Come Funzionano le Turbine Idrauliche: Principi di Funzionamento
Fin dalle origini, quella idroelettrica è stata ed è ancora, fra le più importanti e primissime fonti di energia rinnovabile al mondo. In Italia, copre il 10-15% del fabbisogno energetico nazionale. Le turbine idrauliche rappresentano un pilastro fondamentale nella produzione di energia rinnovabile.
Trasformano l'energia potenziale e cinetica dell'acqua in energia meccanica, che a sua volta viene convertita in energia elettrica tramite un generatore.
In pratica l’energia potenziale e cinetica dell’acqua si trasforma in energia meccanica disponibile all’albero della turbina e quindi, mediante il generatore, in energia elettrica.
Questo articolo esplora in dettaglio il funzionamento, i tipi, le applicazioni e le considerazioni chiave relative alle turbine idrauliche, con un approccio che spazia dai concetti di base fino alle sfumature più complesse.
Principi di Funzionamento
Il principio alla base del funzionamento di una turbina idraulica è relativamente semplice: l'acqua, guidata attraverso un condotto forzato o una presa d'acqua, colpisce le pale di un rotore (la girante). L'energia dell'acqua, sotto forma di pressione e velocità , viene trasferita alla girante, facendola ruotare.
Questa rotazione aziona un albero collegato a un generatore, che converte l'energia meccanica rotazionale in energia elettrica.
L'efficienza di una turbina idraulica dipende da diversi fattori, tra cui la portata dell'acqua (il volume d'acqua che passa attraverso la turbina in un determinato periodo di tempo), il dislivello (la differenza di altezza tra la superficie dell'acqua a monte e la turbina), il design della turbina e le condizioni operative. Una turbina ben progettata e correttamente installata può raggiungere efficienze superiori al 90%.
Una turbina è costituita di un complesso detto generalmente stadio, formato da una parte fissa detto distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina, viene regolato mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento.
Nel caso della produzione elettrica il movimento rotatorio del rotore viene quindi trasferito mediante un’albero ad un alternatore che produce quindi energia elettrica.
Classificazione delle Turbine Idrauliche
Le turbine idrauliche si classificano principalmente in due categorie principali: turbine ad azione e turbine a reazione. La distinzione si basa sul modo in cui l'energia dell'acqua viene trasferita alla girante.
Turbine ad Azione
Nelle turbine ad azione, tutta l'energia potenziale dell'acqua viene convertita in energia cinetica prima che l'acqua colpisca le pale della girante. L'acqua viene indirizzata attraverso uno o più ugelli, che aumentano la velocità del flusso. L'esempio più noto di turbina ad azione è la turbina Pelton.
Turbina Pelton
La turbina Pelton è ideale per applicazioni con alti dislivelli e basse portate. Le turbine Pelton vengono utilizzate soprattutto nei bacini idroelettrici alpini, per salti d’acqua medio alti che vanno dai 50 ai 1200 metri.
L'acqua, spruzzata dagli ugelli, colpisce una serie di cucchiai (o palette) montati sulla periferia della girante. L'acqua viene deviata dai cucchiai, trasferendo la sua energia alla girante. La forma dei cucchiai è progettata per massimizzare il trasferimento di energia e minimizzare le perdite.
La turbina di tipo Pelton è la più semplice nel funzionamento. Per essere chiari il suo principio di funzionamento rispecchia quello della classica ruota a pale dei vecchi mulini, solo che qui è rivisto e corretto per aumentarne l’efficenza.
In pratica l’acqua viene convogliata nella condotta forzata la quale ha alla fine un’ugello, ossia una strozzatura che fa aumentare la velocità dell’acqua indirizzandone i filetti fluidi.
Per aumentare l’efficenza del getto è necessario che l’ugello si trovi il più vicino possibile alla girante in modo tale da minimizzare la perdita di pressione. Per far questo i cucchiai vengono sagomati in modo opportuno con una scanalatura al centro per consentire che il getto colpisca una pala alla volta e per far si che tutta l’energia del getto non vada sprecata ma venga ceduta alla superficie del cucchiaio durante il suo movimento.
L’ugello è costruito in modo tale da avere al suo interno una spina di regolazione, che consente di variare la portata dell’ugello. Il distributore a più getti consente la migliore regolazione della portata allo scopo di ottimizzare l’efficienza energetica dell’intera macchina.
Turbine a Reazione
Nelle turbine a reazione, l'energia potenziale dell'acqua viene convertita gradualmente in energia cinetica mentre l'acqua fluisce attraverso la girante. La girante è completamente immersa nell'acqua, e la pressione dell'acqua diminuisce mentre attraversa le pale. Esempi comuni di turbine a reazione sono le turbine Francis e Kaplan.
Turbina Francis
La turbina Francis è adatta per applicazioni con dislivelli medi e portate medie. Le turbine Francis sono molto diffuse e sfruttano il dislivello d’acqua compreso tra una decina e qualche centinaio di metri.
L'acqua entra nella girante radialmente e fluisce verso l'interno, attraverso le pale. La forma delle pale è complessa e progettata per ottimizzare il trasferimento di energia dall'acqua alla girante. Le turbine Francis sono tra le turbine idrauliche più versatili e ampiamente utilizzate.
Il distributore vero e proprio, solitamente con pale regolabili, indirizza invece l’acqua verso le palette della girante. In base alla potenza, possono essere considerate piccole, medie e grandi.
Turbina Kaplan
La turbina Kaplan è progettata per applicazioni con bassi dislivelli e alte portate. Le turbine Kaplan permettono numerose applicazioni, anche in settori molto diversi. Sono utilizzate in presenza di salti generalmente piccoli e fino a una cinquantina di metri. che può giungere fino a un centinaio di metri cubi al secondo.
La girante assomiglia a un'elica di una nave, con pale regolabili che possono essere orientate per ottimizzare l'efficienza in diverse condizioni di flusso. Le turbine Kaplan sono particolarmente adatte per sfruttare l'energia dei fiumi e dei corsi d'acqua con variazioni significative di portata.
Possono essere costruite con l’asse verticale, orizzontale o inclinato, nonché in camera asciutta o bagnata.
Solitamente la turbina Kaplan è composta da un distributore fisso e le pale regolabili, in questo caso la turbina risulta a semplice regolazione, detta anche mono-regolante.
Con la doppia regolazione si possono ottenere maggiori vantaggi, sia sulla modulazione delle portate che sulle prevalenze.
Turbina a Bulbo (o Turbina Sommersa)
Una variante della turbina Kaplan è la turbina a bulbo, in cui il generatore è alloggiato all'interno di un bulbo impermeabile posizionato direttamente nel flusso d'acqua. Le turbine a Bulbo sono ricavate dalle turbine Kaplan e risultano molto più semplici.
Questa configurazione riduce le perdite di carico e aumenta l'efficienza, rendendo le turbine a bulbo adatte per applicazioni con dislivelli molto bassi. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro). Vengono solitamente utilizzate su livelli di qualche metro.
Altre Tipologie di Turbine
Oltre alle turbine Pelton, Francis e Kaplan, esistono altre tipologie di turbine idrauliche, progettate per applicazioni specifiche:
Turbina Turgo
Turbina ad azione sviluppata nel 1919 da Gilkes come una Pelton modificata. La turbina Turgo è una via di mezzo tra la turbina Pelton e la turbina Francis. Simile alla Pelton, utilizza ugelli per spruzzare l'acqua sulla girante, ma l'acqua colpisce le pale in modo obliquo. La turbina Turgo è adatta per applicazioni con dislivelli e portate intermedi.
Turbina Banki (o Turbina Michell-Banki)
Il primo brevetto di questa turbina è ad opera dell’australiano Antony Michell del 1903. La turbina Banki è una turbina a flusso trasversale, in cui l'acqua attraversa la girante due volte. È una turbina semplice e robusta, adatta per piccole centrali idroelettriche e applicazioni con portate variabili.
Turbina a Vite Idraulica o Coclea
Le turbine a Vite idraulica o Coclea sono conosciute anche come ruota di Archimede.
Turbina Ghatta
La turbina Ghatta è una turbina ad asse verticale solitamente usata per azionare direttamente macchine utensili o mulini.
Applicazioni delle Turbine Idrauliche
Le turbine idrauliche trovano applicazione in una vasta gamma di contesti, dalla produzione di energia su larga scala alla generazione distribuita in piccole comunità isolate.
Grandi Centrali Idroelettriche
Le grandi centrali idroelettriche, spesso associate a dighe imponenti, utilizzano turbine di grandi dimensioni (principalmente Francis e Kaplan) per generare ingenti quantità di energia elettrica. Queste centrali forniscono una fonte di energia affidabile e rinnovabile, contribuendo in modo significativo alla decarbonizzazione del settore energetico.
Piccole Centrali Idroelettriche (Mini-Idro)
Le piccole centrali idroelettriche, con potenze installate inferiori a 10 MW, rappresentano una soluzione ideale per sfruttare l'energia dei corsi d'acqua minori. Queste centrali possono utilizzare diverse tipologie di turbine, a seconda del dislivello e della portata disponibili. Le mini-idro contribuiscono alla generazione distribuita e alla riduzione della dipendenza dai combustibili fossili.
Nel campo delle piccole portate, si collocano molto bene le turbine a vite idraulica e le micro-turbine, prodotte in base alla disponibilità dell’acqua dovuta alle fluttuazioni del territorio.
Micro-Idro
Le micro-idro sono sistemi idroelettrici di piccolissima taglia, con potenze installate inferiori a 100 kW. Le Mini turbine sono la soluzione ideale per disporre di energia elettrica soprattutto nelle zone non asservite dalla rete di distribuzione.
Sono adatte per alimentare singole abitazioni, aziende agricole o piccole comunità isolate, in aree non raggiunte dalla rete elettrica. Le micro-idro possono utilizzare turbine Pelton, Turgo o Banki, a seconda delle condizioni locali.
Pompe-Turbine
Le pompe-turbine sono macchine reversibili che possono funzionare sia come pompe che come turbine. Durante i periodi di bassa domanda di energia, l'acqua viene pompata da un bacino inferiore a un bacino superiore, immagazzinando energia potenziale. Durante i periodi di alta domanda, l'acqua viene rilasciata dal bacino superiore, azionando la turbina e generando elettricità . Le pompe-turbine sono utilizzate negli impianti di pompaggio-turbinaggio (Pumped Hydro Storage - PHS), che rappresentano una forma efficace di accumulo di energia su larga scala.
Considerazioni Chiave nella Scelta di una Turbina Idraulica
La scelta della turbina idraulica più adatta per una specifica applicazione dipende da una serie di fattori, tra cui:
- Dislivello (H): La differenza di altezza tra la superficie dell'acqua a monte e la turbina.
- Portata (Q): Il volume d'acqua che passa attraverso la turbina in un determinato periodo di tempo.
- Potenza Richiesta: La quantità di energia elettrica che si desidera generare.
- Variazioni di Portata: Le fluttuazioni stagionali o giornaliere della portata del corso d'acqua.
- Costo: Il costo iniziale della turbina, nonché i costi di installazione, manutenzione e esercizio.
- Impatto Ambientale: L'impatto della centrale idroelettrica sull'ecosistema circostante, inclusi gli effetti sulla fauna ittica e sulla qualità dell'acqua.
La progettazione e l'installazione di una turbina idraulica richiedono competenze specialistiche e un'attenta valutazione delle condizioni locali. È fondamentale consultare esperti del settore per garantire che la turbina sia correttamente dimensionata e che l'impianto idroelettrico sia gestito in modo sostenibile.
Manutenzione delle Turbine Idrauliche
La manutenzione regolare è essenziale per garantire l'affidabilità e la longevità delle turbine idrauliche.
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