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La centrale idroelettrica e le sue funzioni...

Lo scopo di una centrale idroelettrica è quello di sfruttare l’energia idraulica contenuta dall’acqua per ottenere energia elettrica. Questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede una serie di trasformazioni prima che l’energia contenuta potenzialmente dall’acqua possa divenire elettricità.
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.

Un esempio di condotta forzata di una centrale idroelettrica bergamasca situata a Vobarno, Società elettrica bresciana, risalente al 1933, con strutture uguali a quelle moderne.
L’energia potenziale dell’acqua diventa così Energia Cinetica. L’acqua cadendo impatta contro una gigantesca turbina facendola ruotare.
Strutture degli alloggiamenti turbine della centrale idroelettrica di Premadio (2006).
L’Energia Cinetica cambia il suo stato diventando Energia Meccanica. La turbina è collegata ad un generatore elettrico, l’Alternatore che, trasforma l’Energia Meccanica della turbina in Energia Elettrica, completando il ciclo.
Centrale idroelettrica della Società idroelettrica trentina - Sala macchine - Alternatore della Ercole Marelli (1941).
  • Per realizzare il processo sopra descritto, una centrale idroelettrica deve essere realizzata con alcuni elementi fondamentali. L’immagine qui sopra ci aiuta a capirne meglio il funzionamento. Gli elementi costituenti per una centrale idroelettrica sono:
  • bacino o serbatoio;
  • diga;
  • condotta forzata;
  • turbina;
  • generatore;
  • trasformatore;
  • opere di restituzione.
Alla scoperta dei componenti di una centrale idroelettrica...
IL BACINO...

Il 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. Altre caratteristiche da tener presenti nella formazione di un bacino idrografico sono la densità dei corsi d’acqua minori, le precipitazioni annuali e stagionali, il tipo di terreno e di vegetazione, oltre che le opere umane.

Bacino artificiale.
Bacino naturale.
LA DIGA...

La 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 dighe si possono dividere in due grandi categorie: diga a gravità e dighe ad arco.

Diga a gravità.
Una delle dighe ad arco più grandi al mondo.

La più grande diga ad arco attualmente in costruzione in tutto il mondo è la diga Baihetan, in Cina. Una volta completata, sarà alta 277 metri. La sua centrale sotterranea conterrà 16 turbine, con una capacità produttiva di 14.000 MW. La costruzione è iniziata nel 2013 e la produzione di energia dovrebbe cominciare nel 2018, con il completamento finale previsto nel 2020. Un'altra enorme diga ad arco in fase di costruzione è la diga sul fiume Yusufeli Coruh nel nord-est della Turchia. Una volta completata, sarà alta 270 metri e lunga 490 metri.

  • Le dighe a gravità sono strutture massicce a geometria semplice con asse rettilineo e sezione di forma triangolare. La resistenza alla spinta dell’acqua è dovuta essenzialmente al peso della costruzione stessa.
Diga a gravità in una foto tridimensionale.
  • Le seconde resistono alla spinta idrostatica delle acque d’invaso, trasferendola sulle pareti laterali della struttura. In questo caso hanno forma convessa e possono essere costruite solo per sbarrare valli non molto larghe con fianchi rocciosi a cui la diga è ancorata.
Diga ad arco in una foto tridimensionale.
LA CONDOTTA FORZATA...

La 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 garantiscono il funzionamento delle turbine filtrando o rallentando la spinta dell’acqua. Ancora più in basso sono posti appositi organi di regolazione, connessi direttamente con le turbine che, hanno lo scopo di regolare la portata dell’acqua.

Montaggio di una delle prime condotte forzate della storia (25 febbraio 1899).
  • In una centrale idroelettrica, gli organi di chiusura utilizzati possono essere di tre tipi:
  • valvole a farfalla
  • valvole a rotativa
  • valvole a fuso
Valvola a rotativa.
Valvola a farfalla.
Valvola a fuso.
LA TURBINA...

La turbina è la macchina che converte l’energia cinetica e/o potenziale di un fluido, ad esempio acqua o vapore acqueo, in energia meccanica. Può essere utilizzata direttamente come ad esempio in un classico mulino ad acqua che fa funzionare una macina, oppure nel caso delle vecchie filande per far funzionare le macchine tessili. 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. Il movimento rotatorio del girante viene trasferito mediante un asse detto albero a un alternatore che produce energia elettrica.

Rotore della turbina.
Alternatore inizio novecento.
Albero della turbina.
  • Dal punto di vista costruttivo, la turbina è l’elemento più importante della centrale. 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 (quantità di fluido che attraversa una sezione di area A nell’unità di tempo). Si realizzano quindi 3 tipi di turbine idrauliche:
LA 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. Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo.

Valvola a spillo.
Sintesi del meccanismo che controlla la turbina pelton.
Schema turbina pelton.
LA TURBINA FRANCIS...

Utilizzata di solito con medi o bassi salti (da 10 a 400 metri) e con portate medie. In queste turbine l’acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, indirizzano il flusso per investire le pale della girante.

Palette settate per minima portata.
Palette settate per massima portata.
La struttura interna della turbina francis.
Una delle prime turbine francis in costruzione della storia.Le dimensioni della girante mostrata sono ragguardevoli, ma è possibile trovare giranti di dimensioni ancora maggiori.
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. Quando sia le pale della turbina sia quelle del distributore sono regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione); se sono regolabili solo le pale della ruota, la turbina è una semi-Kaplan.

Schema turbina kaplan.
ALTERNATORE...

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. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

Immagine storica di alternatore trifase della Kraftwerk Heimbach, Germania.
TRASFORMATORE...

Il trasformatore è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

LE OPERE DI RESTITUZIONE...

Le opere di restituzione sono costituite da un canale o galleria, che attraverso uno sbocco, restituiscono le portate utilizzate al corso d’acqua.

ESISTONO TUTTAVIA 3 TIPOLOGIE DI CENTRALI IDROELETTRICHE:
LE CENTRALI IDROELETTRICHE A SALTO...

Le centrali idroelettriche a salto sfruttano l’energia meccanica prodotta dalla caduta dell’acqua per produrre energia idroelettrica. La fonte di energia è dunque l’energia meccanica prodotta dall’acqua, pertanto si definisce una fonte di energia completamente rinnovabile.

La centrale idroelettrica a piccolo salto 20-30 metri.
La centrale idroelettrica a salto (schema).
LE CENTRALI AD ACQUA FLUENTE...

Utilizzano grandi masse d'acqua pluviale che supera piccoli dislivelli. La produzione di energia dipende dal flusso dell'acqua... se un fiume è in magra la produzione può anche cessare.

Un esempio di centrale ad acqua fluente.
CENTRALI DI GENERAZIONE E DI POMPAGGIO...

Immagazzinano energia nelle ore di punta, sono costituite da bacini posti a diverse quote e collegati tra loro controllano il flusso di acqua in base al consumo giornaliero.

In queste foto risalenti al 2001 si può osservare la centrale idroelettrica di Edolo.
La centrale idroelettrica utilizza come fonte energetica da trasformare, l’acqua. Per cui utilizza una fonte inesauribile, gratuita e non inquinante.
  • Comunque nel processo di trasformazione, anche una centrale idroelettrica genera inquinamento. Infatti, la realizzazione di tutte le strutture che compongono una centrale, trasformano profondamente l’ambiente generando una forma di inquinamento che prende il nome di Impatto Ambientale.
CENNI STORICI...

Le prime centrali elettriche del mondo sorsero nel 1882 a Londra e a New York, dopo che T.A. Edison ebbe perfezionato la dinamo (1879). Poco dopo, nel 1883, venne inaugurata la prima centrale italiana, quella di S. Radegonda a Milano; nello stesso anno, ne venne installata una a Roma.

Qui di seguito si possono osservare alcune delle prime centrali idroelettriche della storia...

Una delle prime centrali idroelettriche della storia costruita lungo le cascate del Niagara nel 1850 e caratterizzata da una tecnologia rudimentale.
FOTO RIASSUNTIVA...

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