Confronto delle prestazioni di impianti ad energia rinnovabile di piccola potenza

Capitolo 2: L ’ e n e r g i a i d r o e l e t t r i c a 
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Fig. 2.5: Produzione idroelettrica in Italia dal 1997 al 2008 secondo classe di potenza (GWh) 
Fonti: [6], [7], [12] 
2.3 GLI IMPIANTI IDROELETTRICI 
2.3.1 CLASSIFICAZIONE DEGLI IMPIANTI IDROELETTRICI 
Il notevole sviluppo della tecnologia idroelettrica ha portato ad una grande varietà di possibili 
installazioni. In primo luogo, gli impianti idroelettrici possono essere classificati in funzione della 
loro potenza: si possono così distinguere i grandi impianti di produzione dell‟energia idroelettrica 
dagli impianti appartenenti all‟SHP (idroelettrico minore). 
Per la molteplicità di soluzioni tecnicamente disponibili, oltre che per motivi fiscali e di 
incentivazione economica, l‟SHP può essere suddiviso in ulteriori categorie, a seconda 
dell‟intervallo di potenza e della complessità di macchinari e opere correlate. In ogni caso tali 
categorie risultano di complessa definizione e danno luogo a molteplici interpretazioni. 
Secondo la classificazione adottata dall‟Organizzazione delle Nazioni Unite per lo Sviluppo 
Industriale (UNIDO) e dall‟European Small Hydropower Association (ESHA), ente preposto dalla 
Commissione Europea come riferimento tecnico – normativo per il settore dell‟idroelettrico minore, 
si distinguono:
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Fig. 2.6: Classificazione degli impianti idroelettrici per classe di potenza 
Fonti: [7], [19] 
2.3.2 STRUTTURA E TIPOLOGIE DI IMPIANTI IDROELETTRICI 
Un impianto idroelettrico è costituito essenzialmente da opere civili ed idrauliche (diga o traversa di 
sbarramento, sistema di presa, vasca di carico, opere di convogliamento e restituzione, condotte 
forzate, edificio della centrale) e da macchinari elettromeccanici (turbine idrauliche, generatori, 
quadri elettrici, sistemi di comando). Per l‟idroelettrico minore si hanno notevoli semplificazioni a 
livello impiantistico, e molti di questi elementi possono essere assenti. 
Lo schema impiantistico generale di un impianto idroelettrico comprende: 
 Opere di captazione: consentono di raccogliere le acque necessarie all‟alimentazione 
dell‟impianto: tali sono le dighe o le traverse. 
 Opere di presa: immettono le acque nel condotto derivatore e ne gestiscono la portata, 
essendo dotate di organi di chiusura e di regolazione; possono comprendere anche 
dispositivi per la pulizia da ghiaia o sabbia. 
 Opere di derivazione: convogliano le acque lungo una debole pendenza dalla presa al 
punto di inizio della tubazione in pressione (condotta forzata); possono essere costituite da 
un canale a pelo libero o da una galleria in pressione secondo il tipo di impianto: nel primo 
caso al termine dell‟opera di derivazione si troverà una vasca di carico, nel secondo caso un 
pozzo piezometrico, ambedue con la funzione di serbatoio per compensare le variazioni di 
portata.
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 Condotte forzate: convogliano l‟acqua in pressione dal fondo della vasca di carico o del 
pozzo piezometrico alle turbine poste nella centrale. 
 Centrali elettriche: si tratta del complesso di edifici contenenti le turbine e le 
apparecchiature necessarie alla trasformazione dell‟energia idraulica in energia elettrica. 
 Opere di restituzione: convogliano le acque dall‟uscita delle turbine all‟alveo del fiume, 
oppure alle opere di presa del salto successivo. 
 
Fig. 2.7: Schema di un impianto idroelettrico 
Riferendosi alla modalità di funzionamento, gli impianti idroelettrici si possono classificare in: 
 Impianti ad acqua fluente: sfruttano direttamente la portata di un corso d‟acqua, 
commisurata secondo il valore di “morbida” (ossia intermedia tra la portata di piena e quella 
di magra); essi sono costituiti da una diga, atta a sbarrare il corso del fiume creando un 
dislivello tra l‟acqua a monte e quella a valle, e dalla centrale vera e propria, ubicata sulla 
riva del corso d‟acqua o ricavata direttamente dentro la diga; la centrale si presenta in genere 
come un edificio che si sviluppa su due livelli: al piano inferiore vi sono i collettori a spirale 
in prossimità delle turbine, mentre al piano superiore si trova la sala degli alternatori. 
L‟acqua entra in una condotta a spirale che termina con strozzature; i getti d‟acqua spingono 
quindi con forza le pale della turbina, che iniziano a ruotare trasferendo lavoro all‟albero 
dell‟alternatore; infine l‟acqua viene risucchiata dal collettore di scarico e defluisce a valle, 
dove riprende il suo corso normale.  
 
Fig. 2.8: Schema di un impianto ad acqua fluente
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 Impianti a serbatoio: sono situati generalmente in montagna, laddove è presente un 
notevole dislivello; l‟impianto è costituito da un serbatoio, ricavato da uno sbarramento 
tramite una diga, dalle condotte, che partono dal serbatoio e arrivano alla centrale, e dalla 
centrale, anche in questo caso su due livelli, secondo la stessa modalità riportata per gli 
impianti ad acqua fluente. La centrale entra in funzione nelle ore diurne, quando maggiore è 
la richiesta di energia: dal bacino artificiale l‟acqua defluisce nel canale di derivazione e 
giunge all‟imbocco della condotta forzata; dentro la condotta l‟acqua scende a una quota 
sempre più bassa acquistando energia di pressione in quanto “schiacciata” dall‟acqua 
sovrastante; dentro la centrale la condotta termina con una strozzatura, in corrispondenza 
della quale l‟energia di pressione si trasforma in energia cinetica, azionando così le pale 
della turbina; l‟albero della turbina è connesso all‟alternatore, che ruotando genera corrente 
elettrica; l‟acqua viene infine fatta defluire in un fiume vicino. 
 
Fig. 2.9: Schema di un impianto a serbatoio 
 Impianti con stazioni di pompaggio: come è noto, nelle ore notturne e nei giorni festivi il 
consumo di energia elettrica è minore; spegnere gli impianti non sarebbe una soluzione 
conveniente, in quanto ciò richiederebbe tempi lunghi per la loro riattivazione, con 
ripercussioni negative anche a livello economico. Pertanto, per conservare tale energia si 
impiegano le centrali di pompaggio, dotate di un serbatoio a valle e di una pompa accoppiata 
sotto ogni turbina. Durante le ore diurne dal bacino scende l‟acqua che, dopo aver portato in 
rotazione la turbina, e quindi l‟alternatore, termina nel bacino a valle; di notte la corrente 
prodotta da altre fonti (oggi prevalentemente termoelettrica) giunge nell‟alternatore che, 
funzionando come un motore, aziona la pompa, che a sua volta fa risalire l‟acqua nel bacino 
artificiale. In questo modo si restituisce una minor quantità di energia, a causa delle perdite 
del ciclo, ma di pregio maggiore, in quanto verrà poi fornita nelle ore di massima richiesta.
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Fig. 2.10: Schema di un impianto con stazione di pompaggio 
Fonti: [5], [6], [7], [12], [19] 
2.4 LE TURBINE IDRAULICHE 
L‟elemento principale di ogni centrale idroelettrica è rappresentato dalle turbine idrauliche poste al 
suo interno, il cui compito primario consiste nel trasformare l‟energia posseduta dall‟acqua in 
ingresso in energia meccanica resa ad un albero; essa verrà infine convertita in energia elettrica 
mediante un alternatore. Facendo riferimento alla classificazione delle macchine a fluido, si è 
quindi in presenza di una macchina idraulica motrice. 
2.4.1 NOMENCLATURA 
 
Fig. 2.11: Tabella riassuntiva dei simboli utilizzati per gli impianti idroelettrici
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2.4.2 RICHIAMI DI MECCANICA DEI FLUIDI 
Nell‟ipotesi di fluidi perfetti, in condizioni stazionarie e in assenza di scambi di energia con 
l‟esterno, il teorema di Bernoulli afferma che la somma dell‟energia potenziale gravitazionale, 
dell‟energia di pressione e dell‟energia cinetica (trinomio di Bernoulli) è costante in ogni punto 
della vena fluida. In termini di altezze si può dunque scrivere: 
  
 
  
 
 
 
  
   
Dove: 
 
  
 è l‟altezza barometrica 
 
 
  
 è l‟altezza cinetica 
La somma dei primi due termini è detta quota piezometrica, mentre la costante   prende il nome di 
carico totale. 
Si indichi ora con 1 la sezione corrispondente al pelo libero di un serbatoio a monte della condotta, 
e con 2 la sezione di uscita della condotta stessa; per la conservazione del trinomio di Bernoulli si 
avrà: 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
 
  
  
 
 
 
 
  
 
 
 
 
  
   
Ponendo  
 
 come altezza di riferimento, considerando entrambe le sezioni soggette alla pressione 
atmosferica e trascurando l‟altezza cinetica del serbatoio a monte, la precedente relazione si 
semplifica in: 
 
 
 
 
 
 
  
   
Avendo posto  
 
 come altezza di riferimento ( 
 
  ), il dislivello tra le due sezioni, detto salto 
geodetico, si può esprimere come: 
    
 
  
 
  
 
 
Indicando poi con Q la portata volumetrica, la precedente relazione può essere riscritta in termini di 
potenza: 
 
    
          
 
 
 
  
      
 
    
 rappresenta la potenza ideale resa disponibile dal corso d‟acqua alla macchina idraulica. 
Fonti: [10], [11]
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2.4.3 COMPONENTI DI UNA TURBINA IDRAULICA 
Le turbine idrauliche sono costituite essenzialmente da un organo fisso, detto distributore, e da uno 
mobile, la girante, a cui è affidato il compito di scambiare lavoro con il fluido per poi trasferirlo 
all‟esterno; a valle della girante, spesso è possibile individuare un condotto divergente detto 
diffusore. 
Il distributore, ricavato nella parte statorica, è composto da una serie di palette o ugelli che 
indirizzano il flusso d‟acqua sulla girante con l‟intento di minimizzare gli urti; variando la sezione 
delle luci di passaggio del distributore è possibile regolare la portata e quindi la potenza della 
turbina. Essendo un organo fisso, il distributore non scambia lavoro con il fluido che lo attraversa: 
pertanto in esso, trascurando le perdite fluidodinamiche, il trinomio di Bernoulli associato alla 
corrente si conserva. 
Si indichino ora con   e con u rispettivamente le sezioni di ingresso e di uscita della girante e si 
trascuri l‟eventuale dislivello presente tra il distributore e la sezione di uscita della turbina, dove 
viene posto il riferimento delle pressioni e delle quote geodetiche ( 
 
  
 
  
 
  ); utilizzando 
un‟espressione generalizzata del teorema di Bernoulli che consideri anche il lavoro   
 
 scambiato 
con la turbina (quantità da intendersi positiva) si potrà scrivere: 
     
 
 
  
 
 
 
 
  
 
 
 
  
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
Se  
 
  
 
 significa che la conversione dell‟energia di pressione in energia cinetica avviene 
completamente nel distributore, e la turbina viene detta ad azione. 
Se  
 
  
 
 significa che la conversione dell‟energia di pressione in altezza cinetica avviene solo in 
parte nel distributore, per poi essere conclusa nella girante. Tale turbina è detta a reazione. 
In ogni caso, all‟uscita della turbina l‟altezza barometrica deve annullarsi in quanto viene a trovarsi 
al livello del riferimento delle pressioni. Pertanto il salto geodetico    deve essere completamente 
convertito in altezza cinetica all‟interno della turbina, a cui corrisponde il lavoro compiuto sulla 
girante. 
Fonti: [10], [11] 
2.4.4 RENDIMENTO DELLE TURBINE IDRAULICHE E DELL’IMPIANTO IDROELETTRICO 
L‟espressione del teorema di Bernoulli può essere generalizzata ottenendo un‟equazione valida 
anche nel caso di fluido reale con scambio di energia con l‟ambiente esterno. 
A tale scopo si indica con  
 
 il carico equivalente al lavoro scambiato tra il fluido e la macchina 
idraulica, e con  
 
 la perdita di carico legata alle dissipazioni di energia per attriti di natura 
fluidodinamica; questi termini verranno sommati al trinomio di Bernoulli relativo alla sezione 2, 
ottenendo la seguente relazione:
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Essendo le turbine idrauliche macchine motrici,  
 
 sarà una quantità positiva. 
Per tener conto delle diverse tipologie di perdite ai fini del calcolo della potenza effettiva 
dell‟impianto si introducono diversi rendimenti: 
 Rendimento della condotta 
In un problema reale il salto effettivamente disponibile alla turbina è minore del salto 
geodetico a causa della perdita di carico Y  relativa alla condotta. Si definisce quindi il 
rendimento della condotta  
 
 come rapporto tra caduta utile  
 
      ed il salto 
geodetico   , detto anche caduta disponibile  
 
: 
 
 
 
 
    
  
 
 
 
 
 
 
 
compreso indicativamente tra 0,65 e 0,85. 
Nel caso di impianti di piccola taglia le condotte possono essere assenti: in questo caso, 
evidentemente, non si utilizzerà tale rendimento per il calcolo della potenza. 
 
 Rendimento idraulico 
Non tutta l‟energia associata alla caduta utile  
 
 può essere convertita in lavoro: parte di 
essa viene dissipata nella turbina a causa delle perdite fluidodinamiche indotte dalle pale del 
distributore e della girante; per tener conto di tali perdite si definisce il rendimento idraulico 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
compreso indicativamente tra 0,88 e 0,94. 
 
 Rendimento volumetrico 
Una parte di portata    non passa direttamente attraverso la turbina, non prendendo così 
parte al trasferimento di energia dall‟acqua al motore idraulico; per tener conto di tale 
fenomeno si introduce il rendimento volumetrico  
 
: 
 
 
 
 
    
 
 
 
di valore molto prossimo a 1. 
 
 Rendimento meccanico 
Una parte della potenza generata viene dissipata nei componenti di trasmissione meccanica e 
nei cuscinetti: per questo motivo è necessario riferirsi al rendimento meccanico  
 
, definito 
come rapporto tra la potenza utile e quella generata internamente dalla macchina: