Idroelettrico, un impianto a batteria ricaricabile, pulito e sostenibile.

Premessa Energia idroelettrica Potenza di una centrale idroelettrica
Funzionamento Il bacino La diga La condotta forzata
La turbina Il generatore Il trasformatore L’idroelettrico in Italia
Vantaggi Svantaggi Sicurezza Schema funzionale

PREMESSA

Si fa un gran parlare di energia pulita, rinnovabile e sostenibile. Poi installiamo pannelli solari su aree sottraendole alla agricoltura, ovvero alla alimentazione umana e animale. Poi installiamo torri eoliche che deturpano e violentano la natura.
Di difficile smaltimento.

Poi costruiamo auto elettriche con terre rare e metalli rari i cui processi di estrazione, produzione e smaltimento sono tutt’altro che green. Trasformando profondamente l’ambiente generando una forma di inquinamento che prende il nome di Impatto Ambientale.

Voltaico ed eolico sono per nulla sostenibili. Di fatto hanno stravolto l’ambiente, contribuiscono in maniere modesta al fabbisogno di energia senza apportare apprezzabili benefici.

Per sostenibilità sociale si intende il rispetto dell’uomo e dell’ambientale, della qualità della vita da lasciare alle generazioni future.
Principi che fotovoltaico, eolico ed elettrico non soddisfano. Tranne quello commerciale.

ENERGIA IDROELETTRICA

Tra le fonti rinnovabili l’energia idroelettrica è quella oggi più diffusa e sicuramente la più antica, meno inquinante.

Le centrali idroelettriche sono delle “batterie” ricaricabili giganti di energia elettrica.

Per ricavarla basta un bacino artificiale o la presenza di uno naturale per accumulare l’acqua, energia potenziale. Niente pannelli solari, esposizioni al sole, niente semiconduttori, niente accumulatori, inverter. Niente gigantesche pale che catturano il vento che non c’è, del voltaico del sole che non c’è.
Solo acqua.

L’energia idroelettrica, anche detta idraulica, rientra tra i tipi di energia rinnovabile, dato che si crea grazie allo spostamento di masse d’acqua, e di energia alternativa, dato che non utilizza fonti fossili.

Lo scopo di una centrale idroelettrica è, quindi, quello di sfruttare l’energia idraulica contenuta dall’acqua per ottenere energia elettrica. Questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede una serie di trasformazioni prima che l’energia contenuta potenzialmente dall’acqua possa divenire elettricità.

POTENZA DI UNA CENTRALE IDROELETTRICA

L’energia contenuta dall’acqua prende il nome di Energia Potenziale.
L’energia potenziale posseduta da una massa d’acqua di volume ‘V’ posta ad una altezza ‘H’ è pari a:

E = γ V H

dove γ è il peso specifico dell’acqua pari a 9810 N/m³

Tale energia potenziale viene opportunamente convertita in energia cinetica attraverso condotte o canali.
La potenza teorica disponibile si ottiene dividendo la energia E per il tempo ‘t’ di funzionamento: E = P t e convertendo il volume ‘V’ in portata V = Q t, la potenza disponibile è:

P = γ Q H η

dove η è il rendimento totale del generatore.

La potenza è quindi in funzione della portata Q e dal salto H (il dislivello tra il serbatoio, bacino, e la centrale di trasformazione), del rendimento del trasformatore, delle perdite in condotta che generalmente è dello 0,8 circa.
Niente batterie.

FUNZIONAMENTO

Una centrale idroelettrica deve essere realizzata con alcuni elementi fondamentali. Gli elementi costituenti sono:

1. bacino o serbatoio;
2. diga;
3. condotta forzata;
4. turbina;
5. generatore;
6. trasformatore;
7. opere di restituzione.

• In una centrale idroelettrica, l’acqua viene convogliata in una condotta, detta forzata, in modo che per la pressione e per la forza di gravità, l’acqua inizi a muoversi verso il basso sempre più velocemente.
• L’energia potenziale dell’acqua diventa così Energia Cinetica.
• L’acqua cadendo impatta contro una gigantesca turbina facendola ruotare. L’Energia Cinetica cambia il suo stato diventando Energia Meccanica.
• La turbina è collegata a un generatore elettrico, l’Alternatore che, trasforma l’Energia Meccanica della turbina in Energia Elettrica, completando il ciclo.

Le centrali sono strutture poste più o meno a valle dell’invaso per sfruttare la massima energia potenziale disponibile.

Il bacino

E’ un invaso d’acqua ottenuto mediante lo sbarramento del corso di un fiume. Può essere naturale (lago) o artificiale e la sua forma è determinata dalle caratteristiche geologiche della zona in cui insiste. Altre caratteristiche da tener presenti nella formazione di un bacino idrografico sono la densità dei corsi d’acqua minori, le precipitazioni annuali e stagionali, il tipo di terreno e di vegetazione, oltre che le opere umane.

La diga

E’ l’opera di sbarramento di un corso d’acqua e consente di formare il bacino o serbatoio. E’ dotata di opere di imbocco, di gallerie, di opere di sfioro dell’acqua in eccesso e di opere di scarico. Le dighe si possono dividere in due grandi categorie:

• diga a gravità;
• dighe ad arco.

Le prime sono strutture massicce a geometria semplice con asse rettilineo e sezione di forma triangolare. La resistenza alla spinta dell’acqua è dovuta essenzialmente al peso della costruzione stessa.

Le seconde  resistono alla spinta idrostatica delle acque d’invaso, trasferendola sulle pareti laterali della struttura. In questo caso hanno forma convessa e possono essere costruite solo per sbarrare valli non molto larghe con fianchi rocciosi a cui la diga è ancorata

.In una centrale idroelettrica, gli organi di chiusura utilizzati possono essere di tre tipi: valvole a farfalla, valvole a rotativa e valvole a fuso.

La condotta forzata

E’ costituita essenzialmente da tubazioni che possono essere realizzate in metallo o calcestruzzo armato. Queste, generalmente, sono costruite all’interno della montagna (in galleria) o possono scorrere anche all’esterno sul crinale della stessa. All’imbocco, sono munite di organi di chiusura e di sicurezza che servono a regolare la portata dell’acqua, e alla base le paratoie di intercettazione delle acque che hanno garantiscono il funzionamento delle turbine filtrando o rallentando la spinta dell’acqua. Ancora più in basso sono posti appositi organi di regolazione, connessi direttamente con le turbine che, hanno lo scopo di regolare la portata dell’acqua.

La turbina

Dal punto di vista costruttivo, la turbina è l’elemento più importante della centrale.

E’ la macchina che converte l’energia cinetica e/o potenziale di un fluido.
E’ costituita da un complesso detto generalmente stadio, formato da una parte fissa chiamata distributore e una parte mobile detta girante o rotore.
Il fluido in movimento entra nella turbina, regolato mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento. Il movimento rotatorio del girante viene trasferito mediante un asse detto albero a un alternatore che produce energia elettrica.

Le turbine si distinguono a seconda

• il salto,
• ad azione se sono a contatto con l’aria e alimentate dalla energia cinetica dell’acqua
• a reazione se sono immerse nell’acqua

TURBINE PELTON

Utilizzata di solito con alti salti (50-1300 metri) e piccole portate. Sono costituite da un distributore a uno o più ugelli da dove viene iniettata l’acqua (max 6) in relazione alla portata da inviare alla girante e da una ruota. Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo.

TURBINE FRANCIS

Utilizzata di solito con medi o bassi salti (da 10 a 250 metri) e con portate medie. In queste turbine l’acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, indirizzano il flusso per investire le pale della girante.

TURBINE KAPLAN

Utilizzata di solito con grandi portate e bassi salti (da 5 a 30 metri). Le pale della ruota nella Kaplan sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili. Quando sia le pale della turbina sia quelle del distributore sono regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione); se sono regolabili solo le pale della ruota, la turbina è una semi-Kaplan.

Generatore

 L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

Trasformatore

E’ una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

OPERE DI RESTITUZIONE – sono costituite da un canale o galleria, che attraverso uno sbocco, restituiscono le portate utilizzate al corso d’acqua.

Idroelettrico in Italia

In Italia, nel 2019 il 41% dell’energia da fonti rinnovabili è stata prodotta con l’idroelettrico (circa il doppio del fotovoltaico, e dell’eolico). Ad oggi esistono quasi 4.300 impianti (con impiegate oltre 15mila persone), che producono ogni anno 46 Twh (Terawattora).

Negli ultimi anni abbiamo aumentato del 10% la potenza, mentre le installazioni sono aumentate addirittura del 78%.

Non va sottovalutato peraltro il contributo di questo settore nel creare nuovi posti di lavoro, dato che oggi sono circa 15.000 gli addetti impiegati per il funzionamento e la manutenzione di questi impianti.

Vantaggi.

I vantaggi li abbiamo già visti:

• Energia rinnovabile: gli invasi si ricaricano da soli
• Disponibile fino a quando avremo acqua dolce o salata. La pioggia e la neve garantiscono una continua (e gratuita) disponibilità della materia prima
• Basso impatto ambientale
• Economica: perché una volta costruiti gli impianti, le dighe e tutto il necessario non hanno bisogno nient’altro che dell’acqua e manutenzione ordinaria
• Tempi veloci, perché una centrale idroelettrica riesce a passare dall’impianto fermo alla massima velocità in pochi minuti.
• Continuità di funzionamento. Sopportano periodi di siccità e assenza di neve

Svantaggi

Risulta molto difficile trovare gli svantaggi, tipo impatto ambientale dal momento che queste critiche vengono generalmente rivolte da chi sostiene il fotovoltaico e l’eolico a forte Impatto Ambientale.

Una critica curiosa l’ho letta e la voglio riportare.

• Impatto in termini climatici delle centrali idroelettriche. I sedimenti sul fondo si riscaldano e potrebbero favorire un’attività microbiotica che rilascia metano nell’atmosfera.

In Europa, i nuovi impianti hanno impatti climatici assolutamente trascurabili, e rappresentano una fonte di energia rinnovabile preziosa.

Sicurezza

Il Programma di ricerca Sicurezza delle dighe parte dalla progettazione, alla prevenzione, alla manutenzione

PROGETTAZIONE

• Migliorare le basi tecniche per garantire la sicurezza degli impianti di accumulazione. La stabilità delle fondamenta, delle spalle e dei versanti nella zona circostante la diga, nonché degli impianti accessori importanti per la sicurezza (dispositivi di scarico, paratoie).
• La sicurezza delle opere di sbarramento (dighe di sbarramento, dighe di protezione o sbarramenti fluviali) riveste un ruolo centrale.

EVENTI NATURALI ESTREMI

• Migliore stima degli effetti delle piene e dei terremoti sulle dighe.
• Migliore valutazione del comportamento di una diga in caso di eventi naturali estremi e stima dei possibili malfunzionamenti.

INVECCHIAMENTO

• Migliore comprensione dei processi di invecchiamento delle dighe (reazione alcali aggregati).
• Valutazione delle ripercussioni dei processi di invecchiamento sul comportamento e la stabilità delle opere di sbarramento.
• Sviluppo di procedure per la valutazione di eventuali contromisure.

VIGILANZA

• Sviluppo e impiego di nuovi metodi per migliorare la vigilanza delle dighe.
• Perfezionamento di metodi analitici per una migliore interpretazione delle osservazioni.

SCHEMA FUNZIONALE

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