Studio di fattibilit di un impianto di micro- idroelettrico ad
acqua fluente e delle opere di costruzione necessarie per sfruttare
lenergia di un canale Finozzi Andrea 5BM
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Premessa Gli impianti idroelettrici producono elettricit
sfruttando lenergia cinetica dellacqua che scorre verso valle,
ovvero da un punto a quota pi elevata a un punto a quota inferiore.
Le turbine idrauliche utilizzano lenergia potenziale posseduta da
una massa dacqua tra un dislivello, detto salto, esistente tra le
due sezioni di pelo libero superiore (a monte) ed inferiore (a
valle).
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Abbiamo deciso di analizzare un corso dacqua presente nel
nostro territorio (la Roggia Maestra) e di costruire un ipotetico
progetto di un impianto di mini-idroelettrico.
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Lidea di sfruttare il canale Lidea di costruire un ipotetico
progetto su questo canale ci venuta dopo aver saputo che nel
medesimo luogo in passato era presente un opificio che utilizzava
lacqua per uso forza motrice (da quello che sappiamo era usata per
macinare il grano). Notando la presenza di un dislivello
utilizzabile come salto, abbiamo ipotizzato la costruzione di un
micro-impianto idroelettrico per ricavare energia.
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Lo sfruttamento dellenergia idraulica disponibile sul canale
Roggia Maestra possibile tramite la costruzione, la posa e
lesercizio di una centralina idroelettrica; i macchinari in essa
contenuti permettono la trasformazione del lavoro generabile dalla
forza dellacqua in energia elettrica. Questa viene poi ceduta alla
rete nazionale. Per far ci necessario costruire un canale di
captazione dellacqua, un edificio per alloggiare la turbina ed il
generatore elettrico, ed un canale per la restituzione dellacqua
alla roggia stessa.
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Inquadramento e descrizione dellarea di studio Lubicazione
dellipotetico impianto situata nel comune di Schio (prov. Vicenza)
al confine con il comune di Marano. Il corso dacqua oggetto di
utilizzo la Roggia Maestra. Dallesame delle cartine IGM in scala
1:25000 si pu notare che questa ha origine nel comune di
Torrebelvicino per mezzo della derivazione da parte del Consorzio
di Bonifica Medio-Astico Bacchiglione sul torrente Leogra.
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ANALISI DI FATTIBILIT E ANALISI ECONOMICA
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Stima delle potenzialit idriche Da una campagna di rilevazione
delle portate, si possono determinare i valori medi mensili di
queste ultime come riportato nella tabella e nel diagramma
seguente.
Possiamo osservare che non sono presenti valori di secca del
canale (se non per eventuale manutenzione dello stesso) al di sotto
dei quali viene fermato limpianto: la portata minima della turbina
stimata attorno ai 300 l/s a cui corrisponde una potenza generata
di circa 9-10 kW. Abbiamo stimato i carichi passivi per sistemi di
potenza, servizi, illuminazione, ecc. in massimo 4 kW. Nel caso le
portate, a fronte di eventi molto siccitosi, si riducano a tal
punto da portare la disponibilit idrica utilizzabile per scopo
idroelettrico sotto il minimo di sostentamento, riteniamo
necessario staccare limpianto. Le misurazioni sulle portate della
Roggia che siamo riusciti ad ottenere (effettuate su pi anni) danno
comunque valori minimi superiori a 300 l/s cosicch si ha comunque
un margine positivo di potenza cedibile in rete. Il caso di stato
di secca e quindi fermo macchina risulta limitato a pochi giorni
per la manutenzione della Roggia.
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Stima delle potenze generate Abbiamo ricavato le potenze
generate in base a fasce di portata: Stato di:SECCAportata
insufficiente Q < 200 l/s Stato di:MAGRAportata limitata Q = 300
l/sP GEN = 9,1 kW Stato di:FLUSSO BASSOportata modesta Q = 600 l/sP
GEN = 18,3 kW Stato di:FLUSSO MEDIOportata discreta Q = 800 l/sP
GEN = 24,4 kW Stato di:FLUSSO ELEVATOportata buona Q = 1500 l/sP
GEN = 45,7 kW Stato di:PIENA portata massima Q > 2000 l/sP GEN =
60,9 kW I valori della potenza ai morsetti del generatore asincrono
sono da considerare netti in quanto abbiamo imposto un rendimento
del sistema turbina-generatore = 0.84
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Non ci soffermiamo su quanto potrebbe rendere un impianto
simile ma per avere un idea generale: Il prezzo a cui la rete
nazionale acquista la corrente dai privati di 0.22 euro/kWh (dato
variabile). Il ricavo lordo annuo sarebbe di 0.22*248600=54. 692
euro Ovviamente poi si deve tener conto dellammortamento del costo
dellimpianto e del costo di manutenzione annuo.
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DESCRIZIONE DELLIMPIANTO E DIMENSIONAMENTO OPERE DI PRESA
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La portata massima della Roggia stata quantificata in 4000 l/s
e quella media in 1500 l/s. Come regime di funzionamento della
turbina abbiamo deciso di utilizzare una portata massima pari a
2000 l/s e portata media di 1500 l/s. Evitiamo di dimensionare il
generatore per la massima potenza della turbina e di limitarlo a 60
kW; taglie superiori oltre ad avere maggior costo, sarebbero
soggette a penalizzazione sul rendimento ai bassi carichi
riscontrabili in diversi mesi dellanno.
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Dati tecnici riassuntivi Salto netto (differenza di livello tra
i due peli morti dei canali): 3,7 m Portata massima: 2000 l/s
Portata media annuale: 1500 l/s Potenza nominale: 60 kW Potenza
massima istallata: 65 kW Producibilit media annua: 250*10 ^3
kWh
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Dimensionamento opere di presa Viene prevista la realizzazione
di unopera di presa costituita da manufatti in cemento armato per
la raccolta e canalizzazione del flusso. Nella stessa struttura
vengono predisposti la bocca di presa, dotata di griglia primaria
in ferro zincato a maglie larghe e paratoia; bacino di calma con
sfioratore e sgrigliatore meccanico. Vengono utilizzate le seguenti
notazione nel dimensionamento: Q mturbina portata minima turbina Q
Mturbina portata massima turbina Q MAX portata massima in ingresso
alla bocca di presa Q MAX sfior portata massima evacuata dallo
sfioratore V MAX velocita massima del flusso dacqua sulla traversa
e in entrata S bocca sezione della bocca dentrata L sfior larghezza
sfioratore H sfior livello nominale acqua sopra quota sfioratore H
MAX sfior livello massimo acqua sopra quota sfioratore
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Portate Le portate minime e massime dellacqua derivata sono
state determinate in base al deflusso del canale stesso rilevato
nellarco di due anni, per mezzo di misurazioni settimanali; a
fronte di un range medio disponibile compreso tra 400 l/s e 2000
l/s, abbiamo imposto i valori di Q mturbina = 300 l/s e Q Mturbina
= 2000 l/s per la quantit prelevata ai fini delluso come forza
motrice. Con lausilio dei dispositivi automatici istallati sia
nellopera di presa che in centrale, atti al controllo delle
portate, viene garantito un adeguato controllo dei prelievi.
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Bocca dentrata La bocca dentrata di forma rettangolare viene
dotata di paratoia meccanica integrata da una griglia di protezione
in acciaio; determiniamo il flusso permesso attraverso la bocca con
griglia che deve essere pari o superiore alla massima portata di Q
Mturbina = 2000 l/s dellimpianto. Con: dimensioni bocca L=2 [m] *
H=1,8 [m], griglia in traversi quasi ortogonali al flusso ( =78) in
acciaio inox, spessore a=15 [mm] distanza di 50 [mm], superficie S
bocca = 3,6 [m 2 ] e velocit massima dellacqua v MAX = 1 [m/s], si
ottiene la portata alla bocca di Q MAX = 2 [m 3 /s], come richiesto
per Q Mturbina Abbiamo considerato un coefficiente di intasamento
k=0.6
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Sfioratore Lo sfioratore presente a monte della bocca dentrata
costruito come stramazzo in parete grossa, con larghezza L sfior =
8,50 m e H sfior = 0,5 m; dalla Q = m*(L*H)*(2gH) 1/2 si rileva la
portata massima evacuata Q MAXsfior = 5,59 m 3 /s superiore alla
quantit dacqua in ingresso nel canale con ogni regime idrico
massimo. In caso di arresto della turbina garantito lo smaltimento
dellintera portata attraverso lo sfioratore stesso.
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Sgrigliatore a pettine Prima dellingresso alla bocca dentrata
di forma rettangolare, viene predisposta sia una paratoia meccanica
per isolare la camera di carico, sia una griglia di protezione in
acciaio a maglie larghe con dispositivo automatico a pettine per la
pulizia; determiniamo il flusso permesso attraverso la bocca con
griglia che deve essere superiore alla massima portata di Q
Mturbina = 2 m 3 /s dellimpianto. Con: dimensioni bocca L = 2 m * H
= 1,8 m, griglia in traversi inclinati di =78 rispetto al flusso in
acciaio inox, spessore 15 mm e distanza 50 mm, superficie bocca S
bocca = 3,6 m 2 e velocit massima dellacqua in entrata v MAX = 1
m/s, si ottiene la portata alla bocca di Q MAX = 2 m 3 /s in linea
con quanto richiesto per Q Mturbina Abbiamo considerato un
coefficiente di intasamento k = 0.6
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Turbina-moltiplicatore-generatore Considerato il salto
disponibile di 3,7 m e il range di portata del canale da 300 l/s a
2000 l/s la scelta della turbina da impiegare risulta obbligata
verso una kaplan con pale regolabili ad asse verticale in grado di
fornire rendimenti ottimizzabili in tutto larco di funzionamento;
tale macchina viene dimensionata per operare con portata nominale a
1600 l/s e portata massima di 2000 l/s. Abbiamo stimato la massima
potenza meccanica ottenibile dalla turbina in P mecc = 65 kW.
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Sullalbero della turbina viene istallato un moltiplicatore di
giri per portare a rotazione di 1500 giri/min il generatore a
partire dai 250 giri/min (in prima approssimazione) della stessa.
Il moltiplicatore viene dimensionato per sopportare la coppia
meccanica dellalbero lento della turbina, per servizio continuo e
dotato di tutti i sistemi di raffreddamento dellolio. Dopo il
moltiplicatore viene disposto sullalbero veloce un generatore
asincrono trifase direttamente a 400 V. La massima potenza
elettrica del generatore si stima in P gen = 60 kW. Abbiamo
considerato un rendimento prudenziale di tutto il sistema turbina -
generatore di 0,84. Rendimento della Kaplan (0,80 nominale), quello
del moltiplicatore (3/4 di carico, 0.80) e quello del generatore
(3/4 di carico, 0.94) ovviamente nei casi peggiori.
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Alcune precisazioni Opere di presa: bisogna predisporre
paratoie meccaniche automatiche per la regolazione dei flussi nonch
sistemi di arresto e raccolta dei detriti, del fogliame e dei
rifiuti trasportati dalla Roggia. Bisogna poi smaltirli con
contenitori opportuni, secondo norma di legge. Centrale di
produzione: Ledificio che contiene turbina e generatore deve essere
provvisto di pannelli per isolamento acustico. Il perimetro del
lotto deve essere recintato per ovvie questioni di difesa da
intrusioni esterne. I dispositivi elettronici di controllo turbina
e generatore vanno alloggiati in armadi. Servomotori idraulici con
relativa centralina permettono le manovre di potenza sulla
macchina. Opere di difesa e risalita fauna ittica: bisogna
progettare uno scivolo a gradoni per lo smorzamento della velocit
dellacqua in scarico dallo sfioratore che pu essere sfruttato dalla
fauna ittica per la risalita. In aggiunta, la presenza di griglie a
maglie strette poste immediatamente a monte dellimbocco del bacino
di raccolta, garantiscono in ogni caso una valida sicurezza per la
salvaguardia dei pesci nonch una zona favorevole al ripopolamento
della fauna ittica.
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Conclusioni Riteniamo importante notare come anche un impianto
di cos ridotte dimensioni possa essere sfruttato e utilizzato per
contribuire a soddisfare in piccola parte il fabbisogno energetico
in costante crescita del mondo. Considerando la notevole importanza
della componente impatto ambientale dello sfruttamento dellenergia,
anche se lidroelettrico non una fonte molto efficiente in rapporto
al costo di costruzione degli impianti, esso diviene una valida
alternativa. Di seguito riportiamo un grafico che rappresenta la
richiesta denergia prevista nei vari anni futuri.
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I combustibili fossili e luranio sono presenti in quantit
finita sulla terra. Le riserve, pur ancora abbondanti e in parte
sconosciute, si stanno assottigliando a causa del continuo
prelievo. Le fonti rinnovabili sono praticamente inesauribili ma
improbabile che possano eguagliare le capacit prestazionali offerte
dai combustibili fossili e dalluranio e mantenere il consumo a
livelli paragonabili a quelli attuali considerando che, oltre ci
che percepiamo tramite le bollette, qualsiasi oggetto artificiale
la definitiva tomba di una certa quantit (a volte molto grande) di
petrolio, carbone, gas o elettricit. Si evidenzia quindi lestrema
criticit delle disponibilit di energia primaria non rinnovabile.
Per noi, per i nostri figli e per le generazioni future. Se le
fonti di energia che conosciamo e usiamo fossero talmente
abbondanti da poter essere prelevate in quantit e per tempi
indefiniti, potremmo limitarci a controllare le conseguenze del
loro impiego sullambiente. La realt cos diversa e grave che non
possiamo immaginare sia irrilevante la quantit di energia prelevata
e consumata in via definitiva. La sfida vera che luomo ha di fronte
non si ferma quindi alla compatibilit ambientale ma si colloca al
livello pi alto della compatibilit energetica. Ridurre lestrazione
e limpiego dei combustibili fossili, sviluppare quanto pi possibile
tutte le fonti energetiche rinnovabili e procedere alla graduale ma
decisa riduzione del consumo di energia, iniziando forse la pi
difficile delle transizioni verso il superamento della civilt dei
consumi.