Teoria del corso di Energie rinnovabili

Energia idroelettrica

Impianto idroelettrico

1) Opere di presa dell’acqua

2) Opere di convogliamento

3) Opere alla vasca di carico

4) Camera di carico o condotta in pressione

5) Turbina idraulica

6) Macchina elettrogeneratrice

7) Apparecchiature elettriche

8) Canale di scarico

Schema introduttivo

• Opera di sbarramento = traversa o diga

Classificati in base alla durata d’invaso dell’impianto:

• A serbatoio (durata ≥ 400 ore)
• A bacino: (durata settimanale o giornaliera)
• Ad acqua fluente: (senza serbatoio o con serbatoio a durata invaso ≤ 2 ore)

• Canale di derivazione
• Condotta/e forzata/e => convogliano l’acqua nelle turbine idrauliche
• Impianto di produzione dell’energia elettrica => gruppi turbina generatore
• Canale di restituzione

Schemi di impianto

Impianti ad acqua fluente

• Opera di sbarramento (traversa) => intercetta il corso d’acqua
• Canale di produzione incorporata o affiancata
• Opere per decantare il flusso da trasporti solidi
• Canale di restituzione

Impianti con serbatoio

• Opera di sbarramento => intercetta corso d’acqua e crea un serbatoio
• Galleria/e di derivazione in pressione => opera di presa al serbatoio e pozzo piezometrico alla fine
• Condotte forzate => partono dal pozzo piezometrico
• Canali di scarico

Piccolo idroelettrico (SHP)

• Schemi tipici:
• Impianti a bassa caduta => salti ≤ 25m
• Con canale di derivazione
• Senza canale di derivazione
• A sifone: estremamente economica, salti da 1 a 10m
• Impianti ad alta caduta => salti ≥ 40-45
• 1. Economicamente meno onerosi: a parità di potenza c’è meno deflusso attraverso la turbina
• 2. Sbarramento => traversa o diga
• 3. Opere di derivazione di portata
• 4. Canale di derivazione a cielo aperto o tubatura a bassa pressione
• 5. Bacino di carico
• 6. Condotta forzata
• 7. Edificio della centrale => turbina
• 8. Opere di scarico

Tipi di impianti idroelettrici

• Impianti ad acqua fluente: nessuna capacità di regolazione degli afflussi: la portata sfruttata coincide praticamente con quella disponibile nel corso d’acqua
• Impianti a deflusso regolato: invaso alla presa del corso d’acqua => adattare la portata alla centrale
• Impianti a bacino: modeste capacità d’invaso: regolazione della portata giornaliera o settimanale
• Impianti a serbatoio: capacità d’invaso tali da consentire il trasferimento stagionale di volumi idrici e quindi della relativa produzione
• Impianti di accumulazione mediante pompaggio: due serbatoi alle estremità a quote differenti => utilizzano le rete elettrica per il pompaggio durante le ore di basso carico e producono durante quelle di alto carico della rete

Portata

Definizione: volume d’acqua che attraversa nell’unità di tempo una sezione normale del corso stesso => [m³/s o l/s] => variabile => IDROGRAMMA

Deflusso o Portata integrale: volume d’acqua che attraversa una certa sezione del corso d’acqua in un fissato intervallo di tempo

Portata media in un intervallo di tempo: Non basta per progettazione

Curva di Durata (FDC)

• Flow Duration Curve – FDC: tempo (o % di tempo) in cui la Q è > di un certo valore
• Deflusso Minimo Vitale (DMV) = portata minima da lasciar defluire SEMPRE
• FDC = principale elemento per la progettazione dell’impianto e la scelta della macchina idraulica

Salto idraulico

• Salto lordo o geodetico: differenza di quota tra la superficie liquida all’estremità del rigurgito di ritenuta a monte della presa e la superficie liquida nella sezione del corso d'acqua dove ha luogo la restituzione
• Salto utile netto o salto motore: salto effettivamente utilizzato dalle turbine idrauliche al netto delle perdite di carico nelle opere di presa
• Salto legale o di concessione: differenza di quota (in metri) tra i due peli liberi dei canali a monte e a valle del meccanismo motore

Equazione di Bernoulli (Fluidodinamica)

• p = pressione = densità acqua
• v = velocità acqua
• q = portata volumetrica

Perdite

• Perdite distribuite: attrito nelle condotte in pressione
• L = lunghezza della condotta [m]
• v = velocità media [m/s]
• g = 9.81 [m/s²]
• D = Diametro della condotta [m]
• = coefficiente di attrito => dipende da:
• Rugosità interna della condotta
• Diametro
• Re
• Coefficiente Attrito => grafici basati su formula di Colebrook-White, diagramma di Moody
• Perdite concentrate: K è un coeff. diverso a seconda della fonte di perdita e che varia anche con le dimensioni in gioco e con altri fattori
• V = non costante = cambia a seconda delle sezioni in cui si misura
• ΔH = h + v²/2g (Ke + Kb + Kc + Kex + Kv)
• Ke = Coeff. perdita in entrata
• Kb = Coeff. perdita in uscita
• Kc = Coeff. perdita per contrazione improvvisa
• Kex = Coeff. perdita per espansione improvvisa
• Kv = Coeff. perdita nella valvola
• Perdite nelle opere di presa e derivazione: Griglia = diminuzione salto disponibile dovuta anche a materiale che si accumula
• ΔHgr = riduzione del salto disponibile (m)
• K = coefficiente che dipende dal tipo della griglia; v = velocità del flusso (m/s); = angolo formato dalla griglia con l’orizzontale; g = 9.81 m/s²; t = spessore di una singola barra della griglia; b = distanza fra due barre consecutive
• Perdite in turbina: Turbine Setting Loses: Distanza tra asse girante e livello H_O scarico
• In generale = le velocità nelle condotte dovrebbero essere normalmente tra 1 e 3 m/s e le perdite dovrebbero essere mantenute al di sotto del 5%

Potenza

Potenza nominale P = g H Q_t net

Condizioni nominali => = 0,85-0,90 a seconda del modello di turbina = rendimento della macchina di conversione NON della turbina

In regolazione = varia la portata ma la turbina deve comunque mantenere lo stesso numero di giri

A seconda del modello di turbina varia il regime in cui sono soddisfacenti

Ulteriori perdite e rendimento globale

• Moltiplicatori di velocità: servono per arrivare alla frequenza della rete => rendimento 95-98%
• P = P_mv
• Generatori: rendimento 90-95% per generatori sincroni; 2-4% in meno se asincroni P = P_gen
• Perdite per trasformazione elettrica e ausiliari: P = P_eff tra aux gen
• Rendimento globale della conversione energetica:
• Potenza idraulica disponibile: potenza teorica che svilupperebbe un impianto idroelettrico se non ci fossero perdite di nessun tipo ( = 1)G
• Potenza nominale di concessione: potenza idraulica teoricamente disponibile nell’anno in relazione alla portata ed al salto di concessione
• P_c = (P_c H_c Q_c) => P_c = potenza di concessione; = densità acqua; H_c = salto di concessione; Q_c = portata di concessione
• Potenza effettiva: f(portata d’acqua utilizzata, salto utile netto, rendimento complessivo dell’impianto)
• Potenza efficiente: la massima potenza sviluppabile dall’impianto in regime continuo nelle più favorevoli condizioni di salto e di portata => supponendo salto cost. : P = g H Q_max

Producibilità

• Dimensionamento impianto => ridurre tempo in cui lavora in regolazione, ridurre i costi tenendo conto che turbine operano fino a Q_nom = 0,3Q_cut-off e del DMV
• Energia prodotta nel tempo [0;T] :
• Vu(T) = volume d’acqua utile per la produzione di energia:
• Vu(T) = [V. defluito in turbina] - [V. “perso” a causa dei fenomeni di dissipazione energetica]
• E(T) = g H Vu(T) (kJ)
• E(T) = [g H Vu(T)]/3600 (kWh) (T in secondi)
• Def. Producibilità: quantità massima di energia elettrica che gli apporti giunti alla presa dell’impianto consentirebbero di produrre nelle condizioni più favorevoli.
• Producibilità media annua: intervallo di tempo = un anno => andamento Q(T) descritto da FDC media relativa a n. anni suff. grande

Curve di utilizzazione

• Coefficiente di utilizzo del corso d’acqua: Uw(Q) = V(Q) / V_max
• Liv. Sfruttamento corso d’acqua => quanta della portata disponibile venga effettivamente fatta passare in turbina
• Maggiore la taglia della turbina => più grande la portata massima derivabile => maggiore lo sfruttamento del fiume
• Coefficiente di utilizzo dell’impianto: Up(Q) = V(Q) / V_d(Q)
• Indica per quanto tempo la turbina, dimensionata su un certo valore di portata Q, opera a pieno carico;

Conversione del salto idraulico in energia meccanica

• Equazione dell’energia su volume di controllo
• Flusso stazionario + fluido incomprimibile + flusso uniforme tra sezioni 1 e 2
• Si ottiene:
• Se non ci sono macchine motrici (W=0) tutta la variazione di energia totale tra le sezioni 0 e 1 se ne va in perdite (Y, principalmente per attrito) => rimane solo termine energia meccanica = Y (perdite)

Componenti della turbina idraulica

• Distributore: Indirizza flusso, regola la portata, Trasforma, completamente od in parte, il carico piezometrico H (energia di pressione = salto motore al netto delle perdite di carico in condotta) in energia cinetica
• INGRESSO = Energia cinetica C₀ della portata = trascurabile rispetto ad H (salto piezometrico)
• USCITA = Salto piezometrico H trascurabile rispetto a energia cinetica C₁ => tale da mantenere carico della corrente costante
• Quando la trasformazione da energia potenziale ad energia cinetica avviene nel distributore in modo completo, la turbina si dice ad azione, altrimenti viene detta a reazione
• Turbina ad azione ideale: c₁ = √(2 g H) = Velocità Torricelliana in uscita distributore
• Turbine a reazione: = grado di reazione => (1-) H = frazione di H trasformata in energia cinetica nel distributore H
• Definizione di Grado di Reazione:
• Rispetto al salto motore H: H = c₁²/2g + => = 1 - (c₁²/2gH)
• Rispetto al salto euleriano H: (corrispondente al lavoro in turbina con rendimento idraulico = 1 - (c₁²/2gH)
• Turbine a reazione: 0,3 (uscita distributore corrente ha carico residuo 0,3H₀) ≤ ≤ 0,9
• Girante: Completa la conversione dell’energia idraulica (cinetica + quota rimanente di energia di pressione) in energia meccanica disponibile all’albero
• Numero di giri specifico (vel. Specifica) :
• Significato: velocità di rotazione necessaria per ottenere, con una turbina simile a quella in esame, la potenza unitaria con un dislivello (salto geodetico) pari a 1 metro => se identico= turbine simili
• N_S = velocità specifica
• N = velocità di rotazione della girante (rpm)
• H = salto netto (m)
• Q = portata (m³/s)
• P = potenza della turbina (in kW oppure HP)

Classificazione delle turbine in base a Ns e grado di reazione

• Turbine a Reazione: legame u - -1

Coefficiente di velocità periferica: parametro progettuale (c = velocità₁ uscita distributore/ingresso girante) Nelle condizioni di:

• max1. Lavoro estratto dal macchina = Eq.Eulero = W = u c₁ sen - u c₂ sen => In cui la velocità moltiplicata per il seno rappresenta la componente tangenziale della velocità assoluta => Visto che si vuole estrarre lavoro e massimizzarlo la componente tangenziale di velocità assoluta allo scarico c = 0 => flusso assiale
• 2. Ricavo c dalle espressioni di Eulero e del grado di reazione e uguaglio le due espressioni ricavando H
• 3. Sostituisco H in Ku
• 4. Giungo a due relazioni:
• 1. Lega il salto al grado di reazione e al rendimento nel caso di lavoro massimizzato
• Se H si riduce (numero di giri caratteristico crescente) significa che deve crescere R. Al variare di R varia la forma della pala => assegnati un angolo di scarico del distributore α e una velocità C₁, all’aumentare di U₁ diminuirà l’angolo di ingresso alla girante β, quindi la pala diventerà meno arcuata.
• 2. Lega il coefficiente di velocità periferica con il rendimento e il grado di reazione:
• Al crescere del grado di reazione R si minimizza la differenza 1-R→0 e pertanto aumenta il coefficiente di velocità periferica e quindi la velocità di rotazione della macchina => al crescere di R si hanno macchine più veloci => il massimo rendimento è funzione del coefficiente di velocità periferica e dell’angolo di apertura del distributore α e che il coefficiente di v. per. cresce al crescere di R, cioè al crescere del grado di reazione la macchina deve essere sempre più veloce

Per fare sì che all’aumentare di R la macchina non sia sottoposta a sollecitazioni eccessive, all’aumentare di R si impongono angoli di ingresso al distributore più radiali. In generale, macchina ad azione (basso R) sono indicate per alti salti, più il salto è grande più le macchine sono a reazione.

• Ku aumenta via via che è più alto R :
• Macchine con grado di reazione alto = macchine veloci o ultraveloci
• Macchine con basso grado di reazione = macchine lente
• Dall’espressione di W (lavoro euleriano) e dalla definizione di R:
• A pari u => macchine ad azione forniscono i lavori maggiori
• A pari W macchine ad azione richiedono le minori velocità periferiche
• R=1 => v =0 => sezioni passaggio infinite => sconveniente
• R<1

Alte cadute = problema di ridurre la velocità periferica u₁ => macchine lente = turbine ad azione. Basse cadute = problema di non lasciar diminuire la velocità periferica u a valori molto bassi = turbine a reazione lente, normali, veloci, ultraveloci ed infine ruote ad elica.

Macchine lente e macchine veloci

• Le Francis coprono un campo molto ampio al variare di:
• molto piccolo (0.30-0.40) = lente => Sviluppo radiale maggiore di quello assiale
• compreso tra 0.40 e 0.5 = Turbine normali => Sviluppo assiale più accentuato
• compreso tra 0.50 e 0.65 = turbine veloci e ultraveloci => Più sviluppata in senso assiale che in radiale

Scelta della turbina

Salto netto

• Si deve stimare l’andamento del salto lordo al variare della portata => Per basse cadute diminuisce significativamente all’aumentare della portata
• Si valutano le perdite e la quota di restituzione => Salto Netto

Scelta della turbina - Portata

Scelta della turbina - Velocità di fuga

• Ogni girante è caratterizzata da un valore massimo della velocità di fuga = velocità massima che la girante può sostenere nel caso in cui il carico elettrico al generatore sia nullo => a seconda del tipo di turbina, questo valore può variare tra 2 e 3 volte la velocità di rotazione in condizioni nominali.

Scelta della turbina - Velocità specifica

• Procedimento (una volta individuato il sito):
• 1. Valutazione salto netto utilizzabile, potenza e numero di giri al quale la turbina deve ruotare
• 2. Calcolo Ns = velocità specifica => risalgo al tipo di turbina
• Impianti idroelettrici di piccola taglia sono utilizzati dei moltiplicatori di velocità (di solito 3:1) per avvicinarsi alla velocità di rotazione del generatore elettrico
• Occorre fare attenzione a due aspetti:
• 1. Per prevenire fenomeni di cavitazione (bolle di vapore in turbina) è preferibile considerare macchine con basso NS
• 2. Se velocità di rotazione turbina scelta è sufficientemente alta da poter essere accoppiata direttamente al generatore (senza moltiplicatore), è consigliabile considerare un generatore con una velocità di sincronismo immediatamente al di sotto del valore calcolato con la eq. di Ns.
• La velocità di sincronismo di un generatore elettrico si calcola con N = 60f / p
• N = velocità di rotazione; f = frequenza di rete (Hz), p = numero di coppie polari

Turbine

• Turbina Pelton: Ns bassi, azione pura, elevati salti e bassa portata
• Turbina Francis: Ns medi, valori medi del grado di reazione, medi salti H e medi valori per la portata Q.
• Turbina Kaplan: Ns alti, valore medio alti del grado di reazione, bassi salti H e alti valori di portata Q.

Turbine ad azione

• Macchine idrauliche nelle quali l’acqua, uscendo dal distributore, colpisce le pale della ruota con la massima velocità possibile (torricelliana), corrispondente al salto netto dell’impianto
• Le ruote girano in camere a pressione atmosferica e le loro pale, dopo aver ricevuto la lama d’acqua, la deviano verso lo scarico
• Tipologie principali: Pelton, Turgo, Ossberger
• Perdite nel condotto (Y) trascurabili (prima approssimazione)=> tutta l’energia potenziale si trasforma in cinetica => c≈0, Y≈0 => C = √2gH = velocità torricelliana => A meno delle perdite (Y)