Coclea (o vite idraulica) per produzione di energia
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- Gianluigi Salvadori
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1 6^ CONFERENZA ORGANIZZATIVA ASSOCIAZIONE NAZIONALE BONIFICHE E IRRIGAZIONI 1 ASSOCIAZIONE IRRIGAZIONE EST SESIA Energia L evoluzione del mini e del micro idroelettrico: gli impianti a coclea Fulvio Bollini * Grosseto, 14, 15 e 16 marzo * dr. ing. Fulvio Bollini Dirigente del Settore Tecnico-gestionale dell Associazione Irrigazione Est Sesia di Novara Dirigente Incaricato della Coutenza Canali Cavour di Vercelli-Novara
2 Coclea (o vite idraulica) per produzione di energia 2 La vite idraulica fa proprio il principio della vite di trasporto archimedea usata nell antichità per sollevare l acqua: l energia viene trasferita ad un albero/rotore per convogliare l acqua verso l alto. Grazie all applicazione del principio inverso, l energia potenziale disponibile è utilizzata per la produzione di energia elettrica: l acqua viene fatta scendere all interno delle camere dal livello più alto al livello più basso. La forza di gravità che in questo modo agisce sull acqua esercita un momento torcente sull albero di trasmissione: un generatore collegato alla vite permette di generare energia elettrica. Poiché la vite idraulica deve coprire tutto lo spazio compreso tra lo specchio d acqua superiore e quello inferiore, è utilizzabile solo per dislivelli limitati, pur potendosi realizzare impianti a più piani posti in serie (esistono installazioni fino a 24 m di salto idraulico). Le caratteristiche peculiari della vite idraulica sono tuttavia l impatto ambientale minimo, la semplicità (soprattutto per la sua regolazione automatica alle variazioni di portata e per l assenza di sgrigliatore) e la lunga durata.
3 Caratteristiche di progetto di una coclea In un impianto a coclea, il salto idraulico è quello che determina il diametro esterno massimo della vite idraulica. Il volume d acqua da elaborare, cioè la portata, noto il diametro esterno della vite idraulica, ne determina il numero di giri e l angolo d incidenza, mentre l angolo d incidenza e il salto idraulico determinano la lunghezza della coclea. 3 L angolo d incidenza, che spesso è condizionato da esigenze costruttive, varia da 22 a 35 sull orizzontale. Il numero di giri della vite idraulica è limitato verso l alto dalla diminuzione di portata che si verifica per cavitazione e verso il basso dall ingolfamento che si verifica per riempimento del passo dell elica. In base al volume d acqua, il numero di giri varia da 20 giri/min per viti idrauliche di grandi dimensioni a 80 giri/min per viti idrauliche di piccole dimensioni. Campo di impiego Portata d acqua Dislivello idraulico fino a 6000 l/s fino a 12 m
4 4 Caratteristiche costruttive di una coclea La coclea idraulica è una fabbricazione di tipo metalmeccanico a saldatura. Su un albero cavo irrigidito flessionalmente si saldano eliche cilindriche a flusso ottimizzato. Esse costituiscono lo spazio di lavoro, delimitato dal tubo cilindrico e dalla superficie dell acqua. Entrambe le estremità sono dotate di supporti, con il supporto che si trova sopra l acqua generalmente costituito da un cuscinetto a rulli cilindrici a lubrificazione grassa continua, resistente alle forze radiali e assiali. Il supporto inferiore è costituito da un cuscinetto flottante a lubrificazione grassa continua, che non necessita di manutenzione. Il gruppo motore è costituito da giunti elastici, supporti, moltiplicatore (o trasmissione a cinghia) e generatore.
5 Modelli di viti idrauliche 5 Esistono tre modelli di viti idrauliche, caratterizzati da diverse modalità realizzative del trogolo: - viti di tipo compatto: queste viti prefabbricate comprendono un trogolo in acciaio auto-portante (con sezione a U o circolare) con cuscinetti e motorizzazione integrati nella costruzione. Il vantaggio consiste nella semplicità e rapidità di montaggio e nella riduzione dei costi per le opere civili; - viti con trogolo d acciaio d a sigillare: il trogolo d acciaio permette di aumentare la durata di vita del trogolo e così mantenere un gioco minimo tra la vite e il trogolo medesimo (circa 3 mm). Il gioco è ottimizzato perché generalmente preassemblato in officina e regolabile in loco; - viti con trogolo in calcestruzzo: la finitura finale del trogolo è realizzata mediante rotazione della vite.
6 Viti di tipo compatto 6 Allestimento di una vite idraulica compatta Posa in opera di una vite idraulica compatta
7 Viti con trogolo metallico a sigillare 7 La variante più frequente è comunque la vite idraulica con trogolo d acciaio. La vite idraulica viene collegata in un corpo unico con il cilindro d acciaio, viene poi montata sull impianto e infine formata con calcestruzzo di riempimento sul lato della costruzione. Costruzione al grezzo con presagomatura Pronta per il riempimento
8 Vantaggi tecnici: minori opere civili A causa delle proprie caratteristiche di funzionamento, le viti idrauliche non hanno bisogno, se confrontate con gli impianti a turbina, di alcun lavoro di costruzione in sottosuolo nella zona dello scarico a valle. Di conseguenza, l installazione di una vite idraulica in un corso fluviale può avere luogo per lo più senza modificazione del letto fluviale naturale. Inoltre il generatore è posizionato al di sopra del livello idrico di monte, mentre di solito, quando abbinato ad una turbina, si trova al di sotto del livello dell acqua e quindi necessita di un alloggiamento stagno. 8
9 Vantaggi tecnici: assenza di sgrigliatore 9 Con l impiego di viti idrauliche si può rinunciare all uso di griglie fini, usate a protezione delle turbine per l arresto dei flottanti e il rigetto dei pesci, e, di conseguenza alla necessità di avere uno sgrigliatore: basta una semplice griglia grossolana (15-25 cm di luce tra le barre). Si evitano così sia le perdite di carico (diminuzione del salto idraulico) introdotte dalla griglia, sia, soprattutto, diminuisce in maniera drastica la quantità di materiale fermato dalla griglia (un corpo flottante che entra nell impianto viene trasportato dall acqua a valle, nel suo movimento lungo la vite), che non deve essere sgrigliato meccanicamente, stoccato e smaltito, con una significativa riduzione dei costi connessi.
10 Vantaggi tecnici: curva di rendimento piatta 10 Le viti idrauliche raggiungono rendimenti idraulici superiori all 85%. Si deve notare l estensione del campo dei buoni rendimenti, che varia da circa un terzo della portata di progetto sino a quella massima. Le viti idrauliche, quindi, in virtù dell estensione del campo di stabilità del rendimento, continuano a raggiungere buone prestazioni anche in caso di scarsa alimentazione.
11 Vantaggi 11 - Robustezza, resistenza all usura, mancanza di disturbi. - Nessun bisogno di sgrigliatura: bastano griglie grossolane (passo cm) che richiedono poca manutenzione. - Non necessitano di grosse spese per opere civili in elevazione o in scavo. - Possibilità di utilizzare salti idraulici di altezza di poco superiore a 1 m. - Rendimento elevato, che si pone sullo stesso livello di quello delle turbine a bassa pressione. - Curva di rendimento piatta, con notevole estensione del campo di stabilità del rendimento, così da mantenere buone prestazioni anche con alimentazione ridotta. - Nessuna necessità di regolazione in conseguenza di variazioni di portata. - Possibilità di mantenere costante il livello di monte facendo variare la velocità di rotazione della vite. - Elevata tollerabilità da parte della fauna ittica (sino a 60 cm di lunghezza). - L installazione comporta un intervento minimo sul paesaggio ed è quindi ecosostenibile.
12 Redditività 12 BASSO ALTO Volume dell investimento + Profitto annuo + Costi di manutenzione = Alta redditività = Breve tempo di ammortamento Regola empirica Se (kwh annui : costo d investimento in Euro) > 1 Ottimo investimento Se 0,8 < (kwh annui : costo d investimento in Euro) < 1 Buon investimento
13 Impianto da 30 kw elettrici 13 Costi - Coclea e gruppo generatore Opere elettromeccaniche Consegna e montaggio Quadri elettrici, cablaggi e linea Opere civili Spese Tecniche Totale Ricavi annui Tariffa onnicomprensiva /kwh 0,22 x kwh = cioè si ripaga in meno di 5 anni Prezzo di ritiro /kwh 0,8 x kwh = cioè si ripaga in meno di 13 anni
14 Impianto da 60 kw elettrici 14 Costi - Coclea e gruppo generatore Opere elettromeccaniche Consegna e montaggio Quadri elettrici, cablaggi e linea Opere civili Spese Tecniche Totale Ricavi annui Tariffa onnicomprensiva /kwh 0,22 x kwh = cioè si ripaga in poco più di 4 anni Prezzo di ritiro /kwh 0,8 x kwh = cioè si ripaga in poco meno di 12 anni
15 15 FREIBURG DATA TECNICI: portata d acqua: 4000 L/s salto: 3,0 m rendimento generatore: 87,00 kw Collaudo: 2008
16 16 HACHIMETTE DATA TECNICI: portata d acqua: 2000 L/s salto: 4,0 m rendimento generatore: 58,50 kw Collaudo: 2006
17 17 KRECHTING DATA TECNICI: portata d acqua: 2800 L/s salto: 2,5 m rendimento generatore: 49,10 kw Collaudo: 2006
18 18 Occimiano (AL) DATA TECNICI: portata d acqua: 3000 L/s salto: 1,70 m rendimento generatore: 45,0 kw Collaudo: 2009
19 19 ST. MARTIN DATA TECNICI: portata d acqua: 800 L/s salto: 6,0 m rendimento generatore: 30,60 kw Collaudo: 2007
20 20 KÖNIGSHOFEN DATA TECNICI: portata d acqua: 1500 L/s salto: 1,4 m rendimento generatore: 15,0 kw Collaudo: 2007
21 21 ST. GEORGEN DATA TECNICI: portata d acqua: 600 L/s salto: 2,4m rendimento generatore: 9,25 kw Collaudo: 2005
22 Quesito: se la realizzazione di un micro impianto idroelettrico, di potenza inferiore a 30 kw, in Italia tende a non essere considerata redditizia, perché all estero, con tariffe e prezzi di ritiro dell energia energia che sono pari a circa il 40% di quelli italiani, invece lo è? 22
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