Micro Centrali Idroelettriche per il Recupero di Energia nelle Reti Idriche

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Edmondo Bonifacio Santoro
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1 Micro Centrali Idroelettriche per il Recupero di Energia nelle Reti Idriche Ing. Daniele Rosati PhD on Electrical Engineering MCM Energy Lab Srl Laboratorio di Elettronica di Potenza per l Efficienza Energetica Spin-off del POLITECNICO DI MILANO 1 di 15

Daniele Rosati PhD on Electrical Engineering MCM Energy Lab Srl

2 MCM ENERGY LAB SRL MCM Energy Lab Srl è una società di ingegneria, spin off del POLITECNICO DI MILANO MCM si occupa di ricerca applicata supportando i propri clienti a sviluppare nuovi sistemi e nuovi prodotti. Settori di riferimento: - Generazione Distribuita dell energia elettrica per mezzo di fonti Rinnovabili - Efficienza Energetica di sistemi e prodotti - Mobilità Sostenibile (auto elettrica e trazione elettrica) 2di 15

Settori di riferimento: - Generazione Distribuita dell energia elettrica per mezzo di fonti Rinnovabili -

3 Recupero di Energia nelle Reti Idriche (Acquedotti) Idea di MCM: produrre energia elettrica con turbine a velocità variabile by-passando i riduttori di pressione presenti nelle reti idriche Caratteristiche Acquedotti: Reti complesse (sorgenti / pozzi / stazioni di pompaggio / condotte / serbatoi / valvole) Forte dipendenza dall Orografia del Territorio Sistemi in continua evoluzione (non hanno costruzione contemporanea) Grossi consumi di Energia Elettrica Obiettivo gestori di acquedotti: REGOLARE IL PROFILO DI PRESSIONE NELLA RETE IDRICA DI DISTRIBUZIONE 3di 15

condotte / serbatoi / valvole) Forte dipendenza dall Orografia del Territorio Sistemi in continua evoluzione (non hanno costruzione

4 Regolazione della pressione nelle reti idriche 1) Ridurre le perdite di acqua nell acquedotto (rendimento sopra al 80%) 2) Richieste normative del D.P.C.M. 14 marzo 1996 Dotazione pro-capite giornaliera > 150 l/ab/giorno H max = 70 m Porta minima erogata consegna Qmin > 0,10 l/s H min = 5 m Carico idraulico controllato 4di 15

14 marzo 1996 Dotazione pro-capite giornaliera > 150 l/ab/giorno H max = 70 m

5 Possibili salti motore utilizzabili negli acquedotti Caratteristiche rete idrica + Necessità Regolazione di Pressione Serbatoio 1 Caso 2: Serbatoi a quote differenti H = Salto utile Possibili Salti Motore per produrre energia elettrica dalla rete idrica (micro-centrali idroelettriche) Serbatoio 2 Caso 3: Riduttori di Pressione in Linea Caso 1: Sorgenti in quota sorgente Serbatoio Valvola riduzione pressione Distribuzione utenze H = Hfis + H(Q_spillata) P1 elevata P2 = cost Vasca potabilizzazione Salto utile H = P = P1 P2 5di 15

(micro-centrali idroelettriche) Serbatoio 2 Caso 3: Riduttori di Pressione in Linea Caso 1: Sorgenti in quota sorgente Serbatoio

6 Problemi nella realizzazione di micro centrali su acquedotto Evitare contaminazione dell acqua potabile Micro-turbina Kaplan a flusso variabile - Materiali e sistemi di tenuta secondo DL 174 del 06 aprile 2004 Dimensionamento dell impianto - Portate molto variabili (Rapporto tra notte e giorno fino a 1:5) - Variabilità del Salto Motore (Dipendenza dalle perdite di carico nelle conduttore) Layout di Impianto - Serbatoi posizionati nei centri storici (difficile realizzare opere civili) - Riduttori di pressione spesso in camere sotterranee o cunicoli Micro-turbina Pelton a 5 ugelli Convenienza Economica - Incidenza dei costi di progettazione nell investimento - Valutazione del kwh prodotto GSE ha introdotto per impianti micro-idroelettrici la Tariffa Omnicomprensiva che riconosce 0.22 /kwh prodotto 6di 15

Layout di Impianto - Serbatoi posizionati nei centri storici (difficile realizzare opere civili) - Riduttori di pressione spesso in camere sotterranee o cunicoli Micro-turbina Pelton a 5 ugelli

7 Esempio di Micro Centrale Idroelettrica su Acquedotto Centrale ORSIERA-CHIOMONTE (TO) Dati Caratteristici: - Portata media Qm= 18 l/s - Portata massima QM= 20 l/s - Salto Lordo H 300 m - Salto Motore Hm = 230 m - Potenza Installata P = 40 kw - Potenza concessione Pn = 52,72 kw Produzione annua E = kwh 7di 15

Portata massima QM= 20 l/s - Salto Lordo H 300 m - Salto Motore Hm = 230 m -

8 Valutazione economica per Micro Centrali Idroelettriche Centrale ORSIERA CHIOMONTE (TO) Costi di realizzazione: Opere Civili Macchinario di produzione (Turbina Pelton Generatore Asincrono) Quadro elettrico di controllo ed automazione Opere idrauliche e impianti elettrici Apparecchiature di controllo Spese tecniche TOTALE (IVA inclusa) Prezzo di cessione (Delib. Autorità 82/99 fino a 3 MW) RICAVO ANNUO PREVISTO 0,083 /kwh /anno Ritorno economico dell investimento in 4 5 anni 8di 15

300 Opere idrauliche e impianti elettrici 12.911 Apparecchiature di controllo 5.113 Spese tecniche 7.807 TOTALE (IVA inclusa) 95.

9 Nuovo sistema MCM con turbina a velocità variabile by pass riduttore 2. GENERATORE SINCRONO a MP con V ed f variabile 3. QUADRO DI CONVERSIONE E CONTROLLO con doppio INVERTER TRIFASE per conversione AC/DC/AC a frequenza variabile, Master Controller e SPI 1. TURBINA a VELOCITA VARIABILE con ELICA FISSA e con controllo della pressione in uscita ( posizionata in by-pass al Riduttore di Pressione in linea) 9di 15

QUADRO DI CONVERSIONE E CONTROLLO con doppio INVERTER TRIFASE per conversione AC/DC/AC a frequenza

10 Funzionamento Turbina a Velocità Variabile A: condizione di dimensionamento per Kaplan doppia regolazione (vel. fissa) ed Elica fissa (velocità variabile) B: Kaplan doppia regolazione con flusso ridotto C: Elica fissa con flusso ridotto (velocità rotazione variabile) A B C Triangolo delle velocità Con velocità variabile si ha: Equazione di Eulero 10 di 15

fissa) ed Elica fissa (velocità variabile) B: Kaplan doppia regolazione con flusso

11 Confronto efficienza conversione vel. fissa vs vel. variabile Diagrammi Collinari con Kaplan doppia-regolazione (sinistra) e turbina vel.variabile (VSO) con Elica fissa (destra) Confronto rendimento Kaplan vs Elica VSO con stesse caratteristiche nominali e funzionamento a Salto Motore variabile Velocità variabile risulta molto vantaggiosa con Salto Motore variabile 11 di 15

variabile (VSO) con Elica fissa (destra) Confronto rendimento Kaplan vs Elica VSO con stesse

12 Vantaggi utilizzo sistema a velocità variabile 1) Costo Turbina VSO meno elevato 2) Turbina senza organi meccanici di regolazione ed attuatori (affidabilità) 3) Minor rischio di Cavitazione (velocità relative basse) 4) Miglior regolazione della pressione in uscita (più GdL per controllo) 5) Gruppo turbina-generatore disaccoppiato dalla rete elettrica (DC bus inverter) 6) Miglior gestione del Colpo d Ariete e della Perdita di passo del generatore 7) Fattore di potenza ottimale per energia elettrica immessa in rete cos =1 12 di 15

(più GdL per controllo) 5) Gruppo turbina-generatore disaccoppiato dalla rete elettrica (DC bus inverter) 6) Miglior gestione del

13 Regolazione Generatore Sincrono MP con Inverter Modello sincrono a MP su assi rotanti di Park Coppia elettromagnetica Si controlla la macchina in modo da tenere la corrente iq sempre in controfase rispetto alla f.e.m. E prodotta dal rotore a MP 13 di 15

Si controlla la macchina in modo da tenere la corrente iq

14 Controllo della pressione in uscita Il Controllo della pressione in uscita deve essere sempre garantito (si tiene la valvola di riduzione in by-pass) 14 di 15

15 Conclusioni Nelle reti idriche vi sono salti motore disponibili a causa dell orografia del territorio e della regolazione di pressione attuata nella rete. Per recuperare l energia disponibile si possono installare micro-centrali idroelettriche opportunamente progettate e realizzate per il funzionamento in acquedotti. Esistono degli esempi che dimostrano la fattibilità e l economicità di questi sistemi. MCM Energy Lab propone un nuovo sistema con turbina a velocità variabile per recuperare l energia attualmente dissipata nei riduttori di pressione in linea. Lo sfruttamento di turbine a velocità variabile richiede l utilizzo di generatori elettrici alimentati e controllati da inverter. Con il sistema a velocità variabile si possono ottenere produzioni energetiche più elevate rispetto ai sistemi tradizionali a velocità fissa. 15 di 15

Esistono degli esempi che dimostrano la fattibilità e l economicità di questi sistemi.

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