Producibilità impianto acqua fluente

IMPIANTO AD ACQUA FLUENTE

La maggioranza degli impianti idroelettrici presenti sul territorio è di tipo ad acqua fluente,

anche ottenuti con turbine PAT (Pump As Turbine) inserite nelle reti di distribuzione con

eccessi di pressione. A differenza dei grandi impianti (>10MW), che sono principalmente

con deflusso regolato tramite serbatoio e rappresentano circa l’80% della potenza

installata, gli impianti ad acqua fluente hanno spesso una potenza installata minore di

1MW (Mini/Micro-Idro), sfruttano il regime naturale dei deflussi, utilizzano salti inferiori (a

bassa caduta) e sono principalmente realizzati tramite investimenti di privati.

Su un corso d’acqua, naturale o artificiale, viene realizzato un sbarramento tramite una

traversa fissa o mobile regolata tramite paratoie, anche per garantire il DMV a valle e

gestire l’accumulo dei sedimenti, e deve essere inoltre garantita la continuità per la fauna

ittica del corso d’acqua. Se la traversa supera i 10m di altezza o determina un volume

d’invaso maggiore di 100000m è classificabile come diga; tuttavia negli impianti ad

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acqua fluente l’accumulo che si forma, avendo un tempo di invaso <2h con Qmedia, non

permette di regolare i deflussi e lo sbarramento ha il solo scopo di ottenere il livello

necessario per un corretto funzionamento dell’opera di presa. L’impianto può essere in

linea al corso d’acqua o altrimenti fuori linea, utilizzando un canale di derivazione fino alla

centrale, in ogni caso sono sempre presenti sghiaiatore e dissabbiatore e altre opere a

protezione delle macchine della centrale che, per via del regime dei deflussi e i salti

ridotti, è composta spesso da una o più turbine a reazione tipo Francis. 4

- PORTATA DI PROGETTO

Considerando di realizzare lo sbarramento sempre sulla sezione idrometrica ‘Sieve a

ponte del Bilancino’, la disponibilità della risorsa idrica per la produzione idroelettrica è

definita dalla Curva di Durata delle Portate (AFDC Median) al netto del Deflusso Minimo

Vitale (Q ), che sono stati ottenuti in precedenza (ES.2).

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Risulta un volume totale annuo di 83,66 milioni di m per una portata media di 2,65 m /s.

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Tuttavia un impianto ad acqua fluente segue il regime naturale dei deflussi e ci saranno

dei periodo in cui l’impianto è spento oppure non sfrutta tutta la risorsa a disposizione.

Anche senza considerare la macchina, l’impianto non potrà sicuramente derivare portata

per 18 giorni all’anno per via del DMV, si precisa però che in caso di uno schema il linea

con il corso d’acqua o immediatamente a lato, se la restituzione avviene subito a valle

dello sbarramento, sarebbe eventualmente possibile non considerare il DMV.

Per tutti il calcoli successivi si utilizzeranno 8 diversi scenari per la portata di progetto, da

metà a quattro volte la portata media, confrontando i risultati ottenuti. 5

Portata QP1 QP2 QP3 QP4 QP5 QP6 QP7 QP8

di (0,5) Qmedia (1,5) (2) (2,5) (3) (3,5) (4)

Progetto

m /s 1,33 2,65 3,98 5,31 6,63 7,96 9,28 10,61

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- COEFFICIENTI DI UTILIZZAZIONE

Si tratta di due coefficienti che rappresentano al variare della portata di progetto il livello

di utilizzo [0-1], del corso d’acqua (u ) dell’impianto (u ), rispetto il valore massimo teorico.

1 2

V + V V + V

1 2 1 2

u = u =

1 2

V V

0 pr

Dove V è il volume annuo a disposizione per il corso d’acqua considerato, V e V il

0 1 2

volume utilizzato dall’impianto rispettivamente in funzionamento alla portata di progetto e

a portate inferiori, mentre V il volume a pieno regime, quindi con impianto sempre

pr

funzionante alla portata di progetto. 6

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Considerando la portata per cui è dimensionato l’impianto, il coefficiente di utilizzazione

del corso d’acqua rappresenta il volume derivato rispetto il massimo e disposizione,

mentre il coefficiente di utilizzazione dell’impianto rappresenta il volume utilizzato rispetto

al massimo potenziale con funzionamento a pieno regime.

Si può notare che all’aumentare della portata di progetto che u aumenta, tendendo a 1

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per una portata pari alla massima indicata dalla CDP usata, di 69,4m /s, utilizzando tutto

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il volume annuo a disposizione per il corso d’acqua, 83,66 milioni di m .

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Al contrario, essendo il volume a pieno regime lineare con la portata di progetto, il

coefficiente u diminuisce; questo significa che, in un impianto ad acqua fluente, se si

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cerca di utilizzare tutta la risorsa naturalmente a disposizione si ottiene un impianto

sovradimensionato. L’andamento dei coefficienti dipende strettamente dalla forma della

CDP e quindi dal regime idrologico del corso d’acqua; il caso ideale, eventualmente

ottenibile tramite la realizzazione di un serbatoio, corrisponde ad una portata costante.

In questo modo, con una regolazione dei deflussi, è possibile realizzare un impianto che

funziona per tutto l’anno a portata costante pari alla media (ES4b), con u =u =1.

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In un impianto ad acqua fluente si avranno prestazioni inferiori e la portata ottimale, vicina

sempre alla media annua, si ricava con altre considerazioni.

- ENERGIA POTENZIALMENTE PRODUCIBILE

L’energia prodotta annualmente [kWh/anno] si ottiene sommando i singoli contributi di

energia, in questo caso a scala giornaliera, ottenuti moltiplicando la rispettiva potenza

[kW] per il tempo di funzionamento Δt di 24h. ∑

E = E

P = γQ ΔHη E = P Δt

g g g g g g

Con γ=9.81kN/m peso specifico dell’acqua e rendimento in questo caso pari al 100%.

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Il salto utile ΔH è funzione della portata attraverso la geometria della sezione e dello

sbarramento e, trattandosi di variazioni abbastanza contenute, viene assunto in questo

costante pari a 8m; al contrario la portata è considerata variabile e si ottiene dalle diverse

curve riportate in precedenza e per i diversi valori di portata di progetto esaminati.

Nel calcolo dell’energia potenzialmente producibile non viene considerato il rendimento

della macchina idraulica e il campo di funzionamento; questa rappresenta infatti una

caratteristica del corso d’acqua e dipende esclusivamente dalla risorsa disponibile.

Come si può notare l’energia producibile segue un andamento strettamente crescente

come il coefficiente u , essendo dipendente dal volume utilizzato dall’impianto.

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Si ottiene un’energia potenzialmente producibile di 1,82 GWh/anno, con una portata di

progetto pari a al valore massimo di 69,4m /s; tuttavia considerando anche le

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caratteristiche della macchina idraulica scelta, per via del rendimento e dei limiti di

funzionamento, l’energia realmente prodotta sarà inferiore.

Il valore ottimale della portata di progetto deve essere quindi determinato in modo da

rendere massima l’energia producibile con il rendimento della macchina idraulica scelta,

e considerando anche la sostenibilità finanziaria dell’investimento.

Si riportano i risultati ottenuti al variare della portata di progetto e il valore massimo: 8

- RENDIMENTO MACCHINA

Per il rendimento della macchina, variabile per via del regime naturale dei deflussi, si

utilizza un diagramma collinare che, tramite le coordinate ridotte, rappresenta una famiglia

di macchine idrauliche, in questo caso turbine a reazione tipo Francis.

nD Q

ν = q = D H

H 2

Note le coordinate ridotte per il punto di massimo rendimento (Best Efficient Point)

(61,250) si ricava, per il caso considerato, il numero di giri al minuto (n) e il diametro (D)

[m] della turbina utilizzando il salto costante e i diversi valori della portata di progetto.

Si può notare che all’aumentare di QP il diametro della girante (D) aumenta mentre il

numero di giri al minuto (n) diminuisce, essendo grandezze inversamente proporzionali.

Dal diagramma collinare, essendo variabile solamente la portata, sono stati ricavati i valori

della coordinata ridotta q per le diverse curve di isorendimento e i valori q =68 e

min

q =337 che definiscono il campo di portate di funzionamento della turbina.

max

Si riporta il collinare utilizzato e le caratteristiche della macchina ottenute: 9

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Successivamente, per ogni valore della portata di progetto, si ricavano Qmax e Qmin e,

per portate comprese in questo intervallo, viene calcolato il rendimento della macchina,

andando ad interpolare la curva di rendimento in funzione della coordinata ridotta q.

Si riporta come esempio il rendimento ottenuto per la curva relativa ad una portata di

progetto pari alla portata media del corso d’acqua.

Si può notare che, pur avendo dimensionato la macchina utilizzando i diversi valori della

portata di progetto, la turbina può funzionare anche anche con portate superiori

mantenendo un rendimento di 80-88% per la maggioranza dei valori di portata.

Portata QP1 QP2 QP3 QP4 QP5 QP6 QP7 QP8

di (0,5) Qmedia (1,5) (2) (2,5) (3) (3,5) (4)

Progetto

m /s

3 1,33 2,65 3,98 5,31 6,63 7,96 9,28 10,61

(Qmin) 0,36 0,72 1,08 1,44 1,80 2,16 2,53 2,89

(Qmax) 1,79 3,58 5,36 7,15 8,94 10,73 12,52 14,30 11

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In ogni caso per portata superiori al valore massimo non sono utilizzabili e per quelle

inferiori al valore minimo l’impianto di dovrà fermare. Dalle portate di funzionamento delle

macchina insieme alla CDP del corso d’acqua (grafico precedente), è possibile ricavare il

tempo di funzionamento dell’impianto, distinguendo tra pieno regime (Q=Qmax) e a

portate inferiori (Qmin<Q<Qmax) altre al numero di giorni con impianto spento (Q<Qmin).

Si può notare che all’aumentare della portata di progetto aumenta il numero di giorni con

l’impianto spento e in particolare si riduce il tempo di funzionamento a pieno regime e si

ha quindi globalmente un rendimento inferiore.

- PRODUCIBILITÀ’ ANNUA

La producibilità annua effettiva si ottiene con le stesse relazioni descritte in precedenza,

ma questa volta considerando anche il rendimento e il campo di funzionamento appena

ottenuti per la turbina scelta. Per questo motivo, al contrario dell’energia potenziale, la

producibilità effettiva ha un punto di massimo, in questo caso di 837 MWh/anno per una

portata di progetto di 2,5 volte la portata media (6,63m /s).

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Questo valore è pari a circa il 70% dell’energia potenzialmente producibile per la stessa

portata di progetto e al 46% del valore massimo per il corso d’acqua considerato. 13

- SOSTENIBILITA’ FINANZIARIA

A prescindere dalla producibilità annua è necessario verificare che la realizzazione e la

gestione dell’impianto sia un investimento sostenibile ed eventualmente individuare il

valore della portata di progetto che rende massimo il beneficio.

Questo tipo di opere e di produzione energet