decentramento produ'vo) + comporta azioni di monitoraggio e manutenzione dei bacini fluviali + possiede un elevato ritorno energe>co (energy payback) definito come il rapporto tra l energia prodo9a nel corso della durata di esercizio e l energia richiesta per la sua costruzione ed esercizio. + può essere abbinato a sistemi con altre finalità (irrigazione, controllo del bacino, acquedo',... + se dotata di invasi è programmabile SVANTAGGI - è comunque più costoso dei sistemi di generazione tradizionale o del grande idroele9rico - eleva> cos5 impian5s5ci iniziali - può comportare impa(o ambientale 4

5 L idroelettrico in Italia (1) Andamento della produzione lorda da fonte rinnovabile in Italia (GWh) Già nel 2008 e nel 2009 la produzione rinnovabile aveva raggiunto tassi di crescita eleva>; nel 2010 con>nua il trend posi>vo (+11% rispe9o all anno precedente), raggiungendo i GWh. La variabilità e l en>tà della produzione rinnovabile nazionale sono influenzate sopra9u9o dalla fonte idraulica: i picchi e le valli della produzione totale ricalcano i picchi e le valli della produzione idrica. Nel 2010 la produzione idraulica ha raggiunto il suo massimo storico. Nel 2010 la potenza idroele9rica installata rappresenta il 59% di quella rela>va all intero parco impian> rinnovabile. Gli impian> ad acqua fluente sono quelli che maggiormente contribuiscono alla produzione lorda da appor> naturali. Nel 2010 ben il 43% dei GWh prodo' in Italia proviene da ques> impian>, sebbene rappresen>no solo il 27% della potenza complessiva. Gli impian> a bacino rappresentano il 31% della produzione e il 28% della potenza installata. Gli impian> a serbatoio, che hanno la maggiore dimensione media per impianto, rappresentano il 26% della produzione e ben il 45% della potenza. [fonte: GSE] 5

6 SHP - situazione in Europa 6

7 Situazione Regionale (1) La rappresentazione cartografica della distribuzione regionale della produzione idrica presenta valori molto differen> tra le regioni se9entrionali e quelle meridionali ed insulari. La ragione è da ricondursi essenzialmente a tre ordini di mo>vi: alla presenza di un maggior numero di impian5 nelle regioni del Nord rispe9o a quelle del Sud e delle isole, alla presenza di impian5 di grossa taglia, come quelli a bacino ed a serbatoio, >pici delle regioni alpine, rispe9o alla maggiore presenza nelle regioni del Sud di impian5 ad acqua fluente, di taglia molto più rido(a; alla scarsità ed alla minore intensità di precipitazioni atmosferiche che si manifestano nelle regioni meridionali ed insulari rispe9o al Nord Italia. 7

8 Situazione Regionale (2) Il grafico rappresenta la composizione percentuale della produzione secondo la classe di potenza dell impianto che l ha generata. Le regioni sono state ordinate secondo l en>tà della produzione (dalla Lombardia nella quale nel 2008 si sono prodo' oltre 10 TWh, alla Puglia nella quale non vi sono insediamen> produ'vi).la maggior parte della produzione di quasi tu9e le regioni deriva dai grandi impian> idroele9rici con potenza maggiore di 10 MW. Pochi i casi limite come ad esempio la Liguria, che non possiede installazioni di questo >po, e la Sicilia, nella quale la percentuale più elevata di produzione deriva da impian> con potenza compresa tra 1 e 10 MW. 8

9 Classificazione degli Impianti Per salto sfru(ato - Sal> eleva>: 100 m ed oltre - Sal> medi: tra 30 e 100 m - Sal> bassi: tra 2 e 30 m Per 5pologia di impianto - Impian> ad acqua fluente - Impian> al piede diga - Impian> integra> in canali irrigui o nelle linee di distribuzione dell acqua potabile Per capacità di regolare l u5lizzazione dell acqua (GSE), ovvero per capacità di accumulo. Tale classificazione dipende dalla durata di invaso dell impianto, ossia dal tempo necessario per fornire al serbatoio un volume d acqua pari alla sua capacità u5le con la portata media annua del corso d acqua che in esso si riversa. - Impian5 a serbatoio: hanno durata di invaso maggiore o uguale a 400 ore. Regolazione stagionale. - Impian5 a bacino: con durata di invaso minore di 400 ore e maggiore di 2 ore. Modulazione se'manale o giornaliera. - Impian5 ad acqua fluente: non hanno serbatoio o hanno un serbatoio con durata di invaso uguale o minore di 2 ore. 9

10 Impianti ad acqua fluente Sono impian> che consentono la produzione di energia dire(amente dalla portata dei fiumi quando ques5 sono in grado di fornirla: quando il fiume diminuisce la portata so9o un certo limi> minimo, la produzione di energia cessa. sal5 medi o eleva5 si possono u>lizzare sbarramen> o traverse il cui ruolo non è quello di accumulare acqua, ma di innalzare il livello del pelo acqua in modo che l acqua possa entrare nell opera di presa. Raramente si possono ricavare dei piccoli bacini a9raverso gli stessi sbarramen> per creare delle riserve o regolare la produzione. 10

11 Impianti ad acqua fluente sal5 piccoli sono >pici delle valli fluviali. Si possono avere due >pi di configurazioni: impian> con un salto creato da chiuse provviste di se9ori, ingresso alla centrale integrato e canale di bypass per la fauna i'ca (a destra) impian> simili a quelli con sal> maggiori, con invaso o9enuto con degli sbarramen> e brevi condo9e forzate (so9o) 11

12 Impianti al piede diga In genere gli impian> di piccola taglia non possono perme9ersi la costruzione di grandi bacini di accumulo per o'mizzare la portata od aumentare il salto a causa degli eleva> cos> nella realizzazione delle grandi dighe e delle opere stru9urali annesse. Può essere però vantaggioso sfru9are sbarramen> naturali o ar>ficiali già esisten> u>lizza> per altri scopi (irrigazioni, acquedo'). La difficoltà principale consiste nel come realizzare il collegamento tra monte e valle dello sbarramento e come posizionare la turbina Se la diga esistente possiede già un condo9o di evacuazione alla base, lo si può sfru9are come canale di presa Se la diga non è eccessivamente alta si può u>lizzare un sifone di collegamento (sal> fino a 10m). La turbina può essere collocata sia sulla sommità dello sbarramento che vicino alla base a valle. 12

13 Impianti integrati in canali irrigui L applicazione più comune consiste nell integrazione nello sfru9are i canali di irrigazione della campagne. Si possono avere due >pologie impian>s>che: 1. Impian> nel canale stesso, operando un allargamento del canale per inserire l installazione della camera di carico, della centrale, dello scarico e del bypass laterale. Quest ul>mo serve per garan>re comunque una portata per le irrigazioni, anche in caso di impianto fermo. Questa soluzione può essere ado9ata se i canali sono ancora in fase di proge9o, poiché realizzare le opere su canali pre- esisten> può essere eccessivamente costoso. 2. Impianto parallelo al canale. Se il canale esiste già, si può optare per questa soluzione che prevede un modesto allargamento del canale per perme9ere l inserimento delle opere di presa e degli sfioratori. Un canale o una condo9a forzata esterni paralleli al canale principale portano l acqua alla turbina. Una breve condo9a di scarico riporta il fluido nell alveo. In genere nei canali non occorrono passaggi per consen>re la migrazione dei pesci. figure

14 Impianti integrati nelle linee di distribuzione dell acqua L acqua potabile per usi civili è fornita alle abitazioni da bacini di accumulo in quota a(raverso condo(e in pressione. In genere si usano delle speciali valvole per smal>re l eccessiva pressione alla fine dei condo' prima dell ingresso nelle centrali di tra9amento delle acque. L applicazione di turbine al posto delle valvole consente un recupero di energia altrimen> persa, a pa9o però di evitare fenomeni di colpo d ariete che rappresenta una cri>cità in questo >po di applicazioni. La turbina può scaricare in bacini di accumulo aper> od in sistemi in contropressione. Occorrono allora dei sistemi di controllo per mantenere il livello di ques> accumuli per garan>re la con>nuità del servizio di distribuzione dell acqua. Tali sistemi devono prevedere: condo'/valvole di bypass per i casi di interruzione del funzionamento della turbina valvole di bypass di sicurezza ad apertura automa>ca (ad. es. con contrappesi) in caso di ro9ura della valvola di bypass principale e instaurazione di una eccessiva pressione. Tu9e le aperture/chiusure devono avvenire lentamente per evitare i colpi d ariete. 14

15 Pianificazione di un impianto Il proge9o di un impianto si presenta come il risultato di un processo complesso e itera>vo, dove vengono considera> l'impa9o ambientale e le diverse opzioni tecnologiche a disposizione. Ques> elemen> sono s>ma> anche alla luce delle dovute valutazioni economiche. Come indicazione di massima, è possibile descrivere i passi fondamentali da seguire, prima di decidere se si debba procedere o meno ad un de9agliato studio di fa'bilità o meno. studio della topografia e geomorfologia del sito valutazione della risorsa idrica e del suo potenzialità energetico scelta del sito e del layout d impianto scelta della turbina idraulica, del generatore e del sistema di regolazione valutazione dell impatto ambientale e delle misure di mitigazione da adottare valutazione economica e finanziaria del progetto analisi della legislazione e delle procedure amministrative necessarie 15