05-idroelettrico-16giugno2014

IMPIANTI IDROELETTRICI

Ing. Fabio Fabbricatore

Energia idroelettrica L'energia idroelettrica è una fonte di energia alternativa e rinnovabile, che sfrutta la trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale, posseduta da una certa massa d'acqua ad una certa quota altimetrica, in energia cinetica al superamento di un certo dislivello; tale energia cinetica viene infine trasformata in energia elettrica in una centrale idroelettrica grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina.

La classificazione degli impianti avviene, convenzionalmente, in base alla potenza installata.

1.

2.

3.

4.

Grandi impianti P>10000 kW Piccoli impianti 1000< P< 10000 kW Mini impianti 100< P< 1000 kWĂš Micro-impianti P< 100 kW

Ed in funzione del salto Alto >100m Medio 30á100 m Basso 2á30 m

Unâ&#x20AC;&#x2122;ulteriore distinzione tra le centraline idroelettriche è stilata in base alla diversa tipologia: A. B. C. D.

ad acqua fluente a bacino (a deflusso regolato) ad accumulo a mezzo pompaggio in condotta idrica

Le centrali del tipo ad acqua fluente sono posizionate sui corsi d’acqua. Non possiedono alcuna capacità di regolare gli afflussi, pertanto la produzione di elettricità è totalmente dipendente dalla portata del fiume: ciò normalmente determina una variazione della produzione su base stagionale. Funzionando ininterrottamente sono in grado di coprire il fabbisogno elettrico di base.

Le centrali di tipo a Bacino sfruttano lâ&#x20AC;&#x2122;acqua raccolta nei bacini naturali o artificiali. Sono in grado di regolare gli afflussi e, data la loro facilitĂ di arresto-avvio nel giro di pochi minuti, possono essere utilizzate come accumulatori di energia per coprire il carico durante il periodo di maggiore richiesta di potenza. Generalmente, gli impianti a bacino possiedono una potenza maggiore rispetto alle altre tipologie, ma di contro un maggior impatto ambientale.

Gli impianti di tipo ad accumulo a mezzo pompaggio possiedono un serbatoio di accumulo superiore, detto bacino di svaso, ed uno inferiore o bacino di invaso.

Nelle ore di basso consumo, in cui le tariffe energetiche sono più economiche (ore notturne), l’acqua viene sollevata dal serbatoio inferiore a quello superiore tramite una pompa, per poi essere riutilizzata in una turbina per la produzione d’energia elettrica nelle ore di maggior richiesta.

La validità di questo tipo di centrali risiede proprio nella differenza del valore commerciale dell’elettricità adoperata nel pompaggio (basse tariffe notturne) e quella prodotta dall’impianto (alte tariffe diurne) quando aumenta la domanda.

In questo modo l’uso dell’energia elettrica per il pompaggio è restituita quasi totalmente con un valore maggiore.

I sistemi di tipo in condotta idrica costituiscono una categoria recente.

Consistono nell’inserimento di una turbina all’ingresso di impianti per il trattamento delle acque, per il recupero dell’energia diversamente dissipata.

Ogni centralina presenta: 1. Opere di presa e/o di accumulo; 2. Opere di adduzione: canali e condotte forzate; 3. Turbina: dispositivo di conversione dell’energia potenziale (di pressione) e cinetica in energia meccanica; 4. Generatore: dispositivo di trasformazione dell’energia meccanica in elettrica; 5. Trasformatore: innalza la tensione in uscita dal generatore al livello della linea elettrica; 6. Sistemi di controllo; 7. Opere di scarico;

TURBINA IDRAULICHE La Turbina idraulica è un dispositivo meccanico che consente di trasformare l'energia cinetica di un liquido in energia meccanica. Il loro rendimento è elevato, spesso sopra il 90% per questo sono molto apprezzate, anche se la loro installazione richiede diverse infrastrutture.

TURBINA IDRAULICHE Le turbine sono costituite da una parte fissa, il distributore, e una parte mobile, la girante.

Il distributore indirizza il flusso e puo' avere funzioni di regolazione.

La girante mossa dal flusso trasmette l'energia meccanica all'albero.

Turbine a reazione In questo tipo di turbine la girante lavora completamente immersa e l'involucro deve sopportare la pressione del flusso. Il flusso minimo utilizzabile, rispetto al flusso nominale, e' intorno al 15% per le Kaplan, 50% per le Francis e 75% per quelle a bulbo.

Francis: 25< H <350 Efficienza 80รท90%

A bulbo (Kaplan): 2< H <40 Efficienza 80รท95;

Turbine a reazione La turbina Francis è classificabile come “miniturbina” (ma non “microturbina”), dal momento che è adatta per potenze di almeno 100 kW. E’ in grado di sfruttare salti d’acqua che vanno indicativamente da 25 a 350 metri.

Le turbine Kaplan sono del tipo a reazione in grado di sfruttare salti medio-bassi (240m) ma con portate elevate, adattandosi molto bene agli impianti ad acqua fluente.

Di norma vengono utilizzate in impianti di potenza superiore ai 100 kW.

Turbine ad azione La pressione relativa è nulla e la girante non è immersa in acqua.

L’involucro che contiene la turbina non deve sopportare particolari pressioni. Il flusso minimo utilizzabile, rispetto al flusso nominale, è intorno al 10% per le Pelton e 20% per le Turgo.

Microturbina Pelton Si tratta di una turbina ad azione, utilizzata comunemente negli impianti con salti notevoli (dai 20 ai 200 metri), ma con portate dâ&#x20AC;&#x2122;acqua anche limitate(da 0,5 a 100 litri a secondo).

Essendo in grado di adattarsi anche a portate limitate, la Pelton è la turbina in assoluto piĂš utilizzata nei micro e nei mini impianti idroelettrici. Lâ&#x20AC;&#x2122;ottimo rendimento elettrico (attorno al 90%) si mantiene costante fino al 25% della portata nominale.

Turbina a flussoincrociato o Banki Conosciuta anche come Cross-Flow o a flussi incrociati, la microturbina Banki è adatta per salti d’acqua che vanno dai 5 ai 100 metri e per portate da 20 a 1000 litri al secondo.

Si tratta di una particolare turbina a due stadi, che consente cioè una doppia azione dell’acqua sulle pale. L'acqua viene prima indirizzata dal distributore verso la periferia esterna della ruota, imprimendo la rotazione.

L'acqua transita poi attraverso la parte centrale della ruota, che è cava, e fornisce un'ulteriore spinta prima di finire nel canale di scarico.

Turbina Turgo La turbina Turgo è una turbina idraulica ad azione. Sviluppata dall'azienda britannica Gilkes nel 1919, è stata derivata dalla turbina Pelton, rispetto alla quale ha un rotore più economico da realizzare, un numero di giri caratteristico più elevato e può gestire una portata d'acqua maggiore a parità di diametro.

Queste ultime due caratteristiche permettono di ridurre le dimensioni dell'alternatore e i costi di installazione.

Può raggiungere rendimenti intorno all'87%. Utilizzata per salti 50 < H < 250

Valutazione di massima della potenza dell'impianto Una prima valutazione della potenza meccanica disponibile all'albero della turbina, puo' essere fatta conoscendo la portata Q e il salto H.

Pmec=QHρgη Pmec [kW] Q portata [m3/s] H salto [m] γ peso specifico dell'acqua ~9,81 N/m3: γ = ρg, ρ densita' [kg/m3] g=9,81 m/s2 η=70-80% (scende fino al 50% nel caso di impianti da pochi kW)

PRODUCIBILITA’ La costruzione di un impianto per sfruttare l’energia potenziale dell’acqua richiede innanzitutto un salto (dislivello tra ingresso della condotta e scarico della turbina) e quindi una potenza dell’impianto stesso.

Alla potenza va abbinato un andamento nell’anno della portata (la variazione di portata influenza i livelli di presa e di scarico in modo differente, quindi nel caso di piccoli salti, il salto stesso può cambiare in modo non trascurabile).Tali andamenti in alcuni casi possono essere reperiti, altrimenti vanno misurati su un periodo di almeno 1 anno, oppure stimati.

Se la portata è costante durante l’anno si può ipotizzare un funzionamento pari a 8000ore/annue

INCENTIVI Incentivazione della produzione di energia elettrica da impianti a fonti rinnovabili diversi dai fotovoltaici D.M. 6 luglio 2012

GRAZIE PER L’ATTENZIONE