Corso di Energetica A.A. 2013/2014

Mini Idroelettrico – Parte Prima

Prof. Ing. Renato RicciDipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche

Università Politecnica delle Marche

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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 turbina Pelton

1881 prima illuminazione pubblica alimentata daidroelettrico (Niagara Falls city)

1882 prima centrale idroelettrica (US, Wisconsin,Appleton sul Fox River)

1908 prima grande diga di sbarramento

1910 turbina Kaplan

1920 circa primi impianti idroelettrici in Alto Adige

Lo sfruttamento dell’acqua corrente è stato unadelle prime fonti di energia utilizzate dall’uomo:

L’obiettivo è la conversione dell’energia potenzialeposseduta da una massa d’acqua in quota in energiameccanica o elettrica.

Lo sfruttamento energetico dell’acqua

• Si sfrutta il dislivello topografico esistente tradue punti posti a monte ed a valledell’impianto di produzione (salto H),trasformando l’energia potenziale dell’acquain energia meccanica di rotazione dellaturbina che viene convertita direttamente inenergia elettrica tramite il generatore. Untrasformatore permette quindi l’immissionein rete dell’energia elettrica prodotta.

• L’energia così creata è direttamenteproporzionale al salto ed alla portata d’acquatrattata. P = potenza [W]

H= salto [m]Q = portata volumetrica [m3/s]ρ = densità dell’acqua [kg/m3]η = rendimento complessivo

DEFINIZIONE DI MINI – IDROELETTRICODOE (USA): small hydropowers da 100 kW a 30 MW

mini hydropowers sotto a 100 KWUK: < 20 MWFrancia: <12 MWPortogallo, Spagna, Irlanda, Belgio, Grecia: <10 MWITALIA: < 3 MW (micro < 100 kW, pico < 5 kW)SVEZIA: <1,5 MWESHA (European Small Hydropower Association): <10 MW

Principi e definizioni

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VANTAGGI

+ è una risorsa pulita: non produce gas ad effetto serra (non prevede processi di combustione) né ladispersione di inquinanti nelle acque

+ è una risorsa sostenibile: è economicamente conveniente, (l’efficienza della conversione dell’energia èelevata)

+ 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 perditedi 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 prodottanel 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

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SVANTAGGI

- è comunque più costoso dei sistemi di generazione tradizionale o del “grande” idroelettrico

- elevati costi impiantistici iniziali

- può comportare impatto ambientale

Pro e Contro

Per capacità di regolare l’utilizzazione dell’acqua (GSE), ovvero per capacità di accumulo. Taleclassificazione dipende dalla durata di invaso dell’impianto, ossia dal tempo necessario perfornire al serbatoio un volume d’acqua pari alla sua capacità utile con la portata mediaannua 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 diinvaso uguale o minore di 2 ore.

Per salto sfruttato

- Salti elevati: 100 m ed oltre

- Salti medi: tra 30 e 100 m

- Salti bassi: tra 2 e 30 m

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Classificazione degli Impianti

Per tipologia di impianto

- Impianti ad acqua fluente

- Impianti al piede diga

- Impianti integrati in canali irrigui o nellelinee di distribuzione dell’acqua potabile

Andamento della produzione lorda da fonte rinnovabile in Italia (GWh)

[fonte: GSE]

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L’idroelettrico in Italia (1)

2010su produzioneidroelettrica

serbatoio 26.34%

bacino 31.13%

a. fluente 42.53%

• Nel 2010 (massimo storico) la potenza idroelettricainstallata rappresenta il 59% di quella relativaall’intero parco impianti rinnovabile.

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 allamaggiore presenza nelle regioni del Sud di impianti ad acqua fluente, di taglia molto più ridotta.

Situazione Regionale (2)

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Sono impianti che consentono la produzione di energia direttamente dalla portata dei fiumi quando questisono in grado di fornirla: quando il fiume diminuisce la portata sotto un certo limiti minimo, la produzione dienergia cessa.

salti medi o elevati

• si possono utilizzare sbarramenti o traverse il cui ruolo non è quello di accumulare acqua, ma di innalzare illivello 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 oregolare la produzione.

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Impianti ad acqua fluente

salti piccoli

sono tipici delle valli fluviali. Si possono averedue tipi di configurazioni:

• impianti con un salto creato da chiuseprovviste di settori, ingresso alla centraleintegrato e canale di bypass per la faunaittica (a destra)

• impianti simili a quelli con salti maggiori,con invaso ottenuto con degli sbarramentie brevi condotte forzate (sotto)

Impianti ad acqua fluente

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• In genere gli impianti di piccola taglia nonpossono permettersi la costruzione di grandibacini di accumulo per ottimizzare la portata odaumentare il salto a causa degli elevati costi nellarealizzazione delle grandi dighe e delle operestrutturali annesse.

• Può essere però vantaggioso sfruttaresbarramenti naturali o artificiali già esistentiutilizzati per altri scopi (irrigazioni, acquedotti).

• La difficoltà principale consiste nel comerealizzare il collegamento tra monte e valle dellosbarramento e come posizionare la turbina

• Se la diga esistente possiede già un condotto dievacuazione alla base, lo si può sfruttare comecanale di presa

• Se la diga non è eccessivamente alta si puòutilizzare un sifone di collegamento (salti fino a10m). La turbina può essere collocata sia sullasommità dello sbarramento che vicino alla base avalle.

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Impianti al piede diga

L’applicazione più comune consiste nell’integrazione nellosfruttare i canali di irrigazione della campagne. Si possonoavere due tipologie impiantistiche:

1. Impianti nel canale stesso, operando un allargamentodel canale per inserire l’installazione della camera dicarico, della centrale, dello scarico e del bypasslaterale. Quest’ultimo serve per garantire comunqueuna portata per le irrigazioni, anche in caso di impiantofermo. Questa soluzione può essere adottata se i canalisono ancora in fase di progetto, poiché realizzare leopere su canali pre-esistenti può essereeccessivamente costoso.

2. Impianto parallelo al canale. Se il canale esiste già, sipuò optare per questa soluzione che prevede unmodesto allargamento del canale per permetterel’inserimento delle opere di presa e degli sfioratori. Uncanale o una condotta forzata esterni paralleli al canaleprincipale portano l’acqua alla turbina. Una brevecondotta di scarico riporta il fluido nell’alveo.

In genere nei canali non occorrono passaggi per consentirela migrazione dei pesci.

Impianti integrati in canali irrigui

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figure 1.8

L’acqua potabile per usi civili è fornita alle abitazioni da bacini di accumulo in quota attraverso condotte in pressione. Ingenere si usano delle speciali valvole per smaltire l’eccessiva pressione alla fine dei condotti prima dell’ingresso nelle centralidi trattamento delle acque.

L’applicazione di turbine al posto delle valvole consente un recupero di energia altrimenti persa, a patto però di evitarefenomeni 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 controlloper 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 bypassprincipale e instaurazione di una eccessiva pressione.

Tutte le aperture/chiusure devono avvenire lentamente per evitare i colpi d’ariete.

Impianti integrati nelle linee di distribuzione dell’acqua

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Il progetto di un impianto si presenta come il risultato di un processo complesso e iterativo, dove vengonoconsiderati l'impatto ambientale e le diverse opzioni tecnologiche a disposizione. Questi elementi sonostimati anche alla luce delle dovute valutazioni economiche. Come indicazione di massima, è possibiledescrivere i passi fondamentali da seguire, prima di decidere se si debba procedere o meno ad undettagliato studio di fattibilità o meno.

Pianificazione di un impianto

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studio dellatopografia e

geomorfologiadel sito

valutazionedella risorsa

idrica e del suopotenzialitàenergetico

scelta del sito edel layoutd’impianto

scelta dellaturbina

idraulica, delgeneratore edel sistema diregolazione

valutazionedell’impatto

ambientale edelle misure dimitigazione da

adottare

valutazioneeconomica efinanziaria del

progetto

analisi dellalegislazione e

delle procedureamministrative

necessarie