Impianti idroelettrici

Impianti idroelettrici
Un impianto idroelettrico è costituito da opere civili ed idrauliche (diga o traversa di sbarramento, sistema di presa, vasca di carico,
opere di convogliamento e di restituzione, condotte forzate, edificio della centrale) e da macchinari elettromeccanici (turbine idrauliche,
generatori, quadri elettrici, sistemi di comando).
Lo schema impiantistico generale di un impianto idroelettrico comprende:
ƒ un’opera di sbarramento dell’alveo del corso d’acqua a monte dell’impianto, costituita da una traversa o una diga, che può
determinare un volume d’invaso in alveo tale da consentire o meno l’accumulo delle portate naturali; solitamente l’opera di presa è
dotata di una o più paratoie di scarico per la pulizia del bacino contro il suo interrimento;
ƒ una o più paratoie di presa, che posso essere seguite da una vasca di calma per la sedimentazione della sabbia trasportata dalla
corrente;
ƒ un canale di derivazione, che può essere in tutto o in parte in galleria;
ƒ una vasca di carico, solitamente dotata di organi di scarico;
ƒ una o più condotte forzate che convogliano l’acqua alle turbine idrauliche;
ƒ un impianto di produzione dell’energia elettrica, in cui sono installate uno o più gruppi turbina-generatore;
ƒ un canale di restituzione dell’acqua turbinata nell’alveo del corso d’acqua a valle dell’impianto.
Non in tutti gli impianti sono presenti tutte le opere sopra indicate. Gli impianti a basso salto non hanno solitamente la condotta forzata,
mentre molti impianti ad alto salto, in particolare se recenti, non hanno il canale di derivazione, ma solo la condotta forzata.
L’acqua viene opportunamente derivata tramite le opere di presa e convogliata nella vasca di carico dalla quale si dipartono i canali e/o
le condotte forzate che vanno ad alimentare le turbine idrauliche. L’albero della girante della turbina è collegato ad un generatore di
elettricità (alternatore). L’acqua utilizzata nella turbina viene rilasciata a valle dell’impianto senza alcun consumo dell’acqua prelevata a
monte.
In definitiva un impianto idroelettrico, sfruttando il dislivello topografico esistente tra la vasca di carico e l’impianto di produzione,
trasforma l’energia potenziale dell’acqua in energia meccanica di rotazione della turbina che viene convertita direttamente in energia
elettrica tramite il generatore. Gli impianti idroelettrici si suddividono in impianti a serbatoio, a bacino oppure ad acqua fluente.
Gli impianti a serbatoio e a bacino sono in grado di regolare l’utilizzazione dell’acqua nell’impianto tramite la capacità di accumulo
creata da queste opere. Gli impianti a deflusso utilizzano direttamente la portata utile disponibile nell’alveo del corso d’acqua senza
possibilità di regolazione della portata all’impianto.
La potenza ottenibile da un gruppo di produzione elettrica turbina-generatore è espressa dalla seguente relazione:
P = η x 9,81 Q x H
Dove : P = potenza espressa in kW – η = rendimento del gruppo di produzione turbina-generatore
Q = portata d’acqua espressa in m3/s - H = salto motore netto espresso in m
Schema impianto idroelettrico
Produzione idroelettrica da apporti naturali
Impianti idroelettrici in Italia nel 2007
GWh
50.000
45.000
Impianti
n°
Pot. Eff. Lorda
MW
Produz. Lorda
GWh
Utilizzazione
Ore
2.128
17.459
32.815
1.880
serbatoio
143
8.024
8.259
1.029
20.000
bacino
176
4.914
9.471
1.927
15.000
1.809
4.521
15.085
3.337
10.000
40.000
35.000
Totale
30.000
Totale
acqua fluente
25.000
bacino
acqua fluente
5.000
serbatoio
0
1996 1997
1998 1999
2000 2001
2002 2003
2004
2005
2006
2007
Impianti eolici
Un impianto eolico è costituito da una o più turbine (aerogeneratori) che trasformano l’energia cinetica del vento in energia
elettrica, operando attraverso il semplice principio di seguito illustrato.
Il vento fa ruotare un rotore, normalmente formato di due o tre pale e collegato ad un asse orizzontale. La rotazione è
successivamente trasferita, attraverso un apposito sistema meccanico di moltiplicazione dei giri, ad un generatore elettrico e
l’energia prodotta, dopo essere stata adeguatamente trasformata, viene immessa nella rete elettrica.
Le turbine eoliche sono montate su una torre, sufficientemente alta per catturare maggiore energia dal vento ed evitare la
turbolenza creata dal terreno o da eventuali ostacoli.
La caratterizzazione della ventosità di un sito rappresenta un fattore critico e determinate per decidere la concreta fattibilità
dell’impianto. Infatti, tenuto conto che la produzione di energia elettrica degli impianti eolici risulta proporzionale al cubo della
velocità del vento, piccole differenze nella previsione delle caratteristiche anemometriche del sito possono tradursi in notevoli
differenze di energia realmente producibile.
Le turbine eoliche possono suddividersi in classi di diversa potenza, in relazione ad alcune dimensioni caratteristiche:
ƒ macchine di piccola taglia (1-100 kW):
diametro del rotore, 1- 20 m;
altezza torre, 10 – 30 m
ƒ macchine di media taglia (100 – 800 kW):
diametro rotore, 20 – 50 m;
altezza torre, 30 – 50 m
ƒ macchine di grande taglia (1000 – 3000 kW): diametro rotore, 55 – 80 m;
altezza torre, 60 – 120 m
Le macchine eoliche di piccola taglia possono essere utilizzate per produrre elettricità per singole utenze o gruppi di utenze,
collegati alla rete elettrica in bassa tensione o anche isolati dalla rete elettrica. Le macchine di media e grande taglia sono
utilizzate prevalentemente per realizzare centrali eoliche o “fattorie del vento” (traduzione dal termine inglese “wind farm”)
collegate alla rete di media oppure di alta tensione.
Schema impianto eolico
Impianti eolici in Italia
2
3
Impianti
n°
Pot. Eff. Lorda
MW
Produz. Lorda
GWh
Utilizzazione
Ore
2004
120
1.131
1.847
1.633
2005
148
1.639
2.343
1.430
2006
169
1.908
2.971
1.557
2007
203
2.714
4.034
1.486
6
2
3
N° Impianti
1
4
16
12 47
39
10
22
5
31
Impianti geotermoelettrici
Un impianto geotermoelettrico ha la funzione di trasformare in energia elettrica l’energia termica presente nel fluido geotermico
(vapore d’acqua oppure una miscela di acqua e vapore) che si forma grazie al contatto dell’acqua con strati di roccia calda.
La peculiarità dei bacini geotermoelettrici sfruttati da tali impianti è dovuta al fatto che il fluido geotermico è disponibile (a
condizioni di temperatura e pressione sufficienti), a profondità relativamente modeste (da poche decine di metri fino a qualche
migliaio di metri).
Generalmente un impianto geotermoelettrico è costituito dai seguenti componenti:
1. sistema di raccolta, trattamento e convogliamento del fluido geotermico fino all’impianto di produzione dell’energia elettrica
(pozzi, sistemi di sicurezza e sfioro a bocca pozzo, tubazioni di trasporto, sistemi di separazione acqua-vapore);
2. sistema di produzione dell’energia elettrica (condotto di ammissione in turbina, turbina-generatore, trasformatore elevatore e
connessione alla rete di trasporto);
3. sistema di trattamento del vapore esausto (condensatore e relativa pompa di estrazione condensato, torre di raffreddamento
ad aria, sistema di estrazione dei gas incondensabili);
4. sistema di reiniezione dell’acqua nel bacino geotermoelettrico.
Possono anche essere presenti sistemi di abbattimento di alcuni composti presenti nei gas in condensabili (idrogeno solforato e
mercurio), al fin di limitare l’impatto ambientale dell’impianto.
Le emissioni in atmosfera di questi tipi di impianti dipendono dalle caratteristiche del fluido geotermico ma, per unità di energia
prodotta, sono comunque decisamente inferiori a quelle derivanti da impianti alimentati con combustibile fossile.
Schema impianto geotermoelettrico
Localizzazione impianti
Impianti geotermoelettrici in Italia
Impianti
n°
Pot. Eff. Lorda
MW
Produz. Lorda
GWh
Utilizzazione
Ore
2004
31
681
5.437
7.984
2005
31
711
5.325
7.489
2006
31
711
5.527
7.774
2007
31
711
5.569
7.833
Impianto a biogas
Il biogas, costituito prevalentemente da metano (almeno il 50%) ed anidride carbonica, si origina in seguito ad un processo
batterico di fermentazione anaerobica di materiale organico di origine vegetale ed animale.
La legislazione comunitaria (Dir. 2001/77/CE) e nazionale (D.Lgs 387/03) sull’incentivazione delle fonti rinnovabili include
esplicitamente tra di esse i “gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas”. In effetti tutti i tre tipi di gas
indicati sono dei biogas, ma la loro elencazione separata nella normativa richiamata mette in evidenza la molteplicità di matrici
organiche da cui il biogas può essere prodotto: rifiuti conferiti in discarica ovvero frazione organica rifiuti urbani, fanghi di
depurazione, deiezioni animali, scarti di macellazione, scarti organici agro-industriali, residui colturali, colture energetiche.
Il biogas ha un ottimo potere calorifico dato l’elevato contenuto in metano, per cui si presta ad una valorizzazione energetica per
combustione diretta, attuata in caldaia per sola produzione di calore, o in motori accoppiati a generatori per la produzione di sola
elettricità o per la cogenerazione di elettricità e calore.
Gli impianti termoelettrici alimentati da biogas effettuano quindi la conversione dell’energia termica contenuta nel biogas, in
energia meccanica e successivamente in energia elettrica.
Nel caso, molto comune, di impianti alimentati da biogas prodotto dalle discariche controllate di rifiuti urbani, le parti principali
dell’impianto sono le seguenti:
ƒ sezione di estrazione del biogas da discarica (pozzi di captazione, linee di trasporto, collettori di raggruppamento);
ƒ sezione di aspirazione e condizionamento del biogas da discarica (collettore generale, separatori di condensa, filtri, aspiratori);
ƒ sezione di produzione dell’ energia elettrica (gruppi elettrogeni) e torcia (dispositivo di sicurezza per bruciare l’eventuale biogas
non combusto nella sezione di produzione energetica).
Nel caso dei biogas non derivanti da discarica, lo schema impiantistico prevede, al posto della sezione di estrazione, una sezione
di produzione (digestore) e raccolta (gasometro) del biogas, poi inviato ai gruppi elettrogeni per produrre energia elettrica.
Schema impianto a Biogas
2
5
1
33
20
Impianti a biogas in Italia
7
29
29
N° Impianti
16
Impianti
n°
Pot. Eff. Lorda
MW
Produz. Lorda
GWh
Utilizzazione
Ore
2004
173
268
1.170
4.366
2005
180
284
1.198
4.218
2006
208
312
1.336
4.282
2007
215
347
1.447
4.170
5
11
6
4
13
14
6
3
4
Impianti a biomasse
Ai sensi della legislazione comunitaria (Dir. 2001/77/CE) e nazionale (D.Lgs 387/03) sull’incentivazione delle fonti rinnovabili, con
il termine “biomassa” deve intendersi “la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall'agricoltura
(comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei
rifiuti industriali e urbani”.
La definizione include una vastissima gamma di materiali, vergini o residuali di lavorazioni agricole e industriali, che si possono
presentare in diversi stati fisici, con un ampio spettro di poteri calorifici. In funzione della tipologia di biomassa e quindi della
tecnologia più appropriata per la relativa valorizzazione energetica, così come a seconda della taglia di interesse e degli usi finali
dell’energia prodotta, termici e/o elettrici, è possibile orientarsi verso una pluralità di soluzioni impiantistiche. La combustione
diretta della biomassa, in forni appositi, ne comporta una ossidazione totale ad alta temperatura. Essa può essere condotta
secondo differenti tecnologie: in sospensione, su forni a griglia fissa o mobile, su letto fluido.
Gassificazione, pirolisi e carbonizzazione sono processi che comportano invece una ossidazione parziale della biomassa, in
modo da ottenere sottoprodotti solidi, liquidi e gassosi, più puri rispetto alla fonte di partenza, che possono poi essere combusti
completamente in un passaggio successivo. Particolarmente interessante appare la gassificazione in quanto il syngas (gas di
sintesi) ottenuto ha il vantaggio di essere versatile, di garantire alti rendimenti di combustione ed emissioni più contenute.
Le centrali termoelettriche alimentate da biomasse solide o liquide effettuano la conversione dell’energia termica, contenuta nel
combustibile biomassa, in energia meccanica e successivamente in energia elettrica. Le taglie delle centrali possono variare
dalle medie centrali termoelettriche alimentate da biomasse solide, solitamente da cippato di legno, sino ai piccoli gruppi
elettrogeni alimentati da biocombustibili liquidi.
Al di là di una fase preliminare di trattamento della biomassa, gli impianti termoelettrici alimentati a biomasse possono essere
anche abbastanza simili a quelli alimentati con combustibili tradizionali, e come per questi è possibile avere differenti cicli termici.
Le tipologie impiantistiche più diffuse sono le seguenti:
ƒ impianti tradizionali con forno di combustione della biomassa solida, caldaia che alimenta una turbina a vapore accoppiata ad
un generatore;
ƒ impianti con turbina a gas alimentata dal syngas ottenuto dalla gassificazione di biomasse;
ƒ impianti a ciclo combinato con turbina a vapore e turbina a gas;
ƒ impianti termoelettrici ibridi, che utilizzano biomasse e fonti convenzionali (il caso più frequente è la co-combustione della
biomassa e della fonte convenzionale nella stessa fornace);
ƒ impianti, alimentati da biomasse liquide (oli vegetali, biodiesel), costituiti da motori accoppiati a generatori (gruppi elettrogeni).
Schema impianto a biomasse
3
23
4
2
Impianti a biomasse* in Italia
4
10
17
N° Impianti
11
2
3
Impianti
n°
Pot. Eff. Lorda
MW
Produz. Lorda
GWh
Utilizzazione
Ore
2004
94
924
4.467
4.834
2005
98
916
4.957
5.412
2006
106
945
5.408
5.723
2007
109
990
5.506
5.562
* inclusi i rifiuti
6
2
8
1
1
4
5
Impianti fotovoltaici
La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente in energia elettrica l'energia associata alla radiazione solare.
Essa sfrutta il cosiddetto effetto fotovoltaico, basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori (il più utilizzato è il silicio,
elemento molto diffuso in natura) che, opportunamente trattati, sono in grado di generare elettricità se colpiti da radiazione
luminosa. Il dispositivo elementare capace di operare una conversione dell'energia solare si definisce cella fotovoltaica ed è in
grado di produrre una potenza di circa 1,5 Watt. Il componente base, commercialmente disponibile, è invece il modulo composto
da più celle collegate ed incapsulate. Più moduli fotovoltaici, collegati in serie e in parallelo, formano le sezioni di un impianto, la
cui potenza può variare da poche centinaia di Watt a milioni di Watt.
La corretta esposizione all’irraggiamento solare dei moduli fotovoltaici rappresenta un fattore chiave al fine di ottenere le
prestazioni ottimali dell’impianto in termini di producibilità di energia elettrica. Ad esempio in Italia l’esposizione ottimale è verso
Sud con una inclinazione di circa 30-35° gradi. Nella mappa viene mostrata per il territorio italiano la producibilità di un impianto
fotovoltaico da 1kWp, ottimamente orientato ed inclinato, installato su una struttura fissa (orientativamente passando da Nord al
Sud dell’Italia la produzione specifica è variabile da 1000 a 1400 kWh per ogni kWp installato). Inoltre ogni kWp installato richiede
uno spazio netto di circa 8 – 10 m2 qualora i moduli siano installati in modo complanare alle superfici di pertinenza degli edifici;
occorre invece uno spazio maggiore se l’impianto è installato in più file successive su strutture di supporto inclinate collocate su
superfici piane.
La configurazione dell’impianto prevede l’inserimento a valle dei moduli fotovoltaici di un inverter che trasforma la corrente
continua generata dalle celle in corrente alternata direttamente utilizzabile dagli utenti. Infine il sistema è completato da una
struttura di sostegno per fissare i moduli alla superficie d’installazione: terreno, tetto, facciata, parete, etc. La struttura può essere
fissa o mobile, in grado di seguire il sole lungo il suo percorso giornaliero durante l’intero anno.
Le principali applicazioni dei sistemi fotovoltaici sono:
ƒ impianti con sistema di accumulo per utenze isolate dalla rete;
ƒ impianti per utenze collegate alla rete in bassa tensione;
ƒ centrali di produzione di energia elettrica collegate alla rete in media o alta tensione.
Schema impianto fotovoltaico
900
1000
1100
Impianti fotovoltaici in Italia
1200
1300
1400
1500
Impianti
n°
Pot. Eff. Lorda
MW
Produz. Lorda
GWh
Utilizzazione
Ore
2005
n.d
25,1
22,0
876
2006
n.d
34,5
20,3
588
2007
7.647
86,8
39,0
449
Fonte: GSE, MSE, Terna
Producibilità
annuale per
kWp installato,
con
inclinazione
dei moduli
ottimale
(kWh /1kWp)