UNIVERSITA DEGLI STUDI DI UDINE

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1 UNIVERSITA DEGLI STUDI DI UDINE DIPARTIMENTO DI ENERGETICA E MACCHINE Impianti di accumulo mediante pompaggio: caratteristiche generali e peculiarità funzionali Piero Pinamonti 1

2 Potenza efficiente degli impianti elettrici di generazione in italia al 31 dicembre 2008 Situazione al 31/12/2008: Idro 21.6 % Termo comb % Geotermo 0.7 % Eol+PV 4.0% (Fonte: TERNA) 2

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4 Diagrammi di carico giornaliero La richiesta di energia elettrica della rete di un Paese industriale viene rappresentata dalla curva del diagramma di carico giornaliero. La variabilità del diagramma di carico è un problema tecnico economico legato al tipo di centrali che alimentano la rete. Gli impianti termoelettrici di grande potenza hanno ridotti campi di regolazione e limiti di funzionamento ad alto rendimento estremamente limitati, al contrario degli impianti idraulici. 4

5 Copertura del diagramma di carico Dalla base del carico alle punte, utilizzando gli impianti seguenti: Impianti idraulici ad acqua fluente Impianti geotermici Impianti termonucleari Impianti termici a vapore Impianti idraulici a bacino di modulazione Impianti idraulici a bacino di regolazione Per i primi quattro tipi di impianti, necessario/ottimale il funzionamento il più possibile a carico nominale (rendimento, coefficiente di utilizzazione di impianti costosi, lentezza di variazioni di carico). Gli impianti idro-elettrici a bacino ideali per effettuare la regolazione (capacità di forti e rapide variazioni di carico, rendimenti elevati anche a carichi parziali, forte automazione). La loro presenza costituisce per il sistema di produzione un punto di forza per una gestione ottimale sia tecnica che economica. 5

6 Andamento del carico giornaliero IDRO-POMPAGGIO IDRO-SERBATOIO IDRO-MODULATA TERMICO CONV. ESTERO IDRO-FLUENTE GEOTERMICO ore MW x (Fonte: TERNA) 6

7 Caratteristiche centrali idro-elettriche: Vantaggi: - energia rinnovabile - semplicità di esercizio - rapidità di variazioni di carico - utili per la regolazione - massima automazione - assenza inquinamento aria e acqua Svantaggi: - potenzialità ridotta (dipendenza da salto e portata naturali) - modifica del paesaggio naturale: impatto ambientale 7

8 Impianti idro-elettrici in Italia (Dati 2008) Produttori Autoproduttori Italia N impianti Pot.Efficiente lorda (MW) Di cui di pompaggio (MW) Produzione (GWh) In Friuli Venezia Giulia N impianti Pot.Efficiente lorda (MW) Produzione (GWh) (Fonte: TERNA) 8

9 Potenza efficiente lorda media annua impianti idro-elettrici in Italia al 31 dicembre degli anni 1963 e 2008 (Fonte: TERNA) 9

10 Tipologie di impianti idroelettrici Le centrali idroelettriche possono essere classificate, in base alla potenza nominale dell impianto: Micro centrali idroelettriche P < 100 kw Mini centrali idroelettriche P < 1000 kw Piccole centrali idroelettriche P < 10 MW Grandi centrali idroelettriche P > 10 MW In relazione alla derivazione idraulica che alimenta l impianto: Impianti ad acqua fluente Impianti a bacino (a regolazione parziale) Impianti a serbatoio (a regolazione totale) 10

11 Schema di impianto idro-elettrico 11

12 Schema di centrale idroelettrica 12

13 Impianti idroelettrici di accumulazione mediante pompaggio costituiti da: due bacini a livelli diversi, collegati da una tubazione una turbina M/G una pompa un motore/generatore elettrico Allo stato della tecnica sono sostanzialmente i soli impianti in grado di accumulare rilevanti quantità di energia, la cui utilizzazione può essere effettuata in tempi anche notevolmente diversi dal periodo in cui il sistema energetico mette a disposizione energia primaria che non possa essere utilizzata. 13

14 Vantaggi Impianti idroelettrici di pompaggio Appiattimento del diagramma di carico Operazione economicamente conveniente che porta sia alla riduzione delle potenza installata degli impianti di base, sia al consumo di energia elettrica a basso valore commerciale per l accumulo di energia che sarà utilizzata nei periodi di maggiore richiesta della rete e quindi con un valore commerciale nettamente superiore (rapporto circa 3/1). 14

15 I servizi offerti dagli impianti di accumulazione L inserimento di un sistema di questo genere in una rete elettrica consente di effettuare una serie di servizi: Servizio di potenza. Servizio di trasferimento. Servizio di rampa. Servizio di riserva rotante. Servizio di regolazione. I quali corrispondono a quelli relativi agli impianti idraulici a bacino, salvo per il servizio di trasferimento. 15

16 Scelta dello schema d impianto La scelta dello schema della centrale di pompaggio dipende dalle caratteristiche dell impianto (portata massima e dislivello tra i bacini) ed è condizionata dall esigenza di ottenere il più elevato rendimento nel doppio trasferimento di energia pompa-acqua e acqua-turbina che interviene nel ciclo di accumulazione ed utilizzazione. L energia utile prodotta dalla turbina raggiunge normalmente il %, di quella utilizzata dalla pompa (a causa dei rendimenti delle singole trasformazioni energetiche). I gruppi macchina installati in una centrale di pompaggio possono essere così strutturati: Un gruppo motore-pompa più un gruppo turbina-generatore. Un gruppo turbina-pompa-generatore/motore ( impianto ternario ). Un gruppo pompa/turbina-generatore/motore ( impianto binario ). 16

17 Motore/ Generatore Turbina Gruppi ternari Nei gruppi ternari le 3 macchine generatore/motore, turbina e pompa) sono disposte sullo stesso asse, generalmente con disposizione verticale. Questa configurazione permette di installare l alternatore e la turbina al di sopra del livello dell acqua dello scarico, mentre la pompa si trova al di sotto di tale livello. Pompa Per salti medi le macchine idrauliche sono radiali monostadio (turbina Francis e pompa centrifuga), per salti alti la turbina è una Pelton, e la pompa è radiale multistadio. 17

18 Avviamento di un gruppo ternario In linea di massima, la sequenza delle manovre da effettuare per avviare un gruppo ternario in servizio di pompaggio è la seguente: Accoppiamento del giunto. Riempimento d acqua della pompa. Avviamento del gruppo per mezzo della turbina. Sincronizzazione e parallelo con la rete. Chiusura della turbina e della relativa valvola. Passaggio dell alternatore al funzionamento come motore. Apertura della valvola della pompa ed inizio del pompaggio. Per passare invece dal servizio di pompaggio a quello di turbinaggio, si devono eseguire le seguenti manovre: Chiusura delle valvole a monte della pompa (il motore scende a circa metà carico). Apertura dell interruttore e fermata del gruppo. Distacco del giunto ed avviamento della turbina. 18

19 Motore/ Generatore Gruppi binari Utilizzo di una cosiddetta macchina reversibile (la pompa/turbina), con riduzione del numero delle macchine e semplificazione dell impianto, con conseguente riduzione dei costi. Questo vantaggio viene in parte attenuato dal più basso rendimento che presenta una macchina reversibile rispetto alle due che sostituisce. Pompa/ Turbina Nei gruppi binari, passando da un tipo di funzionamento all altro, il senso di rotazione si inverte; pertanto è sempre necessario fermare il gruppo ed invertire il senso ciclico delle fasi di alimentazione della macchina elettrica. 19

20 Caratteristiche dei Gruppi binari La pompa/turbina è reversibile e invertendo il moto si ottengono i due tipi di funzionamento Dimensioni ridotte della centrale: sensibile economia sulle opere civili Non c è più il giunto Non ci sono perdite di ventilazione in turbina durante il pompaggio Il rendimento è inferiore in entrambi i tipi di servizio Maggiore tempo per passare da un servizio all altro Salti piccoli: la Francis è come una pompa a uno stadio Salti più elevati: si utilizza la pompa multistadio come turbina. Le prime macchine avevano la regolazione sul distributore, oggi (Edolo) le macchine non regolano più e sono più compatte: in questo caso, la regolazione di portata si potrebbe ottenere direttamente con la valvola rotativa (sconsigliato) oppure variando la velocità di rotazione 20

21 Produzione lorda di Energia Idro-elettrica da apporti di pompaggio in Italia (2008) secondo regione Regione ( GWh) Piemonte Lombardia Trentino Alto Adige 45 Veneto 0,3 Emilia Romagna 326 Abruzzo 165 Campania 609 Sardegna 375 ITALIA (Fonte: TERNA) 21

22 Produzione lorda di energia idro-elettrica da apporti di pompaggio in Italia (Fonte: TERNA) 22

23 La centrale di Fadalto La centrale idroelettrica Ottaviano Ghetti, di Fadalto, fa parte del complesso di centrali che sfruttano il bacino idrografico del Piave. Questo impianto sfrutta il serbatoio di monte del lago di S. Croce e di valle del Lago Morto. L impianto attuale, entrato in servizio nel 1971, è dotato di una centrale in caverna in cui sono installati due gruppi ternari ad asse verticale (pompa radiale, turbina Francis, alternatoremotore) in grado di sviluppare una potenza massima di 120 MW ciascuno (con portata massima 125 m 3 /s, salto motore 100 m). 23

24 La centrale di Rottau in Carinzia La centrale idroelettrica di Rottau, fa parte del complesso di Centrali di Malta, in Carinzia, che sfruttano una zona del bacino idrografico dell alta Drava. Utilizza il serbatoio in alta quota di Kolbrein (200 milioni di m 3, a m). La centrale è dotata di due gruppi ternari (pompa radiale multistadio, turbina Pelton) da 180 MW ciascuno, con caduta m. 24

25 La centrale di Edolo La centrale idroelettrica di pompaggio di Edolo, in Val Camonica, è entrata in servizio nel Ha una potenza installata di MW ed è uno degli impianti idro-elettrici più grandi in Europa. E costituito da 2 serbatoi in quota (lago d Avio e lago Benedetto) e 1 a valle (a Edolo). L acqua, prelevata dai serbatoi a monte è convogliata in 2 condotte forzate alla centrale con un salto di m. L impianto svolge i servizi di: - produzione di energia (media annua 220 GWh) - accumulo con pompaggio - disponibilità di immissione in rete di potenza in pochi minuti (emergenze) 25

26 La centrale di Edolo La centrale è dotata di 8 gruppi reversibili ad asse verticale. Ogni pompa-turbina ha una potenza di 125 MW, ed è costituita da 5 giranti radiali in serie con distributore fisso e da un generatore-motore sincrono. La centrale è dotata di 16 valvole rotative (2 per ciascun gruppo) per intercettare il flusso d acqua ad alta pressione (valvola di manovra + valvola di sicurezza). Il lancio della pompa viene fatto da una turbina. 26

27 Grazie per la Vostra attenzione Piero Pinamonti