UNIVERSITA’ DELL’AQUILA Dipartimento di Ingegneria Civile Edile Architettura e Ambientale

Cattedra di Costruzioni Idrauliche ed Idrologia

Costruzioni Idrauliche

ed Idrologia Corso di Laurea di Primo Livello in Ingegneria Civile

Raccolta, riordino ed ampliamento delle dispense del corso

a cura del Prof. Ing. Maurizio Leopardi

A.A. 2015 - 16

Nota

Il Corso, limitato a volte alle nozioni più generali, vuole fornire i concetti di base di una

teoria applicata alla progettazione idraulica di opere elementari anche attraverso “esempi

di lavoro”.

Queste dispense, redatte per soddisfare le richieste degli studenti, e quindi, finalizzate

esclusivamente a fini didattici, sono raccolte e concesse in uso a titolo gratuito.

La valutazione dei risultati forniti dall'utilizzo delle applicazioni numeriche rientra nelle re-

sponsabilità di chi le impiega.

Nel testo sono inserite figure e tabelle, opportunamente modificate, tratte da testi rin-

tracciabili in bibliografia. Di alcune immagini scaricate dalla rete, per il numero elevato di

siti specializzati consultati, resta difficoltoso citare le fonti.

L'Autore si riserva la facoltà di aggiornamenti ed integrazioni, senza peraltro assumere

alcun impegno.

Premessa

Premessa

Nella dizione Costruzioni Idrauliche si intende generalmente comprendere tutte quelle

opere che vanno a costituire i complessi, spesso indicati genericamente con la denominazione di

impianti, attraverso i quali si conseguono varie possibili utilizzazioni delle acque naturali; tali

sono gli acquedotti e le fognature urbani, rurali ed industriali, gli impianti idroelettrici, gli

impianti di irrigazione. A questi si aggiungono anche gli impianti intesi a difendere l'ambiente ed

il territorio da danni che possono essere provocati dalle acque naturali, quali le bonifiche e ope-

re di difesa delle piene.

Pertanto nelle Costruzioni Idrauliche possono essere ricomprese tutte quelle opere, dell’Ingegneria

Civile, in stretta connessione con l’acqua. Volendo sintetizzare e schematizzare per settori di inter-

vento è possibile suddividere tali opere in insiemi di impianti realizzati in funzione delle finalità per

cui sono stati progettati:

Smaltimento e regolazione delle acque me-

teoriche

Drenaggio urbano

Bonifiche

Sistemazioni di bacini montani

Approvvigionamento e trasporto di acqua per

usi civili, industriali ed agricoli

Acquedotti e reti di distribuzione urbane

Acquedotti e reti di distribuzione industriali

Reti di irrigazione

Serbatoi di regolazione e compenso

Allontanamento e depurazione delle acque di

rifiuto civili e industriali

Fognature ed Impianti di depurazione

Produzione di energia elettrica dalla tra-

sformazione di energia potenziale

Serbatoi artificiali

Impianti idroelettrici

Navigazione

Canali e fiumi navigabili

Opere portuali

Premessa

Difesa delle coste e delle spiagge

Malgrado la varietà delle utilizzazioni e le conseguenti

differenti metodologie progettuali tra le suddette ope-

re esistono elementi comuni dette Opere Elementari :

di captazione:

Sorgenti

Opere di presa da fiumi e laghi

Traverse fluviali

Pozzi

Impianti di sollevamento

di trasporto:

Canali

Tubazioni

Spechi

di stoccaggio:

Serbatoi

Invasi

Elevatore di acqua da un pozzo azionato da ruota calcatoria

Premessa

L'acqua

è un liquido incolore ed insapore, la cui molecola è composta

da due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno; indispensabile

per molti processi chimici sia nel mondo organico e sia in quello

minerale

PROPRIETÀ FISICHE

Peso specifico [ kg/m3] rapporto tra il peso di una sostanza

e quello di uguale volume di acqua distillata a 4°C

Densità g

[ kg s2 /m4] massa dell’unità di volume = rapporto tra peso ed accelerazione di gravità

Viscosità [kg s/m2] Sforzo tangenziale tra due lastre piane parallele di area unitaria poste a

distanza unitaria equivalente alla velocità relativa della lastra più veloce rispetto alla più lenta

Viscosità cinematica

[m2/s]

Nell’Idraulica pratica è necessario considerare alcune caratteristiche fisiche dell'acqua, ipotizzata

dolce e priva di particelle solide, tutte variabili con la temperatura. Nella Tabella sono riportati i

valori assunti dalle varie grandezza nel campo di temperature 0 20 C°.

Ciclo terrestre dell’acqua

La sede naturale dell’acqua allo stato di vapore è l’atmosfera mentre per lo stato liquido è la super-

ficie ed il sottosuolo della Terra ; lo stato solido (neve e ghiaccio) è presente anch’esso sulla su-

perficie terrestre.

I passaggi di stato provocano scambi di acqua tra le varie condizioni secondo due fasi:

Ascendente [ Terra Atmosfera ] si sviluppa ininterrottamente nel cambiamento di stato

dell’acqua naturale nel passaggio dalla Terra all’Atmosfera per

Evaporazione : trasformazione dallo stato liquido in vapore .

Sublimazione : trasformazione dallo stato solido, neve e ghiaccio, in vapore .

Discendente (Atmosfera Terra) si svolge in maniera saltuaria sotto forma di

Condensazione

Precipitazione.

Si viene a realizzare un ciclo naturale e perenne di passaggio dell’acqua dall’atmosfera alla terra

ed un suo ritorno all’atmosfera secondo lo schema semplificato riprodotto nella Figura 1.

T°

C° kg/m3 kg s2 /m4 kg s/m2 m2/s

0 999,87 101,96 0,000183 1,79*10-6

4 1000,00 101,97 0,000155 1,52*10-6

10 999,73 101,94 0,000133 1,30*10-6

20 998,23 101,79 0,000102 1,18*10-6

Premessa

Figura 1. Ciclo terrestre dell’acqua.

Le percentuali danno un’indicazione significativa di come i processi di trasformazione siano forte-

mente localizzati sulle grandi superfici oceaniche mentre, sulle terre emerse, del 21% rappresenta-

to dalle precipitazioni (pari a circa 119.000.000.000.000 m3 119.000 km3) solo il 7,8% , ru-

scellando sul terreno , chiude il ciclo sversando a mare.

Lo schema di Figura 2 evidenzia gli scambi diretti caratterizzati da cambiamenti di stato reversibili

tra atmosfera e ghiacciai, nevai, laghi, corsi d’acqua, terreno e vegetazione; mostra infine la circo-

lazione dell’acqua sulla terra alimentata direttamente dalle precipitazioni, dalla fusione delle nevi

e dall’ablazione glaciale.

Premessa

Figura 2. Circolazione dell’acqua naturale

La seguente Figura 3 evidenzia otto località e per ognuna di esse viene riportato l’andamento me-

dio annuo delle altezze di precipitazione, espresse in mm.

Figura 3. Distribuzione delle precipitazioni sull’emisfero nord

Premessa

Dall’osservazione dell’andamento dei valori medi mensili delle precipitazioni si evidenziano sostan-

ziali diversità caratteristiche di un determinato regime pluviometrico.

Equatoriale : piogge continue annue con due picchi coincidenti (fine ed inizio anno) . Il valore me-

dio annuo dell’altezza di precipitazione è elevato h 2.500 mm.

Tropicale : caratterizzato da un’estate piovosa ed un inverno secco. La zona interna è caratterizza-

ta da due massimi estivi, mentre nella zona esterna sono presenti elevate precipitazioni estive .

Monsonico : tipico delle regioni costiere intertropicali dell’India, caratterizzato da elevate piogge

estive causate da venti estivi (monsoni) che dall’oceano espandono e si raffreddano risalendo verso

nord.

Subtropicale: aree desertiche e piogge scarse.

Mediterraneo : precipitazioni piovose scarse nel periodo estivo.

Temperato : moderate precipitazioni costanti nell’anno.

Polare : piogge tutto l’anno ma di modesta quantità.

Il Passaggio tra i vari regimi è, ovviamente, graduale.

In Italia piove, mediamente, 300 miliardi di m3 corrispondente ad un valore normale1 delle altezze

di precipitazioni annue di circa 1000 mm

Milano 1010 mm

Genova 1300 mm

Roma 830 mm

L’Aquila 700 mm

Napoli 850 mm

Palermo 660 mm

Figura 4. Carta delle piogge

1 Un valore normale è pari al valore medio di un numero di osservazioni abbastanza elevato da soddisfare alla condizione che questo non vari sensibilmente includendo o escludendo dal conteggio un numero limitato di anni.

Premessa

Energia da fonti rinnovabili

Il progresso economico delle società moderne necessita di un approvvigionamento continuo e cre-

scente di energia, indispensabile per molte ragioni ed attività. I settori che necessitano di un mag-

giore impegno di energie sono quello dei trasporti (che si basa per la quasi totalità sul petrolio), il

settore domestico (che deve oggi rispondere della richiesta crescente di comfort per le abitazioni) e

l'utilizzo di elettricità e di calore a scopi sia civili che industriali.

Per rispondere a questa continua domanda di energia in larga parte si ricorre a fonti non rinnovabi-

li, idrocarburi in testa. In Europa la centralità dei combustibili fossili è particolarmente evidente: si

ricorre al petrolio per il 41% dei consumi nei tre settori sopra indicati, mentre per il 22% ci si affi-

da al gas naturale, seguito dall'energia ricavata dalla combustione dei solidi e dal nucleare. Nel

continente europeo le fonti energetiche non rinnovabili sono particolarmente limitate: oggi la quan-

tità di energia importata dai paesi extra-europei è circa la metà del fabbisogno energetico necessa-

rio, ma mantenendo la quota di utilizzo ai livelli attuali nel giro di venti o trent'anni il totale di

energia importata potrebbe superare il 70% dei consumi.

I rischi ambientali L'utilizzo di fonti non rinnovabili per la produzione di energia comporta una seria minaccia per la

salvaguardia dell'ecosistema terrestre: le emissioni di CO2 sono infatti tra i protagonisti principali

dei cambiamenti climatici causati dalle attività umane, come sottolineato chiaramente nel Protocol-

lo di Kyoto. Se già oggi questo dato rappresenta un grave problema per l'ambiente, entro il 2020 la

situazione potrebbe peggiorare drasticamente: secondo le attuali previsioni demografiche nei pros-

simi quindici anni la popolazione mondiale potrebbe infatti crescere di circa 2 miliardi di individui,

aumentando la domanda energetica totale di oltre il 60% rispetto al livello attuale. Questi fatti

spingono oggi i principali paesi industrializzati alla ricerca di soluzioni energetiche nuove e sosteni-

bili.

L'utilizzo delle fonti rinnovabili rappresenta la chiave di volta del cambiamento nella produzione e

nel consumo di energia. La natura infatti offre grandi potenzialità energetiche, grazie alle tradizio-

nali fonti di energia rappresentate dal sole, dal vento, dalle biomasse, ed infine dall'acqua .

Le possibilità di sfruttare l'enorme potenziale delle fonti rinnovabili sono tuttavia condizionate da

alcuni fattori fondamentali, che attualmente limitano le realizzazioni pratiche di questo incredibile

potenziale energetico. In Europa ad esempio solo il 6% dei consumi energetici è ricavato da fonti

energetiche rinnovabili: i motivi principali di questo ritardo sono in parte strettamente tecnologici,

in parte dipendono dalle politiche energetiche dei singoli paesi industrializzati. La ricerca di soluzio-

ni scientifiche per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili è infatti ai suoi inizi, e per questo motivo il

loro utilizzo spesso non è economicamente conveniente, poiché le spese di investimento iniziale so-

no recuperabili solo in tempi molto lunghi. Fino a pochi anni fa, d'altra parte, è mancata quella

coordinazione necessaria tra i governi dei paesi più sviluppati in grado di dare un impulso decisivo

all'utilizzo delle fonti pulite. In questi ultimi anni, tuttavia, in Italia, come nel resto d'Europa, sono

stati fatti molti sforzi per promuovere l’energia rinnovabile: ad una strategia comune di azione, in-

fatti, si è affiancata la ricerca di soluzioni tecnologiche innovative in grado di aumentare e migliora-

re lo sfruttamento delle "miniere" energetiche naturali. Il nostro paese per certi versi è in ritardo

rispetto agli obiettivi fissati dalla Comunità Europea, anche se ci sono alcuni motivi che fanno ben

sperare per il prossimo decennio. Più del 75 % dell'energia generata da fonti pulite in Italia provie-

Premessa

ne dall'idroelettrico, di cui tuttavia sfruttiamo già un potenziale superiore al 70%: un margine ulte-

riore di sviluppo è rappresentato dal mini-idroelettrico, con piccoli impianti in grado di utilizzare

brevi salti d'acqua. Il 15% di energia viene prodotta dalle biomasse e dai rifiuti, l'11% dall'eolico e

dal fotovoltaico e la parte restante dalla geotermia. Tra il 1996 e il 2006 l'Italia ha tuttavia aumen-

tato le emissioni di CO2 di oltre il 12%, mentre nello stesso periodo la crescita di energia ricavata

da fonti pulite è aumentata solo dell'1% circa: nonostante la ricerca di nuove soluzioni tecnologiche

abbia ottenuto risultati importanti, diversi fattori hanno influito sul ritardo. In linea di massima il

problema principale è che le fonti energetiche rinnovabili in Italia sono ancora rimaste ai margini

dello sviluppo generale del paese.

Energia Solare

Benché l’Italia sia un paese che per posizione geografica potrebbe sfruttare notevolmente questa

risorsa, le politiche energetiche italiane hanno sottovalutato tale possibilità mentre nel resto del

mondo il solare è molto sfruttato. La torre solare , raffigurata nella Figura 5, produce oltre 10 me-

gawattora .

Figura 5. Solar Two Mojave Desert California

Il solare termico è un insieme di processi tecnologici con i quali è possibile la conversione diretta

dell'energia solare in energia termica. Esempio classico è la produzione dell'acqua calda sanitaria

e per il riscaldamento

I pannelli solari sfruttano una tecnologia collaudata, presente sul mercato ormai da molti anni. Si

distinguono in sistemi solari a circolazione naturale o a circolazione forzata. Nel primo caso si sfrut-

ta un principio naturale secondo il quale un fluido più caldo, essendo più leggero, tende a salire

verso l’alto mentre un fluido più freddo (più pesante) tende a scendere verso il basso. In questi im-

pianti il serbatoio è posizionato sopra i pannelli solari. Il liquido che circola nei collettori, grazie

all’esposizione solare si scalda e confluisce naturalmente verso il serbatoio posizionato più in alto.

Qui cede calore all’acqua e, una volta raffreddato, torna verso i collettori (Figura 6).

Nei sistemi a circolazione forzata il meccanismo è regolato da una pompa collegata a una centrali-

na. Qui infatti il serbatoio può essere posizionato liberamente in un qualsiasi punto della casa, per-

tanto la circolazione del fluido dai pannelli solari al serbatoio viene controllato dalla pompa. In en-

Premessa

trambi i casi il liquido primario (generalmente composto da acqua e antigelo) circola all’interno di

un circuito chiuso, che non viene mai a contatto con l’acqua sanitaria (Figura 7) .

Figura 6.

Figura 7.

Il solare termo-dinamico Progetto Archimede. Specchi parabolici concentrano la luce diretta del so-

le su un tubo ricevitore (dentro il quale scorre il fluido termovettore), che assorbe l'energia rag-

giante e la converte in calore ad alta temperatura (Figura 8). Il fluido riscaldato (a 550 °C) viene

convogliato in un serbatoio "caldo", dove va a costituire l'accumulo di calore ad alta temperatura.

Dal serbatoio "caldo", il fluido è inviato ad uno scambiatore dove cede una parte di calore con il

quale viene generato vapore che alimenta un sistema convenzionale di produzione di energia elet-

trica. Il fluido conclude la sua corsa nel serbatoio "freddo", a 290°C, da dove viene prelevato e re-

immesso nel ciclo.

Figura 8 .

Premessa

Il Fotovoltaico

La tecnologia fotovoltaica (FV) consente di trasformare diret-

tamente l'energia associata alla radiazione solare in energia

elettrica sfruttando le proprietà di alcuni materiali semicon-

duttori che, se opportunamente trattati, sono in grado di pro-

durre elettricità senza l'uso di alcun combustibile. Poiché solo

una parte dell'energia solare che colpisce una cella fotovoltai-

ca viene convertita in energia elettrica, l'efficienza di conver-

sione delle celle commerciali è compresa fra il 10% e il 14%.

Pertanto per produrre energie sufficienti per l’utilizzo civile

sono necessarie grandi superfici per installare i pannelli.

Le centrali fotovoltaiche sono impianti per la produzione di

energia elettrica in larga scala con più moduli fotovoltaici con-

nessi in serie o parallelo.

I moduli a loro volta sono costituiti principalmente da celle fotovoltaiche, generalmente nel numero

di 36 e collegate tra loro in serie. Sia la tensione sia la potenza di un singolo pannello sono, tutta-

via, insufficienti per la realizzazione di una centrale che produca energia elettrica in modo significa-

tivo per le utenze collegate. Per questo motivo, i pannelli sono in genere collegati tra loro in serie

formando le stringhe. Più stringhe in parallelo formano un sotto-campo fotovoltaico che fa capo a

un quadro di parallelo stringhe. L’insieme dei sottocampi forma infine il campo fotovoltaico, cioè

quella parte della centrale fotovoltaica dove viene captata la radiazione solare che è trasformata in

energia elettrica.

La progettazione di un campo fotovoltaico comporta scelte particolari che ne determinano il funzio-

namento, in particolar modo per quello che riguarda la disposizione spaziale e l’inclinazione dei

pannelli costituenti le stringhe. Normalmente le stringhe vengono posizionate in file parallele, ad

una distanza tale da evitare che una determinata fila, in certe ore della giornata, non copra con la

propria ombra la stringa posta alle sue spalle. Per evitare l’ombreggiamento, che comporterebbe

una riduzione della radiazione incidente sui pannelli, la distanza minima tra le file è calcolata in ba-

se all’altezza e all’angolo di inclinazione dei pannelli, a sua volta dipendente dalla latitudine del luo-

go in cui sorge la centrale. L’inclinazione dei pannelli fotovoltaici può essere “fissa”, ossia indipen-

dente dai movimenti del sole, e “ad inseguimento solare", ossia variabile durante l’arco della gior-

nata per ottenere il massimo irraggiamento in tutte le ore del giorno.

Figura 9 . Centrale Fotovoltaica

Premessa

La progettazione di un campo fotovoltaico comporta scelte particolari che ne determinano il funzio-

namento, in particolar modo per quello che riguarda la disposizione spaziale e l’inclinazione dei

pannelli costituenti le stringhe. Normalmente le stringhe vengono posizionate in file parallele, ad

una distanza tale da evitare che una determinata fila, in certe ore della giornata, non copra con la

propria ombra la stringa posta alle sue spalle. Per evitare l’ombreggiamento, che comporterebbe

una riduzione della radiazione incidente sui pannelli, la distanza minima tra le file è calcolata in ba-

se all’altezza e all’angolo di inclinazione dei pannelli, a sua volta dipendente dalla latitudine del luo-

go in cui sorge la centrale. L’inclinazione dei pannelli fotovoltaici può essere “fissa”, ossia indipen-

dente dai movimenti del sole, e “ad inseguimento solare", ossia variabile durante l’arco della gior-

nata per ottenere il massimo irraggiamento in tutte le ore del giorno.

La centrale fotovoltaica di Serre Persano, attualmente la più grande centrale fotovoltaica operante

al mondo, che si sviluppa su una superficie di circa 5 ettari e mezzo, con una superficie di pannelli

installati di 26.500 mq. Si tratta di una centrale fotovoltaica che trasforma direttamente la luce del

sole in energia elettrica. Il campo fotovoltaico (il complesso di tutti i pannelli produttivi) è ulterior-

mente suddiviso in sezioni, o sottocampi: 9 di questi sono fissi, cioè i pannelli non si muovono,

mentre il decimo è definito come “sottocampo ad inseguimento solare”, in questo ultimo caso infat-

ti i pannelli variano automaticamente la loro inclinazione in modo da trovarsi sempre nella posizio-

ne ottimale per raccogliere il massimo di luce dal sole nell’arco della giornata. L’energia elettrica

prodotta con il procedimento fotovoltaico viene convogliata ad una stazione di trasformazione dove

la tensione viene elevata da 380 V a 20 kV e immessa nella rete. La potenza installata è di 3,3 MW

e la producibilità media annua è di 3500 MWh, pari al consumo medio annuo di 1400 famiglie.

Energia eolica È l'energia prodotta dal vento. L'energia del vento viene utilizzata mediante l'impiego di macchine

eoliche in grado di trasformare l'energia eolica in energia meccanica di rotazione che può essere

utilizzata per produrre elettricità, in questo caso il sistema di conversione è chiamato aerogenerato-

re. I rotori vengono classificati in macchine ad asse orizzontale con l'asse parallelo alla direzione

del vento e in macchine ad asse verticale nelle quali l'asse del rotore è perpendicolare al terreno e

alla direzione del vento (Figura 10) .

Figura 10. Impianto eolico

Premessa

Energia Geotermica È l'energia prodotta dalle sorgenti di calore del sottosuolo della Terra. L'origine di questo calore di-

pende dalla natura interna del nostro pianeta e dai processi fisici che in esso hanno luogo. La pre-

senza del calore si manifesta con l'aumento progressivo della temperatura delle rocce con la pro-

fondità. L' energia termica accumulata nella terra viene resa disponibili tramite dei vettori che si

chiamano fluidi geotermici, che possono raggiungere spontaneamente la superficie, dando luogo a

manifestazioni geotermiche naturali come i geyser, le fumarole, le sorgenti calde, oppure possono

essere utilizzate a fini industriali per la produzione di energia (Figura 11).

Figura 11. Utilizzo dell’energia geotermica

Si stima, ad esempio, che l'energia geotermica

presente nel sottosuolo degli Stati Uniti am-

monti a circa 90 milioni di miliardi di chilowat-

tora, che sarebbe una quantità 3000 volte su-

periore al fabbisogno nazionale. Anche l'Italia,

grazie alle ampie zone vulcaniche, ha un ottimo

potenziale geotermico che potrebbe essere

sfruttato. In Italia la produzione di energia elet-

trica da questa fonte è di circa 4 GWh, prodotta

da 13 impianti. Di cui il più antico è quello di

Larderello (PI) , realizzato nel 1904.

Figura 12. Impianto di Lardarello

Maree L'energia mareomotrice è quella ricavata dagli spostamenti d'acqua causati dalle maree, che in al-

cune zone del pianeta possono raggiungere anche i 20 metri di ampiezza verticale. Già

nell’antichità si cercò di sfruttare questo tipo di energia, mediante la costruzione di "mulini a ma-

rea". L’acqua veniva raccolta, durante il flusso, in un piccolo bacino, che veniva in seguito chiuso

con una paratia. Al momento del deflusso l’acqua veniva convogliata attraverso un canale verso

una ruota che muoveva una macina.

Produrre energia dal mare attraverso lo sfruttamento delle maree può realizzarsi con impianti si-

mili a quelli idroelettrici. Uno sbarramento trattiene l'acqua in un bacino fino al livello dell'alta ma-

rea; successivamente vengono aperte le condotte che alimentano le turbine e l’alternatore. Figura

13).

Premessa

Figura 13.

Moto ondoso L'energia prodotta dalle onde si ottiene sfruttando il movimento di galleggianti ancorati al fondo del

mare con dei cavi che si avvolgono e svolgono sull'asse di un alternatore, oppure sfruttando il mo-

vimento dell'aria al di sopra delle onde, ma si è ancora in fase sperimentale.

Una recente tecnologia, realizzata dalla Pelamis Wave Power Ltd , utilizza il movimento di onde

oceaniche di superficie per creare energia elettrica. Il dispositivo è costituito da una serie di sezioni

cilindriche semi-sommerse collegate tra loro con snodi.

L'onda crea un moto relativo di queste sezioni, opponendo dispositivi idraulici collegati a generatori

elettrici per la produzione di energia elettrica. Diversi dispositivi possono essere collegati tra loro ed

a terra tramite un unico cavo sottomarino (Figure 14 - 15).

Figura 14 . Sistema Pelamis – serpente di mare

Premessa

Figura 15 .

Un'altra possibilità è l'impiego dell'energia delle correnti marine, con sistemi simili agli impianti eo-

lici. La principale differenza è nella struttura delle eliche a causa della densità molto maggiore

dell'acqua rispetto all'aria e di una velocità mediamente più bassa (Figura 16). Nello stretto di

Messina è collocato un impianto sperimentale di questo tipo (figura 17).

Figura 16 .

Figura 17

Premessa

La produzione di energia dal mare è possibile anche sfruttando la differenza di temperatura tra il

fondo e la superficie. Una macchina termica può sfruttare la differenza di temperatura per ottenere

energia meccanica e da questa quella elettrica. Il rendimento di questi sistemi è basso, cionono-

stante, poiché la quantità di energia termica accumulata nell'oceano è elevata, è comunque possi-

bile ottenere enormi quantità di elettricità. Esistono impianti di questo tipo in India e nelle isole

Hawaii.

Biomasse

Le fonti di energia da biomassa sono costituite dalle sostanze di origine animale e vegetale, non

fossili, che possono essere usate come combustibili per la produzione di energia. Alcune fonti come

la legna non necessitano di subire trattamenti; altre come gli scarti vegetali o i rifiuti urbani devono

essere processate in un digestore. La biomassa, abbreviazione di "massa biologica", indica qualsiasi

sostanza organica, sia vivente che morta, derivata direttamente o indirettamente dalla fotosintesi.

La biomassa può essere usata per produrre energia (bio-energia), direttamente come combustibile

o convertita in altri tipi di combustibile, elettricità e/o calore grazie a processi termo-chimici e bio-

chimici. Le biomasse sono:

Tutti i prodotti delle coltivazioni agricole e della forestazione

Residui delle lavorazioni agricole e scarti dell'industria alimentare

Le alghe

Tutti i prodotti organici derivanti dall'attività biologica animale

La produzione lorda di energia elettrica alla fine del 2004, in Italia, è stata di 5637,2 GWh, prodotta

da 267 impianti (compresi gli impianti che producono energia dai rifiuti). Nei Paesi industrializzati le

le biomasse rappresentano solo 3,2% del totale dei consumi energetici finali, mentre costituiscono

il 35% nei paesi in via di sviluppo.

Figura 18.Energia prodotta da biomassa

Energia nucleare In seguito all'incidente nucleare di Chernobyl e al referendum del 1987, l'Italia ha interrotto l'attivi-

tà delle proprie centrali nucleari di potenza. Attualmente esse sono in fase di chiusura definitiva e

smantellamento. Malgrado ciò la popolazione italiana è a rischio di incidenti nucleari data la presen-

za di impianti nucleari posti in territorio estero. Infatti esistono ben 13 centrali nucleari di potenza

ubicati a meno di 200 Km dal confine nazionale. Tali centrali sono in Francia, Svizzera, Germania e

Slovenia. L'Italia è dotata di una rete nazionale automatica di allarme, la rete REMRAD e di una

rete complementare, rete GAMMA, avviate negli anni '80 e ristrutturate nel corso degli anni '90, en-

Premessa

trambe gestite dall'Agenzia per la Protezione dell'Ambiente e per i servizi Tecnici (APAT) in collabo-

razione con il Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco (figura 19).

Figura 19

La catastrofe di Fukushima del marzo 2011 ha probabilmente messo in discussione l'intero pro-

gramma nucleare mondiale.

Figura 20. Il reattore danneggiato e la diffusione della radioattività

Premessa

Energia Idraulica

L'energia idraulica, utilizzata dall'uomo da oltre quaranta secoli e divenuta energia idroelettrica da

poco più di un secolo. L'energia potenziale è rappresentata dal volume idrico accumulato a quota

elevata, generalmente in laghi artificiali o vasche di carico, che muovendosi a valle entro condotte

forzate viene convertita in energia elettrica. Pertanto un impianto idroelettrico è costituito da : un

sistema di raccolta dell'acqua di forma e di dimensioni adatte alla natura del terreno e al letto del

corso d'acqua; una condotta forzata di convogliamento e adduzione dell'acqua; una turbina, che

trasforma l'energia potenziale dell'acqua in energia meccanica ed, infine, un alternatore o genera-

tore, che converte in energia elettrica l'energia meccanica della turbina (Figura 21). Poiché una

volta utilizzata l'acqua non subisce nessuna trasformazione nelle caratteristiche chimico-fisiche,

viene restituita al suo corso naturale.

Figura 21

La macchina caratteristica di un impianto idroelettrico e' la turbina, evoluzione delle pale dei mulini

di un tempo, costruiti sulle rive del fiume, che usavano l'acqua come forza motrice per le macine.

Le grandezze che determinano e definiscono l’impianto sono principalmente il salto utile e la porta-

ta. Il salto utile e' il dislivello misurato in metri tra la quota di superficie libera dell'acqua e quella

dello scarico. La portata e' il volume, misurato in metri cubi, d'acqua che transita attraverso una

sezione nel tempo di un secondo.

Figura 22. La turbina

Tutte le turbine sono composte principalmente da tre parti: un organo di immissione e distribuzione

dell'acqua, la girante che trasforma l'energia dell'acqua in energia meccanica e lo scarico. I diversi

Premessa

tipi di turbine oggi disponibili sono classificate, in generale, in due famiglie: turbine ad azione e

turbine a reazione.

La differenza tra azione e reazione si gioca nella trasformazione degli stati di energia dell'acqua: in

quella ad azione la trasformazione dell'energia potenziale in energia cinetica avviene tutta nell'or-

gano di distribuzione dell'acqua; in quella a reazione ciò avviene anche nella girante.

Le turbine ad azione, di cui il modello piu' rappresentativo e' la turbina Pelton, sono utilizzate nei

sistemi idraulici dove il salto utile e' tra i 50 ed i 1000 metri e le portate sono modeste.

Nelle turbine Pelton il distributore, ovvero l'organo di immissione dell'acqua, consiste in un iniettore

comandato da una valvola a bulbo che intercetta e regola il getto dell'acqua, permettendo di varia-

re l'energia trasmessa alla girante e quindi anche la potenza emessa dal generatore.

La pala della turbina ha la forma di un doppio cucchiaio che permette il miglior sfruttamento dell'e-

nergia cinetica dell'acqua (Figura 23) .

Figura 23. Turbine Pelton

Per i salti inferiori, tra i 5 m e i 200 m, si usano turbine a reazione del tipo Francis. L'organo di

immissione e' composto dalla cassa spirale e dal distributore. La cassa spirale e' un tubo che si re-

stringe progressivamente e contorna il distributore e ha il compito di imprimere all'acqua un moto

circolare. Il distributore invece e' composto da una serie di pale ad apertura variabile che indirizza-

no correttamente l'acqua verso le pale della turbina. La variazione di apertura delle pale del distri-

butore cambia la portata d'acqua immessa e quindi la potenza generata dall'alternatore (Figura

24).

Figura 24. Turbine Francis

Le turbine Kaplan, per sistemi con alte portate e salti tra 2 m e 20 m, hanno la girante molto simi-

le all'elica di un motore marino. La Kaplan può considerarsi una estremizzazione della turbina Fran-

cis, della quale conserva molte similitudini per l'organo di immissione dell'acqua (Figura 25).

Premessa

Figura 25. Turbine Kaplan

In Italia lo sviluppo della produzione idroelettrica pro-

babilmente ha già raggiunto la sua massima espan-

sione, soprattutto per quanto riguarda i siti dove era

possibile realizzare grandi impianti con la formazione

di laghi artificiali mediante dighe. L'interesse si con-

centra ora sulle piccole risorse idrauliche, ovvero sulle

piccole centrali idroelettriche realizzabili su sistemi

idraulici destinati ad altri usi o comunque su siti che

non necessitano di opere di sbarramento. Pertanto il

macchinario richiesto deve avere un buon rendimento

per portate ridotte e non costanti e salti geodetici li-

mitati. I modelli standard di turbine normalmente

prodotti sono caratterizzati da portate fino a i 10-

12000 litri/s, con salti idraulici da 2m a 200 m, mentre la potenza unitaria massima normalmente

non supera i 2000 kW.

Le turbine CROSS-FLOW (a flussi incrociati) sono la moderna realizzazione della classica turbina

Banki. Nella Figura 18 sono indicati i flussi dell’acqua e la geometria della turbina nei due casi di

immissione verticale o orizzontale. L’azione dell’acqua è tale da espellere dal rotore gli eventuali

corpi estranei trascinati dall’acqua (foglie, ghiaccio, piccole pietre, ...) rendendo così il rotore auto-

pulente, evitando ostruzioni nei condotti, e diradando le periodiche fermate per manutenzione.

La cross-flow è una turbina “ad azione” a due stadi. L’acqua entra nella turbina grazie ad un siste-

ma di distribuzione e finisce in un primo stadio della ruota palettata che funziona quasi totalmente

sommersa. Successivamente il flusso d’acqua, una volta abbandonato il primo stadio, cambia dire-

zione e finisce nel secondo stadio della turbina il quale è totalmente “ad azione”. La ruota della tur-

bina è costruita da dischi paralleli tra i quali si montano le pale costituite da alette in lamiera sem-

plicemente piegate. La forma della ruota ricorda quella di un sistema di ventilazione tangenziale.La

Figura 26 illustra i principali elementi costitutivi della turbina. L’immissione dell’acqua nel rotore

avviene radialmente mediante due compartimenti, normalmente l’uno di dimensioni doppie

dell’altro.

Premessa

Figura 26. Geometria della turbina cross-flow nei casi di immissione orizzontale o verticale

Grazie a questo doppio ingresso, si potrà immettere una maggiore o minore portata, a seconda del-

le necessità o disponibilità, agendo sul maggiore, sul minore o su entrambi gli ingressi. Il sistema di

regolazione della turbina e’ quindi molto semplice e compatto, ma nel contempo particolarmente

flessibile ed efficiente.

Figura 27

Infatti, come si rileva dalla Figura 28, il rendimento otte-

nibile e’ superiore all’ 80% anche con variazioni della por-

tata dal 20% al 100% di quella nominale. A titolo di con-

fronto si osservi che il rendimento di una turbina Francis,

riportato a tratteggio nello stesso grafico, decresce sen-

sibilmente al diminuire della portata, diminuendo in ma-

niera sostanziale la producibilità nell’arco di funziona-

mento.

I materiali utilizzati, acciai al carbonio ed inossidabili del-

la migliore qualità, speciali vernici protettive e una raffi-

nata finitura meccanica, garantiscono per lunghi anni un

tranquillo e produttivo funzionamento dell’impianto.

Figura 28

Nel campo delle micro e mini centrali idroelettriche l’uso di nuove tecniche di progettazione, di

nuovi materiali sintetici e di tecnologie elettroniche ha consentito realizzare diverse tipologie di

macchinario standardizzato (le cui caratteristiche salienti quali: costruzione robusta, pesi ridotti,

Premessa

minimo numero di componenti, geometrie semplificate, minime necessità di manutenzione, facile

sostituzione di componenti di serie, funzionamento non presidiato), utilizzato per impianti asserviti

ad acquedotti (Figura 29).

Figura 29. Recupero energetico negli acquedotti

L'alternatore

Accoppiato solidamente all'albero della turbina troviamo l'alternatore, la macchina elettrica che tra-

sforma l'energia meccanica in energia elettrica. Il principio di funzionamento di un alternatore, o

generatore, e' semplice: sulla parte mobile, chiamata rotore, e' realizzato un magnete di cui si può

dosare e controllare il campo magnetico; nella parte fissa, che si chiama statore, sono presenti de-

gli avvolgimenti di filo di rame nei quali il campo magnetico rotante generato dal rotore induce una

forza elettromotrice, ovvero l'energia elettrica.

Figura 30. Schema di impianto idroelettrico

Dall'alternatore, l'energia elettrica che, per problemi di isolamento, nasce con una tensione di

5.000 V, viene trasferita mediante cavi di rame opportunamente dimensionate ad un'altra apparec-

chiatura, il trasformatore. Compito del trasformatore e' di innalzare il valore della tensione da

5.000 V a 150.000 V, purché più e' alta la tensione più è ridotta la sezione del cavo di trasporto.

Nel 2004, in Italia, la produzione lorda di energia elettrica da questa fonte è stata pari a 42.744,4

GWh fornita da 2021 impianti.

Premessa

Gli impianti idroelettrici sul fiume Vomano

Il fiume Vomano nasce dalle pendici settentrionali del Gran Sasso d’Italia e, dopo un corso relati-

vamente breve, si versa nel mare Adriatico presso Roseto. Il serbatoio di testa del sistema di im-

pianti idroelettrici del Gruppo Vomano è stato ottenuto ripristinando artificialmente con tre sbarra-

menti l’antico lago di Campotosto, di cui era rimasta traccia sotto forma di conca palustre: la diga

di Rio Fucino (Figura 31), la diga di Sella Pedicate (Figura 32) e la diga di Poggio Cancelli (Figura

33).La capacità di questo serbatoio, quota max 1317,50 m s.m., è di 217 milioni di m3, equivalenti

a 547 milioni di kWh. Il bacino imbrifero scolante nel lago di Campotosto viene notevolmente este-

so mediante due canali collettori di gronda sui versanti orientale ed occidentale dei monti della La-

ga.

Figura 31. Diga di Rio Fucino

Figura 32 Diga di Sella Pedicate

Premessa

Figura 33. Diga di Poggio Cancelli

Dal serbatoio di Campotosto parte la galleria forzata che alimenta la Centrale di Provvidenza situata

alla quota di 1.030 m s.m.. In questa Centrale sono installati due gruppi turbina-alternatore-pompa

da 51.800 kW ed un terzo della potenza di 52.200 kW.La galleria di scarico è in pressione e sbocca

nel serbatoio di Provvidenza, ottenuto sbarrando il fiume Vomano mediante una diga ad arco. Dal

serbatoio di Provvidenza parte una galleria lunga 14,3 km che raccoglie lungo il suo percorso le ac-

que di alcuni torrenti, che scendono dalle pendici del Gran Sasso, e immette nel pozzo forzato della

grande Centrale di San Giacomo. La Centrale di San Giacomo, come quella di Provvidenza, è sot-

terranea e vi si accede con una galleria di circa due chilometri di lunghezza.

Premessa

Figura 34. Planimetria degli impianti idroelettrici del Vomano

Il macchinario comprende tre gruppi da 73.600 kW ciascuno equipaggiato con due turbine Pelton

affiancate all’alternatore. Alle acque convogliate dalla galleria di derivazione si uniscono quelle rac-

colte da un canale di gronda, pure in galleria, che si sviluppa a sud-est del Gran Sasso, conservan-

do una quota superiore a quella massima dell’acqua del serbatoio di Provvidenza.

Quando la Centrale di San Giacomo è ferma le acque raccolte dalle gallerie collettrici anzidette rag-

giungono il serbatoio di Provvidenza e possono essere sollevate nel lago di Campotosto

a costituire riserva di energia mediante le pompe da 51.800 e da 52.200 kW della centrale di Prov-

videnza. Gli impianti di Provvidenza e di San Giacomo fanno servizio di produzione utilizzando

l’acqua accumulata naturalmente e mediante il pompaggio di Provvidenza nel lago di Campotosto.

Le acque di scarico di San Giacomo insieme a quelle raccolte da altri due canali di gronda a quota

400 vengono utilizzate nella Centrale di Montorio, su un salto di 257,70 metri e con una producibili-

tà di 253,43 milioni di kW. La potenza installata è di 120.920 kW.

Figura 35. Schema degli impianti idroelettrici del Vomano

Premessa

Impianto idroelettrico di Provvidenza Dal serbatoio di Campotosto parte una galleria forzata che alimenta la Centrale di Provvidenza,

lunga m 1.100 e del diametro di m 4,50, che termina al pozzo piezometrico del diametro di m 8,00

con strozzatura, cui segue la condotta scavata in pozzo verticale, rivestita in lamiera. Il salto medio

è di m 255. La portata massima m3/s 61,8.

Nella centrale in caverna sono installati due gruppi composti di una turbina Francis, con alternato-

re-motore e una pompa a due stadi della potenza di 51.800 kW cadauno, e due trasformatori

15/230 kV . La producibilità è di 75,8 milioni di kWh. Le pompe, all’epoca della costruzione le più

grandi esistenti, possono sollevare m3/s 16-12,4 con una prevalenza da metri 240 a 286.

Gruppo pompa

È di più recente attuazione l’installazione di una terza unità ad asse verticale da 52.200 kW, equi-

paggiata con turbina-pompa reversibile di progettazione Allis Chalmers (U.S.A.), la prima in Europa

di tale potenza.

La galleria di scarico lunga m 673 e del diametro di m 4,50 funziona tanto per lo scarico delle tur-

bine quanto per l’alimentazione delle pompe, e sbocca nel serbatoio di compenso di Provvidenza

della capacità utile di 1.690.000 m3, ottenuto sbarrando il fiume Vomano mediante una diga ad ar-

co alta m 51,00.

La quota sala macchine trovasi a 30 metri sotto la quota d’invaso massimo di questo serbatoio.

Caratteristiche principali dell’impianto

Centrale

Salto Portata Potenza Producibilità Producibilità

medio massima installata da pompaggio

m m3/sec kW GWh GWh

Provvidenza

S. Giacomo

Montorio

Piaganini

255,00 61,8 155.800 75,80 145

655,00 105,5 559.080 352,10 131

257,70 54 120.920 253,43

101,50 1,45 1.400 2,42

Totale 837.200 683,75 276

Premessa

Capacità di invaso utile dei serbatoi

Campotosto 217.000.000 m3

Provvidenza 1.690.000 m3

Piaganini 950.000 m3

Centrale di Piaganini - Condotta forzata e tubo ponte

Nei successivi capitoli sono raccolti esempi .

Questi, tenuto conto delle necessarie semplificazioni, possono essere comunque utili sia

per un supporto applicativo della parte teorica, sia per seguire tracce o per promemoria

progettuali. Tutte le elaborazioni sono state eseguite con Excel di Windows che si è dimo-

strato un buono strumento di simulazione e di calcolo.