Energia Idroelettrica

ENERGIA IDROELETTRICA

Ciclo idrologico

Costantemente alimentato dall'energia che la Terra riceve dal Sole, il passaggio dell'acqua dagli oceani all'atmosfera - per poi raggiungere le terre emerse, gli esseri viventi e quindi tornare al mare - si compie attraverso cambiamenti di stato fisico dell'acqua. In questo perpetuo movimento, l'acqua svolge funzioni di assoluta rilevanza per la regolazione del clima e per il sostentamento della vita.

Il motore del ciclo idrologico è l'energia solare che riscalda l'acqua superficiale degli oceani causandone l'evaporazione. Tale evaporazione produce ingenti quantità di vapore (circa 34,53*10^5 km l'anno), che si raccolgono nell'atmosfera e sono trasportate dai venti.

Dalla superficie emersa, le acque tendono a chiudere il loro ciclo ritornando negli oceani e nei mari. Il deflusso avviene secondo due percorsi radicalmente diversi, sia per le modalità di scorrimento sia per i tempi di attuazione.

Parte di queste acque sono infatti rapidamente convogliate nel reticolo idrografico dei torrenti e dei fiumi, e attraverso un deflusso superficiale raggiungono la loro destinazione, il mare, in periodi di pochi giorni. Parte penetra invece nel terreno e si infiltra in profondità nelle rocce andando ad alimentare le falde idriche. Qui segue un deflusso profondo, molto più lento di quello superficiale, che si conclude quando l'acqua riaffiora attraverso le sorgenti. Le masse d'acqua che defluiscono verso le quote più basse possiedono energia potenziale che viene via via convertita in energia cinetica e dissipata per attrito. È possibile sfruttare questa energia convertendola in energia meccanica ed elettrica. Vantaggi Le risorse idriche sono molto diffuse nel mondo. Esiste un potenziale in circa 150 Paesi e il 70% circa del potenziale economicamente fattibile deve ancora essere sfruttato, soprattutto nei Paesi in via di sviluppo. È una tecnologia

collaudata e progredita, con centrali elettriche moderne, che assicurano processi di conversione energetica altamente efficienti (>90%), il che è anche un vantaggio ambientale.

La produzione di energia di punta, sfruttando la forza idrica, permette di ottimizzare l'impiego dell'energia elettrica di base ricavata da altre fonti, meno flessibili, come l'energia eolica o solare.

Il tempo di reazione rapida permette di far fronte a improvvise fluttuazioni della domanda.

Registra costi d'esercizio più bassi e una durata di vita degli impianti più lunga rispetto ad altre forme di produzione su grande scala. Una volta fatto l'investimento iniziale nelle necessarie opere civili, la durata di vita dell'impianto può essere allungata economicamente, con una manutenzione relativamente poco costosa e la sostituzione periodica delle attrezzature elettromeccaniche. Normalmente, una centrale idroelettrica è in funzione per

40–50 anni può raddoppiare la sua durata di vita. Il «combustibile» (acqua) è rinnovabile e non è soggetto a fluttuazioni di mercato. Paesi con ampie riserve di combustibili fossili hanno optato per un programma di sviluppo idroelettrico su grande scala, riconoscendone i vantaggi ambientali. Per molti Paesi, la forza idrica rappresenta anche l’indipendenza energetica.

Una volta immagazzinata in grandi quantità nel serbatoio trattenuto dalla diga, l’energia potenziale è immediatamente disponibile per l’uso quando necessario. In secondo luogo, la fonte energetica può essere utilizzata rapidamente per rispondere istantaneamente alladomanda.

Richiami di idraulica

Una delle fondamentali leggi dell’idraulica, il teorema di Bernoulli, afferma che per un liquido perfetto in regime permanente, è costante la somma dell’energia di posizione, dell’energia di pressione e dell’energia cinetica.

In ogni punto di un medesimo filetto fluido. Quindi la differenza di energia per unità di massa di fluido fra due qualsiasi sezioni è nulla:

Se fra le due sezioni viene immesso o prelevato un lavoro L per ogni kg di massa del fluido, occorre aggiungere tale termine nel bilancio. Inoltre, se il fluido non è ideale, parte dell'energia totale fra le due sezioni viene dissipata per effetto degli attriti.

La produzione di energia dipende da due fattori principali, la caduta o salto e la portata d'acqua:

Si definisce salto lordo o geodetico la differenza di altezza fra la superficie libera della sezione di presa dell'acqua ed il livello nella sezione del corso d'acqua dove il flusso è restituito; tale parametro dipende dall'orografia del luogo e presenta ampi margini di variazione (da 1 a 1.500 m).

Il salto netto o motore di una centrale idroelettrica è la caduta effettivamente utilizzata alla turbina, ossia il salto lordo meno

le perdite che si verificano all'opera di presa e quelle dovute al sistema di trasporto dell'acqua (canali, tubazioni, condotte forzate, ecc.) a cui si preleva l'eventuale energia cinetica residua dell'acqua. Si definisce portata il volume di acqua che attraversa una determinata sezione del corso d'acqua nell'unità di tempo (si esprime abitualmente in m/s). La portata è estremamente variabile e dipende dalla superficie del bacino imbrifero, dalla permeabilità del suolo, dalla vegetazione e soprattutto dai fattori climatici che generano gli apporti positivi (le precipitazioni) e negativi (l'evaporazione, l'evapotraspirazione, ecc.). La portata massima derivabile di un impianto idroelettrico (m/s) è quella complessivamente erogabile attraverso l'insieme dei motori idraulici della centrale che possono funzionare contemporaneamente ed alla quale sono commisurate le gallerie in pressione, le condotte forzate e il.

canale di restituzione. Se il canale derivatore è a pelo libero, esso può essere commisurato a una portata minore, quando esiste una capacità di accumulo al suo termine (bacino di carico).

Impianto idroelettrico

Definito come l'insieme delle opere che:

• permettono di modificare il deflusso naturale delle acque di un fiume o di un torrente, allo scopo di deviarlo per un certo tratto su un nuovo percorso, con minima pendenza e minime perdite, al termine del quale si trova concentrato tutto il dislivello (salto);
• utilizzano il salto per azionare un motore idraulico con relativo generatore elettrico;
• scaricano la portata utilizzata nell'alveo dello stesso corso d'acqua a valle del punto di presa oppure nell'alveo di un altro corso d'acqua.

Deflusso utilizzabile (o derivabile) in un dato intervallo di tempo T: la quantità di acqua, espressa in m³, che può essere utilizzata (o derivata) durante l'intervallo di tempo considerato.

In relazione con la massima portata derivabile.- Portata media utilizzabile (o derivabile) in un dato intervallo di tempo T: il rapporto fra il deflusso utilizzabile durante quell'intervallo di tempo e il tempo espresso in secondi. La derivazione di una determinata portata, anche se restituita al corso d'acqua a valle della sezione di presa, può compromettere la vita acquatica e l'ecosistema dell'ambiente circostante. Per evitare questo problema, deve essere garantita una portata minima al corso d'acqua: il deflusso minimo vitale (DMV): dal punto di vista economico è auspicabile che il DMV sia il più basso possibile mentre dal punto di vista ambientale dovrebbe essere su valori elevati in modo da proteggere la flora e la fauna e garantire la qualità dell'ambiente. Si richiede quindi una soluzione di compromesso fra queste due esigenze. La Potenza Teorica P in W ricavabile da una portata d'acqua con una portata Q (kg/s) emcon

un dislivello è pari a H: Nei moderni impianti, la potenza teorica va dall'80% al 90%, rappresentando un valore molto elevato (in particolare è il valore più elevato tra le varie fonti rinnovabili). La Potenza Effettiva è minore di quella Teorica in quanto si verificano perdite di carico. Indicando con η il rendimento complessivo dell'impianto idraulico, la Potenza diventa: Elementi costitutivi di un impianto idroelettrico Gli elementi costitutivi di un impianto idroelettrico possono essere raggruppati come segue: Opere di captazione, che permettono di raccogliere le acque necessarie all'alimentazione dell'impianto (dighe di sbarramento, i canali di gronda, ecc). Opere di presa, che immettono le acque nel condotto derivatore e ne regolano la portata. Sono dotate di organi di chiusura e di regolazione e, quando sono poste in fregio a corsi d'acqua, comprendono anche dispositivi di sghiaiamento e di dissabbiamento. Opere di derivazione,che convogliano le acque lungo una debole pendenza dalla presa al punto di inizio della tubazione in pressione (condotta forzata). Possono essere costituite da un canale a pelo libero o da una galleria in pressione, secondo il tipo di impianto: nel primo caso al termine si troverà una vasca di carico, nel secondo caso un pozzo piezometrico, ambedue con la funzione di serbatoio per le brusche variazioni di portata. Classificazione degli impianti Una prima classificazione degli impianti idroelettrici può essere fatta in base alla potenza nominale, in tal caso si suddividono in: - Micro - impianti, se P<100 kW; - Mini - impianti, se 100 kW10000 kW. Una classificazione ben più significativa prevede la distinzione degli impianti idroelettrici in relazione alla derivazione idraulica che li alimenta e si distinguono in: - Impianti ad Acqua Fluente; - Impianti a

• Serbatoio
• Impianti di Accumulo a Mezzo Pompaggio
• Impianti in Condotte Idriche

Impianti ad acqua fluente

Sono impianti sprovvisti di serbatoio di regolazione delle portate dell'acqua utilizzata. Non disponendo di alcuna capacità di regolazione degli afflussi, la portata coincide con quella presente nel corso dell'acqua, a meno di una quota detta di deflusso minimo vitale, necessaria per salvaguardare l'ecosistema. Il deflusso minimo vitale è la minima portata di acqua che deve essere rilasciata nel corso d'acqua a valle dello sbarramento o dell'opera di presa, per la tutela del corpo idrico assoggettato. La produzione di energia elettrica segue quindi l'andamento stagionale delle magre e delle piene. L'energia producibile può essere ben sfruttata soltanto nel funzionamento in parallelo con altri impianti dotati di regolazione.

Impianti a serbatoio

Gli Impianti a serbatoio sfruttano un bacino idrico naturale o artificiale, che