Modulo 3: Idroelettrico (mini-idro)

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1 LEZIONI EFFICIENZA ENERGETICA E RISORSE ENERGETICHE ALTERNATIVE

2 Sommario Overview Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Classificazioni Il progetto di un impianto idroelettrico Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Centrale e annessi Autorizzazioni ed incentivi Casi studio

3 Overview Fonte UE Tra 1990 e 2009: PIL UE cresciuto del 40% Emissioni UE ridotte del 16% UE in pista verso l obiettivo di riduzione delle emissioni di gas serra del 20% al 2020 Le politiche attuali produrrebbero una riduzione del 40% delle emissioni nel 2050.

4 Overview Una centrale idroelettrica è un sistema di macchinari idraulici ed elettrici, edifici e strutture di servizio. Il cuore della centrale è la turbina idraulica che ha il compito di convertire l energia potenziale e cinetica dell acqua in energia meccanica disponibile all albero della turbina. La trasformazione in energia elettrica è completata da un generatore elettrico.

5 Overview È un energia da fonte rinnovabile! perché è il sole che compie il lavoro negativo

6 Overview Fin dai primordi della produzione di energia elettrica, l idroelettrico è stato, ed è tuttora, la più importante tra le fonti rinnovabili utilizzate. E seconda alle biomasse in termini di produzione complessiva di energia.

7 Overview Perché è importante? Risorsa Rinnovabile Sicura Tecnologia Sostenibile Efficiente Pulita

8 Overview Fino alla prima metà del XX secolo, in Europa furono realizzate migliaia di centrali idroelettriche di piccole dimensioni che hanno soddisfatto per molti anni i fabbisogni di diversi centri abitati, in particolare nelle zone rurali, e di piccole industrie. In seguito, la creazione di grandi reti di distribuzione dell energia elettrica e l aumento dei consumi energetici, hanno fatto sì che molti degli impianti cadessero in disuso a favore di impianti di grandi dimensioni. 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 si presta facilmente ad essere integrata in sistemi di utilizzo integrato delle risorse idriche permette il recupero degli impianti in disuso.

10 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Grandi impianti idroelettrici richiedono la sommersione di estese superfici, con le conseguenze ambientali e sociali che questo comporta Piccoli impianti idroelettrici sono facilmente integrabili negli ecosistemi locali.

11 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Grandi impianti idroelettrici Elevato impatto ambientale Problemi di sicurezza dello sbarramento Le centrali più grandi: 1. Tre Gole (Cina) 2. Itaipu (al confine tra Brasile e Paraguay) 3. Xiluodu (Cina) 4. Belo Monte (Brasile) in costruzione

12 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Piccoli impianti idroelettrici Tecnologia affidabile e bassa manutenzione Basso impatto ambientale assenza di bacini stagionali (al massimo bigiornalieri) assenza di linee di collegamento con gli utenti (solo spezzoni di linee locali) Distribuzione e integrazione sul territorio Risorsa nazionale (sicurezza approvvigionamenti) Energia in rete BT o MT oppure in isola Alleggerimento reti locali Nessuna emissione di gas serra per produrre energia Primato tecnologico dell industria nazionale

13 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Non c è accordo tra gli Stati Membri dell UE sulla definizione di piccolo idroelettrico: In Italia 1 MW (D.Lgs. 387/2003 e L. 244/2007) 3 MW (T.U. 1775/1933) 5 MW (bozza DM MSE) In Europa Nel mondo < 1 MW in Lussemburgo < 1,5 MW in Svezia < 5 MW nel Regno Unito < 8/12 MW in Francia < 10 MW in Portogallo, Spagna, Irlanda, Grecia, Belgio, Austria, Germania < 30 MW in Regno Unito < 10 MW (Commissione europea e UNIPEDE)

14 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Secondo la classificazione adottata dall UNIDO (Organizzazione delle Nazioni Unite per lo Sviluppo Industriale) le centrali idroelettriche possono essere classificate come segue sulla base della potenza installata: Micro centrali idroelettriche 0 kw < P <= 100 kw Mini centrali idroelettriche 100 kw < P <= kw Piccole centrali idroelettriche kw < P <= kw Grandi centrali idroelettriche P > kw Con il temine Small Hydro Power -SHP (spesso in italiano erroneamente tradotto con mini idroelettrico ) si indicano generalmente le centrali idroelettriche capaci di sviluppare una potenza massima di 10 MW, che è il valore di riferimento adottato da vari Stati, dall ESHA (European Small Hydropower Association), dalla Commissione Europea e dall UNIPEDE (Union Internationale des Producteurs Et Distributeurs d Energie electrique). Spesso nel caso di P < 20 kw si parla di Pico idroelettrico.

15 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è

17 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è E la più importante tra le fonti rinnovabili utilizzate. Nel 2010 l energia idroelettrica prodotta era pari a TWh e rappresentava globalmente: il 16,1% del consumo di elettricità il 3,4% del consumo di energia Alla fine del 2010 la capacità installata era di GW.

18 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Fig. Evoluzione della generazione idroelettrica (TWh). Fonte BP

19 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Fattore di capacità = Generazione Capacità installata x ore E indicativo di come l'energia idroelettrica è impiegata nel mix energetico (per esempio generazione di picco rispetto a carico di base), della disponibilità di acqua, delle opportunità per aumenti di generazione grazie a revamping ed ottimizzazioni. Fig. Capacità installata e generazione idroel. nel Fonte: IJHD.

20 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Il potenziale tecnico a livello mondiale è stimato in TWh/anno, oltre quattro volte la produzione del 2010 (3.427 TWh). Fig. Potenziale tecnico idroelettrico. Fonte: IJHD Tale potenziale corrisponde ad una capacità installata stimata di GW (contro i GW del 2010).

21 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Fonte: IJHD

22 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Fig. - Principali paesi produttori idroelettrici con capacità totale installata e percentuale di produzione idroelettrica nel mix di energia elettrica. Fonte: IJHD

23 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Bilancio elettrico nazionale dell anno 2010 Anno Prod FER/ Prod TOT % , , , , , , , , , , ,50 * Produzione netta: è la produzione lorda al netto dei servizi ausiliari e dei consumi da pompaggio 1) Include la parte biodegradabile dei rifiuti 2) Al netto dei rifiuti solidi urbani non biodegrabili, contabilizzati nella termica tradizionale 3) Carbone + Lignite 4) Al netto della produzione da biomasse, biogas e bioliquidie dei consumi da pompaggio

25 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è La produzione rinnovabile in Italia dal 2000 al 2010 La variabilità e l entità della produzione rinnovabile sono influenzate soprattutto dalla fonte idraulica (condizioni meteoclimatiche). Fig. Fonte GSE. Nel 2010 la produzione idraulica ha raggiunto il suo massimo storico, superando i GWh prodotti nel 1977.

26 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Variazione per fonti della produzione rinnovabile tra il 2000 e il 2010 Tra 2000 e GWh aggiuntivi: Fig. Fonte GSE. 33% eolica 30% bioenergie 27% idraulica 7% solare 3% geotermico

27 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Numerosità e potenza degli impianti idroelettrici in Italia Fig. Fonte GSE. Sono inclusi gli impianti di pompaggio misto di cui viene presa in conto la sola produzione da apporti naturali (ossia quella rinnovabile). Sono quindi esclusi gli impianti da pompaggio puro. 63% 26% 11% Nel 2010 la potenza idroelettrica installata (+155 MW) rappresenta il 59% di quella relativa all intero parco impianti rinnovabile. 15% 85%

28 Fig. Fonte GSE Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Evoluzione della numerosità e della potenza degli impianti idroelettrici in Italia Tasso medio annuo aumento (tra 2000 e 2010): numerosità = 3% potenza = 1%. Unico fenomeno degno di nota è l entrata in esercizio di molti impianti di piccola taglia ad acqua fluente. Si continua a registrare la continua diminuzione della taglia media.

29 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Numerosità e potenza degli impianti idroelettrici nelle Regioni Il 75% della potenza è installato nelle Regioni del Nord Italia. L unica Regione del Centro-Sud che si contraddistingue per lo sfruttamento della fonte idraulica è l Abruzzo con MW di potenza installata. Dal 2010 anche in Puglia risultano impianti idroelettrici (0,6 MW). Fig. Fonte GSE

30 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Distribuzione regionale del numero impianti idroelettrici a fine 2010 Piemonte, Trentino Alto Adige e Lombardia rappresentano oltre il 56% del totale. Nell Italia centrale si distinguono le Marche, con il 4,4% d impianti installati e la Toscana, con il 4,2%. La Calabria è la regione del Sud con il maggior numero di impianti installati (1,5%).111 Fig. Fonte GSE

31 Fig. Fonte GSE Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Distribuzione regionale e provinciale della potenza idroelettrica a fine 2010

32 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Produzione idraulica in Italia dal 2000 al 2010 Fig. Fonte GSE Tra il 2000 e il 2010: potenza aumentata a tasso medio annuo dell 1% produzione evidenzia forte variabilità dovuta a fattori climatologici supera anche la produzione del 1977 ( GWh), record rispetto alla serie storica dal 1960.

33 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Produzione idraulica in Italia dal 2000 al 2010 durata di invaso >= 400 ore durata di invaso >= 2 ore e < 400 ore no serbatoio o durata di invaso < 2 ore Nel 2010 il 43% dei GWh prodotti da impianti ad acqua fluente, sebbene rappresentino solo il 27% della potenza complessiva. Gli impianti a bacino rappresentano il 31% della produzione e il 28% della potenza installata. Fig. Fonte GSE Gli impianti a serbatoio rappresentano il 26% della produzione e ben il 45% della potenza.

34 Fig. Fonte GSE Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Distribuzione regionale e provinciale della produzione idraulica nel 2010

35 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Andamento della produzione idraulica effettiva e normalizzata in Italia La Direttiva Europea n 28 del 2009 prevede che nel computo del target al 2020 il contributo della fonte idraulica debba essere pari alla sua produzione opportunamente normalizzata dagli effetti delle variazioni climatiche. La produzione normalizzata dipenderà dalla produzione effettivamente generata negli ultimi 15 anni. Il metodo di calcolo permette di confrontare omogeneamente i vari paesi dell Unione Europea. Fig. Fonte GSE Dove: N= anno di riferimento QN(norm)= elettricità normalizzata generata da tutte le centrali idroelettriche dello Stato Membro nell anno N. Qi= quantità di elettricità effettivamente generata in GWh escludendo la produzione da pompaggio. Ci= potenza totale installata in MW. AP= impianti da Apporti Naturali. PM= impianti da Pompaggio Misti.

36 Il piccolo idroelettrico: cos è, com è, quant è Distribuzione % delle ore di utilizzazione degli impianti idroelettrici nel 2009 e 2010 Le ore di utilizzazione equivalenti sono un indicatore molto utile per individuare, in modo semplice e diretto, l efficienza produttiva degli impianti idroelettrici. Sono calcolate come rapporto tra la produzione lorda e la potenza efficiente lorda. Fig. Fonte GSE Nel 2010 il 50% gli impianti idroelettrici è riuscito a produrre per oltre ore, similmente a quanto riscontrato nel A livello nazionale le ore di utilizzazione degli impianti idroelettrici sono pari nel 2010 a rispetto alle del 2009.

38 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base alla potenza* Micro 0 kw < P <= 100 kw Mini 100 kw < P <= kw Piccole kw < P <= kw Grandi P > kw Spesso nel caso di P < 20 kw si parla di Pico idroelettrico. * Secondo UNIDO (Organizzazione delle Nazioni Unite per lo Sviluppo Industriale

39 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base al salto Alto salto 100 < H < m (?) Medio salto 10 < H <= 100 m Basso salto 1,5 m (?) < H <= 10 m In generale: alto salto piccola portata d acqua basso salto grande portata d acqua

40 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base al salto Alti salti Più favorevoli economicamente Distanti dai centri abitati (strade d accesso) Distanti dalle zone di consumo (linee elettriche) Bassi salti Molto diffusi in Italia e, in generale, nel mondo Spesso inseriti in schemi promiscui Economicamente difficili

41 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base alla capacità di accumulo* Acqua fluente (run-of-river) D** <= 2 ore Bacino (pondage) 2 < D <= 400 ore Serbatoio (reservoir) D > 400 ore A questi vanno aggiunti gli impianti di accumulo tramite pompaggio * Secondo UNIPEDE (Union Internationale des Producteurs Et Distributeurs d Energie electrique) ** D = tempo di riempimento del bacino d accumulo sulla base della portata media annua

42 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base alla capacità di accumulo (Acqua fluente (D <= 2 ore) Bacino (2 < D <= 400 ore) Serbatoio (D > 400 ore) Impianti di accumulo tramite pompaggio) Mini Hydro

46 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) inseriti in un canale (spesso irriguo) inseriti in una condotta idropotabile con la centrale al piede di una diga (eventualmente per DMV)

47 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga La turbina produce con modi e tempi totalmente dipendenti dalla disponibilità d acqua nel corpo idrico (fino al limite consentito dall opera di presa). Gli impianti a medio ed alto salto utilizzano sbarramenti per deviare l acqua verso l opera di presa, dalla quale l acqua è poi convogliata alle turbine attraverso una tubazione in pressione (condotta forzata) o un canale (meno costoso). Allo scarico delle turbine, l acqua viene reimmessa nel fiume attraverso un canale di restituzione.

48 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga Gli impianti a basso salto sono tipicamente realizzati presso l alveo del fiume. Si possono scegliere 2 soluzioni tecniche: derivare l acqua fino all ingresso delle turbine mediante una breve condotta forzata (come negli impianti ad alto salto) creare il salto mediante un piccolo sbarramento, equipaggiato con paratoie a settore e nel quale sono inserite l opera di presa, la centrale e la scala di risalita per pesci.

49 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga

51 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga Due tipi di schemi di impianto possono essere utilizzati per sfruttare salti esistenti su canali irrigui. a) Il canale viene allargato (in fase di progetto) per poter ospitare la camera di carico, la centrale, il canale di restituzione e il by-pass laterale (per garantire la continuità della fornitura di acqua per l irrigazione, anche in caso di fuori servizio del gruppo.

52 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga b. Se il canale è già esistente, il canale dovrebbe essere leggermente allargato per poter ospitare la presa e lo sfioratore limitatore. Dalla presa, una condotta forzata che corre lungo il canale convoglia l acqua in pressione alla turbina, attraversata la quale l acqua viene re-immessa nel corpo idrico tramite un breve canale di restituzione. Poiché solitamente nei canali irrigui non sono presenti specie ittiche migratrici, la scala per pesci non è necessaria.

54 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga Canale irriguo nel Comune di Goito (Mantova) Canale Irriguo Brobbio di Magliano Alpi (Cuneo)

55 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga L acqua potabile viene fornita ai grandi centri abitati trasportandola da un serbatoio posto a monte attraverso un sistema di tubazioni in pressione. Solitamente in questo genere di impianti la dissipazione dell energia all estremo inferiore della condotta, in prossimità dell ingresso all impianto di trattamento delle acque, viene ottenuta mediante l uso di speciali valvole. Un alternativa interessante, purché venga evitato il colpo d ariete che può danneggiare le condotte, è quella di inserire una turbina alla fine della tubazione, allo scopo di convertire in elettricità l energia che verrebbe altrimenti dissipata. Per assicurare l approvvigionamento idrico in qualsiasi situazione, deve essere comunque installato un sistema di valvole di by-pass.

57 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga Un piccolo impianto idroelettrico non può permettersi il lusso di possedere un grande serbatoio per produrre energia quando è più conveniente: il costo di una diga relativamente grande e delle opere idrauliche connesse sarebbe troppo elevato per renderlo economicamente fattibile. Se viceversa esiste già un serbatoio costruito per altri scopi (controllo delle piene, irrigazione, approvvigionamento potabile, usi ricreativi) potrebbe essere possibile produrre energia elettrica utilizzando le portate compatibili con l uso prevalente del serbatoio o con i rilasci a fini ecologici (Deflusso Minimo Vitale). Può, eventualmente, essere previsto lo sfruttamento dello stesso Deflusso Minimo Vitale.

59 Classificazioni Classificazione delle centrali idroelettriche in base allo schema impiantistico ad acqua fluente (fiumi) - inseriti in un canale (spesso irriguo) - inseriti in una condotta idropotabile - con la centrale al piede di una diga Il problema principale è quello di realizzare una via d acqua che colleghi idraulicamente monte e valle della diga e di trovare il modo di adattare le turbine a questa via d acqua: 1. se la diga possiede già uno scarico di fondo la soluzione è evidente; 2. altrimenti, se la diga non è troppo alta, si può inserire una turbina a sifone. Queste turbine rappresentano una soluzione elegante per impianti con salto fino a 10 m e gruppi con non più di kw di potenza, sebbene ci siano esempi di turbine in sifone con potenza installata fino a 11 MW (Svezia) e salti fino a 30,5 m (USA). La turbina può essere collocata sia sul coronamento della diga sia sulla sua parete di valle.

61 Il progetto di un impianto idroelettrico E il risultato di un complesso processo iterativo all interno del quale vengono presi in considerazione gli impatti ambientali e le differenti soluzioni tecnologiche, che vengono poi anche confrontate da un punto di vista economico. Progettare l utilizzazione di un tratto di fiume ai fini della generazione idroelettrica è quindi una delle più interessanti sfide per un ingegnere, dal momento che potenzialmente esistono un numero illimitato di configurazioni possibili per uno stesso sito. L ingegnere deve individuare la soluzione ottimale per la configurazione dell impianto, inclusi il tipo di diga o traversa, il sistema di convogliamento dell acqua, la potenza installata, la localizzazione delle diverse strutture, etc. Un approccio strettamente matematico all ottimizzazione di tutti i parametri in gioco è sostanzialmente impossibile, a causa delle innumerevoli soluzioni possibili e delle caratteristiche specifiche dei diversi siti.

62 Il progetto di un impianto idroelettrico Prima di redigere un progetto definitivo o esecutivo è opportuno preparare uno studio di fattibilità o, meglio un progetto preliminare. I passi da compiere comprendono: valutazione della risorsa idrica e del suo potenziale energetico selezione del sito e dello schema base dell impianto scelta delle turbine idrauliche, dei generatori elettrici e loro regolazione studio di impatto ambientale e misure di mitigazione valutazione economica del progetto e possibilità di finanziamento analisi del contesto istituzionale

63 Il progetto di un impianto idroelettrico

65 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico L acqua è il combustibile dell impianto, senza il quale non si ha produzione. Questa caratteristica determina un forte legame tra gli impianti idroelettrici e il territorio: è necessario disporre di portate sufficienti e durevoli; le caratteristiche topografiche del sito devono consentire di creare in un punto un salto sufficiente per generare energia.

66 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico L acqua, defluendo dal punto A al punto B, perde energia potenziale in misura proporzionale al dislivello di quota indipendentemente dal percorso seguito, sia esso un corso d acqua, un canale o una condotta forzata. L energia potenziale persa può essere espressa in termini di potenza secondo la seguente equazione: P = Q Hg g dove: P è la potenza perduta dall acqua [kw] Q è la portata in [m 3 /s] Hg è il salto netto [m] g è il peso specifico dell acqua, pari al prodotto della sua densità per l accelerazione di gravità (g=9,81 kn/m 3 ). B A

67 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico L acqua può andare da A a B: 1. seguendo l andamento dell alveo naturale, dissipando l energia potenziale in attriti e turbolenza, 2. attraverso un sistema di condotte al termine del quale sia posta una turbina Nel secondo caso l acqua perde comunque parte della potenza negli attriti con i tubi, in turbolenza all imbocco, nelle curve, nelle valvole, etc., ma la maggior parte viene utilizzata per muovere le pale delle turbine. B A È proprio quest ultima porzione della potenza che sarà convertita in energia meccanica e, mediante l accoppiamento con un generatore, consentirà la produzione d energia elettrica. Un buon progetto sarà quello che minimizzerà la potenza perduta nel percorso da A a B, in modo che sia disponibile la massima potenza possibile per azionare il generatore.

68 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico La produzione d energia idroelettrica dipende dalla disponibilità di acqua defluente in presenza di un certo dislivello. dove: P m = Potenza media [kw] Q m = Portata media [m 3 /sec] H m = Salto medio netto [m] η m = Rendimento [adim.] g = accelerazione di gravita = 9,81 m/sec 2 E = Energia [kwh] Potenza media P m = Q m x H m x η m x g Energia E = P m x ore

69 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Per stimare il potenziale idroelettrico si devono poter conoscere: la variazione delle portate durante l anno: il salto disponibile. Nel migliore dei casi i servizi idrografici avranno installato una stazione di misura nelle vicinanze del tratto d interesse e avranno registrato le serie storiche delle portate per un periodo sufficientemente lungo. Sfortunatamente è piuttosto raro che siano state condotte misure di portata regolari nel tratto di corso d acqua su cui si intende sviluppare una utilizzazione idroelettrica. In questo caso si ricorre all idrologia, con lo studio del regime delle piogge, dei deflussi e della geologia superficiale e con le misure dei bacini imbriferi e di drenaggio e dell evapotraspirazione.

70 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Registrazione dei dati idrologici In Europa le serie storiche di dati idrologici possono di solito essere reperite presso gli istituti idrografici. I dati idrologici rilevati possono essere di diversi tipi e tutti possono risultare utili per valutare le potenzialità produttive di un sito. Eccone alcuni esempi: dati di portata per siti con stazioni di misura; caratteristiche idrologiche dei siti in termini di portata media annua e curva di durata delle portate, entrambi espressi sia in termini di portata rilevata che di valore estrapolato a partire dai deflussi unitari del bacino idrografico; mappe dei deflussi.

71 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Esiste una organizzazione della Nazioni Unite la World Meteorological Organisation con un servizio informativo idrologico (INFOHYDRO) il cui scopo è fornire notizie su: organizzazioni nazionali e internazionali (governative e non-governative); istituzioni e agenzie che si occupano d idrologia; attività idrologiche di questi enti; principali fiumi e laghi del mondo; reti nazionali di stazioni di misura idrologiche numero delle stazioni e durata delle registrazioni; banche dati nazionali di misure idrologiche - stato della raccolta dati, elaborazione ed archiviazione; banche dati internazionali attinenti all idrologia ed alle risorse idriche.

72 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico In Sicilia: Assessorato Regionale dell'energia e dei Servizi di Pubblica Utilità Dipartimento dell'acqua e dei Rifiuti Osservatorio delle Acque

73 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Misure della portata Se non esistono serie storiche di misure di portata e si dispone di tempo, la portata può essere misurata direttamente per almeno un anno, poiché una singola misura istantanea della portata in un corso d acqua è di scarsa utilità. Per misurare le portate sono disponibili diversi metodi: Diretti: Metodo del secchio Stramazzo Venturimetro Indiretti: Metodo velocità-area Metodo pendenza-area

74 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Misure dirette della portata: Corsi piccolissimi (0,1 10 l/min) Metodo del secchio: si cronometra in quanto tempo si riempie e si ottiene la portata, ma quando si passa a qualcosa di più complesso si deve conoscere anche la velocità. Corsi piccoli (20 30 l/s) Stramazzo: conoscendo l altezza dell acqua sullo stramazzo si riescea trovare, tramite formule, direttamente la portata. Corsi medio-piccoli (1 2 m 3 /s) Venturimetro : sagomato per creare l effetto Venturi, cioè si passa da corrente lenta a corrente veloce e quindi una differenza di livello dalla quale si riesce a calcolare la portata.

75 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Misure dirette della portata: stramazzo Se il corso d acqua è abbastanza piccolo (indicativamente con portata inferiore ad 1 m 3 /s) allora può essere opportuno realizzare una traversa provvisoria. Essa è costituita da un piccolo sbarramento posto trasversalmente alla corrente da misurare e dotato di uno stramazzo (incavo) centrale attraverso il quale è convogliata tutta l acqua.

76 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico E necessario: misurare il pelo acqua a monte a una certa distanza dallo stramazzo (almeno quattro volte la profondità dell acqua sul punto più basso dello stramazzo), mantenendolo libero da sedimenti. che le pareti dello stramazzo siano sottili, per favorire il distacco della vena liquida. Si possono usare diversi tipi di stramazzo: rettangolari triangolari (a V ) trapezoidali

77 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico

78 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Esistono varie formule accurate che danno la portata attraverso lo stramazzo in funzione della differenza di quota tra il pelo acqua a monte e il ciglio dello stramazzo. Lo stramazzo triangolare (molto preciso alle basse portate) Stramazzo rettangolare (adatto per portate con ampia variabilità)

79 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Misure dirette della portata: venturimetri Analogamente si possono utilizzare modellatori a risalto, dove una corrente viene incanalata attraverso una sezione geometricamente regolare prima di entrare in un tratto con sezione trasversale differente, caratterizzata da contrazione laterale o da salti di fondo, generalmente con una forma a Venturi. Rispetto agli stramazzi, queste strutture hanno il vantaggio di non ostruire il flusso dell acqua e di non farla ristagnare a monte e possono quindi anche diventare una stazione di misura permanente.

80 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Misure indirette della portata: metodo velocità-area Usato per fiumi medi e grandi, consiste nella misura: della sezione trasversale del fiume della velocità media dell'acqua.

81 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Distribuzione delle velocità nella sezione fluviale La sezione viene rilevata mediante metodi topografici La velocità media può essere misurata con vari strumenti: galleggiante, mulinello, misuratori elettromagnetici.

82 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Mulinello: strumento che misura la velocità in un preciso punto di una corrente in funzione della rotazione di un elica. Velocità modeste Mulinello ad asse verticale Velocità elevate Mulinello ad asse orizzontale Di solito è solidale ad un asta idrometrica per rilevare immediatamente la profondità di immersione.

83 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico 1. Si misurano nello stesso tempo h e Q in diverse condizioni di deflusso (magra, piena, ecc.) 2. Si riportano in grafico h-q i punti trovati dalle misure (scala di deflusso) 3. Si trovano i parametri a e b che meglio approssimano la legge di potenza Q = a*h^b

84 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico

85 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico 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. Il salto lordo dipende dall orografia del luogo e presenta ampi margini di variazione (da 1 a m). Misura del salto lordo disponibile: cartografia rilievi con GPS rilievi topografici a terra rilievi topografici con voli

86 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Misura del salto lordo disponibile: cartografia La principale produzione cartografica disponibile in Sicilia é costituita da: carte topografiche IGM - Istituto Geografico Militare (scala 1:25.000); CTR - Carta Tecnica Regionale (scala 1:10.000); CART cartografia dei centri urbani (scala 1:2000)

87 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Misura del salto lordo disponibile: rilievi con GPS Il Global Positioning System è un sistema di localizzazione topografica che utilizza una costellazione di 24 satelliti del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti. In sintesi, il GPS è un sistema di posizionamento in grado di fornire in tempo reale o in differita, senza distinzione di luogo o di momento, le posizioni, i tempi e la velocità di qualsiasi utilizzatore. Grazie ad un ricevitore GPS è possibile calcolare e conoscere una posizione istantanea, visualizzandone le coordinate sul display sotto forma di coordinate geografiche nel sistema di riferimento del GPS (ellissoide geocentrico) WGS84, oppure nel sistema locale UTM.

88 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Misura del salto lordo disponibile: rilievi topografici a terra Una stazione totale è una combinazione di dispositivi elettronici per la misurazione della distanza. Con la stazione totale è possibile determinare angoli e distanze dello strumento da determinati punti che devono essere rilevati. Con l'aiuto della trigonometria poi gli angoli e le distanze vengono utilizzati per calcolare la posizione reale (x, y, z o northing, easthing e elevazione) dei punti in termini assoluti.

89 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Calcolo del salto netto disponibile Il salto che sente la turbina non è quello lordo H L, ma quello netto H N (< H L ). Un fluido che scorre dentro una tubazione è soggetto alle cosiddette perdite di carico, ovvero ad un calo di pressione dovuto agli attriti interni dello stesso. Le leggi che regolano il moto di un fluido non sono universalmente valide. Si è soliti ricorrere a due modelli per descrivere un fluido in moto: il regime laminare, che prevede che il fluido sia suddivisibile in tante lamelle che scorrono (non senza attrito) una sull altra e parallelamente al tubo il regime turbolento, che si basa sull idea che le varie molecole si muovano in modo caotico, formando vortici.

90 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Si sceglie un modello o l altro a seconda del valore di un parametro, il numero di Reynolds, definito da: dove: D = diametro del tubo W = velocità media del fluido ρ = densità del fluido μ = viscosità del fluido A seconda del valore di Re: Regime laminare se Re<2.100 Regime turbolento se Re>4.000 Re = WD ρ/μ Esiste un range entro il quale non vale nessuno dei due modelli (zona di transizione).

91 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Le perdite di carico vengono suddivise in due categorie: distribuite, presenti ovunque nelle tubazioni e dovute agli attriti che inevitabilmente si generano a causa dello scorrere del fluido nel tubo concentrate, localizzate in un ben preciso punto del percorso e dovute ad ostacoli quali un rubinetto, una diramazione, un restringimento o un allargamento del condotto, un gomito ecc.

92 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Perdite di carico distribuite Consideriamo un tubo rettilineo di sezione circolare di raggio R, e lunghezza L, perfettamente liscio, entro cui scorre un fluido di viscosità μ in regime laminare. L espressione della velocità in funzione della caduta di pressione tra due sezioni 1 e 2 è: Risolvendo tale equazione rispetto alla caduta di pressione ed esprimendo il raggio in funzione del diametro, si ottiene: da cui:

93 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Il termine è chiamato coefficiente d attrito, e tale espressione vale solamente sotto le ipotesi che abbiamo fatto, in particolare quelle di tubo liscio, sezione circolare e moto laminare. È anche da notare come l espressione appena ricavata per la perdita di pressione sia direttamente proporzionale al termine L/D, quindi alla lunghezza relativa del tubo: questo fattore esprime il concetto dei perdita distribuita. Qualora non valessero le ipotesi sotto le quali abbiamo sviluppato il calcolo, possiamo comunque utilizzare la formula ricavando il coefficiente d attrito non più per via analitica, ma mediante l uso di tabelle o del diagramma di Moody, di origine sperimentale, in funzione del numero di Reynolds e della rugosità relativa: dove: D è il diametro del tubo [mm] ε è il valore medio della scabrezza del tubo [mm]

94 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Fig. - Diagramma di Moody Il diagramma di Moody si presenta sotto forma di retta nel caso di regime laminare, in cui vale la relazione: Aumentando il valore di Re, si entra nel regime turbolento, e il diagramma si divide in più curve, ognuna delle quali rappresenta un particolare valore della scabrezza relativa. Il grafico si usa scegliendo la curva corrispondente alla scabrezza del tubo in esame e individuando su di essa il punto la cui ascissa rappresenta il numero di Reynolds del problema: sull indice di sinistra si può leggere il valore di ξ. Si noti che la zona critica e quella di transizione non sono trattate: il grafico diventa tratteggiato, e poi subisce una discontinuità.

95 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Perdite di carico concentrate La formula usata per calcolare le perdite di carico concentrate è: Il termine β, che mantiene il nome di coefficiente d attrito, dipende dalla particolare geometria dell oggetto che determina la perdita. Nelle lunghe condotte (L>>D) risultano trascurabili le perdite di carico localizzate rispetto a quelle continue.

96 Quote [m s.l.m.] BOTTINO DI RIUNIONE MARGI PARTITORE PER VALLEDOLMO CENTRALE IDROELETTRICA PARTITORE CELLA Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Quote terreno = quote condotta Quote piezometriche Scenario 1 Quote piezometriche Scenario 2 Salto disponibile (Q turbinata = Q media di concessione) (Q turbinata = Q massima di concessione) Distanza progressiva [m]

97 Portata Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Per il dimensionamento di una centrale idroelettrica 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. Si ricava con lunghi periodi di osservazione (20-30 anni). Giorni in cui la portata è uguagliata o superata Serve 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) definire il massimo valore della portata che è conveniente indirizzare alla turbina.

98 Portata Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico 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: il Deflusso Minimo Vitale (DMV). DMV Volume di acqua disponibile ma non utilizzabile causa DMV Giorni in cui la portata è uguagliata o superata Dal punto di vista economico è auspicabile che il DMV sia il più basso possibile. 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. Serve quindi una soluzione di compromesso fra queste due legittime esigenze.

99 Portata Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Esempio di utilizzo: Opzione 1 Opzione 2 Opzione 3 Volume di acqua disponibile ma non utilizzabile causa DMV Qmax (l/sec) Durata % 14% % -66% Giorni in cui la portata è uguagliata o superata Qmed (l/sec) % 12%

100 Portata Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico In sintesi: Volume di acqua disponibile ed utilizzabile LIM. SUP. Volume di acqua disponibile ma non utilizzabile perché antieconomico Volume di acqua disponibile ma non utilizzabile causa DMV DMV Giorni in cui la portata è uguagliata o superata

101 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico La potenza teorica P [kw] ricavabile da una massa d acqua con una portata Q [m 3 /s] e con un dislivello H [m] è: P T = 9,81x Q x H L La potenza effettivamente utilizzabile P E* è minore di quella teorica in quanto si verificano delle perdite di carico e pertanto ad H L va sostituito H N (<H L ): P E* = 9,81x Q x H N Indicando con il rendimento complessivo dell impianto, la potenza effettiva P E diventa: P E = 9,81x Q x H N x η

102 Valutazione della risorsa idrica, del salto e del potenziale energetico Potenza di interesse per l idroelettrico Potenza installata P INST = Q MAX x H N(QMAX) x η x 9,81 [kw] P INST = Q MAX x H N(QMAX) x η x 9,81 / cosfì [kva] Potenza media annua P MED = Q MED x H MED(QMED) x η M x 9,81 [kw] Producibilità media annua E MED = P MED [kw] x ore/anno [kwh/anno] Potenza nominale di concessione P NOM = Q MED [l/sec] x H L [m] /102 [kw]

104 Centrale e annessi Componenti: Sala macchine, sale quadri, locali accessori Gruppi generatori Valvole o paratoie di protezione macchine Carroponte Quadri di potenza Quadri di comando e teletrasmissioni Sistemi d emergenza (aerazione, antincendio, antintrusione, ecc)

105 Centrale e annessi Le turbine idrauliche si dividono in due grandi categorie: ad azione ed a reazione Tipo di turbina Classificazione del salto Alto (>50m) Medio (10-50m) Basso (<10m) Azione Pelton Turgo Cross-flow Pelton multi getto Cross-flow Turgo Pelton multi getto Cross-flow Reazione Francis (cassa spirale) Francis (cassa spirale) Kaplan Francis (camera libera) Propeller Kaplan

106 Centrale e annessi Scelta della turbina

107 Centrale e annessi Scelta della turbina

108 Centrale e annessi Variazione di portata e di salto accettabile Tipo turbine Variazione di portata accettabile Variazione di salto accettabile Pelton 1 getto 20% Qmax Basso Pelton multi-getto 10% Qmax Basso Francis 50% Qmax Basso Kaplan a doppia regolazione 20% Qmax Alto Kaplan a regolazione singola 50% Qmax Medio Cross-flow 20% Qmax Medio Propeller Qmax Basso

109 Centrale e annessi Rendimento tipico della turbina

110 Centrale e annessi Rendimenti Moltiplicatori Turbine Generatori

111 Centrale e annessi Turbine Pelton 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 le 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.

112 Centrale e annessi Turbine Pelton

113 Centrale e annessi Turbine Francis 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.

114 Centrale e annessi Turbine Francis

115 Centrale e annessi Turbine Kaplan 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.

116 Centrale e annessi Turbine Kaplan

117 Centrale e annessi Principali criteri di scelta delle turbine: Caratteristica Tipo Giacitura asse Nr. Unità Generatore Producibilità attesa Altro Fattori H; Qmax; Qmin; producibilità attesa (efficienza) Tipologia centrale; facilità delle manutenzioni Portata minima d impianto Velocità di rotazione; costi Investimento totale Facilità di trasporto; tempo di consegna; problemi di colpo d ariete, etc.

119 Autorizzazioni ed incentivi A differenza degli impianti alimentati dalle altre fonti rinnovabili, essendo l acqua un bene pubblico, prima dell autorizzazione alla realizzazione delle opere è necessario acquisire dalla Regione Siciliana una concessione di derivazione dell acqua a scopo idroelettrico ai sensi dell art. 7 del T.U. di cui al R.D. n. 1775/1933. Il Decreto di concessione è rilasciato dall Assessorato Regionale delle Infrastrutture e della Mobilità, dopo una lunga procedura istruttoria di cui è incaricato l Ufficio del Genio Civile competente per territorio.

120 Autorizzazioni ed incentivi L'art. 7 del T.U n 1775 prevede che le domande per nuove concessioni siano "corredate dei progetti di massima delle opere da eseguire per la raccolta, regolazione, estrazione, derivazione, condotta, uso, restituzione e scolo delle acque". Tuttavia la norma (D.Lgs e D.P.R. 207/2010) prevede che esistano soltanto i livelli di progettazione preliminare, definivo ed esecutivo. Esiste comunque una legge che definisce comunque le norme per la compilazione dei progetti di massima da presentare unitamente alle istanze di concessione di acqua pubblica, il D.M. 16 dicembre 1923 ("Norme per la compilazione dei progetti di massima e d esecuzione a corredo delle domande per le derivazioni di acque, di cui all'art. 9, n.1, del regolamento 14 agosto n.1285"), tuttora vigente.

121 Autorizzazioni ed incentivi L iter istruttorio prevede forme di pubblicità finalizzate a far emergere: concorrenza opposizioni/osservazioni La concessione all uso delle acque è rilasciata per 30 anni, a fronte del pagamento di un canone annuo funzione della potenza nominale di concessione.

122 Autorizzazioni ed incentivi Per gli aspetti relativi al rilascio dell autorizzazione alla costruzione ed all esercizio si fa invece riferimento all articolo 12 del D.Lgs. 29 dicembre 2003, n All interno della conferenza dei servizi di cui all articolo 12, verranno acquisite tutte le autorizzazioni, pareri e nulla osta necessari alla costruzione e gestione dell impianto idroelettrico, comprese l autorizzazione paesaggistica, le autorizzazioni e nulla osta idraulici, alla realizzazione dell elettrodotto di connessione alla rete elettrica, ecc. Costituiscono endoprocedimenti del suddetto procedimento unico principale: 1. la valutazione di impatto ambientale, ove necessaria, ex D.Lgs. 152/2006 e s.m.i. 2. il rilascio della concessione di derivazione di acqua pubblica ex T.U. 1775/1933.

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