Piccole Turbine Idrauliche: Funzionamento e Tipologie

La turbina idraulica è il fulcro centrale di questa tipologia di impianto in grado di favorire il passaggio da energia potenziale in energia meccanica. 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.

Tipologie di Turbine Idrauliche

Diverse sono le classificazioni esistenti per le turbine:

Turbine ad azione, laddove la trasformazione da potenziale a cinetica avviene nel passaggio attraverso un ugello che provoca un restringimento rispetto al diametro della condotta forzata. Nelle turbine ad azione l’energia cinetica del fluido viene incrementata esclusivamente nel distributore e poi il fluido viene utilizzato per far muovere la girante.
Turbine a reazione, con l’energia dell’acqua in uscita dal distributore che diventa in parte cinetica e in parte a pressione. Nelle turbine a reazione l’energia cinetica del fluido viene incrementata anche o esclusivamente nel rotore.

Inoltre, si possono distinguere gli impianti in base alla regolazione del flusso d'acqua:

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.

Turbina Pelton

La turbina Pelton è tipo di turbina ad azione attualmente più utilizzato. 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.

In pratica l’acqua viene incanalata in una condotta forzata, al termine della condotta è presente un’ugello regolabile. L’ugello è costruito in modo tale da avere al suo interno una spina di regolazione, che consente di variare la portata dell’ugello. 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.

Le turbine maggiormente utilizzate nel micro idroelettrico sono principalmente le Pelton e le Banki o Cross-Flow, ideali per portate d’acqua limitate. La turbina Pelton è una turbina ad azione, adatta ad impianti con salto fino a qualche centinaio di metri. È adatta per installazioni a basso e medio salto, da pochi metri in su, e portate da 20 a 1000 l/s circa, è utilizzata esclusivamente in impianti di piccola potenza.

Turbina Kaplan

Il principio di funzionamento di una turbina di tipo Kaplan è quello dell’elica di una nave. La turbina a bulbo è un tipo di turbina appartenente alla famiglia delle Kaplan, molto semplice in quanto è inserita direttamente nella condotta e non necessita di distributore. Viene impiegata su dislivelli ridotti (qualche metro).

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). FRANCIS sono turbine della famiglia “a reazione”.

Turbina Banki (Cross-Flow)

Vantaggi e svantaggi delle turbine a flusso incrociato sono simili a quelli delle turbine Pelton, fatta eccezione per un minor rendimento.

Turbina Ghatta

La turbina Ghatta è una turbina ad asse verticale solitamente usata per azionare direttamente macchine utensili o mulini.

Còclea Idraulica

La còclea idraulica è conosciuta fin dall’antichita, come ruota o chiocciola di Archimede. Nuovo è il brevetto di utilizzazione della chiocciola di Archimede (invertendo il processo originario) per realizzare una turbina idroelettrica.

Turbine Idroelettriche per Correnti Marine

Le turbine idroeletriche per lo sfruttamento delle correnti marine sono derivate dalla tecnologia utilizzata per l’eolico. Infatti sono composte da gigantesche pale collegate meccanicamente al generatore elettrico.

Micro Idroelettrico: Aspetti Autorizzativi ed Economici

Nota bene: dal punto di vista autorizzativo, uno dei requisiti principali è il possesso della Concessione di derivazione di acque pubbliche superficiali per uso idroelettrico. Spesso si tratta di impianti di potenza anche inferiore ai 5 kW, che rientrano quindi più propriamente nella categoria del "pico idroelettrico". La legge 133/99 (art. 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.

Non è facile fare una stima dei costi per un impianto micro idroelettrico poiché ci sono numerose variabili in gioco. La principale incognita è legata alle opere civili (canali di presa, opere di sbarramento, ecc.), che nella determinazione del costo complessivo spesso incidono per il 50%, ben più della parte meccanica ed elettrica. 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.

Incentivi per il Micro Idroelettrico

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. 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.

Vantaggi del Micro Idroelettrico

La fonte idroelettrica ha una particolare caratteristica che la differenzia dalla maggior parte delle altre fonti rinnovabili. Grazie ai moderni sistemi di controllo e regolazione, l'elettricità (in corrente continua) inviata alle utenze viene istantaneamente adeguata alla richiesta elettrica delle utenze stesse. Un'interessante opzione impiantistica consiste nello sfruttare l'energia in surplus, per alimentare resistenze elettriche in grado di riscaldare l'acqua calda per usi sanitari e per il riscaldamento.

Questo tipo di tecnologia comporta numerosi vantaggi per chi lo realizza. Non solo: anche dal punto di vista ambientale la realizzazione di un impianto micro idroelettrico è da considerarsi piuttosto utile.

Grazie a sistemi di automazione e di controllo a distanza, le micro centrali non necessitano di personale dedicato a tempo pieno.

Fattori Determinanti per la Realizzazione di un Impianto Micro Idroelettrico

Come ogni centrale idroelettrica, la realizzazione di un piccolo idroelettrico richiede naturalmente un opportuno studio di fattibilità. Altri elementi importanti sono la natura e la conformazione del terreno e del corso d'acqua e l'eventuale pre-esistenza di sistemi idraulici o vecchie centrali.

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.

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