Micro Turbine Idrauliche: Funzionamento e Tipologie
L’energia idroelettrica è una delle fonti rinnovabili più affidabili e sostenibili. 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. Con lo sviluppo delle Comunità Energetiche in Italia, sta emergendo la necessità di generare energia, soprattutto elettrica, in tutti i modi possibili. Questa tecnologia è ideale per comunità energetiche, aziende agricole e zone isolate. Ma come funziona? Quali sono i vantaggi e gli incentivi disponibili?
Il principio su cui si basa la produzione delle centrali idroelettriche è la trasformazione dell’energia potenziale posseduta da una massa di acqua per effetto della gravità, in energia meccanica e, successivamente, in energia elettrica. 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 turbina idraulica è il componente più importante di un impianto idroelettrico. La turbina idraulica è il fulcro centrale di questa tipologia di impianto in grado di favorire il passaggio da energia potenziale in energia meccanica.
Tipologie di Impianti Idroelettrici
Fra gli impianti ad acqua fluente è possibile distinguere diverse tipologie in funzione delle portate che derivano e dei salti che sfruttano. Impianti ad acqua fluente, che non godono di una capacità di regolazione. Impianti a deflusso regolato, che possono regolare le acque tramite un serbatoio di regolazione giornaliero, settimanale o mensile.
Nella categoria del micro idroelettrico, rientrano tutti gli impianti alimentati idroelettrici di potenza elettrica non superiore ai 100 kW. Nella stessa categoria si può inserire l’ancora più ridotto pico idroelettrico, che comprende impianti di potenza inferiore a 5 kW, con utilizzi di salti di pochi metri d’acqua e con un minimo di 0,5 litri d’acqua al secondo. Spesso si tratta di impianti di potenza anche inferiore ai 5 kW, che rientrano quindi più propriamente nella categoria del "pico idroelettrico".
Il micro idroelettrico è caratterizzato da un limitato impatto ambientale, dal momento che l’impianto non comporta di norma limitazioni o modifiche all’utilizzo prevalente del corso d’acqua (irrigazione, usi potabili, pesca, ecc.). Nel nostro Paese esistono una serie di utenze isolate dalla rete che potrebbero trarre grande beneficio dall’installazione di microcentrali idroelettriche alimentate da piccoli corsi d’acqua, per esempio piccole comunità isolate, fattorie, rifugi montani, agriturismi, alpeggi, ecc.
Altri elementi importanti da tenere in considerazione già in fase progettuale sono la natura e la conformazione del terreno e del corso d’acqua e l’eventuale preesistenza di sistemi idraulici (come, ad esempio, i vecchi mulini abbandonati), che possono essere riconvertiti in micro centrali a condizioni vantaggiose.
Classificazione delle Turbine Idrauliche
Diverse sono le classificazioni esistenti per le turbine. Secondo questo criterio, le turbine idrauliche si suddividono in turbine radiali (centripete) e a flusso misto (turbine Francis), assiali a pale fisse o mobili (Kaplan) e ruote tangenziali (Pelton). In base a questo criterio le motrici idrauliche possono essere inoltre suddivise in motrici ad asse orizzontale o verticale, a vena (o camera) libera o chiusa, semplici o pluristadio. Secondo questo criterio le turbine sono classificate in base al salto motore o, preferibilmente, al numero di giri caratteristico.
È un criterio basato sul grado di reazione, vale a dire sulla quantità dell'energia messa a disposizione della macchina che è trasformata in energia cinetica nel distributore o a cavallo della girante. Se tutto il salto motore è trasformato in energia cinetica nel distributore, la macchina è detta ad "azione", a "reazione", invece, quando il salto è trasformato in parte nel distributore ed in parte nella girante. A pari velocità periferica, le macchine ad azione forniscono i lavori maggiori o a pari lavoro fornito, richiedono le minori velocità periferiche.
- Turbine in azione, laddove la trasformazione da potenziale a cinetica avviene nel passaggio attraverso un ugello che provoca un restringimento rispetto al diametro della condotta forzata.
- Turbine a reazione, con l’energia dell’acqua in uscita dal distributore che diventa in parte cinetica e in parte a pressione.
Le turbine maggiormente utilizzate nel micro idroelettrico sono principalmente le Pelton e le Banki o Cross-Flow, ideali per portate d’acqua limitate.
Turbina Pelton
La turbina Pelton è una turbina ad azione, adatta ad impianti con salto fino a qualche centinaio di metri. Le turbine Pelton vengono utilizzate soprattutto nei bacini idroelettrici alpini, per salti d’acqua medio alti che vanno dai 50 ai 1200 metri. Microturbina Pelton Si tratta di una turbina ad azione, utilizzata comunemente negli impianti con salti notevoli (dai 20 ai 200 metri), ma con portate d’acqua anche limitate (da 0,5 a 100 litri a secondo). Disponibile in una vasta gamma di taglie e nelle versioni ad asse orizzontale e verticale, la microturbina Pelton è caratterizzata da pale a doppio cucchiaio realizzate in acciaio inox. Essendo in grado di adattarsi anche a portate limitate, la Pelton è la turbina in assoluto più utilizzata nei micro e nei mini impianti idroelettrici.
Turbina Banki (Cross-Flow)
Microturbina Banki Conosciuta anche come Cross-Flow o a flussi incrociati, la microturbina Banki è adatta per salti d’acqua che vanno dai 5 ai 100 metri e per portate da 20 a 1000 litri al secondo. Si tratta di una particolare turbina a due stadi, che consente cioè una doppia azione dell’acqua sulle pale. L'acqua viene prima indirizzata dal distributore verso la periferia esterna della ruota, imprimendo la rotazione. La trasmissione del movimento del girante al generatore avviene grazie ad una cinghia dentata. Particolarmente interessante è la possibilità di abbassare la portata (fino al 16% della nominale), mantenendo costante il rendimento elettrico, che si attesta attorno all’87%. Vantaggi e svantaggi delle turbine a flusso incrociato sono simili a quelli delle turbine Pelton, fatta eccezione per un minor rendimento.
Turbina Francis
Nonostante ciò nelle applicazioni a piccola scala vengono utilizzate turbine tipo Francis, adatte a medi salti (da una decina a qualche centinaio di metri). La turbina Francis è classificabile come “miniturbina” (ma non “microturbina”), dal momento che è adatta per potenze di almeno 100 kW. E’ in grado di sfruttare salti d’acqua che vanno indicativamente da 10 a 350 metri. Si tratta di una turbina a reazione, in cui cioè l’acqua che attraverso il distributore giunge alla girante, si trova in pressione e non viene a contatto con l’aria esterna. Le turbine Francis sono molto diffuse e sfruttano il dislivello d’acqua compreso tra una decina e qualche centinaio di metri.
Turbina Kaplan e ad 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. In alcuni casi possono essere regolate sia le pale della girante che quelle del distributore: in questo caso si parla di Kaplan “a doppia regolazione”. Esiste una variante semplificata della turbina Kaplan: si tratta della turbina "ad elica". Le turbine ad elica hanno la caratteristica di avere sia il distributore che le pale della ruota completamente fisse e non regolabili.
Studio di Fattibilità e Autorizzazioni
Come ogni centrale idroelettrica, la realizzazione di un piccolo idroelettrico richiede naturalmente un opportuno studio di fattibilità. Uno dei dati più rilevanti è la curva di durata del flusso d’acqua. Un calcolo che aiuta a valutare la convenienza edizione è la curva FDC (Flow Duration Curve). La FDC è una curva di Pareto che confronta la portata quotidiana di un fiume rispetto alla frequenza.
Dal punto di vista autorizzativo, uno dei requisiti principali è il possesso della “Concessione di derivazione di acque pubbliche superficiali per uso idroelettrico“. Il Dm 10 settembre 2010, in cui venivano tracciate le Linee guida nazionali, prevede una serie di semplificazioni autorizzative per la realizzazione di impianti idroelettrici di piccola taglia.
Incentivi e Ammortamento
I tempi di ammortamento di un investimento economico nel micro idroelettrico sono nell’ordine dei 15-20 anni per impianti di potenza compresa tra i 10 e i 100 kW. Per impianti di taglia inferiore ai 10 kW, i tempi di ammortamento possono scendere anche sotto i 10 anni.
Il micro idroelettrico, come tutti gli altri impianti da fonte rinnovabile di piccola taglia, è soggetto ad una distinzione in base alla soglia di potenza dei 20 kW. La legge 133/99 (art. Nell’individuazione delle forme di incentivazione di un impianto micro idroelettrico occorre quindi fare riferimento a due diversi regimi, cui tra l’altro corrispondono differenti finalità e benefici.
Secondo quanto previsto dal Dm 6 luglio 2012, l’elettricità prodotta da impianti idroelettrici fino a 1 MW, entrati in esercizio in data successiva al 1° gennaio 2013, ha diritto a beneficiare del meccanismo incentivante della Tariffa onnicomprensiva o in alternativa al servizio di Scambio sul posto (fino a una potenza massima di 200 kW). La Tariffa onnicomprensiva consiste nel riconoscimento di 0,257 € per ogni KWh di elettricità netta prodotto e immesso nella rete elettrica da impianti inferiori a 20 kW e 0,219 € da impianti tra 20 e 500 kW. I micro impianti idroelettrici fino a 200 kW di potenza possono, in alternativa alla Tariffa onnicomprensiva, richiedere il servizio di Scambio sul posto.
Parlando di micro idroelettrico non si può fare a meno di citare l’arrivo imminente di nuovi incentivi previsti dal Decreto FER-X per il sostegno della produzione elettrica di impianti da rinnovabili “con costi vicino alla competitività di mercato”. Ribattezzato “Transitorio” perché introduce un regime di sostegno per le fonti rinnovabili da 9,7 miliardi di euro individuando i contingenti totali disponibili - pari a 23,65 GW totali - per il solo 2025. Per gli impianti fino ad 1 MW è previsto un contingente di 3 GW. Per gli impianti con potenza inferiore a 200 kW, il GSE provvede direttamente al ritiro e alla vendita dell’energia elettrica, erogando sulla produzione netta immessa in rete il prezzo di aggiudicazione in forma di tariffa omnicomprensiva.
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