Turbine Idrauliche: Funzionamento e Importanza per l'Energia Rinnovabile

L’acqua è una fonte rinnovabile di energia usata fin dall’antichità. Lo scopo di una centrale idroelettrica è quello di sfruttare l’energia idraulica contenuta dall’acqua per ottenere energia elettrica. L'energia idroelettrica è una fonte di energia pulita, alternativa e rinnovabile che sfrutta la trasformazione dell'energia potenziale gravitazionale in energia cinetica al superamento di un certo dislivello.

Principi di Funzionamento delle Centrali Idroelettriche

Per realizzare il processo di produzione di energia elettrica, una centrale idroelettrica deve essere realizzata con alcuni elementi fondamentali. La costruzione di un bacino artificiale o la presenza di uno naturale, consente di accumulare l’acqua. L’energia contenuta dall’acqua prende il nome di Energia Potenziale. In una centrale idroelettrica, l’acqua viene convogliata in una condotta, detta forzata, in modo che per la pressione e per la forza di gravità, l’acqua inizi a muoversi verso il basso sempre più velocemente. L’energia potenziale dell’acqua diventa così Energia Cinetica.

L’acqua cadendo impatta contro una gigantesca turbina facendola ruotare. L’Energia Cinetica cambia il suo stato diventando Energia Meccanica. Nel caso della produzione elettrica il movimento rotatorio del rotore viene quindi trasferito mediante un’albero ad un alternatore che produce quindi energia elettrica. Le turbine sono collegate agli alternatori: dispositivi in grado di trasformare energia meccanica di rotazione in energia elettrica.

Componenti Essenziali di una Centrale Idroelettrica

BACINO - è un invaso d’acqua ottenuto mediante lo sbarramento del corso di un fiume. Può essere naturale (lago) o artificiale e la sua forma è determinata dalle caratteristiche geologiche della zona in cui insiste.
DIGA - è l’opera di sbarramento di un corso d’acqua e consente di formare il bacino o serbatoio. E’ dotata di opere di imbocco, di gallerie, di opere di sfioro dell’acqua in eccesso e di opere di scarico. Le prime sono strutture massicce a geometria semplice con asse rettilineo e sezione di forma triangolare. Le seconde resistono alla spinta idrostatica delle acque d’invaso, trasferendola sulle pareti laterali della struttura.
CONDOTTA FORZATA - è costituita essenzialmente da tubazioni che possono essere realizzate in metallo o calcestruzzo armato. Queste, generalmente, sono costruite all’interno della montagna (in galleria) o possono scorrere anche all’esterno sul crinale della stessa. All’imbocco, sono munite di organi di chiusura e di sicurezza che servono a regolare la portata dell’acqua, e alla base le paratoie di intercettazione delle acque che hanno garantiscono il funzionamento delle turbine filtrando o rallentando la spinta dell’acqua.
TURBINA - è la macchina che converte l’energia cinetica e/o potenziale di un fluido, ad esempio acqua o vapore acqueo, in energia meccanica. E’ costituita da un complesso detto generalmente stadio, formato da una parte fissa chiamata distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina, regolato mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento.
GENERATORE - L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati.
TRASFORMATORE - è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche.

Tipi di Centrali Idroelettriche

Esistono diverse tipologie di centrali idroelettriche:

La prima, chiamata centrale idroelettrica ad acqua fluente, è la più diffusa e ha un funzionamento continuo perché sfrutta la differenza di altitudine tra il pelo d’acqua superiore e quello inferiore, il cosiddetto salto.
La seconda, chiamata centrale idroelettrica a serbatoio, sfrutta il dislivello tra un lago artificiale con afflusso naturale e una centrale posta più a valle. L’acqua scorre attraverso condotte forzate o gallerie fino alle turbine nella centrale idroelettrica a valle.
L’ultima, chiamata centrale idroelettrica a pompaggio, convoglia l’acqua in un bacino, per lo più artificiale, posto a monte. Questo avviene solitamente nelle ore notturne in modo da sfruttare l’elettricità in momenti in cui il fabbisogno energetico è ridotto. Durante il giorno l’acqua accumulata nel bacino superiore viene utilizzata per produrre energia elettrica, come nelle centrali a salto. Nel corso della notte, cioè nei momenti di minore richiesta energetica elettrica, l’acqua contenuta nel bacino a valle può essere fatta risalire in quello che si trova a quota superiore, utilizzando le stesse turbine che, azionate dall’energia elettrica in eccesso, agiscono come un sistema di pompaggio.

Tipologie di Turbine Idrauliche

Per realizzare il massimo rendimento possibile vengono costruiti differenti tipi di turbine idrauliche. I parametri considerati nella loro costruzione sono due: l’altezza e la portata. Dal punto di vista costruttivo, la turbina è l’elemento più importante della centrale.

Turbina Pelton: Utilizzata di solito con alti salti (50-1300 metri) e piccole portate. Sono costituite da un distributore a uno o più ugelli da dove viene iniettata l’acqua (max 6) in relazione alla portata da inviare alla girante e da una ruota.
Turbina Francis: Utilizzata di solito con medi o bassi salti (da 10 a 250 metri) e con portate medie.
Turbina Kaplan: Utilizzata di solito con grandi portate e bassi salti (da 5 a 30 metri). Le pale della ruota nella Kaplan sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili.

Vantaggi e Svantaggi dell'Energia Idroelettrica

I vantaggi dell’energia idroelettrica sono molteplici. La produzione di energia idroelettrica non provoca emissioni gassose o liquide che possono inquinare l’aria o l’acqua. Un altro svantaggio è che bacini idrici di dimensioni notevoli potrebbero cambiare il clima degli luoghi limitrofi facendolo diventar più mite.

L'Energia Idroelettrica in Italia e nel Mondo

L’energia idroelettrica fu una delle prime fonti utilizzate per illuminare l’Italia fin dai primi del 900; alla fine degli anni ’50 il contributo dell’energia idroelettrica ammontava a quasi all’80% dell’energia prodotta all’interno del Paese. Le centrali idroelettriche italiane sono localizzate principalmente sulle Alpi e alcune sugli Appennini costituendo il 15,8% del fabbisogno energetico annuo. Sul confine dello stato di New York sono presenti le cascate del Niagara, che danno l’opportunità di sfruttare l’acqua per produrre energia. Infatti nello stato di New York è presente una grande centrale idroelettrica adiacente alle cascate.

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