ENERGIA
IDROELETTRICA
Energia idroelettrica : che cosa è?
L'energia idroelettrica è l'unica energia da fonte rinnovabile che viene
utilizzata su larga scala e il suo contributo alla produzione mondiale di
energia elettrica è cresciuto dal 14.5% del 1986 al 20% del 1992.
L'energia idroelettrica è ampiamente utilizzata ogni volta che le
caratteristiche naturali e le condizioni economiche lo rendono possibile.
L'energia del Sole fa evaporare l'acqua dagli oceani e il vapore risale a
grandi altezze in atmosfera. Quindi l'acqua acquista energia potenziale
nonché energia cinetica quando, infine, cade sulla Terra sotto forma di
pioggia sulle montagne o scorre verso il mare nei fiumi lungo i quali
possiamo costruire delle dighe. Infatti si può dire che l'acqua è il fluido in
una enorme macchina termica alimentata dal Sole.
Gli ingegneri che partecipano alla
progettazione e alla realizzazione di impianti
idroelettrici devono prendere decisioni
importanti, dopo aver considerato la geografia
del luogo, l'ambiente biologico e il tipo e le
dimensioni dell'impianto.
Sei pronto a scoprire tutti i dettagli di un
impianto idroelettrico?
La storia dell'energia idroelettrica
Già nell'85 a.C., l'energia cinetica contenuta nell'acqua di un fiume che
scorreva rapido o l'energia potenziale dell'acqua che precipitava in una
cascata erano riconosciute ed usate per alimentare semplici macchine. I
Romani sfruttarono l'energia dell'acqua per coltivare i loro campi invece di
usare i cavalli, che gli erano necessari in battaglia e nelle azioni di conquista.
In Inghilterra, attorno all’ anno 1000 esistevano ben
5.624 mulini ad acqua. Questo numero crebbe, in
seguito, fino a oltre 20.000; l'energia prodotta veniva
utilizzata per macinare il grano, per azionare mantici
e martelli per forgiare il ferro, per affilare strumenti e
armi, per la manifattura tessile, per conciare le pelli e
anche per pompare fuori l'acqua dalle miniere.
Comunque, la potenza prodotta da questi mulini ad
acqua raramente superava i 10 KW. L'arrivo dell'energia
elettrica spinse a progettare e costruire nuove ruote ad
acqua molto più veloci, collegate a grosse dinamo che
producevano un'adeguata quantità di elettricità:
nacquero così le turbine idrauliche.
Dighe: a cosa servono?
Le dighe sono costruite attraverso bacini d'acqua in moto e hanno due scopi.
Il primo è alzare il livello dell'acqua, accrescendo così l'energia potenziale
dell'acqua e l'altro è creare una riserva d'acqua per compensare cambiamenti
nella portata dei fiumi o richieste di energia.
Alcune dighe non hanno capacità di conservare riserve d'acqua. Impianti
ulteriori nelle adiacenze di una diga possono includere scarichi, chiuse o valvole
per controllare il deflusso dell'acqua in eccesso; numerose condotte per portare
l'acqua alla centrale elettrica, meccanismi per rimuovere dal bacino il limo che si
accumula col passar del tempo e sistemi per consentire il passaggio di
imbarcazioni o pesci attraverso la diga.
L’impianto di immagazzinamento
sul lago Michigan, il più grande del
mondo
L’impianto idroelettrico sulla
diga Kariba, nello Zimbawe
Come sono fatte le dighe?
Le dighe sono, tra le strutture create dall'uomo sul pianeta, quelle di
dimensioni maggiori. Costruite in calcestruzzo, o semplicemente con rocce
e terra, possono essere alte fino a 285 metri (Diga Grande Dixence, in
Svizzera) e lunghe fino a 50 km (Diga di Kiev, in Russia). La diga Itaipu, nel
Sud America, si estende per circa 8 km attraverso il fiume Parana. Per la
costruzione di questa diga sono stati utilizzati 11 milioni di metri cubi di
calcestruzzo (abbastanza per costruire 4 o 5 città). A piena potenza, i suoi
generatori producono oltre 12 MW di energia elettrica. Per costruire una diga
sono necessarie le competenze di molti ingegneri: gli ingegneri civili e
ambientali progettano e supervisionano i lavori.
Da analisi dettagliate del suolo e delle strutture rocciose sul luogo
proposto, gli ingegneri determinano la migliore collocazione per la
diga e il suo progetto di massima in modo da assicurare anche la
considerazione dell'impatto ambientale. Gli ingegneri elettrici
progettano e costruiscono le turbine per la produzione di energia
elettrica. I sistemi di controlo e monitoraggio sono progettati da
ingegneri elettronici e realizzati utilizzando i più avanzati calcolatori
elettronici.
Come fa l'acqua,
muovendosi, a produrre
energia elettrica?
Le turbine idrauliche convertono
l'energia di una riserva d'acqua in
posizione elevata o di un corso
d'acqua nell'energia meccanica
di un'asta rotante.
La maggioranza delle turbine idrauliche sono simili
ai propulsori di un'imbarcazione. Sono formate da
diverse lame, o pale, posizionate ad un angolo che
può essere modificato a seconda della potenza di
uscita richiesta per la turbina.
L'asta rotante aziona un generatore elettrico che
trasforma l'energia meccanica in energia
elettrica. L'immagine qui accanto mostra la
proporzione tra le dimensioni di un piccolo
generatore e quelle di un essere umano.
Quanta energia idroelettrica può ancora essere
prodotta nel mondo?
La quantità totale di acqua nel mondo non cambia. Quando il calore del Sole fa
evaporare l'acqua sulla superficie della Terra, l'acqua si sposta nell'atmosfera
per poi ricadere di nuovo sulla Terra ; Il potenziale energetico è una misura della
quantità di acqua che scorre verso gli oceani e della distanza verticale che essa
percorre prima di arrivare a questa destinazione.
I diagrammi a torta in basso mostrano un'indicazione della potenza massima
generabile in ogni continente sfruttando le sue caratteristiche geografiche e
tenendo conto anche del suo livello di sviluppo economico e tecnologico.
Il continente col maggiore potenziale teorico è l'Asia, con 16.486 TWh e questo
è probabilmente dovuto al suo esteso sistema montuoso.
Gli scienziati concordano sulla
possibilità di accrescere la
produzione totale di energia
idroelettrica fino a 5 volte
quella attuale. Questo significa
che, negli anni a venire, si
dovranno costruire molti nuovi
impianti idroelettrici.
Possiamo mettere da parte tutta questa
energia per usi futuri?
Gli impianti di ripompaggio consentono di immagazzinare grosse quantità di
energia elettrica. Essi mettono da parte l'energia dell'acqua in periodi di
bassa richiesta pompando l'acqua da un bacino a quota più bassa in uno a
quota più alta (di solito con una differenza di quota di almeno 100 metri).
Quando poi c'è forte richiesta di energia elettrica ed è costoso produrla con
impianti tradizionali, l'elettricità viene prodotta permettendo all'acqua di
scorrere, dal bacino in alto, attraverso la stessa pompa/turbina.
Inoltre, molti impianti di immagazzinamento funzionano anche come impianti
idroelettrici tradizionali o come pompe per sollevare l'acqua per l'irrigazione
o per uso pubblico.
Nel 1990, esistevano nel mondo 283 impianti del genere, che insieme
rappresentavano una capacità massima combinata di 74 GW, ed altri 25
erano in costruzione. Nel 1991, l'efficienza di questo tipo di sistemi di
immagazzinamento dell'energia era cresciuta dell' 80%.
I vantaggi generali di questo sistema di immagazzinamento dell'energia sono
così grandi che si stanno costruendo impianti sotterranei, scavando il bacino
inferiore nella roccia, anche a 300 metri di profondità.
I vantaggi generali di questo sistema di immagazzinamento dell'energia
sono così grandi che si stanno costruendo impianti sotterranei, scavando
il bacino inferiore nella roccia, anche a 300 metri di profondità.
Questi nuovi impianti possono essere completamente isolati dalle
sorgenti naturali di acqua, come fiumi o oceani, e sono progettati per far
muovere la stessa acqua su e giù per questa enorme distanza verticale,
fornendo così molta più energia per unità di volume di un impianto
tradizionale che sfrutta un dislivello naturale.
Quale impatto sull'ambiente ha la
costruzione di una diga?
Impatti ambientali diretti, come la deviazione di una massa d'acqua, le
trivellazioni, l'alterazione di pendenza sono solitamente minori rispetto agli
impatti di tipo indiretto, come la costruzione di abitazioni per gli operai e le
loro famiglie (specialmente nei paesi in via di sviluppo), i problemi di salute
pubblica per queste persone, la massiccia deforestazione e l'introduzione di
una nuova, seppure temporanea, rete di trasporti. Le costruzioni di grandi
dimensioni portano alla creazione di altre industrie che usino gli stessi
trasporti e infrastrutture abitative. Le comunità locali traggono vantaggio da
questo sviluppo industriale che porta capitali per un nuovo sviluppo
economico e una più definitiva rete di comunicazioni.
Quali sono gli effetti sul suolo circostante?
1- Inondazioni
Quando si crea un bacino idrico allagando un'area di terra, l'ecosistema
originario è solitamente distrutto dal brusco cambiamento dell'ambiente. La
terra deve conservare la sua ricchezza e diversità di specie biologiche.
2 - Spostamento degli abitanti del luogo
Gran parte degli abitanti della zona dovrà traslocare e chiaramente dovrà
essere compensata in qualche modo. Quindi lo spostamento della
popolazione locale incide sul costo del progetto e crea anche opposizione ala
sua realizzazione.
3 - Cambiamenti nel microclima
Tutte le grosse masse d'acqua, compresi i bacini idrici, influenzano in
qualche modo il clima locale. Come conseguenza dell'evaporazione, i livelli
di umidità tendono ad essere più alti nelle zone immediatamente adiacenti
un bacino artificiale e questo significa nebbia.
Nei tropici, i bacini artificiali alterano il ciclo convettivo nell'atmosfera e
quindi portano ad una riduzione della copertura di nubi.
4 - Attività tettonica
Grossi bacini idrici possono influenzare anche l'attività tettonica (cioè il
movimento delle formazioni rocciose sotterranee). Ad esempio, il bacino
Vouglans in Francia venne riempito tra l'aprile 1968 e il novembre 1969 e
poi parzialmente svuotato tra il dicembre 1970 e il marzo 1971 e finalmente
riempito rapidamente nel luglio 1971. Nella metà del mese di luglio, si
verificò un terremoto di intensità 4.5 sulla scala Richter, seguito da altri 20
terremoti il cui epicentro era appena a 5 km dal bacino. Nessun terremoto
era mai stato registrato prima in quella regione.
5 - Estinzione di specie locali
L'estinzione delle specie locali può essere ridotta trasferendo i vertebrati
in nuove zone (proprio come fece Noè con la sua arca!). Questo
drammatico salvataggio di grossi animali riceve di solito molta attenzione
dai media. Ma i salvataggi non vanno sempre a buon fine: trapiantare la
vita animale in un nuovo habitat, dove c'è da competere con le specie
native, provoca alti tassi di mortalità. Per questo motivo, ogni progetto
deve avere dei piani specifici ed efficaci per la salvaguardia e la
ricollocazione delle specie durante la realizzazione dell'impianto.
Le attività dell'impianto elettrico influenzano la qualità
delle acque del fiume?
I fiumi hanno un ruolo fondamentale nella conservazione dell'ecosistema in
quanto garantiscono la circolazione di acqua e di nutrienti disciolti in acqua.
Alterare le condizioni di un corso d'acqua mediante la creazione di un bacino
artificiale o di una diga significa trasformare un fiume ben ossigenato in un
lago 'anossico'; la privazione di ossigeno delle acque riduce alla fame molte
delle specie viventi.
Maggiore è l'interruzione del flusso naturale delle acque e maggiore sarà
l'impatto sull'ecosistema e la riduzione di qualità delle acque. Inoltre, l'acqua
nei bacini delle dighe tende ad accumulare limo e sedimenti, soprattutto a
causa della ridotta velocità di deflusso e questi materiali riducono l'efficienza
delle pompe idrauliche
e delle turbine.
Ad esempio, dopo soli quattro anni di attività, la diga Sanmen George sul
Fiume Giallo in Cina aveva perso il 41% della sua capacità idrica e il 75% della
sua potenza massima di 1.000 MW a causa del deposito di sedimenti. E'
possibile progettare chiuse per spazzare via continuamente il limo che si
accumula sul fondo del bacino e spingerlo a valle, ma questa strategia fa
perdere parte della potenza al bacino.
La presenza di una diga impedisce anche alle specie ittiche che migrano di
superare la forte pendenza. L'introduzione di 'scale' per la risalita dei pesci
può ridurre questo inconveniente, ma c'è un limite all'altezza a cui un pesce
può arrampicarsi. La costruzione di una sequenza di dighe lungo un fiume,
secondo alcuni specialisti, potrebbe preservare qualche tratto di corrente
veloce lungo il corso del fiume, per facilitare la crescita delle specie e
l'ossigenazione.
Qual è la vita media di un impianto?
Alcune installazioni idroelettriche hanno una vita media compresa tra circa 50
e 200 anni poiché le loro capacità di immagazzinare acqua sono fortemente
ridotte a causa dell'accumulo di limo e sedimenti. Quando un bacino idrico si
è riempito di limo al punto da non essere più utilizzabile per immagazzinare
acqua, la manutenzione della diga diviene un carico gravoso. Le aree a valle
devono essere protette dall'improvviso rilascio di enormi quantità di fango
che possono riversarsi nel caso di rottura della diga.
Cosa accade se una diga si rompe?
I bacini idrici sono spesso collocati a monte di aree densamente popolate.
Questo rappresenta un considerevole rischio in caso di rottura di una
diga, causato ad esempio da attività sismica, che può anche
essere provocata dal bacino di acqua trattenuta dalla diga.
La tragedia del Vajont ha reso evidente a tutti l'enorme importanza che può
assumere il problema della stabilità delle sponde di un invaso artificiale.
Il 9 ottobre 1963 una massa rocciosa di 300 milioni di metri cubi si staccava dai
fianchi del monte Toc (in Veneto, nella provincia di Belluno) e scivolando a
velocità vertiginosa nel lago del Vajont dislocava in pochi secondi un volume
d'acqua di 48 milioni di metri cubi che, tracimando sul coronamento della diga
(con i suoi 265 metri di altezza la più alta diga dell'epoca) con un fronte alto
fino a 230 metri, si abbatteva nella gola sottostante e raggiungeva la
confluenza del Vajont nel Piave sotto forma di una gigantesca onda di piena,
alta circa 120 metri, che spazzava via l'abitato di Longarone espandendosi a
ventaglio lungo il corso del Piave seminando morte e distruzione (circa 3000
vittime umane).
Pur senza arrivare alla gravità del disastro del Vajont, il cedimento delle
sponde di un lago artificiale può provocare gravissimi danni tanto
all'impianto, fino a renderlo del tutto inutilizzabile, quanto a strade, ferrovie,
centri abitati, industrie e colture insediati ai margini del nuovo lago.
Rotture di dighe con effetti catastrofici si sono verificate spesso nel secolo
scorso. Tra il 1918 e il 1958, ci sono stati 33 incidenti seri a dighe negli Stati
Uniti con 1680 morti; una media di 42 morti all'anno. Dal 1959 al 1965, 9
incidenti seri in tutto il mondo.
Qual è il futuro dell'energia idroelettrica?
Sebbene gli impianti idroelettrici siano molto più efficienti delle centrali
elettriche alimentate da carburante fossile, il problema fondamentale è quanti
impianti idroelettrici può sopportare l'ambiente. Con il crescere del numero di
impianti nel mondo, i luoghi ideali sono già stati sfruttati e quindi si passerà a
quelli più poveri e più fragili dal punto di vista ambientale che porteranno ad
impianti meno efficienti e di minore potenza, ma contemporaneamente
causeranno danni più gravi all'ambiente circostante.
Questo limite alla costruzione di nuovi impianti verrà raggiunto in un
prossimo futuro - in Svezia, Norvegia, Brasile, Stati Uniti, Ungheria si stanno
già facendo sforzi per rallentare la progettazione e la costruzione di questi
impianti.
Con un maggiore impegno nel prevenire i danni all'ambiente, compresa
un'opportuna analisi nella scelta della localizzazione degli impianti, questo
limite alle nuove costruzioni potrà essere affievolito.
Comunque, gli impianti per immagazzinare l'energia prodotta dall'acqua
possono progredire ulteriormente, non solo ricorrendo a dighe sui fiumi
ma anche sfruttando acque sotterranee e comprendendo la produzione di
energia dal Sole, dai venti e dalle maree.