UNIVERSITA` DELL`AQUILA Costruzioni Idrauliche ed Idrologia

UNIVERSITA’ DELL’AQUILA
Dipartimento di Ingegneria Civile Edile Architettura e Ambientale
Cattedra di Costruzioni Idrauliche ed Idrologia
Costruzioni Idrauliche
ed Idrologia
Corso di Laurea di Primo Livello in Ingegneria Civile
Raccolta, riordino ed ampliamento delle dispense del corso
a cura del Prof. Ing. Maurizio Leopardi
A.A. 2015 - 16
Nota
Il Corso, limitato a volte alle nozioni più generali, vuole fornire i concetti di base di una
teoria applicata alla progettazione idraulica di opere elementari anche attraverso “esempi
di lavoro”.
Queste dispense, redatte per soddisfare le richieste degli studenti, e quindi, finalizzate
esclusivamente a fini didattici, sono raccolte e concesse in uso a titolo gratuito.
La valutazione dei risultati forniti dall'utilizzo delle applicazioni numeriche rientra nelle responsabilità di chi le impiega.
Nel testo sono inserite figure e tabelle, opportunamente modificate, tratte da testi rintracciabili in bibliografia. Di alcune immagini scaricate dalla rete, per il numero elevato di
siti specializzati consultati, resta difficoltoso citare le fonti.
L'Autore si riserva la facoltà di aggiornamenti ed integrazioni, senza peraltro assumere
alcun impegno.
Premessa
Nella dizione Costruzioni
Idrauliche
si intende
generalmente comprendere tutte quelle
opere che vanno a costituire i complessi, spesso indicati genericamente con la denominazione di
impianti, attraverso i quali si conseguono
varie possibili utilizzazioni
delle acque naturali; tali
sono gli acquedotti e le fognature urbani, rurali ed industriali, gli impianti
idroelettrici,
gli
impianti di irrigazione. A questi si aggiungono anche gli impianti intesi a difendere l'ambiente ed
il territorio da danni che possono essere provocati dalle acque naturali, quali le bonifiche e opere di difesa delle piene.
Pertanto nelle Costruzioni Idrauliche possono essere ricomprese tutte quelle opere, dell’Ingegneria
Civile, in stretta connessione con l’acqua. Volendo sintetizzare e schematizzare per settori di intervento è possibile suddividere tali opere in insiemi di impianti realizzati in funzione delle finalità per
cui sono stati progettati:
Smaltimento e regolazione delle acque meteoriche
Allontanamento e depurazione delle acque di
rifiuto civili e industriali
Drenaggio urbano
Fognature ed Impianti di depurazione
Bonifiche
Sistemazioni di bacini montani
Approvvigionamento e trasporto di acqua per
usi civili, industriali ed agricoli
Acquedotti e reti di distribuzione urbane
Acquedotti e reti di distribuzione industriali
Reti di irrigazione
Serbatoi di regolazione e compenso
Produzione di energia elettrica dalla trasformazione di energia potenziale
Serbatoi artificiali
Impianti idroelettrici
Navigazione
Canali e fiumi navigabili
Opere portuali
Premessa
Difesa delle coste e delle spiagge
Malgrado la varietà delle utilizzazioni e le conseguenti
differenti metodologie progettuali tra le suddette opere esistono elementi comuni dette Opere Elementari :
di captazione:
Sorgenti
Opere di presa da fiumi e laghi
Traverse fluviali
Pozzi
Impianti di sollevamento
di trasporto:
Canali
Tubazioni
Spechi
di stoccaggio:
Serbatoi
Invasi
Elevatore di acqua da un pozzo azionato
da ruota calcatoria
Premessa
L'acqua
è un liquido incolore ed insapore, la cui molecola è composta
da due atomi di idrogeno ed uno di ossigeno; indispensabile
per molti processi chimici sia nel mondo organico e sia in quello
minerale
PROPRIETÀ FISICHE
Peso specifico  [ kg/m3]
Densità  

[ kg s2 /m4]
g
Viscosità  [kg s/m2]
Viscosità cinematica
rapporto tra il peso di una sostanza
e quello di uguale volume di acqua
distillata a 4°C
massa dell’unità di volume = rapporto tra peso ed accelerazione di gravità
Sforzo tangenziale tra due lastre piane parallele di area unitaria poste a
distanza unitaria equivalente alla velocità relativa della lastra più veloce
rispetto alla più lenta



[m2/s]
Nell’Idraulica pratica è necessario considerare alcune caratteristiche fisiche dell'acqua, ipotizzata
dolce e priva di particelle solide, tutte variabili con la temperatura. Nella Tabella sono riportati i
valori assunti dalle varie grandezza nel campo di temperature
0 20 C°.
T°




C°
kg/m3
kg s2 /m4
kg s/m2
m2/s
0
999,87
101,96
0,000183
1,79*10-6
4
1000,00
101,97
0,000155
1,52*10-6
10
999,73
101,94
0,000133
1,30*10-6
20
998,23
101,79
0,000102
1,18*10-6
Ciclo terrestre dell’acqua
La sede naturale dell’acqua allo stato di vapore è l’atmosfera mentre per lo stato liquido è la superficie ed il sottosuolo della Terra ; lo stato solido (neve e ghiaccio) è presente anch’esso sulla superficie terrestre.
I passaggi di stato provocano scambi di acqua tra le varie condizioni secondo due fasi:

Ascendente [ Terra  Atmosfera ] si sviluppa ininterrottamente nel cambiamento di stato
dell’acqua naturale nel passaggio dalla Terra all’Atmosfera per
Evaporazione : trasformazione dallo stato liquido in vapore .
Sublimazione : trasformazione dallo stato solido, neve e ghiaccio, in vapore .

Discendente (Atmosfera  Terra) si svolge in maniera saltuaria sotto forma di
Condensazione
Precipitazione.
Si viene a realizzare un ciclo naturale e perenne di passaggio dell’acqua dall’atmosfera alla terra
ed un suo ritorno all’atmosfera secondo lo schema semplificato riprodotto nella Figura 1.
Premessa
Figura 1. Ciclo terrestre dell’acqua.
Le percentuali danno un’indicazione significativa di come i processi di trasformazione siano fortemente localizzati sulle grandi superfici oceaniche mentre, sulle terre emerse, del 21% rappresentato dalle precipitazioni (pari a circa 119.000.000.000.000 m 3  119.000 km3) solo il 7,8% , ruscellando sul terreno , chiude il ciclo sversando a mare.
Lo schema di Figura 2 evidenzia gli scambi diretti caratterizzati da cambiamenti di stato reversibili
tra atmosfera e ghiacciai, nevai, laghi, corsi d’acqua, terreno e vegetazione; mostra infine la circolazione dell’acqua sulla terra alimentata direttamente dalle precipitazioni, dalla fusione delle nevi
e dall’ablazione glaciale.
Premessa
Figura 2. Circolazione dell’acqua naturale
La seguente Figura 3 evidenzia otto località e per ognuna di esse viene riportato l’andamento medio annuo delle altezze di precipitazione, espresse in mm.
Figura 3. Distribuzione delle precipitazioni sull’emisfero nord
Premessa
Dall’osservazione dell’andamento dei valori medi mensili delle precipitazioni si evidenziano sostanziali diversità caratteristiche di un determinato regime pluviometrico.
Equatoriale : piogge continue annue con due picchi coincidenti (fine ed inizio anno) . Il valore medio annuo dell’altezza di precipitazione è elevato h 2.500 mm.
Tropicale : caratterizzato da un’estate piovosa ed un inverno secco. La zona interna è caratterizzata da due massimi estivi, mentre nella zona esterna sono presenti elevate precipitazioni estive .
Monsonico : tipico delle regioni costiere intertropicali dell’India, caratterizzato da elevate piogge
estive causate da venti estivi (monsoni) che dall’oceano espandono e si raffreddano risalendo verso
nord.
Subtropicale: aree desertiche e piogge scarse.
Mediterraneo : precipitazioni piovose scarse nel periodo estivo.
Temperato : moderate precipitazioni costanti nell’anno.
Polare : piogge tutto l’anno ma di modesta quantità.
Il Passaggio tra i vari regimi è, ovviamente, graduale.
In Italia piove, mediamente, 300 miliardi di m3 corrispondente ad un valore normale1 delle altezze
di precipitazioni annue di circa 1000 mm
Milano 1010 mm
Genova 1300 mm
Roma 830 mm
L’Aquila 700 mm
Napoli 850 mm
Palermo 660 mm
Figura 4. Carta delle piogge
1 Un valore normale è pari al valore medio di un numero di osservazioni abbastanza elevato da soddisfare alla condizione che questo non
vari sensibilmente includendo o escludendo dal conteggio un numero limitato di anni.
Premessa
Energia da fonti rinnovabili
Il progresso economico delle società moderne necessita di un approvvigionamento continuo e crescente di energia, indispensabile per molte ragioni ed attività. I settori che necessitano di un maggiore impegno di energie sono quello dei trasporti (che si basa per la quasi totalità sul petrolio), il
settore domestico (che deve oggi rispondere della richiesta crescente di comfort per le abitazioni) e
l'utilizzo di elettricità e di calore a scopi sia civili che industriali.
Per rispondere a questa continua domanda di energia in larga parte si ricorre a
fonti non rinnovabi-
li, idrocarburi in testa. In Europa la centralità dei combustibili fossili è particolarmente evidente: si
ricorre al petrolio per il 41% dei consumi nei tre settori sopra indicati, mentre per il 22% ci si affida al gas naturale, seguito dall'energia ricavata dalla combustione dei solidi e dal nucleare. Nel
continente europeo le fonti energetiche non rinnovabili sono particolarmente limitate: oggi la quantità di energia importata dai paesi extra-europei è circa la metà del fabbisogno energetico necessario, ma mantenendo la quota di utilizzo ai livelli attuali nel giro di venti o trent'anni il totale di
energia importata potrebbe superare il 70% dei consumi.
I rischi ambientali
L'utilizzo di fonti non rinnovabili per la produzione di energia comporta una seria minaccia per la
salvaguardia dell'ecosistema terrestre: le emissioni di CO2 sono infatti tra i protagonisti principali
dei cambiamenti climatici causati dalle attività umane, come sottolineato chiaramente nel Protocollo di Kyoto. Se già oggi questo dato rappresenta un grave problema per l'ambiente, entro il 2020 la
situazione potrebbe peggiorare drasticamente: secondo le attuali previsioni demografiche nei prossimi quindici anni la popolazione mondiale potrebbe infatti crescere di circa 2 miliardi di individui,
aumentando la domanda energetica totale di oltre il 60% rispetto al livello attuale. Questi fatti
spingono oggi i principali paesi industrializzati alla ricerca di soluzioni energetiche nuove e sostenibili.
L'utilizzo delle fonti rinnovabili rappresenta la chiave di volta del cambiamento nella produzione e
nel consumo di energia. La natura infatti offre grandi potenzialità energetiche, grazie alle tradizionali fonti di energia rappresentate dal
sole, dal vento, dalle biomasse, ed infine dall'acqua .
Le possibilità di sfruttare l'enorme potenziale delle fonti rinnovabili sono tuttavia condizionate da
alcuni fattori fondamentali, che attualmente limitano le realizzazioni pratiche di questo incredibile
potenziale energetico. In Europa ad esempio solo il 6% dei consumi energetici è ricavato da fonti
energetiche rinnovabili: i motivi principali di questo ritardo sono in parte strettamente tecnologici,
in parte dipendono dalle politiche energetiche dei singoli paesi industrializzati. La ricerca di soluzioni scientifiche per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili è infatti ai suoi inizi, e per questo motivo il
loro utilizzo spesso non è economicamente conveniente, poiché le spese di investimento iniziale sono recuperabili solo in tempi molto lunghi. Fino a pochi anni fa, d'altra parte, è mancata quella
coordinazione necessaria tra i governi dei paesi più sviluppati in grado di dare un impulso decisivo
all'utilizzo delle fonti pulite. In questi ultimi anni, tuttavia, in Italia, come nel resto d'Europa, sono
stati fatti molti sforzi per promuovere l’energia rinnovabile: ad una strategia comune di azione, infatti, si è affiancata la ricerca di soluzioni tecnologiche innovative in grado di aumentare e migliorare lo sfruttamento delle "miniere" energetiche naturali. Il nostro paese per certi versi è in ritardo
rispetto agli obiettivi fissati dalla Comunità Europea, anche se ci sono alcuni motivi che fanno ben
sperare per il prossimo decennio. Più del 75 % dell'energia generata da fonti pulite in Italia proviePremessa
ne dall'idroelettrico, di cui tuttavia sfruttiamo già un potenziale superiore al 70%: un margine ulteriore di sviluppo è rappresentato dal mini-idroelettrico, con piccoli impianti in grado di utilizzare
brevi salti d'acqua. Il 15% di energia viene prodotta dalle biomasse e dai rifiuti, l'11% dall'eolico e
dal fotovoltaico e la parte restante dalla geotermia. Tra il 1996 e il 2006 l'Italia ha tuttavia aumentato le emissioni di CO2 di oltre il 12%, mentre nello stesso periodo la crescita di energia ricavata
da fonti pulite è aumentata solo dell'1% circa: nonostante la ricerca di nuove soluzioni tecnologiche
abbia ottenuto risultati importanti, diversi fattori hanno influito sul ritardo. In linea di massima il
problema principale è che le fonti energetiche rinnovabili in Italia sono ancora rimaste ai margini
dello sviluppo generale del paese.
Energia Solare
Benché l’Italia sia un paese che per posizione geografica potrebbe sfruttare notevolmente questa
risorsa, le politiche energetiche italiane hanno sottovalutato tale possibilità mentre nel resto del
mondo il solare è molto sfruttato. La torre solare , raffigurata nella Figura 5, produce oltre 10 megawattora .
Figura 5. Solar Two Mojave Desert California
Il solare termico è un insieme di processi tecnologici con i quali è possibile la conversione diretta
dell'energia solare in energia termica. Esempio classico è la produzione dell'acqua calda sanitaria
e per il riscaldamento
I pannelli solari sfruttano una tecnologia collaudata, presente sul mercato ormai da molti anni. Si
distinguono in sistemi solari a circolazione naturale o a circolazione forzata. Nel primo caso si sfrutta un principio naturale secondo il quale un fluido più caldo, essendo più leggero, tende a salire
verso l’alto mentre un fluido più freddo (più pesante) tende a scendere verso il basso. In questi impianti il serbatoio è posizionato sopra i pannelli solari. Il liquido che circola nei collettori, grazie
all’esposizione solare si scalda e confluisce naturalmente verso il serbatoio posizionato più in alto.
Qui cede calore all’acqua e, una volta raffreddato, torna verso i collettori (Figura 6).
Nei sistemi a circolazione forzata il meccanismo è regolato da una pompa collegata a una centralina. Qui infatti il serbatoio può essere posizionato liberamente in un qualsiasi punto della casa, pertanto la circolazione del fluido dai pannelli solari al serbatoio viene controllato dalla pompa. In en-
Premessa
trambi i casi il liquido primario (generalmente composto da acqua e antigelo) circola all’interno di
un circuito chiuso, che non viene mai a contatto con l’acqua sanitaria (Figura 7) .
Figura 6.
Figura 7.
Il solare termo-dinamico Progetto Archimede. Specchi parabolici concentrano la luce diretta del sole su un tubo ricevitore (dentro il quale scorre il fluido termovettore), che assorbe l'energia raggiante e la converte in calore ad alta temperatura (Figura 8). Il fluido riscaldato (a 550 °C) viene
convogliato in un serbatoio "caldo", dove va a costituire l'accumulo di calore ad alta temperatura.
Dal serbatoio "caldo", il fluido è inviato ad uno scambiatore dove cede una parte di calore con il
quale viene generato vapore che alimenta un sistema convenzionale di produzione di energia elettrica. Il fluido conclude la sua corsa nel serbatoio "freddo", a 290°C, da dove viene prelevato e reimmesso nel ciclo.
Figura 8 .
Premessa
Il Fotovoltaico
La tecnologia fotovoltaica (FV) consente di trasformare direttamente l'energia associata alla radiazione solare in energia
elettrica sfruttando
le proprietà di alcuni materiali semicon-
duttori che, se opportunamente trattati, sono in grado di produrre elettricità senza l'uso di alcun combustibile. Poiché solo
una parte dell'energia solare che colpisce una cella fotovoltaica viene convertita in energia elettrica, l'efficienza di conversione delle celle commerciali è compresa fra il 10% e il 14%.
Pertanto per
produrre energie sufficienti per l’utilizzo civile
sono necessarie grandi superfici per installare i pannelli.
Le centrali fotovoltaiche sono impianti per la produzione di
energia elettrica in larga scala con più moduli fotovoltaici connessi in serie o parallelo.
I moduli a loro volta sono costituiti principalmente da celle fotovoltaiche, generalmente nel numero
di 36 e collegate tra loro in serie. Sia la tensione sia la potenza di un singolo pannello sono, tuttavia, insufficienti per la realizzazione di una centrale che produca energia elettrica in modo significativo per le utenze collegate. Per questo motivo, i pannelli sono in genere collegati tra loro in serie
formando le stringhe. Più stringhe in parallelo formano un sotto-campo fotovoltaico che fa capo a
un quadro di parallelo stringhe. L’insieme dei sottocampi forma infine il campo fotovoltaico, cioè
quella parte della centrale fotovoltaica dove viene captata la radiazione solare che è trasformata in
energia elettrica.
La progettazione di un campo fotovoltaico comporta scelte particolari che ne determinano il funzionamento, in particolar modo per quello che riguarda la disposizione spaziale e l’inclinazione dei
pannelli costituenti le stringhe. Normalmente le stringhe vengono posizionate in file parallele, ad
una distanza tale da evitare che una determinata fila, in certe ore della giornata, non copra con la
propria ombra la stringa posta alle sue spalle. Per evitare l’ombreggiamento, che comporterebbe
una riduzione della radiazione incidente sui pannelli, la distanza minima tra le file è calcolata in base all’altezza e all’angolo di inclinazione dei pannelli, a sua volta dipendente dalla latitudine del luogo in cui sorge la centrale. L’inclinazione dei pannelli fotovoltaici può essere “fissa”, ossia indipendente dai movimenti del sole, e “ad inseguimento solare", ossia variabile durante l’arco della giornata per ottenere il massimo irraggiamento in tutte le ore del giorno.
Figura 9 . Centrale Fotovoltaica
Premessa
La progettazione di un campo fotovoltaico comporta scelte particolari che ne determinano il funzionamento, in particolar modo per quello che riguarda la disposizione spaziale e l’inclinazione dei
pannelli costituenti le stringhe. Normalmente le stringhe vengono posizionate in file parallele, ad
una distanza tale da evitare che una determinata fila, in certe ore della giornata, non copra con la
propria ombra la stringa posta alle sue spalle. Per evitare l’ombreggiamento, che comporterebbe
una riduzione della radiazione incidente sui pannelli, la distanza minima tra le file è calcolata in base all’altezza e all’angolo di inclinazione dei pannelli, a sua volta dipendente dalla latitudine del luogo in cui sorge la centrale. L’inclinazione dei pannelli fotovoltaici può essere “fissa”, ossia indipendente dai movimenti del sole, e “ad inseguimento solare", ossia variabile durante l’arco della giornata per ottenere il massimo irraggiamento in tutte le ore del giorno.
La centrale fotovoltaica di Serre Persano, attualmente la più grande centrale fotovoltaica operante
al mondo, che si sviluppa su una superficie di circa 5 ettari e mezzo, con una superficie di pannelli
installati di 26.500 mq. Si tratta di una centrale fotovoltaica che trasforma direttamente la luce del
sole in energia elettrica. Il campo fotovoltaico (il complesso di tutti i pannelli produttivi) è ulteriormente suddiviso in sezioni, o sottocampi: 9 di questi sono fissi, cioè i pannelli non si muovono,
mentre il decimo è definito come “sottocampo ad inseguimento solare”, in questo ultimo caso infatti i pannelli variano automaticamente la loro inclinazione in modo da trovarsi sempre nella posizione ottimale per raccogliere il massimo di luce dal sole nell’arco della giornata. L’energia elettrica
prodotta con il procedimento fotovoltaico viene convogliata ad una stazione di trasformazione dove
la tensione viene elevata da 380 V a 20 kV e immessa nella rete. La potenza installata è di 3,3 MW
e la producibilità media annua è di 3500 MWh, pari al consumo medio annuo di 1400 famiglie.
Energia eolica
È l'energia prodotta dal vento. L'energia del vento viene utilizzata mediante l'impiego di macchine
eoliche in grado di trasformare l'energia eolica in energia meccanica di rotazione che può essere
utilizzata per produrre elettricità, in questo caso il sistema di conversione è chiamato aerogeneratore. I rotori vengono classificati in macchine ad asse orizzontale con l'asse parallelo alla direzione
del vento e in macchine ad asse verticale nelle quali l'asse del rotore è perpendicolare al terreno e
alla direzione del vento (Figura 10) .
Figura 10. Impianto eolico
Premessa
Energia Geotermica
È l'energia prodotta dalle sorgenti di calore del sottosuolo della Terra. L'origine di questo calore dipende dalla natura interna del nostro pianeta e dai processi fisici che in esso hanno luogo. La presenza del calore si manifesta con l'aumento progressivo della temperatura delle rocce con la profondità. L' energia termica accumulata nella terra viene resa disponibili tramite dei vettori che si
chiamano fluidi geotermici, che possono raggiungere spontaneamente la superficie, dando luogo a
manifestazioni geotermiche naturali come i geyser, le fumarole, le sorgenti calde, oppure possono
essere utilizzate a fini industriali per la produzione di energia (Figura 11).
Figura 11. Utilizzo dell’energia geotermica
Si stima, ad esempio, che l'energia geotermica
presente nel sottosuolo degli Stati Uniti ammonti a circa 90 milioni di miliardi di chilowattora, che sarebbe una quantità 3000 volte superiore al fabbisogno nazionale. Anche l'Italia,
grazie alle ampie zone vulcaniche, ha un ottimo
potenziale geotermico che potrebbe essere
sfruttato. In Italia la produzione di energia elettrica da questa fonte è di circa 4 GWh, prodotta
da 13 impianti. Di cui il più antico è quello di
Larderello (PI) , realizzato nel 1904.
Figura 12. Impianto di Lardarello
Maree
L'energia mareomotrice è quella ricavata dagli spostamenti d'acqua causati dalle maree, che in alcune zone del pianeta possono raggiungere anche i 20 metri di ampiezza verticale. Già
nell’antichità si cercò di sfruttare questo tipo di energia, mediante la costruzione di "mulini a marea". L’acqua veniva raccolta, durante il flusso, in un piccolo bacino, che veniva in seguito chiuso
con una paratia. Al momento del deflusso l’acqua veniva convogliata attraverso un canale verso
una ruota che muoveva una macina.
Produrre energia dal mare attraverso lo sfruttamento delle maree può realizzarsi con impianti simili a quelli idroelettrici. Uno sbarramento trattiene l'acqua in un bacino fino al livello dell'alta marea; successivamente vengono aperte le condotte che alimentano le turbine e l’alternatore. Figura
13).
Premessa
Figura 13.
Moto ondoso
L'energia prodotta dalle onde si ottiene sfruttando il movimento di galleggianti ancorati al fondo del
mare con dei cavi che si avvolgono e svolgono sull'asse di un alternatore, oppure sfruttando il movimento dell'aria al di sopra delle onde, ma si è ancora in fase sperimentale.
Una recente tecnologia, realizzata dalla Pelamis Wave Power Ltd , utilizza il movimento di onde
oceaniche di superficie per creare energia elettrica. Il dispositivo è costituito da una serie di sezioni
cilindriche semi-sommerse collegate tra loro con snodi.
L'onda crea un moto relativo di queste sezioni, opponendo dispositivi idraulici collegati a generatori
elettrici per la produzione di energia elettrica. Diversi dispositivi possono essere collegati tra loro ed
a terra tramite un unico cavo sottomarino (Figure 14 - 15).
Figura 14 . Sistema Pelamis – serpente di mare
Premessa
Figura 15 .
Un'altra possibilità è l'impiego dell'energia delle correnti marine, con sistemi simili agli impianti eolici. La principale differenza è nella struttura delle eliche a causa della densità molto maggiore
dell'acqua rispetto all'aria e di una velocità mediamente più bassa (Figura 16).
Nello stretto di
Messina è collocato un impianto sperimentale di questo tipo (figura 17).
Figura 16 .
Figura 17
Premessa
La produzione di energia dal mare è possibile anche sfruttando la differenza di temperatura tra il
fondo e la superficie. Una macchina termica può sfruttare la differenza di temperatura per ottenere
energia meccanica e da questa quella elettrica. Il rendimento di questi sistemi è basso, ciononostante, poiché la quantità di energia termica accumulata nell'oceano è elevata, è comunque possibile ottenere enormi quantità di elettricità. Esistono impianti di questo tipo in India e nelle isole
Hawaii.
Biomasse
Le fonti di energia da biomassa sono costituite dalle sostanze di origine animale e vegetale, non
fossili, che possono essere usate come combustibili per la produzione di energia. Alcune fonti come
la legna non necessitano di subire trattamenti; altre come gli scarti vegetali o i rifiuti urbani devono
essere processate in un digestore. La biomassa, abbreviazione di "massa biologica", indica qualsiasi
sostanza organica, sia vivente che morta, derivata direttamente o indirettamente dalla fotosintesi.
La biomassa può essere usata per produrre energia (bio-energia), direttamente come combustibile
o convertita in altri tipi di combustibile, elettricità e/o calore grazie a processi termo-chimici e biochimici. Le biomasse sono:




Tutti i prodotti delle coltivazioni agricole e della forestazione
Residui delle lavorazioni agricole e scarti dell'industria alimentare
Le alghe
Tutti i prodotti organici derivanti dall'attività biologica animale
La produzione lorda di energia elettrica alla fine del 2004, in Italia, è stata di 5637,2 GWh, prodotta
da 267 impianti (compresi gli impianti che producono energia dai rifiuti). Nei Paesi industrializzati le
le biomasse rappresentano solo 3,2% del totale dei consumi energetici finali, mentre costituiscono
il 35% nei paesi in via di sviluppo.
Figura 18.Energia prodotta da biomassa
Energia nucleare
In seguito all'incidente nucleare di Chernobyl e al referendum del 1987, l'Italia ha interrotto l'attività delle proprie centrali nucleari di potenza. Attualmente esse sono in fase di chiusura definitiva e
smantellamento. Malgrado ciò la popolazione italiana è a rischio di incidenti nucleari data la presenza di impianti nucleari posti in territorio estero. Infatti esistono ben 13 centrali nucleari di potenza
ubicati a meno di 200 Km dal confine nazionale. Tali centrali sono in Francia, Svizzera, Germania e
Slovenia. L'Italia è dotata di una rete nazionale automatica di allarme, la rete REMRAD e di una
rete complementare, rete GAMMA, avviate negli anni '80 e ristrutturate nel corso degli anni '90, enPremessa
trambe gestite dall'Agenzia per la Protezione dell'Ambiente e per i servizi Tecnici (APAT) in collaborazione con il Corpo Nazionale dei Vigili del Fuoco (figura 19).
Figura 19
La catastrofe di Fukushima del marzo 2011 ha probabilmente messo in discussione l'intero programma nucleare mondiale.
Figura 20. Il reattore danneggiato e la diffusione della radioattività
Premessa
Energia Idraulica
L'energia idraulica, utilizzata dall'uomo da oltre quaranta secoli e divenuta energia idroelettrica da
poco più di un secolo. L'energia potenziale è rappresentata dal volume idrico accumulato a quota
elevata, generalmente in laghi artificiali o vasche di carico, che muovendosi a valle entro condotte
forzate viene convertita in energia elettrica. Pertanto un impianto idroelettrico è costituito da : un
sistema di raccolta dell'acqua di forma e di dimensioni adatte alla natura del terreno e al letto del
corso d'acqua; una condotta forzata di convogliamento e adduzione dell'acqua; una turbina, che
trasforma l'energia potenziale dell'acqua in energia meccanica ed, infine, un alternatore o generatore, che converte in energia elettrica l'energia meccanica della turbina (Figura 21). Poiché una
volta utilizzata l'acqua
non subisce nessuna trasformazione nelle caratteristiche chimico-fisiche,
viene restituita al suo corso naturale.
Figura 21
La macchina caratteristica di un impianto idroelettrico e' la turbina, evoluzione delle pale dei mulini
di un tempo, costruiti sulle rive del fiume, che usavano l'acqua come forza motrice per le macine.
Le grandezze che determinano e definiscono l’impianto sono principalmente il salto utile e la portata. Il salto utile e' il dislivello misurato in metri tra la quota di superficie libera dell'acqua e quella
dello scarico. La portata e' il volume, misurato in metri cubi, d'acqua che transita attraverso una
sezione nel tempo di un secondo.
Figura 22. La turbina
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
Premessa
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 ciò 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 (Figura 23) .
Figura 23. Turbine Pelton
Per i salti inferiori, tra i 5 m e i 200 m, si usano turbine a reazione del tipo 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 correttamente 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 (Figura
24).
Figura 24. Turbine Francis
Le turbine Kaplan, per sistemi con alte portate e salti tra 2 m e 20 m, hanno la girante molto simile all'elica di un motore marino. La Kaplan può considerarsi una estremizzazione della turbina Francis, della quale conserva molte similitudini per l'organo di immissione dell'acqua (Figura 25).
Premessa
Figura 25. Turbine Kaplan
In Italia lo sviluppo della produzione idroelettrica probabilmente ha già 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. Pertanto il
macchinario richiesto deve avere un buon rendimento
per portate ridotte e non costanti e salti geodetici limitati. I modelli standard di turbine normalmente
prodotti sono caratterizzati da portate fino a i 1012000 litri/s, con salti idraulici da 2m a 200 m, mentre la potenza unitaria massima normalmente
non supera i 2000 kW.
Le turbine CROSS-FLOW (a flussi incrociati) sono la moderna realizzazione della classica turbina
Banki. Nella Figura 18 sono indicati i flussi dell’acqua e la geometria della turbina nei due casi di
immissione verticale o orizzontale. L’azione dell’acqua è tale da espellere dal rotore gli eventuali
corpi estranei trascinati dall’acqua (foglie, ghiaccio, piccole pietre, ...) rendendo così il rotore autopulente, evitando ostruzioni nei condotti, e diradando le periodiche fermate per manutenzione.
La cross-flow è una turbina “ad azione” a due stadi. L’acqua entra nella turbina grazie ad un sistema di distribuzione e finisce in un primo stadio della ruota palettata che funziona quasi totalmente
sommersa. Successivamente il flusso d’acqua, una volta abbandonato il primo stadio, cambia direzione e finisce nel secondo stadio della turbina il quale è totalmente “ad azione”. La ruota della turbina è costruita da dischi paralleli tra i quali si montano le pale costituite da alette in lamiera semplicemente piegate. La forma della ruota ricorda quella di un sistema di ventilazione tangenziale.La
Figura 26 illustra i principali elementi costitutivi della turbina. L’immissione dell’acqua nel rotore
avviene radialmente mediante due compartimenti, normalmente l’uno di dimensioni doppie
dell’altro.
Premessa
Figura 26. Geometria della turbina cross-flow nei casi di immissione orizzontale o verticale
Grazie a questo doppio ingresso, si potrà immettere una maggiore o minore portata, a seconda delle necessità o disponibilità, agendo sul maggiore, sul minore o su entrambi gli ingressi. Il sistema di
regolazione della turbina e’ quindi molto semplice e compatto, ma nel contempo particolarmente
flessibile ed efficiente.
Figura 27
Infatti, come si rileva dalla Figura 28, il rendimento ottenibile e’ superiore all’ 80% anche con variazioni della portata dal 20% al 100% di quella nominale. A titolo di confronto si osservi che il rendimento di una turbina Francis,
riportato a tratteggio nello stesso grafico, decresce sensibilmente al diminuire della portata, diminuendo in maniera sostanziale la producibilità nell’arco di funzionamento.
I materiali utilizzati, acciai al carbonio ed inossidabili della migliore qualità, speciali vernici protettive e una raffinata finitura meccanica, garantiscono per lunghi anni un
tranquillo e produttivo funzionamento dell’impianto.
Figura 28
Nel campo delle micro e mini centrali idroelettriche l’uso di nuove tecniche di progettazione, di
nuovi materiali sintetici e di tecnologie elettroniche ha consentito realizzare diverse tipologie di
macchinario standardizzato (le cui caratteristiche salienti quali: costruzione robusta, pesi ridotti,
Premessa
minimo numero di componenti, geometrie semplificate, minime necessità di manutenzione, facile
sostituzione di componenti di serie, funzionamento non presidiato), utilizzato per impianti asserviti
ad acquedotti (Figura 29).
Figura 29. Recupero energetico negli acquedotti
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 può
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.
Figura 30. Schema di impianto idroelettrico
Dall'alternatore, l'energia elettrica che, per problemi di isolamento, nasce con una tensione di
5.000 V, viene trasferita mediante cavi di rame opportunamente dimensionate ad un'altra apparecchiatura, il trasformatore. Compito del trasformatore e' di innalzare il valore della tensione da
5.000 V a 150.000 V, purché più e' alta la tensione più è ridotta la sezione del cavo di trasporto.
Nel 2004, in Italia, la produzione lorda di energia elettrica da questa fonte è stata pari a 42.744,4
GWh fornita da 2021 impianti.
Premessa
Gli impianti idroelettrici sul fiume Vomano
Il fiume Vomano nasce dalle pendici settentrionali del Gran Sasso d’Italia e, dopo un corso relativamente breve, si versa nel mare Adriatico presso Roseto. Il serbatoio di testa del sistema di impianti idroelettrici del Gruppo Vomano è stato ottenuto ripristinando artificialmente con tre sbarramenti l’antico lago di Campotosto, di cui era rimasta traccia sotto forma di conca palustre: la diga
di Rio Fucino (Figura 31), la diga di Sella Pedicate (Figura 32) e la diga di Poggio Cancelli (Figura
33).La capacità di questo serbatoio, quota max 1317,50 m s.m., è di 217 milioni di m3, equivalenti
a 547 milioni di kWh. Il bacino imbrifero scolante nel lago di Campotosto viene notevolmente esteso mediante due canali collettori di gronda sui versanti orientale ed occidentale dei monti della Laga.
Figura 31. Diga di Rio Fucino
Figura 32 Diga di Sella Pedicate
Premessa
Figura 33. Diga di Poggio Cancelli
Dal serbatoio di Campotosto parte la galleria forzata che alimenta la Centrale di Provvidenza situata
alla quota di 1.030 m s.m.. In questa Centrale sono installati due gruppi turbina-alternatore-pompa
da 51.800 kW ed un terzo della potenza di 52.200 kW.La galleria di scarico è in pressione e sbocca
nel serbatoio di Provvidenza, ottenuto sbarrando il fiume Vomano mediante una diga ad arco. Dal
serbatoio di Provvidenza parte una galleria lunga 14,3 km che raccoglie lungo il suo percorso le acque di alcuni torrenti, che scendono dalle pendici del Gran Sasso, e immette nel pozzo forzato della
grande Centrale di San Giacomo. La Centrale di San Giacomo, come quella di Provvidenza, è sotterranea e vi si accede con una galleria di circa due chilometri di lunghezza.
Premessa
Figura 34. Planimetria degli impianti idroelettrici del Vomano
Il macchinario comprende tre gruppi da 73.600 kW ciascuno equipaggiato con due turbine Pelton
affiancate all’alternatore. Alle acque convogliate dalla galleria di derivazione si uniscono quelle raccolte da un canale di gronda, pure in galleria, che si sviluppa a sud-est del Gran Sasso, conservando una quota superiore a quella massima dell’acqua del serbatoio di Provvidenza.
Quando la Centrale di San Giacomo è ferma le acque raccolte dalle gallerie collettrici anzidette raggiungono il serbatoio di Provvidenza e possono essere sollevate nel lago di Campotosto
a costituire riserva di energia mediante le pompe da 51.800 e da 52.200 kW della centrale di Provvidenza. Gli impianti di Provvidenza e di San Giacomo fanno servizio di produzione utilizzando
l’acqua accumulata naturalmente e mediante il pompaggio di Provvidenza nel lago di Campotosto.
Le acque di scarico di San Giacomo insieme a quelle raccolte da altri due canali di gronda a quota
400 vengono utilizzate nella Centrale di Montorio, su un salto di 257,70 metri e con una producibilità di 253,43 milioni di kW. La potenza installata è di 120.920 kW.
Figura 35. Schema degli impianti idroelettrici del Vomano
Premessa
Impianto idroelettrico di Provvidenza
Dal serbatoio di Campotosto parte una galleria forzata che alimenta la Centrale di Provvidenza,
lunga m 1.100 e del diametro di m 4,50, che termina al pozzo piezometrico del diametro di m 8,00
con strozzatura, cui segue la condotta scavata in pozzo verticale, rivestita in lamiera. Il salto medio
è di m 255. La portata massima m3/s 61,8.
Nella centrale in caverna sono installati due gruppi composti di una turbina Francis, con alternatore-motore e una pompa a due stadi della potenza di 51.800 kW cadauno, e due trasformatori
15/230 kV . La producibilità è di 75,8 milioni di kWh. Le pompe, all’epoca della costruzione le più
grandi esistenti, possono sollevare m3/s 16-12,4 con una prevalenza da metri 240 a 286.
Gruppo pompa
È di più recente attuazione l’installazione di una terza unità ad asse verticale da 52.200 kW, equipaggiata con turbina-pompa reversibile di progettazione Allis Chalmers (U.S.A.), la prima in Europa
di tale potenza.
La galleria di scarico lunga m 673 e del diametro di m 4,50 funziona tanto per lo scarico delle turbine quanto per l’alimentazione delle pompe, e sbocca nel serbatoio di compenso di Provvidenza
della capacità utile di 1.690.000 m3, ottenuto sbarrando il fiume Vomano mediante una diga ad arco alta m 51,00.
La quota sala macchine trovasi a 30 metri sotto la quota d’invaso massimo di questo serbatoio.
Caratteristiche principali dell’impianto
Centrale
Salto
Portata
Potenza
medio
massima
installata
Producibilità
Producibilità
da pompaggio
m
m3/sec
Provvidenza
255,00
61,8
155.800
75,80
145
S. Giacomo
655,00
105,5
559.080
352,10
131
257,70
54
120.920
253,43
1.400
2,42
Montorio
Piaganini
Totale
101,50
1,45
kW
837.200
GWh
683,75
GWh
276
Premessa
Capacità di invaso utile dei serbatoi
Campotosto
Provvidenza
Piaganini
217.000.000 m3
1.690.000 m3
950.000
m3
Centrale di Piaganini - Condotta forzata e tubo ponte
Nei successivi capitoli sono raccolti esempi .
Questi, tenuto conto delle necessarie semplificazioni, possono essere comunque utili sia
per un supporto applicativo della parte teorica, sia per seguire tracce o per promemoria
progettuali. Tutte le elaborazioni sono state eseguite con Excel di Windows che si è dimostrato un buono strumento di simulazione e di calcolo.
Premessa