Energia Idraulica o Idrica: Definizione e Funzionamento

L’acqua non è solamente una risorsa fondamentale per la vita umana, animale e vegetale, ma rappresenta anche una fonte pulita e inesauribile di energia. Il rapporto tra acqua ed energia, in particolare tra acqua ed energia rinnovabile, è studiato da secoli e oggi è al centro dell’innovazione tecnologica nella ricerca di alternative più ecosostenibili rispetto all’utilizzo dei combustibili fossili.

Energia Idrotermica: Cos'è e Come Funziona

Il termine idrotermico è composto da “idro” ovvero l’acqua e “termico” che riguarda il calore o la temperatura. L’energia idrotermica è l’energia disponibile sulla superficie dell’acqua, in quanto rappresenta il calore presente nelle acque superficiali e nei sistemi acquiferi con una profondità ridotta, come fiumi, laghi e falde acquifere. Poiché l’acqua ha una densità maggiore rispetto all’aria, assorbe e cede calore lentamente, di fatto immagazzinando energia termica di giorno che viene poi rilasciata gradualmente durante la notte.

Il principale utilizzo dell’energia idrotermica è legato al riscaldamento e raffrescamento degli ambienti, sfruttando il calore a bassa temperatura presente nelle acque superficiali. L’energia idrotermica è considerata a tutti gli effetti una fonte rinnovabile di energia dall’Unione Europea, come previsto dalla Direttiva 2018/2001/UE recepita in Italia attraverso il D.Lgs. In particolare, a differenza della precedente direttiva del 2009, con quella del 2018 è stata affinata la definizione di energia idrotermica e di energia aerotermica.

Vediamo a questo punto come funziona questa fonte di energia verde, pulita e rinnovabile. La vicinanza di un bacino idrico è senza dubbio un vantaggio importante in termini di costi e semplicità impiantistica, ma non indispensabile. Nella maggior parte dei casi si realizzano delle reti di adduzione o dei pozzi di derivazione, oppure degli scavi che consentono di sfruttare il calore delle falde acquifere poco profonde. L’energia termica dell’acqua viene quindi trasferita a una pompa di calore, un impianto dotato di scambiatore di calore.

Il sistema comporta il prelievo di acqua marina che viene convogliata verso uno scambiatore di calore, dove cede calore al circuito secondario. Gli impianti idrotermici ad anello a circuito aperto sono in grado di fornire un rendimento elevato, grazie all’ampia disponibilità della risorsa idrica. Il funzionamento di un impianto ad anello a circuito chiuso è simile a quello di un sistema ad anello a circuito aperto, che, invece di sfruttare il calore dell’acqua del mare, utilizza l'energia termica di una risorsa idrica superficiale o sotterranea (fiumi, laghi o falde acquifere).

Allo stesso tempo, anche l’energia idrotermica può essere utilizzata nelle centrali idrotermiche, degli impianti di dimensioni medio/grandi che possono fornire energia termica a un certo numero di abitazioni situate nelle vicinanze. Questo tipo di impianti deve rispettare specifici requisiti tecnici e ambientali, come previsto dal Testo unico in materia ambientale (DL 152/2006), oltre a eventuali norme regionali, provinciali e comunali. Non bisogna dimenticare che l’utilizzo di acqua dolce a fini energetici è strettamente regolato dalla legge, per tutelare questa risorsa essenziale per la vita e la biosfera.

Energia Idroelettrica: Sfruttare la Forza dell'Acqua

Non bisogna confondere l’energia idrotermica con quella idroelettrica. Nel dettaglio, l’energia idrotermica prevede l’estrazione del calore superficiale dall’acqua, attraverso sistemi impiantistici come la pompa di calore che utilizzano l’energia termica dell’acqua per riscaldare, raffrescare e produrre acqua calda ad uso sanitario. Inoltre, non è necessario generare energia cinetica o meccanica. Nel secondo, invece, si utilizza la forza motrice dell’acqua per produrre energia elettrica o meccanica. Sia l’energia idrotermica che l’energia idroelettrica sono due fonti rinnovabili, ossia delle energie verdi, pulite e inesauribili con un basso impatto ambientale.

L’energia idroelettrica si produce sfruttando l’energia legata al movimento (cioè l'energia cinetica) di una massa d’acqua che cade da un’altezza più o meno grande. L’energia idroelettrica, anche detta idraulica, rientra tra i tipi di energia rinnovabile, dato che come abbiamo detto si crea grazie allo spostamento di masse d’acqua, e di energia alternativa, dato che non utilizza fonti fossili. Come fonte di energia è molto antica e molto utilizzata: rappresenta la prima fonte di energia rinnovabile in assoluto, con il 6,4% dell’energia primaria consumata nel mondo (Fonte BP - Statistical Review of World Energy- 2020); in Italia circa il 16% di energia elettrica deriva proprio dall’idroelettrico.

Come si produce l'energia idroelettrica?

Come riportato nell'illustrazione sottostante, a sinistra è presente il bacino artificiale - creato in questo caso grazie a una diga - mentre alla sua destra è presente una condotta forzata (in inglese "penstock") che sfrutta la gravità per far arrivare l'acqua alla centrale. Una volta giunta a valle, l'acqua è in grado di far ruotare una turbina (la cui tipologia varia a seconda dell'altezza del salto), generando corrente elettrica.

In realtà, esistono due tipologie di centrale idroelettrica:

• centrali a salto
• centrali ad acqua fluente

Nelle centrali a salto si sfruttano grandi altezze di caduta e sono caratterizzate da un bacino idrico più o meno grande - quello che tutti associamo al classico termine "diga", per intenderci. Il vantaggio di avere un bacino è quello di poter gestire la quantità di acqua da mandare alla centrale e, di conseguenza, la quantità di energia prodotta.

Nelle centrali ad acqua fluente non si utilizzano invece grandi salti ma piccoli dislivelli. Di solito questo tipo di impianto viene costruito direttamente lungo il corso di fiumi e per questo motivo la sua capacità di produrre energia è piuttosto stagionale. Se infatti il fiume è in magra o con una portata troppo bassa, la produzione di energia può ridursi o arrestarsi. Questo tipo di impianto ha sicuramente dei limiti legati proprio alla stagionalità ma, d'altra parte, costa tendenzialmente meno e ha un impatto ambientale potenzialmente minore rispetto alle centrali a salto.

Pro e contro dell'energia idroelettrica

Quali sono i vantaggi e gli svantaggi legati all'uso dell'energia idroelettrica? L’energia idroelettrica è rinnovabile e relativamente green: i suoi vantaggi in termini di contrasto al riscaldamento globale e all’inquinamento sono enormi. I costi di manutenzione sono relativamente bassi, e la tecnologia è affidabile e collaudata.

Tra gli svantaggi ci sono gli elevati costi di investimento e, soprattutto il possibile impatto ambientale anche grave. I danni ambientali, anche se controllati, non possono mai essere del tutto eliminati: creare un bacino lì dove non ce n’era uno porta come prima cosa una modifica degli ecosistemi locali. Secondariamente, deviano i corsi d’acqua da zone molto ampie a canali e invasi circoscritti, sottraendo in alcuni casi l’acqua a intere popolazioni, piante e animali degli ambienti circostanti.

Nel mondo ci sono circa 58 mila dighe che intercettano un sesto dell’acqua dei fiumi prima che vada in mare, e il numero delle dighe e degli impianti idroelettrici non fa che salire. Un esempio impressionante è la Diga delle Tre Gole cinese, che rappresenta una di circa 50mila sul fiume Yangtze (Yang et al., 2010). Possono anche esserci grosse conseguenze se non si realizzano studi adeguati del contesto idrogeologico in cui si creano le dighe, come nel caso del Vajont.

L'utilizzo dell'energia idroelettrica in Italia e nel mondo

L’acqua è una delle fonti di energia più antiche. Gli egizi, i greci e i romani usavano già l’energia cinetica dell’acqua per macinare il grano grazie a dei mulini, ma è solo con la calata degli arabi durante il Medioevo che in Europa si iniziò a utilizzare l’energia idroelettrica con più consapevolezza: grazie alla ruota idraulica si potevano irrigare i campi e bonificare le paludi.

La prima centrale idroelettrica al mondo è quella realizzata nel 1882 negli Stati Uniti, lungo il corso del Fox River nel Wisconsin. L’Italia non fu da meno: la prima centrale è stata inaugurata nel 1895 a Paderno d'Adda, in provincia di Lecco. La centrale più grande del mondo è, dal 2012, quella della diga delle Tre Gole in Cina: ha una capacità di generazione elettrica di 22.500 megawatt, è alta circa 180 metri e lunga circa 2mila, e il bacino che crea copre una superficie di oltre mille chilometri quadrati.

Per quanto riguarda l’Italia, vista la presenza di numerosi fiumi, laghi e alture, la costruzione di impianti idroelettrici è molto favorita: non a caso le nostre centrali sono per la maggior parte sull’arco alpino e su quello appenninico. Stando a un rapporto Althesys del 2019 ne abbiamo in tutto il Paese circa 4.300. La centrale idroelettrica più grande d’Italia è la Luigi Einaudi, nel comune piemontese di Entracque (provincia di Cuneo), di proprietà dell’Enel: è il più grande impianto italiano e uno delle più grandi in Europa. La centrale sfrutta due salti, Chiotas-Piastra e Rovina-Piastra.

In Italia è in crescita anche il “mini” idroelettrico, rappresentato da impianti di potenza ridotta, che comporta l'utilizzo di strutture molto più piccole di una diga normale, più sicure e che hanno un basso impatto ambientale e paesaggistico.

Impatto Ambientale dell'Energia Idroelettrica

Fonte di energia rinnovabile che sfrutta l’energia potenziale di una massa d’acqua in quiete, posta a una determinata quota altimetrica, e/o l’energia cinetica di una corrente, trasformandola in energia meccanica. Nei diversi contesti ambientali possono sussistere vari tipi di impianto i., sostanzialmente riconducibili a due categorie: a bacino e ad acqua fluente. Negli impianti a bacino, l’acqua trattenuta mediante uno sbarramento (diga) e raccolta in un bacino viene convogliata a valle, attraverso condotte forzate o canali. In alcuni impianti a bacino l’acqua viene riportata in quota nelle ore notturne, per mezzo di pompe. Gli impianti ad acqua fluente sono costituiti da una traversa che preleva e devia l’acqua del fiume verso la centrale; tali impianti richiedono portate tendenzialmente costanti.

Molte condizioni che avevano favorito nel 20° sec. il forte sviluppo dell’i., spesso accoppiato con l’utilizzo irriguo delle acque restituite, sono profondamente cambiate. Occorre affrontare il problema della drammatica riduzione quali-quantitativa delle risorse idriche, dell’aumento generalizzato del fabbisogno d’acqua e degli effetti del cambiamento climatico, con il relativo aumento della temperatura e l’insorgenza di frequenti eventi estremi. La domanda idrica, divenuta maggiore e più variabile nel tempo, si scontra con episodi di grave scarsità di acqua per i diversi usi, compresi quelli agricoli e industriali, derivanti dalla minore ricarica delle falde, dalla più scarsa portata dei corsi d’acqua e dai maggiori fenomeni di evaporazione.

A livello locale gli impatti dell’i. sull’ambiente possono essere rilevanti. La riduzione della portata in alveo dovuta ai prelievi può diminuire in modo drastico l’energia idrica e alterare il naturale assetto morfologico del corso d’acqua. La riduzione delle portate modifica i processi di scambio tra falde e acque superficiali, interrompendo la continuità longitudinale e laterale del corpo idrico. La drastica riduzione del trasporto solido negli alvei sottesi dai serbatoi priva il sistema fluviale della naturale alimentazione di materiali lapidei e sabbiosi e concorre ad aggravare i processi erosivi delle aree costiere. La riduzione della portata produce infine severi effetti negativi sulle componenti biologiche degli ecosistemi acquatici.

Per evitare gravi squilibri, la realizzazione di ogni nuovo impianto i. deve rientrare nella previsione dei piani di bacino, coerentemente con il mantenimento del bilancio idrico del bacino idrografico (d. legisl. 152/2006). Una parziale mitigazione degli effetti negativi è rappresentata dall’obbligo, per i gestori degli impianti i., di rilasciare sistematicamente in alveo una certa quantità di acqua: il Deflusso Minimo Vitale (DMV), previsto da numerose leggi e definito come «portata istantanea da determinare in ogni tratto omogeneo del corso d’acqua, tale da garantire la salvaguardia delle caratteristiche fisiche del corpo idrico, chimico-fisiche delle acque nonché il mantenimento delle biocenosi tipiche delle condizioni naturali locali».

L’i. rappresenta in Italia la principale fonte energetica rinnovabile, coprendo circa il 17% della generazione totale di energia elettrica. Il Piano di azione nazionale per le energie rinnovabili, emesso dal ministero dello Sviluppo economico nel 2010 (direttiva 2009/98/CE), che fissa gli obiettivi da raggiungere al 2020, prevede per l’i. un apporto stabile. Tale stabilità sconta l’attesa di una rilevante riduzione dell’energia i. prodotta dai grandi impianti a serbatoio, in generale vetusti, soggetti all’interrimento e tenuti parzialmente vuoti per l’uso antipiena, e lo sviluppo di impianti medio-piccoli, con potenza compresa tra 1 e 10 MW: si tratta del cosiddetto m.-idrico.

Le opinioni sul ruolo e la convenienza del m.-i. sono discordanti. I favorevoli si basano sulla constatazione che esso, non privando l’alveo dell’acqua, produce un minore impatto sull’ambiente. I contrari, che comprendono associazioni ambientaliste e molti attori locali, ritengono che l’intensivo sfruttamento i. del 20° sec. abbia reso più vulnerabile l’ambiente montano e che, ‘ingessando’ ulteriormente e diffusamente gli alvei, la situazione potrebbe gravemente peggiorare.

Tabella Riassuntiva: Energia Idroelettrica in Italia

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