LE CENTRALI IDROELETTRICHE REALIZZATO DA PIETRO CELLA, DAVIDE CROTTO E FABIO SICILIANO Una massa d acqua in movimento possiede una certa quantità di energia cineticacapace di compiere lavoro. Questo principio era già conosciuto nei secoli passati e con la sua applicazione funzionano, ad esempio, i mulini ad acqua. Con la scoperta dei fenomeni elettrici è risultato molto più conveniente trasformare l energia posseduta da grandi masse d acqua in energia elettrica: ciò avviene nelle centrali idroelettriche. COS È UNA CENTRALE IDROELETTRICA? Una centrale idroelettrica è infatti un insieme di opere di ingegneria idraulica posizionate in una certa successione, accoppiate ad una serie di macchinari idonei allo scopo di ottenere la produzione di energia elettrica da masse di acqua in movimento. COME FUNZIONA? Le centrali idroelettriche utilizzano la caduta delle acque dei fiumi e dei torrenti, raccolte in grandi bacini artificiali, creati sbarrando le valli con le dighe. L acqua raccolta nel bacino artificiale viene convogliata, attraverso un canale deviatore, a delle condotte forzate. Il getto violentissimo dell acqua, che esce sotto pressione dalle condotte, colpisce le pale di una turbina, mettendola in rotazione. A sua volta, la turbina è collegata per mezzo di un albero di trasmissione ad un generatore di corrente elettrica: l alternatore. Questo è collegato al trasformatore, che, sfruttando il fenomeno dell induzione magnetica, abbassa l intensità e aumenta i valori di tensione della corrente prodotta. L energia elettrica viene convogliata ai tralicci, le linee di trasporto, per essere distribuita e, una volta raggiunta la zona di utilizzo, la corrente passa attraverso un secondo trasformatore, che ne alza l intensità abbassandone la tensione per uso.
VARIE TIPOLOGIE D IMPIANTO Centrali ad acqua fluente L'acqua viene convogliata in un canale di derivazione e attraverso questo inviata alle turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua. La velocità impressa dall'acqua alle turbine viene generata attraverso una differenza di quota, detta "salto", che si traduce in pressione idrodinamica alla quota in cui sono posizionate le turbine. Ogni turbina è accoppiata ad un alternatore che trasforma l energia meccanica di rotazione in energia elettrica.
Centrali a caduta Sfruttano l'energia potenziale di notevoli masse d'acque poste ad altezza maggiore rispetto a quella di presa. L'energia potenziale dell'acqua viene trasformata in energia cinetica facendo confluire l'acqua in condotte forzate nelle quali l'acqua raggiunge notevoli velocità. L'acqua viene poi fatta confluire in turbine collegate ad alternatori producendo così energia. Centrali a bacino In queste centrali viene creato un lago artificiale, detto bacino di carico,per mezzo dello sbarramento di una gola fluviale con una diga, da cui partono delle condotte forzate, le quali vengono arricchite da un pozzo piezometrico prima della turbina, che smorza ed evita gli effetti dirompenti di enormi sovrappressioni dette colpo d ariete, che si generano quando la turbina viene fermata tramite la chiusa della condotta. A valle è presente un bacino di calma dove le acque turbolente appena uscite dalla centrale vengono fatte placare prima della reimmissione nel flusso normale del fiume.
Centrali con impianti ad accumulazione Le centrali con impianti ad accumulazione sono dotate di un bacino di raccolta anche a valle: l'acqua che ha generato energia elettrica durante il giorno passando nelle turbine può essere riportata dal bacino di valle al bacino di monte durante le ore di minor richiesta di energia, mediante un impianto di pompaggio, utilizzando per questa operazione l'energia elettrica in eccesso prodotta dalle centrali di tipo "sempre acceso" e non diversamente accumulabile. In altre parole il bacino di monte viene "ricaricato" durante la notte e le masse d'acqua riportate a monte possono quindi essere riutilizzate nelle ore di maggiore richiesta energetica. In tali impianti ad accumulazione si realizzano gruppi ternari di macchine, ossia la turbina, la pompa e il macchinario elettrico che, essendo reversibile, funziona all'occorrenza da generatore o da motore. Nel caso l'impianto sia dotato esclusivamente di un bacino di monte e un bacino di valle, senza dunque un fiume, la centrale viene detta centrale idroelettrica a ciclo chiuso o anche stazione di pompaggio.
Centrali in condotte idriche Una interessante possibilità, solo di recente presa in considerazione, sono gli impianti inseriti in un canale o in una condotta per approvvigionamento idrico. L acqua potabile è approvvigionata ad una città adducendo l acqua da un serbatoio di testa mediante una condotta. Solitamente, in questo genere di impianti, la dissipazione dell energia all estremo più basso della tubazione in prossimità dell ingresso all impianto di trattamento acque o alla rete di distribuzione viene conseguito mediante l uso di apposite valvole. Un alternativa interessante è quella di inserire una turbina che recuperi l energia che altrimenti verrebbe dissipata. Si ha così un recupero energetico, che può essere effettuato anche in altri tipi di impianti: sistemi di canali di bonifica, circuiti di raffreddamento di condensatori, sistemi idrici vari. CLASSIFICAZIONE IN BASE ALLA POTENZA La produzione di energia e la potenza di un impianto dipendono da due fattori principali, la caduta o salto o prevalenza (head) e la portata d acqua (flow rate). Si definisce salto lordo o geodetico la differenza di altezza tra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica da sfruttare ed il livello nella sezione del corso d acqua dove il flusso è restituito.
Il salto netto o motore è la caduta effettivamente utilizzata alla turbina, ossia il salto lordo meno le perdite che si verificano all opera di presa e quelle dovute al sistema di trasporto dell acqua. Si definisce portata il volume d acqua che attraversa una determinata sezione del corso d acqua nell unità di tempo e si esprime in m 3 /s. In base alla potenza nominale, si distinguono: microimpianti: potenza < 100 kwp; mini-impianti: 100 kwp 1 MWp piccoli impianti: 1 10 MWp grandi impianti: potenza > 10 MWp. Gli impianti possono essere classificati anche in base alla caduta o salto (H): Bassa caduta: H < 20 m Media caduta: H = 20 100 m Alta caduta: H = 100 1000 m Altissima caduta: H > 1000 m Infine, possono essere classificati in portata (Q) Piccola portata: Q < 10 m³/s Media portata: Q = 10 100 m³/s Grande portata: Q = 100 1000 m³/s Altissima portata: Q > 1000 m³/s ALTRI IMPIANTI Impianti mini-idro Le maggiori possibilità di nuove installazioni idroelettriche sono attualmente su piccola scala, attraverso il ricorso a impianti classificabili come mini-idro, cioè con taglia inferiore a 10 MW. Alcuni fattori che rendono interessante questa categoria di impianti sono:
Copertura della domanda elettrica nazionale. Pur essendo di limitata potenza unitaria, possono diventare complessivamente molto numerosi, e quindi apportare un contributo non trascurabile. Nell attuale contesto di liberalizzazione del mercato elettrico contribuiscono inoltre positivamente alla generazione distribuita e all ampliamento del mix energetico; Salvaguardia dell'ambiente. Gli impianti idroelettrici di piccola taglia sono caratterizzati da modalità costruttive e organizzative di scarso impatto sul territorio; inoltre possono essere gestiti, almeno per l'ordinario funzionamento, anche da piccole comunità ed anche integrati in un uso plurimo ed equilibrato della risorsa acqua; Tutela del territorio: la presenza di piccoli impianti sul territorio induce all'osservazione e manutenzione del territorio; Tecnologia: i mini-idro sono impianti idroelettrici che si basano sulle tecnologie consolidate degli impianti maggiori; nel caso delle taglie micro le tecnologie sono più innovative e stanno mostrando ampi margini di sviluppo; Costi di installazione e tempi di ritorno di investimento competitivi rispetto alle altre fonti di energia rinnovabili, grazie anche alle forme di incentivazione. Configurazione di impianti mini-idro La suddivisione per taglia degli impianti idroelettrici è basata sulla potenza installata, che è proporzionale al prodotto tra portata e salto idrico. Di conseguenza, gli impianti mini-idro non sono tutti quelli con i più bassi livelli di caduta o i più bassi livelli di portata. Ad esempio, un impianto di potenza prossima di 10 MW può essere realizzato sfruttando cadute medie e portate piccole, oppure cadute basse e portate medie. Gli impianti mini-idro di potenza compresa tra 100 kw e 10 MW hanno configurazione simile agli impianti di taglia superiore. La piccola taglia degli impianti impone che, per essere economicamente convenienti, i seguenti costi siano minimi: Investimenti iniziali; Costi dei macchinari e delle attrezzature; Costi di gestione e di manutenzione; Microimpianti Per quanto riguarda il "microidro, cioè gli impianti al di sotto dei 100 kw di potenza, il pregio non consiste tanto nel contributo energetico che possono dare al fabbisogno elettrico nazionale, quanto piuttosto nella valorizzazione della risorsa idrica a livello locale. Gli impianti microidroelettrici rappresentano una modalità di sfruttamento di una fonte energetica rinnovabile, che altrimenti andrebbe dispersa, con un bassissimo impatto ambientale. I principali vantaggi sono i seguenti: sfruttano le risorse idriche minori, disponibili in molteplici siti, e la loro installazione è molto semplice necessitano di una limitata risorsa idrica per produrre energia elettrica producono energia elettrica vicino alle utenze attraverso una generazione distribuita sono poco ingombranti e relativamente semplici da trasportare.
Centrale che sfrutta le maree Le maree sono movimenti alterni e periodici causati dai fenomeni di attrazione della luna e del sole. Dal 1996 è in funzione una centrale che sfrutta questo fenomeno sull estuario del fiume Range sulla Manica in Francia. TURBINE Le condizioni ideali per lo sfruttamento dell energia dell acqua richiedono grandi altezze di caduta o grandi volumi d acqua. Si possono così sfruttare sia le acque dei bacini montani che precipitano per centinaia di metri, sia le enormi masse d acqua dei grandi fiumi che cadono da pochi metri. Diverse altezze di caduta richiedono diversi tipi di turbine. Le turbine idrauliche sono macchine che trasformano l energia potenziale posseduta da una massa d acqua che precipita da una certa altezza, in energia meccanica di rotazione di un albero. Le turbine idrauliche sono costituite fondamentalmente da due organi: il distributore, che è fisso, e fa assumere all acqua particolari caratteristiche di velocità e di direzione; la girante, o ruota mobile, munita di pale, in cui avviene la trasformazione dell energia posseduta dall acqua in energia meccanica. Un parametro importante per una turbina è il numero di giri caratteristico N s che trova la sua origine teorica nelle leggi di similitudine idraulica ed esprime la velocità di rotazione che avrebbe una turbina qualora, rimanendo idraulicamente simili a se stessa, funzionasse, con le idonee dimensioni, sotto un salto netto di 1 m sviluppando una potenza di 1 kw. Le turbine si dividono in due tipologie: Turbine ad azione (Pelton) Turbine a reazione (Francis, Kaplan, ad elica, altre) o La turbina Pelton, adatta per alte cadute (dai 400 m ai 2000 m) e piccole portate d acqua. L acqua arriva alla girante attraverso una condotta forzata e un distributore, munito di una spina spostabile che consente la regolazione della portata. La girante è munita di pale a forma di doppio cucchiaio, in modo da dividere in due parti il getto d acqua che le investe.
o La turbina Francis, adatta per medie cadute (dai 20 m ai 400 m) a grandi portate (da 20 a 300 m 3 /s). Dalla camera forzata a spirale l acqua arriva al distributore attraverso una camera a spirale, di sezione man mano decrescente. Il distributore è formato da una serie di pale fisse disposte lungo una circonferenza; queste pale sono orientabili in modo da poter regolare la portata d acqua che colpirà le pale della girante. Quando l acqua giunge alla girante, costituita da una serie di pale fisse, si verifica la trasformazione dell energia potenziale idrica in energia meccanica. La ruota è costituita da due corone concentriche, l una esterna e l altra interna, che trascina l alternatore. o La turbina Kaplan, adatta per basse cadute (da 2 m a 20 m) e grandissime portate (superiori ai 300 m 3 /s). La girante ha la forma di una grande elica: le pale sono regolabili per ottenere sempre il massimo rendimento anche con cadute e portate variabili. Nel mini-idro si utilizzano turbine concettualmente simili a quelle per impianti maggiori, progettate con opportuni accorgimenti. o La microturbina Pelton ad asse orizzontale o verticale è molto simile alle turbine utilizzate negli impianti di taglia maggiore. Per il numero di giri relativamente basso, è adatta per impianti con salti d acqua di qualche centinaio di metri. Di costruzione semplice e robusta, con ingombro ridotto ed un ottimo rendimento, lavora a pressione atmosferica e
non pone problemi di tenuta. Generalmente tutte le principali parti meccaniche sono realizzate in acciaio inox. o La microturbina Turgo ha un azione simile alla Pelton ed è adatta a salti da 30 a 300 m. È adatta per situazioni con notevoli variazioni di afflussi d acqua e per acque torbide. o La microturbina a flusso radiale o incrociato è utilizzata per impianti di piccola potenza, poiché è adatta per salti da pochi metri fino a 100 metri e per portate da 20 a 1000 litri/secondo. L ingresso dell acqua è radiale, con la particolarità di una doppia azione del fluido sulle pale. La trasmissione del moto al generatore è affidata ad una cinghia dentata. Il rendimento delle turbine a flusso incrociato è minore delle turbine Pelton, ma hanno una maggiore facilità costruttiva ed una migliore adattabilità ai piccoli salti. o La miniturbina Francio è una turbina a reazione valida per centrali con potenza attorno ai 100 kw. La concezione costruttiva è molto simile alle turbine per impianti di taglia maggiore. Il vantaggio di questa macchina consiste nello sfruttamento di tutto il salto disponibile, fino al canale di scarico. La costruzione complessa, l alta velocità di rotazione che provoca attrito e usura, e taluni problemi di tenuta, rendono problematica l installazione di queste turbine nei piccoli impianti. o La turbina a coclea (o vite di Archimede)funziona sul principio inverso della chiocciola di Archimede, brevettata di recente come turbina idroelettrica. È particolarmente adatta per operare in presenza di detriti, semplicità di installazione e manutenzione, bassi costi di impianto e gestione, possibilità di operare anche con portate minime d acqua, quindi in corsi d acqua con portata discontinua. Le turbine a coclea sono utilizzate per salti da 1 a 10 metri e portate d acqua da 0,5 a 5,5 m³/s. o La turbina VLH (VeryLow Head) è una turbina che si rivolge prevalentemente ad una ristretta gamma di salti (da 1,4 a 3,4 m) e portate (da 10 a 27 m³/s), è prevista anche una versione rinforzata per salti fino a 4,5 m. Ciò si traduce in una gamma di potenza per unità da 100 a 500 kw. Questo tipo di installazione è particolarmente efficiente in siti dove è necessario sviluppare un impianto a basso impatto ambientale, turbina e generatore sono infatti sommersi, con una riduzione sostanziale delle opere civili e la salvaguardia dei pesci. VANTAGGI DELLE CENTRALI IDROELETTRICHE Il principale vantaggio delle idroelettriche è che, una volta costruite, offrono energia a costi molto competitivi e non richiedono combustibili o materie prime; sono una fonte di energia totalmente rinnovabile e illimitata; Possono irrigare o rifornire d acqua potabile intere regioni; Un ulteriore vantaggio è legato al fatto che la variazione della produzione di energia può avvenire in maniera molto più rapida rispetto ad una centrale termoelettrica o nucleare, variando la quantità di acqua che viene convogliata alla turbina, le centrali idroelettriche possono infatti essere attivate o disattivate in pochi minuti con l immediata apertura o chiusura delle saracinesche idrauliche.
SVANTAGGI E IMPATTO AMBIENTALE È difficile ottenere le varie autorizzazioni che le amministrazioni locali richiedono prima di realizzare il progetto; I costi possono essere molto elevati; Lo sfruttamento dell energia idrica richiede la costruzione di opere imponentiquali dighe, laghi di deposito, canali di derivazione, installazione di grandi turbine e generatori elettrici; La costruzione di una centrale idroelettrica può causare gravi dissesti idrogeologici: in passato, per la mancanza di adeguate analisi geologiche, si sono verificate terribili catastrofi; L'estrazione di energia cinetica rallenta il corso d'acqua, aumentando la velocità di sedimentazione; Nel tempo i bacini di accumulo vanno progressivamente incontro all interramenmto; Soprattutto le centrali a caduta, che richiedono un intervento edilizio di enormi proporzioni per la realizzazione di laghi artificiali per fungere da invasi, hanno un impatto ambientale di grandi proporzioni, sia nella fase costruttiva delle opere, sia a posteriori nell'impatto visivo ed estetico; Il fatto di alterare la portata e la distribuzione delle acque fluviali porta ad un cambiamento del microclima locale, per la maggiore umidità ed evaporazione portata dal lago che funge anche da serbatoio di calore, livellando le temperature fra giorno e notte. Questo porta in genere a variazioni nella flora e fauna locale; nel caso di bacini montani, si può avere un impatto anche su eventuali ghiacciai nelle vicinanze; INNOVAZIONE TECNOLOGICA La sfida che si deve affrontare è quella di adottare e combinare tecniche già esistenti oppure di ideare nuove soluzioni per progettare opere civili sempre più adeguate. Le soluzioni attuali comprendono: Impianti sommersi; Componenti in plastica o gonfiabili; Utilizzo di materiali diversi dal cemento; Schemi a sifone, per aumentare l aerazione dell acqua in modo da migliorare la vita acquatica del corso d acqua. Per quanto riguarda l ottimizzazione delle turbine le soluzioni sono: Maggiore sperimentazione in vasti campi di variazione di salto e portata; Utilizzo di materiali in plastica nella costruzione, per aumentare l efficienza e ridurre la manutenzione;
Gruppi sommersi turbina-generatore, utilizzo di migliori materiali isolanti per il generatore. È possibile controllare e far funzionare a distanza un impianto idroelettrico con il massimo beneficio economico ed il minimo rischio tecnico. L utilizzo di un sistema di controllo a distanza può inoltre aiutare a ridurre l impatto ambientale. Le applicazioni più rilevanti sono: Sistema di controllo e monitoraggio a distanza, tramite radio, linee telefoniche o la stessa linea di trasmissione dell energia; Turbine a velocità variabile, attraverso dispositivi di controllo elettronici del carico; Funzionamento isolato di generatori asincroni. Ci sono molte aree di ricerca che analizzano l impatto dell impianto sulla biosfera locale: Sistemi di guida acustici o a campo elettrico per pesci, per controllare e deviare i pesci lontano dalle centrali; Passaggi e scale per pesci, allo scopo di controllare il loro percorso; Relazione tra misure di protezione ambientale, ecologia e idrodinamica per minimizzare le possibilità di inquinamento. POTENZIALITÀ E DIFFUSIONE DELL ENERGIA IDROELETTRICA Si stima che l energia idroelettrica prodotta sia solo una piccola parte (di poco superiore al 10%) dell energia potenzialmente ottenibile. I maggiori potenziali risultano localizzati nei paesi in via di sviluppo mentre nell Europa occidentale il potenziale residuo è limitato a circa il 30%. La produzione totale di energia idroelettrica potrebbe essere potenzialmente incrementata fino a 5 volte quella attuale, in pratica l energia idroelettrica potrebbe soddisfare l attuale richiesta di energia elettrica. È la Cina a possedere il numero maggiore di centrali idroelettriche al mondo e a detenere il primato della potenza installata. La più grande centrale idroelettrica è la Diga delle Tre Gole sul fiume Yangtze. La diga è larga 2.3 km e alta 185 m. La più grande centrale idroelettrica degli Stati Uniti è la Diga della Grand Coulee sul fiume Columbia nella parte settentrionale dello stato di Washington. Più del 70% di elettricità prodotta nello Stato di Washington è fornita da impianti idroelettrici.
LA SITUAZIONE IN EUROPA L idroelettrico costituisce la più importante e tradizionale fonte di energia rinnovabile in Europa e ad oggi copre circa l 11% della produzione complessiva di energia elettrica. Tuttavia, le diverse politiche di sfruttamento e la disomogenea disponibilità della risorsa si riflettono sui dati di potenza installata e di produzione nei diversi stati europei. LA SITUAZIONE IN ITALIA L energia idroelettrica ha accompagnato la storia del nostro Paese dall inizio dell industrializzazione ad oggi. E lo dovrà accompagnare anche per il futuro, stante il ruolo fondamentale che l idroelettrico svolge per la gestione del servizio elettrico e il contributo prevalente che esso ha nel contesto delle energie rinnovabili. Nuovi grandi impianti elettrici assai difficilmente potranno ancora essere costruiti in Italia, per cui un contributo alla produzione di energia può essere dato solamente da piccole centrali. In Italia, la prima centrale è stata costruita nel 1890. A questa sono seguite centrali di varie dimensioni, installate in particolare nelle regioni alpine ed appenniniche, in generale da privati. Nel corso di oltre un secolo l energia idroelettrica ha contribuito allo sviluppo del Paese con modalità che sono variate nel tempo. Fino agli anni 50 l energia elettrica in Italia è stata sostanzialmente tutta di origine idroelettrica. Ancora nel 1960 l idroelettrico forniva l 80% della produzione totale. L idroelettrico ha quindi rappresentato l esclusivo asse portante dell industrializzazione del paese, della ripresa dopo la seconda guerra mondiale e del forte sviluppo economico degli anni 50 e 60. Dagli anni 60 in poi la sempre crescente domanda di energia venne soddisfatta con produzione termoelettrica e lo sviluppo dell idroelettrico praticamente si arrestò, per varie ragioni: costi crescenti, lunghi tempi di ritorno degli investimenti, ripercussioni del disastro del Vajont, e altri motivi. Oggi la potenza idroelettrica efficiente installata in Italia è di quasi 22 GW, di cui ca. 6 GW in pompaggio, la maggior parte della quale installata nelle regioni dell arco alpino. Oltre 2700 sono le centrali idroelettriche in esercizio, con prevalenza al nord, seguito dal centro e dal sud. L idroelettrico offre oggi ca. 54.000 GWh/anno, il 18% dell energia elettrica complessivamente prodotta in Italia. Esso rappresenta la larga maggioranza del contributo complessivo delle energie rinnovabili, in un contesto che conta prevalentemente sul contributo termoelettrico. A riferire i dati è Terna, la società responsabile in Italia della trasmissione e del dispacciamento dell'energia elettrica sulla rete ad alta e altissima tensione su tutto il territorio nazionale. La lettura del puro dato di produzione non deve però far pensare che l idroelettrico abbia oggi un valore secondario. In passato gli impianti idroelettrici furono costruiti per fornire energia di base, come ancora oggi avviene nei paesi dove l idroelettrico rappresenta la parte prevalente della produzione elettrica. Ma nella maggioranza dei paesi sviluppati, nei quali altre tecnologie di produzione sono state introdotte e forniscono oggi la maggioranza dell energia di base, il contributo dell idroelettrico è minoritario in termini quantitativi ma fondamentale per il bilanciamento tra domanda e offerta e per il corretto funzionamento del servizio elettrico. Gli impianti idroelettrici sono quindi gli strumenti ideali per bilanciare domanda e offerta, facendo fronte anche a rapide fluttuazioni per picchi di domanda o interruzioni di altre fonti di produzione.
Le varie fasi della produzione idroelettrica italiana possono quindi essere divise nei seguenti passaggi: - gli inizi, fino alla prima guerra mondiale; - il grande sviluppo, dagli anni 20 agli anni 60, con l ovvia pausa della seconda guerra mondiale; - l arresto dello sviluppo idroelettrico, verso gli anni 70; - la fase attuale, caratterizzata da aggiornate sensibilità ambientali e dall elevata anzianità delle opere in esercizio. Oggigiorno, con l attenzione crescente al problema delle emissioni, collegato ai temi dell effetto serra e del clima, si è avuta una rivalutazione della fonte idroelettrica, componente largamente prevalente nel contesto delle rinnovabili, ferma restando ovviamente la sua modesta capacità residua di incremento. Alla luce dell elevata anzianità di servizio degli impianti in esercizio, la cui età media è superiore ai 60 anni, l attenzione è oggi soprattutto rivolta al mantenimento del patrimonio esistente e all ottimizzazione della gestione delle risorse idriche in un contesto di sopraggiunte nuove esigenze, spesso tra loro conflittuali. BIBLIOGRAFIA E SITOGRAFIA Libro di tecnologia sull energia e le sue applicazioni della scuola secondaria di 1 www.didattica.unitus.it www.idrotecnicaitaliana.it www.treccani.it www.terna.it