Cosa sono le Turbine Idrauliche: Funzionamento e Tipologie

Le centrali idroelettriche sono una soluzione tecnica in grado di generare energia da una fonte rinnovabile fondamentale: l’acqua. Questi sistemi sono costituiti da un insieme di opere di ingegneria idraulica e hanno la capacità di trasformare l’energia cinetica (generata grazie al movimento di masse d’acqua) in energia elettrica.

Il principio del funzionamento delle centrali idroelettriche può essere ricondotto alle prime ruote idrauliche, i cui ingranaggi venivano mossi dalle acque correnti dei fiumi che azionavano le macine. L'energia idroelettrica ha origini antichissime in quanto i primi a sfruttare l’acqua per l’azionamento meccanico dei mulini furono i Greci e i Romani.

Per vedere realizzata la prima vera centrale idroelettrica bisognerà attendere, però, il 1878. La prima vera centrale idroelettrica venne realizzata quattro anni dopo, nel Wisconsin e in Nord America furono installate centrali idroelettriche a Grand Rapids nel 1880, ad Ottawa e Dolgeville nel 1881. Nel 1879 si assiste, invece, alla costruzione di una centrale idroelettrica presso le cascate del Niagara, entrata a regime nel 1881 e la cui energia era usata per alimentare le industrie locali.

Tipologie di Turbine Idrauliche

Esistono turbine idrauliche di tipo diverso, a seconda del salto e della portata da sfruttare. Esse sono costituite da una parte fissa e da una parte mobile collegata al generatore elettrico.

La Turbina Pelton viene utilizzata per grandi salti.
La turbina Francis viene utilizzata, invece, per salti medi.
La turbina Kaplan viene utilizzata per salti minori.

La potenza delle centrali idroelettriche si classifica in due modi: sia in base alla tipologia del salto dell’acqua, che in base alla portata (la quantità d’acqua che scorre nei canali e attraverso la turbina). La terza categoria di classificazione è quella basata sulla quantità di energia che tali centrali sono in grado di produrre.

Tipologie di Centrali Idroelettriche

Le centrali idroelettriche si distinguono principalmente in:

Centrali ad acqua fluente: sfruttano la portata naturale del fiume. E’ usuale trovare centrali ad acqua fluente nei pressi di grandi masse d’acqua di fiumi che superano dislivelli modesti. In questi casi l’acqua viene convogliata in un canale di derivazione e inviata alle turbine che vengono, di conseguenza, azionate.
Centrali a bacino: è il caso delle centrali costruite vicino a bacini di raccolta, bloccati da una diga. Come già anticipato, allo scopo possono essere utilizzati anche bacini naturali già esistenti, come i laghi. Grazie a dei canali forzati, l’acqua scorre verso le turbine e viene prodotta energia. Le centrali a bacino, anche dette centrali a salto, sfruttano la consistente differenza di quota per produrre energia.
Centrali ad accumulazione: dispongono di un bacino di raccolta anche a valle, che viene riempito d’acqua tramite un sistema di pompaggio nelle ore di minor richiesta energetica, come durante la notte. Le centrali con impianti ad accumulo sono dotate di un bacino di raccolta anche a valle che permette il riutilizzo dell’acqua che ha permesso di generare energia elettrica durante il giorno.
Centrali idroelettriche ad acqua marina: anche se scarsamente utilizzate, che utilizzano l’energia delle maree o delle onde per generare elettricità.

Funzionamento di una Centrale Idroelettrica

All’inizio della costruzione, è necessario prevedere a monte un bacino artificiale, grazie ad una diga che forma uno sbarramento e non permette al flusso naturale di un fiume di scendere a valle. Il bacino che viene a formarsi è denominato bacino di raccolta, e il livello d’acqua al suo interno tende a mantenersi sempre costante.

Grazie a delle condotte forzate l’acqua scende a valle, dove è collocato un impianto contenente le turbine idroelettriche e un alternatore. È qui che l’energia cinetica, generata dalla rotazione di questi strumenti meccanici, si trasforma in energia elettrica, grazie appunto all’azione dell’alternatore. La fase successiva consiste nel trasformare l’energia meccanica in energia elettrica mediante un alternatore.

Turbina a Coclea: Innovazione e Sostenibilità

Spesso identificata come vite di Archimede, si pone come un’innovazione significativa nel settore delle energie rinnovabili, specialmente nell’idroelettrico. Storicamente la vite di Archimede è nata per il funzionamento come pompa.

Il principio di funzionamento della turbina a coclea si basa su quello di una vite di Archimede immersa parzialmente nell’acqua, che la attraversa dall’alto verso il basso lungo il suo asse. La turbina di Archimede o coclea è una macchina volumetrica per cui la portata che attraversa la turbina dipende solo dal numero di giri.

La turbina a coclea si distingue per l’elevata produzione di energia. Un chiaro esempio è l’installazione di Goito, con una produzione energetica di 1200 kWh/giorno, dimostra un’alta efficienza nella conversione dell’energia idraulica in energia elettrica. La capacità produttiva varia in base alle dimensioni dell’installazione e alle caratteristiche del sito.

Le turbine a coclea trovano applicazione in diversi ambiti, dai piccoli sistemi di irrigazione agricola alla generazione di energia per comunità rurali o aziende. Si adatta inoltre molto bene agli ambienti in cui è necessario minimizzare l’impatto ambientale e paesaggistico. Non richiede grandi sbarramenti o modifiche significative al corso d’acqua, preservando l’ecosistema fluviale.

Vantaggi della Turbina a Coclea

Flessibilità Operativa e Ampio Campo di Funzionamento: le turbine a coclea si adattano bene a diversi ambienti, come canali irrigui e scarichi di impianti di depurazione, e possono funzionare efficacemente con una o due coclee in parallelo.
Produzione di Energia e Sostenibilità Ambientale: le turbine a coclea hanno dimostrato una capacità produttiva notevole, con esempi che vanno dai 900 ai 1200 kWh giornalieri.
Monitoraggio e Gestione Avanzata: un aspetto chiave è la capacità di monitorare e gestire l’impianto a distanza attraverso software dedicati. Le moderne turbine a coclea possono essere equipaggiate con sistemi di controllo e monitoraggio da remoto. Il software di monitoraggio consente agli operatori di accedere ai dati dell’impianto in tempo reale da dispositivi come PC, tablet e smartphone.
Manutenzione Semplificata: le turbine a coclea richiedono manutenzione semplice e poco frequente, un vantaggio significativo in termini di costi operativi e di tempo.

Un punto di forza della turbina a coclea è la sua capacità di mantenere un’alta efficienza operativa anche con flussi d’acqua che variano. Si dimostra particolarmente efficiente in situazioni dove i dislivelli sono limitati e le portate sono elevate, come in piccoli corsi d’acqua o in contesti dove la costruzione di grandi infrastrutture idrauliche non è possibile o non è desiderabile.

Vantaggi e Svantaggi dell'Energia Idroelettrica

Le centrali idroelettriche possono offrire un valido contributo alla transizione energetica poiché sfruttano una fonte di energia pulita e rinnovabile: l’acqua. Queste centrali sono generalmente considerate affidabili e a basso costo poiché non richiedono combustibili costosi e possono essere facilmente regolate sulla domanda di energia elettrica. Le centrali idroelettriche permettono, poi, di stabilizzare la rete elettrica.

Oltre ad essere una fonte di energia pulita l’idroelettrico offre una serie di vantaggi per il territorio e la comunità. Il contributo positivo al territorio è dato, invece, dalla riduzione del rischio di inondazione in caso di piogge intense dal momento che l’acqua, dopo aver generato energia elettrica, viene rilasciata in modo controllato nel tempo e con grande precisione. Infine, possiamo affermare che l’energia idroelettrica sia la fonte più economica, nonostante l’oneroso investimento iniziale per la realizzazione dell’impianto, e in grado di ridurre maggiormente gli sprechi.

Una centrale idroelettrica è più economicamente conveniente di una centrale nucleare o a carbone. La loro archiviazione richiede poco tempo, aprendo le saracinesche idrauliche. Una delle soluzioni più sostenibili che condensa tutti gli aspetti sopra citati, in dimensioni minime, è il mini-idroelettrico. Tale soluzione si sta diffondendo in maniera crescente, soprattutto in Italia, avendo il vantaggio di non necessitare della costruzione di dighe.

Gli svantaggi delle centrali idroelettriche riguardano comunque principalmente quelle di grandi dimensioni, che hanno la sfortuna di creare maggior impatto ambientale, mentre quelle più piccole non presentano le stesse problematiche. La carenza di pioggia, infatti, ha ridotto drasticamente, oltre ai livelli di fiumi e laghi, il livello di riempimento dei bacini utilizzati per produrre energia elettrica.

Potenziale Globale dell'Energia Idroelettrica

Si stima che l’energia idroelettrica prodotta nel mondo sia solo il 10% dell’energia potenzialmente ottenibile. La produzione totale di energia idroelettrica potrebbe essere potenzialmente incrementata fino a 5 volte quella attuale. I maggiori potenziali si trovano in paesi in via di sviluppo, mentre nell’Europa occidentale il potenziale residuo è di circa del 30%. Il paese che possiede il maggior numero di centrali idroelettriche è la Cina, la quale detiene anche il primato della potenza installata.

In Europa, l’idroelettrico costituisce la più importante e tradizionale fonte di energia rinnovabile e ad oggi copre circa l’11% della produzione complessiva di energia elettrica. In Italia, invece, il contributo alla produzione di energia elettrica totale è pari all’11,2%.

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