Lo scopo di una centrale idroelettrica è quello di sfruttare l’energia idraulica contenuta dall’acqua per ottenere energia elettrica. L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita, alternativa e rinnovabile che sfrutta la trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale posseduta da una certa massa d'acqua ad una certa quota altimetrica, in energia cinetica al superamento di un certo dislivello.

Il Principio di Funzionamento

La costruzione di un bacino artificiale o la presenza di uno naturale, consente di accumulare l’acqua. L’energia contenuta dall’acqua prende il nome di Energia Potenziale. In una centrale idroelettrica, l’acqua viene convogliata in una condotta, detta forzata, in modo che per la pressione e per la forza di gravità, l’acqua inizi a muoversi verso il basso sempre più velocemente. L’energia potenziale dell’acqua diventa così Energia Cinetica. L’acqua cadendo impatta contro una gigantesca turbina facendola ruotare. L’Energia Cinetica cambia il suo stato diventando Energia Meccanica.

Elementi Fondamentali di una Centrale Idroelettrica

Per realizzare il processo sopra descritto, una centrale idroelettrica deve essere realizzata con alcuni elementi fondamentali:

  • BACINO - è un invaso d’acqua ottenuto mediante lo sbarramento del corso di un fiume. Può essere naturale (lago) o artificiale e la sua forma è determinata dalle caratteristiche geologiche della zona in cui insiste.
  • DIGA - è l’opera di sbarramento di un corso d’acqua e consente di formare il bacino o serbatoio. E’ dotata di opere di imbocco, di gallerie, di opere di sfioro dell’acqua in eccesso e di opere di scarico. Le prime sono strutture massicce a geometria semplice con asse rettilineo e sezione di forma triangolare. Le seconde resistono alla spinta idrostatica delle acque d’invaso, trasferendola sulle pareti laterali della struttura.
  • CONDOTTA FORZATA - è costituita essenzialmente da tubazioni che possono essere realizzate in metallo o calcestruzzo armato. Queste, generalmente, sono costruite all’interno della montagna (in galleria) o possono scorrere anche all’esterno sul crinale della stessa. All’imbocco, sono munite di organi di chiusura e di sicurezza che servono a regolare la portata dell’acqua, e alla base le paratoie di intercettazione delle acque che hanno garantiscono il funzionamento delle turbine filtrando o rallentando la spinta dell’acqua.
  • TURBINA - è la macchina che converte l’energia cinetica e/o potenziale di un fluido, ad esempio acqua o vapore acqueo, in energia meccanica. Può essere utilizzata direttamente come ad esempio in un classico mulino ad acqua che fa funzionare una macina, oppure nel caso delle vecchie filande per far funzionare le macchine tessili. E’ costituita da un complesso detto generalmente stadio, formato da una parte fissa chiamata distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina, regolato mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento. Dal punto di vista costruttivo, la turbina è l’elemento più importante della centrale. Per realizzare il massimo rendimento possibile vengono costruiti differenti tipi di turbine idrauliche. I parametri considerati nella loro costruzione sono due: l’altezza e la portata (quantità di fluido che attraversa una sezione di area A nell’unità di tempo).
  • GENERATORE - L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati.
  • TRASFORMATORE - è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche.

Tipi di Turbine Idrauliche

Per realizzare il massimo rendimento possibile, vengono costruiti differenti tipi di turbine idrauliche. I parametri considerati nella loro costruzione sono due: l’altezza e la portata (quantità di fluido che attraversa una sezione di area A nell’unità di tempo).

  • Turbina Pelton: Utilizzata di solito con alti salti (50-1300 metri) e piccole portate. Sono costituite da un distributore a uno o più ugelli da dove viene iniettata l’acqua (max 6) in relazione alla portata da inviare alla girante e da una ruota. La turbina di tipo Pelton è la più semplice nel funzionamento. Per essere chiari il suo principio di funzionamento rispecchia quello della classica ruota a pale dei vecchi mulini, solo che qui è rivisto e corretto per aumentarne l’efficenza. In pratica l’acqua viene convogliata nella condotta forzata la quale ha alla fine un’ugello, ossia una strozzatura che fa aumentare la velocità dell’acqua indirizzandone i filetti fluidi.
  • Turbina Francis: Utilizzata di solito con medi o bassi salti (da 10 a 250 metri) e con portate medie.
  • Turbina Kaplan: Utilizzata di solito con grandi portate e bassi salti (da 5 a 30 metri). Le pale della ruota nella Kaplan sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili. Il principio di funzionamento di una turbina di tipo Kaplan è quello dell’elica di una nave. La turbina a bulbo è un tipo di turbina appartenente alla famiglia delle Kaplan, molto semplice in quanto è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro).

Tipologie di Centrali Idroelettriche

Esistono diverse tipologie di centrali idroelettriche, ognuna adatta a specifiche condizioni geografiche e idrologiche:

  • Centrali ad acqua fluente: È usuale trovare centrali ad acqua fluente nei pressi di grandi masse d’acqua di fiumi che superano dislivelli modesti. Questo tipo di centrali viene costruito lungo fiumi con grosse portate, che garantiscono per tutto l’anno un flusso d’acqua pressoché costante. L’acqua viene convogliata in un canale di derivazione e inviata alle turbine che vengono, di conseguenza, azionate.
  • Centrali a bacino (o a salto): Le centrali a bacino, anche dette centrali a salto, sfruttano la consistente differenza di quota per produrre energia.
  • Centrali con impianti ad accumulo: Le centrali con impianti ad accumulo sono dotate di un bacino di raccolta anche a valle che permette il riutilizzo dell’acqua che ha permesso di generare energia elettrica durante il giorno. Durante il giorno l’acqua accumulata nel bacino superiore viene utilizzata per produrre energia elettrica, come nelle centrali a salto. Nel corso della notte, cioè nei momenti di minore richiesta energetica elettrica, l’acqua contenuta nel bacino a valle può essere fatta risalire in quello che si trova a quota superiore, utilizzando le stesse turbine che, azionate dall’energia elettrica in eccesso, agiscono come un sistema di pompaggio.
  • Centrali idroelettriche ad acqua marina: Esistono anche le centrali idroelettriche ad acqua marina, anche se scarsamente utilizzate, che utilizzano l’energia delle maree o delle onde per generare elettricità.

Vantaggi e Svantaggi dell'Energia Idroelettrica

Le centrali idroelettriche possono offrire un valido contributo alla transizione energetica poiché sfruttano una fonte di energia pulita e rinnovabile: l’acqua. Queste centrali sono generalmente considerate affidabili e a basso costo poiché non richiedono combustibili costosi e possono essere facilmente regolate sulla domanda di energia elettrica. Oltre ad essere una fonte di energia pulita l’idroelettrico offre una serie di vantaggi per il territorio e la comunità.

Vantaggi

  • La produzione di energia idroelettrica non provoca emissioni gassose o liquide che possono inquinare l’aria o l’acqua.
  • Le centrali idroelettriche permettono, poi, di stabilizzare la rete elettrica.
  • Il contributo positivo al territorio è dato, invece, dalla riduzione del rischio di inondazione in caso di piogge intense dal momento che l’acqua, dopo aver generato energia elettrica, viene rilasciata in modo controllato nel tempo e con grande precisione.
  • Infine, possiamo affermare che l’energia idroelettrica sia la fonte più economica, nonostante l’oneroso investimento iniziale per la realizzazione dell’impianto, e in grado di ridurre maggiormente gli sprechi.

Svantaggi

  • Comunque nel processo di trasformazione, anche una centrale idroelettrica genera inquinamento.
  • Un altro svantaggio è che bacini idrici di dimensioni notevoli potrebbero cambiare il clima degli luoghi limitrofi facendolo diventar più mite.

Breve Storia dell'Energia Idroelettrica

Il principio del funzionamento delle centrali idroelettriche può essere ricondotto alle prime ruote idrauliche, i cui ingranaggi venivano mossi dalle acque correnti dei fiumi che azionavano le macine. Come già detto, l’energia idroelettrica ha origini antichissime in quanto i primi a sfruttare l’acqua per l’azionamento meccanico dei mulini furono i Greci e i Romani. Per vedere realizzata la prima vera centrale idroelettrica bisognerà attendere, però, il 1878. La prima vera centrale idroelettrica venne realizzata quattro anni dopo, nel Wisconsin e in Nord America furono installate centrali idroelettriche a Grand Rapids nel 1880, ad Ottawa e Dolgeville nel 1881. Nel 1879 si assiste, invece, alla costruzione di una centrale idroelettrica presso le cascate del Niagara, entrata a regime nel 1881 e la cui energia era usata per alimentare le industrie locali.

L'Energia Idroelettrica in Italia

L’energia idroelettrica fu una delle prime fonti utilizzate per illuminare l’Italia fin dai primi del 900; alla fine degli anni ’50 il contributo dell’energia idroelettrica ammontava a quasi all’80% dell’energia prodotta all’interno del Paese. Le centrali idroelettriche italiane sono localizzate principalmente sulle Alpi e alcune sugli Appennini costituendo il 15,8% del fabbisogno energetico annuo.

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