Rivista Ligure di Meteorologia n 33 anno IX DIDATTICA Breve introduzione alle energie rinnovabili (sole, vento, acqua) Di: Diego Rosa L'energia idroelettrica Parte prima L idroelettrica è una fonte di energia certamente rinnovabile che tuttavia non può di certo dirsi innovativa, visto che le prime applicazioni risalgono alla seconda metà dell ottocento, né alternativa dato il notevolissimo, ormai pressoché integrale sfruttamento di questa risorsa in Italia e nei paesi occidentali, né senza grave impatto ambientale, come vedremo in seguito. In Italia, le riserve ancora sfruttabili economicamente secondo alcune stime, non superavano i 15 TWh/anno su 304 richiesti dalla rete nel 2001, di cui solo 4 ascrivibili alla piccola idraulica ( centraline ). 1. Le curve idrologiche dei corsi d acqua L idrogramma è il grafico di base per determinare le caratteristiche idrologiche di un corso d acqua. Esso rappresenta l andamento delle portate o delle portate specifiche, cioè riferite all unità di bacino, (istantanee, medie giornaliere, medie mensili o medie stagionali) in una certa sezione, in funzione del tempo (fig.1) per un determinato anno. Dall idrogramma si possono ricavare le curve di frequenza, che indicano la frequenza o la probabilità di una certa portata, riferita all unità di portata stessa, di verificarsi, e le curve di durata (fig.2) come quelle già viste per il vento, che riportano sull asse delle ascisse, il tempo complessivo dell anno durante il quale una determinata portata (letta sulle ordinate) è stata eguagliata o superata. Integrando la curva di durata secondo le ordinate si determina la curva caratteristica di utilizzazione (fig.3) molto importante ai fini dello sfruttamento idroelettrico. Essa rappresenta in ordinata il deflusso o il volume annuo massimo derivabile con una presa avente una capacità di derivazione pari a quella indicata in ascissa.
Fig. 1 - Idrogramma e curva di durata del Boite a Vodo (Belluno). Anno 1940. Dal Tonini Le portate massime derivabili sono spesso espresse in percentuale della media annua ed il deflusso derivabile dall opera di presa a sua volta è indicato non già in m3 ma in portate utilizzabili equivalenti espresse in percentuale della portata media del corso d acqua nell anno (o nel periodo) considerato. Se un corso d acqua avesse una portata costante pari alla media, la curva di utilizzazione sarebbe una retta inclinata di 45 rispetto all orizzontale intersecante la retta orizzontale di ordinata pari alla portata media. Integrando la curva di durata secondo le ascisse partendo dal valore dell ascissa pari a 365 gg., si ottiene la curva di concentrazione che da un indicazione del grado di perennità del corso d acqua (Fig. 4) 2
Fig. 2 - Curve di durata per i corsi d acqua indicati alle stazioni: Sesia: P. Aranco; Dora Baltea: Ponte Baio; Dora R.: S. Antonio; Tanaro: Clavesana, (medie 1927-1935) (Tonini). L andamento della curva della Dora Riparia è influenzato dalla presenza di un invaso a monte che riduce sensibilmente la portata massima ed aumenta la minima. Fig. 3 - Curve caratteristiche di utilizzazione (Tonini). 3
Fig. 4 - Curve di concentrazione (Tonini) Le varie curve sono di regola mediate su un certo numero di anni (almeno 10 per dare dei valori significativi). Gli idrogrammi medi mensili, definiscono il regime idrologico del corso d acqua (si vedano le figg. 5, 6, 7). Nelle Alpi si possono individuare almeno quattro regimi: il regime glaciale caratterizzato da un solo massimo estivo e da un pronunciato minimo invernale, il regime nivale di montagna con un massimo in primavera ed ancora un minimo in inverno, il nivale di transizione o nivo - pluviale simile a quest ultimo ma con in più un massimo secondario in autunno ed un minimo secondario in estate, infine il regime dei fiumi di risorgiva con una portata molto costante tutto l anno. Il regime pluviale (mediterraneo) opposto di quello glaciale (massimo invernale, forte minimo estivo) appare già, seppur attenuato da un influenza nivale di transizione, nell Appennino settentrionale, quello ligure in particolare. Tale regime è molto moderato negli estremi se il bacino, almeno in buona parte, è permeabile (il Tevere a Roma, grazie all apporto del Nera, è un esempio classico). Le portate specifiche (o contributi unitari) medie, espresse in l/(s*km2) ma anche in mm d acqua defluiti, sono le portate riferite all unità di area di bacino idrografico. Per le Alpi, i valori oscillano normalmente tra 25 e 40 l/(s *km2). Il rapporto tra afflussi (pioggia o neve) nel e deflussi dal bacino, misurati in mm d acqua, costituisce il coefficiente di deflusso (mensile od annuo). 4
Fig. 5 - Regime glaciale. Frodolfo a S. Caterina di Valfurva. Periodo 1927-1930. (Tonini) Fig. 6 - Regime pluvio-nivale. Il Tanaro a Clavesana. Anno 1930. (Tonini) 5
Fig. 7 - Regime pluviale (mediterraneo) con bacino impermeabile. Coghinas a Muzzone. Anno 1930 (Tonini) 2. La derivazioni delle acque La captazione dell acqua da un corso d acqua si può realizzare mediante opere di presa a pelo libero o mediante dighe di sbarramento con la creazione di bacini artificiali, anche di capacità superiore al deflusso annuo. Le acque derivate possono essere inviate direttamente alle centrali per poi essere utilizzate per l irrigazione o trasferite ad altri invasi posti anche in differenti bacini idrografici. I canali di derivazione possono essere a cielo aperto o in galleria, alla pressione atmosferica od in sovrappressione. Possono captare altri corsi d'acqua, fino al più piccolo ruscello, appartenenti a un versante vallivo, in tal caso sono definiti canali di gronda (si vedano a questo proposito le figure 8 e 9 relative a due dei 40 progetti di derivazione idroelettrica esaminati dal punto di vista dell impatto ambientale dall Ufficio Federale Svizzero dell Economia delle Acque (OFEE) nel 1984. Per i fiumi di notevole portata con piccoli dislivelli a disposizione esistono anche impianti idroelettrici che lavorano a filo d acqua, senza diversione delle acque. 6
Fig. 8 - Progetto di derivazione dei torrenti la Reche e le Bourge, nel Vallese (CH). Punteggiati i tratti di corso d acqua con portata derivata. A tratto i condotti di derivazione. Producibilità annua: 55,7 GWh Fig. 9 - Progetto di derivazione della Sarine nel Cantone di Vaud (CH). Punteggiati i tratti di corso d acqua con portata derivata. A tratto i condotti di derivazione. Producibilità annua: 68 GWh 7
3. L impianto idroelettrico Lo schema di principio di un impianto idroelettrico è riportato nella figura qui sotto. Fig. 10 - Schema di principio di un impianto idroelettrico 4. Espressione della potenza e del rendimento Dato il salto netto H, pari al salto lordo Z 1 -Z 2 a disposizione diminuito delle perdite nelle tubazioni (m) e la portata Q in volume (m 3 /s), la potenza fornita dalla turbina idraulica è data da: P = η ρ g Q H (W) Dove: ρ = densità dell acqua (kg/m 3 ) g = accelerazione di gravità (m/s 2 ) η = rendimento della macchina. A trasformare l energia idraulica dell acqua in energia meccanica sono le turbine idrauliche. Il numero di giri caratteristico, n c, di una turbina idraulica è dato da: 2) n c = n/h (P/ H) con n = numero di giri della turbina al minuto e H e Q come sopra Macchine geometricamente simili che lavorino allo stesso numero caratteristico di giri, hanno lo stesso rendimento. 8
Tre sono le principali tipologie di macchine utilizzate: Le turbine ad azione, tipo Pelton Le turbine a reazione, tipo Francis Le turbine ad elica (assiali) Le turbine Pelton con la velocità di eflusso nel distributore pari a quella corrispondente al salto H, sono adatte ad alte cadute e piccole - medie portate; per esse n c < 60; le turbine Francis con velocità di eflusso < a quella corrispondente al salto H, sono più adatte a salti < di 300 m ed hanno n c compreso tra 60 e 350/400; le turbine ad elica sono adatte a bassi salti ed alte portate; per esse n c è compreso tra 400 e 1000 (Figg. 11, 12.13, 11.11). Fig. 11 - Turbina Pelton Fig. 12 - Turbina assiale Fig. 13 - Turbina Francis 9
5. I costi dell energia idroelettrica I costi del Kwh prodotto sono molto variabili, in funzione della potenza del salto e delle caratteristiche idrologiche del corso d acqua. Per la minidraulica (< 10 MW) essi si collocano attorno ai 20 centesimi di euro. Per la media e grande attorno ai 10,15 centesimi di euro. Il tempo di ritorno dell investimento varia dai 10 ai 20 anni 10