Chi Ha Inventato la Turbina Idraulica: Storia e Sviluppo
Fin dalle origini, quella idroelettrica è stata ed è ancora, fra le più importanti e primissime fonti di energia rinnovabile al mondo. Tra le fonti green, ovvero tra le forme di energia rinnovabile, oltre all'energia eolica e a quella fotovoltaica, troviamo l'energia idroelettrica. L’energia ottenuta dall'acqua si annovera tra le più antiche fonti di energia rinnovabile.
Già nel 2000 a.C. i Sumeri, popolazione della Mesopotamia (ora Iraq) avevano modificato i corsi d’acqua per agevolare l’agricoltura, e gli Egizi, con il Nilo come fonte principale di vita, di scambi e commercio, scoprirono come l’acqua potesse essere utilizzata anche come fonte di energia. È, infatti, con l'invenzione della ruota idraulica, posta in fiumi e correnti, che trasformava l’energia cinetica in energia meccanica, che il movimento dell’acqua venne utilizzato presto e si diffuse dall'Asia Minore all'Impero Romano, antica Grecia e India.
Gli Arabi, poi, nel Basso Medioevo, migliorarono questa tecnica per ampliarne l’uso: dall'irrigazione di campi alle bonifiche di zone paludose. Nel Medioevo fecero seguito innovazioni ingegneristiche per quanto riguarda le ruote ad acqua, ma la rivoluzione nel campo dell’energia idrica arriva nel XIX secolo.
Nell‘800 venne inventata la maniera di conservare l’energia elettrica e sfruttarla, nacquero le prime centrali idroelettriche e, attraverso l’invenzione delle turbine Francis, Pelton e Kepler (1913), si aumentò l’energia prodotta creando le prime centrali di energia idroelettrica. La prima centrale fu costruita nel 1879 negli Stati Uniti, presso le cascate del Niagara.
Sviluppo Tecnico delle Macchine Idrauliche
Lo sviluppo dell’energia idroelettrica è stato accompagnato, dalla seconda metà del XIX secolo fino all’inizio del XX secolo, dall’invenzione di diverse tipologie di turbine, utilizzate ancora oggi. Il passaggio dalla ruota idraulica alla turbina è più che altro semantico.
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.
La Ruota Idraulica
La ruota idraulica sfruttava l'energia meccanica mediante una ruota a pale immersa per metà nel fiume. La potenza prodotta era di circa 0,5 cavalli. Una ruota idraulica ad asse verticale (quindi con rotazione su un piano orizzontale) fu descritta per la prima volta nel I secolo a.C. La ruota utilizzava la corrente d'acqua e costituiva quindi un esempio di "ruota per disotto".
Il britannico John Smeaton progettò ruote per disotto con palette curve, che aumentavano il rendimento di circa il 70%. La ruota idraulica era realizzata in legno con un rendimento massimo di circa 50 cavalli. La ruota idraulica era molto diffusa nell'Europa antica e medievale per la macinazione del grano, e trovava impiego anche nelle industrie tessile, conciaria e meccanica.
Turbina Francis
Nel 1848, James B. Francis, un ingegnere inglese trasferitosi negli USA, inventò una turbina con il 90% di efficienza (denominata turbina Francis). Si tratta di una turbina a flusso centripeto, nella quale cioè il flusso era diretto verso l'interno. Le turbine Francis sono molto diffuse e sfruttano il dislivello d’acqua compreso tra una decina e qualche centinaio di metri. Sono molto usate per salti d'acqua (o dislivelli) da 10 a 100 m.
Il distributore vero e proprio, solitamente con pale regolabili, indirizza invece l’acqua verso le palette della girante. Le turbine Francis permettono un elevato rendimento sia con portate massime che con portate minime. In base alla potenza, possono essere considerate piccole, medie e grandi.
Turbina Pelton
Nel 1880 venne brevettata la “ruota Pelton”, una turbina ad acqua a impulsi, opera del carpentiere statunitense Lester Allan Pelton. Le turbine Pelton vengono utilizzate soprattutto nei bacini idroelettrici alpini, per salti d’acqua medio alti che vanno dai 50 ai 1200 metri.
Il distributore a più getti consente la migliore regolazione della portata allo scopo di ottimizzare l’efficienza energetica dell’intera macchina. La Pelton è usata nelle centrali realizzate su grandi dislivelli e con portate di acqua intorno ai 50 metri cubi al secondo, così da ottenere alta velocità.
Turbina Kaplan
Nel 1913 il Professore austriaco Viktor Kaplan sviluppò una turbina caratterizzata da un’elica con pale regolabili, che fu realizzata per un'industria tessile della Bassa Austria. Kaplan, si può aggiungere la variazione del passo delle pale dell'elica. 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.
La Kaplan è una turbina di tipo assiale, ossia il flusso dell’acqua che entra fa girare le pale dell’elica ed esce dalla turbina in ‘direzione assiale’ rispetto all’asse di rotazione della ruota girante. La Kaplan è una turbina ad ottimo rendimento in qualsiasi condizione del bacino: sia in presenza di piccoli dislivelli e sia con portate più importanti, a partire dai 200 metri cubi al secondo. Si ricorre sempre più al “mini” idroelettrico, rappresentato da impianti di taglia inferiore ai 500 kW, che hanno un minore impatto ambientale e necessitano di investimenti più contenuti rispetti alle centrali “classiche”.
Possono essere costruite con l’asse verticale, orizzontale o inclinato, nonché in camera asciutta o bagnata. Con la doppia regolazione si possono ottenere maggiori vantaggi, sia sulla modulazione delle portate che sulle prevalenze. La plausibile regolazione avviene con l’impiego di azionamenti a velocità variabile.
Altre Turbine
Le turbine a Bulbo sono ricavate dalle turbine Kaplan e risultano molto più semplici. Vengono solitamente utilizzate su livelli di qualche metro. Le turbine a Vite idraulica o Coclea sono conosciute anche come ruota di Archimede. Le Mini turbine sono la soluzione ideale per disporre di energia elettrica soprattutto nelle zone non asservite dalla rete di distribuzione.
Il Settore Idroelettrico in Italia e in Europa
Lo sviluppo del settore idrolettrico in Italia e in Europa. In Italia, la presenza di numerosi corsi d’acqua e la strutturale carenza di carbone come fonte energetica, fecero sì che, fin da subito, l’energia idroelettrica diventasse un’importante fonte di approvvigionamento energetico.
Nel 1895 venne attivata la prima grande centrale idroelettrica a Paderno d’Adda da Edison, società nata nel 1884 dal Comitato di Giuseppe Colombo, che aveva già creato nel 1883 a Milano la prima centrale termica destinata a illuminare la città. Ad oggi, l’energia ottenuta dalle centrali idroelettriche italiane copre il 15% dell’intera produzione nazionale e costituisce il 40% di quella pulita.
Tuttavia, l’Italia si colloca al quarto posto per energia idroelettrica generata in Europa, subito dopo Norvegia, Svezia e Francia. In Italia la potenza installata ha raggiunto i 18900 MW. In Europa la potenza complessiva di rinnovabili installata ha raggiunto i 650.000 MW e l’idroelettrico rappresenta il valore più alto tra le fonti rinnovabili, avendo raggiunto i 222.000 MW.
Come Funziona una Centrale Idroelettrica?
L’energia idroelettrica si basa su due elementi essenziali: l’acqua (laghi, fiumi) e la forza di gravità. Per sfruttare l’acqua producendo energia elettrica è necessario racchiuderla all’interno di un bacino idrico, di solito un lago artificiale protetto da una diga posta a monte che forma uno sbarramento che impedisce all'acqua di scendere a valle in modo naturale.
Una serie di grandi condotte ha il compito di convogliare l’acqua a grande velocità fino a valle, dove la centrale vera e propria ospita le turbine. Grazie al dislivello creato dal percorso delle condotte, l’acqua aumenta progressivamente la sua energia e, una volta nella centrale, mette in movimento le turbine che, collegate meccanicamente ad un alternatore, producono energia elettrica.
A quel punto l’elettricità viene fatta passare in un trasformatore, che abbassa l’intensità della corrente e innalza la tensione per favorirne l’immissione nella rete. Gli impianti idroelettrici possono essere ad acqua fluente (posizionati sul corso d'acqua), a bacino (l'acqua è raccolta in un bacino) oppure ad accumulo (in tal caso, l'acqua viene portata in quota con l'ausilio di pompe).
La turbina è un elemento chiave delle centrali idroelettriche. Raccoglie l'energia cinetica dell’acqua e la trasforma in energia meccanica. Si tratta di un dispositivo in grado di trasformare l'energia cinetica dell'acqua in energia meccanica. Un elemento imprescindibile delle centrali idroelettriche, dal rendimento molto elevato: si stima che le turbine siano in grado di convertire in energia meccanica oltre il 90% dell'energia cinetica dell'acqua che intercettano.
Innanzitutto serve un bacino d'acqua creato da uno sbarramento artificiale (diga): da qui, attraverso una condotta forzata, l'acqua a grande velocità fa girare una turbina idraulica che attraverso un generatore e un trasformatore produce energia elettrica.
La turbina serve a convertire l’energia cinetica dell’acqua, ossia la forza legata al movimento. È costituita da due diverse parti: un distributore che serve a regolare il flusso d'acqua che entra nella turbina e una ruota (detta anche girante), installata per trasferire l’energia cinetica sottratta all’acqua all’albero su cui è montata la ruota.
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