Centrale idroelettrica

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Una centrale idroelettrica è 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.

L'energia prodotta dalle centrali idroelettriche è da classificarsi a tutti gli effetti come energia rinnovabile in quanto, almeno in teoria, l'acqua può essere riutilizzata infinite volte per lo stesso scopo senza subire un processo di depurazione. Il concetto di rinnovabilità è subordinato alla costanza del volume annuo degli afflussi integrali.

Classificazione in base al tipo[modifica | modifica sorgente]

Le centrali si classificano in base a diverse tipologie di impianto.

Centrali ad acqua fluente[modifica | modifica sorgente]

Centrale idroelettrica a Villa Castelli (Br)

L'acqua viene convogliata in un canale di derivazione (non una condotta forzata, si badi) e attraverso questo inviata alle turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua, producendo così il movimento delle turbine, ognuna delle quali è accoppiata a un alternatore che trasforma il moto di rotazione in energia elettrica.

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.

Centrali a bacino[modifica | modifica sorgente]

Diga ad arco utilizzata per produrre corrente elettrica

A differenza delle "centrali ad acqua fluente" viene creato un lago artificiale 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 (interposto prima della turbina) che smorza ed evita gli effetti dirompenti del colpo d'ariete (enormi sovrappressioni che si generano quando la turbina viene fermata tramite la chiusa della condotta).

Centrali con impianti ad accumulazione[modifica | modifica sorgente]

A differenza delle "centrali a bacino" 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 (ad esempio di notte), mediante 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[1][2].

La storica centrale idroelettrica Esterle a Porto d'Adda una frazione di Cornate, (Mb), situata sulla riva destra del fiume Adda
Esempio di una centrale idroelettrica dotata di impianto di pompaggio

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 una componente "fluente"), la centrale viene detta centrale idroelettrica a ciclo chiuso o anche stazione di pompaggio. In taluni impianti è inoltre possibile sfruttare la reversibilità di talune turbine, come ad esempio la turbina Francis, che nel suo funzionamento inverso funziona da pompa, riducendo i costi di impianto e di manutenzione, a fronte di una accettabile perdita di rendimento.

Classificazione in base alla potenza[modifica | modifica sorgente]

La potenza di un impianto idroelettrico dipende da due termini:

  • il salto, o prevalenza: dislivello esistente fra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica da sfruttare e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso l'impianto
  • la portata: la massa d'acqua che fluisce attraverso l'impianto nell’unità di tempo.

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

Configurazione di un impianto idroelettrico[modifica | modifica sorgente]

Un impianto idroelettrico tipico consta delle seguenti parti o strutture:

  • Opere di sbarramento: intercettano l’acqua per alimentare un invaso nella località prescelta per la presa. Le dighe sono opere di altezza notevole (fino a centinaia di metri); oltre a fermare il flusso di un fiume o elevare la quota di un lago naturale già esistente, creano un serbatoio utile per la regolazione delle portate. Le traverse sono invece opere di altezza modesta (al massimo qualche decina di metri) che operano uno sbarramento di un fiume entro limiti precisi (solitamente sono costruite in maniera da essere tracimate dall’acqua in caso di elevate portate). Forma e dimensioni di un bacino idrografico sono generalmente determinati dalle caratteristiche geomorfologiche della zona.
  • Opere di presa, filtraggio e derivazione dell’acqua: le opere di presa consentono di trasportare l'acqua dallo sbarramento alla centrale; sono costituite da un manufatto di presa (dotato di griglie e di organi di intercettazione) seguito da un’opera di derivazione, cioè un condotto che può essere del tipo:
  • canale a pelo libero: l'acqua è a contatto superiormente con l'atmosfera; ha solitamente sezione trapezoidale e può essere scavato nel terreno e dotato di un rivestimento in calcestruzzo
  • condotta in pressione: ha sezione circolare ed è realizzata mediante tubazioni di acciaio.
  • Vasca di carico e pozzo piezometrico: il condotto di derivazione termina con una vasca di carico, se il canale è a pelo libero, oppure con un pozzo piezometrico (per contenere i colpi d’ariete che si manifestano durante i transitori), nel caso di condotte in pressione.
  • Condotte forzate e organi di intercettazione: sono le tubazioni che portano l’acqua dalla vasca di carico o dal pozzo piezometrico alla centrale. Il flusso è regolato tramite opportuni sistemi di intercettazione (valvole a sfera, a farfalla, a bulbo...).
  • Centrale: edificio nel quale avviene la trasformazione dell’energia e nel quale sono presenti i vari apparati di comando, controllo, ausiliari:
  • Turbina idraulica: dispositivo meccanico che trasforma l'energia potenziale e/o cinetica dell'acqua in energia meccanica, resa all'albero motore
  • Alternatore: macchina elettrica rotante, collegata direttamente alla turbina, in grado di trasformare in energia elettrica l'energia meccanica ricevuta dalla turbina
  • Trasformatore: macchina elettrica statica utilizzata per rendere le caratteristiche della corrente elettrica prodotta idonee al convogliamento nelle linee di trasmissione a grande distanza, attraverso l’abbassamento dell’intensità e innalzamento della tensione a migliaia di volts
  • Sistemi di controllo e automazione: dispositivi che regolano il funzionamento dell’impianto, tramite la misura dell’energia elettrica prodotta, il controllo dei parametri funzionali dell’impianto, la gestione delle fasi di avvio e fermata, l’interfaccia con la rete.. Molte centrali elettriche operano attualmente senza la presenza permanente di personale, grazie ai sistemi automatizzati
  • Opere di restituzione: sistema di trasporto dell’acqua in uscita dalla turbina, e la restituzione al corso d’acqua, a valle, delle portate prelevate a monte. Solitamente sono costituite da un canale o galleria e un opportuno manufatto di sbocco.

Impianti mini-idro[modifica | modifica sorgente]

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 (comprendono quindi i piccoli, mini e micro, secondo la classificazione precedente).

Nel 2003, secondo i dati del GRTN (Gestore Nazionale Rete Trasmissione), in Italia erano attivi:

  • 1.122 impianti da 0 a 1 MW
  • 583 impianti da 1 a 10 MW

per una potenza installata di 2.300 MW circa.

Il mini-idro è considerato, nei documenti programmatici sulle fonti rinnovabili, come uno dei settori dove è possibile operare maggiori sviluppi.

Alcuni fattori che rendono interessante questa categoria di impianti:

  • 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 (alcuni impianti, ad esempio, sono condotti dai gestori di rifugi alpini) 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[modifica | modifica sorgente]

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:
  • Per i macchinari, sono stati sviluppati turbine idrauliche o gruppi completi composti da turbina, generatore ed apparecchiature di comando e controllo, con caratteristiche più o meno spinte di costruzione in serie. Per quanto concerne le opere civili, alcuni impianti, del tipo ad acqua fluente, sfruttano salti molto contenuti (da 2-3 m fino a 20-30 m), già disponibili in natura o opere preesistenti, simili alle traverse. In tali applicazioni si utilizzano turbine assiali (ad elica o Kaplan) ad asse verticale, che più si prestano a costruzioni di tipo standardizzato con possibilità di forti riduzioni dei costi. Esistono anche installazioni mini-idro che utilizzano salti medi, con turbine Francis ad asse orizzontale, Pelton, o a flusso incrociato.
  • Costi di gestione: per ridurre al minimo le spese di conduzione e di manutenzione, assicurando nel contempo la massima utilizzazione delle risorse idrauliche disponibili, i principali accorgimenti sono:
  • la realizzazione di impianti destinati a funzionare con esercizio automatico non presidiato, quindi senza personale di turno addetto alla conduzione;
  • la definizione attenta delle effettive, e sufficienti, condizioni funzionali da soddisfare, anche rinunciando a pesanti operazioni di adattamento del funzionamento dell’impianto a situazioni occasionali di esercizio;
  • la realizzazione della massima semplificazione degli schemi degli indispensabili automatismi, elettrici ed oleodinamici al servizio dei gruppi, attraverso una corretta progettazione coordinata degli impianti, al fine di ridurre il numero dei componenti, facilitare la ricerca e l'eliminazione dei guasti, contribuendo con ciò ad aumentare l'affidabilità;
  • l'accurata scelta ed adozione di componenti di elevata affidabilità correttamente installati e accuratamente messi a punto in ogni loro dettaglio prima di iniziare l'esercizio, al fine di ridurre per quanto possibile gli interventi per controllo e manutenzione ed evitare cause di guasto con la conseguente mancata produzione.

Microimpianti[modifica | modifica sorgente]

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.

Turbine per mini-idro[modifica | modifica sorgente]

Nel mini-idro si utilizzano turbine concettualmente simili a quelle per impianti maggiori, progettate con opportuni accorgimenti. Le turbine applicate su questa taglia di impianti hanno le seguenti caratteristiche.

Un'altra soluzione per gli impianti mini-idro con bassissimi salti è la turbina VLH (Very Low Head), in grado di sfruttare salti a partire da 1,4 m.[3]

Microturbina Pelton ad asse orizzontale o verticale[modifica | modifica sorgente]

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. È dotata di pale a doppio cucchiaio, con un numero di getti fino a sei. Generalmente tutte le principali parti meccaniche sono realizzate in acciaio inox. Le turbine Pelton sono quelle maggiormente impiegate nei micro-impianti, perché meglio si adattano a sfruttare il potenziale connesso con portate limitate.

Microturbina Turgo[modifica | modifica sorgente]

È una turbina con 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.

Microturbina a flusso radiale o incrociato[modifica | modifica sorgente]

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. Generalmente i componenti metallici sono realizzati in acciaio inox. 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.

Miniturbina Francis[modifica | modifica sorgente]

Girante Francis: si nota dall'esterno,la chiocciola, il distributore (in verde) e la girante all'interno. Il flusso di liquido è rappresentato in azzurro

La miniturbina Francis 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.

Turbina a coclea (o vite di Archimede)[modifica | modifica sorgente]

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.

Turbina VLH (Very Low Head)[modifica | modifica sorgente]

La turbina VLH (Very Low 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 (a livello di rete). Oltre alla quasi unicità del range compreso dalla turbina VLH, questo tipo di installazione è particolarmente efficiente in siti dove è necessario sviluppare un impianto a basso impatto ambientale (turbina e generatore sono sommersi), con una riduzione sostanziale delle opere civili e la salvaguardia dei pesci.[4]

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

Le centrali idroelettriche hanno la particolarità di poter essere attivate e disattivate in pochi minuti con l'immediata apertura delle saracinesche idrauliche, dando quindi la possibilità di coprire facilmente gli improvvisi picchi di richiesta che si possono verificare. Al contrario, gran parte delle centrali termoelettriche e nucleari hanno tempi di attivazione più lunghi, necessari per il riscaldamento dell'acqua e sono pertanto una tipologia di impianti di tipo "sempre acceso" (o "di base").

Svantaggi[modifica | modifica sorgente]

Un problema connesso alle centrali idroelettriche è il progressivo interramento in cui inevitabilmente vanno incontro, nel tempo, i bacini di accumulo. Per evitare ciò, questi devono essere periodicamente dragati.

Problemi ambientali possono essere costituiti dal fatto che gli sbarramenti (dighe) bloccano il trasporto solido dei fiumi (sabbie e ghiaie) alterando l'equilibrio tra l'apporto solido e l'attività erosiva nel corso d'acqua a valle (erosione del letto del fiume e, talvolta, "taglio dei meandri" per la maggiore velocità) fino al mare dove, per il diminuito o nullo apporto solido si assiste al fenomeno dell'erosione delle coste. Grandi bacini idroelettrici inoltre possono in alcuni casi avere impatti ambientali e socio-economici di diversa entità o gravità sulle zone circostanti (modifica del paesaggio e distruzione di habitat naturali, spostamenti di popolazione, perdita di aree agricole, ecc.) e lo studio di fattibilità deve essere particolarmente accurato soprattutto per quanto concerne l'analisi puntuale della geologia dei versanti e delle "spalle" su cui si attesterà la diga non tralasciando alcun particolare. Solo così si potranno evitare tragedie quali quella della valle del Vajont, che nell'autunno del 1963 cancellò la cittadina di Longarone e altri due centri del fondovalle causando 1970 vittime.

Tanti di questi problemi ambientali non si presentano negli impianti "MINI-HYDRO", che nella maggior parte dei casi non necessitano della costruzione di dighe (vedi 1.1 centrali ad acqua fluente).

Giurisprudenza[modifica | modifica sorgente]

Il gestore di un impianto idroelettrico di potenza nominale superiore a 220 kW deve corrispondere agli enti pubblici locali (comuni, provincia e regione), delle imposte, i cosiddetti Canoni Idrici, per la concessione e lo sfruttamento di acque pubbliche.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ I picchi di consumo si verificano, di solito, a metà mattina e a metà pomeriggio.
  2. ^ Arduino, op. cit., p. 472
  3. ^ http://www.vlh-turbine.com/gamma.
  4. ^ http://www.vlh-turbine.com/fish

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]