Progetto Hydroplus. Fondo Europeo di Sviluppo Regionale P.O.R. 2007/2013

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1 Progetto Hydroplus Fondo Europeo di Sviluppo Regionale

2 Technology rewiew 1 Introduzione Vengono definiti micro gli impianti idroelettrici di potenza inferiore ai 100 kw. Le micro centrali rientrano in una più ampia categoria, definita Micro- idraulica dall UNIDO (Organizzazione delle Nazioni Unite per lo Sviluppo Industriale), termine che indica le centrali idroelettriche di potenza inferiore a 10 MW. All interno della microidraulica vale la seguente classificazione: pico centrali P < 5 kw micro centrali P < 100 kw mini centrali P < 1 MW piccole centrali P < 10 MW Da un punto di vista funzionale i sistemi mini-hydro possono essere definiti: - Impianti ad acqua fluente. Sono impianti privi di qualsiasi capacità di regolazione, e pertanto la portata utilizzata è pari alla quantità di acqua disponibile nel fiume, fino al limite consentito dalle opere di presa. Flussi elevati e bassa caduta fino a 20 metri sono tipici di questi impianti. Queste soluzioni di solito comprendono un sistema di sbarramento, che intercetta il corso d'acqua nella zona prescelta, ed una centrale di produzione elettrica situata sulla traversa stessa o nelle immediate vicinanze. - Impianti a deflusso regolato. Sono provvisti di bacini con modeste capacità di invaso che permettono di regolare la quantità di flusso addotta in turbina. In linea generale, i sistemi mini-hydro sono dotati di bacini di piccola capacità che regolano le portate in ambito giornaliero o settimanale; questo tipo di impianti è collocato principalmente nei tratti superiori dei fiumi. Lo schema tipo di impianto include una riserva di acqua, un'opera di presa e una condotta che convoglia l'acqua fino alle turbine nella centrale. In base all'altezza del salto, i sistemi mini-hydro sono definiti a bassa caduta (inferiore a 25 metri circa) o ad alta caduta. Questi ultimi sono tipici delle zone montane, in cui i fiumi presentano, di solito, dislivelli notevoli che possono essere sfruttati deviando il corso d'acqua (totalmente o in parte) e facendolo tornare al letto naturale dopo essere passato attraverso una turbina idraulica che converte l'energia da idraulica a meccanica. Una soluzione abbastanza economica è: - sistema di derivazione dell'acqua; - sistema di sbarramento (traversa o diga); - condotta forzata alimentata dal bacino di carico; - centrale elettrica, dove sono situati turbina, generatori e sistemi di controllo; - canale di scarico (galleria di restituzione). Per gli schemi a bassa caduta, le configurazioni possibili sono due: nella prima, l'opera di derivazione è seguita da un canale che convoglia l'acqua verso le turbine, con una struttura simile a quella degli impianti ad alta caduta, ma con l'assenza della condotta forzata e con un canale molto corto; nella seconda, tutti i componenti dell'impianto, l'opera di presa, la centrale idroelettrica e il sistema di scarico sono integrati nel sistema di sbarramento. Una soluzione molto semplice consiste in una turbina a sifone nella quale la condotta viene posta sul sistema di sbarramento e conduce l'acqua direttamente alla turbina installata sulla cresta o a valle. Questa soluzione è molto economica perché richiede poche opere civili, diminuendo così

3 anche l'impatto visivo. Di solito la caduta sfruttata da questi impianti varia tra 1 a 10 m, ma esistono impianti con cadute di 30 m. 1.1 Applicazioni del micro-idroelettrico La maggior diffusione degli impianti di piccolissima taglia è riscontrabile in aree montane, difficilmente raggiungibili e non servite dalla rete nazionale; in queste zone vengono realizzate o rimesse in funzione micro centrali su corsi d acqua a regime torrentizio o permanente, spesso a servizio di piccole comunità locali o fattorie ed alberghi isolati. Il vantaggio dal punto di vista operativo è dato dalla facilità di gestione dovuta all introduzione di sistemi di telecontrollo che consentono un risparmio del personale limitato alla sola manutenzione ordinaria e straordinaria. Esistono inoltre in commercio piccolissimi sistemi idroelettrici integrati, a partire da 0,2 kw di potenza, facilmente installabili in moltissime situazioni con salti e portate minimi, sufficienti per alimentare un frigorifero, una radio ricetrasmittente, l illuminazione di un rifugio o di una baita. Il vantaggio di questi piccolissimi sistemi è la non necessaria autorizzazione al prelievo delle acque e un inesistente impatto ambientale. 1.2 Tecnologia e costi del micro-idroelettrico La scelta della turbina più efficace tra quelle disponibili in commercio dipende da una serie di fattori: la portata d acqua, il salto idraulico, il grado di torbidità dell acqua. Per gli impianti al di sotto dei 3 kw di potenza si hanno costi per kw installato molto contenuti, in quanto la turbina, che è il componete principale di un impianto, può alloggiare direttamente nel corso d acqua, mentre per impianti di dimensioni maggiori i costi sono molto variabili e legati all entità delle opere civili da realizzare (sbarramento e canali di adduzione). Per le microcentrali più piccole intorno ai 0,5 kw di potenza destinate a servire utenze isolate, il prezzo si aggira intorno ai Euro.

4 2 Tipologie di turbine Il concetto fondamentale che deve guidare chi si occupa di miniturbine idrauliche è la necessità di sacrificare il rendimento idraulico alla semplicità di costruzione e al basso costo, in contrasto con quello che si fa per le turbine di elevata potenza. Di seguito alcuni esempi di sistemi di generazione. 2.1 Turbina Pelton Sono turbine ad azione nelle quali uno o più ugelli trasformano totalmente la pressione dell acqua in energia cinetica. Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo. Queste turbine solitamente sono dotate di un tegolo deflettore, che ha lo scopo di deviare il flusso d acqua dalle pale, in caso di brusco distacco di carico, in modo da evitare la fuga della turbina senza dover chiudere troppo velocemente la valvola di macchina, la quale causerebbe un colpo d ariete nella condotta. Il piano degli ugelli è sempre quello meridiano della girante. Per piccole potenze i cucchiai della girante possono essere stampati in plastica. La turbina Pelton adatta per salti idraulici compresi tra 50 e 1300 m. Figura 1: Schema turbina pelton

5 2.2 Turbina Turgo E anch essa una turbina ad azione, ma le pale hanno forma e disposizione diverse rispetto alla turbina Pelton. Il flusso colpisce le pale con un angolo di venti gradi rispetto al piano mediano della ruota, entrando da un lato ed uscendo dall alto. A differenza della turbina Pelton, nella turbina Turgo il getto colpisce simultaneamente più pale, similmente a quanto avviene in una turbina a vapore. Il volume d acqua che una Pelton può elaborare è limitato dal fatto che il flusso di ogni ugello possa interferire con quelli adiacenti, mentre la Turgo non soffre di questo inconveniente. Questo tipo di turbina rispetto alla Pelton necessita di un diametro minore della ruota, così a parità di velocità periferica si ha una maggiore velocità angolare, che consente quindi l accoppiamento al generatore senza un moltiplicatore di giri, con conseguente diminuzione dei costi ed aumento dell affidabilità. La turbina Turgo è progettata per lavorare con salti compresi tra i 15 e i 300 metri. Figura 2: Schema turbina turgo

6 2.3 Turbina Banki La prima turbina minihydro, espressamente concepita per le basse potenze è quella che il professore ungherese D. Banki presentò nel 1918 e che riscosse molto favore nel periodo tra le due guerre mondiali. I suoi principali pregi sono: una buona concentrazione della potenza dovuta al doppio attraversamento delle palettatura da parte della vena liquida; la possibilità di allungare considerevolmente la lunghezza assiale della gabbia e di elaborare così portate cospicue elevando il numero di giri specifico della macchina; il basso costo della turbina in virtù della configurazione assai semplice del rotore e del fatto che le pale possono essere ottenute con il taglio di tubi industriali a basso costo o con la piegatura di lamiere. Figura 3: Schema turbina Banki

7 3 Componenti elettriche Prima di descrivere i vari tipi di generatori elettrici utilizzati nelle micro e mini centrali idroelettriche ed i vari tipi di regolatori di velocità e di tensione è opportuno capire come possono essere utilizzati. I microimpianti sono utilizzati soprattutto per alimentare singoli carichi o piccole reti isolate da quella pubblica, con produzione di corrente continua o alternata. Questa modalità di funzionamento è chiamata off-grid o stand-alone. I mini impianti, sono invece collegati prevalentemente alla rete nazionale, si parla in questo caso di funzionamento on-grid o grid-connected. Per i sistemi che funzionano solamente collegati alla rete si utilizzano soprattutto generatori asincroni. Questi ultimi, sono costituiti da un circuito induttore trifase formato da tre avvolgimenti disposti a 120 tra loro nello statore, mentre il rotore porta il circuito indotto. Questo può essere formato da barre conduttrici di ampia sezione uniformemente distribuite sulla superficie affacciata allo statore, le barre sono cortocircuitate tra loro formando così un circuito che assume l aspetto di una gabbia di scoiattolo da cui prende il nome, oppure, per macchine più grandi l avvolgimento può essere di tipo avvolto. Quando l avvolgimento statorico è collegato alla rete esso produce un campo rotante con velocità impressa dalla frequenza della corrente. Tale velocità è denominata velocità di sincronismo. Questo campo genera delle correnti indotte nell avvolgimento rotorico, le quali creano un ulteriore campo magnetico che interagisce con l altro trascinando il rotore in movimento. Quando si usa la macchina come motore, applicando un carico meccanico, il rotore rallenta riducendo la velocità del campo magnetico di reazione, con la conseguenza di creare una differenza positiva tra le velocità dei due campi, chiamata slittamento. Tale variazione fa aumentare la corrente indotta nel rotore e di conseguenza anche la corrente assorbita dall induttore. L aumento delle correnti comporta l aumento della potenza, adeguandola in tal modo a quella richiesta dal carico. Se invece viene applicata al rotore una coppia che ne accelera la rotazione, la velocità del campo indotto risulta maggiore di quella dell induttore, per cui lo slittamento inverte il segno. Anche la corrente nello statore inverte direzione rimanendo inalterate tensione e frequenza. L energia così generata, risulta ora iniettata in rete e sarà proporzionale all energia meccanica fornita alla macchina dalla turbina. Per gli impianti che funzionano off-grid o per grossi impianti che funzionano on-grid si usano soprattutto i generatori sincroni, i quali sono costituiti da un avvolgimento indotto, posto nella parte fissa della macchina, e da un avvolgimento induttore posto sul rotore. In quest ultimo avvolgimento viene fatta circolare una corrente continua, detta di eccitazione, la quale crea un campo magnetico che ruota rispetto alla parte fissa in funzione della velocità del rotore, che viene posto in movimento dalla turbina idraulica. Il campo magnetico ruotando taglia l avvolgimento statorico inducendo nell avvolgimento stesso una corrente alternata. La tensione e la frequenza della corrente generata è proporzionale alla velocità di rotazione e alla corrente di eccitazione. L eccitazione è alimentata da corrente continua che può essere ottenuta in vari modi, i più comunemente utilizzati sono: Con raddrizzatori rotanti (brushless), si tratta di un alternatore coassiale al generatore che crea una corrente alternata nell avvolgimento di rotore, la quale viene raddrizzata attraverso diodi solidali al rotore stesso. Con eccitatrice statica, che consiste in un circuito formato da tiristori e diodi che trasforma la corrente alternata in continua. La corrente alternata di alimentazione può venire fornita da un circuito esterno o dal generatore stesso, purchè all avviamento il circuito magnetico abbia un sufficiente campo residuo. L eccitazione può essere creata anche con magneti permanenti, ora meno costosi e più affidabili di un tempo. Pochissimo utilizzata, ma applicabile, è la dinamo, per la generazione di corrente continua.

8 Le grandezze che dovranno essere regolate per il buon funzionamento dell impianto sono: la tensione, la frequenza ed il numero di giri. Il generatore asincrono è una macchina vantaggiosa se collegata alle rete elettrica di distribuzione, perchè non necessita di dispositivi di regolazione di tensione e di frequenza. Purché la rete abbia una potenza di cortocircuito sufficientemente grande, per fornire durante i transitori, la potenza reattiva per la magnetizzazione del circuito induttore. Inoltre la macchina è affidabile e robusta per la mancanza di spazzole e di dispositivi per l eccitazione. Per la produzione di energia elettrica in reti isolate non è conveniente l utilizzo dell asincrono per la necessità di adottare costosi banchi di condensatori, (per la magnetizzazione del circuito induttore), di regolatori di tensione e di velocità. Il generatore sincrono necessita del regolatore di tensione e quello di velocità sia per il funzionamento in rete sia per quello in isola. Il regolatore di tensione opera sulla eccitatrice della macchina attraverso il controllo della corrente di eccitazione, mentre il regolatore di velocità opera sul numero di giri del rotore e quindi sulla frequenza, con tre possibili modalità: Variare la portata d ingresso nella turbina; Dissipare l eccesso di potenza prodotta in banchi di resistenze. Aggiungere coppia all albero motore attraverso un freno. Il metodo più convenzionale è quello che agisce sulla portata della turbina. Un sensore, meccanico o elettronico, rileva le variazioni di velocità e comanda un servomotore che modifica l apertura dei sistemi di regolazione della portata delle turbine (distributore, pale, spina) nella misura necessaria a fornire energia idraulica richiesta per soddisfare l incremento o la diminuzione dei carichi. Nel generatore asincrono il regolatore di velocità di questo tipo ha solo la funzione di protezione. Se dovesse aprirsi l interruttore di parallelo, la macchina tenderebbe ad andare in fuga, per cui il dispositivo chiude in un tempo prefissato la valvola di adduzione, in modo tale da non creare il colpo d ariete. Il secondo metodo di regolazione della velocità, funziona in questo modo: ipotizziamo il funzionamento della turbina a portata costante, quindi una produzione costante di potenza elettrico. Se il carico elettrico richiede meno energia, la turbina tende ad accelerare, un sensore elettronico rileva l aumento di frequenza ed un dispositivo, chiamato regolatore di carico, provvede a dissipare l eccesso di energia in un banco di resistenze, mantenendo così costante la richiesta di potenza al generatore. Il terzo metodo prevede un dispositivo di controllo elettronico che agisce su un freno elettrodinamico. La coppia dovrà essere proporzionale alla corrente di eccitazione del generatore. In questo modo quando l utenza richiede meno energia, l azione frenante viene attivata o aumentata, impedendo al generatore di aumentare la velocità del rotore. Normalmente questo metodo di controllo è affiancato ad un sistema di controllo del carico. Il freno fa una regolazione fine mentre il controllo del carico entra in funzione quando l energia da dissipare diventa importante. I regolatori di velocità intervengono anche quando è la potenza idraulica a variare. Il primo metodo, agendo sulla portata d acqua, ha un ampio campo d intervento, mentre il secondo ed il terzo hanno un campo limitato ma per la minor complessità e per il minor costo sono più facilmente utilizzati nella regolazione di microimpianti. Sempre nell ambito della regolazione di velocità, rientra la seguente soluzione tecnica. Nei piccoli impianti dove venissero utilizzare turbine idrauliche con velocità nominale inferiore a 1500 giri/min, potrebbe non essere conveniente l utilizzo di generatori con un numero di poli superiore a 4, ma preferibile l adozione di un generatore meno costoso come quelli a 2 o a 4 poli accoppiato alla turbina attraverso un moltiplicatore di velocità. Bisogna considerare però, come controparte, la perdita di potenza meccanica e la possibile fonte di guasti. Per i mini impianti di generazione si stanno affermando queste due soluzioni tecnologiche:

9 1. Utilizzando un generatore sincrono tradizionale, o per semplificare, un generatore con eccitazione a magneti permanenti, si crea una tensione che varia in ampiezza ed in frequenza al variare della velocità di rotazione. Per cui si pone a valle del generatore un convertitore elettronico in grado di assicurare, al variare delle condizioni di impiego, le grandezze elettriche desiderate. Il convertitore è composto da uno stadio di ingresso di raddrizzamento, dove viene effettuata la conversione da corrente alternata in corrente continua, e da un inverter per la conversione da continua in alternata alla tensione ed alla frequenza desiderate. La corrente continua generata serve per caricare delle batterie, che devono essere dimensionate in funzione dell assorbimento delle utenze in termini di potenza elettrica, ed eventualmente per riscaldare dell acqua. Questo tipo di soluzione svincola completamente le grandezze elettriche del generatore da quelle della rete. Il generatore è scelto in modo da adattarsi il più possibile alla turbina idraulica con la possibilità di avere frequenza elevata e f.e.m. ( forza elettro motrice) indotte non sinusoidali per un migliore funzionamento sul raddrizzatore. Gli aspetti negativi di questa soluzione sono in primis, la diminuzione del rendimento totale di generazione dovuta alla doppia conversione dell energia elettrica ed in secondo luogo il costo del convertitore, il quale deve essere dimensionato per la totale potenza nominale del generatore. 2. L altra soluzione è composta da una generatore sincrono avente un rotore con avvolgimento trifase, eccitato in corrente alternata. Per questa macchina la frequenza di statore è legata alla velocità di rotazione n (giri/min) dalla seguente relazione: (fs fr) 60 n = p Dove fs è la frequenza di statore, fr quella di eccitazione del rotore e p il numero di coppie polari del generatore. Da essa risulta che fissando il numero di coppie polari p, al variare della velocità n del rotore si dovrà modulare la frequenza fr di statore per mantenere costante la frequenza fs. Il rotore viene eccitato attraverso un convertitore elettronico, alimentato dai morsetti statorici, in grado di variare la frequenza e la tensione del rotore; ciò permette di regolare la tensione e la frequenza in uscita dal generatore ai valori desiderati per l utilizzazione. A differenza della soluzione precedentemente esposta, il convertitore elettronico viene dimensionato per la potenza necessaria alla eccitazione del rotore. C è però lo svantaggio che la potenza generata dalla turbina è la sola disponibile perchè non ci sono accumulatori intermedi.