Corso di Energetica A.A. 2013/2014

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1 Corso di Energetica A.A. 2013/2014 Mini Idroelettrico Parte Prima Prof. Ing. Renato Ricci Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche Università Politecnica delle Marche

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) Lo sfruttamento dell acqua corrente è stato una delle prime fonti di energia utilizzate dall uomo: L obiettivo è la conversione dell energia potenziale posseduta da una massa d acqua in quota in energia meccanica o elettrica. IX sec. dc XI sec. dc XIV sec. dc ruote ad acqua a palette primi mulini a marea 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) 1882 prima centrale idroelettrica (US, Wisconsin, Appleton sul Fox River) 1908 prima grande diga di sbarramento 1910 turbina Kaplan 1920 circa primi impianti idroelettrici in Alto Adige 2

3 Principi e definizioni Si sfrutta il dislivello topografico esistente tra due punti posti 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 convertita direttamente in energia elettrica tramite il generatore. Un trasformatore permette quindi l immissione in rete dell energia elettrica prodotta. L energia così creata è direttamente proporzionale al salto ed alla portata d acqua trattata. DEFINIZIONE DI MINI IDROELETTRICO DOE (USA): small hydropowers da 100 kw a 30 MW mini hydropowers sotto 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 Association): <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 effetto serra (non prevede processi di combustione) né la dispersione di inquinanti 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 progettata 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 produttivo) + comporta azioni di monitoraggio e manutenzione dei bacini fluviali + possiede un elevato ritorno energetico (energy payback) definito come il rapporto tra l energia prodotta 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, acquedotti,... + se dotata di invasi è programmabile SVANTAGGI - è comunque più costoso dei sistemi di generazione tradizionale o del grande idroelettrico - elevati costi impiantistici iniziali - può comportare impatto ambientale 4

5 Classificazione degli Impianti Per salto sfruttato - Salti elevati: 100 m ed oltre - Salti medi: tra 30 e 100 m - Salti bassi: tra 2 e 30 m Per tipologia di impianto - Impianti ad acqua fluente - Impianti al piede diga - Impianti integrati in canali irrigui o nelle linee di distribuzione dell acqua potabile Per capacità di regolare l utilizzazione 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 utile con la portata media annua del corso d acqua che in esso si riversa. - Impianti a serbatoio: hanno durata di invaso maggiore o uguale a 400 ore. Regolazione stagionale. - Impianti a bacino: con durata di invaso minore di 400 ore e maggiore di 2 ore. Modulazione settimanale o giornaliera. - Impianti ad acqua fluente: non hanno serbatoio o hanno un serbatoio con durata di invaso uguale o minore di 2 ore. 5

6 L idroelettrico in Italia (1) Andamento della produzione lorda da fonte rinnovabile in Italia (GWh) [fonte: GSE] 2010 su produzione idroelettrica serbatoio 26.34% bacino 31.13% a. fluente 42.53% Nel 2010 (massimo storico) la potenza idroelettrica installata rappresenta il 59% di quella relativa all intero parco impianti rinnovabile. 6

7 Situazione Regionale (2) 1. La maggior parte della produzione deriva dai grandi impianti idroelettrici (P > 10 MW). 2. maggior numero di impianti nelle regioni del Nord rispetto a quelle del Sud e delle isole (più piovose) 3. impianti di grossa taglia, come quelli a bacino ed a serbatoio, tipici delle regioni alpine, rispetto alla maggiore presenza nelle regioni del Sud di impianti ad acqua fluente, di taglia molto più ridotta. 7

8 Impianti ad acqua fluente Sono impianti che consentono la produzione di energia direttamente dalla portata dei fiumi quando questi sono in grado di fornirla: quando il fiume diminuisce la portata sotto un certo limiti minimo, la produzione di energia cessa. salti medi o elevati si possono utilizzare sbarramenti 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 attraverso gli stessi sbarramenti per creare delle riserve o regolare la produzione. 8

9 Impianti ad acqua fluente salti piccoli sono tipici delle valli fluviali. Si possono avere due tipi di configurazioni: impianti con un salto creato da chiuse provviste di settori, ingresso alla centrale integrato e canale di bypass per la fauna ittica (a destra) impianti simili a quelli con salti maggiori, con invaso ottenuto con degli sbarramenti e brevi condotte forzate (sotto) 9

10 Impianti al piede diga In genere gli impianti di piccola taglia non possono permettersi la costruzione di grandi bacini di accumulo per ottimizzare la portata od aumentare il salto a causa degli elevati costi nella realizzazione delle grandi dighe e delle opere strutturali annesse. Può essere però vantaggioso sfruttare sbarramenti naturali o artificiali già esistenti utilizzati per altri scopi (irrigazioni, acquedotti). 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 condotto di evacuazione alla base, lo si può sfruttare come canale di presa Se la diga non è eccessivamente alta si può utilizzare un sifone di collegamento (salti fino a 10m). La turbina può essere collocata sia sulla sommità dello sbarramento che vicino alla base a valle. 10

11 Impianti integrati in canali irrigui L applicazione più comune consiste nell integrazione nello sfruttare i canali di irrigazione della campagne. Si possono avere due tipologie impiantistiche: 1. Impianti 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 ultimo serve per garantire comunque una portata per le irrigazioni, anche in caso di impianto fermo. Questa soluzione può essere adottata se i canali sono ancora in fase di progetto, poiché realizzare le opere su canali pre-esistenti 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 permettere l inserimento delle opere di presa e degli sfioratori. Un canale o una condotta forzata esterni paralleli al canale principale portano l acqua alla turbina. Una breve condotta di scarico riporta il fluido nell alveo. In genere nei canali non occorrono passaggi per consentire la migrazione dei pesci. figure

12 Impianti integrati nelle linee di distribuzione dell acqua L acqua potabile per usi civili è fornita alle abitazioni da bacini di accumulo in quota attraverso condotte in pressione. In genere si usano delle speciali valvole per smaltire l eccessiva pressione alla fine dei condotti prima dell ingresso nelle centrali di trattamento delle acque. L applicazione di turbine al posto delle valvole consente un recupero di energia altrimenti persa, a patto però di evitare fenomeni di colpo d ariete che rappresenta una criticità in questo tipo di applicazioni. La turbina può scaricare in bacini di accumulo aperti od in sistemi in contropressione. Occorrono allora dei sistemi di controllo per mantenere il livello di questi accumuli per garantire la continuità del servizio di distribuzione dell acqua. Tali sistemi devono prevedere: condotti/valvole di bypass per i casi di interruzione del funzionamento della turbina valvole di bypass di sicurezza ad apertura automatica (ad. es. con contrappesi) in caso di rottura della valvola di bypass principale e instaurazione di una eccessiva pressione. Tutte le aperture/chiusure devono avvenire lentamente per evitare i colpi d ariete. 12

13 Pianificazione di un impianto Il progetto di un impianto si presenta come il risultato di un processo complesso e iterativo, dove vengono considerati l'impatto ambientale e le diverse opzioni tecnologiche a disposizione. Questi elementi sono stimati 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 dettagliato studio di fattibilità 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 13

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