Turbine Idrauliche Usate: Funzionamento e Manutenzione
La turbina idraulica è il componente più importante di un impianto idroelettrico. 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.
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. 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. Grazie a sistemi di automazione e di controllo a distanza, le micro centrali non necessitano di personale dedicato a tempo pieno.
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.
Tipologie di Turbine Idrauliche
Esistono diverse tipologie di turbine idrauliche, classificate principalmente in due categorie: ad AZIONE e a REAZIONE.
Turbine ad Azione
Nelle turbine ad azione, l'acqua colpisce le pale della turbina a pressione atmosferica, trasformando l'energia potenziale in energia cinetica prima di raggiungere le pale. Un esempio tipico è la turbina Pelton.
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). 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. 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.
Le turbine Pelton vengono utilizzate soprattutto nei bacini idroelettrici alpini, per salti d’acqua medio alti che vanno dai 50 ai 1200 metri. 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%.
Turbine a Reazione
Nelle turbine a reazione, l'acqua entra nella turbina già in pressione e cede energia sia per la sua velocità che per la diminuzione della pressione mentre attraversa le pale. Esempi comuni sono le turbine Francis e Kaplan.
Miniturbina Francis
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. Il distributore vero e proprio, solitamente con pale regolabili, indirizza invece l’acqua verso le palette della girante.
Turbine 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. Con la doppia regolazione si possono ottenere maggiori vantaggi, sia sulla modulazione delle portate che sulle prevalenze. Le turbine a Bulbo sono ricavate dalle turbine Kaplan e risultano molto più semplici.
Vengono solitamente utilizzate su livelli di qualche metro.
Turbine a Vite Idraulica
Le turbine a Vite idraulica o Coclea sono conosciute anche come ruota di Archimede. Spesso identificata come vite di Archimede, si pone come un’innovazione significativa nel settore delle energie rinnovabili, specialmente nell’idroelettrico. Storicamente la vite di Archimede è nata per il funzionamento come pompa. Nuovo è il brevetto di utilizzazione della chiocciola di Archimede (invertendo il processo originario) per realizzare una turbina idroelettrica.
La turbina a coclea si distingue per l’elevata produzione di energia. Un chiaro esempio è la nostra installazione di Goito, con una produzione energetica di 1200 kWh/giorno, dimostra un’alta efficienza nella conversione dell’energia idraulica in energia elettrica. Un punto di forza della turbina a coclea è la sua capacità di mantenere un’alta efficienza operativa anche con flussi d’acqua che variano. La turbina di Archimede o coclea è una macchina volumetrica per cui la portata che attraversa la turbina dipende solo dal numero di giri.
Il principio di funzionamento della turbina a coclea si basa su quello di una vite di Archimede immersa parzialmente nell’acqua, che la attraversa dall’alto verso il basso lungo il suo asse. La capacità produttiva varia in base alle dimensioni dell’installazione e alle caratteristiche del sito. Le turbine a coclea trovano applicazione in diversi ambiti, dai piccoli sistemi di irrigazione agricola alla generazione di energia per comunità rurali o aziende.
Le moderne turbine a coclea possono essere equipaggiate con sistemi di controllo e monitoraggio da remoto. Il software di monitoraggio consente agli operatori di accedere ai dati dell’impianto in tempo reale da dispositivi come PC, tablet e smartphone.
Flessibilità Operativa e Ampio Campo di Funzionamento: le turbine a coclea si adattano bene a diversi ambienti, come canali irrigui e scarichi di impianti di depurazione, e possono funzionare efficacemente con una o due coclee in parallelo. Produzione di Energia e Sostenibilità Ambientale: le turbine a coclea hanno dimostrato una capacità produttiva notevole, con esempi che vanno dai 900 ai 1200 kWh giornalieri.
Manutenzione Semplificata: le turbine a coclea richiedono manutenzione semplice e poco frequente, un vantaggio significativo in termini di costi operativi e di tempo. Si dimostra particolarmente efficiente in situazioni dove i dislivelli sono limitati e le portate sono elevate, come in piccoli corsi d’acqua o in contesti dove la costruzione di grandi infrastrutture idrauliche non è possibile o non è desiderabile.
Si adatta inoltre molto bene agli ambienti in cui è necessario minimizzare l’impatto ambientale e paesaggistico. Non richiede grandi sbarramenti o modifiche significative al corso d’acqua, preservando l’ecosistema fluviale.
Mini Turbine
Le Mini turbine sono la soluzione ideale per disporre di energia elettrica soprattutto nelle zone non asservite dalla rete di distribuzione.
Considerazioni Importanti
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.
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 plausibile regolazione avviene con l’impiego di azionamenti a velocità variabile. L’attestazione SOA in categoria OG9 class.
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.
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