L'energia idraulica, utilizzata dall'uomo da oltre quaranta secoli e divenuta energia idroelettrica da poco piu' di un secolo, ha conosciuto uno sviluppo molto rapido e ha continuato a svilupparsi sia nei Paesi industrializzati sia nei Paesi asiatici e in quelli in via di sviluppo, che dispongono di notevoli risorse potenziali.
In termini di capacita' installata e resa energetica, l'idroelettrica e' la tecnologia per produzione di energia elettrica piu' sfruttata in Europa e nel mondo.
In Italia lo sviluppo della produzione idroelettrica ha gia' raggiunto la sua massima espansione, soprattutto per quanto riguarda i siti dove era possibile realizzare grandi impianti con la formazione di laghi artificiali mediante dighe.
L'interesse si concentra 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.
Il principio di funzionamento in questi casi e' lo stesso dei grandi impianti: l'energia potenziale accumulata nell'acqua che si trova a quote piu' alte, muovendosi a valle come acqua corrente di piccoli fiumi, canali e corsi d'acqua, viene convertita in energia elettrica. La fonte primaria e' dunque l'acqua piovana.
Com'e' fatto un impianto idroelettrico
Un impianto idroelettrico consiste di: un sistema di raccolta dell'acqua di forma e di dimensioni adatte alla natura del terreno e al letto del corso d'acqua; una conduttura forzata di convogliamento e adduzione dell'acqua; una turbina, che trasforma l'energia potenziale dell'acqua in energia meccanica; un alternatore o generatore, che converte in energia elettrica l'energia meccanica della turbina;un sistema di controllo e regolazione della portata d'acqua.
Una volta utilizzata, l'acqua, che non subisce nessuna trasformazione nelle caratteristiche chimico-fisiche, viene restituita al suo corso naturale.
La raccolta dell'acqua
L'opera di sbarramento, o diga, e' un manufatto che deve rispettare indicazioni costruttive e di gestione molto rigorose regolamentate da leggi e sorvegliate, nel caso di dighe di grandi dimensioni, da un ispettorato di Stato, il Servizio Nazionale Dighe. Questo ente monitorizza costantemente la manutenzione, l'esercizio e la condizione della diga.
Oltre alle dighe, la raccolta dell'acqua e' realizzata mediante traverse, ossia mediante sbarramenti di piccola entita' che realizzano piccoli invasi.
Una diga e' sempre dotata di sfioratori di superficie e scarico di fondo che garantiscono la gestione dell'acqua invasata, e di un'opera di presa da cui si deriva l'acqua per l'uso destinato.
Esistono diverse tipologie di dighe e di traverse: a gravita' massiccia o alleggerita; ad arco gravita' o cupola; a volte multiple.
La scelta della tipologia dipende dalle caratteristiche del sito dove l'opera si deve realizzare.
Diga a gravita' massiccia
Diga ad arco cupola
Il motore ad acqua - la turbina
La macchina caratteristica di un impianto idroelettrico e' quindi la turbina, evoluzione delle pale dei mulini di un tempo, costruiti sulle rive del fiume, che usavano l'acqua come forza motrice per la macina.
Le grandezze che determinano e definiscono il "come e' fatta una turbina" sono principalmente il salto utile e la portata.
Il salto utile e' il dislivello misurato in metri tra la quota di pelo libero dell'acqua e quella dello scarico.
La portata invece e' il volume, misurato in metri cubi, d'acqua che transita attraverso una sezione nel tempo di un secondo.
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 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'organo di distribuzione dell'acqua; in quella a reazione cio' 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 variare 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'energia cinetica dell'acqua.
Per i salti inferiori si usano turbine a reazione: del tipo Francis quando il salto e' tra i 5 e i 200 metri con portate medie, e del tipo Kaplan per sistemi con alte portate e salti tra 2 e 20 metri.
Nelle turbine Francis l'organo di immissione e' composto dalla cassa spirale e dal distributore. La cassa spirale e' un tubo che si restringe 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 indirizzano l'acqua verso le pale della turbina.
La variazione di apertura delle pale del distributore cambia la portata d'acqua immessa e quindi la potenza generata dall'alternatore.
Le turbine Kaplan hanno la girante molto simile all'elica di un motore marino.La Kaplan puo' considerarsi una estremizzazione della turbina Francis, della quale conserva molte similitudini per l'organo di immissione dell'acqua.
La macchina elettrica: l'alternatore
Accoppiato solidamente all'albero della turbina troviamo l'alternatore, la macchina elettrica che trasforma 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 puo' dosare e controllare il campo magnetico; nella parte fissa, che si chiama statore, sono presenti degli avvolgimenti di filo di rame nei quali il campo magnetico rotante generato dal rotore induce una forza elettromotrice, ovvero l'energia elettrica.
Dall'alternatore, l'energia elettrica che, per problemi di isolamento, nasce con una tensione di 5.000 volt, viene trasferita mediante cavi di rame opportunamente dimensionati ad un'altra apparecchiatura, il trasformatore.
Compito del trasformatore, in questo caso, e' di innalzare il valore della tensione da 5.000 volt a 150.000 volt. Questa operazione e' necessaria perchè piu' e' alta la tensione dell'energia piu' e' ridotta la sezione del cavo in cui essa transita.
Il sistema elettronico di controllo
Tutto il sistema e' comandato, controllato e protetto da apparecchiature elettroniche che sorvegliano il processo produttivo e intervengono in caso di guasto e/o anomalie di funzionamento, provvedendo a fermare prontamente tutto il sistema idroelettrico.
Negli ultimi anni, grazie al progresso della tecnologia informatica e di telecomunicazioni, quasi tutti gli impianti idroelettrici sono comandati a distanza da un numero limitato di centri di telecontrollo che sovrintendono a tutte le operazioni necessarie all'esercizio delle centrali.
Flessibilita' e velocita' di utilizzo: l'idroelettrico nella rete
Nel 1999 in Italia erano in esercizio centrali idroelettriche capaci di una potenza pari a 20.759 MW, che hanno prodotto 51.636 milioni di kWh , pari al 19,4% della produzione totale.
Caratteristica fondamentale della centrale idroelettrica e' la sua flessibilita' di utilizzo; con i moderni sistemi di automazione e comando e' oggi possibile passare dallo stato di centrale ferma a quello di massima potenza in poche decine di minuti e la regolazione della potenza erogata, in funzione della richiesta della rete, e' molto rapida.
Grazie a questa peculiarita', le centrali idroelettriche all'interno di una rete elettrica di produzione sono insostituibili, perchÈ permettono di rispondere prontamente alle variazioni di richiesta di energia da parte degli utenti allacciati.
Durante la giornata infatti ci sono ore in cui la richiesta di energia elettrica, che non puo' essere conservata, aumenta in modo repentino e le centrali termoelettriche, il cui processo di generazione e' piu' complesso, non hanno una velocita' operativa sufficiente per rispondere alla richiesta.
La produzione idroelettrica dell'elettricita' e' quindi conveniente economicamente, facilmente integrabile nel territorio e fondamentale per il buon equilibrio di una moderna rete di produzione.
I vantaggi per l'ambiente e per il territorio
Produrre energia elettrica sfruttando l'energia potenziale dell'acqua, oltre a rendere disponibile una risorsa utile al progresso ed alla vita quotidiana di tutti, permette infatti di valorizzare il territorio e contribuisce a diminuire i processi di inquinamento ambientale.
Alla costruzione di una centrale idroelettrica nella maggior parte dei casi e' legata la realizzazione di uno sbarramento, o diga, che consente di accumulare le acque rendendo disponibile l'energia potenziale.
Il lago artificiale che si forma impreziosisce il territorio favorendo lo sviluppo di attivita' turistiche, sportive e produttive che possono coesistere con lo sfruttamento idroelettrico.
Altri vantaggi sono legati alla possibilita' di accumulare l'acqua e di modularne la restituzione sull'alveo del fiume a valle, evitando cosÏ i fenomeni alluvionali e alla prospettiva di ottimizzare l'impiego della risorsa idrica realizzando una gestione integrata dell'acqua per i quattro usi potabile, irriguo, idroelettrico e industriale.
Un elemento decisivo e' infine l'inquinamento evitato: ogni chilowattora prodotto da una centrale termoelettrica immette infatti nell'atmosfera circa 600 grammi di anidride carbonica, immissione che non si ha se a produrre e' una centrale idroelettrica.