Fonti per generazione elettricaEnergipedia - Tutto sull'EnergiaEnergipedia - Tutto sull'EnergiaRinnovabiliIdroelettrico

Idroelettrico

Storia, diffusione, parametri, analisi economico, turbine ed incentivi

    La fonte: L’acqua

    L’acqua è una fonte rinnovabile ampiamente disponibile sulla Terra. Tuttavia, l’acqua dolce rappresenta solo il 2,5% dell’acqua totale presente sulla Terra e per più dei 2/3 si trova in ghiacciai, in particolare nell’Artide. Il 30% di acqua dolce si trova in riserve sotterranee e meno dell’1% dell’acqua dolce si trova in laghi, fiumi o bacini; quindi, solo una piccola parte di acqua dolce è facilmente accessibile. Le riserve sotterranee possono essere artesiane o freatiche; le prime contengono acqua in pressione e sono tipicamente incluse tra due strati di roccia impermeabile, le seconde non sono in pressione, e lo strato impermeabile si trova solamente al di sotto della riserva.

    L’acqua passa continuamente dallo stato solido allo stato liquido, e viceversa, e dallo stato liquido allo stato di vapore mediante l’evaporazione. L’evaporazione avviene per la maggior parte dagli oceani, grazie all’energiaenergia
    Fisicamente parlando, l’energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L’unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
    del sole; parte dell’acqua evaporata proviene anche dalla vegetazione, attraverso il processo di traspirazione. L’acqua evaporata ricade poi sotto forma di pioggia o neve. Questo ciclo viene definito ciclo dell’acqua, di cui il sole è il maggiore responsabile. Il ciclo dell’acqua è anche chiamato ciclo idrologico, e permette di mantenere un certo equilibrio nella quantità di acqua sulla Terra. Anche il vento, che è generato da differenze di pressione causate dal differente irraggiamentoirraggiamento
    Meccanismo di trasmissione del calore per mezzo di onde elettromagnetiche. A differenza della conduzione e della convezione, l’irraggiamento può anche avvenire nel vuoto (è così che si propaga il calore dal Sole alla Terra). Tutti i corpi emettono delle radiazioni perché tutti i corpi possiedono una determinata temperatura; tuttavia l’entità dello scambio termico dipende dalla natura dei corpi, dalla loro reciproca posizione, dall’eventuale assorbimento del mezzo interposto e dalla temperatura delle loro superfici. La quantità di calore emessa da un corpo per irraggiamento, infatti, è proporzionale alla quarta potenza della temperatura. Questo significa che al crescere della temperatura l’irraggiamento diventa il meccanismo di conduzione del calore preponderante, rispetto alla conduzione e alla convezione.
     solare sul pianeta, partecipa al ciclo idrologico. Il vento sposta masse di vapore (l’evaporazione è principalmente causata dal sole) da una zona (tipicamente sopra gli oceani) ad un’altra (terraferma) dove poi condensano e originano piogge. Dunque:

    • il sole scalda gli oceani;
    • l’acqua degli oceani evapora e si accumula nell’aria;
    • il vapore acqueo poi si raffredda e condensa in goccioline formando le nuvole;
    • quando una grande quantità di acqua condensa, le gocce diventano pesanti e cadono verso terra sotto forma di pioggia o neve, spesso in zone diverse da dove si sono formate, a causa dei venti;
    • il ciclo quindi riparte.
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    Il ciclo dell’acqua

    All’interno del ciclo idrologico bisogna considerare che ogni giorno il nostro pianeta disperde una piccola quantità di acqua nell’atmosferaatmosfera
    Involucro di gas e vapori che circonda la Terra, costituito prevalentemente da ossigeno e da azoto, che svolge un ruolo fondamentale per la vita delle specie, perché fa da schermo alle radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole. Essa si estende per oltre 1000 km al di sopra della superficie terrestre ed è suddivisa in diversi strati: troposfera (fino a 15-20 chilometri), stratosfera (fino a 50-60 chilometri), ionosfera (fino a 800 chilometri) ed esosfera.
     a causa dei raggi ultraviolettiraggi ultravioletti
    Onde elettromagnetiche di lunghezza d’onda inferiore alla luce visibile. Vengono emesse da corpi ad altissima temperatura oppure quando una scarica elettrica colpisce gli atomi di un gas rarefatto (è quello che accade nelle lampade fluorescenti a vapori di mercurio). I raggi UV si suddividono, a seconda della loro lunghezza d’onda, in tre bande: gli UVA, gli UVB e gli UVC (i più penetranti, e quindi i più pericolosi). I raggi ultravioletti rappresentano appena l’1% dell’energia in arrivo dal Sole, ma anche la componente solare più dannosa per gli esseri viventi perché può causare degenerazioni delle cellule cutanee se i tempi di esposizione sono molto lunghi.
    , in grado di rompere le molecole d’acqua. Di contro, però, nuova acqua è generata dalla parte più interna della Terra attraverso l’attività vulcanica, e il bilancio complessivo tra acqua dispersa e acqua generata resta pressoché inalterato.

    Lo studio accurato del ciclo dell’acqua è alla base della progettazione degli impianti idroelettrici. Infatti, la progettazione di un impianto idroelettrico si basa sulla stima del bilancio idrologico del bacino imbrifero di cui l’impianto farà parte, ossia di quella porzione di territorio in cui le acque presenti andranno, prima o poi, a finire nell’impianto in questione.

     

    La storia dell’idroelettrico

    Viene definito impianto idroelettrico un insieme di opere meccaniche e strutturali che utilizzano l’energia dell’acqua per far ruotare attorno ad un asse di rotazione un macchinario, chiamato turbina. Una turbina è costituita da pale imperniate attorno ad un mozzo centrale, rotante attorno all’ asse, ed è di solito installata all’interno di tubazioni in pressione, o ne fa uso. Mediante la rotazione della turbina è possibile trasformare l’energia dell’acqua (che dipende dalla quantità, velocità e pressione dell’acqua) in energia rotante, ossia energia meccanicaenergia meccanica
    Somma dell’energia potenziale e dell’energia cinetica che in un mondo ideale privo di attriti rimarrebbe costante. In realtà in tutti i processi fisici parte dell’energia meccanica viene dissipata dalle forze d’attrito, ma non scompare nel nulla: essa si trasforma nell’energia interna delle molecole che costituiscono i corpi tra cui c’è stato attrito ed è accompagnata da un aumento di temperatura. Facciamo l’ esempio di un sasso che cade. Durante il moto dell’oggetto l’energia cinetica e l’energia potenziale assumono valori diversi istante per istante. In particolare, l’energia cinetica aumenta (perché cresce la velocità) e quella potenziale gravitazionale diminuisce (perché l’altezza diminuisce). Nonostante queste grandezze cambino continuamente, la loro somma rimane costante in assenza di attriti. Ma visto che gli attriti esistono, parte del l’energia meccanica viene dispersa e, alla fine, si ritrova sotto forma di calore del sasso e dell’aria che, sebbene in modo impercettibile, si sono portati ad una temperatura maggiore.
    . E’ poi possibile trasformare l’energia meccanica in energia elettricaenergia elettrica
    Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all’energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
    (ossia corrente elettrica) installando in modo solidale all’asse della turbina un generatoregeneratore
    Dispositivo che traforma l’energia meccanica in energia elettrica.
    di corrente
    . Un generatore di corrente può essere semplicemente immaginato come un insieme di magneti (o calamite) messi in rotazione dalla turbina stessa. Ruotando, i magneti creano un campo magnetico variabile nel tempo e nello spazio, che genera la corrente elettrica.

    Le turbine in pressione accoppiate ai generatori di corrente, però, sono state introdotte solamente nel XIX secolo. L’acqua era inizialmente sfruttata dall’uomo solo per generare energia meccanica, a sua volta utilizzata per macinare le farine, forgiare i metalli, conciare le pelli, o pompare l’acqua a quote più elevate. Queste attività avvenivano grazie alla messa in rotazione di una macchina chiamata ruota idraulica, di cui sono testimoni i mulini ancora presenti in tutto il mondo, e qualche volta ancora utilizzati oggigiorno per la macinazione dei cereali. Inizialmente, le ruote convertivano in energia meccanica solamente l’energia cineticaenergia cinetica
    Energia di movimento, ovvero l’energia che un corpo possiede in virtù del fatto che si sta muovendo. La massa d’acqua di una cascata possiede energia cinetica, per esempio. Un corpo di massa M, infatti, muovendosi a velocità V, ha in sé la capacità di compiere un lavoro, ovvero di ‘far muovere’ qualcos’altro mentre cade o si muove. L’energia cinetica è data dall’espressione: Ec=1/2 x M x V2.
    dell’acqua, legata alla sua velocità, sfruttando la forza d’impatto della corrente fluida sulle pale. Queste ruote avevano un asse di rotazione orizzontale, e le pale erano parzialmente immerse nel corso d’acqua, oppure asse di rotazione verticale. I mulini ad acqua erano conosciuti già dai tempi dei Romani, anche se il loro sfruttamento ha avuto una grande diffusione a partire dall’Alto Medioevo, fino all’inizio del XX secolo.

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    Esempio di mulino (Verolengo, TO)

    Un progresso tecnico di enormi proporzioni si è avuto alla fine dell’Ottocento, circa all’inizio della Seconda Rivoluzione Industriale avvenuta in Europa. La ruota idraulica si evolse in turbina, macchina motrice di geometria più complessa. Poiché utilizzavano tubazioni in pressione, le turbine potevano così essere impiegate in siti con alti salti (ossia grandi differenze di livello d’acqua tra monte e valle della turbina, anche di migliaia di metri), e alte portate, anche centinaia di metri cubi al secondo. Per sfruttare grandi salti diventava necessario la costruzione di dighe di sbarramento, da cui partivano le tubazioni in pressione. Anche le dighe hanno subito nel tempo un’evoluzione. La prima diga è stata probabilmente costruita attorno al 4000 a.C. in Egitto, per deviare il corso del Nilo e costruire la città di Menfi sui terreni sottratti alle acque. Le prime dighe erano in terra, mentre le dighe in calcestruzzo armato sono state introdotte a partire dalla fine del XIX secolo. Oggigiorno, le dighe possono essere costruite sia in terra, che in calcestruzzo armato, in base alla tipologia strutturale che più si addice alla morfologia del sito.

    Le ruote idrauliche, invece, erano limitate a salti di qualche metro, e portate di qualche metro cubo al secondo, e non necessitavano di dighe. Tuttavia, grazie al crescente sviluppo del piccolo idroelettrico, le ruote idrauliche stanno iniziando ad essere nuovamente utilizzate, sia per la macinazione di cereali destinati alla produzione di farine integrali, e sia anche come le vere e proprie turbine idroelettriche, accoppiate ad un generatore di corrente. Le moderne ruote idrauliche per i piccoli impianti idroelettrici vengono ad esempio installate lungo canali di irrigazione e in zone rurali senza condotte in pressione. Le ruote idrauliche possono essere classificate come turbine a gravità.

    Diffusione dell’idroelettrico

    Tra le fonti rinnovabilifonti rinnovabili
    Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell’uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
    – il sole
    – il vento
    – l’acqua
    – la geotermia
    – le biomasse
     in Italia, gli impianti idroelettrici sono quelli che al momento forniscono il maggior apporto di energia elettrica. La fonte rinnovabile che nel 2014 ha fornito il contributo più importante nel settore Elettrico è quella idraulica (48% della produzione elettrica da FER), seguita dalla fonte solare (19%), dalle bioenergie (15%), dalla fonte eolica (13%) e da quella geotermica (5%). Secondo i dati del Gestore dei Servizi Elettrici (GSE), a fine 2014 l’energia idroelettrica prodotta in Italia ammontava a 58.545 GWh.

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    Evoluzione della generazione da fonti rinnovabili in Italia (GSE – Rapporto Statistico 2014)

    Tuttavia, l’idroelettrico non è diffuso solamente in Italia. La figura successiva riporta l’utilizzo a livello mondiale delle fonti rinnovabili. Come si può osservare, i grandi impianti idroelettrici (large hydropower) rivestono il ruolo principale, ma anche il piccolo idroelettrico risulta essere molto importante (mini hydropower). Per ora, si consideri il piccolo idroelettrico come un idroelettrico in piccola scala.

    Utilizzo mondiale di energia da fonte rinnovabile
    Utilizzo mondiale di energia da fonte rinnovabile

    Sebbene l’idroelettrico sia ampiamente utilizzato, rimangono ancora possibilità di impiego, come rappresentato nella figura seguente, che rappresenta la potenzapotenza
    Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
    ancora installabile. L’exploited potential esprime il potenziale già in uso, il technical potential rappresenta il potenziale che potrebbe ancora essere utilizzato, mentre l’economical potential rappresenta il potenziale che potrebbe essere sfruttato in modo conveniente, ossia in modo economico. In Europa, la maggior parte del potenziale ancora utilizzabile è rappresentato dai piccoli impianti idroelettrici (mini hydropower).

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    L’impianto idroelettrico

     

    CLASSIFICAZIONE ENERGETICA

    Un impianto idroelettrico è costituito da opere civili, idrauliche e da macchinari elettromeccanici. In generale, gli impianti idroelettrici possono essere suddivisi in classi di potenza:

    Piccolo idroelettrico

      < 5 kWkW
    Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
    Micro idroelettrico       5 ÷100 kW
    Mini Idroelettrico

    100 ÷1.000 kW

    Piccolo idroelettrico  1.000 ÷10.000 kW
    Grande idroelettrico

    > 10.000 kW

    In linea generale, per potenze superiori a 1.000 kW sono necessari sbarramenti (si veda paragrafo successivo). I mini/micro impianti, invece, installati tipicamente in acqua fluente, si stanno diffondendo soprattutto in questi ultimi anni. Infatti, poiché i siti in cui installare grandi impianti idroelettrici si stanno esaurendo in Europa, il mini/micro idroelettrico sta suscitando una notevole attrazione, grazie anche alle tariffe incentivanti. Ad esempio, la European Small Hydropower Association stima che in Europa siano circa 350.000 i siti adatti ad impianti di questo tipo. In Italia si stima che il potenziale sfruttabile da mini/micro impianti idroelettrici sia superiore ai 10 TWh annui, e più di 5000 i siti con ruote idrauliche e mulini storici, centraline abbandonate, sbarramenti e altre strutture idrauliche a questi fini.

     

     

    CLASSIFICAZIONE IDRAULICA

    Un impianto può essere a serbatoio, a bacino o ad acqua fluente.

    Un impianto a serbatoio/bacino sfrutta la raccolta dell’acqua in bacini naturali (ad esempio un lago ad alta quota) o artificiali mediante l’interruzione del corso d’acqua con dighe di sbarramento. Dal bacino creato dalla diga sarà possibile prelevare un quantitativo d’acqua costante, assicurandosi che il livello minimo e massimo d’acqua nel bacino non vengano superati. Ciò verrà considerato in fase di progetto, sia nella scelta delle dimensioni della diga, sia nella scelta della portata utilizzabile. Quindi, gli impianti a serbatoio generano un deflusso più regolare e programmabile di quelli ad acqua fluente. Più in dettaglio, gli impianti a serbatoio hanno durata di invaso maggiore o uguale a 400 ore, mentre quelli denominati a bacino hanno durata di invaso minore di 400 ore e maggiore di 2 ore. La durata di invaso è il tempo necessario per far affluire nel serbatoio un volume di acqua pari alla sua capacità utile con la portata media annua del corso d’acqua che in esso si riversa, escludendo gli eventuali apporti da pompaggio. Un esempio è l’impianto delle Tre Gole in Cina, sul fiume Yang-Tze, per una potenza generata di oltre 17.000 MW.

    Per produrre energia elettrica l’acqua viene opportunamente derivata tramite le opere di presa dal serbatoio, e convogliata nella vasca di caricovasca di carico
    Vasca di grandi dimensioni in cui si raccoglie l’acqua di un canale artificiale prima che, attreverso delle canalizzazioni, metta in azione una turbina idraulica.
     dalla quale si dipartono i canali e/o le condotte in pressione che vanno ad alimentare le turbine idrauliche. L’alberoalbero
    Organo meccanico attraverso cui si trasmette un moto rotatorio.
     della turbina è collegato ad un generatore di elettricità, detto generatore. L’acqua utilizzata nella turbina viene rilasciata a valle dell’impianto nel canale o bacino di restituzione.

    Schema di un impianto a serbatoio
    Schema di un impianto a serbatoio

    Le componenti principali di un impianto sono:

    • opere di presa e convogliamento che, tramite canali o condotte in pressione, permettono di estrarre e avviare la portata d’acqua necessaria alla centrale idroelettricacentrale idroelettrica
      Centrali di produzione elettrica che sfruttano l’energia posseduta da una massa di acqua in movimento. Esistono diversi tipi di impianti: a deflusso regolare (in cui lo svuotamento di bacini naturali o artificiali mette in azione una turbina), ad accumulo (in cui sono presenti due serbatoi a quote differenti collegati tramite appositi condotti ) e ad acqua corrente ( in cui le turbine sono azionate dal corso del flusso d’acqua).
      ;
    • l’impianto di produzione dell’energia elettrica, costituito da turbine, generatori e trasformatore. La turbina idraulicaturbina idraulica
      Macchina che trasforma l’energia posseduta da una massa d’acqua (energia potenziale edenergia cinetica) in energia utile.
      , ruotando grazie alla forza dell’acqua, aziona un generatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica;
    • opere di restituzione, che permettono di riconvogliare l’acqua nel corso d’acqua principale (canale di restituzione) dopo il suo utilizzo nella turbina.

     

    Da evidenziare sono poi gli impianti ad accumulo, costituiti da due serbatoi situati a quote differenti e collegati tramite appositi condotti. Nelle ore di poca richiesta di energia elettrica e bassa remunerazione, l’acqua nel bacino inferiore viene pompata al bacino superiore e quindi accumulata. Nelle ore di punta, maggiormente remunerate, l’acqua viene fatta defluire dal bacino superiore al bacino inferiore, trasformando così l’energia potenzialeenergia potenziale
    Energia posseduta da un corpo in virtù della posizione occupata all’interno di un campo. Essa esprime la possibilità di compiere del lavoro che il corpo avrebbe in particolari condizioni perché sottoposto ad una forza. L’energia potenziale è definibile solo per un particolare tipo di forze, dette conservative, che hanno la proprietà di produrre un lavoro dipendente solo dal punto iniziale e finale del moto e non dalla specifica traiettoria.
    dovuta alla differenza di quota tra i due bacini in energia meccanica ed elettrica, con significativo vantaggio economico. Tale tipologia impiantistica riveste anche un’importanza per la gestione del sistema elettrico e ad oggi rappresenta la soluzione più economicamente sostenibile per accumulare energia elettrica in significative quantità. In tali impianti si utilizzano spesso pompe reversibili, ossia pompe che possono essere anche impiegate come turbine.

    Impianto a serbatoio
    Impianto a serbatoio

    Un impianto ad acqua fluente può sfruttare o l’acqua che scorre nei corsi d’acqua senza dighe di sbarramento, o essere munito di piccoli sbarramenti con durata di invaso uguale o minore di 2 ore. In pratica, mentre per gli impianti a serbatoio e a bacino è possibile regolare l’utilizzazione dell’acqua nell’impianto tramite la capacità di accumulo creata dallo sbarramento, gli impianti ad acqua fluente utilizzano direttamente la portata utile disponibile nell’alveo del corso d’acqua, o una sua parte, senza la stessa possibilità di regolazione della portata che hanno gli impianti a serbatoio. Gli impianti ad acqua fluente hanno traverse di sbarramento col solo scopo di innalzare il livello idrico del corso d’acqua a monte, e consentire quindi la realizzazione di un’opera di presa. Mediante saracinesche, paratoie o stramazzi è poi possibile regolare la portata che deve fluire verso la turbina, mentre la restante fluisce verso valle, senza essere accumulata in un invaso. Possono anche non essere presenti delle traverse, come nella figura di esempio successiva.

     

     

    Micro impianto a ruota idraulica in acqua fluente
    Micro impianto a ruota idraulica in acqua fluente

    Esistono anche altre tipologie di impianti: piccole turbine possono essere inserite nella rete degli acquedotti e sfruttare quindi il flusso nelle condotte per approvvigionamentoapprovvigionamento
    Insieme di attività finalizzate al reperimento dei quantitativi materie prime necessarie allo svolgimento delle attività economico-produttive di un Paese consumatore.
     idrico. L’acqua potabile viene in genere portata ad una città da un serbatoio mediante una condottacondotta
    Rete di tubazioni adibite al trasporto di combustibili (gas e petrolio) dai luoghi di produzione ai luoghi di stoccaggio, di imbarco, di trattamento e di consumo.
    in pressione. Solitamente in questo genere di impianti è necessario in certi periodi dissipare parte dell’energia idrica in alcuni punti della condotta mediante l’uso di apposite valvole. Un’alternativa interessante è invece rappresentata dalla possibilità di inserire una turbina al posto della valvola; in questo modo, l’energia non è dissipata nel nulla, ma trasferita dall’acqua alla turbina.

     

    Parametri: Salto e portata

    Il principio base di un generico impianto idroelettrico è lo sfruttamento dell’energia dell’acqua in movimento, ossia della velocità (energia cinetica) e della pressione (legata all’energia potenziale) di una massa d’acqua. La massa d’acqua è in movimento perché esiste una differenza di quota tra l’opera di presa e la turbina stessa, il cosiddetto salto Nei grandi impianti a serbatoio, ossia muniti di una diga di sbarramento, l’acqua scorre attraverso questa differenza di quota all’interno di una condotta, dentro la quale l’acqua risulta essere in pressione, ossia esercita una pressione contro le pareti della condotta. Negli impianti ad acqua fluente, invece, la differenza di quota è tipicamente legata al profilo del fondo del corso d’acqua, che è dotato di una certa pendenza o di un piccolo salto di fondo tra monte e valle della turbina.

    Quindi, i parametri fondamentali per valutare la potenzialità di sfruttamento di un sito a fini idroelettrici sono il salto e la portata.

    Più nel dettaglio, il salto è la differenza tra l’energia (potenziale + cinetica) della massa d’acqua a monte e a valle della turbina, espressa in metri. A valle l’energia dell’acqua sarà minore perché parte dell’energia le sarà stata sottratta dalla turbina, e trasformata in energia meccanica. A fini pratici, il salto può essere identificato comeil dislivello, o la differenza di quota (metri) fra il livello dell’acqua al punto di presa e quello nel punto di restituzione. Questa ipotesi è valida quando l’energia potenziale è molto più grande di quella cinetica, ossia se nei punti in esame l’acqua risulta essere sostanzialmente ferma. Tale ipotesi è quasi sempre valida; a monte delle dighe o anche degli sbarramenti minori, l’acqua è praticamente ferma, mentre a valle delle turbine, nel canale o bacino di restituzione, la velocità è generalmente molto bassa, e comunque trascurabile rispetto all’energia legata alla differenza di livello.

    E&rsqrsquo; possibile suddividere i salti nelle seguenti categorie:

    a)    Salti molto bassi (1÷5 metri): molto comuni nei canali irrigui e fiumi di pianura. Questi salti sono sfruttati da ruote idrauliche e coclee se le portate risultano essere non eccessive, e da turbine Kaplan per portate maggiori.

    b)    Salti bassi (5÷10 metri): relativamente comuni nei canali irrigui e fiumi di pianura. Questi salti sono sfruttati da ruote idrauliche, coclee e turbine Kaplan, in funzione della portata.

    c)    Salti medi (10÷100 metri): presenti su corsi d’acqua collinari e di bassa montagna. Questi salti sono sfruttati da turbine Francis e turbine Kaplan, in funzione della portata.

    d)    Salti alti (100-1500 metri): presenti su torrenti montani, e sfruttati da turbine Pelton e turbine Francis, in funzione della portata.

    Basso salto
    Basso salto – l’energia cinetica dell’acqua a monte e a valle del salto si può ritenere trascurabile rispetto all’energia potenziale, che è legata alla differenza di livello tra monte e valle

    La portata d’acqua indica il volume d’acqua che passa attraverso una sezione in un certo periodo di tempo (m3/secondo). Tuttavia, non è possibile utilizzare tutta l’acqua del corso; una parte dovrà non passare per la turbina, in modo da assicurare alla fauna ittica un passaggio sicuro da monte a valle e viceversa, e per evitare di lasciare il fiume in secca. Al corso d’acqua va garantita dunque una disponibilità minima per la tutela dell’ecosistemaecosistema
    È l’insieme di tutti gli organismi viventi (animali e vegetali) presenti in un determinato ambiente e delle relazioni che intercorrono tra di loro e tra essi e il sistema fisico circostante.
     (Deflusso Minimo Vitale – DMV).  Inoltre, è essenziale consentire alla fauna ittica il passaggio da valle a monte dell’impianto, e viceversa. Se ciò non avviene, la migrazione dei pesci (per la deposizione delle uova) potrebbe essere impedita, con gravi ripercussioni sull’ecosistema ittico. E’ quindi necessario provvedere un passaggio per pesci, ossia una struttura idraulica che consenta l’aggiramento o superamento dell’ostacolo (lo sbarramento o la turbina).

    Analisi economica

    Gli impianti idroelettrici sono fortemente sito-specifici e questo comporta un’ampia variabilità dei costi proprio per la singolarità che può caratterizzare questo tipo di installazioni.

    Uno studio di fattibilità economica deve prendere in primo esame la portata utilizzabile compatibilmente con la salvaguardia degli aspetti ambientali, il salto ed il costo delle opere civili necessarie a convogliare l’acqua verso le turbine, dimensionate in base alla portata disponibile.

    E’ pertanto fondamentale determinare dove saranno posizionate le opere di presa e restituzione della portata derivabile (dove viene deviata l’acqua per l’impianto e dove viene restituita al corso d’acqua) e quindi il corrispondente salto utile. E’ necessario poi stimare la portata del corso d’acqua che mediamente sarà sfruttabile nell’arco di un anno, redigendo una curva delle durate, ossia la portata in funzione del numero di giorni in cui tale portata verrà superata.

     

    ENERGIA PRODOTTA

    La formula di calcolo dell’energia producibile è:

     Idroelettrico/IMM 26.jpg

    Dove:

    E è l’energia annua (kWhkWh
    Unità di misura dell’energia elettrica equivalente a 1.000 Wh (wattora), ovvero 1.000 W forniti o richiesti in un’ora.
    /anno)

    ∆H è il salto utile (metri)

    Qmed è la portata media sfruttabile (m3/sec)

    η è il rendimentorendimento
    In termini generali il rendimento è il rapporto tra “quanto ottenuto” in un processo e “quanto speso” per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l’input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
     dell’impianto (%)

    N sono le ore di utilizzo dell’impianto a portata media durante l’anno
    9810 è il peso specifico dell’acqua (N/m3)

    Generalmente, il rendimento dei gruppi turbina-generatore-trasformatore si può attestare intorno a η = 0,80 nei grandi impianti, e leggermente inferiore nei piccoli impianti, che a causa delle minori potenze e velocità di rotazione sviluppate, necessitano di moltiplicatori di giri e generatori per basse potenze, generalmente meno efficienti. E’ plausibile assumere che un impianto possa essere in esercizio per un massimo di 8.000 ore all’anno.

    REGOLAZIONE DELLA PORTATA

    Negli impianti a serbatoio la presenza dell’invaso è legata alla volontà di regolare la produzione, svincolandosi dall’andamento delle portate disponibili, in modo da massimizzare la produzione nei periodi di massimo valore economico dell’energia e nei periodi di fabbisogno dell’utenza allacciata. In questo tipo di impianti sussiste la possibilità di una regolazione più costante delle portate derivate.

    Negli impianti ad acqua fluente non è sempre possibile una regolazione delle portate derivate dal corso d’acqua come negli impianti a bacino; conseguentemente, valutato l’andamento temporale delle portate disponibili e derivabili, il progettista ne determina il valor medio Qmed e ne individua anche il valore massimo Qmax di progetto dell’impianto, ricercando il compromesso ottimale tra produzione energetica e costi d’impianto e di esercizio (all’aumentare del valore Qmax derivabile dall’impianto, aumenta l’energia producibile dal medesimo, ma ne aumentano anche i costi).

    La turbina sarà progettata per una certa portata; ciò significa che la sua massima efficienza si verificherà quando sarà investita dalla portata di progetto. Quando però la portata è diversa, la turbina si troverà a lavorare con una portata diversa, perci&oograve; l’efficienza sarà minore, e minore sarà l’energia prodotta. Da qui nasce la necessità di utilizzare impianti che continuano ad avere alti rendimenti anche al variare della portata. Tale risultato può essere garantito utilizzando apposite strutture montate attorno alla turbina stessa, che direzionano e selezionano in maniera ottimale il flusso verso la turbina al variare della portata. Alcuni esempi possono essere il diffusore regolabile nelle turbine a reazione, o una paratoia o stramazzo regolabile a monte delle ruote idrauliche degli impianti ad acqua fluente. E’ anche possibile agire sulla geometria della turbina stessa: questo avviene nelle turbine Kaplan, regolando l’orientamento delle pale della turbina. E’ anche possibile agire sulla velocità di rotazione della turbina, e adattarla ad ogni valore di portata, impiegando particolari dispositivi elettromeccanici (inverterinverter
    Dispositivi atti a modificare la velocità di un motore elettrico modulandone la frequenza di alimentazione in base al carico richiesto, ovvero adattando il funzionamento del motore alle necessità del momento evitando, quindi, sovradimensionamenti e sprechi.
    ). Questi dispositivi portano a maggiori costi di installazione e manutenzione, ma, ovviamente, a migliori rendimenti, ossia ad una maggiore energia prodotta. Esistono invece alcune turbine che, seppur non regolate con tali strutture, conservano alte efficienze anche al variare della portata, come le ruote idrauliche e le coclee (indicativamente dal 60% al 120% della portata di progetto), utilizzate  nel micro idroelettrico.

     

    COSTI DI COSTRUZIONE

    Impianti ad acqua fluente

    Un parametro orientativo per la valutazione dei costi di costruzione degli impianti ad acqua fluente è usualmente dell’ordine di grandezza di 0,8 – 1,2 euro per kWh/anno producibile dall’impianto. L’incidenza media delle opere civili ed elettromeccaniche può stimarsi in: opere civili 70-80%, opere elettromeccaniche 20-30%. Indicativamente, la forbice di costo per il micro idroelettrico è di 1.500-3.000 €/kW installato, generalmente il costo maggiore è rappresentato dalle opere elettromeccaniche.

    A titolo di esempio si vedano alcuni casi di impianti ad acqua fluente.

    Impianti a serbatoio

    L’incidenza sul costo di costruzione complessivo del costo del serbatoio, costituito dai costi delle opere di trattenuta (diga, argini o altro) e delle opere necessarie lungo le sponde dell’invaso, può essere molto importante e comunque  variabile da caso a caso. E poiché il volume utile del serbatoio è calcolato in base all’esigenza di regolazione e può quindi variare a parità di classe energetica, di salto utile e conseguente portata media derivabile. Una valutazione sia pure approssimata del costo complessivo non può quindi essere collegata direttamente a questi stessi parametri impiantistici e va valutata di caso in caso.

    A titolo di esempio si vedano alcuni casi di impianti dotati di piccolo bacino. Gli impianti dotati di grande bacino non vengono pressoché più costruiti in Italia a partire dagli anni ’90.

     

     

    COSTI ANNUI DI GESTIONE

    Gli impianti idroelettrici sono molto favorevoli dal punto di vista dei costi di gestione (esercizio, ammortamenti, ecc). Inoltre si caratterizzano per una vita utile molto prolungata, in presenza di buona manutenzione (opere civili 50-100 anni, opere elettromeccaniche 15-20 anni o più).

    Mediamente i costi di gestione di un impianto idroelettrico si attestano attorno al 3% del suo costo di costruzione: 3-6% per impianti sotto 1.000 kW e 2-3% per impianti oltre 1.000 kW.

    Idroelettrico/IMM 21.jpg

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    Idroelettrico: Aspetti positivi e criticità

    L’idroelettrico è una tecnologia priva di emissioni inquinanti o gas serra. Talora, soprattutto con riferimento ad impianti di piccola potenza, può produrre benefici ai corsi d’acqua, regolandone il flusso ed evitando possibili inondazioni.

    Di contro soprattutto gli impianti di grandi dimensioni possono avere un impatto paesaggistico ed ambientale certamente non trascurabile: essi infatti modificano l’ecosistema naturale circostante con potenziali effetti sulla fauna e sulla flora esistente nella zona interessata e necessitano pertanto di attente valutazioni di impatto e previsioni di interventi mitigatori.

    I seguenti elementi sono da monitorare:

    • i forti impatti visivi dovuti alla presenza di grosse dighe di sbarramento od opere, particolarmente se in presenza di punti panoramici, anche se, la creazione di un lago, potrebbe essere non repulsiva;
    • la modifica del regime idrologico a seguito del prelievo dell’acqua presso l’opera di presa ed il suo reintegro;
    • modifica della qualità dell’acqua, ad esempio del trasporto di sedimenti;
    • disturbo della fauna o alterazione della vegetazione a causa dei manufatti dell’impianto, e dell’interruzione della continuità del corso d’acqua;
    • eventuali impatti acustici nel caso di centri abitati in vicinanza e assenza di barriere mitigatrici.

    Aspetti positivi da segnalare sono:

    • la contribuzione all’indipendenza e sicurezza energetica nazionale degli approvvigionamenti
    • l’elevato ricorso alla filiera tecnologica nazionale
    • valenze positive per il sistema elettrico:
      • contribuisce alla regolazione dell’energia elettrica immessa in rete;
      • non necessita di impianti di back up come le fonti non programmabili, perché nel caso di non utilizzo (o maggiore utilizzo) delle turbine, il volume accumulato nel serbatoio fa da compenso.

    Quando invece si parla di mini, ma soprattutto micro idroelettrico, generalmente ruote idrauliche e coclee, l’impianto consente di utilizzare una risorsa a livello locale in modo sostenibile e a basso costo, ossia con periodi di ritorno economico molto convenienti (una decina d’anni). Un mini impianto ha un’efficienza globale inclusa tra il 60% e il 80%, che se comparato alle celle solari (dal 10% al 12%), è notevole. In aggiunta, un mini impianto reduce di circa 950, 12 and 5 tonnellate le emissioni di  CO2, SOx and NOx, se comparata con il termoelettrico. Se paragonato ad un impianto a diesel, ogni 2,5 kWh di energia salva 1 litro di diesel.

     

     

    Gli incentivi all’idroelettrico

    Il Decreto Ministeriale del 6 luglio 2012 regolava le modalità di incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti alimentati da fonti rinnovabili, diverse da quella solare fotovoltaica, con potenza non inferiore a 1 kW.

    Gli incentivi previsti dal Decreto si applicavano agli impianti nuovi, integralmente ricostruiti, riattivati, oggetto di intervento di potenziamentopotenziamento
    Operazioni grazie a cui è possibile aumentare la potenza di un impianto, migliorandone allo stesso tempo il rendimento.
     o di rifacimento, entrati in esercizio a partire dal 1° gennaio 2013.

    Idroelettrico/IMM 22.jpg

     

    Tuttavia, il Decreto Ministeriale del 6 luglio 2012 è stato sostituito dal Decreto del 23 giugno 2016. Le tariffe incentivanti previste per l’idroelettrico dal decreto in questione sono illustrate, insieme alla durata in anni prevista per l’incentivo, nella tabella qui sotto, in funzione della potenza dell’impianto:

    Idroelettrico/IMM 23.jpg

     

    Per gli altri impianti, l’incentivo viene determinato sulla base dei dati della produzione di energia elettrica netta immessa in rete e dei prezzi zonali orari, applicando in particolare per gli impianti nuovi la seguente formula: Incentivo = Tb + PrPz, dove Tb è la tariffa incentivante base illustrata dalla precedente tabella (nonché, qualora l’impianto abbia partecipato con esito positivo a una procedura d’asta, ridotta della percentuale aggiudicata nella medesima procedura); Pr è l’ammontare totale degli eventuali premi a cui ha diritto l’impianto; Pz è il prezzo zonale orario.

    Tra le altre modalità di incentivazione alle rinnovabili elettriche non fotovoltaiche vi sono poi i Certificati VerdiCertificati Verdi
    I certificati verdi, introdotti con il cosiddetto decreto Bersani sulla liberalizzazione del settore elettrico, costituiscono una forma di incentivazione dell’energia prodotta con fonti rinnovabili. Essi vengono assegnati agli impianti rinnovabili entrati in funzione dopo il 1° aprile 1999 che producono energia elettrica, ad esclusione della fonte solare. Dal 2002, produttori e importatori di energia elettrica prodotta da fonti non rinnovabili hanno l’obbligo di immettere ogni anno in rete una certa quota di energia elettrica prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili. L’obbligo può essere soddisfatto anche attraverso l’acquisto di CV da altri soggetti. La quota imposta (cioè la percentuale di energia da rinnovabili rispetto a quella prodotta con fonti tradizionali) è decretata per legge.
    , titoli negoziabili rilasciati dal GSE che costituiscono una forma di incentivazione dell’energia prodotta con impianti qualificati IAFR (impianti alimentati da fonti rinnovabili). Il meccanismo dei certificati verdi si basa sull’obbligo, posto dalla normativa a carico dei produttori e degli importatori di energia elettrica prodotta da fonti non rinnovabili, di immettere annualmente nel sistema elettrico nazionalesistema elettrico nazionale
    È l’insieme degli impianti di produzione, delle reti di trasmissione e distribuzione, dei servizi ausiliari, dei dispositivi di interconnessione e dispacciamento di energia elettrica situati sul territorio nazionale.
    una quota parte di elettricità prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili.

    La ricerca scientifica

    Sebbene l’idroelettrico abbia una lunga storia, la ricerca scientifica in merito è ancora molto attiva, sia per quanto riguarda il piccolo che il grande idroelettrico. Per quanto riguarda il grande idroelettrico, un’attenzione è rivolta alla valutazione delle operazioni di svaso preventivo per la riduzione del rischio idraulico a valle, la gestione dei sedimenti (problemi di interrimento delle dighe) e lo screening della struttura per manutenzione dell’opera. Per quanto riguarda le turbine, di importanza è lo studio dei fenomeni idraulici che si verificano soprattutto nelle turbine a reazione, sia in situazioni al di fuori delle loro condizioni di progetto, sia durante i transitori (ad esempio durante l’avviamento o la variazione di portata); lo scopo è ottimizzarne i rendimenti. Particolare attenzione viene anche rivolta al tubo diffusore a valle delle turbine a reazione, con lo scopo di identificarne la forma ottimale attraverso simulazioni numeriche.

    Mentre le turbine per i grandi impianti (Kaplan, Pelton e Francis) sono ormai studiate da decenni e hanno ormai raggiunto un livello di conoscenza adeguata, tranne che per gli aspetti precedentemente accennati, le turbine per il micro idroelettrico hanno ancora dei punti che devono essere studiati. In particolare, si stanno studiando nuovi tipi di turbine che riescano a lavorare con portate variabili e in siti con bassi salti. Ricerche sono attualmente in corso su ruote  (Politecnico di Torino) e coclee idrauliche, per ottimizzarne i rendimenti.

    Un altro argomento a cui la ricerca sta prestando attenzione è la comprensione di come la fauna ittica risponde al campo di moto indotto da strutture idrauliche, quali le scale di risalita per pesci.

    Fino a pochi anni fa, la ricerca veniva condotta soprattutto mediante esperimenti di laboratorio, che però richiedevano grandi risorse; basti pensare all’installazione in un laboratorio di una turbina e di tutto l’impianto annesso. In questi ultimi anni, grazie alle nuove conoscenze dell’informatica e della fluidodinamica, è possibile riprodurre gli esperimenti di laboratorio (ad esempio una turbina), mediante simulazioni numeriche al computer. Tale disciplina è chiamata Fluidodinamica Computazione (Computational Fluid Dynamics –CFD-) Con determinati algoritmi è possibile risolvere le equazioni che governano il campo di moto di un fluido all’interno di un qualsiasi dominio (scala per pesci, turbina, ruota idraulica, ecc.), identificando tutte le caratteristiche del campo di moto stesso (velocità, presenza di vortici, turbolenza, coppia torcente all’asse di rotazione della turbina), e risparmiando così sugli esperimenti. Ovviamente, i risultati devono essere validati su qualche caso, per avere conferma della loro correttezza e per la stima della loro accuratezza; se i risultati ottenuti si discostano troppo dalla realtà, potrebbero non essere adeguati a descrivere il fenomeno investigato. Questi metodi, tuttavia, sono molto complessi e non semplici da maneggiare, ma, la loro utilità e completezza, giustifica ampiamente la fatica spesa per ottenerli. Alcuni esempi nel seguito.

    Idroelettrico/IMM 24.jpg
    Studio del campo di moto all’interno di scale di risalita per pesci; in questo caso è rappresentato il campo di velocità a diverse profondità dal fondo, per due geometrie differenti (Quaranta et al., 2016; http://www.idra16.it/sites/default/files/09-0096.pdf.)
    Idroelettrico/IMM 25.jpg
    Studio del campo di moto all’interno di ruote idrauliche, al variare del numero di pale, per identificarne l’ottimale. La figura rappresenta l’identificazione della superficie libera, ossia l’interfaccia aria-acqua, per una porzione di ruota (Quaranta and Revelli, 2016; http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001229 ).

       

    Le Turbine

    La turbina è quel macchinario che, investito dalla corrente d’acqua, viene messo in rotazione, generando l’energia meccanica. La turbina è formata quindi da una struttura sviluppata attorno ad un asse di rotazione, e viene chiamata girante. Generalmente è costituita da un certo numero di pale, che sono gli elementi che interagiscono direttamente con l’acqua, sottraendole energia e trasformandola in energia meccanica. Le turbine possono essere suddivise in azione, reazione e a gravità, in funzione delle modalità di scambio di energia con l’acqua.

     

    Le turbine ad azione

    Sono turbine che operano a pressione atmosferica, ossia non sono installate all’interno di condotte in pressione. Tuttavia, le condotte in pressione possono essere presenti in modo da direzionare il getto d’acqua ad alta velocità contro le pale della turbina. Viene sfruttato il principio della variazione della quantità di moto: un getto d’acqua che cambia direzione scorrendo lungo una superficie curva, esercita sulla superficie stessa una forza. In una turbina, la superficie curva è quella delle pale; tale forza agisce dunque sulle pale, e fa ruotare la turbina. La turbina ad azione più diffusa è la turbina Pelton.

    La turbina Pelton è costituita da un certo numero di pale a doppio cucchiaio contro le quali un ugello spara un getto d’acqua. Il numero massimo di ugelli è in genere 4, così che 4 pale contemporaneamente vengono colpite. Il getto d’acqua scorre lungo la superficie interna della pala, cambia direzione grazie al profilo curvato della pala, ed esce. Questo cambio di direzione del getto d’acqua fa nascere una forza contro la pala, che fa ruotare la turbina.

    Una variante della Pelton è la Turgo : il getto d’acqua entra nelle pale da un lato della turbina, ed esce da quello opposto, colpendo più pale contemporaneamente.

    Tra le turbine ad azione figurano anche le ruote idrauliche cinetiche in acqua fluente, e alcune turbine idrocinetiche (si veda descrizione apposita più avanti) in cui l’energia cinetica è utilizzata per la rotazione.

    Un’altra turbina è la Cross flow, o Banki, in cui l’acqua in entrata scambia la propria energia interagendo con le pale da un lato della turbina (in questa prima fase viene anche leggermente sfruttato il principio di reazione, si vedano in seguito le turbine a reazione per dettagli), e poi in uscita scambia la propria energia residua con le pale situate nella parte opposta della turbina.

     

    Differenza tra le turbine Pelton e Turgo

     

     

    Turbina flow e ruota idraulica cinetica

    Le turbine a reazione

    Sono turbine installate all’interno di condotte in pressione, e operano quindi in pressione. L’acqua viene direzionata nelle pale della turbina rotante da una serie di altre pale fisse, disposte attorno alla turbina lungo una traiettoria circolare; l’orientamento di queste pale fisse può essere regolato in funzione della portata (l’insieme di queste pale fisse è chiamato diffusore). Il getto d’acqua agisce sulle pale sia cambiando direzione (variazione quantità di moto, principio ad azione), e sia creando una differenza di pressione attraverso la pala (principio di reazione), incrementando quindi la forza generata contro la pala. La differenza di pressione che si viene a creare è la stessa che genera la portanza di un aeroplano, dove le pale sono rappresentate dalle ali. Tipiche turbine a reazione sono le turbine a bulbo, ad elica e le Francis.

    Nelle turbine a bulbo, l’asse di rotazione della turbina è parallelo alla direzione del getto d’acqua in arrivo, che investe la turbina arrivando da monte rispetto alla turbina stessa.  Nella turbina a bulbo il generatore ed il moltiplicatore (se presente) sono contenuti in una cassa impermeabile, a forma di bulbo, immersa nell\’acqua.

    Invece, nelle Francis l’acqua entra dalla periferia della turbina (lungo la circonferenza esterna), ed esce assialmente. Prima di entrare nella turbina rotante, l’acqua scorre all’interno di una condotta a spirale (chiamata distributore) avvolta attorno alla turbina, che viene installata proprio per far sì che il getto d’acqua investa la turbina entrando da tutta la circonferenza esterna, uniformando la pressione dell’acqua prima del suo ingresso nel diffusore. 

    Nelle turbine ad elica invece, si ha una situazione intermedia tra le precedenti. Il getto d’acqua scorre nella condotta a spirale, ma poi entra assialmente nella turbina, come in quelle a bulbo. Le turbine ad elica con pale regolabili vengono chiamate Kaplan, ben adattabili quindi a portate variabili.  A valle delle turbine a reazione vi è un tubo diffusore, che riduce la pressione aumentando la potenza generata.

    Turbina Kaplan
    Turbina Francis

    Le turbine a gravità

    Sono turbine che sfruttano il peso dell’acqua, e sono utilizzate tipicamente nel micro idroelettrico (salti circa <10 m, e  qualche metro cubo al secondo massimo di portata). In questo ambito, quando si parla di alto salto ci si riferisce generalmente a un salto maggiore di 5 m, medio salto se compreso tra 2 m e 5 m, altrimenti basso salto. Per basse portate ci si riferisce a qualche centinaia di litri al secondo massimo, e alte portate quando si ha qualche metro cubo al secondo. L’acqua entra nei vani racchiusi dalle pale della turbina, spingendo contro le pale grazie alla pressione statica generata dal proprio peso. Anche l’energia cinetica può essere utilizzata, in particolare nella fase di impatto iniziale, ossia nella fase di riempimento del vano.

    Tra le turbine a gravità ricordiamo le ruote idrauliche e le coclee (anche note come viti di Archimede o viti idrodinamiche). Le ruote idrauliche ruotano rispetto ad un asse di rotazione orizzontale, e riescono così anche a sfruttare una porzione dell’energia cinetica del getto d’acqua. Le ruote ad asse verticale non sono più utilizzate (in alcuni vecchi mulini sono ancora presenti), perché sono meno efficienti, potendo sfruttare solo l’energia cinetica dell’acqua. Le ruote ad asse orizzontale sono formate da un certo numero di pale (tipicamente tra 12 e 70, in funzione della tipologia). Invece le coclee ruotano rispetto ad un asse inclinato tra i 22° e i 35° sull’orizzontale; sono formate in genere da 3 pale avvolte ad elica attorno al mozzo centrale, costituito da un lungo tubo che si sviluppa lungo l’asse di rotazione.

    Le ruote idrauliche di tipo undershot, o dal basso, sono raccomandabili in zone con bassi salti (< 1,5 m) e portate massime di 1,2 m3/s per metro di larghezza; l’acqua entra nella ruota nel primo terzo inferiore della stessa. Le ruote overshot, o dall’alto, sono utilizzate in siti con medio-alti salti (3-6 m) e basse portate (0,1-0,2 m3/s per metro di larghezza massimo), e l’acqua entra dall’alto. Le ruote breastshot, o dal fianco, sono tipicamente utilizzate per salti massimi di circa 3÷4 m e portate massime di 1 m3/s per metro di larghezza, e l’acqua entra dal fianco della ruota, nel terzo centrale della stessa. Esistono poi le ruote cinetiche, che sfruttano solo l’energia cinetica, senza salti; pertanto rientrano nelle turbine ad azione.

    Anche la coclea può essere utilizzata nelle precedenti condizioni. Le ruote però sono più consigliate per alti salti e basse portate (ruote overshot) o bassi salti e alte portate (ruote undershot); questo perché, in questi casi, la coclea risulterebbe o troppo snella o troppo tozza, rispettivamente. La coclea è più adatta in zone con medio-alti salti (2-6 m) e portate di qualche metro cubo al secondo, poiché in questi casi una ruota idraulica risulterebbe avere un diametro e una larghezza eccessivi. Sono attualmente in corso delle ricerche volto allo studio di nuove tipologie di ruote idrauliche a gravità che possono essere efficientemente impiegate anche in condizioni di alti salti e grandi portate, riducendone l’ingombro.

    Ruote e coclee erano utilizzate già in tempi antichi. Oggigiorno, tra le turbine convenzionali, queste macchine idrauliche sono quelle per le quali la ricerca sta iniziando ad investire, sia per la carenza di informazioni ingegneristiche, sia per i loro vantaggi (bassi impatti ambientali e costi minori) e sia per il rapido sviluppo del micro idroelettrico. In particolare, in merito alle ruote idrauliche la ricerca scientifica risulta essere particolarmente avanzata al Politecnico di Torino. Per ulteriori informazioni, fare riferimento al link.

     

    Ruota idraulica e coclea idraulica

     

    Un’altra suddivisione delle turbine può essere fatta in base al numero di giri caratteristico. Esso esprime la velocità di rotazione che avrebbe una turbina qualora, rimanendo idraulicamente simile a se stessa, funzionasse, con le idonee dimensioni, sotto un salto netto di 1 m sviluppando una potenza di 1 kW.

    TURBINA

    GIRI CARATTERISTICI AL MINUTO

    Ruota breastshot/undershot

    10÷30

    Ruota overshot

    3÷10

    Coclea

    25÷100

    Pelton ad un getto

    <25

    Pelton a più getti

    25÷70

    Francis lenta

    50÷100

    Francis normale

    100÷200

    Francis rapida

    200÷400

    Elica a pale fisse

    400÷700

    Kaplan a pale mobili

    400÷1300

    Tabella 1: Numero di giri caratteristico

    Il rendimento delle precedenti turbine è riportato nella figura seguente.

    Efficienza idraulica massima della turbina al variare della portata, espressa come percentuale della portata di progetto (1 Pelton, 2 Francis, 3 Kaplan, 4 Bulbo)

    Per quanto riguarda invece ruote e coclee, si ha che il massimo rendimento idraulico delle ruote varia tra il 70% e il 90%, mentre quello delle coclee tra il 75% e il 90%, in un range compreso tra il 50% e il 120% della portata di progetto.

    Nella figura a seguire sono riportate le condizioni di lavoro delle turbine precedentemente descritte.

     

    Campo di applicazione (salto e portata) e potenze delle varie turbine precedentemente discusse

     

    In tempi moderni sono state introdotte altre tipologie di turbine, differenti da quelle precedentemente descritte.

    Turbine a vortice

    Introdotte ultimamente, sfruttano l’energia di un campo di moto rotante, quale quello di un vortice. Possono essere utilizzate per salti tra 0,5 e 2,5 m e portate fino a 20 m3/s, con massime efficienze dichiarate dall\’inventore dell’ 80%, sebbene risultati sperimentali mostrino un\’efficienza massima del 40%. Tuttavia, questa turbina è ancora in fase di sperimentazione, essendo da poco stata introdotta sul mercato.

     

    Turbina a vortice.

    Le turbine idrocinetiche

    Sono turbine completamente immerse in acqua fluente. Sfruttano l’energia cinetica dell’acqua fluente, sia creando un effetto di azione, o di reazione, in base alla forma delle pale. Vengono utilizzate nel micro/pico idroelettrico, potendo solo sfruttare l’energia cinetica dei corsi d’acqua.

     

     

    Turbine idrocinetiche

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

    Passaggio/scala per pesci

    L’ittiofauna è strettamente dipendente dalle caratteristiche dei diversi habitat presenti lungo un corso d’acqua; durante il proprio ciclo vitale si sposta per trovare ambienti che ne supportino la crescita, la sopravvivenza e la riproduzione. Le migrazioni possono avere periodicità differenti a seconda della loro finalità: se a scopo riproduttivo, ad esempio, presentano una precisa stagionalità nel corso dell’anno, se a fine trofico, invece, prevedono spostamenti giornalieri per la ricerca di cibo. E’ dunque essenziale consentire alla fauna ittica il passaggio da valle a monte dell’impianto, e viceversa. Se ciò non avviene, la migrazione dei pesci (ad esempio per la deposizione delle uova) potrebbe essere impedita, con gravi ripercussioni sull’ecosistema ittico. E’ quindi necessario realizzare un passaggio per pesci, ossia una struttura idraulica che consenta l’aggiramento e il  superamento dell’ostacolo (lo sbarramento o la turbina), permettendo così di ripristinare la continuità del corso d’acqua.

    I passaggi per pesci possono essere realizzati da canali by pass posti lateralmente all’impianto, rampe in pietrame o apposite strutture idrauliche, tipicamente formate da una serie di bacini successivi a quote leggermente decrescenti da monte a valle, le cosiddette scale per pesci. Il principio sul quale si basa la realizzazione di una scala per pesci è la suddivisione del dislivello totale, ostacolo insormontabile per il pesce, in un certo numero di salti minori tramite la creazione di bacini successivi. Passando da un bacino al successivo, il pesce riesce a migrare da valle a monte, e viceversa. Per la corretta progettazione di una scala per pesci è necessario un approccio multidisciplinare che permetta di correlare le caratteristiche idrauliche con le esigenze biologiche delle specie ittiche interessate. Inoltre bisogna considerare la specificità del sito nel quale si deve installare l’opera: le condizioni al contorno, quali dislivello totale, spazi disponibili, condizioni idrologiche, caratterizzano il sito a tal punto da rendere impossibile l’applicazione di una soluzione univoca. Pertanto la scelta della tipologia di passaggio da utilizzare, della portata da assegnarvi e della localizzazione presso l’ostacolo sono da considerarsi parametri assolutamente sito-specifici.

    La tipologia di scala per pesci più diffusa e più efficiente è quella a fenditure verticali (vertical slots fishway). E’ costituita da un canale rettangolare con una certa pendenza di fondo; ad intervalli regolari vi sono dei setti verticali trasversali alla direzione del flusso, in modo tale da realizzare tanti bacini. In ogni setto vi è poi una fenditura verticale, attraverso la quale la corrente è accelerata (dal brusco restringimento della fenditura stessa), e il pesce passa. Le scale per pesci sono particolarmente consigliate per il passaggio da valle a monte dei pesci (upstream migration).

    L’ingresso di valle del passaggio va posto lungo la sponda nel lato in cui la corrente è più elevata, individuando tale condizione tramite osservazioni morfologiche e batimetriche. Oltre ad essere posizionato lungo la sponda, è necessario che il dispositivo si trovi nel punto più a monte che l’ittiofauna in risalita può raggiungere, poiché l’ittiofauna tende a migrare sino ad esso. In tale punto bisogna assicurare che il flusso principale non sia mascherato da turbolenze. Per rendere efficiente il passaggio anche per le specie che nuotano in profondità e per i macroinvertebrati acquatici, è consigliato riprodurre sul fondo del canale artificiale condizioni simili al substrato di fondo del fiume, in modo che gli animali non vengano disorientati da un brusco cambiamento. Si tratta solitamente di un substrato di fondo continuo in materiale non cementato, a granulometria mista e possibilmente reperito nell’alveo stesso; il suo spessore deve essere almeno pari a 20 cm. L’uscita del passaggio, ovvero l’estrema sezione a monte, deve trovarsi sulla sponda, ma non in corrispondenza di zone ad alta velocità e non troppo vicino a organi idraulici, sfiori o imbocchi del canale di derivazione, per evitare che il pesce possa essere trascinato a valle dalla corrente. Indicativamente si cerca di mantenere una distanza di circa 5 m tra l’uscita del passaggio e tali strutture, verificando che la velocità della corrente non superi i 0,5 m/s, ma che comunque non sia così bassa da creare zone statiche. Inoltre si controlla che non vi siano regioni di ricircolo e di turbolenza che potrebbero impedire l’ulteriore risalita.

    E’ utile ricordare che il campo di moto che si crea all’interno di una scala per pesci (dimensioni dei vortici, livello di turbolenza e le velocità dell’acqua) deve essere compatibile con le capacità natatorie del pesce, altrimenti la scala di risalita risulterebbe inefficiente e inutile. Da qui, ne deriva un’attenta progettazione, e la sempre più continua attenzione da parte dei centri di ricerca verso lo studio del campo di moto che si viene a creare in queste strutture.

     

    Esempio di scala di risalita a fenditure verticali

     

    Generalmente, le ruote a gravità, grazie alle loro minori velocità di rotazione e grandi volumi d’acqua che possono essere racchiusi nei vani, sono più compatibili delle classiche turbine al passaggio dei pesci.

    Un’attenzione particolare merita anche la migrazione verso valle (downstream migration). Come avviene durante la risalita, il pesce tende a muoversi seguendo il filone principale della corrente. Quindi, nel caso di migrazione verso valle, esso sarà attratto maggiormente dal flusso verso la turbina. Il passaggio per pesci progettato per l’upstream migration, non sempre risulta efficiente anche per la downstream migration. L’imbocco a monte del passaggio per ittiofauna, infatti, presenta velocità ridotte, portate minori e spesso è localizzato in un punto molto distante dallo sbarramento proprio a causa dei criteri adottati in fase di progettazione; pertanto nella gran parte dei casi si realizzano impianti ad hoc per la downstream migration. Anche la presenza di grigliati a monte delle turbine potrebbe essere causa di danneggiamento dell’ittiofauna, specialmente se la corrente attraverso essi raggiunge valori di velocità superiori a 0,5 m/s.  Nel caso di sbarramenti senza derivazione è sufficiente verificare la presenza di un adeguato tirante idrico a valle e l’assenza di elementi sui quali l’ittiofauna può urtare. Invece, in caso di derivazioni, si impedisce che l’ittiofauna si diriga verso le turbine, indirizzandola verso un by-pass che la conduca a valle o comunque verso un percorso sicuro. Come per i passaggi di risalita, anche per questi dispositivi non esiste una soluzione univoca. E’ necessario valutare l’entità del fenomeno della migrazione verso valle e dell’impatto che i manufatti antropici esercitano su di essa; successivamente vanno identificate le specie coinvolte, ed infine devono essere esaminate le strategie migliori da adottare nello specifico caso in esame.

     

    La pagina è stata realizzata con il contributo dell’Ing. Emanuele Quaranta (Politecnico di Torino – DIATI Hydraulics)

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