Acqua ed energia, l’impianto idroelettrico

L’impianto idroelettrico, energia dall’acqua. Come avevamo già accennato parlando di elettrodotti, il settimo punto degli SDG (Sustainable Development Goals) pone l’obiettivo di ottenere energia affidabile e sostenibile per la società.

Si parla molto delle fonti di energia rinnovabile, come l’energia eolica o l’energia solare. Tuttavia, l’energia idroelettrica rimane una delle fonti di energia rinnovabile più utilizzata in Italia (41% sul totale delle rinnovabili, al 2019).

Ma cos’è un impianto idroelettrico? E come funziona?

Andiamo a scoprirlo!

L’impianto idroelettrico

Un impianto idroelettrico è una costruzione complessa, che comprende numerose opere ingegneristiche tra cui:

  • Opere di captazione o di presa dell’acqua (come dighe o canali di gronda)
  • Opere di derivazione (canali e tubature per regolazione di pressione e/o portata)
  • Macchine motrici e/o operatrici (turbine o pompe idrauliche)
  • Opere di restituzione dell’acqua

In base al tipo di derivazione, gli impianti si differenziano in due tipologie principali.

La prima tipologia è quella degli impianti ad acqua fluente, dove non è presente un serbatoio per l’acqua ma ci si affida al flusso naturale di un corso. Sono impianti a produzione continua, che presentano salti piccoli e portate contenute del fluido.

La seconda tipologia è quella degli impianti a serbatoio, dove sono presenti opere che provvedono all’accumulo di grandi volumi d’acqua (prevalentemente dighe). Questi impianti sono a regolazione parziale o totale e presentano salti molto elevati.

Tipicamente, gli impianti fluviali apparterranno più spesso alla prima tipologia, mentre la costruzione di dighe permettono di “creare” zone di accumulo definite bacini artificiali.

Il componente principale di tutto l’impianto è la turbina, il componente elettromeccanico che permette la generazione di energia. Come nelle centrali nucleari e in quelle termoelettriche, si collega l’asse meccanico della turbina a un turboalternatore (macchina sincrona) in modo da trasformare l’energia meccanica del fluido in energia elettrica.

Si parla quindi di macchine motrici.

Le turbine idroelettriche

Per definizione, le macchine motrici sono macchine che ricevono energia da una corrente.

Schema di funzionamento di una turbina idroelettrica (da “Le centrali idroelettriche”)

Si definisce salto disponibile la differenza di quota tra i due peli dell’acqua, a monte e a valle della turbina. In base a questo salto si può definire il salto utile, andando a eliminare le perdite energetiche nella condotta e nello scarico.

Il salto utile rappresenta l’energia ceduta alla turbina dal flusso d’acqua, dalla quale si può calcolare la potenza disponibile di impianto.

Andando a moltiplicare la potenza disponibile per il rendimento meccanico della turbina si ottiene la potenza effettivamente ritraibile.

Le turbine si possono trovare in due tipologie:

  • Ad azione, dove il getto si trova a pressione atmosferica
  • A reazione, dove il getto è pressurizzato (pressione maggiore di quella atmosferica)

Turbine Pelton, le turbine ad azione

Sono le più importanti turbine ad azione, brevettate nel 1880 da Lester Allan Pelton, basano il loro funzionamento sulla spinta del getto d’acqua su un cucchiaio dalla forma particolare.

Esempio di turbina Pelton, con dettaglio sui cucchiai (Fonte)

Il fluido, sparato ad alta velocità da un tubo induttore, investe le pale (che sono solitamente dalle venti alle quaranta per turbina). La forma particolare a doppio cucchiaio permette di ottenere la condizione di inversione del getto, in modo che il getto possa trasferire il massimo della spinta sulla pala e sia portato a uscire naturalmente da essa.

La turbina può essere dotata di uno o più tubi induttori, per massimizzare l’energia trasferita.

Nel seguente video è illustrato, nel dettaglio, il funzionamento tipico di una turbina Pelton.

Queste turbine sono tipicamente utilizzate per impianti idroelettrici con salti molto consistenti.

Turbine Kaplan, turbine a reazione

Il funzionamento delle turbine a reazione è leggermente più complesso.

Lavorare con acqua sotto pressione rende il sistema più sensibile a fenomeni distruttivi, come la cavitazione (zone di vapore interno a un fluido che causano implosioni e onde d’urto). Questo fenomeno è legato ad alcune caratteristiche dei fluidi. Non si può infatti togliere troppa pressione a un fluido, perché si trasformerà in vapore. Quando avviene questa trasformazione, si hanno delle bolle all’interno del fluido che diminuiscono l’efficienza e aumentano il rischio di danni.

Tipicamente, le turbine sono dotate di un distributore, costituito da un mozzo centrale con delle pale che guidano il flusso d’acqua. Il distributore ha la doppia funzione di regolare il flusso d’acqua in ingresso e convogliare meglio il fluido nella girante.

Anche la girante è dotata di pale regolabili, che permettono di definire la velocità di rotazione dell’asse in base alla portata di fluido. Questa regolazione è molto comune negli impianti a fluido, in cui si cambia il calettamento delle pale (angolo a cui incontrano il fluido) per mantenere la rotazione uniforme. Ciò avviene anche nelle turbomacchine dei reattori aeronautici, nei rotori degli elicotteri e nelle eliche degli aerei a elica.

Queste turbine sono particolarmente utilizzate per impianti fluviali che non hanno forti oscillazioni di portata.

Nel seguente video è illustrato, nel dettaglio, il funzionamento tipico di una turbina Kaplan.

Il trinomio di Bernoulli

In conclusione, il funzionamento di un impianto idroelettrico si basa sul contenuto energetico di una massa di fluido. La formula fisica che permette di descrivere l’energia specifica di un fluido è il teorema di Bernoulli, il quale stabilisce che l’energia specifica posseduta da un’unità di fluido è la somma di tre componenti di energia:

  • Potenziale, associata alla quota
  • Di pressione, collegata al concetto di sforzo
  • Cinetica, associata alla velocità del fluido

Queste tre componenti, che descrivono la situazione fisica del fluido in analisi, permettono di definirne lo stato.

Il teorema di Bernoulli afferma, infatti, che un fluido si trova in moto permanente quando la sua energia specifica è costante.

Questa affermazione, oltre ad avere una interpretazione energetica, ha anche un’interpretazione geometrica. Se definiamo l’effettiva quota di elevazione come altezza geodetica, si possono definire due altezze fittizie. L’altezza piezometrica rappresenta la quota di energia di pressione, mentre l’altezza cinetica rappresenta la quota di energia cinetica. La somma di queste altezze va a definire la linea dei carichi totali. Se questa linea è orizzontale, il moto è permanente.

Indicazione della linea dei carichi totali (da “Idraulica”)

Ringrazio Alessandro Mantani per la collaborazione e le (sempre necessarie) correzioni.

Fonti:

“Idraulica” – Duilio Citrini, Gianandrea Noseda

“Nel 2019 le rinnovabili coprono il 35.9% della domanda elettrica nazionale” – QualEnergia.it

Matteo Ricciardi

Ingegnere Elettrico, specializzato nella regolazione della tensione tramite compensazione reattiva e nella trasmissione di energia elettrica tramite collegamenti HVDC. Ex operatore presso l'unità di Efficientamento della Risorsa Elettrica presso areti SpA. Duca di Nolan (KtS)

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