Corso di Energetica A.A. 2013/2014
Mini Idroelettrico – Parte Prima
Prof. Ing. Renato Ricci
Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche
Università Politecnica delle Marche
Lo sfruttamento energetico dell’acqua
4000 ac
impianti irrigazione Egitto e Mesopotamia
2000 ac
prime ruote ad acqua
500 ac
primi mulini ad acqua (macinazione farina, frantoi,
segherie,...)
200 ac
grandi opere idrauliche Romane (acquedotti)
IX sec. dc
ruote ad acqua a palette
XI sec. dc
primi mulini a marea
XIV sec. dc
ruote ad acqua a cassetta
1750 circa
ruota ad acqua a reazione
1767 circa
ruota ad acqua in ghisa
1824
la prima turbina
1849
turbina Francis
1866
prima produzione di en. idroelettrica (Siemens)
1880
1881
turbina Pelton
prima illuminazione pubblica alimentata da
idroelettrico (Niagara Falls city)
1908
prima centrale idroelettrica (US, Wisconsin,
Appleton sul Fox River)
prima grande diga di sbarramento
1910
turbina Kaplan
1920 circa
primi impianti idroelettrici in Alto Adige
1882
Lo sfruttamento dell’acqua corrente è stato una
delle prime fonti di energia utilizzate dall’uomo:
L’obiettivo è la conversione dell’energia potenziale
posseduta da una massa d’acqua in quota in energia
meccanica o elettrica.
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Principi e definizioni
• Si sfrutta il dislivello topografico esistente tra
due punti posti a monte ed a valle
dell’impianto di produzione (salto H),
trasformando l’energia potenziale dell’acqua
in energia meccanica di rotazione della
turbina che viene convertita direttamente in
energia elettrica tramite il generatore. Un
trasformatore permette quindi l’immissione
in rete dell’energia elettrica prodotta.
• L’energia così creata è direttamente
proporzionale al salto ed alla portata d’acqua
trattata.
DEFINIZIONE DI MINI – IDROELETTRICO
DOE (USA): small hydropowers da 100 kW a 30 MW
mini hydropowers sotto a 100 KW
UK:
< 20 MW
Francia: <12 MW
Portogallo, Spagna, Irlanda, Belgio, Grecia: <10 MW
ITALIA: < 3 MW
(micro < 100 kW, pico < 5 kW)
SVEZIA: <1,5 MW
ESHA (European Small Hydropower Association): <10 MW
P = potenza [W]
H= salto [m]
Q = portata volumetrica [m3/s]
ρ = densità dell’acqua [kg/m3]
η = rendimento complessivo
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Pro e Contro
VANTAGGI
+ è una risorsa pulita: non produce gas ad effetto serra (non prevede processi di combustione) né la
+
+
+
+
+
+
+
+
dispersione di inquinanti nelle acque
è una risorsa sostenibile: è economicamente conveniente, (l’efficienza della conversione dell’energia è
elevata)
è una risorsa rinnovabile: l’acqua non viene consumata nel processo di conversione
opportunamente progettata non è di ostacolo alla fauna
aumenta la stabilità della rete (diversificazione in sistemi di distribuzione più piccoli) e riduce le perdite
di distribuzione (decentramento produttivo)
comporta azioni di monitoraggio e manutenzione dei bacini fluviali
possiede un elevato ritorno energetico (energy payback) definito come il rapporto tra l’energia prodotta
nel corso della durata di esercizio e l’energia richiesta per la sua costruzione ed esercizio.
può essere abbinato a sistemi con altre finalità (irrigazione, controllo del bacino, acquedotti, ...
se dotata di invasi è programmabile
SVANTAGGI
-
è comunque più costoso dei sistemi di generazione tradizionale o del “grande” idroelettrico
elevati costi impiantistici iniziali
può comportare impatto ambientale
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Classificazione degli Impianti
Per salto sfruttato
- Salti elevati: 100 m ed oltre
- Salti medi: tra 30 e 100 m
- Salti bassi: tra 2 e 30 m
Per tipologia di impianto
- Impianti ad acqua fluente
- Impianti al piede diga
- Impianti integrati in canali irrigui o nelle
linee di distribuzione dell’acqua potabile
Per capacità di regolare l’utilizzazione dell’acqua (GSE), ovvero per capacità di accumulo. Tale
classificazione dipende dalla durata di invaso dell’impianto, ossia dal tempo necessario per
fornire al serbatoio un volume d’acqua pari alla sua capacità utile con la portata media
annua del corso d’acqua che in esso si riversa.
- Impianti a serbatoio: hanno durata di invaso maggiore o uguale a 400 ore.
Regolazione stagionale.
- Impianti a bacino: con durata di invaso minore di 400 ore e maggiore di 2 ore.
Modulazione settimanale o giornaliera.
- Impianti ad acqua fluente: non hanno serbatoio o hanno un serbatoio con durata di
invaso uguale o minore di 2 ore.
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L’idroelettrico in Italia (1)
Andamento della produzione lorda da fonte rinnovabile in Italia (GWh)
[fonte: GSE]
2010
su produzione
idroelettrica
serbatoio
26.34%
bacino
31.13%
a. fluente
42.53%
• Nel 2010 (massimo storico) la potenza idroelettrica
installata rappresenta il 59% di quella relativa
all’intero parco impianti rinnovabile.
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Situazione Regionale (2)
1. La maggior parte della produzione deriva dai grandi impianti idroelettrici (P > 10 MW).
2. maggior numero di impianti nelle regioni del Nord rispetto a quelle del Sud e delle isole (più piovose)
3. impianti di grossa taglia, come quelli a bacino ed a serbatoio, tipici delle regioni alpine, rispetto alla
maggiore presenza nelle regioni del Sud di impianti ad acqua fluente, di taglia molto più ridotta.
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Impianti ad acqua fluente
Sono impianti che consentono la produzione di energia direttamente dalla portata dei fiumi quando questi
sono in grado di fornirla: quando il fiume diminuisce la portata sotto un certo limiti minimo, la produzione di
energia cessa.
salti medi o elevati
• si possono utilizzare sbarramenti o traverse il cui ruolo non è quello di accumulare acqua, ma di innalzare il
livello del pelo acqua in modo che l’acqua possa entrare nell’opera di presa.
• Raramente si possono ricavare dei piccoli bacini attraverso gli stessi sbarramenti per creare delle riserve o
regolare la produzione.
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Impianti ad acqua fluente
salti piccoli
sono tipici delle valli fluviali. Si possono avere
due tipi di configurazioni:
• impianti con un salto creato da chiuse
provviste di settori, ingresso alla centrale
integrato e canale di bypass per la fauna
ittica (a destra)
• impianti simili a quelli con salti maggiori,
con invaso ottenuto con degli sbarramenti
e brevi condotte forzate (sotto)
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Impianti al piede diga
•
•
•
•
•
In genere gli impianti di piccola taglia non
possono permettersi la costruzione di grandi
bacini di accumulo per ottimizzare la portata od
aumentare il salto a causa degli elevati costi nella
realizzazione delle grandi dighe e delle opere
strutturali annesse.
Può essere però vantaggioso sfruttare
sbarramenti naturali o artificiali già esistenti
utilizzati per altri scopi (irrigazioni, acquedotti).
La difficoltà principale consiste nel come
realizzare il collegamento tra monte e valle dello
sbarramento e come posizionare la turbina
Se la diga esistente possiede già un condotto di
evacuazione alla base, lo si può sfruttare come
canale di presa
Se la diga non è eccessivamente alta si può
utilizzare un sifone di collegamento (salti fino a
10m). La turbina può essere collocata sia sulla
sommità dello sbarramento che vicino alla base a
valle.
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Impianti integrati in canali irrigui
L’applicazione più comune consiste nell’integrazione nello
sfruttare i canali di irrigazione della campagne. Si possono
avere due tipologie impiantistiche:
1. Impianti nel canale stesso, operando un allargamento
del canale per inserire l’installazione della camera di
carico, della centrale, dello scarico e del bypass
laterale. Quest’ultimo serve per garantire comunque
una portata per le irrigazioni, anche in caso di impianto
fermo. Questa soluzione può essere adottata se i canali
sono ancora in fase di progetto, poiché realizzare le
opere su canali pre-esistenti può essere
eccessivamente costoso.
2. Impianto parallelo al canale. Se il canale esiste già, si
può optare per questa soluzione che prevede un
modesto allargamento del canale per permettere
l’inserimento delle opere di presa e degli sfioratori. Un
canale o una condotta forzata esterni paralleli al canale
principale portano l’acqua alla turbina. Una breve
condotta di scarico riporta il fluido nell’alveo.
In genere nei canali non occorrono passaggi per consentire
la migrazione dei pesci.
figure 1.8
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Impianti integrati nelle linee di distribuzione dell’acqua
L’acqua potabile per usi civili è fornita alle abitazioni da bacini di accumulo in quota attraverso condotte in pressione. In
genere si usano delle speciali valvole per smaltire l’eccessiva pressione alla fine dei condotti prima dell’ingresso nelle centrali
di trattamento delle acque.
L’applicazione di turbine al posto delle valvole consente un recupero di energia altrimenti persa, a patto però di evitare
fenomeni di colpo d’ariete che rappresenta una criticità in questo tipo di applicazioni.
La turbina può scaricare in bacini di accumulo aperti od in sistemi in contropressione. Occorrono allora dei sistemi di controllo
per mantenere il livello di questi accumuli per garantire la continuità del servizio di distribuzione dell’acqua.
Tali sistemi devono prevedere:
• condotti/valvole di bypass per i casi di interruzione del funzionamento della turbina
• valvole di bypass di sicurezza ad apertura automatica (ad. es. con contrappesi) in caso di rottura della valvola di bypass
principale e instaurazione di una eccessiva pressione.
Tutte le aperture/chiusure devono avvenire lentamente per evitare i colpi d’ariete.
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Pianificazione di un impianto
Il progetto di un impianto si presenta come il risultato di un processo complesso e iterativo, dove vengono
considerati l'impatto ambientale e le diverse opzioni tecnologiche a disposizione. Questi elementi sono
stimati anche alla luce delle dovute valutazioni economiche. Come indicazione di massima, è possibile
descrivere i passi fondamentali da seguire, prima di decidere se si debba procedere o meno ad un
dettagliato studio di fattibilità o meno.
studio della
topografia e
geomorfologia
del sito
valutazione
della risorsa
idrica e del suo
potenzialità
energetico
scelta del sito e
del layout
d’impianto
scelta della
turbina
idraulica, del
generatore e
del sistema di
regolazione
valutazione
dell’impatto
ambientale e
delle misure di
mitigazione da
adottare
valutazione
economica e
finanziaria del
progetto
analisi della
legislazione e
delle procedure
amministrative
necessarie
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