L’energia idroelettrica è una fonte di energia alternativa e rinnovabile, che sfrutta la trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale, posseduta da una certa massa d'acqua ad una certa quota altimetrica, in energia cinetica al superamento di un certo dislivello; tale energia cinetica viene infine trasformata in energia elettrica in una centrale idroelettrica grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina.
L'energia idroelettrica viene ricavata dal corso di fiumi e di laghi grazie alla creazione di dighe e di condotte forzate. Esistono vari tipi di centrale: nelle centrali a salto si sfruttano grandi altezze di caduta disponibili nelle regioni montane. Nelle centrali ad acqua fluente si utilizzano invece grandi masse di acqua fluviale che superano piccoli dislivelli; per far questo però il fiume deve avere una portata considerevole e un regime costante.
L'acqua di un lago o di un bacino artificiale viene convogliata a valle attraverso condutture forzate, trasformando così la sua energia potenziale in energia di pressione e cinetica grazie al distributore e alla turbina. L'energia meccanica viene poi trasformata attraverso il generatore elettrico, grazie al fenomeno dell'induzione elettromagnetica, in energia elettrica. Per permettere di immagazzinare energia e di averla a disposizione nel momento di maggiore richiesta, sono state messe a punto centrali idroelettriche di generazione e di pompaggio. Nelle centrali idroelettriche di pompaggio, l'acqua viene pompata nei serbatoi a monte sfruttando l'energia prodotta e non richiesta durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore, si può disporre di ulteriori masse d'acqua da cui produrre energia.
Questi impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di disponibilità per utilizzarla nei momenti di bisogno.
Per centrale idroelettrica si intende una serie di opere di ingegneria idraulica posizionate in una certa successione, accoppiate ad una serie di macchinari idonei allo scopo di ottenere la produzione di energia elettrica da masse di acqua in movimento. L'acqua viene convogliata in una o più turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua. Ogni turbina è accoppiata a un alternatore che trasforma il movimento di rotazione in energia elettrica.
Lo sfruttamento dell'energia idroelettrica e la conseguente produzione di energia elettrica non è costante nel tempo, ma dipende dal rifornimento d'acqua del bacino d'acqua artificiale a sua volta dipendente dal regime degli immissari/fiumi e quindi dal regime precipitativo del bacino idrografico.
Una pratica diffusa in alcuni paesi/zone è quella di pompare acqua nei bacini idroelettrici durante la notte quando l'energia da spendere costa meno e riutilizzare l'energia idroelettrica accumulata di giorno quando la richiesta è maggiore e conseguentemente il prezzo risulta maggiore ottenendo così un guadagno netto.
La produzione di energia idroelettrica può avvenire anche attraverso lo sfruttamento del moto ondoso, delle maree e delle correnti marine. In questo caso si parla di energia mareomotrice
Centrale Idroel.
Le centrali si classificano in base a diverse tipologie di impianto:
Centrali ad acqua fluente
Questo tipo di impianti era molto più usato all'inizio del secolo scorso, sopratutto per azionare macchine utensili in piccoli laboratori. Oggi il loro potenziale è sotto utilizzato anche se l'impatto ambientale può essere contenuto e limitato.
L'acqua viene convogliata in un canale di derivazione e attraverso questo inviata alle turbine che ruotano grazie alla spinta dell'acqua, producendo così il movimento delle turbine, ognuna delle quali è accoppiata a un alternatore che trasforma il moto di rotazione in energia elettrica.
La velocità impressa dall'acqua alle turbine viene generata attraverso una differenza di quota, detta "salto", che si traduce in pressione idrodinamica alla quota in cui sono posizionate le turbine.
Non dispongono di alcuna capacità di regolazione degli afflussi, per cui la portata sfruttata coincide con quella disponibile nel corso d'acqua (a meno di una quota detta deflusso minimo vitale, necessaria per salvaguardare l'ecosistema).Quindi la turbina produce con modi e tempi totalmente dipendenti dalla disponibilità del corso d'acqua, data la loro facilità di arresto-avvio sono utilizzati per regolare il sistema della rete di trasmissione dell'energia elettrica, cosa che però determina una considerevole dissipazione di energia.
Centrali a bacino
A differenza delle "centrali ad acqua fluente" viene creato un lago artificiale, detto bacino di carico, per mezzo dello sbarramento di una gola fluviale con una diga, da cui partono delle condotte forzate, le quali vengono arricchite da un pozzo piezometrico che smorza ed evita gli effetti dirompenti del colpo d'ariete. A valle è presente un bacino di calma dove le acque turbolente appena uscite dalla centrale vengono fatte placare prima della reimmissione nel flusso normale del fiume.
Centrali con impianti ad accumulazione
A differenza delle "centrali a bacino" le centrali con impianti ad accumulazione sono dotate di un bacino di raccolta anche a valle: l'acqua che ha generato energia elettrica durante il giorno passando nelle turbine può essere riportata dal bacino di valle al bacino di monte durante le ore di minor richiesta di energia, ad esempio di notte, mediante pompaggio, utilizzando per questa operazione l'energia elettrica in eccesso prodotta dalle centrali di tipo "sempre acceso" e non diversamente accumulabile.
In altre parole il bacino di monte viene "ricaricato" durante la notte e le masse d'acqua riportate a monte possono quindi essere riutilizzate nelle ore di maggiore richiesta energetica. In tali impianti ad accumulazione si realizzano gruppi ternari di macchine, ossia la turbina, la pompa e il macchinario elettrico che, essendo reversibile, funziona all'occorrenza da generatore o da motore.
Centrale Mareom.
Centrale mareomotrice
Le centrali mareomotrici sfruttano il movimento del mare dovuto alle maree. Queste centrali accumulano l'acqua in un bacino durante l'alta marea e poi la rilasciano durante la bassa marea. L'acqua viene fatta passare in condotte forzate che la conducono in turbine collegate ad alternatori che consentono di produrre corrente elettrica. In alcune zone della Terra il dislivello tra alta e bassa marea puo' essere anche di 20 metri e puo', quindi, rendere conveniente l'installazione di questi impianti.
Una seconda tipologia di centrali e' basata sullo sfruttamento delle correnti sottomarine, che opportunamente incanalate potrebbero generare corrente elettrica tramite delle turbine. Queste centrali sono attualmente degli esperimenti da laboratorio, anche se, in breve tempo, si potrebbe passare ad un loro utilizzo reale per la produzione di corrente elettrica. Una terza tipologia di centrali basata sugli oceani vuole sfruttare la differenza termica dei diversi strati dell'oceano (energia talassotermica). Acqua a differenti profondita' ha differenti temperature e queste centrali utilizzano questa differenza di temperatura per produrre elettricita'. Essendo la differenza termica tra i vari strati ridotta queste centrali hanno sempre un'efficienza molto bassa, tra 1 e il 3%.
Vantaggi
Tra i vantaggi legati alle centrali mareomotrici, troviamo quello costituito dal fatto che la loro struttura e il loro funzionamento sono molto simili alle tipiche centrali idroelettriche. Questa caratteristica si rivela utile soprattutto nel momento della progettazione, dato che molti dati sono sostanzialmente già disponibili e collaudati.
Svantaggi
Tra gli svantaggi, invece, troviamo che per poter funzionare a massimo regime, questi impianti hanno bisogno di determinate conformazioni geologiche.
Non tutti i siti, infatti, sono adatti per le loro costruzioni e per il loro funzionamento. Per cui, una volta individuato un sito sul quale poter impiantare il complesso, basterà semplicemente ottimizzarne la produzione.
La potenza che viene prodotta da questi impianti è abbastanza modesta, soprattutto in relazione allo spazio enorme che viene occupato dall’intera centrale. Ci sono poi gli enormi costi di gestione e di realizzazione. Insomma, prima di realizzare una centrale si dovrebbe pensare bene a dove la si vorrebbe costruire ed accertarsi del fatto che, una volta realizzata, in quell’esatto luogo possa assicurare il massimo dell’energia producibile, ottimizzando costi e produzione in maniera costante e omogenea.
Micro-idroelettrico
Micro-idroelettrico
Il micro-idro è una fonte rinnovabile ancora ampiamente da sfruttare e comprende gli impianti inferiori ai 100kW di potenza e fino a pochi kW.
E' sufficiente avere salti di 7/20 metri con poca o pochissima portata o piccoli salti con buona e costante portata d'acqua ed è possibile sfruttare anche la corrente dei corsi d'acqua.: Agli inizi del secolo scorso molti laboratori artigiani utilizzavano semplici canali per azionare macchine utensili con piccole pale/mulini accoppiati a pulegge tramite cinghie di trasmissione.
Esistono inoltre in commercio piccolissimi sistemi idroelettrici integrati, a partire da 0,2 kW di potenza, facilmente installabili in moltissime situazioni con salti e portate minime.
Il vantaggio di questi piccolissimi sistemi è dato dal fatto che non è necessaria l’autorizzazione al prelievo delle acque e l’impatto ambientale è inesistente. Naturalmente devono essere utilizzati con un minimo di buon senso per evitare comunque uno spreco di acqua potabile che rimane una fonte preziosa.
Il potenziale di questi piccoli sistemi è completamente ignorato e quindi non esistono ricerche ufficiali in tal senso ma una valutazione empirica fatta da tecnici e liberi professionisti del settore rivela un potenziale tutt'altro che trascurabile.
In genere molti impianti di piccola taglia si trovano in aree montane su corsi d'acqua a regime torrentizio o permanente e l'introduzione del telecontrollo, della telesorveglianza, del telecomando e dell’azionamento consentono di recuperarli ad una piena produttività, risparmiando sui costi del personale di gestione, che in genere si limita alla sola manutenzione ordinaria con semplici operazioni periodiche (ad es. la sostituzione dell'olio per la lubrificazione delle parti). Molti impianti di piccola taglia possono attuare un recupero energetico. I sistemi idrici nei quali esistono possibilità di recupero sono assai diversi e possono essere indicativamente raggruppati nelle seguenti tipologie:
acquedotti locali o reti acquedottistiche complesse
sistemi idrici ad uso plurimo (potabile, industriale, irriguo, ricreativo, etc.)
sistemi di canali di bonifica o irrigui
canali o condotte di deflusso per i superi di portata
circuiti di raffreddamento di condensatori di impianti motori termici
In linea generale, nei sistemi idrici in cui esistono punti di controllo e regolazione della portata derivata o distribuita all'utenza, come pure dei livelli piezometrici, attraverso organi del tipo di paratoie, valvole, opere idrauliche (vasche di disconnessione, sfioratori, traverse, partitori), cioè sistemi di tipo dissipativo, è possibile installare turbine idrauliche che siano in grado di recuperare salti altrimenti perduti.
Si può dire che esiste la convenienza a realizzare impianti di piccola taglia sopratutto dove le condotte già esistono insieme a salti e portate interessanti. Sotto questo punto di vista gli acquedotti rappresentano una delle più significative possibilità di sfruttamento, senza trascurare tutte le altre realtà idriche.