Energia idroelettrica: dal corso d`acqua all`energia elettrica

Finozzi Andrea 5BM
Energia idroelettrica:
dal corso d’acqua all’energia
elettrica
Studio di fattibilità di un impianto di micro-idroelettrico ad acqua fluente e delle
opere di costruzione necessarie per sfruttare l’energia di un canale.
Componenti del gruppo di progetto: Finozzi Andrea, Locallo Luca, Mioni Davide,
Spanevello Enrico
Sezione: studio opere di presa e impianto (Finozzi Andrea)
Sommario
1234-
Premessa sugli impianti idroelettrici
L’idea di sfruttare il canale
Le strutture necessarie
Inquadramento e descrizione dell’area di studio
5- ANALISI DI FATTIBILITA’ E ANALISI ECONOMICA
a. Stima delle potenzialità idriche del canale
b. Andamento delle portate mensili e diagramma di durata delle portate
c. Specifiche sulle portata
d. Stima delle potenze generali
e. Ricavo ipotetico lordo annuo
6- DESCRIZIONE DELL’IMPIANTO E DIMENSIONAMENTO DELLE OPERE DI PRESA
a. Dati tecnici riassuntivi
b. Notazioni sui dimensionamenti
c. Portate
d. Bocca d’entrata
e. Sfioratore
f. Sgrigliatore a pettine
g. Turbina, moltiplicatore, generatore
h. Precisazioni su opere di presa, centrale di produzione e opere di risalita
fauna ittica
i. Schema centrale
7- CONCLUSIONI
a. Importanza dell’impianto
b. Crescita della richiesta energetica futura
c. Conclusione: fonti rinnovabili e futuro
Premessa
Gli impianti idroelettrici producono elettricità sfruttando l’energia cinetica dell’acqua che scorre
verso valle, ovvero da un punto a quota più elevata a un punto a quota inferiore. Le turbine
idrauliche utilizzano l’energia potenziale posseduta da una massa d’acqua tra un dislivello, detto
salto, esistente tra le due sezioni di pelo libero superiore (a monte) ed inferiore (a valle).
Abbiamo deciso di analizzare un corso d’acqua presente nel nostro territorio (la Roggia Maestra) e
di costruire un ipotetico progetto di un impianto di mini-idroelettrico.
L’idea di sfruttare il canale
L’idea di costruire un ipotetico progetto su questo canale ci è venuta dopo aver saputo che nel
medesimo luogo in passato era presente un opificio che utilizzava l’acqua per uso forza motrice
(da quello che sappiamo era usata per macinare il grano). Notando la presenza di un dislivello
utilizzabile come salto, abbiamo ipotizzato la costruzione di un micro-impianto idroelettrico per
ricavare energia.
Strutture necessarie
Lo sfruttamento dell’energia idraulica disponibile sul canale Roggia Maestra è possibile tramite la
costruzione, la posa e l’esercizio di una centralina idroelettrica; i macchinari in essa contenuti
permettono la trasformazione del lavoro generabile dalla forza dell’acqua in energia elettrica.
Questa viene poi ceduta alla rete nazionale. Per far ciò è necessario costruire un canale di
captazione dell’acqua, un edificio per alloggiare la turbina ed il generatore elettrico, ed un canale
per la restituzione dell’acqua alla roggia stessa.
Inquadramento e descrizione dell’area di studio
L’ubicazione dell’ipotetico impianto è situata nel comune di Schio (prov. Vicenza) al confine con il
comune di Marano. Il corso d’acqua oggetto di utilizzo è la Roggia Maestra. Dall’esame delle
cartine IGM in scala 1:25000 si può notare che questa ha origine nel comune di Torrebelvicino per
mezzo della derivazione da parte del Consorzio di Bonifica Medio-Astico Bacchiglione sul torrente
Leogra.
Analisi di fattibilita’
E analisi ECONOMICA
a.
b.
c.
d.
e.
Stima delle potenzialità idriche del canale
Andamento delle portate mensili e diagramma di durata delle portate
Precisazioni sulle portate
Stima delle potenze generate
Ricavo ipotetico lordo annuo
Stima delle potenzialità idriche
Da una campagna di rilevazione delle portate, si possono determinare i valori medi mensili di
queste ultime come riportato nella tabella e nei diagrammi seguenti.
Mese
Qmedia
litri/sec
Durata
giorni
Pmedia
KW
Energia
KWh
GEN
350
31
11
8382
FEB
400
28
13
8653
MAR
800
31
26
19159
APR
1500
30
64
46354
MAG
1500
31
48
35924
GIU
800
30
26
18541
Andamento delle portate mensili e diagramma di durata delle portate
Precisazioni sulle portate
Possiamo osservare che non sono presenti valori di secca del canale (se non per eventuale
manutenzione dello stesso) al di sotto dei quali viene fermato l’impianto: la portata minima della
turbina è stimata attorno ai 300 l/s a cui corrisponde una potenza generata di circa 9-10 kW.
Abbiamo stimato i carichi passivi per sistemi di potenza, servizi, illuminazione, ecc . in massimo 4
kW.
Nel caso le portate, a fronte di eventi molto siccitosi, si riducano a tal punto da portare la
disponibilità idrica utilizzabile per scopo idroelettrico sotto il minimo di sostentamento, riteniamo
necessario staccare l’impianto.
Le misurazioni sulle portate della Roggia che siamo riusciti ad ottenere (effettuate su più anni)
danno comunque valori minimi superiori a 300 l/s cosicché si ha comunque un margine positivo di
potenza cedibile in rete.
Il caso di stato di secca e quindi fermo macchina risulta limitato a pochi giorni per la manutenzione
della Roggia.
Stima delle potenze generate
Abbiamo ricavato le potenze generate in base a fasce di portata:
Stato di:
SECCA
portata insufficiente Q < 200 l/s
Stato di:
MAGRA
portata limitata Q = 300 l/s PGEN = 9,1 kW
Stato di:
FLUSSO BASSO
portata modesta Q = 600 l/s PGEN = 18,3 kW
Stato di:
FLUSSO MEDIO
portata discreta Q = 800 l/s PGEN = 24,4 kW
Stato di:
FLUSSO ELEVATO
portata buona Q = 1500 l/s PGEN = 45,7 kW
Stato di:
PIENA
portata massima Q > 2000 l/s
PGEN = 60,9 kW
I valori della potenza ai morsetti del generatore asincrono sono da considerare netti in quanto
abbiamo imposto un rendimento del sistema turbina-generatore
ŋ = 0.84
Ricavo ipotetico lordo annuo
Non ci soffermiamo su quanto potrebbe rendere un impianto simile ma per avere un idea
generale:
Il prezzo a cui la rete nazionale acquista la corrente dai privati è di 0.22 euro/kWh (dato variabile).
Il ricavo lordo annuo sarebbe di
0.22*248600=54.692 euro
Ovviamente poi si deve tener conto dell’ammortamento del costo dell’impianto e del costo di
manutenzione annuo.
DESCRIZIONE DELL’IMPIANTO E
DIMENSIONAMENTO DELLE OPERE
DI PRESA
a.
b.
c.
d.
e.
f.
g.
h.
i.
Dati tecnici riassuntivi
Notazioni sui dimensionamenti
Portate
Bocca d’entrata
Sfioratore
Sgrigliatore a pettine
Turbina, moltiplicatore, generatore
Precisazioni su opere di presa, centrale di produzione e opere di risalita fauna ittica
Schema centrale
Dati tecnici riassuntivi
La portata massima della Roggia è stata quantificata in 4000 l/s e quella media in 1500 l/s.
Come regime di funzionamento della turbina abbiamo deciso di utilizzare una portata massima
pari a 2000 l/s e portata media di 825 l/s.
Evitiamo di dimensionare il generatore per la massima potenza della turbina e di limitarlo a 60 kW;
taglie superiori oltre ad avere maggior costo, sarebbero soggette a penalizzazione sul rendimento
ai bassi carichi riscontrabili in diversi mesi dell’anno.
Salto netto (differenza di livello tra i due peli morti dei canali): 3,7 m
Portata massima: 2000 l/s
Portata media annuale: 1500 l/s
Potenza nominale: 60 kW
Potenza massima istallata: 65 kW
Producibilità media annua: 250*10^3 kWh
Notazioni sui dimensionamenti
Viene prevista la realizzazione di un’opera di presa costituita da manufatti in cemento armato per
la raccolta e canalizzazione del flusso. Nella stessa struttura vengono predisposti la bocca di presa,
dotata di griglia primaria in ferro zincato a maglie larghe e paratoia; bacino di calma con sfioratore
e sgrigliatore meccanico.
Vengono utilizzate le seguenti notazione nel dimensionamento:
Qmturbina
portata minima turbina
QMturbina
portata massima turbina
QMAX
portata massima in ingresso alla bocca di presa
QMAX sfior
portata massima evacuata dallo sfioratore
VMAX
velocita massima del flusso d’acqua sulla traversa e in entrata
Sbocca
sezione della bocca d’entrata
Lsfior
larghezza sfioratore
Hsfior
livello nominale acqua sopra quota sfioratore
HMAX sfior
livello massimo acqua sopra quota sfioratore
Portate
Le portate minime e massime dell’acqua derivata sono state determinate in base al deflusso del
canale stesso rilevato nell’arco di due anni, per mezzo di misurazioni settimanali; a fronte di un
range medio disponibile compreso tra 400 l/s e 2000 l/s, abbiamo imposto i valori di Qmturbina= 300
l/s e QMturbina= 2000 l/s per la quantità prelevata ai fini dell’uso come forza motrice. Con l’ausilio
dei dispositivi automatici istallati sia nell’opera di presa che in centrale, atti al controllo delle
portate, viene garantito un adeguato controllo dei prelievi.
Bocca d’entrata
La bocca d’entrata di forma rettangolare viene dotata di paratoia meccanica integrata da una
griglia di protezione in acciaio; determiniamo il flusso permesso attraverso la bocca con griglia che
deve essere pari o superiore alla massima portata di QMturbina= 2000 l/s dell’impianto.
Con: dimensioni bocca L=2 [m] * H=1,8 [m], griglia in traversi quasi ortogonali al flusso ( α=78°) in
acciaio inox, spessore a=15 [mm] distanza di 50 [mm], superficie Sbocca= 3,6 [m2] e velocità
massima dell’acqua vMAX = 1 [m/s] , si ottiene la portata alla bocca di
QMAX = 2 [m3/s], come richiesto per QMturbina
Abbiamo considerato un coefficiente di intasamento k=0.6
Sfioratore
Lo sfioratore presente a monte della bocca d’entrata è costruito come stramazzo in parete grossa,
con larghezza Lsfior = 8,50 m e Hsfior = 0,5 m;
dalla Q = m*(L*H)*(2gH)1/2 si rileva la portata massima evacuata QMAXsfior = 5,59 m3/s superiore
alla quantità d’acqua in ingresso nel canale con ogni regime idrico massimo.
In caso di arresto della turbina è garantito lo smaltimento dell’intera portata attraverso lo
sfioratore stesso.
Sgrigliatore a pettine
Prima dell’ingresso alla bocca d’entrata di forma rettangolare, viene predisposta sia una paratoia
meccanica per isolare la camera di carico, sia una griglia di protezione in acciaio a maglie larghe
con dispositivo automatico a pettine per la pulizia; determiniamo il flusso permesso attraverso la
bocca con griglia che deve essere superiore alla massima portata di QMturbina = 2 m3/s
dell’impianto.
Con: dimensioni bocca L = 2 m * H = 1,8 m, griglia in traversi inclinati di α=78° rispetto al flusso in
acciaio inox, spessore 15 mm e distanza 50 mm, superficie bocca Sbocca = 3,6 m2 e velocità massima
dell’acqua in entrata vMAX = 1 m/s, si ottiene la portata alla bocca di QMAX = 2 m3/s in linea con
quanto richiesto per QMturbina
Abbiamo considerato un coefficiente di intasamento k = 0.6
Turbina,moltiplicatore, generatore
Considerato il salto disponibile di 3,7 m e il range di portata del canale da 300 l/s a 2000 l/s la
scelta della turbina da impiegare risulta obbligata verso una kaplan con pale regolabili ad asse
verticale in grado di fornire rendimenti ottimizzabili in tutto l’arco di funzionamento; tale
macchina viene dimensionata per operare con portata nominale a 1600 l/s e portata massima di
2000 l/s.
Abbiamo stimato la massima potenza meccanica ottenibile dalla turbina in Pmecc = 65 kW.
Sull’albero della turbina viene istallato un moltiplicatore di giri per portare a rotazione di 1500
giri/min il generatore a partire dai 250 giri/min (in prima approssimazione) della stessa.
Il moltiplicatore viene dimensionato per sopportare la coppia meccanica dell’albero lento della
turbina, per servizio continuo e dotato di tutti i sistemi di raffreddamento dell’olio.
Dopo il moltiplicatore viene disposto sull’albero veloce un generatore asincrono trifase
direttamente a 400 V.
La massima potenza elettrica del generatore si stima in Pgen = 60 kW.
Abbiamo considerato un rendimento prudenziale di tutto il sistema turbina - generatore di 0,84.
Rendimento della Kaplan (0,80 nominale), quello del moltiplicatore (3/4 di carico, 0.80) e quello
del generatore (3/4 di carico, 0.94) ovviamente nei casi peggiori.
Precisazioni su opere di presa, centrale di produzione e opere di risalita fauna
ittica
Opere di presa: bisogna predisporre paratoie meccaniche automatiche per la regolazione dei flussi
nonché sistemi di arresto e raccolta dei detriti, del fogliame e dei rifiuti trasportati dalla Roggia.
Bisogna poi smaltirli con contenitori opportuni, secondo norma di legge.
Centrale di produzione: L’edificio che contiene turbina e generatore deve essere provvisto di
pannelli per isolamento acustico. Il perimetro del lotto deve essere recintato per ovvie questioni di
difesa da intrusioni esterne. I dispositivi elettronici di controllo turbina e generatore vanno
alloggiati in armadi. Servomotori idraulici con relativa centralina permettono le manovre di
potenza sulla macchina.
Opere di difesa e risalita fauna ittica: bisogna progettare uno scivolo a gradoni per lo
smorzamento della velocità dell’acqua in scarico dallo sfioratore che può essere sfruttato dalla
fauna ittica per la risalita. In aggiunta, la presenza di griglie a maglie strette poste immediatamente
a monte dell’imbocco del bacino di raccolta, garantiscono in ogni caso una valida sicurezza per la
salvaguardia dei pesci nonché una zona favorevole al ripopolamento della fauna ittica.
Schema della centrale
CONCLUSIONI
a. Importanza dell’impianto
b. Crescita della richiesta energetica futura
c. Conclusione: fonti rinnovabili e futuro
Importanza dell’impianto
Riteniamo importante notare come anche un impianto di così ridotte dimensioni possa essere
sfruttato e utilizzato per contribuire a soddisfare in piccola parte il fabbisogno energetico in
costante crescita del mondo. Considerando la notevole importanza della componente “impatto
ambientale” dello sfruttamento dell’energia, anche se l’idroelettrico non è una fonte molto
efficiente in rapporto al costo di costruzione degli impianti, esso diviene una valida alternativa.
Di seguito riportiamo un grafico che rappresenta la richiesta d’energia prevista nei vari anni futuri.
Crescita della richiesta energetica futura
Conclusioni: fonti rinnovabili e futuro
I combustibili fossili e l’uranio sono presenti in quantità finita sulla terra. Le riserve, pur ancora abbondanti
e in parte sconosciute, si stanno assottigliando a causa del continuo prelievo.
Le fonti rinnovabili sono praticamente inesauribili ma è improbabile che possano eguagliare le capacità
prestazionali offerte dai combustibili fossili e dall’uranio e mantenere il consumo a livelli paragonabili a
quelli attuali considerando che, oltre ciò che percepiamo tramite le bollette, qualsiasi oggetto artificiale è la
definitiva “tomba” di una certa quantità (a volte molto grande) di petrolio, carbone, gas o elettricità.
Si evidenzia quindi l’estrema criticità delle disponibilità di energia primaria non rinnovabile. Per noi, per i
nostri figli e per le generazioni future. Se le fonti di energia che conosciamo e usiamo fossero talmente
abbondanti da poter essere prelevate in quantità e per tempi indefiniti, potremmo limitarci a controllare le
conseguenze del loro impiego sull’ambiente. La realtà è così diversa e grave che non possiamo immaginare
sia irrilevante la quantità di energia prelevata e consumata in via definitiva.
La sfida vera che l’uomo ha di fronte non si ferma quindi alla “compatibilità ambientale” ma si colloca al
livello più alto della “compatibilità energetica”.
Ridurre l’estrazione e l’impiego dei combustibili fossili, sviluppare quanto più possibile tutte le fonti
energetiche rinnovabili e procedere alla graduale ma decisa riduzione del consumo di energia, iniziando
forse la più difficile delle transizioni verso il superamento della civiltà dei consumi.