ArticoliIdroelettricoAutore: Emanuele Quaranta

Idroelettrico: Future sfide e trend tecnologici nel settore

I rendimenti massimi degli impianti idroelettrici sono i più alti tra tutte le fonti di energia e difficilmente verranno superati.

    L’idroelettrico è la fonte di energia rinnovabile più antica e consolidata che esista. A livello mondiale, la produzione di energia da impianti idroelettrici riveste il 16%, per un totale di 1225 GW di potenza installata. In Italia, 19% dell’energia prodotta deriva da impianti idroelettrici, per un totale di energia prodotta di circa 50 TWh annui, dopo solamente la Francia, la Svezia e la Norvegia.

    I rendimenti massimi degli impianti idroelettrici sono i più alti tra tutte le fonti di energia, e difficilmente verranno superati. Tuttavia, nuovi approcci progettuali, operativi e gestionali sono in fase di sviluppo, volti all’incremento della flessibilità degli impianti e della loro vita utile, e alla riduzione dei costi, generando così nuove opportunità di mercato  (🔎 per approfondire -1-).

     

    1. Flessibilità e maggiore adattabilità

    Le attuali turbine idrauliche raggiungono valori di efficienza al di sopra del 90%; tuttavia, l’efficienza tende a decrescere man mano che la turbina si trova a dover lavorare al di fuori delle proprie condizioni di progetto, ossia a portate o carichi elettrici diversi da quelli per i quali la turbina è stata progettata. La variazione del carico elettrico è dovuta al fatto che la rete elettrica deve affrontare una domanda di energia sempre più diversificata e variabile nell’arco della giornata e dell’anno. Anche la quantità di energia immessa in rete è diventata variabile, spesso intermittente, poiché la produzione di energia da impianti eolici e fotovoltaici dipende da fattori ambientali (vento e radiazione solare). Invece, la variazione di portata si verifica soprattutto nei periodi di siccità, e influenza principalmente gli impianti che non sono dotati di sistemi di invaso della portata. Alla luce dei cambiamenti climatici, questi fenomeni sono sempre più frequenti, soprattutto nel continente Europeo  (🔎 per approfondire -2-).  Le variazioni di portata riguardano anche gli impianti situati nei canali di irrigazione, dove la portata disponibile è influenzata dai turni irrigui. E’ dunque necessario introdurre nuove soluzioni volte al mantenimento di un’efficienza elevata al di fuori delle condizioni di progetto.

    1.1. Adattabilità alla portata

    Le principali innovazioni volte all’incremento della flessibilità al variare della portata riguardano soprattutto il controllo del flusso d’acqua in uscita dalla turbine e nel turbo diffusore: iniezione di getti di aria o acqua all’interno del tubo diffusore, e installazione dei J-grooves (sporgenze poste lungo le pareti del tubo diffusore), di modo da ridurre la componente vorticosa del flusso d’acqua in uscita dalla turbine (che è la componente che determina riduzioni di efficienza) (Fig 1); utilizzo di eiettori a valle dell’impianto che, aumentando la velocità del flusso in uscita dal tubo diffusore, ne riducono la pressione, aumentando il salto utilizzabile dalla turbina.

                    Fig 1. Impianto di laboratorio per testare le tecniche di controllo del flusso nel diffusore

     

    1.2. Adattabilità al carico elettrico: impianti di pompaggio e turbine a velocità variabile

    Quando l’energia immessa in rete è maggiore dell’energia richiesta dal mercato, il surplus non può essere assorbito dalla rete elettrica, ma deve essere accumulato, ed eventualmente reso disponibile nei periodi in cui la domanda supera l’offerta.

    La soluzione al momento più efficiente e che permette di accumulare maggiore energia è quella degli impianti di pompaggio, in cui si utilizza il surplus di energia per pompare l’acqua in un bacino a quota più elevata. L’acqua accumulata in questo bacino verrà poi turbinata nei periodi di maggiore richiesta di energia. Le soluzioni utilizzate in questi impianti possono essere di due tipi: il primo tipo fa uso di una pompa per pompare e di una turbina per turbinare, localizzate in condotti diversi; il secondo sistema fa uso di una macchina idraulica denominata PAT (Pump As Turbine), che può funzionare sia da pompa che, in modalità inversa, da turbina (Fig 2).

    L’utilizzo delle PAT a velocità variabile è tra le innovazioni più sofisticate nel settore idroelettrico. La regolazione della velocità permette di adeguare il funzionamento della turbina alla portata turbinabile (o pompabile), ossia alla richiesta/domanda di energia, mantenendone dunque un’elevata efficienza per un ampio spettro di condizioni operative. La velocità variabile viene garantita grazie a sistemi elettrici quali generatori con statori a frequenza variabile (converter-fed synchronous machines), o machine elettriche a corrente alternata (AC) sia negli avvolgimenti dello statore che in quelli del rotore (double-fed induction machines). Il primo grande impianto a velocità variabile commissionato in Europa è stato il Goldisthal nel 2004, equipaggiato con quattro unità di pompaggio da 265-MW ciascuna, due delle quali equipaggiate con una macchina del tipo double-fed induction.

    Fig 2. Installazione di una PAT (Voith Hydro)

     

    2. Digitalizzazione

    Uno degli obiettivi principali che riguardano il futuro dell’idroelettrico è la digitalizzazione degli impianti. Lo scopo è quello di raccogliere e analizzare i dati in tempo reale, di modo da prevederne la producibilità e meglio determinare la causa di eventuali malfunzionamenti (Fig 3). Si stima che gli attuali 1225 GW di energia prodotta da impianti idroelettrici potrebbero aumentare di 42 TWh annui mediante l’implementazione della digitalizzazione. Un esempio è il progetto di ricerca HYPERBOLE condotto sull’impianto idroelettrico MICA in Canada, da 444 MW.

    Fig 3. Esempio di implementazione della digitalizzazione. Foto di Francois Avellan (alto) e DAVID Holding AD (basso)

     

    3. Nuove tecnologie nel piccolo idroelettrico e turbine fish-friendly

    L’idroelettrico in piccolo scala, ossia per potenze prodotte inferiori a 1 MW (si parla di micro idroelettrico per potenze inferiori a 100 kW) è in genere più sostenibile ambientalmente, non facendo uso di grandi bacini, e rappresenta un’opportunità di sviluppo e di elettrificazione per le zone rurali. Tuttavia, gli impatti ambientali non sono da sottovalutare, soprattutto quando più piccoli impianti vengono costruiti in serie lungo un corso d’acqua. Tra le tecnologie più sostenibili e meno impattanti in questo settore ricordiamo le moderne ruote idrauliche (utilizzate in passato nei mulini), le viti idrodinamiche (Fig 4)  (🔎 per approfondire -3-)  e le turbine installate in acquedotto. Le tecnologie precedenti fanno sovente uso di strutture idrauliche già presenti sul posto e utilizzate per scopi diversi (irrigazione, distribuzione di acqua potabile). Di recente introduzione è la turbina di tipo Alden e la turbina Minimum Gap Runner, il cui design è stato concepito per influenzare il meno possibile il passaggio dei pesci, che comunque dovrebbe essere già prevenuto a monte mediante opportuni grigliati e canali bypass. Anche la turbine Very Low Head (VLH) e la turbina a Vortice sono di recente introduzione sul mercato  (🔎 per approfondire -4-).

           Fig 4. Impianti micro idroelettrici a ruota idraulica (Gatta s.r.l.) e a vite idrodinamica (Artingegneria)

     

    Articolo realizzato da Emanuele Quaranta (Project Officer, Joint Research Centre of European Commission – Ispra, Italia) per Orizzontenergia

     


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