Energia idroelettrica

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L’energia idroelettrica è considerata una fonte di energia alternativa e rinnovabile,[1] che sfrutta la trasformazione in energia elettrica, tramite un alternatore accoppiato ad una turbina in una centrale idroelettrica, dell'energia potenziale gravitazionale posseduta da una certa massa d'acqua contenuta in un lago ad una certa quota altimetrica, sfruttando un determinato dislivello, o direttamente dell'energia cinetica posseduta da un corso d'acqua.[2][3][4]

Storia[modifica | modifica wikitesto]

La diga di Hoover. Diga ad arco-gravità sul fiume Colorado.

I greci e i romani furono le prime civiltà nel Mondo, ad utilizzare la potenza dell'acqua, o più precisamente dell'energia cinetica prodotta da essa; si deve però specificare che queste due antiche civiltà sfruttarono questo tipo di energia rinnovabile solo per azionare semplici mulini ad acqua per macinare il grano.

Si deve aspettare il Basso Medioevo e le scoperte portate dal popolo degli Arabi del Nord Africa, per avere altri metodi di sfruttamento dell'energia contenuta in un flusso d'acqua: furono sempre più utilizzate, sia per l'irrigazione dei campi sia per la bonifica di vaste zone paludose, le ruote idrauliche, schematizzabili come mulini senza pale ruotanti su un punto fisso, per azione della forza esercitata dall'acqua stessa.

Un progresso tecnico di enormi proporzioni si è avuto alla fine dell'Ottocento, circa all'inizio della Seconda Rivoluzione Industriale avvenuta in Europa e non solo. In seguito all'evoluzione della ruota idraulica in turbina, macchina motrice costruita da una ruota a pale imperniata su un asse, che all'inizio era grossolana e schematizzata, con le innovazioni tecnologiche risalenti soprattutto della prima metà del Novecento, essa divenne sempre più perfezionata e funzionale.

Descrizione[modifica | modifica wikitesto]

L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi o da laghi, naturali o artificiali (grazie alla creazione di dighe) tramite condotte forzate.[5]

In base al funzionamento, le centrali idroelettriche si suddividono in:[3]

  • centrali a deflusso regolato, in cui si sfruttano grandi altezze di caduta disponibili nelle regioni montane;
  • centrali ad acqua fluente, in cui si utilizzano grandi masse di acqua fluviale che superano piccoli dislivelli.
Turbina idroelettrica, tipo Kaplan

L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata a valle attraverso condutture forzate, trasformando così la sua energia potenziale in energia di pressione e cinetica grazie al distributore e alla turbina. L'energia meccanica viene poi trasformata attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Per permettere di immagazzinare energia e di averla a disposizione nel momento di maggiore domanda, sono state messe a punto centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio. Nelle centrali idroelettriche di pompaggio, l'acqua viene pompata nei serbatoi a monte sfruttando l'energia prodotta e non richiesta durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore, si può disporre di ulteriori masse d'acqua da cui produrre energia. Questi impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di disponibilità per utilizzarla nei momenti di bisogno.[6]

Nonostante i notevoli vantaggi per quanto riguarda l'inquinamento, la costruzione di dighe e grandi bacini o invasi artificiali, con l'allagamento di vasti terreni, apporta sempre e comunque un certo impatto ambientale che nei casi più gravi può provocare lo sconvolgimento dell'ecosistema della zona con grandi danni ambientali, come è successo con la grande diga di Assuan in Egitto, oppure rischi di tipo idrogeologico come accaduto nel disastro del Vajont.

La produzione di energia idroelettrica può avvenire anche attraverso lo sfruttamento del moto ondoso, delle maree e delle correnti marine. In questo caso si parla di energia mareomotrice.

Bacino idroelettrico[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Bacino idroelettrico.

Il bacino idroelettrico serve a raccogliere le acque di un fiume in un invaso artificiale, il cui elemento principale è la diga, e farne alzare la quota per poterne in seguito utilizzare il dislivello per la generazione di energia elettrica. Dal bacino alla centrale dove sono situati i generatori, è presente una condotta forzata, ovvero un tubo di sezione costante che può essere sotterranea o a vista. In prossimità di alcuni tipi di turbina, quale le Pelton, la condotta subisce un restringimento di sezione per favorire l'incremento di velocità di uscita dell'acqua sulle pale della turbina.[7]

Centrale idroelettrica[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Centrale idroelettrica.
Turbine idrauliche in una centrale idroelettrica

Per centrale idroelettrica si intende una serie 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'acqua viene convogliata in una o più turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua. Ogni turbina è accoppiata a un alternatore che trasforma il movimento di rotazione in energia elettrica.

Lo sfruttamento dell'energia idroelettrica e la conseguente produzione di energia elettrica non è costante nel tempo, ma dipende dal rifornimento d'acqua del bacino d'acqua artificiale a sua volta dipendente dal regime degli immissari/fiumi e quindi dal regime precipitativo del bacino idrografico.

Una pratica diffusa in alcuni paesi/zone è quella di pompare acqua nei bacini idroelettrici durante la notte quando l'energia da spendere costa meno e riutilizzare l'energia idroelettrica accumulata di giorno quando la richiesta è maggiore e conseguentemente il prezzo risulta maggiore ottenendo così un guadagno netto.

Asta[modifica | modifica wikitesto]

Particolarmente nelle aree montuose si tende a sfruttare più volte la stessa acqua facendola passare da varie centrali idroelettriche poste a quote sempre più basse laddove la morfologia del territorio non rende possibile o comunque conveniente avere un unico grande salto. Nelle Alpi italiane è facile trovare situazioni in cui la stessa acqua è passata da 4 o 5 diverse centrali idroelettriche prima di arrivare al fiume Po.

Col termine asta si intende il complesso di opere idrauliche e centrali idroelettriche interconnesse che interessano il medesimo flusso idrico, in maniera sequenziale oppure articolata, generalmente operate dallo stesso gestore.

A titolo d'esempio un'asta articolata può essere composta da alcune captazioni che convogliano acqua ad una centrale idroelettrica AA le cui acque in uscita alimentano una centrale idroelettrica BB posta alcune centinaia di metri più in basso. Le acque in uscita da quest'ultima confluiscono in un lago artificiale assieme alle acque di scarico di una terza centrale CC alimentata dalle proprie captazioni, e a sua volta il lago alimenta una centrale DD posta ovviamente ad una quota ancora più bassa.

Diffusione e futuri sviluppi[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Produzione di energia elettrica in Italia.

L'energia idroelettrica è la principale risorsa alternativa alle fonti fossili usata in Italia e garantisce circa il 40% del fabbisogno energetico italiano. La sua importanza in passato fu molto più grande perché dagli inizi del XX secolo sino al primo dopoguerra l'energia idroelettrica rappresentava la grande maggioranza dell'energia prodotta in Italia arrivando anche a toccare punte di poco inferiori al 100%. Gli sviluppi futuri dell'idroelettrico riguarderanno il miglioramento della flessibilità degli impianti[8], ossia la capacità di mantenere efficienze elevate anche al variare della portata (ricordiamo che al momento gli impianti idroelettrici sono molto più efficienti degli impianti eolici e solari- circa 3-5 volte di più). Sono previsti anche sviluppi del settore micro idroelettrico, specialmente di impianti con ruota idraulica e Vite di Archimede[9][10][11][12][13], nonché impianti di pompaggio (che producono energia durante il giorno e che ripompano l'acqua nel bacino della diga di notte), e impianti che utilizzano l'energia delle onde e delle maree. Grandi sforzi sono in corso per minimizzare gli impatti ambientali (scale per pesci, turbine fish-friendly)[14][15].

Impatti ambientali[modifica | modifica wikitesto]

Nel caso della creazione di bacini artificiali da sfruttare in ambito idroelettrico, i possibili impatti ambientali sono dovuti alle variazioni del microclima, all'impedimento del transito dei pesci migratori presenti d’acqua dolce, ai danni alla biodiversità per la modifica dell'ecosistema e all’erosione fluviale e delle coste alla foce del fiume, a causa del trattenimento da parte della diga dei sedimenti trasportati dal corso d’acqua.[16]

Inoltre, la creazione di bacini artificiali contribuisce alle emissioni di gas serra (anidride carbonica e metano) in quantità significativa, specialmente nei primi anni, a causa della digestione anaerobica del materiale organico presente nelle acque, fenomeno che avviene anche nei laghi naturali e nei fiumi; i valori di queste emissioni sono stimati in 48 milioni di tonnellate di anidride carbonica e 3 milioni di tonnellate di metano, equivalenti al 4% delle emissioni mondiali di metano da parte delle acque interne, ma potrebbero essere superiori in funzione delle condizioni del bioma in cui si trova il bacino.[17][18][19]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Renewable energy, su iea.org, 2021.
    «Hydropwer is the largest source of renewable electricity in the world»
  2. ^ ENEA (2005), cap. 5, pp. 111-112

    «Il principio su cui si basano le centrali idroelettriche è quello della trasformazione dell’energia potenziale, posseduta da una massa di acqua in energia meccanica e successivamente in energia elettrica. [...] Il processo di trasformazione dell’energia potenziale in energia meccanica (e successivamente elettrica) parte dalla fase di derivazione delle acque per mezzo di apposite opere di presa in alveo, che convogliano la massa d’acqua raccolta in una vasca di carico»

  3. ^ a b ENEA (2005), cap. 7, p. 188

    «Una ulteriore classificazione degli impianti idroelettrici si basa sul loro funzionamento in rapporto alla modalità di presa e accumulo delle acque: - impianti ad acqua fluente: privi di qualsiasi capacità di regolazione e, pertanto, la portata derivabile durante l’anno è funzione del regime idrologico del corso d’acqua; - impianti a deflusso regolato: possono regolare le acque tramite un serbatoio di regolazione giornaliero, settimanale o mensile.»

  4. ^ Orizzontenergia, Idroelettrico, su orizzontenergia.it, 2017 (archiviato dall'url originale il 28 settembre 2017).
    «L’acqua è una fonte rinnovabile ampiamente disponibile sulla Terra. [...] Viene definito impianto idroelettrico un insieme di opere meccaniche e strutturali che utilizzano l’energia dell’acqua per far ruotare attorno ad un asse di rotazione un macchinario, chiamato turbina. [...] Mediante la rotazione della turbina è possibile trasformare l’energia dell’acqua (che dipende dalla quantità, velocità e pressione dell’acqua) in energia rotante, ossia energia meccanica. E’ poi possibile trasformare l’energia meccanica in energia elettrica (ossia corrente elettrica) installando in modo solidale all’asse della turbina un generatore di corrente. [...] Un impianto a serbatoio/bacino sfrutta la raccolta dell’acqua in bacini naturali (ad esempio un lago ad alta quota) o artificiali mediante l’interruzione del corso d’acqua con dighe di sbarramento.»
  5. ^ ENEA (2005), cap. 5, p. 124

    «Dighe: Opere di altezza superiore a 10 m che, oltre ad intercettare il corso d’acqua, creano un serbatoio utile ai fini della regolazione delle portate. [...] Opere di presa e derivazione: 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 condotto derivatore costituito da canale aperto o condotta in pressione.»

  6. ^ Giampietro Paci, Il mondo della tecnica, T1, Zanichelli, ISBN 88-08-09645-9.
  7. ^ Cipriano Pidatella, Capitolo tredicesimo - Turbine ad azione, in Corso di macchine. Idraulica, macchine idrauliche e generatori di vapore, vol. 1, Bologna, Nicola Zanichelli editore S.p.A., 1982, p. 193.
    «[...] distributore costituito da un tronchetto convergente sistemato all'estremità della condotta (forzata) e provvisto di una bocca di efflusso (denominata ugello o bocchello) avente una sezione di passaggio notevolmente più ridotta delle sezioni a monte, in modo tale che il fluido, in accordo con il teorema di Bernoulli, possa acquistare velocità [...] a scapito dell'energia potenziale primitiva.»
  8. ^ Emanuele Quaranta, Idroelettrico: Future sfide e trend tecnologici nel settore, su Orizzontenergia, 4 dicembre 2019. URL consultato il 17 dicembre 2019 (archiviato dall'url originale il 17 dicembre 2019).
  9. ^ News - Mini idroelettrico: Non bisogna essere per forza grandi per emergere | Emanuele Quaranta, Orizzontenergia, su orizzontenergia.it. URL consultato il 4 marzo 2018 (archiviato dall'url originale il 31 gennaio 2017).
  10. ^ (EN) Emanuele Quaranta, Water Wheels: Bygone Machines or Attractive Hydropower Converters?, Prescouter - Custom Intelligence, On-Demand, 3 ottobre 2016. URL consultato il 4 marzo 2018.
  11. ^ (EN) Emanuele Quaranta, Hydrodynamic Screws: From Archimedes to Electricity -Prescouter - Custom Intelligence, On-Demand, 29 novembre 2016. URL consultato il 4 marzo 2018.
  12. ^ QuarantaEmanuele_vite di Archimede.pdf, in Google Docs. URL consultato il 4 marzo 2018.
  13. ^ Emanuele Quaranta and Roberto Revelli, CFD simulations to optimize the blade design of water wheels, in Drinking water engineering and science, 10, 27-32.
  14. ^ (EN) Emanuele Quaranta, Can these turbines make hydropower more fish friendly? -Prescouter - Custom Intelligence, On-Demand, 24 gennaio 2018. URL consultato il 4 marzo 2018.
  15. ^ (EN) E. Quaranta, C. Katopodis, R. Revelli, Comoglio, C., Turbulent flow field comparison and related suitability for fish passage of a standard and a simplified low-gradient vertical slot fishway, in River Research and Applications, vol. 33, n. 8, 1º ottobre 2017, pp. 1295–1305, DOI:10.1002/rra.3193. URL consultato il 4 marzo 2018.
  16. ^ ENEA, Insospettabile: l’energia idroelettrica fonte di emissione di gas serra, su enea.it, 1º settembre 2011.
    «le valutazioni di impatto ambientale che sono effettuate prima della costruzione di dighe e laghi artificiali prendono in considerazione, tra le diverse conseguenze a livello locale e regionale: le variazioni del microclima, i danni alle specie di pesci migratori presenti d’acqua dolce, i danni alla biodiversità anche alle zone circostanti il bacino idrico artificiale e l’erosione delle coste marine alla foce del fiume, a causa della perdita di sedimenti trasportati dal corso d’acqua e bloccati dalla diga.»
  17. ^ ENEA, Insospettabile: l’energia idroelettrica fonte di emissione di gas serra, su enea.it, 1º settembre 2011.
    «Un gruppo di ricercatori [...] ha analizzato i processi di emissione di anidride carbonica e di metano, [...] esaminando 85 laghi artificiali costruiti in varie parti del mondo e che rappresentano il 20% dei laghi artificiali mondiali esistenti per la produzione idroelettrica.»
  18. ^ (EN) Nathan Barros, Jonathan J. Cole e Lars J. Tranvik, Carbon emission from hydroelectric reservoirs linked to reservoir age and latitude, in Nature Geoscience, vol. 4, n. 9, 2011-09, pp. 593–596, DOI:10.1038/ngeo1211. URL consultato il 12 novembre 2021.
  19. ^ (EN) Xue Hao, Yu Ruihong e Zhang Zhuangzhuang, Greenhouse gas emissions from the water–air interface of a grassland river: a case study of the Xilin River, in Scientific Reports, vol. 11, n. 1, 29 gennaio 2021, pp. 2659, DOI:10.1038/s41598-021-81658-x. URL consultato l'11 novembre 2021.
    «Greenhouse gas (GHG) emissions from rivers and lakes have been shown to significantly contribute to global carbon and nitrogen cycling.»

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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