Corso di Formazione ESTATE
Energie Rinnovabili da
Fonte non Solare
Energia Idraulica
Daniele Cocco
Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Università degli Studi di Cagliari
[email protected]
http://dimeca.unica.it/~cocco/
Luglio 2010
La storia dell’energia idraulica
Dall’epoca Romana
… agli inizi del ’900.
La storia dell’energia idraulica
La storia dell’energia idraulica
La storia dell’energia idraulica
La storia dell’energia idraulica
Pelton (1900)
Francis (1840)
Kaplan (1910)
Il ciclo dell’acqua
Precipitazione
Evaporazione
Lo schema di impianto
Pozzo
piezometrico
Sezione di presa (o
bacino di monte)
Vasca di
carico
1
Canale a pelo
libero
H0
Condotta
forzata
Sezione di scarico
(o bacino di valle)
Centrale
A
E = m ∙ 9,81 ∙ H0
S
2
Potenziale idraulico
Precipitazioni medie annue di 1000
mm (800 mm sulla terraferma e 1250
mm sui mari)
La superficie delle terre emerse è di
circa 150 milioni di km2
Il volume d’acqua corrispondente è
pari a circa 0,8x150 1012=120 000
miliardi di m3/anno (circa 50000 al
netto della evaporazione)
Potenziale idraulico
Tale volume ritorna al mare con un
salto medio di 400-500 m
L’energia idraulica potenzialmente
disponibile varia pertanto da 50000 a
70000 TWh/anno, peraltro ridotta del 1520% per via dei rendimenti delle turbine
In realtà quella tecnicamente
utilizzabile è solo il 30-40% e quella
economicamente utilizzabile il 1015%, ovvero 6000-12000 TWh/anno
La produzione attuale
Paesi OECD
EU-25
Produzione
elettrica totale
(TWh/anno)
9938,33
3118,56
Energia idroelettrica
TWh/anno
1317,33
324,17
(%)
13,3
10,4
Italia
293,87
44,28
15,1
Paesi non OECD
Totale mondiale
6803,55
16741,88
1408,49
2725,82
20,7
16,3
Tabella 3.1 – Produzione di energia idroelettrica nel 2003 (fonte: IEA).
Ci sono margini ampi per sfruttare il potenziale idraulico
soprattutto in Asia, Cina e Africa (es. Cina, Diga delle tre
Gole, 26 turbine da 700 MW, 40 miliardi di mc, 17 anni di
costruzione, 1 milione di persone evacuate)
La situazione in Italia
350
Impianti idroelettrici
Energia elettrica (TWh/anno)
300
Impianti termoelettrici
Energia richiesta
250
200
150
100
50
0
1884
1904
1924
1944
1964
1984
2004
Produzione in Italia di energia idroelettrica.
La situazione in Italia
70
Impianti idroelettrici
Potenza efficiente lorda (GW)
60
Impianti termoelettrici
50
40
30
20
10
0
1934
1944
1954
1964
1974
1984
1994
2004
Potenza degli impianti idroelettrici italiani.
Situazione Impianti al 2009
(6,3%)
Bilancio dell’energia elettrica
18,3%
4,3%
Bilancio dell’energia elettrica
Il contributo delle Rinnovabili è
stato del 22,6% nel 2009 contro
il 18,5% del 2008
Lo schema di impianto
Sezione di presa (o
bacino di monte)
Vasca di
carico
1
Canale a pelo
libero
H0
Pozzo
piezometrico
Condotta
forzata
Sezione di scarico
(o bacino di valle)
Centrale
A
S
2
Classificazione degli impianti
Portata d’acqua
Salto lordo
Potenza netta
Piccola taglia
< 10 m3/s
< 50 m
< 5 MW
Media taglia
10-100 m3/s
50-250 m
5-200 MW
Grande taglia
> 100 m3/s
> 250 m
> 200 MW
Gli impianti si suddividono in:
1) Impianti ad acqua fluente (10-12%)
2) Impianti a bacino (40-45%)
3) Impianti di pompaggio (40-45%
Classificazione degli impianti
45
40
Potenza oraria (GW)
35
Pompe
Serbatoio
Modulata
Termica Conv.
Estero
CIP 6
Acqua fluente
Geotermica
30
25
20
15
10
5
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Impianti ad acqua fluente
Impianti senza canale derivatore
Impianti ad acqua fluente
Impianti intubati
Impianti inseriti in canali irrigui
Camera di
carico
Centrale
Canale di
bypass
Impianti inseriti in canali irrigui
Su canale preesistente solo piccola presa
con ridotto allargamento del canale
Impianti nel sistema di fornitura
dell’acqua potabile
Impianti a bacino
Centrali a
piede di diga
Impianti a bacino
Turbina a sifone
Gli impianti di pompaggio
Sono costituiti da due bacini uno a monte e
uno a valle collegati da una condotta
La macchina è di tipo reversibile, ossia può
funzionare sia come pompa sia come
turbina
Di giorno, l’acqua del bacino di monte
fluisce a valle e produce energia
Di notte l’eccesso di energia della rete
viene utilizzato per pompare il fluido dal
bacino di valle a quello di monte
Gli impianti di pompaggio
In realtà consumano energia come si evince
facilmente calcolando il rendimento
dell’impianto. I rendimenti complessivi degli
impianti di pompaggio sono dell’ordine del
65-75%.
1
E E ,notte  V    g  H 
pompa
E E, giorno  V    g  H  turbina
 pompaggio 
E E , giorno
E E ,notte
  pompa  turbina
Le risorse idrauliche
Le risorse idrauliche
Le risorse idrauliche
Precipitazioni in Sardegna nel 2004-2005.
La curva dei deflussi
Z
Affluente 1
Impianto A
Impianto B
H0,A
Affluente 2
H0,B
Energia idraulica
potenziale
Opere di
presa
Affluente 3
Impianto
VD,B
VD
Figura 3.10 – Andamento dei deflussi di un corso
d’acqua in funzione della quota geodetica.
L’idrogramma delle portate
12
Portata
Deflusso minimo vitale
Portata media
8
6
4
2
Figura 3.11 – Idrogramma delle portate di un corso d’acqua.
35
8
33
7
31
6
29
5
27
4
25
3
23
2
21
1
19
0
16
9
14
8
12
7
10
6
85
64
43
22
0
1
Portata d'aqua (m3/s)
10
Il diagramma delle durate
12
Portata
Portata media
Deflusso minimo vitale
8
6
4
2
Figura 3.13 – Diagramma delle durate.
4
36
3
34
2
32
1
30
0
28
9
25
8
23
7
21
6
19
5
17
4
15
3
13
2
11
91
70
49
28
0
7
Portata d'acqua (m3/s)
10
Il rendimento e la potenza
Pozzo
piezometrico
Sezione di presa (o
bacino di monte)
Vasca di
carico
1
Canale a pelo
libero
Condotta
forzata
H0
Sezione di scarico
(o bacino di valle)
Centrale
A
G 
lE
gH 0

gH t , A  gH t , 2
gH 0

lT
S

lE
gH t , A  gH t , 2 lT
PE  Q    l E  Q    gH 0 G
2
  C  T   O
Le opere di presa e la diga
Le perdite alla presa
Fiume
TRAVERSA
GRIGLIA
Condotta
Figura 3.18 – Opere di presa.
H D,G
1,333

 c2


b
  K B  sin   
 sin   G


a

 2g
kB = fattore di ostruzione
= inclinazione griglia
b = spessore barra
a = luce fra le barre
cG = velocità dell’acqua
 = angolo sulla corrente fluida
Le perdite nel canale aperto
Tipo di canale
N° di Manning
Canali in terra
Pulito
Ghiaia
Inerbito
Ciottoli, sassi
Canali artificiali rivestiti
Ottone
Acciaio saldato
Acciaio verniciato
Acciaio chiodato
Ghisa
Calcestruzzo lisciato accuratamente
Calcestruzzo non lisciato
Legno piallato
Mattonelle
Laterizio
Asfalto
Metallo corrugato
Muratura in breccia
0,022
0,025
0,030
0,035
0,011
0,012
0,014
0,015
0,013
0,012
0,014
0,012
0,014
0,015
0,016
0,022
0,025
Tabella 3.2 – Valori tipici del coefficiente di Manning.
H D,CL  i  LCL
i = pendenza canale
LCL = lunghezza canale
Le perdite nella condotta
H D ,CF  f 
f
LCF
DCF

2
cCF
2g
f = fattore d’attrito (dall’abaco di Moody)
LCF = lunghezza condotta
DCF = diametro condotta
cCF = velocità dell’acqua
Re 
DCF  cCF

Le altre perdite
H D,J  K J 
2
cCF
2g
kJ = coefficiente di perdita
cCF = velocità dell’acqua
Elemento
Imbocco a spigolo vivo
Imbocco raccordato
Sbocco in aria o sommerso
Curva a 90° con R/D=1
Curva a 90° con R/D=2
Curva a 90° con R/D=3
Valvola a saracinesca
Valvola a farfalla
KJ
0,50
0,20-0,30
1,00
0,25-0,40
0,15-0,25
0,10-0,20
0,15-0,20
0,60-0,70
Tabella 3.5 – Coefficiente di perdita di elementi di condotte idrauliche.
Le turbine idrauliche
La turbina Pelton
La turbina Pelton
La turbina Francis
La turbina Francis
La turbina Francis
La turbina Francis
Generatore
A
Acqua dalla
condotta
Turbina
ore
S
2
D
Diffusore
Bacino di
scarico
Figura 3.27 – Schema di installazione del diffusore in una turbina Francis.
La turbina Kaplan
La turbina Kaplan
La turbina Kaplan
Il rendimento di turbina
100
Rendimento (%)
80
60
40
Pelton
Francis
Kaplan
Elica
20
0
0
0.2
0.4
0.6
Portata (Q/Qnominale)
0.8
1
Dimensionamento della turbina

Condizioni di massimo
rendimento
Famiglia di
turbine XYZ
M
M

Q
n D
3

Coefficiente di portata
Dimensionamento della turbina

gH
n D
2

2
Coefficiente  in
condizioni di  massimo
Coefficiente di
pressione
Famiglia di
turbine XYZ
M
nS 

1

3
2
4
n
Q
1
2
gH 3 4
Numero di giri
specifico
M

Q
n D
3

Coefficiente di portata
Elementi di costo
a)
b)
c)
d)
Turbina = 40 ÷ 50 %
Condotte e opere civili = 20 ÷ 50 %
Linee elettriche = 5 ÷ 20 %
Progettazione e spese varie = 10 ÷ 30 %
1400
Condotta forzata: 150-250 €/m
Costo specifico (€/kW)
Investimento totale: da 1500 a
3500 €/kWe
1200
Pelton
Francis
Kaplan
1000
800
600
Costo gestione e manutenzione
annua: 3-5% del costo iniziale
400
0
500
1000
Potenza turbina (kW)
Figura 3.33 – Costo specifico di investimento di
alcune turbine idrauliche.
1500
FINE