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Il Burj Al-Arab

CCS – Cattura e stoccaggio della CO2

 

Maggio 28, 2020 Commenti (0) Ingegneria Civile, Ingegneria Energetica Tempo di Lettura:

L’idroelettrico in Italia

Introduzione

In questo articolo si propone al lettore un’overview  del fabbisogno energetico italiano, in particolar modo delle risorse volte a soddisfare la fame di energia del nostro Paese. Ci si concentrerà poi sulla realtà esistente dell’idroelettrico e  sul suo futuro, fornendo concetti base teorici, intuitivi, atti a comprendere le diverse tipologie di impianto esistenti.

Energie rinnovabili in Italia

Il consumo energetico totale, calendarizzato all’anno 2018, per il sistema Paese Italia è pari a 321,9 TWh,  di questi circa il 35% soddisfatto pienamente da energie rinnovabili elettriche, di cui le più note sono l’eolico, il solare, il geotermico, ma soprattutto l’idroelettrico.

L’estrazione dell’energia elettrica da quest’ultima fonte citata ha un rendimento (η{0,6 ÷ 0,9}), più elevato rispetto ai rendimenti tipici delle centrali canoniche che si aggira intorno al 35%÷ 40%. Per questa ragione e per la semplicità impiantistica, l’idroelettrico ha trovato un terreno fertile in Italia, tanto che il settore sta vedendo la sua saturazione nel panorama nazionale.

Ripartizione delle fonti energetiche utilizzate per coprire il fabbisogno energetico del sistema Paese

L’idroelettrico in Italia:

La potenza degli impianti idroelettrici rappresenta il 35% di quella relativa all’intero parco impianti rinnovabile. Alla fine del 2017 risultano in esercizio in Italia 4.268 impianti idroelettrici, nella maggior parte dei casi si tratta di impianti di piccole dimensioni, con potenza complessiva inferiore a 1 MW. D’altra parte, dei 18.863 MW installati in Italia alla fine del 2017, la grande maggioranza si concentra in impianti con potenza maggiore di 10 MW. Il 74% dell’elettricità generata dagli impianti idroelettrici è stata prodotta da impianti di potenza superiore a 10 MW, il 19% da quelli di potenza compresa tra 1 e 10 MW e il restante 6% da impianti di piccola dimensione (inferiore a 1 MW).

Tipologia e numero di impianti istallati

Le regioni settentrionali concentrano il 70,0% della potenza idroelettrica installata sul territorio nazionale; il solo Piemonte ne rappresenta il 21,2%, seguito dalla Lombardia con il 15,2% e dalle Province Autonome di Bolzano e Trento (rispettivamente con il 6,3% e 12,7 %).

Tra le regioni centrali, l’Umbria detiene la più elevata concentrazione di potenza, pari al 2,8%, seguita dal Lazio con il 2,3%. Nel Sud si distinguono invece Campania (1,4%) e Calabria (1,3%).

Distribuzione percentuali degli impianti idroelettrici su territorio nazionale

 

Gli impianti idroelettrici sono classificati in base alla durata di invaso (tempo necessario per fornire all’opera stessa un volume d’acqua pari alla sua capacità):

  • impianti a serbatoio: durata di invaso maggiore o uguale a 400 ore;
  • impianti a bacino: durata di invaso minore di 400 ore e maggiore di 2 ore;
  • impianti ad acqua fluente: sono quelli che non hanno serbatoio o che hanno un serbatoio con durata di invaso uguale o minore di 2 ore. Sono generalmente posizionati sui corsi d’acqua.

Le turbine delle centrali ad acqua fluente sono azionate dall’acqua di un fiume. Le centrali ad acqua fluente funzionano ininterrottamente, coprendo la domanda di base. Non dispongono di alcuna capacità di regolazione degli afflussi, per cui la portata sfruttata coincide con quella disponibile nel corso d’acqua (a meno di una quota detta deflusso minimo vitale, necessaria per salvaguardare l’ecosistema). Le centrali di accumulazione sono impianti a bacino idrico naturale (laghi) o artificiale. Queste sono caratterizzate da grandi dislivelli e, quindi, da alte pressioni. A seconda del bisogno, possono essere messe in esercizio e arrestate in breve tempo e per questo motivo sono utilizzate spesso per coprire il carico durante i periodi di punta. Le centrali di pompaggio sono impianti con tutte le caratteristiche degli impianti tradizionali, ma che ricavano la disponibilità di acqua nel serbatoio superiore mediante sollevamento elettromeccanico (con pompe o con la stessa turbina di produzione). Questo tipo di impianto consiste in due serbatoi di estremità, collocati a quote differenti, collegati mediante i manufatti tipici di un impianto idroelettrico: nelle ore diurne di maggior richiesta (ore di punta) dell’utenza l’acqua immagazzinata nel serbatoio superiore è usata per la produzione di energia elettrica; nelle ore di minor richiesta (ore notturne) la stessa viene risollevata mediante pompaggio al serbatoio superiore.

Nel 2017 il 49% della produzione da fonte idraulica complessiva è stata generata dagli impianti idroelettrici ad acqua fluente, per quanto questi rappresentino solo il 29,8% della potenza complessiva installata in impianti idroelettrici.

L’arco temporale compreso tra il 2003 e il 2017 è stato caratterizzato soprattutto dall’installazione di impianti di piccole dimensioni; la potenza installata in Italia è cresciuta secondo un tasso medio annuo dello 0,8%. Naturale conseguenza di questo fenomeno è la progressiva contrazione della taglia media degli impianti, passata da 8,5 MW del 2002 a 4,4 MW nel 2017. Questo è dovuto al fatto che dapprima i siti sfruttati sono stati quelli più favorevoli per la produzione di energia elettrica, solo poi sono stati sfruttati anche i siti minori.

Crescita della potenza istallata da idroelettrico tra il 2003 e il 2017

 

Grandezze fondamentali di un impianto idroelettrico e valutazione delle prestazioni

La produzione di energia dipende da due fattori principali: la caduta o salto (head) e la portata d’acqua (flow rate).

Il salto lordo o geodetico è la differenza di altezza fra la superficie libera della sezione di presa dell’acqua (bacino a monte) e il livello nella sezione del corso d’acqua dove il flusso è restituito (ottenibile con una depressione naturale o artificiale). Il salto lordo dipende dall’orografia del luogo e presenta ampi margini di variazione.

Il salto netto o motore di una centrale idroelettrica è la caduta effettivamente utilizzata alla turbina, ossia il salto lordo meno le perdite che si verificano all’opera di presa e quelle dovute al sistema di trasporto dell’acqua (canali, tubazioni, condotte forzate, ecc.).

La portata è il volume di acqua che attraversa una determinata sezione del corso d’acqua nell’unità di tempo (m3/s). La portata dipende dalla superficie del bacino, dalla permeabilità del suolo, dalla vegetazione e soprattutto dai fattori climatici che generano gli apporti positivi (le precipitazioni) e negativi (l’evaporazione, l’evapotraspirazione).

Schema di una sezione di impianto idroelettrico

 

Dimensionare la turbina in funzione della portata massima avrebbe come conseguenza una turbina che opererebbe a basso rendimento per la maggior parte del tempo, dato che un impianto non lavora quasi mai, durante la sua vita utile, a potenza nominale ciò porterebbe ad una minore produzione elettrica di quanta se ne avrebbe con una turbina più piccola, oltre che una spesa maggiore in quanto il costo della macchina è strettamente correlato alle sue dimensioni.

Dall’altra parte una turbina dimensionata per la portata minima presenterebbe problemi simili, pertanto la scelta ottimale è dettata dall’individuazione del giusto equilibrio tra diversi parametri.

Si può valutare la portata media eseguendo la sommatoria delle portate pesate per le rispettive durate diviso 365.

Il deflusso minimo vitale (DMF), ovvero la portata minima da lasciare al corso d’acqua originario e varia tra il  2% e il 5% della portata nominale, pertanto la portata nominale sarà pari alla portata media meno il DMF.

La scelta della turbina avviene in base a vari parametri come il salto geodetico e la portata attraverso l’impiego di opportuni diagrammi, di seguito è riportato quello della turbina Francis a titolo esemplificativo.

Variazione del rendimento della turbina Francis in relazione al rapporto portata reale su portata nominale

Risulta importante valutare inoltre le perdite di carico dell’impianto, poiché da queste dipenderà il rendimento dello stesso che poi sarà una variabile rilevante per la valutazione della produzione di energia complessivamente prodotta. Uno dei diagrammi utilizzati per valutare il rendimento della condotta è sotto riportato.

Rendimento di una condotta in relazione alla portata di fluido circolante

Un altro parametro di massima importanza per valutare un impianto, soprattutto se fondato sullo sfruttamento di una risorsa rinnovabile, è il fattore di utilizzo annuo questa misura è il risultato del rapporto la produzione di energia elettrica effettiva fornita da un impianto di potenza durante un periodo di tempo e la fornitura teorica di energia che avrebbe potuto offrire se avesse operato alla piena potenza nominale in modo continuativo nel tempo.

Sono state circa 3000 le ore di utilizzo medio degli impianti idroelettrici in Italia, nel  2017.

ore di utilizzo medio degli impianti idroelettrici nazionali

Volgendo lo sguardo all’economicità dell’impianto, l’ordine di grandezza per i costi per un impianto di qualche MW è di circa 3 milioni di euro. Una cifra facilmente abbattibile per impianti con un LC ( Life Cycle ) tra i 15 e i 20 anni.

Conclusioni

L’idroelettrico risulta ad oggi la fonte più remunerativa in termini di costi/benefici, se consideriamo infatti un piccolo impianto idroelettrico, come quelli che ad oggi risultano essere gli impianti maggiormente istallati,  esso non produrrà grandi impatti sull’ambiente e sul territorio, in cambio invece risulterà avere un PBP ( Pay Back Period ) compreso tra uno e due anni.

Per tutte le ragioni, fino ad ora espresse, gli impianti idroelettrici sono stati per lungo tempo un capo saldo per quel che riguarda la SEN ( Strategia Energetica Nazionale ), che da qualche tempo a questa pone sempre più importanza verso le fonti rinnovabili; ovviamente però ci sono delle limitazioni, soprattutto per l’idroelettrico, che vede le prime centrali già a fine ‘800, infatti se leggessimo la SEN scopriremo che il mix energetico atteso della produzione di energia elettrica nello scenario SEN mostra una grande differenza in termini di sviluppo immaginato: eolico e fotovoltaico sono previsti in grande aumento, mentre per l’idroelettrico è previsto un leggero aumento dovuto soprattutto al revamping/repowering degli esistenti impianti e in minima parte su nuove installazioni.

Althesys ha calcolato nel dettaglio questo “potenziale di rinnovamento”, dagli interventi più semplici su turbine e componenti elettromeccaniche a quelle più complesse sulle cosiddette opere bagnate (ad esempio la messa in pressione di canali e gallerie o la manutenzione di condotte forzate): nel complesso servirebbero quasi 5,5 miliardi di euro in nuovi investimenti ma in cambio si potrebbe ottenere un incremento di produzione di 1 TWh al 2020 e fino a 3,4 TWh entro il 2030.

Incremento del parco energetico rinnovabile secondo la SEN 2017

Non sappiamo quale sarà il futuro dell’idroelettrico, lo si può immaginare però, fisiologicamente con ogni probabilità subirà un rallentamento sempre più marcato, fino a diventare una tecnologia non più da implementare, ma solo da sfruttare; ci si dedicherà invece alla diversificazione, sempre più accentuata, dei diversi impianti da fonte di energia rinnovabile. Evento che risulta già in atto negli ultimi anni.

Per altre informazioni sull’idroelettrico consigliamo la lettura di “L’Energia Idroelettrica“.

Fonti

  • Terna
  • GSE
  • Centrali idro-elettriche e turbine idrauliche Sistemi Energetici Alessandro Corsini (“La Sapienza”)
  • Energie rinnovabili Eolico e idroelettrico (Prof. Ing. Piercarlo Romagnoni Dipartimento di Culture del Progetto Università IUAV di Venezia)
  • Italgen
  • Althesys
  • carte idrografiche
  • Renewable Energy Report 2018 – Energy&Strategy

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