L’acqua come fonte di energia per l’industria
Cos’è l’energia idroelettrica e come funziona?
La principale fonte di energia rinnovabile per produrre energia elettrica in Italia proviene dall’idroelettrico. L’energia idroelettrica è rinnovabile, cioè può considerarsi inesauribile finché esiste il ciclo dell’acqua. Le due caratteristiche principali dell’idroelettrico, infatti, sono:
- il ciclo dell’acqua: l’acqua evapora dagli oceani grazie al calore dei raggi solari. Il vapore acqueo salito in cielo condensa per le basse temperature, dando forma alle nuvole. Raggiunto un certo peso, le gocce d’acqua racchiuse nelle nuove precipitano sulla Terra sotto forma di pioggia, grandine o neve, che danno vita a fiumi e torrenti o cadono nei mari e negli oceani;
- la forza di gravità, che guida l’acqua dei fiumi a scorrere verso il mare e in parte anche quella dei laghi. Anche i ghiacciai sciogliendosi formano acqua che scorre verso il mare o gli oceani, alimentando il ciclo dell’acqua. Tutte le masse d’acqua che si trovano in alta quota sono dotate di una notevole quantità di energia potenziale gravitazionale.
La componente più importante di un impianto idroelettrico è senza dubbio la turbina idroelettrica, che trasforma l’energia cinetica dell’acqua in energia meccanica; quest’ultima mette in moto l’alternatore trasformandola in energia elettrica che, mediante il trasformatore, aumenta la sua intensità per essere immessa nella rete.
A seconda della portata d’acqua e del dislivello, si distinguono tre tipi di turbine idrauliche:
- turbina Pelton: è la turbina ad azione con rendimento più elevato, cioè riesce a convertire totalmente l’energia potenziale dell’acqua in energia cinetica. Funziona come la ruota idraulica dei vecchi mulini, ma molto più efficiente: l’acqua viene convogliata in una condotta che la invia ad un ugello, il quale fa aumentare la velocità del getto d’acqua che colpisce le pale della girante. Viene utilizzata per grandi salti, da 300 a 1400 metri, e per piccole portate d’acqua, inferiori a 50 metri cubi al secondo, in modo da raggiungere velocità più elevate. Può generare una potenza fino a 200MW.
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turbina Francis: è il tipo di turbina idraulica più utilizzata. Viene definita a reazione, perché oltre alla velocità dell’acqua sfrutta anche la sua pressione, ed è a flusso centripeto, perché l’acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola e investe le sue pale grazie ad un distributore che direziona il flusso d’acqua muovendosi assialmente.
Viene utilizzata per dislivelli medi, da 10 a 300-400 metri, e portate d’acqua da 2 a 100 metri cubi al secondo. Può generare fino a 800MW. -
turbina Kaplan: è una turbina a reazione a flusso assiale. Funziona come l’elica di una nave: il flusso d’acqua che fa girare le pale della girante si muove assialmente rispetto all’asse di rotazione della girante. La sua particolarità è la possibilità di regolare l’angolo di incidenza delle pale: ciò fornisce un rendimento ottimo per i piccoli dislivelli e per grosse variazioni del carico.
Viene utilizzata per dislivelli minimi, da 2 a qualche decina di metri, e grandi portate d’acqua, superiori a 200-300 m³/s. Può generare fino a 400MW.
Come sfruttare l’energia idroelettrica?
L’idroelettrico comprende diverse applicazioni che sfruttano le tecnologie delle turbine idrauliche sia per il proprio autoconsumo sia per la vendita stessa dell’energia. Queste comprendono:
- corsi d’acqua naturali;
- canali di irrigazione;
- condotte forzate di acquedotti (per uso potabile o industriale);
- scarichi di acque reflue industriali o di depuratori.
In particolare, le centrali idroelettriche consentono la bonifica di zone paludose e riducono il rischio di inondazioni grazie al contenimento dei corsi d’acqua per mezzo di dighe artificiali. In questo modo, possono controllare con precisione la quantità di acqua che viene rilasciata.
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Grazie alle centrali idroelettriche, inoltre, è possibile fare rifornimento d’acqua in vista di periodi di siccità. I bacini di accumulo possono fungere da riserve idriche che permettono l’irrigazione dei campi anche quando c’è scarsa disponibilità d’acqua.
Le centrali idroelettriche si distinguono in tre tipologie:
- ad acqua fluente: sfruttano la portata naturale, quella disponibile, dei corsi d’acqua e per questo, la produzione di energia elettrica non è costante, ma dipende dalla stagionalità e dalle condizioni metereologiche. Vengono installate in prossimità di fiumi o torrenti per canalizzare l’acqua verso un bacino di carico con un sistema di condotte (non forzate) e fatta defluire verso un canale di restituzione posizionato più in basso che la reimmette nel fiume o nel torrente. Nel mezzo di questo tragitto, l’acqua attraversa le pale della turbina idroelettrica producendo energia elettrica. In questo modo, si produce energia elettrica senza alcuno spreco d’acqua.
- a bacino: funzionano come quelle ad acqua fluente, con la differenza che l’acqua proviene non da un fiume o da un torrente, ma da un invaso, cioè un lago naturale o una diga artificiale che fungono da serbatoio. In questo caso, l’acqua attraversa delle condotte forzate per raggiungere la turbina idraulica.
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a pompaggio: sono formate da due bacini posti in diversi livelli, in cui l’acqua può scendere mediante una condotta forzata dal bacino superiore o può essere pompata da quello inferiore usando l’energia elettrica. Quando si riduce la domanda di energia elettrica, come durante la notte, si usa l’energia in eccesso per riportare l’acqua nel bacino superiore, garantendo così la stabilità della rete elettrica.
Questo meccanismo consente di produrre energia elettrica in poco tempo. La velocità con cui si produce elettricità è infatti uno dei vantaggi maggiori delle centrali idroelettriche.
Vantaggi e svantaggi dell’energia idroelettrica
L’energia idroelettrica è considerata l’energia del futuro. E’ una delle fonti più pulite per l’approvvigionamento di energia, con un tasso di rinnovabilità potenzialmente infinito.
I suoi vantaggi principali sono:
- emissioni zero CO2: è un’energia completamente pulita che non inquina l’ambiente;
- rendimento pari o superiore al 90%, grazie alle turbine idrauliche: ciò vuol dire che quasi tutta l’energia potenziale dell’acqua diventa energia elettrica;
- flessibilità: permettono di variare velocemente la produzione di energia elettrica in base alla quantità di acqua che si fa arrivare alla turbina, consentendo un rapido ripristino di equilibrio della rete qualora ce ne fosse la necessità, in un tempo dell’ordine di qualche minuto;
- costi minimi di manutenzione e di funzionamento.
Tuttavia, ci sono anche degli svantaggi:
- alto investimento iniziale, poiché oltre al costo delle turbine idrauliche, dei generatori, dei quadri elettrici e dei sistemi di controllo, si devono effettuare diverse opere civili e idrauliche, come dighe con sbarramenti, condotte forzate, l’edificio della centrale, ecc;
- dipendenza dal meteo, in quanto le centrali idroelettriche sono molto sensibili ai cambiamenti climatici e ad eventuali periodi di siccità;
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mutamenti degli ecosistemi: la costruzione di dighe e di condotte forzate non solo potrebbe provare fenomeni di erosione costiera, ma può anche alterare la flora e la fauna.
I salmoni, per esempio, non riescono a depositare le uova durante la migrazione, anche se alcune tecnologie come la scala a monta riescono ad aiutarle ad attraversare le dighe.
Infine, le centrali idroelettriche possono danneggiare gli alvei per carenza di ossigeno nell’acqua, alterando l’equilibrio chimico degli ecosistemi ivi presenti.
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