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ⓘ Centrale idroelettrica




Centrale idroelettrica
                                     

ⓘ Centrale idroelettrica

Una centrale idroelettrica è un insieme di opere di ingegneria idraulica posizionate in una certa successione, accoppiate ad una serie di macchinari elettrici idonei allo scopo di ottenere la produzione di energia elettrica da masse dacqua in movimento ovvero idonee alla conversione da energia cinetica a energia elettrica.

                                     

1.1. Classificazione in base al tipo Centrali ad acqua fluente

Lacqua viene convogliata in un canale di derivazione non una condotta forzata e attraverso questo inviata alle turbine che ruotano grazie alla spinta dellacqua, 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 dallacqua 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.

                                     

1.2. Classificazione in base al tipo Centrali a bacino

A differenza delle "centrali ad acqua fluente" 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 interposto prima della turbina che smorza ed evita gli effetti dirompenti del colpo dariete enormi sovrappressioni 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.

                                     

1.3. Classificazione in base al tipo Centrali con impianti ad accumulazione

A differenza delle "centrali a bacino" le centrali con impianti ad accumulazione sono dotate di un bacino di raccolta anche a valle: lacqua 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 lenergia 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 le masse dacqua 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 alloccorrenza da generatore o da motore. Nel caso limpianto 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.

Esistono installazioni di tale tecnologia in piccola scala, ovvero in edifici, anche se queste non risultano esser economicamente vantaggiose per le sfavorevoli economie di scala. Inoltre, per una capacità di stoccaggio significativa è necessario una cospicua riserva d’acqua che risulta essere un adattamento difficile in realtà urbane. Tuttavia, alcuni autori difendono la loro semplicità tecnologica e valutano il sicuro approvvigionamento di acqua richiesta come unimportante esternalità.



                                     

2. Classificazione in base alla potenza

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 limpianto
  • la portata: la massa dacqua che fluisce attraverso limpianto nellunità di tempo.

In base alla potenza nominale, si distinguono:

  • piccoli impianti: 1 – 10 MWp
  • grandi impianti: potenza > 10 MWp.
  • mini-impianti: 100 kWp – 1 MWp
  • microimpianti: potenza < 100 kWp;

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
  • Altissima portata: Q > 1000 m³/s
  • Grande portata: Q = 100–1000 m³/s
  • Media portata: Q = 10–100 m³/s
                                     

3. 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.

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

  • 583 impianti da 1 a 10 MW
  • 1 122 impianti da 0 a 1 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:

  • Salvaguardia dellambiente. Gli impianti idroelettrici di piccola taglia sono caratterizzati da modalità costruttive e organizzative di scarso impatto sul territorio; inoltre possono essere gestiti, almeno per lordinario funzionamento, anche da piccole comunità ed anche integrati in un uso plurimo ed equilibrato della risorsa acqua;
  • Costi di installazione e tempi di ritorno di investimento competitivi rispetto alle altre fonti di energia rinnovabili, grazie anche alle forme di incentivazione.
  • Tutela del territorio: la presenza di piccoli impianti sul territorio induce allosservazione 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;
  • Copertura della domanda elettrica nazionale. Pur essendo di limitata potenza unitaria, possono diventare complessivamente molto numerosi, e quindi apportare un contributo non trascurabile. Nellattuale contesto di liberalizzazione del mercato elettrico contribuiscono inoltre positivamente alla generazione distribuita e allampliamento del mix energetico;
                                     

3.1. Impianti mini-idro 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:

  • 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.
  • Investimenti iniziali
  • la realizzazione di impianti destinati a funzionare con esercizio automatico non presidiato, quindi senza personale di turno addetto alla conduzione;
  • 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
  • laccurata scelta ed adozione di componenti di elevata affidabilità correttamente installati e accuratamente messi a punto in ogni loro dettaglio prima di iniziare lesercizio, al fine di ridurre per quanto possibile gli interventi per controllo e manutenzione ed evitare cause di guasto con la conseguente mancata produzione.
  • la definizione attenta delle effettive, e sufficienti, condizioni funzionali da soddisfare, anche rinunciando a pesanti operazioni di adattamento del funzionamento dellimpianto 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 leliminazione dei guasti, contribuendo con ciò ad aumentare laffidabilità;


                                     

3.2. Impianti mini-idro 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:

  • producono energia elettrica vicino alle utenze attraverso una generazione distribuita
  • sono poco ingombranti e relativamente semplici da trasportare.
  • necessitano di una limitata risorsa idrica per produrre energia elettrica
  • sfruttano le risorse idriche minori, disponibili in molteplici siti, e la loro installazione è molto semplice

Nellambito dei micro impianti si inserisce la Steffturbine.

                                     

3.3. Impianti mini-idro 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 dacqua, quindi in corsi dacqua con portata discontinua. Le turbine a coclea sono utilizzate per salti da 1 a 10 metri e portate dacqua da 0.5 a 5.5 m³/s.

                                     

3.4. Impianti mini-idro Turbina VLH Very Low Head

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.

                                     

3.5. Impianti mini-idro Ruota idraulica

La ruota idraulica è una macchina a gravità che utilizza il peso dellacqua energia potenziale e in parte lenergia cinetica per produrre energia. Le ruote dal basso possono essere utilizzate in siti con salti al di sotto dei 1.5 m e portate massime di 1 m³/s per metro di larghezza, le ruote dal fianco in siti con salti fino a 4 m e portate massime di 600 l/s per metro di larghezza le ruote dallalto per salti tra 3-6 m e portate massime di 100-200 l/s per metro di larghezza. I massimi rendimenti idraulici variano tra 70 e 85%.

                                     

3.6. Impianti mini-idro Microturbina Pelton ad asse orizzontale o verticale

Molto simile alle turbine utilizzate negli impianti di taglia maggiore. Per il numero di giri relativamente basso, è adatta per impianti con salti dacqua 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.

                                     

3.7. Impianti mini-idro Microturbina Turgo

È una turbina con unazione simile alla Pelton ed è adatta a salti da 30 a 300 m. È adatta per situazioni con notevoli variazioni di afflussi dacqua e per acque torbide.

                                     

3.8. Impianti mini-idro 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. Lingresso dellacqua 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.

                                     

3.9. Impianti mini-idro Miniturbina Francis

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, lalta velocità di rotazione che provoca attrito e usura, e taluni problemi di tenuta, rendono problematica linstallazione di queste turbine nei piccoli impianti.

                                     

4. Caratteristiche

Le centrali idroelettriche hanno la particolarità di poter essere attivate e disattivate in pochi minuti con limmediata 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 accensione più lunghi, anche di decine di ore, necessari per la regimazione termica del macchinario e sono pertanto una tipologia di impianti di tipo "sempre acceso" o "di base".

                                     

5. Svantaggi

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 lequilibrio tra lapporto solido e lattività erosiva nel corso dacqua a valle fino al mare dove, per il diminuito o nullo apporto solido si assiste al fenomeno dellerosione delle coste. Grandi bacini idroelettrici inoltre possono in alcuni casi avere impatti ambientali e socio-economici di diversa entità o gravità sulle zone circostanti e lo studio di fattibilità deve essere particolarmente accurato soprattutto per quanto concerne lanalisi 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 nellautunno 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.



                                     

6. Giurisprudenza

Il gestore di un impianto idroelettrico 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.