Studio di riqualificazione per la produzione di energia rinnovabile nell'area di Saline Ioniche (RC)

8/18/2019 Studio di riqualificazione per la produzione di energia rinnovabile nell'area di Saline Ioniche (RC)

1/122

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI MEDITERRANEA DI REGGIO CALABRIA

FACOLTÀ DI INGEGNERIACORSO DI LAUREA TRIENNALE INGEGNERIA CIVILE

TESI DI LAUREA

STUDIO DI RIQUALIFICAZIONE PER LA PRODUZIONEDI ENERGIA RINNOVABILE

NELL’AREA DI SALINE IONICHE (RC)

Candidato: Relatore:Gabriele Candela Prof. Ing. Giuseppe Barbaro

Correlatore:Ing. Luca Sicilia

ANNO ACCADEMICO 2011-2012


2/122


3/122

2


4/122

3

INDICE

INTRODUZIONE ............................................................................................................... 5 Capitolo I ............................................................................................................................. 9

1.1 Descrizione e cause .............................................................................. 9

1.2 Onde periodiche ................................................................................. 13

1.2.1 Teoria Lineare di Stokes ............................................................ 15

1.2.2 Riflessione delle onde su parete verticale ................................ 19

1.2.3 Rifrazione e frangimento su bassi fondali ................................ 221.2.4 Il bilancio energetico riferito a un volume di controllo ........... 23

1.3 Onde di Vento: teoria degli stati di mare .......................................... 26

1.3.1 Relazioni di base nella teoria degli stati di mare ..................... 26

1.3.2 Probabilità omnidirezionale di superamento e relativo periododi ritorno .............................................................................................. 29

Capitolo II ......................................................................................................................... 31

2.1 Energia associata al modo ondoso ..................................................... 31

2.2 Classificazione degli impianti ............................................................. 33

2.2.1 Rispetto alla distanza dalla costa .............................................. 33

2.2.2 In base al principio fisico ........................................................... 35

2.3 REWEC ................................................................................................. 42

2.3.1 Descrizione .................................................................................. 42

2.3.2 Stima dell’energia elettrica prodotta su base annua ............... 45

Capitolo III ........................................................................................................................ 49

3.1 Definizione .......................................................................................... 49

3.2 Caratteristiche del bacino idrografico ............................................... 50

3.2.1 Caratteristiche morfometriche .................................................. 51

3.2.2 Reticolo Idrografico .................................................................... 54

3.3 Analisi afflussi: pioggia di progetto .................................................... 58


5/122

4

3.4 Deflussi: stima della massima portata di piena ................................. 62

Capitolo IV ....................................................................................................................... 65

4.1 Descrizione piccolo impianto idroelettrico ........................................ 65

4.2 Configurazione dei siti ........................................................................ 68

4.3 Deflusso Minimo Vitale ...................................................................... 73

Capitolo V ......................................................................................................................... 79

5.1 Descrizione .......................................................................................... 79

5.2 Inquadramento territoriale ................................................................ 80

5.3 Stima della produzione energetica REWEC3 ...................................... 90

5.3.1 Studio meteo-marino .................................................................. 90

5.3.2 Produzione energetica ............................................................. 100

5.4 Stima produzione energetica impianto idroelettrico ...................... 104

CONCLUSIONI ............................................................................................................... 115

BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................. 119

RINGRAZIAMENTI ..................................................................................................... 121


6/122

5

INTRODUZIONEOggetto della tesi sarà lo studio di fattibilità per la riqualificazione

ambientale dell’area di Saline Ioniche, in provincia di Reggio

Calabria.

La recente crisi economica ha accentuato maggiormente il ben

noto problema della reperibilità delle risorse energetiche.

Il territorio oggetto di analisi non è escluso da questa

considerazione, anzi rappresenta perfettamente le errate politiche

energetiche e ambientali degli ultimi quarant’anni, poco attente

alla valorizzazione delle risorse ed alla tematica dello sviluppo

sostenibile. La zona analizzata , che parte dall’Aspromonte fino ad

arrivare alla cos ta, è al giorno d’oggi un cimitero industriale,

nonostante le grandi potenzialità del territorio quali il tratto

montano di Montebello e la zona costiera.

Sono attualmente in corso di studio una serie di progetti a livello

nazionale riguardo la riqualificazione dell’intera zona, ma non tutti

vertono nella stessa direzione e cercano di sfruttare in maniera

idonea le peculiarità dell’area.

In questo contesto territoriale, sono state programmate due

diverse tipologie di intervento per utilizzare le grandi risorse

naturali quali il bacino idrico e la zona costiera, al fine di produrre

energia da fonti rinnovabili: un impianto idroelettrico ad acqua

fluente, ed una diga a cassoni REWEC3.

Pur sfruttando entrambi la forza idrica, questi due impianti sono

profondamente diversi: l’idroelettrico , collocato nel tratto medio

vallivo del bacino, utilizza il salto idrico, e rappresenta ad oggi un


7/122

6

settore ampiamente collaudato, nonché la prima fonte di energia

rinnovabile al mondo; la diga a cassoni REWEC, inserita invece nel

molo di sottoflutto del porto, gravemente danneggiato a causa diuna serie di mareggiate, si muove nell’ambito sperimentale della

conversione di energia a partire dal moto ondoso. Gli oceani e i

mari costituiscono una sorgente energetica altamente sfruttabile

non ancora largamente utilizzata.

Nel primo capitolo verranno quindi introdotte le nozioni di base

sull’analisi del moto ondoso, la fenomenologia ad esso collegata, ele previsioni in tempi lunghi individuando i parametri caratteristici

di una località.

Nel secondo verrà presentato un quadro generale riguardo i

dispositivi utilizzati per la conversione dell’energia d al mare.

Sebbene si stia assistendo ad una graduale convergenza verso

alcuni approcci, non ci sono idee concordanti su quali sia lamigliore tecnologia: esistono infatti numerosi dispositivi basati su

principi fisici diversi. Tra i tanti verrà approfondito il recente

sistema REWEC3 ideato e brevettato dal Prof. Boccotti nel

laboratorio naturale di Reggio Calabria. Tale diga svolge una

duplice funzione: quella di produrre buone quantità di energia e

contrastare i fenomeni di erosione proteggendo la costa.

Il terzo capitolo tratterà l’analisi del bacino idrogr afico, con

particolare attenzione alla conversione afflussi-deflussi per

ricavare la portata in un corso d’acqua specifico.

Nel quarto verranno analizzate le caratteristiche dei piccoli

impianti idroelettrici, con particolare attenzione al deflusso


8/122

7

minimo vitale da garantire per il rispetto dell’ambiente all’interno

del quale si inserisce l’opera.

Nell’ultimo capitolo , dopo un inquadramento territoriale dellazona in esame, verranno utilizzati gli strumenti teorici presentanti

precedentemente per stimare, su base annua, la produzione di

energia elettrica dei due impianti.

Per quanto riguarda l’impianto idroelettrico , dopo aver esaminato

il bacino idrografico di Montebello Ionico , ed aver fissato l’opera di

presa e di rilascio, verrà stimata la produzione energetica a partiredalle portate nel corso d’acqua in esame , garantendo, nel rispetto

della normativa, il deflusso minimo vitale.

Per la stima della produzione energetica del REWEC3, inserito nel

molo di sottoflutto del porto, danneggiato dal punto di vista

strutturale e insabbiato dal mare, verrà effettuato lo studio meteo

marino per calcolare il flusso di energia che impatta sulla diga.Dal flusso di energia sarà possibile risalire mediante opportune

considerazioni all’energia prodotta su base annua.


9/122

8


10/122


11/122

10

Per intraprendere l ’analisi di tale fenomeno è necessario rilevare

le cause che lo generano; esse possono essere così sintetizzate:

-ventoIl vento spirando sulla superficie dell’acqua trasferisce per attrito

(alle particelle superficiali) parte della sua energia cinetica e

quantità di moto generando un’ onda che non è perfettamente né

trasversale né longitudinale, ma assume una forma e una

propagazione mista tra le due. Le particelle superficiali a loro

volta, a contatto con le particelle sottostanti trasferiscono perattrito viscoso questa energia che si propaga in profondità con un

certo grado di attenuazione. Il moto che si genera è di tipo

circolatorio: lo spostamento locale è in media nullo e non si ha,

perciò, trasporto di massa ma solo di energia.

Figura 1.2 - Schematizzazione moto ondoso


12/122

11

-Correnti marine

Le onde formate anche dalle correnti marine che determinano lacircolazione delle acque nei mari a causa della

differente temperatura e salinità delle acque. Le correnti marine

possono avere movimenti orizzontali e verticali.

-Altri fenomeni

Le onde infine possono essere generate da eventi non comunicome terremoti o maremoti (generati a loro volta da eruzioni,

frane sottomarine , movimenti tettonici… ).

Anche il distacco di grossi ammassi di ghiaccio dal fronte

di ghiacciai che terminano sul mare possono in alcuni casi

generare delle onde di notevoli dimensioni. Tipici di questo

fenomeno sono per esempio i ghiacciai dell'Antartide durante lastagione estiva.

Per via della loro eccezionalità sia le onde generate dalle correnti

marine, sia quelle causate dai fenomeni elencati in precedenza,

non verranno trattate in questo testo, all’interno del quale c i

occuperemo pertanto dell’agitazione ondosa generata da eventi

eolici.

La causa principale dell’agitazione è da attribuire dunque al vento

che può influenzare la massa d’acqua in due maniere distinte.

Si prenda in considerazione un punto in mare al centro di un’area

ben definita; le onde che si formano, nell’area oggetto dell’analisi ,

possono essere dovute a un vento che soffia in zona (definita come


13/122

12

fetch), o possono essere onde che si propagano al di fuori dell’area

di generazione, cioè onde generate in precedenza da un vento che

ha soffiato in qualche parte dal bacino , lontano dall’area di analisi. Nel primo caso si chiamano “onde di vento” o “wind waves” ed è

necessaria ai fini dell’analisi la teoria degli stati di mare; nel

secondo caso si chiamano “onde di mare lungo” o “swells”.

Figura 1.3 - Fetch e propagazione delle onde


14/122

13

1.2 Onde periodiche

Le onde marine possono essere descritte con buonaapprossimazione da equazioni di tipo sinusoidale tramite gli stessi

parametri che caratterizzano i fenomeni oscillatori (ampiezza

dell’oscillazione, periodo, frequenza e lunghezza d’onda) .

In laboratorio è possibile simulare il fenomeno mediante una

piastra piana verticale oscillante periodicamente, all’estremità di

un canale che genera delle onde sulla superficie dell’acqua :

Si fissi l’immagine istantanea della superficie dell’acqua dalla quale

è possibile trarre una rappresentazione dell’elevazione η in

funzione dell’ascissa y lungo l’asse di propagazione delle onde

Figura 1.4 - Schematizzazione onde periodiche,

(a) onde nel dominio dello spazio, (b) onde nel dominio del tempo


15/122

14

(asse del canale). La funzione η( y) rappresenta le onde nel

dominio spaziale (a).

Registrando l’elevazione η della superficie dell’acqua in un puntofissato in funzione del tempo t, otteniamo invece le onde nel

dominio temporale (b).

Da queste rappresentazioni si traggono le definizioni dei parametri

fondamentali:

cresta : punto più alto dell'onda;cavo : punto più basso dell'onda;

periodo T: intervallo di tempo in secondi necessario affinché una

cresta percorra una distanza pari alla lunghezza d'onda;

altezza H : distanza verticale tra cresta e cavo;

ampiezza a=(H/2) : distanza tra la superficie libera ed il livello

indisturbato;lunghezza L : distanza orizzontale tra due creste o cavi consecutivi;

velocità (o celerità) di propagazione dell’onda c: L/T;

frequenza angolare : w=2 π /T;

numero d’onda k = 2π /L;

http://it.wikipedia.org/wiki/Tempohttp://it.wikipedia.org/wiki/Tempo


16/122

15

1.2.1 Teoria Lineare di Stokes

Ipotesi di base

Il primo approccio matematico allo studio del moto ondoso è la

teoria lineare di Stokes basata sulle ipotesi di fluido perfetto (non

viscoso), forze conservative e moto irrotazionale.

Si consideri il sistema di riferimento cartesiano posizionato sulla

superficie libera, con asse z verticale diretto verso l'alto e asse y

normale al piano.

Si definisce:

h(y) : profondità locale del fondale, la distanza tra il fondale e la

superficie libera (il "tirante" idrico, costante a meno di variazioni

locali qui trascurate);

Figura 1.5 - Sistema di riferimento utilizzato con la teoria di Stokes (anno)

http://it.wikipedia.org/wiki/Fluidohttp://it.wikipedia.org/wiki/Fluido


17/122

16

η(y,t) : elevazione della superficie libera, la distanza tra la

superficie libera ed il livello indisturbato, concorde con l'asse z.;

ɸ (y,z,t) : funzione potenziale di velocità definita come:

Si introduce quindi la pressione P(y,z,t) e il campo

di velocità istantanea dell 'acqua V(y,z,t) avente componenti lungo

y e z rispettivamente chiamate v(y,z,t) e w(y,z,t).

Equazioni fondamentali

Il sistema di equazioni che governa il moto irrotazionale a

superficie libera è il seguente:

Distinguiamo rispettivamente:

1.1 Equazione di Bernoulli esprime la condizione per la quale la

pressione P è nulla sulla superficie libera.

1.2 Equazione generale della superficie libera ricavata imponendo

l’equazione di continuità in un volume dy .

1.3 Equazione di continuità per fluido incomprimibile.

http://it.wikipedia.org/wiki/Pressionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Velocit%C3%A0http://it.wikipedia.org/wiki/Acquahttp://it.wikipedia.org/wiki/Acquahttp://it.wikipedia.org/wiki/Velocit%C3%A0http://it.wikipedia.org/wiki/Pressione


18/122

17

1.4 Condizione al contorno sul fondo (considerando fondo

orizzontale).

Le funzioni η e Φ devono soddisfare tale sistema di equazioni .

Per semplificare il problema si pone la fondamentale ipotesi che

l’ampiezza delle onde sia trascurabile rispetto alla profondità e alla

lunghezza ovvero:

Essendo poi η e Φ infinitesimi di ordine H possiamo trascurare itermini di ordine minore o uguale a H 2.

Applicando tali approssimazioni alla (1.1) è possibile calcolare la

soluzione del problema (trascurando la funzione f(t) poiché è

indipendente da v e p):

Dalla quale si determinano le caratteristiche del moto quali

velocità e accelerazioni:

Sostituendo l’espressione di Φ nella ( 1.2) otteniamo la relazione di

dispersione lineare :


19/122

18

Posto: Distinguiamo il comportamento per le onde su alti fondali

(d>L o/2) e quelle su bassi fondali (d


20/122

19

1.2.2 Riflessione delle onde su parete verticale

Ipotizzando una parete verticale investita da un determinato

numero di onde la cui direzione di propagazione forma un angolo

ϑ


21/122

20

Nel caso in cui le onde investano la parete ortogonalmente per cui

ϑ=0, il moto diventa bidimensionale e l ’onda incidente (la cui

direzione di propagazion e è coincidente con l’asse y) ècaratterizzata da elevazione d’onda e potenziale di velocità :

All’istante t’ l’ onda investe la parete generando un treno di onde

riflesse i cui parametri caratteristici saranno η r e Φ r.

L’elevazione d’onda totale sarà data dal contributo η e Φ somma

dei contributi di onde incidenti e riflesse. Se la parete è posta lungo la retta y=0 ed è infinitamente lunga la

componente orizzontale della velocità è nulla:

Di conseguenza ηi=η r e Φ i=Φ r; affinché si verifichino tali condizioni

deve necessariamente risultare che altezza e periodo delle onde

riflesse siano uguali ad altezza e periodo dello onde incidenti.

In conclusione l’onda riflessa avrà altezza d’onda doppia rispetto a

quella iniziale e potenziale di velocità pari a:


22/122

21

Per quanto riguarda la pressione invece, qualunque sia l’angolo di

incidenza Φ delle onde, la massima distribuzione istantanea su una

sezione x fissata della parete è data al primo ordine di Stokes

dall’espressione:

Lo schema di Sainflou si usa per risalire alla distribuzione di

pressione che si ha su una parete verticale soggetta a moto

ondoso:


23/122

22

1.2.3 Rifrazione e frangimento su bassi fondali

Lo shoaling è il fenomeno di trasformazione dell’onda dal larg o

verso riva (shoal=bassofondo) che descrive come l’onda dal largo a

causa della progressiva riduzione di profondità del fondale subisce

una deformazione; si analizzi un fondale ipotizzando che le onde si

propaghino ortogonalmente alla linea di costa. Considerando un

volume di controllo definito da due sezioni a cielo aperto è

possibile calcolare la potenza media entrante e uscente:

Dalla quale ricaviamo:


24/122

23

1.2.4 Il bilancio energetico riferito a un volume di controllo

Per quanto riguarda l’energia sono due i parametri da tenere in

considerazione:

E = energia media per unità di superficie;

= flusso medio di energia;

Per ricavare la prima utilizziamo l’equazione fondamentale della

meccanica (F=ma), applicata ad una massa d’acqua infinitesima

dm dove F rappresenta la risultante di tutte le forze, escluso il

peso, che agiscono sulla massa:

Figura 1.7 - Volume di controllo


25/122

24

Sommando entrambi i membri e moltiplicando per v x, vy e v z si

ottiene:

dove e rappresenta l’energia per unità di massa :

E’ possibile quindi definire l’energia media per unità di superficie: E= [energia totale media per unità di superficie in presenza di

onde] - [energia totale per unità di superficie in condizioni di

quiete]

Analiticamente:

Per onde progressive, ovvero onde che non interagiscono con

corpi solidi, e per fondale senza grandi variazioni di pendenza è

possibile calcolare l’energia media come:

Essendo ciascuno dei due integrali uguale a (1/16)ρgH

2

:

Il vettore flusso di energia medio invece, orientato secondo l’asse s

di propagazione, è definito:

dal quale:


26/122

25

dove il termine tra parentesi quadre è detto celerità dell’energia e

rappresenta la velocità con la quale si propaga l’energia della

componente di numero d’onda k.

Moltiplicando l’energia specifica totale con la celerità di gruppo

otteniamo il flusso di energia per unità di lunghezza al fronte

d’onda:


27/122

26

1.3 Onde di Vento: teoria degli stati di mare

Introduciamo il concetto di “stato di mare ” definendolo come unasuccessione di onde generate dal vento la quale si prolunga

indefinitamente nel tempo in condizioni stazionarie.

1.3.1 Relazioni di base nella teoria degli stati di mare

Analiticamente l’altezza d’onda è calcolabile tramite la seguente

formula:

con a i=ampiezza dello spettroω i= frequenze

εi= angoli di fase

Lo spettro dell’onda è definito come (1):

Figura 1.8 - Stato di mare


28/122

27

Il momento di ordine j dello spettro (ovvero l’area sottesa dallo

spettro) è definito (2):

Altre relazioni di base nella teoria degli stati di mare sono:

Deviazione standard (3):

rappresenta la misura più diretta dell’intensità dell’agitazioneondosa: più grande è σ, maggiori sono gli scostamenti della

superficie libera dell’acqua rispetto al livello medio, e quindi più

alte sono le onde.

Figura 1.9 - Spettro onde di vento


29/122

28

Funzione di autocovarianza (4):

rappresenta il valor medio dell’elevazione d’onda per l’elevazioned’onda mede sima presa dopo un intervallo T.

Altezza significativa (5):

Periodo dominante:

Le relazioni (1)-(2)-(3)-(4)-(5) sono legate dalla seguente formula:

Un’espressione proposta per interpretare gli spettri delle onde di

vento è quella dello spettro JONSWAP (Joint North Sea WAve

Project) che si riferisce ad alti fondali:

Assumendo χ1=3, χ 2=0.08 (con conseguenze trascurabili)otteniamo lo spettro Jonswap medio.

Il periodo di picco per questo tipo di spettro diventa quindi

(considerando A=0.01):


30/122

29

1.3.2 Probabilità omnidirezionale di superamento e relativo

periodo di ritorno

Al fine di effettuare previsioni sulle dimensioni delle onde in tempi

lunghi definiamo la “mareggiata” come una successione di stati di

mare durante la quale H s(t) supera una soglia critica h crit e non

scende al di sotto di tale soglia per durate di tempo superiori a un

valore Δt crit prefissato.

E’ quindi sufficiente conoscere la P(H s>h) (probabilità di

superamento) ovvero la frazione di tempo in cui l’altezza

significativa si mantiene al di sopra di qualsiasi assegnata soglia h,

nella località in esame.

Questa probabilità è in genere espressa nella forma:

Si tratta di una probabilità di tipo Weibull dove i parametri u e w

dipendono dalla località in esame; in particolare u regola il

rapporto tra le altezze significative ai vari livelli di probabilità, w è

il “fattore di scala” delle onde. Entrambi i parametri sono ricavabili

graficamente dal piano delle variabili ausiliarie X Y; disponendosi

Figura 1.10 – Diverse tipologie di mareggiate


31/122

30

la probabilità secondo una legge lineare del tipo Y=aX+b è

possibile ricavare:

Il periodo di ritorno di un evento è l’intervallo di tempo medio tra

due consecutive realizzazioni dell’evento stes so. Il periodo di

ritorno R(H s>h) di una mareggiata è definito:


32/122

31

Capitolo II

Apparecchiature utilizzate per la conversione

energetica del moto ondoso

2.1 Energia associata al modo ondoso

L’energia del moto ondoso rientra nella più generale categoria

delle energie rinnovabili e può essere considerata come una forma

di energia solare concentrata. Come evidenziato nel capitolo

precedente i venti (generati dal differente riscaldamento della

terra) trasferiscono la loro energia cinetica all’acqua sotto forma di

onde.

La quantità di energia trasferita e le dimensioni dell’onda

risultante dipendono da diversi fattori quali la velocità del vento,

l’intervallo temporale e l’area (fetch) sulla quale spira il vento

stesso. L’energia solare tipicamente di ∼100 W/m 2 può essereconvertita in onda con un livello di potenza di 10-50 kW per metro

di lunghezza della cresta d’onda. Rispetto alle altre fonti rinnovabili, (parliamo ad esempio di solare

e eolica) l’energia del moto ondoso presenta d ue grandi vantaggi

quali: la costanza nel tempo grazie all’accumulo energetico che

caratterizza mari e oceani, ed una maggior prevedibilità. Il suo

potenziale energetico è stimato dalla International Energy Agency


33/122

32

(Annual Report 2007) tra gli 8000 e gli 80000 TWh per anno che è

dello stesso ordine di grandezza del consumo elettrico mondiale.

Dal punto di vista storico la ricerca scientifica su questo tipo dienergia iniziò negli anni settanta, spinta dalla crisi energetica, e da

allora sono stati proposti numerosi metodi e dispositivi per la sua

conversione . E’ attualmente oggetto di ricerca poiché non ci sono

idee concordanti su quale sia la migliore tecnologia, sebbene si stia

assistendo ad una graduale convergenza verso alcuni fondamentali

approcci per la conversione.I dispositivi per la conversione dell’energia delle onde del mare

vengono chiamati wave energy converters in inglese, oppure

abbreviando WECs.


34/122

33

2.2 Classificazione degli impianti

Diversamente da altre fonti di energ ia rinnovabile, esiste un’ampiavarietà di convertitori di energia che sfruttano il moto ondoso. Tale

varietà è il risultato dei diversi modi in cui l’energia può essere

assorbita dalle onde, le differenti collocazioni dei dispositivi e

profondità dei fondali marini. Proprio a causa di questa grande

varietà è necessaria una classificazione dei dispositivi in base a

due approcci fondamentali: alla distanza dalla costa ed in base al

principio fisico utilizzato.

2.2.1 Rispetto alla distanza dalla costa

Le onde del mare mentre si avvicinano alla linea di costa possono

variare la loro direzione, a causa della rifrazione, oppure perdere

potenza trasportata, per l’attrito con il fondo del mare e per la

rottura delle onde (fenomeno del wave breaking). In altri casi, la

rifrazione delle onde può causare un concentrament o dell’energia

in punti specifici (hot spots). Le perdite di energia dipendono dalla

ripidità e dalla ruvidità del fondale e possono causare anche un

dimezzamento dell’energia trasportata vicino alla costiera rispetto

a quella trasportata a largo.

La distanza dalla costa e le caratteristiche morfologiche della zona

oggetto di analisi hanno quindi un peso rilevante per quanto

riguarda il trasporto energetico.


35/122

34

-Shoreline devices

I dispositivi a linea di costa possono essere fissati sul fondo del

mare dove l’acqua è bassa, integrati i n strutture frangiutti ofissati alle costiere rocciose. Possono essere inoltre costruiti sia

sulla terra che nel mare, ma comunque sempre molto vicini alla

costa in modo da garantirvi un accesso permanente, favorendo le

operazioni di manutenzione (e riduzione dei costi) e di

installazion e. Altri pregi sono l’inutilità di ormeggi profondi e di

cavi elettrici lunghi per il trasporto dell’energia. Ricordiamo che asfavore gioca però la quantità di energia ricavabile dal moto

ondoso che risulta generalmente inferiore se molto vicino alla

costa a causa della dissipazione di energia.

-Near to shore devices

Parlando di near to shore devices si pensa a dispositivi impiegati inacque con profondità ridotta (10÷20 metri) e non troppo lontani

dalla costa (dalle centinaia di metri ad alcuni chilometri). In questo

modo è possibile collegare grandi dispositivi anche sul fondo del

mare. La scelta di realizzare questi dispositivi vuole evitare i difetti

evidenziati per gli shoreline devices e gli ormeggi troppo profondi;

è in definitiva il compromesso tra le altre due tipologie.

Fissando il dispositivo sul fondo si può sfruttare maggiormente il

moto ondoso rispetto ai convertitori fluttuanti. Tra i principali

difetti ci sono i carichi estremi dovuti alle onde che i dispositivi

devono sopportare e il costo per unità che risulta incrementato.


36/122

35

-Offshore devices

I convertitori posti in mare aperto hanno lo scopo di sfruttare ilpiù grande contenuto energetico delle onde in acque profonde

(solitamente più di 50 metri). In passato lo sviluppo di tali

dispositivi incontrò molte difficoltà legate alla scarsa affidabilità e

al costo eccessivo di manutenzione. L’affidabilità è un requisito

importante che in questi dispositivi diventa fondamentale per

evitare grosse spese di manutenzione (legate alla collocazione diquesti impianti). Altre problematiche si trovano nelle grosse

perdite legate alle lunghezze dei cavi di collegamento per

trasferire l’energia e all’interferenza che impianti multi -dispositivo

creano alla navigazione.

2.2.2 In base al principio fisico

Una seconda classificazione è possibile in base al principio fisico

utilizzato per la conversione dell’energia.

-Sistemi basati sull’ampiezza dell’onda

Il movimento delle onde può azionare dei motori idraulici

accoppiati a un generatore elettrico. Un recente studio fornisce un

esempio del meccanismo: una struttura galleggiante

semisommersa, costituita da vari elementi lunghi collegati in serie

con appositi snodi viene mossa dalle onde variando l’inclinazione


37/122

36

relativa dei vari elementi. Appositi pistoni idraulici posti in

corrispondenza dei giunti mettono in moto un fluido in pressione,

il quale aziona il motore idraulico all’interno degli elementi.

Figura 2.1 – Struttura Pelamis

Figura 2.2 - Schema di funzionamento Pelamis


38/122

37

-Salto idrico

Attraverso il passaggio delle onde in un canale di larghezza

progressivamente decrescente (come avviene ad esempio inun’insenatura tra le rocce), o mediante particolari ramp e, le onde

raggiungono altezze favorevoli ed è quindi possibile riempire un

bacino a quota superiore rispetto al livello del mare. Il principio è

detto anche concentrazione o focalizzazione delle onde. Il deflusso

continuo dell’acqua raccolta, tramite opportune opere civili, e il

passaggio attraverso turbine idrauliche (simili a quelle usate pergli impianti idroelettrici con salti idrici contenuti), permette la

generazione di energia elettrica.

Figura 2.3 - Schema di impianto che utilizza il salto idrico


39/122

38

-Sistemi basati sul principio di Archimede

Una struttura sommersa ancorata al fondo marino, dotata di

camera d’aria, è soggetta a cicli di compressione -decompressionedovuti alla variazione della colonna d’acqua soprastante , originata

dalle onde. Al largo delle coste del Portogallo, ad esempio, è stato

testato con esito positivo un impianto pilota con potenze di picco

di 1500 kW. La forma dell’apparato è quella di un grosso cilindro,

avente la base ancorata al fondo e un “cappello” mobile in senso

verticale. Sistemi simili possono essere costituiti da ungalleggiante ancorato al fondo, in grado di trasferire l’energia

meccanica del moto relativo tra il fondo e la “boa”, a un generatore.

L’azionamento di un generatore per opera di un elemento

galleggiante è possibile anche con dispositivi oscillanti, tipo

paratoie battute dalle onde. Una problematica comune di tali

Figura 2.4 – Struttura Powerbuoy


40/122

39

sistemi è la bassa frequenza del moto ondoso, discorde con le alte

velocità preferibili p er l’azionamento dei generatori elettrici .

Figura 2.5 - Fotografia Powerbuoy


41/122

40

-Generatore a colonna d’acqua oscillante (OWC)

I sistemi basati sull’OWC (Oscillating Water Coloumn), concepiti

negli anni settanta, sono i più maturi in termini di rendimentoenergetico e di prototipi installati in mare.

Tale convertitori sono costi tuiti da una camera d’aria cavaparzialmente immersa nell’acqua e quindi a diretto contatto con la

superficie del mare. All’interno della struttura l a variazione

dell’elevazione dell’onda marina si ripercuote in una variazione

della pressione nella camera che generalmente aziona una turbina.

Per evitare perdite di energia vengono utilizzate delle turbine di

Figura 2.6 - Schema di funzionamento OWC


42/122

41

tipo Wells, in grado di ruotare in una sola direzione

indipendentemente dalla direzione del flusso d’aria in entrata.

In questo tipo di dispositivi è di fondamentale importanza ildimensionamento della camera d’aria in relazione alla

collocazione, in quanto lunghezza d’onda e periodo di picco

rivestono un ruolo chiave per il funzionamento.

Se questo non viene fatto correttamente, possono manifestarsi dei

fenomeni all’ interno della camera che portano ad un annullamento

del flusso d’aria passante attraverso la turbina. Gli OWC possono essere collocati sia sulla linea di costa (shoreline

devices) sia in prossimità delle costa (near to shore devices).

Figura 2.7 - Schema tridimensionale OWC


43/122

42

2.3 REWEC

2.3.1 Descrizione

Il REWEC (REsonant Wave Energy Converter) è un convertitore di

energia basato sul principio dell’OWC che consiste in un

particolare tipo di diga a cassoni al cui interno è presente un

“polmone d’aria”.

Tra i punti deboli legati ai dispositivi OWC c’è il problema della

risonanza: per avere un buon rendimento il dispositivo deve

essere in fase con l’onda interagente; per ovviare a questo

problema sono stati studiati complessi sistemi per il controllo di

fase, alcuni dei quali utilizzano un controllo in feedback per creare

una sorta di risonanza forzata (Korde, 1991).

Il REWEC3 basandosi su un principio fisico leggermente diverso,

riesce a trasformare questo problema in una risorsa: le onde infatti

non entrano all’interno del dispositivo avendo quest’ultimo una

struttura ad U.

L’impianto è diviso in d ue parti:

1-il condotto verticale a contatto con la superficie marina;

2-la camera di assorbimento.

Sotto l’azione delle onde, la pressione dell’imboccatura superiore

(esterna) del condotto verticale subisce delle fluttuazioni. A causa

di tali fluttuazioni , l’acqua entra ed esce, a fasi alterne,

dall’impianto e va a comprimere e decomprimere il polmone d’aria

nella camera d’assorbimento. Le fluttuazioni di pressione nel


44/122

43

polmone d’aria producono una corrente alterna che aziona una

turbina self-rectifying.

L’oscillazione nel tubo ad U è forzata dalle oscillazioni di pressioneprodotte dalle onde sull’imboc catura del primo ramo del tubo:

l’aria nella parte superiore del secondo ramo agisce quindi come

una molla.

Il periodo proprio di oscillazione dell’acqua all’interno del

REWEC3 cresce al crescere della lunghezza del condotto verticale,

al crescere del rapporto tra la larghezza della camera di

Figura 2.8 - Schema di funzionamento REWEC3


45/122

44

assorbimento e la larghezza del condotto verticale, al crescere

dell’altezza della camera di assorbimento e al crescere del

diametro del tubo di collegamento con l’atmosfera. Operando suquesti parametri il progettista può fissare il periodo proprio in

modo da risultare prossimo al periodo delle onde cui è associata la

maggior parte dell’energia ondosa che investe la diga nell’arco di

un anno. In condizioni di risonanza, quando il periodo proprio

delle oscillazioni è prossimo al periodo di picco dello spettro delle

onde, ci si aspetta che i REWEC3 forniscano prestazioni veramentestraordinarie.

E’ da sottolineare anche che questo dispositivo svolge una duplice

funzione: produce energia elettrica, e assorbendo energia, riduce

l’amplificazione delle onde verso il largo .

Il REWEC può quindi essere utilizzato per la difesa costiera poiché

l’energia viene assorbita, riflessa o dissipata e solo una piccolaparte arriva sulla costa . L’insieme delle tre funzioni (assorbimento,

riflessione, dissipazione) se ben coordinato fa si che la barriera sia

particolarmente efficace.


46/122

45

2.3.2 Stima dell’energia elettrica prodotta su base annua

Parametri che influenzano il rendimento

Analizzando lo schema di funzionamento è possibile individuare i

fattori, sui quali può agire il progettista, che influenzano in

maniera significativa il rendimento.

Figura 2.9 – Sezione trasversale del REWEC3 con riferimento ai parametri che neinfluenzano il rendimento


47/122

46

I parametri sono:

1- Profondità dell’imboccatura (p) .

Aumentando tale profondità (a parità di lunghezza del condotto) siriduce l’energia prodotta dagli stati di mare più deboli, e si

aumenta l’energia prodotta dagli stati di mare più forti.

2- Cuore dell’impianto: altezza (a) e larghezza (b) del condotto

verticale e larghezza (c) della camera di assorbimento .

Il periodo proprio aumenta se si riduce la larghezza del condotto, e

se si aumenta la lunghezza del condotto e/o la larghezza dellacamera. L’impianto va regolato in modo che l’indice di risonanza

sia uguale a 1 per i mari che su base annua portano la maggior

parte di energia alla diga.

3-Diametro della turbina (D) .

Riducendo il diametro la velocità nel condotto aumenta; bisogna

inoltre tenere presente che il rendimento della turbina va a zeroper valori molto grandi o molto piccoli di velocità.

4-Potenza nominale del generatore (P) .

Il flusso istantaneo di energia varia in maniera significativa nel

corso di uno stato di mare. Grosso modo i picchi massimi del flusso

istantaneo arrivano a superare il flusso medio, di più di dicevi

volta. Conseguentemente anche la potenza nominale della turbina

va scelta in maniera adeguata.


48/122

47

Stima energia prodotta utilizzando l’impianto REWEC3

La produzione media annua di energia elettrica facendo

riferimento ai dati ottenuti da una boa ondametrica si ottiene apartire dal flusso di energia calcolato dalla seguente formula:

1

, N

i

i

H

e dalla la funzione potenza elettrica P(Hs) tramite la seguente

relazione:

con:

N(H si ,T pj )= il numero di onde di i-esima altezza significativa e j-

esimo periodo di picco;

N tot il numero totale di onde degli stati di mare rilevati;


49/122

48


50/122

49

Capitolo III

ANALISI DEL BACINO IDROGRAFICO

3.1 Definizione

Si definisce bacino idrografico la porzione di territorio che a causa

della sua conformazione orografica raccoglie il deflusso idrico

superficiale, convogliandolo verso una fissata sezione definita

sezione di chiusura; tale deflusso può essere originato da

precipitazioni meteoriche (si parla in questo caso di bacino

imbifero) e/o dallo scioglimento di ghiacciai e nevai che

confluiscono verso gli impluvi.

Esso differisce dal bacino idrogeologico in quanto quest'ultimo

non considera il solo deflusso di acque superficiali, ma anche lo

scorrimento di infiltrazione che dipende dalla stratigrafia e dalla

conformazione geologica del sottosuolo.

Per definire un bacino idrografico va quindi determinata la sezione

di chiusura, ovvero la sezione attraverso la quale passa tutto il

volume di acqua raccolto superficialmente, e la linea dello

spartiacque, ovvero la linea oltre la quale le acque che scorrono sul

terreno convergono in un altro bacino.


51/122

50

3.2 Caratteristiche del bacino idrografico

Il bacino idrografico è l'unità fisiografica fondamentale alla quale

far riferimento per lo studio dei fenomeni fluviali e dei processi

idro-geomorfologici ad essi legati.

Tali dinamiche vengono analizzate nell'ambito più generale della

conoscenza del ciclo idrologico (ciclo di trasformazioni dell'acqua

sulla superficie terrestre e in atmosfera) al fine di ottenere la

determinazione di elementi essenziali per il dimensionamento

corretto delle opere idrauliche.

Figura 3.1 - Caratteristiche bacino idrografico


52/122

51

Le caratteristiche principali di un bacino idrografico si possono

dividere in tre gruppi:

1) caratteristiche morfometriche che influiscono direttamentesullo scorrimento superficiale, sulla produzione, sul trasporto e sul

deposito dei sedimenti;

2) caratteristiche geologiche che condizionano la disgregazione e

l’erosione delle rocce, nonché lo scorrimento sotterraneo ;

3) caratteristiche vegetazionali che influiscono sulle perdite di

deflusso del bacino (per evaporazione e per infiltrazione).

3.2.1 Caratteristiche morfometriche

Le caratteristiche morfometriche (che influenzano direttamente il

comportamento idrologico del bacino) possono essere distinte in

planimetriche e orografiche: le prime esprimono le dimensioni

geometriche orizzontali (per es. l'estensione ed il perimetro), la

forma, l'organizzazione e lo sviluppo del reticolo fluviale; le

seconde esprimono il rilievo (per es. l'altezza media) e le pendenze

(sia dei versanti che delle aste fluviali).

-Planimetriche :

• Area (A) [km 2]: area del bacino delimitato dallo spartiacque

topografico; tale area si può ricavare agevolmente per mezzo di

carte topografiche.

• Perimetro (P) [km] è la lunghezza del contorno del bacino.


53/122

52

• Lunghezza dell’asta fluviale principale (L) [km]: lunghezza del

cors o d’acqua principale nel quale affluiscono gli altri che termina

nella sezione di chiusura.Per definire la forma dei bacini idrografici sono stati proposti vari

indici, generalmente legati tra di loro, che mostrano quanto la

forma del bacino differisca da un cerchio:

• Rapporto di circolarità R c: è il rapporto tra l’area A del bacino e

l’area del cerchio di uguale perimetro P:

• Coefficiente di uniformità R u: è il rapporto tra il perimetro P del

bacino e la circonferenza di uguale area A:

• Fattore di forma R f : è il rapporto tra l’area A del bacino e il

quadrato della lunghezza L dell’impluvio principale:

• Rapporto di allungamento R a: è il rapporto tra l’area A del bacino

e il quadrato della lunghezza L dell’impluvio principale

• Coefficiente di forma F: è il rapporto tra la lunghezza dell’asta

principale L e il diametro D del bacino; valori elevati indicano

bacini di forma allungata


54/122

53

-Altimetriche:

• Curva ipsografica: L'andamento altimetrico di un bacino può

essere descritto dalla curva ipsografica, rappresentata in un pianocartesiano dove in ordinata vi è il rapporto tra la quota considerata

rispetto alla quota massima del bacino e sulle ascisse la

percentuale di area del bacino che si trova al di sopra di tale quota.

L’importanza della costruzione di tale curva risiede nel fatto che si

ottiene l’estensione dell’intero bacino, che può differire

sensibilmente dalla sua proiezione orizzontale. Inoltrel’andamento di ques ta curva da delle chiare indicazioni circa il

grado di evoluzione del bacino.

Attraverso la costruzione di tale curva è possibile ricavare la quota

media del bacino, nonché determinare l'altezza media (altezza

corrispondente alla linea di compenso della curva) e l'altezza

mediana (altezza alla quale corrisponde nella curva la metà dellasuperficie del bacino).

Figura 3.2 - Andamento della curva ipsografica


55/122

54

• Pendenza del bacino: la pendenza media del bacino può essere

considerata come la media ponderata delle pendenze delle

superfici che compongono il bacino; se dividiamo il bacino in dellearee comprese tra due linee di livello successive, indicando con S i

la pendenza media dell’area i -esima, essa è data dal rapporto:

Dove a i rappresenta l’area i -esima della fascia di superficie

compresa tra due linee di livello successive; D è la differenza di

livello tra il punto più elevato e il punto più a valle del Bacino, e di

è la larghezza media della fascia di superficie tra due linee di livello

successive.

Sommando il contributo di ogni singola fascia di superficie

andiamo a determinare la pendenza media dell’intero bacino:

Dove A è la superficie totale del bacino e L è la lunghezza totale ditutte le curve di livello.

3.2.2 Reticolo Idrografico

L'insieme delle linee di impluvio e dei corsi d'acqua presenti

all'interno di un bacino costituiscono il reticolo idrografico .

Le acque di precipitazione, dopo un percorso più o meno lungo di

ruscellamento diffuso, confluiscono in linee di impluvio e si

organizzano in sistemi idrografici di drenaggio delimitati da linee


56/122

55

di displuvio o di spartiacque. Ogni linea di impluvio confluisce in

un'altra e questa in un'altra ancora e così via secondo la rete di

canali che costituisce appunto il reticolo idrografico.Nell’analisi di un bacino idrografico, tutti i corsi d’acqua sono

considerati come linee, indipendentemente dalle loro dimensioni.

Pertanto un reticolo idrografico può essere caratterizzato dal

numero, dalla lunghezza e dalla disposizione di tali linee ricavati

dalla proiezione del sistema idrografico su di un piano orizzontale.

La classificazione dei reticoli idrografici passa dapprima dalladefinizione di due unità geometriche, quali le aste e i nodi; si indica

con il termine nodo la sorgente del corso d’acqua (nodo di

sorgente) o una confluenza (nodo di biforcazione) e come asta il

tratto di corso d’acqua compreso tra due nodi.

L’ordine delle varie aste che compongono il reticolo fluviale di un

bacino idrografico si può determinare attraverso il metodo diHorton-Strahler il quale asserisce:

un'asta che non nasce dalla confluenza di altre due è di primo ordine

(quindi le aste di primo ordine sono quelle più lontane dalla sezione

di chiusura); un'asta di ordine n e un'asta di ordine (n-1)

congiungendosi danno origine a un'asta di ordine n; due aste di

ordine n congiungendosi danno origine a un'asta di ordine (n+1).


57/122


58/122

57

caratteristico di un ramo tributario montano, mentre un numero

d'ordine elevato sarà caratteristico di un ramo di valle.

L'organizzazione della rete idrografica e quindi il suo grado digerarchizzazione possono essere espressi mediante parametri

quantitativi:

• Frequenza delle aste di primo ordine F 1: è data dal rapporto tra il

numero di aste di ordine N 1 e l’area del bacino:

• Densità di drenaggio D: che viene definita come il rapporto tra la

lunghezza totale del reticolo L e l’area A del bacino:

• Distanza media Dm tra i percorsi d’acqua del bacino; tale valore

viene determinato attraverso la sovrapposizione di un reticolo a

maglie quadre contando il numero totale N degli incroci dei lati

delle maglie con qualunque corso d’acqua.

La descrizione gerarchica fin qui descritta ci permette di enunciare

le tre leggi di Horton:

1. la prima legge di Horton afferma che in un bacino il rapporto trail numero N w dei corsi d’acqua di ordine w e il numero N w+1 dei

corsi d’acqua w+1 è uguale al rapporto di biforcazione:

2. la seconda legge di Horton (legge della lunghezza dei corsi

d’acqua) afferma che in un bacino il rapporto tra la lunghezza Lw


59/122

58

dei corsi d’acqua di ordine w e la lunghezza media Lw-1 dei corsi

d’acqua di ordine w -1 è uguale al rapporto delle lunghezze dei

corsi d’acqua:

3.la terza legge afferma che l’area media Aw dei bacini dei corsi

d’acqua di ordine w e l’area media Aw-1 dei bacini dei corsi d’acqua

di ordine w-1 contenuti all’interno di un bacino assegnato è uguale

al rapporto delle aree dei bacini:

3.3 Analisi afflussi: pioggia di progetto

La quantificazione degli afflussi all’interno di un bacino, che

costituiscono il dato di input è di fondamentale importanza per

ricavare tramite opportune leggi i deflussi e stimare quindi la

portata in una determinata sezione di chiusura. Attraverso la

trasformazione afflussi-deflussi possiamo andare a determinare

con largo anticipo i deflussi futuri ai fini di un intervento o per la

progettazione di un’opera (ad esempio: previsione di una piena,

calcolo della produzione elettrica…).

Le precipitazioni sono fenomeni di afflusso meteorico, ovvero

feno meni nei quali avviene la cessione di acqua dall’atmosfera al

suolo. Neve, pioggia e grandine sono le forme in cui può


60/122

59

presentarsi la precipitazione, ma la sua consistenza non varia

l’analisi dell’afflusso.

Tramite degli opportuni strumenti di misura (pluviometri epluviografi) vengono raccolti i dati delle precipitazioni, come

altezza di pioggia in una determinata area, disponibili per la

consultazione negli annali idrologici.

Partendo da questi dati, ai fini della progettazione di reti e opere

idrauliche è utile calcolare la pioggia di progetto: assegnare tale

valore significa stimare una distribuzione di intensità, in relazioneal tempo, in una regione prestabilita; graficamente lo ietogramma

ci consente di visualizzare questa assegnazione;

Per il trattamento statistico dei dati si utilizza la legge di Gumbel,

che mettendo in relazione le altezze di pioggia h(t) con

un ’assegnata durata temporale (t=1,3,6,12,24 ore) fornisce la

probabilità che la generica variabile osservata risulti minore o almassimo uguale rispetto ad un valore h assegnato:

α t e u t sono i parametri della legge di Gumbel i quali dipendono

dallo scarto quadratico medi o e dalla media dei valori dell’ altezza

di pioggia:

Il nostro obiettivo è quello di studiare i picchi, ovvero i valori di

precipitazione superiori alla media utilizzando un diagramma h-t,

nel quale ogni punto rappresenta l’altezza della precipitazione in

relazione al tempo. Il rischio che si verifichi un determinato evento


61/122

60

con valore di altezza di pioggia superiore all’altezza assegnata è

calcolabile come:

Dall’analisi dei dati pluviometrici (contenuti negli annali

idrologici) adattati secondo il modello probabilistico della legge di

Gumbel è possibile ottenere la curva di possibilità pluviometrica;

tale curva, fissato un periodo di ritorno T, fornisce la relazione

esistente tra l’altezza di pioggia e la durata della precipitazione.

Questa relazione viene espressa mediante una formula monomiadel tipo

in cui a ed n sono due parametri che dipendono dal periodo di

ritorno.

Determinata infine determinata la CPP possiamo passare alla

costruzione dello ietogramma di progetto.

Ietogramma di progetto

Lo ietogramma è una schematizzazione ideata per ottenere in

maniera univoca l’evoluzione t emporale di un evento meteorico. Si

utilizza in particolare utilizziamo lo ietogramma Chicago che lega

l’intensità di pioggia alla durata temporale t:


62/122

61

Per prima cosa si fissi la posizione del tempo di picco t r dove:

t r=kt p; k=0.35-0.4

Successivamente si calcola l’intensità media relativa ad intervalli ditempo Δt attraverso la definizione stessa di intensità di pioggia:

Tuttavia, ai fini del calcolo della portata, viene utilizzato non lo

ietogramma di pioggia totale ma quello netto, che si ottiene

moltiplicando ciascuna intensità di pioggia per il coefficiente di

afflusso ψ e per il coefficiente di ragguaglio R. Tali coefficienti

possono essere stimati tramite le seguenti formule:

Figura 3.4 – Andamento dell’i etogramma Chicago


63/122

62

3.4 Deflussi: stima della massima portata di piena

Il modello cinematico o della corrivazione è un modello checonsente la determinazione dei deflussi di piena di un bacino

idrografico per un evento con assegnato periodo di ritorno T.

Questo metodo si basa su delle ipotesi fondamentali:

-si ipotizza che la formazione della piena sia generata

esclusivamente dal fenomeno di trasferimento di massa liquida

(precipitazioni o scioglimento di neve);

-ogni goccia d’acqua si muove sulla superficie del bacino seguendo

un percorso che dipende esclusivamente dal luogo in cui è caduta;

-ogni singola goccia di pioggia che precipita sul bacino idrografico,

scorrerà su di esso con una velocità variabile e indipendente dalla

presenza di altre particelle;

-la portata della sezione di chiusura è ottenuta sommando tra loro

le portate elementari provenienti dalle diverse parti del bacino,

che si presentano allo stesso istante alla sezione di chiusura.

Il termine che riveste maggiore importanza nel campo della

progettazione è il tempo di corrivazione del bacino T c, in quanto

esso rappresenta il tempo che la singola goccia di pioggia impiega

per raggiungere la sezione di chiusura cadendo nel punto

idraulicamente più distante. Si tratta di una distanza effettiva,

dipendente dalle distanze altimetriche e planimetriche. In

conclusione il tempo di corrivazione rappresenta il ritardo

temporale tra l’idrogramma di piena e lo ietogram ma, per questa

ragione, eventi meteorici che hanno una durata pari o superiore al


64/122

63

Tc generano la portata di piena. E’ possibile stimare il tempo di

corrivazione tramite la seguente formula:

con A superficie del bacino, L lunghezza del l’asta principale e Hm

altitudine media.

Calcolato il tempo di corrivazione possiamo tracciare le linee

isocorrive (ovvero l’unione dei punti con uguale tempo di

corrivazione) che nell’ipotesi di Viparelli coincidono con le isoipse. Fissato a questo punto un intervallo di tempo Δt consideriamo la

precipitazione (netta) che cade nell’area An compresa tra due

isocorrive successive. Possiamo calcolare la portata in ciascuna

area tramite la formula:

Con ψ che rappresenta il coefficiente d’afflusso, definito come illivello del volume d’acqua corrispondente a un evento di pioggia; R

coefficiente di riduzione areale (adimensionale) che esprime il

ragguaglio all’area dell’intero bacino idrografico.

Il valore massimo della portata di piena alla sezione di chiusura

dovuta a una precipitazione, cresce fino a un valore massimo

quando la precipitazione raggiunge un tempo pari al tempo di

corrivazione. Possiamo utilizzare il seguente schema di calcolo per

determinare l’idrogramma totale di piena il cui andamento è

riportato nella figura 3.5:


65/122

64

Tabella 3.1 – Tabella di corrivazione in funzione della durata e delle aree

Figura 3.5 - Esempio di andamento dell'idrogramma di piena


66/122

65

Capitolo IV

GLI IMPIANTI IDROELETTRICI

4.1 Descrizione piccolo impianto idroelettrico

Fin dai primordi della produzione di energia elettrica,

l’idroelettrico è stato, ed è tuttora, la più importante tra l e fonti

rinnovabili utilizzate. Secondo le stime del Libro Bianco

sull’energia , pubblicato dalla Commissione Europea, la produzione

idroelettrica all’interno dell’UE rappresenta il 13% dell’energia

elettrica totale prodotta.

E’ possibile distinguere principalmente due tipi di impianti

idroelettrici: grandi impianti (convenzionali) i quali richiedono la

sommersione di estese superfici, con le conseguenze ambientali e

sociali che questo comporta, piccoli impianti idroelettrici che, se

progettati in modo appropriato, sono facilmente integrabili negli

ecosistemi locali.

Il piccolo idroelettrico rappresenta l’8,4 % della potenza installata

(9,9 GW) e contribuisce con una produzione di 39 TWh (circa

l’11% della produzione idroelettrica).

La larga maggioranza dei piccoli impianti idroelettrici sono “ad

acqua fluente”, cioè con scarse o nulle possibilità di accumulare

l’acqua. La turbina produce energia elettrica solo quando c’è acqua

disponibile nel fiume. Quando il corso d’acqua è in magra e la


67/122

66

portata scende al di sotto di un certo valore predeterminato, la

produzione di energia cessa. Questo significa, ovviamente, che i

piccoli impianti isolati, che funzionano in modo indipendente dallarete elettrica, possono non essere sempre in grado di generare

energia, a meno che essi non siano stati dimensionati in modo da

poter funzionare qualunque sia la portata nel corso d ’acqua. In

alcuni casi questo problema può essere risolto utilizzando dei laghi

o dei bacini di accumulo esistenti posti a monte dell’impianto.

La connessione alla rete elettrica presenta il vantaggio di facilitarela regolazione e il controllo della frequenza di generazione

dell’energia elettrica, ma di contro si rischia di poter essere

disconnessi dalla rete per problemi che non dipendono dal gestore

dell’impi anto; per gli impianti connessi alla rete è possibile

vendere tutta o parte dell’energia prod otta al distributore locale.

Negli ultimi anni sono stati fissati, a livello europeo, prezzi piùelevati per la vendita di energia prodotta da fonti rinnovabili

incentivando la costruzione degli impianti di piccola taglia.

Non c’è accordo tra gli Stati Membri dell’UE sulla definizione di

piccolo idroelettrico. Alcuni paesi come Austria, Germania,

Portogallo, Spagna, Irlanda e Belgio accettano 10 MW come limite

superiore per la potenza installata. In Italia il limite è fissato a 3

MW (gli impianti con potenza installata superiore dovrebbero

vendere l’energia a prezzi inferiori) e in Svezia a 1,5 MW. In

Francia il limite è stato recentemente fissato a 12 MW, non

propriamente come limite per il piccolo idroelettrico, ma come

valore massimo di potenza installata degli impianti alimentati a

fonti rinnovabili per i quali la rete ha l’obbligo di ritirare l’energia


68/122

67

prodotta. Nel Regno Unito 20 MW è il valore generalmente

accettato come limite superiore per il piccolo idroelettrico. Per gli

scopi di questa pubblicazione, nel testo verranno considerati“piccoli” gli impianti con una potenza installata inferiore a 10 MW,

che è il valore di riferimento adottato da vari Stati Membri, della

Commissione Europea.


69/122

68

4.2 Configurazione dei siti

Lo scopo di un impianto idroelettrico è di convertire l’energia

potenziale di una massa d’acqua, che defluisce naturalmente con

una certa differenza di quota (denominata “salto” o “caduta”), in

energia elettrica nel punto più basso dell’impianto, d ove è

collocata la centrale.

A seconda del salto disponibile, gli impianti possono essere

classificati come segue:

• alto salto: al di sopra di 100 m;

• medio salto: 30-100 m;

• basso salto: 2-30 m.

Questi intervalli di valori non sono rigidi e servono solo allo scopo

di classificare i siti idroelettrici.

Gli impianti possono essere classificati anche come:

• impianti ad acqua fluente;

• impianti con la centrale al piede di una diga;

• impianti inseriti in un canale o in una condotta per

l’approvvigionamento idrico .

Analizziamo in particolare gli impianti ad acqua fluente che meglio

si adattano nella configurazione di piccoli idroelettrici.

Impianti ad acqua fluente

Negli impianti ad acqua fluente la turbina produce energia con

modi e tempi totalmente dipendenti dalla disponibilità d’acqua nel


70/122

69

corpo idrico. Quando il corso d’acqua è in magra e la portata

scende al di sotto di un certo livello predeterminato – la portata

minima di funzionam ento della turbina installata sull’impianto – laproduzione di energia cessa. Gli impianti a medio ed alto salto

utilizzano sbarramenti per deviare l’acqua verso l’opera di presa,

dalla quale l’acqua è poi convogliata alle turbine attraverso una

tubazione in pressione (condotta forzata). Le condotte forzate

sono opere costose e quindi uno schema di impianto come quello

descritto è di solito antieconomico. Un’alternativa (Figura 4.1 ) èquella di addurre l’acqua per mezzo di un canale a bassa pendenza

che corre accanto al fiume fino ad un bacino di carico e da qui,

attraverso una breve condotta forzata, fino alle turbine.

Figura 4.1 – Schema impianto ad acqua fluente


71/122

70

Se la topografia e la morfologia del terreno non consentono

l’agevole realizzazione di un canale a pelo libero, una soluzione

economicamente più valida può essere quella di realizzare unatubazione in bassa pressione, che consente una maggiore libertà

nella scelta delle pendenze. Allo scarico delle turbine, l’acqua viene

reimmessa nel fiume attraverso un canale di restituzione.

Talvolta, tramite lo sbarramento, può essere creato un piccolo

invaso sufficiente ad immagazzinare acqua per garantire il

funzionamento dell’impianto nelle ore di punta, quando ladomanda di elettricità è maggiore e conseguentemente anche il

valore dell’energia aumenta.

Gli impianti a basso salto sono tipicamente realizzati presso l’alveo

del fiume. Si possono scegliere 2 soluzioni tecniche.

La prima consiste nel derivare l’acqua fino all’ingresso delle

turbine mediante una breve condotta forzata, come negli impiantiad alto salto.

La seconda è quella di creare il salto mediante un piccolo

sbarramento, equipaggiato con paratoie a settore e nel quale sono

inserite l’opera di presa, la centrale e la scala di risalita per pesci.

Figura 4.2 – Schema salto mediante sbarramento


72/122

71

Impianti con la centrale al piede diga

Un piccolo impianto idroelettrico non può permettersi il lusso di

possedere un grande serbatoio per produrre energia quando è piùconveniente; il costo di una diga relativamente grande e delle

opere idrauliche connesse sarebbe troppo elevato per renderlo

economicamente fattibile. Se viceversa esiste già un serbatoio

costruito per altri scopi (controllo delle piene, irrigazione,

approvvigionamento potabile, usi ricreativi) potrebbe essere

possibile produrre energia elettrica utilizzando le portatecompatibili con l’uso prevalente del serbatoio o con i rilasci a fini

ecologici (deflusso minimo vitale). Il problema principale è quello

di realizzare una via d’acqua che colleghi idraulicamente monte e

valle della diga e di trovare il modo di adattare le turbine a questa

via d’acqua.

Altrimenti, se la diga non è troppo alta, si può inserire una turbina

a sifone collocata sul coronamento della diga o sulla parete di valle.

Queste turbine rappresentano una soluzione elegante per impianti

con salto fino a 10 m e gruppi con non più di 1.000 kW di potenza,

Figura 4.3 - Schema impianto a piedi di diga


73/122

72

sebbene ci siano esempi di turbine in sifone con potenza installata

fino a 11 MW (Svezia) e salti fino a 30,5 m (USA).

Impianti inseriti in canali irrigui

Due tipi di schemi di impianto possono essere utilizzati per

sfruttare salti esistenti su canali irrigui:

per canali di nuova realizzazione parallelamente alla progettazione

del condotto si può pensare ad un allargamento del canale stessoper poter ospitare la camera di carico, la centrale, il canale di

restituzione e il by-pass laterale. La figura mostra uno schema di

questo tipo, con una centrale sotterranea equipaggiata con una

turbina a rimando d’angolo. Per garantire la continuità della

fornitura di acqua per l’irrigazione, anche in caso di fuori servizio

del gruppo, lo schema dovrebbe includere un by-pass laterale.

Figura 4.4 - Schema impianto con bypass laterale


74/122

73

Se invece il canale è già esistente, una soluzione adatta è allargare

leggermente il canale per poter ospitare la presa e lo sfioratorelimitatore. Per ridurre al minimo la larghezza della presa, si

potrebbe realizzare uno sfioratore allungato. Dalla presa, una

condotta forzata che corre lungo il canale convoglia l’acqua in

pressione alla turbina, attraversata la quale l’acqua viene

reimmessa nel corpo idrico tramite un breve canale di

restituzione.

4.3 Deflusso Minimo Vitale

Nell’installazione di un impianto idroelettrico per quanto riguarda

la sostenibilità ambientale, affinché l’opera non stravolga in

maniera significativa il contesto naturale nel quale si inserisce, la

normativa italiana impone che sia garantita al corso d’acqua una

portata minima.

A tal proposito è necessario prendere in considerazione il deflusso

minimo vitale (DMV) ovvero “ la portata minima necessaria per

ogni tr onco omogeneo del corso d’acqua per la salvaguardia delle

caratteristiche fisiche del corpo idrico e chimico-fisiche delle

acque, nonché per mantenere le biocenosi tipiche delle condizioni

naturali locali”.

Vista l’importanza di tale parametro, sia per le esigenze di tutela

delle acque, sia per quanto riguarda la disciplina delle concessioni

di derivazione, la Regione Calabria inserisce all’interno del Piano


75/122

74

di Tutela delle Acque (PTA) riferimenti normativi per la sua stima.

In particolare il criterio proposto dall’Autorità di Bacino regionale

della Calabria si ispira a quello originariamente adottato inValtellina con la Legge n. 102/90 e dall’Autorità di Bacino del Po,

integrato con le esperienze derivanti dall’applicazione dello stesso

in oltre 15 anni.

Il metodo consiste essenzialmente nell’applicazione di una formula

che prende in considerazione nove elementi:

DMV = Z + Md

Z = termine fisso = A x B x C x D x E x F x G x H (l/s);

Md = termine di modulazione della portata (l/s), variabile in

funzione della portata in arrivo da monte.

I fattori che forniscono Z hanno il significato qui di seguitospecificato e i loro valori sono riportati nelle tabelle seguenti.

A = Superficie del bacino idrografico sotteso dall’opera di

derivazione (km 2) sino alla linea dello spartiacque, comprendente

le aree già interessate da derivazioni esistenti a monte della

captazione prevista;

B = Rilascio specifico: fattore fisso pari a 1,6 (l/s/km 2);

C = Precipitazioni: fattore compreso fra 1,0 e 1,2 e relativo alle

precipitazioni medie annue nel bacino sotteso alla derivazione,

ricavato dalla seguente tabella.


76/122

75

Tabella 4.1 - Stima del parametro C

Codice Precipitazione annua

media [mm]

Fattore

a 1200 1,2

D = Altitudine: fattore compreso tra 1,0 e 1,2 relativo all’altitudine

media del bacino sotteso alla derivazione, ricavato dalla seguentetabella.

Tabella 4.2 - Stima del parametro D

Codice Altitudine media del

bacino [mm]

Fattore

a


77/122

76

Tabella 4.3 - Stima del parametro E

Codice Permeabilità media

del bacino

Fattore

a Bassa 1,0

b Media 1,10

c Alta 1,15

d Elevata 1,20

F = Qualità biologica del corso d’acqua: fattore compreso tra 1,0 e

1,2, relativo alla classificazione dello stato ecologico nel tratto

considerato, ricavato dalla seguente tabella.

Tabella 4.4 - Stima del parametro F

Codice Stato ecologico Classe di qualità

ecologica

Fattore

a Elevato Classe 1 1,0

b Buono Classe 2 1,05

c Sufficiente Classe 3 1,10

d Scadente Classe 4 1,15

e Pessimo Classe 5 1,20

In mancanza di puntuali informazioni su cui basare l’attribuzione

del punteggio e ove non sia palesemente dimostrabile

l’assegnazione a uno stato ecologico peggiore, è possibile attribuire

al tratto in esame un valore del fattore pari a 1,1.


78/122

77

G = Naturalità: fattore compreso tra 1,0 e 1,2, valutato in relazione

alle vocazione naturale del territorio, alla presenza di aree protette

ed all'uso del suolo prevalente all'interno del bacino considerato,ricavato dalla seguente tabella.

Tabella 4.5 - Stima del parametro G

Codice Classi di naturalità Fattore

a Aree agricole 1,0

b Aree naturali 1,1

c Aree di grande pregio:

parchi, riserve naturali

1,2

H = Lunghezza captazione: fattore definito dalla formula:

H = 1 + (D x 0.025)

dove, nel caso di prelievi a fini idroelettrici, D è la distanza in km

misurata lungo il corso d’acqua tra l’opera di presa e il punto di

restituzione; nel caso di prelievi che non prevedano restituzione H

vale 1,2.

Md = Modulazione di portata. L’introduzione di quest’ultimo

addendo risponde all’esigenza di garantire all’alveo almeno una

modesta percentuale delle variazioni di portata che caratterizzano

il regime idrologico naturale e che influenzano i cicli biologici delle

comunità e degli organismi fluviali. Il valore di Md può

direttamente essere posto pari al 10% della differenza tra la

portata naturale istantanea e il valore prima calcolato di Z (da

applicare solo se di segno positivo).


79/122

78


80/122

79

Capitolo V

INTERVENTI DI RIQUALIFICAZIONE

NELL’ AREA DI SALINE IONICHE

5.1 Descrizione

In questo capitolo è trattato lo studio di fattibilità riguardo un

progetto di riqualificazione dell’area di Saline J oniche.

Nell'ambito della progettazione, lo studio di viene commissionato

per definire se un determinato progetto può realizzato dal punto di

vista tecnico, e risulta conveniente dal punto di vista economico.

Il prodotto finale è costituito da un insieme di conclusioni e di

raccomandazioni sulla possibile realizzazione e sulla delimitazione

degli ambiti, eventualmente offrendo indicazioni utili a orientarne

le priorità, le linee di azione, le strategie e le modalità di lavoro.

A tale proposito sono state studiate due diverse tipologie di

intervento nella suddetta zona, per la produzione di energia

elettrica da fonti rinnovabili.Un primo intervento prevede il ripristino del molo di sottoflutto

del porto, attualmente in condizioni gravose dal punto di vista

strutturale, tramite l’inserimento di cassoni REWEC3 .

Il secondo intervento è relativo invece all’installazione di un

impianto idroelettrico ad acqua fluente nel bacino di Montebello

Ionico.

http://it.wikipedia.org/wiki/Progettazionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Progettazione


81/122

80

5.2 Inquadramento territoriale

E’ necessario innanzitutto inquadrare il contesto territoriale nelquale si inseriscono le opere;

Saline Joniche si trova nel territorio di Montebello Jonico a circa 25

chilometri da Reggio Calabria in adiacenza con la SS 106, che

percorrendo la costa ionica della Calabria, in direzione nord,connette le città di Reggio Calabria e Taranto. Il territorio di Saline

ioniche è compreso tra il Torrente Molaro (a nord) e la Fiumara S.

Elia (a sud). Si sviluppa lungo la costa dalla quale è separato da due

infrastrutture parallele la S.S. Jonica 106, e il tracciato ferroviario

della tratta Reggio Calabria - Metaponto.

Figura 5.1 - Area oggetto di esame


82/122

81

Le aree di Montebello Ionico e di Saline sono luoghi che da sempre

hanno suscitato interesse da parte di amministrazioni, imprese,

associazioni culturali, gruppi di ricerca. Parliamo di “territoricontesi”, ormai saturi di problematiche territorial i, economiche e

sociali, un territorio che di per sé si avvale di uno straordinario

scenario paesaggistico: la costa, le fiumare e le montagne

dell’Aspromonte.

Figura 5.2 - Veduta panoramica area di Saline Ioniche


83/122

82

Stato dell’ambiente

• Aria

Per quanto riguarda la qualità dell’aria Montebello si colloca traquelle aree che registrano le migliori performance in termini di

tonnellate per abitante di CO2; le principali fonti di emissione di

CO2 sono rappresentate dal trasporto su strada.

• Acque

Il sistema idrografico come suddetto, è basato sulla presenza delle

fiumare di Molaro, di Sant’ Elia. Le condizioni dei corsi d’acquaevidenziano fenomeni di degrado dovuti alla qualità chimico –fisica

ed alla qualità biologica delle acque.

Tra i fattori di degrado sono notevoli le presenze di materiale

depositato abusivamente lungo i corsi d’ acqua. La situazione si

presenta in modo analogo anche nel caso dei piccoli corsi d’ acqua,

numerosi nel territorio.Il sito presenta circa 4 Km di costa bagnata dal mar Ionio, tale però

non risulta essere interessato da situazioni di balneabilità per

quasi la sua totalità a causa dell’erosione a cui è interessata negli

ultimi anni. Inoltre per gran parte della sua estensione si rileva la

presenza di elementi facenti parte dell’apparato industriale

dismesso, in stato di abbandono e arrecanti un grave danno alle

acque superficiali in quanto contribuiscono in maniera eccessiva

alla contaminazione delle stesse.


84/122

83

• Inquinamento

L’ambito è s oggetto a inquinamento ambientale dovuto alla

presenza dell’impianto industriale della liquichimica, che occupagran parte della pianura nei pressi della costa con strutture

logorate dal tempo e soggette a deterioramento ormai

irreversibile.

• Risorse naturali

L’intero territorio si presenta sotto una morfologia tipica della

fascia costiera meridionale e nella fattispecie del basso ionioreggino, ovvero con un andamento regolare che dal mare si

estende verso l’Aspromonte. Tale situazione risulta essere molt o

importante, specie in questo tratto di terra, poiché espone in

maniera ottimale tutta la superficie creando il clima idoneo per la

coltivazione del bergamotto, essenza caratteristica della fascia

ionico-reggina. Per tale motivo sono numerose le presenze di taliagrumeti sparsi nell’ intero ambito territoriale.

• Rischi ambientali

Di particolare rilevanza il rischio ambientale a cui è sottoposta

l’area. Il sito risulta infatti soggetto a eventi alluvionali a causa

della morfologia e della co

Studio di riqualificazione per la produzione di energia rinnovabile nell'area di Saline Ioniche (RC)

Documents

Transcript of Studio di riqualificazione per la produzione di energia rinnovabile nell'area di Saline Ioniche (RC)