Energia Idroelettrica: Definizione, Funzionamento, Vantaggi e Svantaggi

L’energia idroelettrica è una fonte energetica rinnovabile, prodotta sfruttando il movimento dell’acqua di laghi e fiumi grazie alla creazione di dighe, condotte forzate e all’utilizzo di turbine. L'energia idroelettrica (o altrimenti conosciuta come energia idraulica) è la più antica delle energie rinnovabili ed è pulita, ha infatti origine da grandi masse d'acqua in movimento convogliate in dighe, chiuse, canali e ponti. In sostanza, nel tempo abbiamo imparato a sfruttare la forza dell’acqua in movimento, come quella di un fiume o di una cascata, per generare energia elettrica per le nostre case e per le attività produttive.

Che cos’è l’energia idroelettrica?

Provando a semplificare la definizione di energia idroelettrica, si tratta di un processo che sfrutta il potenziale energetico dei moti che si generano nell’acqua per convertirla in energia elettrica utilizzabile. L’idroelettrico è una forma di energia rinnovabile ottenuta sfruttando la forza dell’acqua in movimento, proveniente per esempio da fiumi o corsi d’acqua, per generare elettricità.

Come funziona una centrale idroelettrica?

Come funziona una centrale idroelettrica è presto detto: l’impianto sfrutta la forza cinetica dell’acqua in movimento o l’energia potenziale dell’acqua rialzata. L'acqua in caduta o in movimento produce energia cinetica, la quale a sua volta viene trasformata in energia elettrica grazie ad appositi impianti muniti di turbine e alternatore. Il flusso d’acqua viene indirizzato verso delle dighe.

I principali passaggi sono:

1. Cattura dell’acqua: L’acqua viene raccolta da un fiume o da un bacino idrico.
2. Canalizzazione: Successivamente viene convogliata attraverso un condotto o una tubazione.
3. Conversione dell’energia: L’acqua in movimento fa girare le pale di una turbina collegata a un generatore elettrico.
4. Generazione elettrica: La turbina genera elettricità mentre ruota.
5. Trasmissione: L’energia elettrica prodotta viene trasmessa attraverso linee elettriche per l’uso nelle case e nelle industrie.

Tramite un bacino idroelettrico, che serve a raccogliere le acque nella conca artificiale della diga e farne alzare la quota, l’acqua di un fiume o di un lago viene convogliata con velocità a valle tramite delle condutture forzate. Quando la diga viene aperta, l'acqua inizia a fluire attraverso dei condotti chiamati condotte forzate, le quali convogliano l'acqua verso la turbina. Quest’ultima, grazie alla forza dell’acqua, comincia a ruotare ad alta velocità, attivando un generatore che converte l’energia meccanica in energia elettrica, la quale verrà poi trasportata e distribuita a case, aziende e altre strutture.

Una centrale idroelettrica comprende vari componenti, tra cui la diga, il serbatoio o il fiume, la turbina, il generatore e il sistema di trasmissione.

Schema di una centrale idroelettrica:

• Diga: Viene costruita per accumulare acqua e creare un serbatoio o bacino idrico. La differenza di quota tra il livello dell’acqua nel serbatoio e la base delle dighe idroelettriche rappresenta la forma di energia potenziale che può essere convertita in elettricità.
• Serbatoio o bacino idrico: Agisce come una sorta di “riserva”, consentendo di accumulare una grande quantità di acqua in modo controllato. L’acqua rilasciata dal serbatoio scorre attraverso il condotto verso la turbina.
• Condotto forzato o canale: È il tubo che trasporta l’acqua dal serbatoio alla turbina, progettato per massimizzare la pressione dell’acqua e la sua velocità prima di raggiungere la turbina, il che aumenta l’efficienza del processo.
• Turbina: È un dispositivo meccanico composto da pale o palette collegate a un albero rotante. L’acqua in movimento ad alta velocità entra nella turbina idroelettrica e fa girare le pale, convertendo l’energia cinetica dell’acqua in energia meccanica.
• Generatore: La turbina è collegata all’albero di un generatore. Quando la turbina gira grazie all’acqua in movimento, gira anche l’albero del generatore, creando un campo magnetico che genera energia elettrica per il principio di induzione elettromagnetica.
• Trasformatore: Viene utilizzato per aumentare o abbassare la tensione, a seconda delle esigenze, prima che l’energia venga trasmessa lungo le linee elettriche per l’uso in abitazioni, industrie e altre applicazioni.
• Linee di trasmissione: L’energia elettrica viene inviata attraverso una rete di linee elettriche a diverse destinazioni. Queste linee trasportano l’energia dove c’è bisogno.

Acqua ed energia, la storia dell’idroelettrico

L’uso dell’acqua come fonte energetica e dell’idroelettrico risale a millenni fa e riflette la creatività umana nello sfruttare le risorse naturali per generare potenza. I mulini ad acqua, utilizzati per macinare cereali o svolgere altre attività manuali, sono il primo esempio di applicazione di idroelettrico già ai tempi degli egizi. Gli antichi Romani avevano una vasta rete di acquedotti e utilizzavano la forza dell’acqua per pompare l’acqua nelle città. Al Rinascimento risale l’invenzione di dispositivi come la ruota idraulica, che consentiva di sfruttare meglio l’energia proveniente dall’acqua. Di questo periodo sono anche i primi esperimenti con le pompe idrauliche e le turbine.

La Rivoluzione Industriale del XIX secolo diede una forte accelerata alla domanda di energia. È in questo momento che vengono costruite le centrali idroelettriche, necessarie per alimentare le fabbriche e le prime reti elettriche. Una delle prime centrali idroelettriche fu costruita a Fox River, Wisconsin, nel 1882. Nel XX secolo, l’energia idroelettrica divenne a tutti gli effetti una fonte di energia elettrica sempre più diffusa in tutto il mondo. Oggi, l’idroelettrico è una delle fonti di energia rinnovabile più utilizzate e in cui si concentrano gli investimenti di molti Paesi, soprattutto per applicare nuove tecnologie e soluzioni innovative, come le continue centrali a pompaggio, per la gestione dell’energia idroelettrica.

L'energia idroelettrica ha origini antichissime: i primi ad utilizzare l'energia dell'acqua per l'azionamento meccanico dei mulini furono i Greci e i Romani. Nel Medioevo si deve agli Arabi la scoperta della ruota idraulica, un mulino senza pale impiegato per l'irrigazione dei campi e per la bonifica delle zone paludose. In Europa, alla fine del 1800, la realizzazione di una turbina motrice rappresentò un ulteriore passo in avanti nel progresso tecnico finalizzato allo sfruttamento della forza dell'acqua in movimento per generare elettricità. Si deve invece agli Stati Uniti la costruzione nel 1891 della prima centrale idroelettrica sulle cascate del Niagara. Agli inizi del '900 l'energia prodotta con impianti idroelettrici si impone in modo preponderante in Italia, arrivando a rappresentare fino al primo dopoguerra la maggioranza dell'energia totale prodotta nel Paese. Nel 1951 viene costruita la centrale idroelettrica di Belluno, che si rivela la più grande d’Europa; oggi l’energia idroelettrica rappresenta circa il 90% della produzione mondiale da fonti rinnovabili e contribuisce per il 17% al totale della capacità installata globale.

I diversi tipi di centrali idroelettriche

Uno dei principali metodi di classificazione delle centrali idroelettriche si basa sul tipo di flusso d’acqua e sulla modalità di sfruttamento dell’energia.

I principali tipi di centrali sono:

• Ad acqua fluente: Queste centrali sfruttano il flusso naturale dell’acqua per far girare le turbine.
• Centrali a pompaggio o ad accumulo: in questo caso le centrali usano due serbatoi d'acqua posti a quote differenti, uno a monte e l’altro a valle.
• Centrali con impianto di accumulazione: questa tipologia di centrale è progettata per immagazzinare l'energia in eccesso prodotta durante i periodi di bassa domanda e di picco di produzione.

Gli impianti idroelettrici di piccola scala, noti come piccoli idroelettrici, hanno una capacità di produzione di energia elettrica che di solito va da 100 kilowatt a 1 megawatt. Gli impianti mini idroelettrici sono di dimensioni leggermente più grandi rispetto a quelli piccoli, con una capacità che va da 1 a 10 megawatt. Gli impianti micro idroelettrici sono i più piccoli tra i tre, con una capacità che di solito va da pochi kilowatt a meno di 100 kilowatt. Sono adatti per applicazioni locali, come l’alimentazione di una singola abitazione, una fattoria o un piccolo impianto industriale. Sono molto flessibili e hanno un minimo impatto ambientale.

Non solo grandi strutture: oggi a tenere banco sono anche le possibilità offerte dal micro idroelettrico, impianti che sfruttano l’azione di portate d’acqua più contenute. Appartengono a questa categoria gli impianti di potenza inferiore ai 100 kW ma anche quelli con una potenza fino a 5 kW. Anche in questo caso il flusso d’acqua che scorre fa girare una turbina, che connessa a un alternatore trasformerà l’energia cinetica dell’acqua in energia elettrica.

Energia idroelettrica: vantaggi e svantaggi

L’energia idroelettrica presenta numerosi vantaggi, tra cui l’affidabilità, la riduzione delle emissioni di gas serra e l’efficienza energetica. Tuttavia, ci sono anche svantaggi, come l’impatto ambientale causato dalla costruzione di dighe e la dipendenza dalle risorse idriche.

Ci sono danni dell’ambiente nell’utilizzo delle centrali idroelettriche, connessi soprattutto ai cambiamenti ambientali e all’inquinamento. Secondo la ricerca, fronte di una maggiore richiesta di elettricità, e dunque di acqua, il livello dell’acqua negli invasi a monte delle dighe scende e questo abbassamento fa in modo che i sedimenti sul fondo si riscaldino, favorendo l’attività microbiotica che rilascia metano in atmosfera.

Infine, per quanto la produzione di energia idroelettrica non comporti, di per sé, emissioni di anidride carbonica, a generare questo tipo di problema è la stessa costruzione della centrale. La costruzione di dighe può comportare la conversione di vaste aree di terra in serbatoi artificiali, alterando gli ecosistemi naturali, la flora e la fauna locali. Alcune specie animali, ad esempio, possono vedersi costrette ad abbandonare le zone in cui è attiva una centrale.

Energia idroelettrica in Italia

L’energia idroelettrica costituisce la principale risorsa rinnovabile in Italia, tuttavia, il parco idroelettrico del paese sta invecchiando e necessita di urgenti investimenti. Secondo una ricerca condotta da Bain&Company, ben il 70% delle centrali idroelettriche italiane ha superato i 40 anni di servizio, mettendo in luce la necessità di interventi di manutenzione e, ancor più importante, di modernizzazione delle infrastrutture. Il rapporto stima che serviranno almeno 10 miliardi di euro per rinnovare il settore e riconfermare l’energia idroelettrica come protagonista nella transizione energetica, migliorando l’efficienza e la competitività delle infrastrutture.

Il settore idroelettrico in Italia infatti ha toccato picchi di poco inferiori al 100%. Oggi l’energia idroelettrica in Italia garantisce circa il 15% del fabbisogno energetico nazionale grazie all’apporto di più di 2.000 centrali. La produzione italiana si attesta sui 45 miliardi di kW annuali. Le recenti politiche incentivanti connesse alle fonti di energie rinnovabili idroelettrica e le innovazioni presenti nel campo dei sistemi architettonici, hanno reso particolarmente conveniente l’energia prodotta da centrale idroelettrica in Italia. Soprattutto le centrali idroelettriche italiane di piccole dimensioni possono sfruttare acqua energia e la forza dell’acqua anche su piccole portate.

Oltre il 41% dell’energia rinnovabile necessaria in Italia è rappresentato dall’energia idroelettrica. Infatti il nostro Paese produce una grande quantità di energia idroelettrica (circa 45 miliardi di kW/annui), la quale supera altre fonti green come il fotovoltaico o l’eolico. La storia dell’energia idroelettrica nel nostro Paese è lunga. Si pensi che la prima centrale fu costruita a Paderno d’Adda, un comune in provincia di Lecco in Lombardia, nel 1895. Una lunga storia, quella dell’Italia e dell’idroelettrico che dipende, in parte, anche dalla stessa conformazione del territorio: infatti la diffusione delle centrali idroelettriche nel nostro Paese non è uniforme e si concentra, per lo più, lungo le Alpi e gli Appennini. È proprio in queste zone, infatti, che vi sono pendenze del terreno sufficientemente alte da garantire una buona produttività. Nonostante il numero delle centrali idroelettriche sia aumentato tra il 2009 e il 2017, non è aumentata altrettanto la potenza complessiva generata. Un dato, questo, che si spiega con il fatto che molte delle nuove centrali realizzate nel nostro Paese sono di piccole dimensioni, questo soprattutto a partire dai primi anni 2000.

Tra le fonti rinnovabili, l'energia idroelettrica costituisce a livello nazionale la principale forma di energia alternativa ai combustibili fossili. Dopo il calo registrato nel 2022 a causa della siccità, la produzione di energia idroelettrica in Italia ha ripreso a crescere. Secondo gli ultimi dati forniti da Terna, le centrali idroelettriche attive nel nostro paese sono 4860, la maggior parte dei quali concentrati al Nord, nell’arco alpino tra Lombardia (749), Piemonte (1092), Veneto (408) e Trentino (891).

L’idroelettrico nel Paese deve fare anche i conti con sfide legate all’incremento della siccità, causata dai cambiamenti climatici e dall’aumento delle temperature. Il 2023 ha registrato temperature più elevate e precipitazioni al minimo, oltre a un livello di innevamento estremamente basso. Questi cambiamenti hanno contribuito all’irregolarità crescente nei flussi d’acqua e gli effetti di questa situazione sono stati particolarmente devastanti per la produzione di energia idroelettrica, che è scesa dal 15-20% degli anni precedenti al 10%, un livello mai così basso dal 1950.

Energia idroelettrica nel mondo

Oltre alla produzione energia idroelettrica in Italia, questo è una fonte rinnovabile utilizzata in tutto il mondo. In alcuni Paesi del mondo l’energia idraulica copre la maggior parte del fabbisogno energetico. Questo tipo di energia è prodotta dalle molte centrali idroelettriche nel mondo. Nel settore idroelettrico nel mondo, l’Asia è il maggiore produttore mondiale di energia idroelettrica.

In Svizzera, Austria, Islanda e Svezia l’energia dell’acqua è la principale fonte energetica e in Norvegia addirittura il 99% dell’energia prodotta è idroelettrica. La capacità idroelettrica cresce ovunque anche a livello globale: l’ultimo report dell’International Hydropower Association (IHA) ci dice che la capacità installata totale in tutto il mondo ha raggiunto gli 1,39 milioni di MW. La crescita più significativa ha riguardato l’Asia orientale e il Pacifico che continua a guidare la classifica dei maggiori produttori mondiali di energia idroelettrica, con la Cina in prima linea.

Diga delle Tre Gole, la centrale idroelettrica più grande al mondo

La Diga delle Tre Gole, conosciuta anche come la Grande Diga delle Tre Gole, è una delle opere d’ingegneria più imponenti e controverse mai realizzate. Situata sul fiume Yangtze nella Cina centrale, la diga è stata completata nel 2006 ed è riconosciuta come la centrale idroelettrica più grande al mondo. Si estende per oltre 2,3 chilometri e raggiunge un’altezza di circa 185 metri. Il suo serbatoio, il Bacino delle Tre Gole, si estende per circa 660 chilometri quadrati, creando spazio sufficiente per una riserva d’acqua enorme.

La costruzione della diga è stata controversa a causa dell’impatto ambientale. Per la creazione del bacino, infatti, vaste aree di terra sono state sommerse, causando la perdita di habitat naturali, l’abbassamento del livello delle acque sotterranee e la migrazione di migliaia di persone che vivono nella zona. Alcune preoccupazioni hanno riguardato anche la sedimentazione e l’inquinamento del fiume, nonché per la stabilità geologica dell’area.

Nonostante le legittime preoccupazioni, l’opera ha portato i vantaggi sperati al territorio: oltre alla produzione di energia elettrica, la diga ha migliorato la navigabilità del fiume, riducendo i costi di trasporto delle merci.

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