LE RISORSE RINNOVABILI: Caratteristiche della idrica e le tecnologie per produzione di energia elettrica

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1 Università degli studi di Genova DIPTEM, Dipartimento di Ingegneria della produzione, Termoenergetica e Modelli Matematici, Sezione TErmoenergetica e Condizionamento ambientale, TEC Rev. 12/03/2008 LE RISORSE RINNOVABILI: Caratteristiche della idrica e le tecnologie per produzione di energia elettrica Corso di Energie Rinnovabili 1 Marco Fossa Dipartimento di Ingegneria della Produzione, Termoenergetica e Modelli Matematici, DIPTEM M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.1/ 57 Contenuti Classificazione e tipologia di impianto La disponibilità della risorsa Il salto utile e le perdite di carico Energia sfruttabile La scelta della macchina Cenni sulle opere civili Riferimenti bibliografici M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.2/ 57 1

2 CLASSIFICAZIONE E TIPOLOGIE DI IMPIANTO M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.3/ 57 CLASSIFICAZIONE (I) IDROLETTRICO GRANDE MINI P>10 MW P<10 MW Alta caduta Media caduta Bassa caduta H>100 m 30<H<100m H>30m Ad acqua fluente A piede di diga Su linea di approvvigionamento In Italia sono presenti circa 2000 impianti, per una potenza complessiva di circa 20000MW, di cui circa 2500MW da impianti di piccola potenza (minidro) Il primo impianto in Italia per la produzione idroelettrica risale al 1890, in località Isoverde (Ge), realizzato dalla società De Ferrari-Galliera (1.2MW) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.4/ 57 2

3 CLASSIFICAZIONE (II) La potenza efficiente lorda dei impianti idroelettrici in servizio in Italia è di MW. Nell anno 2005 la produzione idroelettrica è stata di GWh (milioni di kwh), pari al 14,1% del totale di energia elettrica prodotta in Italia -14% rispetto al 2004 quando l idroelettrico ha coperto il 16,5% della produzione nazionale) -impianti a serbatoio: 145 (di cui 21 a pompaggio puro o misto) -impianti a bacino: 186 -impianti ad acqua fluente: con potenza unitaria superiore a 200 MW con potenza unitaria compresa tra 10 e 200 MW di mini-idraulica (di cui 605 con potenza compresa tra 1 e 10 MW, e impianti minori, con potenza compresa da pochi kw a 1 MW). La potenza installata è di circa 2300MW La maggior parte degli impianti e della potenza installata è situata nell Italia settentrionale (1.613 impianti per una potenza di MW. Segue poi l Italia centrale per numero di impianti (277, contro i 172 di Mezzogiorno e isole) ma non per potenza installata, che è di MW nel Mezzogiorno e nelle isole, contro i MW del Centro. La Regione con il maggior numero di impianti è il Piemonte (458), seguita dal Trentino Alto-Adige (352) e dalla Lombardia (321). La maggiore potenza invece installata in Lombardia (6.130 MW), seguita da Piemonte (3.709 MW) e Trentino (3.411 MW). (Fonte: ENEL) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.5/ 57 Impianto ad alta caduta Si utilizzano in genere sbarramenti per avviare l acqua verso l opera di presa dalla quale l acqua è convogliata alle turbine attraverso una tubazione in pressione (condotta forzata) CLASSIFICAZIONE (II) Impianto a bassa caduta M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.6/ 57 3

4 CLASSIFICAZIONE (III) Negli impianti ad acqua fluente, la produzione di energia avviene con modi e tempi assolutamente dipendenti dalla disponibilità idrica. Quando nel corso d acqua la portata scende al di sotto di un certo valore predeterminato (la portata minima della turbina o la portata vitale), la produzione di energia si arresta. Gli impianti a bassa caduta sono realizzati presso l alveo del fiume e l acqua può essere derivata fino alle macchine mediante una breve condotta forzata oppure essere convogliata attraverso un salto creato da una piccola diga, con paratoie a settore e l eventuale scala dei pesci M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.7/ 57 CLASSIFICAZIONE (III) Negli impianti ad acqua fluente, la produzione di energia avviene con modi e tempi assolutamente dipendenti dalla disponibilità idrica. Quando nel corso d acqua la portata scende al di sotto di un certo valore predeterminato (la portata minima della turbina), la produzione di energia si arresta. Gli impianti a bassa caduta sono realizzati presso l alveo del fiume e l acqua può essere derivata fino alle macchine mediante una breve condotta forzata oppure essere convogliata attraverso un salto creato da una piccola diga, con paratoie a settore e l eventuale scala dei pesci M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.8/ 57 4

5 CLASSIFICAZIONE (IV) Gli impianti con centrale a piede di diga sfruttano in genere sbarramenti esistenti (una costruzione ad hoc di solito non è conveniente) ed impiegano una portata compatibile con con l uso prevalente dell invaso o con la portata ecologica Se la diga possiede uno scarico di fondo, esso può essere utilizzato come condotto verso le turbine. Una alternativa a realizzare un canale di adduzione sottodiga, consiste nell utilizzare una configurazione a sifone, idonea per bassi salti (H<10m) e potenze fino a 1000kW. Centrale a piede di diga Presa a sifone M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.9/ 57 CLASSIFICAZIONE (V) Nel caso dei canali irrigui, è possibile derivare la portata turbinabile in diverse maniere. Una possibilità è allargare il canale per ospitare la camera di carico, la centrale, il canale di restituzione e il by-pass laterale (a). (a) Un intervento minore di allargamento del canale, consiste nel ricavare una camera di carico che alimenta una condotta collegata alla turbina (b). (b) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.10/ 57 5

6 LA RISORSA IDRICA (I) Nel defluire dalla sezione A alla sezione B, per una complessiva variazione di quota H, la portata d acqua m converte la sua potenza potenziale originaria: P p =mgh Nel percorso lungo l alveo naturale del corso d acqua, l energia meccanica potenziale viene completamente dissipata dagli attriti. In un nuovo percorso (canale), le dissipazioni (o perdite di carico) possono essere drasticamente ridotte, e l energia potenziale può essere convertita in energia meccanica in una turbomacchina È fondamentale pertanto valutare la portata disponibile durante l anno, il salto disponibile e le perdite di carico lungo il sistema idrico di adduzione alle macchine. Così facendo è possibile stimare l energia che annualmente può essere prodotta ed individuare il tipo di turbina più idoneo M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.11/ 57 LA RISORSA IDRICA (II) La misura delle portate. Essa può essere effettuata in diversi modi, a seconda delle caratteristiche del corso d acqua. Deve essere effettuata per i diversi giorni dell anno Il metodo velocità-area, consiste nel misurare la sezione di passaggio della corrente con aste graduate e la velocità con un opportuno misuratore (mulinello) Il metodo dello stramazzo, si presta per le piccole portate (fino a 4m 3 /s) e consiste nel porre un ostacolo orizzontale che consenta il deflusso della portata in una sua sezione centrale. 3/2 La misura della quota del pelo libero indisturbato e quella al ciglio dello stramazzo consente con formule empiriche di valutare la portata M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.12/ 57 6

7 LA RISORSA IDRICA (III) Variazione delle portate (idrogramma). Un modo per organizzare le informazioni relative all andamento delle portate è quello della curva cumulativa di probabilità, o curva delle durate, talvolta convenientemente rappresentata in scala semilogaritmica 10 Portata [m 3 /s] Giorni dell'anno in cui la portata è superiore al valore in ordinata Portata Giorni dell'anno Quando non siano disponibili misure dirette delle portate, è possibile ricorrere a modelli (più o meno semplificati) che utilizzino informazioni sulle precipitazioni del sito e stimino il contributo delle evaporazioni M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.13/ 57 LA RISORSA IDRICA (IV) Portate di riferimento. Il calcolo dell energia ottenibile deve tenere conto del fatto che esiste una portata minima vitale (DMV, linea rossa), che deve continuare ad alimentare il corso d acqua, una portata minima in turbina (linea blu, è una frazione della portata nominale) e una portata nominale della macchina (linea verde tratto-punto) Portata [m 3 /s] Giorni dell'anno in cui la portata è superiore al valore in ordinata M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.14/ 57 7

8 Deflusso minimo vitale. LA RISORSA IDRICA (IV) Viene stabilito in Italia dalle Regioni. Nel caso del trentino Alto Adige, per fare un solo esempio, si fa riferimento al bacino imbrifero, cioè a quella parte di territorio che contribuisce a fornire l'acqua al tratto di fiume ove la centralina insiste, imponendo un deflusso minimo di 2 litri/secondo per kmq. Se ad esempio il bacino imbrifero di una data centralina è di 100 kmq, il minimo deflusso vitale da garantire a valle della sua traversa sarà di 200 litri/secondo. Per la Regione Piemonte è pari al 10% della portata attuale M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.15/ 57 Produzione di energia (I) Produzione di energia a partire dalle curve di portata La scelta della macchina, dettata anche da considerazioni economiche, deve servire a stimare la massima energia producibile, compatibilmente con la disponibilità della risorsa idrica. Occorre tenere conto che, fissata la portata nominale, esiste per ogni turbina una portata minima, dell ordine del 10~40% di quella nominale Portata [m 3 /s] G nom G min DMV Giorni dell'anno in cui la portata è superiore al valore in ordinata M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.16/ 57 8

9 Produzione di energia (II) Produzione di energia a partire dalle curve di portata G( τ ) η(g) dτ E = H*g ρ = H*g ρ (G i η i 24*3600) H*= salto utile al netto delle perdite di carico η = rendimento turbina Con Producibilità si intende il rapporto tra energia prodotta e energia teoricamente producibile in relazione alle portate defluite nel periodo considerato Portata [m 3 /s] G nom G min DMV Giorni dell'anno in cui la portata è superiore al valore in ordinata M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.17/ 57 Portata [m 3 /s] Produzione di energia (III) G nom G min DMV Giorni dell'anno in cui la portata è superiore al valore in ordinata G G Portata [m 3 /s] Produzione di energia a partire dalle curve di portata Essendo la portata minima una frazione della portata nominale, esistono diverse possibilità di sfruttatare la risorsa idrica G nom G min DMV Giorni dell'anno in cui la portata è superiore al valore in ordinata M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.18/ 57 9

10 Salto e perdite di carico SALTO E PERDITE DI CARICO (I) Tra il salto loro o geodetico H e quello effettivamente disponibile per la produzione di energia (salto netto H*) esiste una differenza che dipende dalle perdite di carico lungo i canali di adduzione dell acqua, dalla presa di monte alla sezione del corso d acqua dove avviene la restituzione. Perdite di carico Distribuite: nei tratti di canale rettilineo a sezione costante, sia nei tratti in pressione che in quelli a pelo libero Concentrate: perdite per attrito in curve, cambiamenti di sezione di passaggio, imbocchi, sbocchi, restringimenti, allargamenti, griglie H - H*=h a, dist + h a, a, conc M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.19/ 57 SALTO E PERDITE DI CARICO (II) Perdite di carico distribuite (condotti in pressione) h a, dist dist = w 2 /2g L/D λ(re, ε/d) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.20/ 57 10

11 SALTO E PERDITE DI CARICO (III) Perdite di carico distribuite (condotti in pressione) ε Colebrook 1/ λ = -2.0 Log10 [ε/(3.7d)[ /(Re λ)] Haaland 1/ λ = -1.8 Log10 [ε/(3.7d)[ /Re] M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.21/ 57 SALTO E PERDITE DI CARICO (III) Perdite di carico distribuite (condotti in pressione, metodo semplificato) Formula di Manning h = perdita di carico distribuita [m] Q = portata volumetrica Ponendo h = 0.04H (perdite per attrito pari al 4% del salto), si ottiene: M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.22/ 57 11

12 SALTO E PERDITE DI CARICO (IV) Perdite di carico distribuite (canali a pelo libero, cenni) Q = 1/n A (D( h /4) /4) 0.67 s (Manning) Q = portata volumetrica n = coeff. di Manning (~ 1/ λ ) D h = diametro idraulico, 4A/p s = pendenza del canale [m/m] M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.23/ 57 SALTO E PERDITE DI CARICO (V) Perdite di carico distribuite (canali a pelo libero, cenni) Q = 1/n A (D( h /4) /4) 0.67 s 0.5 Q = portata volumetrica n = coeff. di Manning (~ 1/ λ ) Dh = diametro idraulico, 4A/p s = pendenza del canale P = perimetro bagnato y = profondità dell acqua Le relazioni sopra riportate mostrano che a parità di sezione trasversale A e di pendenza S, la portata convogliata dal canale aumenta con il diametro idraulico. Per una data area trasversale, la sezione con il minimo perimetro bagnato è quella idraulicamente più efficiente. In teoria le sezioni semicircolari sono le migliori, ma costose da realizzare se non sono disponibili elementi prefabbricati. Molto utilizzate sono le sezioni trapezoidali con profilo semiesagonale, in cui la pendenza delle sponde è 1/0,577 (verticale/orizzontale). Nei canali non rivestiti le velocità devono essere basse per problemi di erosione ( m/s). Nei canali in calcestruzzo si ammettono velocità fino a 5-8m/s. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.24/ 57 12

13 SALTO E PERDITE DI CARICO (VI) Perdite di carico distribuite (canali a pelo libero, cenni) Q = 1/n A (D( h /4) 0.67 s 0.5 Esempio di calcolo. Per un canale trapezoidale n=0.015, altezza d acqua y=1m, larghezza di base b=1.5m, pendenza verticale/orizzontale=2, pendenza del fondo (1mm ogni metro), calcolare la portata volumetrica Q e la velocità media del canale A=(1,5+0,5x1)x1=2 m 2 b = ( *1)*1 P = 2+( ) 0.5 = 3.76m Q = 2.78 m 3 /s w = Q/A = 1.4m/s M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.25/ 57 Corso di Energie Rinnovabili 1 (Lezione n.5) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.26/ 57 13

14 SALTO E PERDITE DI CARICO (VI) Perdite di carico concentrate, contrazione ed espansione H a, conc conc = 0.5 w 2 /g K w = w max M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.27/ 57 SALTO E PERDITE DI CARICO (VII) Perdite di carico concentrate, curve e valvole H a, conc conc = 0.5 w 2 /g K M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.28/ 57 14

15 SALTO E PERDITE DI CARICO (VIII) Perdite di carico concentrate, griglie all imbocco h a, griglia M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.29/ 57 SALTO E PERDITE DI CARICO (IX) Perdite di carico concentrate e distribuite, Esempio Conduttura in acciaio, G=3m 3 /s, D 90 =1.1m, D 45 =0.90m, griglia inclinata 60, barre griglia spessore 12mm, interspazio 70mm H = 85 m h a, d18 + h a, d90 + h a, d5 + h a, d45 + h a, 15 = 2.4 m (Perdite distribuite) h a, c_griglia + h a, c_curva + h a, c_restr + h a, c_curva + h a, c_curva + h a, c_valvola = = 1.37 m Le perdite di carico costituiscono meno del 5% del salto disponibile, valore che risulta ragionevole per questo tipo di realizzazione. Le velocità alla griglia devono essere< 1m/s Nei tubi tipicamente 1-3m/s M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.30/ 57 15

16 Perdite di nelle girante e negli organi di trasmissione ed elettrico La potenza elettrica prodotta sarà quindi data dal prodotto P = η t η gen mecc H * ρ G gen η mecc Produzione di energia (V) Dove: η t = Rendimento di turbina (dipende dal tipo di turbina e dalla portata) η mecc η gen mecc = Rendimento del moltiplicatore di giri, tipicamente gen = Rendimento del generatore elettrico, 90-95% 95% alternatori, 90-94% 94% generatori asincroni M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.31/ 57 Produzione di energia (VI) Produzione di energia, Curve di utilizzazione Se indichiamo con V turb il volume d acqua che passa nel periodo considerato in turbina, V max il volume defluito complessivo del corso d acqua e V th il volume teoricamente derivabile se la turbina funzionasse continuativamente alla portata nominale, avremo: Cu Cu,w Cu,p C u, w = V turb /V max Coefficiente di utilizzo corso d acqua C u, p = V turb /V th Coefficiente di utilizzo dell impianto (rappresenta anche la frazione del tempo a cui la turbina lavora in condizioni nominali) Portate nominale [m3/s] Portata [m 3 /s] G 4 nom G min DMV Giorni dell'anno in cui la portata è superiore al valore in M.Fossa, ordinata Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.32/ 57 16

17 Turbine idrauliche (I) Ne esistono di tipo diverso, a seconda del salto e della portata da sfruttare. Sono costituite da una parte fissa e da una parte mobile collegata al generatore elettrico Distributore È la parte fissa della turbina. Ha la funzione di indirizzare il flusso in arrivo alla girante, regolare (parzializzare) la portata e trasformare completamente o in parte l energia di pressione in energia cinetica, w out =(2hH*) 0.5. Quando tutta l energia di pressione viene transformata in energia cinetica la turbina è detta ad azione, altrimenti è detta a reazione. Il grado di reazione ε rappresenta la quantità di energia di pressione residua messa a disposizione della girante (0.3<ε<0.7) Girante Trasforma l energia della corrente idrica in energia meccanica Numero di giri specifico (o caratteristico) N s. Caratterizza macchine della stessa tipologia e geometricamente simili. N s =N (P 0.5 )/(H* 1.25 ) P = Potenza, H* salto disponibile M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.33/ 57 Turbine idrauliche (II) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.34/ 57 17

18 Turbine idrauliche (III) Esistono formule semiempiriche per dedurre le dimensioni della turbina a partire dal numero di giri specifico Pelton La velocità periferica (pari a πdn/60) di massimo rendimento è circa pari a metà della velocità del getto, si avrà D = 38 H* 0.5 /n Per turbine a più getti, la velocità caratteristica cresce con la radice del numero dei getti Francis Esistono abachi per la stima delle dimensioni in funzione di Ns e della velocità di entrata Kaplan Le dimensioni sono abbastanza standardizzate, con diametri tipicamente di m M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.35/ 57 Turbine idrauliche (IV) (Cross flow) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.36/ 57 18

19 Turbine Pelton (ad azione) Turbine idrauliche (V) Le turbine Pelton possono essere dotate di 1 o più ugelli di iniezione (max 6 ). Devono essere adeguatamente protette dal distacco del carico, manovra che potrebbe portare la turbina a velocità di fuga distruttive. Sono dotate allo scopo di tegolo deviatore. All uscita della pala la velocità dell acqua è quasi nulla, per cui la cassa che contiene ruota e ugelli iniettori non deve resistere a nessuna pressione particolare e può quindi essere di costruzione leggera. Le turbine Pelton sono usate per salti d acqua che vanno dai 50 ai 1300m totali. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.37/ 57 Turbine Pelton (ad azione) Turbine idrauliche (VI) Le turbine Pelton possono essere dotate di un distributore a spirale recante gli ugelli di di iniezione. Il numero di pale varia in genere da 18 a 25. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.38/ 57 19

20 Turbine Turgo (ad azione) Turbine idrauliche (VII) Rispetto alle Pelton, le macchina Turgo hanno pale di forma e disposizione diverse, e sfruttano una soluzione simile alle turbine a vapore, dove il getto colpisce più pale. Questo permette alla Turgo di utilizzare maggior volume d acqua rispetto alla Pelton. Inoltre il minor diametro possibile, a parità di velocità periferica, permette di ottenere una più alta velocità angolare, tale da evitare il moltiplicatore di giri nell accoppiamento con il generatore elettrico. Si generano spinte in senso assiale all albero M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.39/ 57 Turbine Cross Flow (Banki) Turbine idrauliche (VIII) Questa turbina ad azione, conosciuta anche come turbina Banki-Michell, (gli inventori) oppure turbina Ossberger, in nome della ditta che la produce da più di 50 anni, utilizza con una gamma molto ampia di portate (tra i 20 l/s ed i 10 m 3 /s) e salti tra 5 m e i 200 m. Il suo rendimento massimo è inferiore ad altre macchine ad azione (circa 87%), però si mantiene quasi costante fino a portate molto basse (16% della portata nominale) e può raggiungere una portata minima teorica inferiore al 10% della portata di progetto. Può essere parzializzata la portata su più settori della macchina M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.40/ 57 20

21 Turbine idrauliche (IX) Turbine Francis Le turbine Francis sono turbine a reazione, dove l acqua si muove come in una condotta in pressione. Il distributore a pale regolabili (cassa a spirale), convoglia l acqua alla girante a pale fisse. La cassa a spirale ha dimensioni notevoli rispetto alla girante. In questo tipo di turbine l alimentazione è quasi sempre radiale mentre lo scarico è assiale. Le turbine Francis sono utilizzate per salti medi, compresi tra i 10 e 350m. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.41/ 57 Turbine idrauliche (X) Turbine Kaplan ed a elica Le turbine Kaplan sono turbine a reazione a flusso assiale, utilizzate generalmente per bassi salti. Le pale della ruota nella Kaplan sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse (semi Kaplan) o regolabili. Le turbine ad elica e quelle a bulbo non hanno pale orientabili ed in genere la distribuzione è assiale. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.42/ 57 21

22 Turbine idrauliche (XI) Turbine a coclea Le turbine a coclea sono utilizzate per salti da 1 a 10 metri e portate d acqua da 0,5 a 6 m³/sec. La caratteristica più importante di queste turbine è che, diversamente da Kaplan o Francis, continuano a funzionare anche con minime portate d acqua, ciò le rende molto adatte per corsi d acqua con portate irregolari. Non necessitano inoltre di grandi opere civili per le operazioni di filtrazione e grigliatura, Hanno rendimenti più bassi (0.7) ma costi inferiori a turbine di potenza simile M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.43/ 57 Curve caratteristiche (a=apertura regolazione) Turbine idrauliche (XII) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.44/ 57 22

23 Turbine idrauliche (XIII) Curve caratteristiche (elica) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.45/ 57 Turbine idrauliche (X) Disposizioni caratteristiche delle turbine veloci (elevati N s ) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.46/ 57 23

24 Turbine idrauliche, generatori (I) I generatori sincroni (alternatori) vengono in genere utilizzati per potenze superiori a 5000kVA. Essi necessitano di essere avviati a a vuoto, agendo sull alimentazione della turbina per aumentare gradatamente la velocità. Il generatore si sincronizza con la rete quando sono uguali nel generatore e nella rete la tensione, la frequenza, l angolo di fase ed il senso ciclico delle fasi. Hanno rendimenti superiori ai generatori asincroni, ma costi più elevati. Necessitano di eccitazione in corrente continua I generatori asincroni (ad induzione) non necessitano di eccitazione, e concettualmente sono simili ai motori asincroni. La velocità di rotazione (scorrimento nullo) è data da N 0 =f/np, dove f è la frequenza di rete e NP il numero di poli della macchina M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.47/ 57 SCHEMI DI IMPIANTO E OPERE IDRAULICHE (I) 1) Impianti ad acqua fluente Sono costituiti da un opera di sbarramento (traversa) che intercetta il corso d acqua. La centrale di produzione può essere incorporata alla traversa (anche in posizione affiancata) o alla fine di un canale di derivazione. Non consentono regolazione dei flussi 2)Impianti a deflusso regolato Possono essere dotati di un bacino, di dimensioni ridotte ed atto a regolare le portate su base giornaliera o di un serbatoio di capacità maggiore, idoneo per accumuli su scale temporale maggiori M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.48/ 57 24

25 SCHEMI DI IMPIANTO E OPERE IDRAULICHE (II) 1) Opere di presa per convogliare parte delle acque attraverso paratoie, dighe (traverse), grigliature, sfioratoi 2) Opere di convogliamento, tramite canali a pelo libero o tubazioni in pressione generalmente quasi orizzontali 3) Opere della vasca di carico. Comprendono griglie, dissabbiatori, pozzo piezometrico, valvole 4) Condotta in pressione (ove presente) 5) Turbina idraulica 6) Elettrogeneratore (asincrono o sincrono per potenze elevate) 7) Apparecchiature elettriche quali trasformatori, relè, controlli, misuratori 8) Canale di scarico, eventualmente con diffusore M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.49/ 57 SCHEMI DI IMPIANTO E OPERE IDRAULICHE (II) 1) Opere di presa. È presente una piccola diga (traversa) realizzata in diverse maniere (rocce, gabbioni, calcestruzzo, terra) La traversa può recare in sommità dei dispositivi per innalzare ulteriormente il livello dell acqua per la presa. Introdotti di recente sono i dispositivi gonfiabili (gommoni) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.50/ 57 25

26 SCHEMI DI IMPIANTO E OPERE IDRAULICHE (III) 1) Opere di presa. Per fare fronte a portate eccedenti, devono essere presenti dei sistemi di scarico (scaricatori) di superficie rispetto alla traversa. Questi possono essere del tipo a gravità, a sifone, a pozzo Scaricatore a gravità M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.51/ 57 SCHEMI DI IMPIANTO E OPERE IDRAULICHE (IV) 1) Opere di presa. La presa vera e propria può avere diverse forme ed alimentare direttamente la condotta in pressione oppure un canale a pelo libero. Possono essere del tipo a pozzo, a trappola, a coanda pozzo trappola coanda M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.52/ 57 26

27 SCHEMI DI IMPIANTO E OPERE IDRAULICHE (V) 1) Bacino di carico. Il bacino di carico alimenta la condotta in pressione e deve provvedere alla separazione del materiale eventualmente in sospensione nell acqua tramite grigliatura. Le griglie vengono pulite da pettini su bracci oleodinamici. Il bacino può essere preceduto da una vasca di dissabbiamento. E presente di solito anche un sistema di paratoie M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.53/ 57 SCHEMI DI IMPIANTO E OPERE IDRAULICHE (VI) Esempio di bacino di carico (val Maira, Cn) Griglie a nastro trasportatore Traversa Scala dei pesci Paratoia M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.54/ 57 27

28 AUTORIZZAZIONI (I) A seconda della potenza di impianto turbina serve (a seconda della Regione) in certi casi il VIA (Valutazione di impatto ambientale) Serve inoltre: -concessione per uso idroelettrico di N moduli d'acqua (ad esempio 10 moduli, pari a 1 mc) per h di altezza geodetica - Progetto (definitivo in alcune regioni) - relazione idrogeologica del sito - in certo canali può essere richiesto di realizzare la risalita per i pesci - oltre i 20 kw di potenza occorre la licenza di esercizio di officina elettrica, presso l'ufficio Tecnico della Finanza della provincia M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.55/ 57 AUTORIZZAZIONI (II) L iter autorizzativo per la costruzione e l esercizio di impianti alimentati da fonti rinnovabili è regolato a livello generale dal D.Lgs. 387/03 e a livello di dettaglio dalla normativa regionale e provinciale. Sono infatti le Amministrazioni locali a rivestire ad oggi il ruolo fondamentale di pianificazione della produzione di energia da fonti rinnovabili sul proprio territorio. In particolare per ciò che riguarda la concessione per la derivazione delle acque a scopo idroelettrico per impianti di potenza inferiore ai 3 MW, essa è di competenza dei preposti uffici provinciali. Documentazione tecnica da produrre - calcoli idraulici esplicativi - modalità e caratteristiche della derivazione, verifiche di compatibilità rispetto a derivazioni preesistenti - corografia con indicazione del punto di presa - planimetria su base catastale con indicazione del punto di prelievo e della traccia di derivazione - piante, prospetti e sezioni -progetto dei dispositivi di misurazione della portata e dei volumi derivati Fonte: ARE Liguria M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.56/ 57 28

29 Costi (I) UK - Costi tipici per installazioni da 100kW (fonte British Hydro Association) Low head 100s High head 100s Machinery Civil works Electrical works (no grid connection) External costs Total: M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.57/ 57 FINE PRESENTAZIONE Grazie dell attenzione Testi di riferimento: ESHA, Layman Guidebook: How to develop a small Hydro site, European Small Hydropower Association, 1994 Penche C. Guida all idroelettrico minore. Per un corretto approccio alla realizzazione di un piccolo impianto Manuale ESHA, DG XVII, 1998 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.58/ 57 29