UNIVERSITA’ DEGLI
STUDI DI UDINE
DIPARTIMENTO DI ENERGETICA E MACCHINE
Impianti di accumulo mediante pompaggio:
caratteristiche generali e peculiarità
funzionali
Piero Pinamonti
Piero Pinamonti - Gemona, 27
marzo 2010
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Potenza efficiente degli impianti elettrici di generazione
in italia al 31 dicembre 2008
Situazione al 31/12/2008:
Idro 21.6 %
Termo comb. 73.7 %
Geotermo 0.7 %
Eol+PV 4.0%
(Fonte: TERNA)
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3
Diagrammi di carico giornaliero
La richiesta di energia elettrica della rete di un Paese industriale viene rappresentata
dalla curva del diagramma di carico giornaliero.
La variabilità del diagramma di carico è un problema tecnico–economico legato al tipo
di centrali che alimentano la rete.
Gli impianti termoelettrici di grande potenza hanno ridotti campi di regolazione e limiti
di funzionamento ad alto rendimento estremamente limitati, al contrario degli
impianti idraulici.
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Copertura del diagramma di carico
Dalla base del carico alle punte, utilizzando gli impianti seguenti:
•
•
•
•
•
•
Impianti idraulici ad acqua fluente
Impianti geotermici
Impianti termonucleari
Impianti termici a vapore
Impianti idraulici a bacino di modulazione
Impianti idraulici a bacino di regolazione
Per i primi quattro tipi di impianti, necessario/ottimale il funzionamento il più
possibile a carico nominale (rendimento, coefficiente di utilizzazione di
impianti costosi, “lentezza” di variazioni di carico).
Gli impianti idro-elettrici a bacino ideali per effettuare la regolazione (capacità di
forti e rapide variazioni di carico, rendimenti elevati anche a carichi
parziali, forte automazione).
La loro presenza costituisce per il sistema di produzione un punto di forza per
una gestione ottimale sia tecnica che economica.
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5
54
52
50
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Andamento del
carico
giornaliero
IDRO-POMPAGGIO
IDRO-SERBATOIO
IDRO-MODULATA
TERMICO CONV.
ESTERO
IDRO-FLUENTE
GEOTERMICO
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
MW x 1.000
(Fonte: TERNA)
ore
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Caratteristiche centrali idro-elettriche:
Vantaggi:
- energia rinnovabile
- semplicità di esercizio
- “rapidità” di variazioni di carico
- utili per la regolazione
- massima automazione
- assenza inquinamento aria e acqua
Svantaggi:
- potenzialità ridotta (dipendenza da salto e portata naturali)
- modifica del paesaggio naturale: impatto ambientale
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Impianti idro-elettrici in Italia (Dati 2008)
Produttori
Autoproduttori
Italia
N impianti
2.022
169
2.191
Pot.Efficiente lorda
(MW)
21.449
101
21.640
Di cui di pompaggio
(MW)
7.659
-
7.659
Produzione
(GWh)
46.351
876
47.227
In Friuli Venezia Giulia
N impianti
122
20
142
Pot.Efficiente lorda
(MW)
442
15
457
1.694
80
1.774
Produzione
(GWh)
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(Fonte: TERNA)
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Potenza efficiente lorda
media annua
impianti idro-elettrici
in Italia
al 31 dicembre
degli anni 1963 e 2008
(Fonte: TERNA)
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Tipologie di impianti idroelettrici
Le centrali idroelettriche possono essere classificate, in base alla potenza
nominale dell’impianto:
• Micro centrali idroelettriche
P < 100 kW
• Mini centrali idroelettriche
P < 1000 kW
• Piccole centrali idroelettriche
P < 10 MW
• Grandi centrali idroelettriche
P > 10 MW
In relazione alla derivazione idraulica che alimenta l’impianto:
• Impianti ad acqua fluente
• Impianti a bacino (a regolazione parziale)
• Impianti a serbatoio (a regolazione totale)
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Schema di impianto idro-elettrico
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Schema di
centrale idroelettrica
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Impianti idroelettrici di accumulazione
mediante pompaggio
costituiti da:
due bacini a livelli diversi,
collegati da una tubazione
M/G
una turbina
una pompa
un motore/generatore elettrico
Allo stato della tecnica sono sostanzialmente i soli impianti in grado di accumulare
rilevanti quantità di energia, la cui utilizzazione può essere effettuata in tempi anche
notevolmente diversi dal periodo in cui il sistema energetico mette a disposizione
energia “primaria” che non possa essere utilizzata.
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Vantaggi Impianti idroelettrici di pompaggio
“Appiattimento” del diagramma di carico
Operazione economicamente conveniente
che porta sia alla riduzione delle potenza
installata degli impianti di base,
sia al consumo di energia elettrica a basso valore
commerciale per l’accumulo di energia che sarà
utilizzata nei periodi di maggiore richiesta della
rete e quindi con un valore commerciale
nettamente superiore (rapporto circa 3/1).
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I servizi offerti dagli impianti di accumulazione
L’inserimento di un sistema di questo genere in una rete elettrica consente di effettuare
una serie di servizi:
•
•
•
•
•
Servizio di potenza.
Servizio di trasferimento.
Servizio di rampa.
Servizio di riserva rotante.
Servizio di regolazione.
I quali corrispondono a quelli relativi agli impianti idraulici a bacino, salvo per il servizio di
trasferimento.
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Scelta dello schema d’impianto
La scelta dello schema della centrale di pompaggio dipende dalle caratteristiche
dell’impianto (portata massima e dislivello tra i bacini) ed è condizionata dall’esigenza di
ottenere il più elevato rendimento nel doppio trasferimento di energia pompa-acqua e
acqua-turbina che interviene nel ciclo di accumulazione ed utilizzazione.
L’energia utile prodotta dalla turbina raggiunge normalmente il 70-80 %, di quella utilizzata
dalla pompa (a causa dei rendimenti delle singole trasformazioni energetiche).
I gruppi macchina installati in una centrale di pompaggio possono essere così strutturati:
•
Un gruppo motore-pompa più un gruppo turbina-generatore.
•
Un gruppo turbina-pompa-generatore/motore (“impianto ternario”).
•
Un gruppo pompa/turbina-generatore/motore (“impianto binario”).
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Gruppi ternari
Motore/
Generatore
Turbina
Nei gruppi ternari le 3 macchine
generatore/motore, turbina e
pompa) sono disposte sullo
stesso asse, generalmente
con disposizione verticale.
Questa configurazione
permette di installare
l’alternatore e la turbina al di
sopra del livello dell’acqua
dello scarico, mentre la
pompa si trova al di sotto di
tale livello.
Pompa
Per salti medi le macchine
idrauliche sono radiali
monostadio (turbina Francis
e pompa centrifuga), per
salti alti la turbina è una
Pelton, e la pompa è radiale
multistadio.
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Avviamento di un gruppo ternario
In linea di massima, la sequenza delle manovre da effettuare per avviare un gruppo
ternario in servizio di pompaggio è la seguente:
•
•
•
•
•
•
•
Accoppiamento del giunto.
Riempimento d’acqua della pompa.
Avviamento del gruppo per mezzo della turbina.
Sincronizzazione e parallelo con la rete.
Chiusura della turbina e della relativa valvola.
Passaggio dell’alternatore al funzionamento come motore.
Apertura della valvola della pompa ed inizio del pompaggio.
Per passare invece dal servizio di pompaggio a quello di turbinaggio, si devono eseguire
le seguenti manovre:
•
•
•
Chiusura delle valvole a monte della pompa (il motore scende a circa metà carico).
Apertura dell’interruttore e fermata del gruppo.
Distacco del giunto ed avviamento della turbina.
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Motore/
Generatore
Gruppi binari
Utilizzo di una cosiddetta macchina
reversibile (la pompa/turbina), con
riduzione del numero delle macchine e
semplificazione dell’impianto, con
conseguente riduzione dei costi.
Questo vantaggio viene in parte attenuato
dal più basso rendimento che presenta una
macchina reversibile rispetto alle due che
sostituisce.
Nei gruppi binari, passando da un tipo di
funzionamento all’altro, il senso di rotazione
si inverte; pertanto è sempre necessario
fermare il gruppo ed invertire il senso ciclico
delle fasi di alimentazione della macchina
elettrica.
Pompa/
Turbina
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Caratteristiche dei Gruppi binari
La pompa/turbina è reversibile e invertendo il moto si ottengono i due tipi di
funzionamento
Dimensioni ridotte della centrale: sensibile economia sulle opere civili
Non c’è più il giunto
Non ci sono perdite di ventilazione in turbina durante il pompaggio
Il rendimento è inferiore in entrambi i tipi di servizio
Maggiore tempo per passare da un servizio all’altro
Salti piccoli: la Francis è come una pompa a uno stadio
Salti più elevati: si utilizza la pompa multistadio come turbina. Le prime
macchine avevano la regolazione sul distributore, oggi (Edolo) le macchine
non regolano più e sono più compatte: in questo caso, la regolazione di
portata si potrebbe ottenere direttamente con la valvola rotativa (sconsigliato)
oppure variando la velocità di rotazione
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Produzione lorda di Energia Idro-elettrica
da apporti di pompaggio in Italia (2008)
secondo regione
Regione
( GWh)
Piemonte
1.167
Lombardia
1.505
Trentino Alto Adige
45
Veneto
0,3
Emilia Romagna
326
Abruzzo
165
Campania
609
Sardegna
375
ITALIA
5.570
(Fonte: TERNA)
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Produzione lorda di energia idro-elettrica
da apporti di pompaggio in Italia
(Fonte: TERNA)
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La centrale di Fadalto
La centrale idroelettrica “Ottaviano
Ghetti”, di Fadalto, fa parte del
complesso di centrali che sfruttano il
bacino idrografico del Piave.
Questo impianto sfrutta il serbatoio di
monte del lago di S. Croce e di valle
del Lago Morto.
L’impianto attuale, entrato in servizio nel
1971, è dotato di una centrale in caverna
in cui sono installati due gruppi
ternari ad asse verticale (pompa
radiale, turbina Francis, alternatoremotore) in grado di sviluppare una
potenza massima di 120 MW ciascuno
(con portata massima 125 m3/s, salto motore 100 m).
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La centrale di Rottau in Carinzia
La centrale idroelettrica di Rottau, fa parte del
complesso di Centrali di Malta , in Carinzia, che
sfruttano una zona del bacino idrografico dell’alta
Drava.
Utilizza il serbatoio in alta quota di Kolbrein (200
milioni di m3, a 1.700 m).
La centrale è dotata di due gruppi ternari (pompa
radiale multistadio, turbina Pelton) da 180 MW
ciascuno, con caduta 1.100 m .
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La centrale di Edolo
La centrale idroelettrica di pompaggio di Edolo, in Val
Camonica, è entrata in servizio nel 1985.
Ha una potenza installata di 1.000 MW ed è uno degli
impianti idro-elettrici più grandi in Europa.
E’ costituito da 2 serbatoi in quota (lago d’Avio e lago
Benedetto) e 1 a valle (a Edolo).
L’acqua, prelevata dai serbatoi a monte è convogliata
in 2 condotte forzate alla centrale con un salto di
1.265 m.
L’impianto svolge i servizi di:
produzione di energia (media annua 220 GWh)
accumulo con pompaggio
disponibilità di immissione in rete di potenza in
pochi minuti (emergenze)
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La centrale di Edolo
La centrale è dotata di 8 gruppi reversibili ad
asse verticale.
Ogni pompa-turbina ha una potenza di 125
MW, ed è costituita da 5 giranti radiali in
serie con distributore fisso e da un
generatore-motore sincrono.
La centrale è dotata di 16 valvole rotative (2
per ciascun gruppo) per intercettare il
flusso d’acqua ad alta pressione (valvola
di manovra + valvola di sicurezza).
Il “lancio” della pompa viene fatto da una
turbina.
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26
Grazie per
la Vostra
attenzione
Piero Pinamonti