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Impianti di accumulo mediante pompaggio:

caratteristiche generali e peculiarità

funzionali

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI UDINE

DIPARTIMENTO DI ENERGETICA E MACCHINE

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Situazione al 31/12/2008:

Idro 21.6 %

Termo comb. 73.7 %

Geotermo 0.7 %

Eol+PV 4.0%

Potenza efficiente degli impianti elettrici di generazione in italia al 31 dicembre 2008

(Fonte: TERNA)

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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 piùpossibile a carico nominale (rendimento, coefficiente di utilizzazione diimpianti 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 peruna gestione ottimale sia tecnica che economica.

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Andamento del

carico

giornaliero

IDRO-POMPAGGIO

IDRO-SERBATOIO

IDRO-MODULATA

TERMICO CONV.

ESTERO

IDRO-FLUENTE

GEOTERMICO

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

MW x 1.000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24ore

(Fonte: TERNA)

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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 GiuliaN impianti 122 20 142

Pot.Efficiente lorda (MW)

442 15 457

Produzione(GWh)

1.694 80 1.774

(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 idro-

elettrica

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Impianti idroelettrici di accumulazione

mediante pompaggio

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.

costituiti da:

due bacini a livelli diversi,

collegati da una tubazione

una turbina

una pompa

un motore/generatore elettrico

M/G

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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

TurbinaTurbinaTurbina

Pompa

Motore/

GeneratoreNei 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.

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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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.

Motore/

Generatore

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, alternatore-

motore) 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.

Grazie per

la Vostra

attenzione

Piero Pinamonti