Ruota idraulica vs Turbina: Differenze e confronto

L’uso dell’acqua come fonte di energia è un ottimo esempio per dimostrare la capacità e l’ingegno umano nell’adattare la tecnologia alle risorse naturali disponibili e riuscire così a soddisfare efficacemente le esigenze energetiche di una popolazione. L’energia idrica oggi è un pilastro tra le fonti rinnovabili e gioca un ruolo fondamentale nella produzione di elettricità a livello mondiale.

Che cos’è l’energia idroelettrica?

L’idroelettrico è una forma di energia rinnovabile ottenuta sfruttando la forza dell’acqua in movimento, proveniente per esempio da fiumi o corsi d’acqua, per generare elettricità. Provando a semplificare la definizione di energia idroelettrica, si tratta di un processo che sfrutta il potenziale energetico dei moti che si generano nell’acqua per convertirla in energia elettrica utilizzabile.

Come funziona una centrale idroelettrica?

Come funziona una centrale idroelettrica è presto detto: l’impianto sfrutta la forza cinetica dell’acqua in movimento o l’energia potenziale dell’acqua rialzata. Il funzionamento di una centrale idroelettrica è certamente complesso, ma i suoi principali passaggi sono:

Cattura dell’acqua → L’acqua viene raccolta da un fiume o da un bacino idrico.
Canalizzazione → Successivamente viene convogliata attraverso un condotto o una tubazione.
Conversione dell’energia → L’acqua in movimento fa girare le pale di una turbina collegata a un generatore elettrico.
Generazione elettrica → La turbina genera elettricità mentre ruota.
Trasmissione → L’energia elettrica prodotta viene trasmessa attraverso linee elettriche per l’uso nelle case e nelle industrie.

La produzione di energia idroelettrica è considerata una forma sostenibile, poiché non produce emissioni di gas serra dirette e si basa su una risorsa naturale abbondante, l’acqua. Tuttavia, la costruzione delle centrali, ma anche delle dighe, può avere impatti ambientali e sociali significativi, che non vanno sottovalutati.

Acqua ed energia, la storia dell’idroelettrico

L’uso dell’acqua come fonte energetica e dell’idroelettrico risale a millenni fa e riflette la creatività umana nello sfruttare le risorse naturali per generare potenza. I mulini ad acqua, utilizzati per macinare cereali o svolgere altre attività manuali, sono il primo esempio di applicazione di idroelettrico già ai tempi degli egizi. Gli antichi Romani avevano una vasta rete di acquedotti e utilizzavano la forza dell’acqua per pompare l’acqua nelle città.

Al Rinascimento risale l’invenzione di dispositivi come la ruota idraulica, che consentiva di sfruttare meglio l’energia proveniente dall’acqua. Di questo periodo sono anche i primi esperimenti con le pompe idrauliche e le turbine. La Rivoluzione Industriale del XIX secolo diede una forte accelerata alla domanda di energia. È in questo momento che vengono costruite le centrali idroelettriche, necessarie per alimentare le fabbriche e le prime reti elettriche.

Una delle prime centrali idroelettriche fu costruita a Fox River, Wisconsin, nel 1882. Nel XX secolo, l’energia idroelettrica divenne a tutti gli effetti una fonte di energia elettrica sempre più diffusa in tutto il mondo. Oggi, l’idroelettrico è una delle fonti di energia rinnovabile più utilizzate e in cui si concentrano gli investimenti di molti Paesi, soprattutto per applicare nuove tecnologie e soluzioni innovative, come le continue centrali a pompaggio, per la gestione dell’energia idroelettrica.

I diversi tipi di centrali idroelettriche

Uno dei principali metodi di classificazione delle centrali idroelettriche si basa sul tipo di flusso d’acqua e sulla modalità di sfruttamento dell’energia. I principali tipi di centrali sono:

Ad acqua fluente

Queste centrali sfruttano il flusso naturale dell’acqua per far girare le turbine. Gli impianti idroelettrici di piccola scala, noti come piccoli idroelettrici, hanno una capacità di produzione di energia elettrica che di solito va da 100 kilowatt a 1 megawatt. Gli impianti mini idroelettrici sono di dimensioni leggermente più grandi rispetto a quelli piccoli, con una capacità che va da 1 a 10 megawatt. Gli impianti micro idroelettrici sono i più piccoli tra i tre, con una capacità che di solito va da pochi kilowatt a meno di 100 kilowatt. Sono adatti per applicazioni locali, come l’alimentazione di una singola abitazione, una fattoria o un piccolo impianto industriale. Sono molto flessibili e hanno un minimo impatto ambientale.

Schema centrale idroelettrica

Una centrale idroelettrica comprende vari componenti, tra cui la diga, il serbatoio o il fiume, la turbina, il generatore e il sistema di trasmissione. Riassumiamo in questo schema una centrale geotermica:

Diga: Viene costruita per accumulare acqua e creare un serbatoio o bacino idrico. La differenza di quota tra il livello dell’acqua nel serbatoio e la base delle dighe idroelettriche rappresenta la forma di energia potenziale che può essere convertita in elettricità.
Serbatoio o bacino idrico: Agisce come una sorta di “riserva”, consentendo di accumulare una grande quantità di acqua in modo controllato. L’acqua rilasciata dal serbatoio scorre attraverso il condotto verso la turbina.
Condotto forzato o canale: È il tubo che trasporta l’acqua dal serbatoio alla turbina, progettato per massimizzare la pressione dell’acqua e la sua velocità prima di raggiungere la turbina, il che aumenta l’efficienza del processo.
Turbina: È un dispositivo meccanico composto da pale o palette collegate a un albero rotante. L’acqua in movimento ad alta velocità entra nella turbina idroelettrica e fa girare le pale, convertendo l’energia cinetica dell’acqua in energia meccanica.
Generatore: La turbina è collegata all’albero di un generatore. Quando la turbina gira grazie all’acqua in movimento, gira anche l’albero del generatore, creando un campo magnetico che genera energia elettrica per il principio di induzione elettromagnetica.
Trasformatore: Viene utilizzato per aumentare o abbassare la tensione, a seconda delle esigenze, prima che l’energia venga trasmessa lungo le linee elettriche per l’uso in abitazioni, industrie e altre applicazioni.
Linee di trasmissione: L’energia elettrica viene inviata attraverso una rete di linee elettriche a diverse destinazioni. Queste linee trasportano l’energia dove c’è bisogno.

Energia idroelettrica: vantaggi e svantaggi

L’energia idroelettrica presenta numerosi vantaggi, tra cui l’affidabilità, la riduzione delle emissioni di gas serra e l’efficienza energetica. Tuttavia, ci sono anche svantaggi, come l’impatto ambientale causato dalla costruzione di dighe e la dipendenza dalle risorse idriche.

VANTAGGI	SVANTAGGI
Fonte rinnovabile: L’acqua è una risorsa naturale abbondante che non si esaurisce facilmente.	Impatto ambientale: La costruzione di dighe e centrali può avere un impatto significativo sull’ecosistema fluviale e sulla vita acquatica.
Emissioni ridotte: La produzione di energia idroelettrica non produce emissioni dirette di gas serra o inquinanti atmosferici.	Reservoirs: La creazione di serbatoi può allagare vaste aree di terreno, causando la perdita di habitat e la necessità di ricollocare le comunità locali.
Efficienza energetica: Le centrali idroelettriche possono essere altamente efficienti nella conversione dell’energia dell’acqua in elettricità.	Dipendenza dalle risorse idriche: La disponibilità d’acqua può variare stagionalmente e da regione a regione, influenzando la produzione energetica.
Flessibilità: Le centrali a pompaggio consentono di immagazzinare energia per l’uso futuro, contribuendo a gestire la domanda energetica.	Rischio geologico: Le dighe possono essere soggette a rischi come frane o terremoti, che potrebbero comprometterne la sicurezza.
Sostenibilità a lungo termine: Con una gestione appropriata, le centrali idroelettriche possono fornire energia in modo sostenibile per molti decenni.	Impatto sulla migrazione dei pesci: Le centrali idroelettriche possono ostacolare il movimento dei pesci lungo i fiumi e verso i mari.

Come funziona una centrale idroelettrica

Fondamentalmente, una moderna centrale idroelettrica è composta da un bacino idrico, una diga, condotte forzate, turbine e generatori. Il bacino immagazzina il "carburante" e consente agli operatori di controllare quanta acqua viene alimentata alle turbine. Serve anche come bacino di decantazione: la maggior parte dello sporco e dei detriti nell'acqua si depositano sul fondo e lontano dalla zona di aspirazione.

L'acqua proveniente dal bacino viene convogliata alle turbine attraverso un ingresso (diga a saracinesca) e una condotta forzata. Un sistema di filtraggio in ingresso pulisce ulteriormente l'acqua per garantire che sia relativamente priva di solidi sospesi, che potrebbero danneggiare le pale della turbina. I sistemi idraulici (il regolatore, i freni, i comandi della saracinesca e così via) lavorano insieme per aprire e chiudere le saracinesche che consentono all'acqua di fluire a valle del bacino.

La ruota idraulica del passato si è evoluta nella moderna turbina. A differenza della forma e della configurazione della pala, i tre principali tipi di turbina sono la Francis, la Kaplan e la Pelton, che prendono il nome dai loro inventori. Indipendentemente dal tipo di progettazione, la turbina converte l'energia cinetica del movimento o della caduta dell'acqua in energia meccanica. La turbina è collegata attraverso l'albero al rotore di un generatore che converte l'energia meccanica in elettricità. Per la massima efficienza, le turbine sono realizzate su misura per ogni impianto idroelettrico.

Mentre i concetti di energia idroelettrica sono semplici e diretti, il funzionamento è tutt'altra cosa. Ogni moderna centrale idroelettrica si basa su una moltitudine di sistemi complessi che monitorano, controllano e migliorano le condizioni per garantire il corretto funzionamento. I cuscinetti e i sistemi di lubrificazione minimizzano l'attrito e l'usura delle parti in movimento. I filtri intrappolano il particolato che può abradere le pale della turbina. Potenti sistemi idraulici aprono e chiudono le saracinesche.

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. 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. In pratica l’acqua viene incanalata in una condotta forzata, al termine della condotta è presente un’ugello regolabile. Nelle turbine a reazione l’energia cinetica del fluido viene incrementata anche o esclusivamente nel rotore.

Tipi di turbine idroelettriche

Esistono numerose tipologie di turbine idroelettriche, con differenti caratteristiche e modalità di sfruttare la potenza dell’acqua. Tra le più utilizzate al mondo, la turbina Francis è stata sviluppata nel 1848 da James B. Francis, un ingegnere inglese trasferitosi negli Stati Uniti. È una turbina idroelettrica a flusso centripeto: l’acqua entra nella turbina attraverso un condotto a chiocciola che la guida verso la girante. Un distributore con palette regolabili indirizza poi il flusso d’acqua verso le pale della girante che cominciano a ruotare grazie all’impatto dell’acqua, convertendo così l’energia cinetica in energia meccanica rotatoria.

Si tratta della turbina idroelettrica ad azione con rendimento più elevato: la turbina Pelton è stata inventata nel 1879 dal carpentiere Lester Allan Pelton. Sono turbine ideali per i bacini idroelettrici alpini che ricordano il funzionamento delle vecchie ruote a pale dei mulini ad acqua. 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. L’acqua, proveniente da un bacino di monte, viene convogliata in un condotto forzato e poi passa attraverso un ugello che la accelera, trasformando l’energia potenziale in energia cinetica. Le pale della girante sono progettate per catturare il getto d’acqua e deviarne la direzione. Il getto d’acqua, cambiando direzione, subisce una variazione di quantità di moto, che si traduce in una forza che agisce sulla pala.

Ricorda un’elica di una nave, la turbina Kaplan è nata nel 1913 grazie al professore austriaco Viktor Kaplan. Questa turbina sfrutta piccoli dislivelli, fino a qualche metro, ma con grandi portate. È una turbina a flusso assiale: l’acqua entra in una camera a chiocciola, viene deviata dal distributore e colpisce le pale della girante che possono variare angolazione per adattarsi meglio alle condizioni idrauliche del fiume.

L’idea della turbina Coclea risale al 1819, quando l’ingegnere francese Claude-Louis Navier ipotizzò l’utilizzo della vite di Archimede come variante tipologica della ruota idraulica. Si tratta di una turbina a gravità, dove è il peso dell’acqua a generare il movimento. Il funzionamento delle turbine Coclea è molto semplice: l’acqua fluisce liberamente dall’imbocco a monte fino allo scarico a valle. È il movimento rotatorio della turbina ad essere trasformato in energia elettrica, applicando in serie un moltiplicatore e un alternatore.

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