L`energia idroelettrica è stata la prima fonte rinnovabile ad essere

Mini idroelettrico
Indice
1. Mini idroelettrico......................................................................................................................... 3
1.1. Mini-idroelettrico e micro-idroelettrico ................................................................................ 4
1.2. Sviluppo mondiale del mini idroelettrico ............................................................................ 4
1.3. Tipi di impianto idroelettrici .................................................................................................. 4
1.3.1. Centrali ad acqua fluente ................................................................................................. 5
1.3.2. Centrali a caduta ............................................................................................................... 5
1.3.3. Leggi .................................................................................................................................... 5
2. Vantaggi delle centrali idroelettriche ...................................................................................... 5
3. Svantaggi delle centrali idroelettriche .................................................................................... 5
4. Terminologia............................................................................................................................... 6
4.1. Bacino idroelettrico................................................................................................................ 6
4.2. Classificazione ....................................................................................................................... 6
4.3. Portata ..................................................................................................................................... 6
4.4. Potenza ................................................................................................................................... 7
4.5. Turbine .................................................................................................................................... 7
4.5.1. Turbina "Pelton" ................................................................................................................. 7
4.5.2. Turbina "Francis" e "Kaplan" ........................................................................................... 8
4.5.3. Mini Turbina........................................................................................................................ 9
5. Esempio di impianto mini idroelettrico a caduta ................................................................. 10
5.1.1. Descrizione delle opere dell‟impianto........................................................................... 10
5.1.2. Specifica dell‟Impianto da concessione ....................................................................... 12
I dati caratteristici dell‟impianto sono i seguenti: ........................................................................ 12
5.1.3. Collegamento dell‟impianto alla Rete Elettrica. .......................................................... 12
5.1.4. Autorizzazioni principali necessarie ............................................................................. 12
5.1.5. Denuncia di officina elettrica .......................................................................................... 12
5.1.6. Produzione storica........................................................................................................... 13
Mini idroelettrico
1. Mini idroelettrico
Il termine mini idroelettrico (dall'inglese small hydro) si riferisce a centrali elettriche, che
sfruttano l'energia idroelettrica, ed è caratterizzato dal fatto di avere una potenza installata
ridotta.
La definizione quantitativa di un progetto mini-idroelettrico varia molto, ma di solito, per
convenzione, una capacità di generazione che arriva fino ai 10 megawatt (10 MW di
potenza installata) é generalmente accettata come il limite superiore di quello che si
definisce mini idroelettrico. In nazioni abituate ai grandi impianti ed ad alti consumi elettrici,
come il Canada o gli Stati Uniti, si arriva a definire mini-idrolettrici, impianti di potenza fino
a 30 MW.
Il mini-hydro, oltre ai vantaggi della produzione di energia rinnovabile, ha altre peculiarità
rispetto alle centrali idroelettriche di grande taglia e di seguito si riportano le più
interessanti



Investimenti contenuti: la realizzazione di un tale impianto generalmente avviene su
acqua fluente che non richiede la costruzione di opere particolarmente costose
(come le grosse dighe). Questo permette un veloce ritorno dell'investimento.
Consente un miglioramento delle condizioni idrogeologiche del territorio;
Contribuisce alla riduzione dell'effetto serra, e quindi beneficia dei certificati verdi
per la produzione di energia da fonti rinnovabili
Come ogni centrale idroelettrica, la realizzazione di un mini-hydro richiede naturalmente
un opportuno studio di fattibilità.
Uno dei dati più rilevanti è la curva di durata del flusso d'acqua riportata nel seguente
grafico n. 1:
Curva di durata
Portata
3000
2500
2000
1500
1000
500
Grafico n. 1: Curva di durata del flusso d'acqua
7921
7041
6161
5281
4401
3521
2641
1761
881
1
0
Ore
1.1. Mini-idroelettrico e micro-idroelettrico
Il Mini idroelettrico può essere ulteriormente suddiviso in sub classificazioni:


mini-idroelettrico, per impianti di meno di 10 MW di potenza;
micro-idroelettrico che comprende impianti di potenza inferiore ai 100 kW.
Il microidroelettrico consente abitualmente la produzione di una potenza idroelettrica
adeguata alle necessità di piccole comunità, fattorie, singole famiglie, o piccole imprese.
Le piccole centrali idroelettriche possono anche essere connesse alla distribuzione
elettrica convenzionale come sorgenti di energia rinnovabile a basso costo per
l'immissione in griglia. Alternativamente, piccoli progetti idroelettrici possono essere
costruiti in aree isolate ove potrebbe essere antieconomico servire con una linea elettrica
ad alta tensione, oppure in aree dove non esiste una rete di distribuzione elettrica
nazionale.
Dal momento che i piccoli progetti idro-elettrici abitualmente hanno dei bacini d'acqua
minimi e poche ed economiche opere civili di costruzione, sono percepiti dalle popolazioni
come progetti a basso impatto ambientale e paesagistico, e si dimostrano particolarmente
adatte a paesi poveri senza grandi risorse economiche, senza grande capacità produttiva
di cemento o di tondini di acciaio.
1.2. Sviluppo mondiale del mini idroelettrico
Negli ultimi 10 anni il numero di piccole istallazioni small-hydro sono cresciute del 30%
portando la capacità di "piccolo idroelettrico" mondiale a circa 70 Gigawatt. Tale potenza è
localizzata:




in Cina con impianti per una potenza pari a circa 42 GW;
in Giappone con impianti per una potenza pari a circa 4 GW;
negli Stati Uniti con impianti per una potenza pari a circa 4 GW;
nel resto del mondo con impianti per una potenza pari a circa 20 GW.
La Cina, nell'ambito del China Village Electrification Program, ha piani per fornire, nel
prossimo quinquennio, elettricità a ulteriori 10.000 villaggi, utilizzando energia rinnovabile,
con investimenti nello "small hydro" e nel fotovoltaico.
1.3. Tipi di impianto idroelettrici
Gli impianti possono essere:



ad acqua fluente: impianti idroelettrici posizionati sul corso d'acqua;
a bacino: l'acqua è raccolta in un bacino grazie a un'opera di sbarramento o diga;
ad accumulo: l'acqua viene portata in quota per mezzo di pompe
1.3.1. Centrali ad acqua fluente
Tali centrali sfruttano l'energia cinetica delle acque fluviali (energia idroelettrica),
convogliate in particolari turbine idrauliche messe in rotazione dal flusso dell'acqua.
Collegate all'albero rotante delle turbine vi sono gli alternatori che trasformano l'energia
meccanica di rotazione in energia elettrica.
1.3.2. Centrali a caduta
Tali centrali sfruttano l'energia potenziale di notevoli masse d'acque poste ad altezza
maggiore rispetto a quella di presa (si parla in tal caso di 'invaso', o naturale o artificiale
creato tramite dighe). L'energia potenziale dell'acqua viene trasformata in energia cinetica
facendo confluire l'acqua in condotte forzate nelle quali l'acqua raggiunge notevoli velocità.
L'acqua viene poi fatta confluire come nel caso precedente in turbine collegate ad
alternatori producendo così energia.
1.3.3. Leggi
La legge vigente in Italia, Il Testo Unico sulle acque R:D: 1775 del 1933, che regola la
complessa materia delle concessioni delle acque pubbliche divide le centrali, sotto
l‟aspetto idraulico, in piccole derivazioni, quelle con potenza inferiore ai 3.000 kW e le
grandi derivazioni, di potenza media superiore.
2. Vantaggi delle centrali idroelettriche
Il principale vantaggio delle centrali idroelettriche è che, una volta costruite, offrono
energia a costi molto competitivi e non richiedono combustibili o materie prime; sono una
fonte di energia totalmente rinnovabile e di fatto illimitata. Inoltre, con una manovra
chiamata pompaggio (che consiste nel ripompare l'acqua dai bacini inferiori negli invasi
durante le ore notturne, quando la richiesta di energia è minore) si può accumulare
energia prodotta dalle altre centrali della rete, per restituirla di giorno nelle ore in cui la
domanda di energia raggiunge il massimo. Un ulteriore vantaggio è legato al fatto che la
variazione della produzione di energia può avvenire in maniera molto più rapida rispetto ad
una centrale termoelettrica o nucleare, variando la quantità di acqua che viene convogliata
alla turbina. Il loro impiego è, infatti, generalmente massimo durante le ore di maggiore
consumo energetico.
3. Svantaggi delle centrali idroelettriche
Soprattutto le centrali a caduta, che richiedono un intervento edilizio di elevate proporzioni
per la realizzazione di laghi artificiali per fungere da invasi, hanno un notevole impatto
ambientale, sia nella fase costruttiva delle opere, sia a posteriori nell'impatto visivo ed
estetico. Inoltre, il fatto di alterare la portata e la distribuzione delle acque fluviali porta ad
un cambiamento del microclima locale, per la maggiore umidità ed evaporazione portata
dal lago che funge anche da serbatoio di calore, livellando le temperature fra giorno e
notte. Altro svantaggio è dovuto alla naturale sedimentazione, che tende a riempire
lentamente l'invaso, e richiede dragaggi periodici: il terriccio di risulta può essere usato a
fini edilizi, per riporti e terrapieni.
Naturalmente quando si tratta di piccole centrali, come quella descritta al paragrafo 5,
l‟impatto ambientale è molto limitato e spesso si può ritenere trascurabile.
4. Terminologia e grandezze
4.1. Bacino idroelettrico
Il bacino idroelettrico ha lo scopo di raccogliere le acque di un fiume per poterne poi
utilizzare l'energia potenziale per produrre energia elettrica.
Il bacino idroelettrico è costituito da una diga che ha il doppio scopo di creare una riserva
d'acqua e di creare un dislivello. Tra il punto di presa e la centrale elettrica l'acqua è
trasportata mediante una condotta che prende il nome di condotta forzata. Nella centrale è
presente la turbina che ha lo scopo di trasformare l'energia cinetica dell'acqua in energia
meccanica. Un alternatore è accoppiato alla turbina per trasformare l'energia meccanica in
energia elettrica.
4.2. Classificazione
I bacini idroelettrici si posso suddividere in base a:



portata d'acqua
dislivello
la potenza nominale del generatore elettrico
4.3. Portata
La portata è la quantità di fluido che attraversa una sezione di area A nell'unità di tempo.
Data una sezione si può definire una portata ponderale se riferita al peso (massa
moltiplicata per l'accelerazione gravitazionale pari a 9,80665 m/s²), di massa (o massica)
se riferita alla massa di fluido e una portata volumetrica se riferita al volume.
La portata di massa, nel Sistema Internazionale si misura in kg/s, mentre quella
volumetrica in metri cubi al secondo (m3/s).
In questo secondo caso, la portata V di fluido che transita in un tubo la cui sezione ha
un'area A, sarà:
dove v indica la velocità del fluido, considerata uniforme e con un certo angolo rispetto alla
perpendicolare della sezione.
Nel caso particolare di flusso perpendicolare all'area sarà:
Per passare da questa alla portata ponderale, tale formulazione deve essere moltiplicata
per la densità ρ del fluido.
La portata massica, o flusso massico, è data dalla formula:
in cui ρ è la densità volumica (kg/m³) del fluido. Nel caso di velocità o densità non uniformi
sulla sezione, bisogna inserire nell'equazione i loro valori medi. Per calcolarli si può
ricorrere al calcolo integrale sulla superficie.
In una tubazione in cui si abbiano due sezioni di diversa area, per la legge di
conservazione della massa, la portata uscente deve eguagliare la portata entrante e quindi
accadrà che ove ci fosse un restringimento aumenterà la velocità del fluido:
[1]
essendo: ρ1, ρ2, v1, v2 rispettivamente le densità le velocità del fluido in corrispondenza
alle sezioni A1 e A2.
Se il fluido è incomprimibile (densità costante ρ1 = ρ2 ), la relazione precedente diventa:
che è l'equazione della portata del condotto costante.
L'impatto ambientale delle centrali idroelettriche è molto minore di quello delle centrali
termoelettriche, per via dell'assenza di fumi, e riguarda soprattutto il diverso regime delle
acque da esse sfruttate: l'estrazione di energia cinetica rallenta il corso d'acqua,
aumentando la velocità di sedimentazione; nel caso di centrali a caduta è necessario
mettere in conto le opere idrauliche necessarie (dighe e condotte). La parte maggiore
dell'impatto ambientale si verifica durante la costruzione, a causa degli sbancamenti e
delle grandi opere necessarie per realizzare gli invasi ed il sistema di condotte forzate. Le
centrali idroelettriche possono avere potenze che vanno da alcuni MW (centrali fluviali)
alle decine o centinaia di MW per le grandi centrali a caduta.
4.4. Potenza
La potenza realizzabile dipende dalla portata d‟acqua (l/s – m3/s), dal salto che l‟acqua
subisce (m) e dal fattore (accelerazione di gravità m/s2) 9,81 . La potenza ottenuta è
espressa in kW:
P (kW) = m3/s*Δh/102
P (kW) = l/s*Δh*9,81
4.5. Turbine
4.5.1. Turbina "Pelton"
Le turbine „Pelton“ sono adatte per grandi dislivelli e relativamente piccole quantità
d’acqua.
Il loro vantaggio si manifesta in un rendimento regolare avendo come base una
quantità d’acqua fortemente variabile. Principalmente si può dire: in relazione
all’aumento della pressione sale la percentuale del rendimento (da 80 % a 90%).
Sono stati realizzati impianti di media e piccola misura (3 KW – 100 KW) da 20 metri
a 500 metri di dislivello. La quantità d’acqua a disposizione: da 3 a 300 l/sec. La
seguente figura n. 1 evidenzia la forma costruttiva della ruota Pelton:
Figura n. 1: Turbina tipo Pelton
4.5.2. Turbina "Francis" e "Kaplan"
La zona di operazione delle turbine “Francis e Kaplan” è locata in posti con dislivelli
bassi (ca. 4 – 30 m) e grandi quantità d’acqua. La tecnica di queste turbine permette
l’ utilizzo in luoghi con quantità d’acqua fortemente variabile.
Il vantaggio delle turbine “Francis e Kaplan” si dimostra in un rendimento uniforme
disponendo di una quantità d’acqua fortemente variabile.
Il rendimento rimane quasi invariato nel momento in cui si opera con il 25% - 100%
della quantità d’acqua intera. Le seguenti figure n. 2 e 3 evidenziano la forma
costruttiva delle turbine ruota Francis e Kaplan:
Figura n. 2: Turbina tipo Kaplan
Figura n. 3: Girante Francis: si nota dall'esterno, la chiocciola, il distributore (in verde) e la girante all'interno.
Il flusso di liquido è rappresentato in azzurro.
4.5.3. Mini Turbina
Le miniturbine sono dotate di una ruota „Pelton“ molto piccola. Vengono usate
prevalentemente per il funzionamento ad isola con accumulatori o per sistemi che
vanno in parallelo con la rete.
Il vantaggio delle piccole turbine „Pelton“ consiste nel loro rendimento costante con
una quantità d’acqua molto variabile. In relazione all’aumento della pressione sale la
percentuale del rendimento (da 80 % a 90% ).
Le miniturbine (100 W – 1500 W) vanno posizionate in luoghi con 10 metri - 100
metri di dislivello. Le quantità d’acqua variano da 0,7 l/sec a 8 l/sec. Vengono
costruite con uno o max. quattro ugelli fissi o rispettivamente ugelli regolabili
5. Esempio di impianto mini idroelettrico a caduta
Nel seguito si descrive una piccola centrale idroelettrica con potenza nominale di 1.000
kW in esercizio nella Valle d‟Aosta.
5.1.1. Descrizione delle opere dell’impianto
L‟impianto idroelettrico è così composto:
a. Opera di presa: è realizzata in cemento armato e pietre a vista; è principalmente
costituita da un canale in ca sormontato da una griglia che permette il solo ingresso
dell‟acqua da derivare, eliminando altri elementi presenti quali sabbia, foglie, rami e
detriti vari. La quota di sfioro della griglia risulta essere 1.380 m.s.l.m.
b. Canale di adduzione alla vasca di carico: è costituito da una tubazione in Fe 510
DN 1.000 di lunghezza mt. 26 ca, completamente interrata, riceve l‟acqua in
ingresso dall‟opera di presa e la trasporta nella vasca di carico. All‟ingresso della
tubazione si trova installata una paratoia a strisciamento atta a permettere
l‟interruzione dell‟ingresso dell‟acqua verso la vasca di carico.
c. Vasca di carico: è realizzata in cls armato ed ha la volumetria di circa 250 m3
(10 x 10 x 2,5 mt); e‟ completamente interrata e una botola posta sulla parte
superiore permette l‟accesso per le operazioni di manutenzione. La vasca di carico
è dotata di una tubazione da DN 300 avente il compito di sfioratore; accanto al tubo
di sfioro parte la condotta forzata avente diametro iniziale di mm. 600 che va ad
alimentare la turbina idroelettrica. La vasca e‟ realizzata in pendenza con uno
scarico di fondo mediante tubazione da DN 300. Lo scarico di fondo si congiunge
dopo la valvola manuale con la tubazione dello sfioratore e completamente in
interrato scarica nel torrente. In prossimità della vasca di carico esiste un locale
tecnico. In tale locale tecnico trovano posto:
o
una valvola manuale per l„apertura/chiusura dello scarico di fondo;
o la valvola a farfalla di guardia alla condotta forzata avente diametro mm.
600, completa di cilindro attuatore per la fase di apertura e sistema di
contrappesi per la chiusura in emergenza;
o il by-pass manuale per il riempimento della condotta forzata;
o la centralina oleodinamica a servizio della valvola a farfalla e della paratoia
di cui al punto b);
o un quadro elettrico dei servizi completo di microprocessore in dialogo
continuo con la centrale di produzione per la verifica dei parametri generali
di funzionamento e l‟analisi dei livelli presenti nella vasca di carico per il
tramite di un sistema a fibre ottiche posate lungo il percorso della condotta
forzata.
d. Condotta forzata: dalla vasca di carico parte la condotta forzata avente diametro
DN 600 mm. e spessori variabili dai 6,3 mm. in partenza dalla vasca di carico ai
13,5 mm. in arrivo alla centrale idroelettrica. La condotta forzata in parte è interrata
e in parte a cielo aperto; il tratto fuori terra è protetto con materiale coibentante per
temperature comprese tra i - 50°c e i + 200 °C con protezione esterna mediante
lamierino di color marrone. Nel tratto esterno di maggior pendenza e‟ inserito un
giunto di dilatazione. Lungo il tracciato della condotta forzata è posata un tubazione
al cui interno sono alloggiati i cavi a fibra ottica per permettere il dialogo tra il
microprocessore presente nella centrale di produzione ed il microprocessore
presente nel locale tecnico costruito presso la vasca di carico.
e. Centrale idroelettrica di produzione: la turbina Pelton a due getti, la centralina
oleodinamica a servizio di detta turbina, la quadristica di gestione ed automazione
dell‟impianto sono installate in apposito locale. Il trasformatore dei servizi e tutta la
quadristica di MT necessaria alla consegna dell‟energia prodotta al distributore
territoriale sono ubicati in una cabina “tipo Enel” adiacente all‟immobile del
generatore L‟evacuazione dell‟acqua turbinata al limitrofo torrente è realizzata
mediante apposito canale di scarico.
f. Controllo remoto: la centrale e tutte le apparecchiature principali sono dotate di
telecontrollo
5.1.2. Specifica dell’Impianto da concessione
I dati caratteristici dell‟impianto sono i seguenti:

Impianto:
Idroelettrico a caduta

Quota di sfioro vasca di carico:
1.380
m s.l.m.

Quota pelo libero canale di scarico:
983
m.s.l.m.

Salto utile lordo:
397
m

Moduli derivabili:
1,80
(180 l/s)

Moduli massimi:
4,5
(450 l/s)

Potenza media:
700
KW

Potenza nominale dell‟impianto:
1.110
KW

Producibilità annua netta attesa:
4.000.000
kWh
5.1.3. Collegamento dell’impianto alla Rete Elettrica.
L‟impianto è collegato in MT sulle linee a 15 KV del Distributore Territoriale, presso la
cabina di tipo alto adiacente l‟impianto di produzione di energia idroelettrica.
5.1.4. Autorizzazioni principali necessarie
Di seguito si riportano le principali autorizzazioni necessarie pere la realizzazione e per la
qualificazione IAFR (Impianti Alimentati da Fonti Rinnovabili):
-
Regione - Autorizzazione ai fini idraulici rilasciata dal Dipartimento territorio
Ambiente ai sensi del R.D. 523/1904.
-
Autorizzazione Forestale e Aree Boscate R.D.L. 30 dicembre 1923.
-
Autorizzazione Direzione Tutela Beni Paesaggistici ed Architettonici.
-
Comune – Atto di concessione edilizia
-
Autorizzazione posa condotta forzata - Direzione Tutela Beni Paesaggistici ed
Architettonici.
-
Autorizzazione posa condotta forzata – variante - Direzione Tutela Beni
Paesaggistici ed Architettonici.
-
DIA – Denuncia di Inizio Attività protocollata al comune.
5.1.5. Denuncia di officina elettrica
La centrale idroelettrica per essere esercita necessita di una particolare licenza di
esercizio che viene rilasciata dell‟Ufficio delle Dogane competente per territorio. Alla
licenza viene attribuito un codice ditta alfanumerico (esempio IT00AOE00667J).
5.1.6. Produzione storica
Dall‟entrata in esercizio dell‟impianto si deve tenere costantemente aggiornato il registro di
produzione giornaliera. E‟ opportuno avere anche una tabella mensile di sintesi che servirà
per le dovute dichiarazioni all‟Ufficio delle Dogane. Nella seguente tabella si riporta un
esempio di sintesi delle produzioni
Produzione di energia elettrica
apr-08
mag-08
giu-08
lug-08
ago-08
set-08
ott-08
nov-08
dic-08
Totale produzione realizzata
Note:
Moduli in concessione (1,8)
Salto
Potenza in concessione
Ore di funzionamento all'anno
Energia elettrica producibile come previsione
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
kWh
77.080
495.650
609.950
593.950
328.450
358.700
2.463.780
l/s
m.c.a.
kW
h/a
kWh/a
180
397
700
8.400
4.000.000
Bibliografia
o Maurizio Tanzini - Impianti idroelettrici. Progettazione e costruzione:
Aspetti geologici e geotecnici - Tecnologie - Dimensionamento – Materiali.
o Ricerche su internet.