Energia idroelettrica: dal corso d’acqua all’energia elettrica

1. Finozzi Andrea 5BM Energia idroelettrica: dal corso d’acqua all’energia elettrica Studio di fattibilità di un impianto di micro-idroelettrico ad acqua fluente e delle opere di costruzione necessarie per sfruttare l’energia di un canale

2. Premessa • Gli impianti idroelettrici producono elettricità sfruttando l’energia cinetica dell’acqua che scorre verso valle, ovvero da un punto a quota più elevata a un punto a quota inferiore. Le turbine idrauliche utilizzano l’energia potenziale posseduta da una massa d’acqua tra un dislivello, detto salto, esistente tra le due sezioni di pelo libero superiore (a monte) ed inferiore (a valle).

3. Abbiamo deciso di analizzare un corso d’acqua presente nel nostro territorio (la Roggia Maestra) e di costruire un ipotetico progetto di un impianto di mini-idroelettrico.

4. L’idea di sfruttare il canale • L’idea di costruire un ipotetico progetto su questo canale ci è venuta dopo aver saputo che nel medesimo luogo in passato era presente un opificio che utilizzava l’acqua per uso forza motrice (da quello che sappiamo era usata per macinare il grano). Notando la presenza di un dislivello utilizzabile come salto, abbiamo ipotizzato la costruzione di un micro-impianto idroelettrico per ricavare energia.

5. Lo sfruttamento dell’energia idraulica disponibile sul canale Roggia Maestra è possibile tramite la costruzione, la posa e l’esercizio di una centralina idroelettrica; i macchinari in essa contenuti permettono la trasformazione del lavoro generabile dalla forza dell’acqua in energia elettrica. Questa viene poi ceduta alla rete nazionale. Per far ciò è necessario costruire un canale di captazione dell’acqua, un edificio per alloggiare la turbina ed il generatore elettrico, ed un canale per la restituzione dell’acqua alla roggia stessa.

6. Inquadramento e descrizione dell’area di studio • L’ubicazione dell’ipotetico impianto è situata nel comune di Schio (prov. Vicenza) al confine con il comune di Marano. Il corso d’acqua oggetto di utilizzo è la Roggia Maestra. Dall’esame delle cartine IGM in scala 1:25000 si può notare che questa ha origine nel comune di Torrebelvicino per mezzo della derivazione da parte del Consorzio di Bonifica Medio-Astico Bacchiglione sul torrente Leogra.

7. ANALISI DIFATTIBILITà E ANALISI ECONOMICA

8. Stima delle potenzialità idriche • Da una campagna di rilevazione delle portate, si possono determinare i valori medi mensili di queste ultime come riportato nella tabella e nel diagramma seguente.

12. Possiamo osservare che non sono presenti valori di secca del canale (se non per eventuale manutenzione dello stesso) al di sotto dei quali viene fermato l’impianto: la portata minima della turbina è stimata attorno ai 300 l/s a cui corrisponde una potenza generata di circa 9-10 kW. Abbiamo stimato i carichi passivi per sistemi di potenza, servizi, illuminazione, ecc . in massimo 4 kW. Nel caso le portate, a fronte di eventi molto siccitosi, si riducano a tal punto da portare la disponibilità idrica utilizzabile per scopo idroelettrico sotto il minimo di sostentamento, riteniamo necessario staccare l’impianto. Le misurazioni sulle portate della Roggia che siamo riusciti ad ottenere (effettuate su più anni) danno comunque valori minimi superiori a 300 l/s cosicché si ha comunque un margine positivo di potenza cedibile in rete. Il caso di stato di secca e quindi fermo macchina risulta limitato a pochi giorni per la manutenzione della Roggia.

13. Stima delle potenze generate Abbiamo ricavato le potenze generate in base a fasce di portata: Stato di: SECCA portata insufficiente Q < 200 l/s Stato di: MAGRA portata limitata Q = 300 l/s PGEN = 9,1 kW Stato di: FLUSSO BASSO portata modesta Q = 600 l/s PGEN = 18,3 kW Stato di: FLUSSO MEDIO portata discreta Q = 800 l/s PGEN = 24,4 kW Stato di: FLUSSO ELEVATO portata buona Q = 1500 l/s PGEN = 45,7 kW Stato di: PIENA portata massima Q > 2000 l/s PGEN = 60,9 kW I valori della potenza ai morsetti del generatore asincrono sono da considerare netti in quanto abbiamo imposto un rendimento del sistema turbina-generatore ŋ = 0.84

14. Non ci soffermiamo su quanto potrebbe rendere un impianto simile ma per avere un idea generale: Il prezzo a cui la rete nazionale acquista la corrente dai privati è di 0.22 euro/kWh (dato variabile). Il ricavo lordo annuo sarebbe di 0.22*248600=54.692 euro Ovviamente poi si deve tener conto dell’ammortamento del costo dell’impianto e del costo di manutenzione annuo.

15. DESCRIZIONE DELL’IMPIANTO E DIMENSIONAMENTO OPERE DI PRESA

16. La portata massima della Roggia è stata quantificata in 4000 l/s e quella media in 1500 l/s. Come regime di funzionamento della turbina abbiamo deciso di utilizzare una portata massima pari a 2000 l/s e portata media di 1500 l/s. Evitiamo di dimensionare il generatore per la massima potenza della turbina e di limitarlo a 60 kW; taglie superiori oltre ad avere maggior costo, sarebbero soggette a penalizzazione sul rendimento ai bassi carichi riscontrabili in diversi mesi dell’anno.

17. Dati tecnici riassuntivi • Salto netto (differenza di livello tra i due peli morti dei canali): 3,7 m • Portata massima: 2000 l/s • Portata media annuale: 1500 l/s • Potenza nominale: 60 kW • Potenza massima istallata: 65 kW • Producibilità media annua: 250*10^3 kWh

18. Dimensionamento opere di presa Viene prevista la realizzazione di un’opera di presa costituita da manufatti in cemento armato per la raccolta e canalizzazione del flusso. Nella stessa struttura vengono predisposti la bocca di presa, dotata di griglia primaria in ferro zincato a maglie larghe e paratoia; bacino di calma con sfioratore e sgrigliatore meccanico. Vengono utilizzate le seguenti notazione nel dimensionamento: Qmturbina portata minima turbina QMturbina portata massima turbina QMAX portata massima in ingresso alla bocca di presa QMAX sfior portata massima evacuata dallo sfioratore VMAX velocita massima del flusso d’acqua sulla traversa e in entrata Sbocca sezione della bocca d’entrata Lsfior larghezza sfioratore Hsfior livello nominale acqua sopra quota sfioratore HMAXsfior livello massimo acqua sopra quota sfioratore

19. Portate Le portate minime e massime dell’acqua derivata sono state determinate in base al deflusso del canale stesso rilevato nell’arco di due anni, per mezzo di misurazioni settimanali; a fronte di un range medio disponibile compreso tra 400 l/s e 2000 l/s, abbiamo imposto i valori di Qmturbina= 300 l/s e QMturbina= 2000 l/s per la quantità prelevata ai fini dell’uso come forza motrice. Con l’ausilio dei dispositivi automatici istallati sia nell’opera di presa che in centrale, atti al controllo delle portate, viene garantito un adeguato controllo dei prelievi.

20. Bocca d’entrata La bocca d’entrata di forma rettangolare viene dotata di paratoia meccanica integrata da una griglia di protezione in acciaio; determiniamo il flusso permesso attraverso la bocca con griglia che deve essere pari o superiore alla massima portata di QMturbina= 2000 l/s dell’impianto. Con: dimensioni bocca L=2 [m] * H=1,8 [m], griglia in traversi quasi ortogonali al flusso ( α=78°) in acciaio inox, spessore a=15 [mm] distanza di 50 [mm], superficie Sbocca= 3,6 [m2] e velocità massima dell’acqua vMAX = 1 [m/s] , si ottiene la portata alla bocca di QMAX = 2 [m3/s], come richiesto per QMturbina Abbiamo considerato un coefficiente di intasamento k=0.6

21. Sfioratore Lo sfioratore presente a monte della bocca d’entrata è costruito come stramazzo in parete grossa, con larghezza Lsfior = 8,50 m e Hsfior = 0,5 m; dalla Q = m*(L*H)*(2gH)1/2 si rileva la portata massima evacuata QMAXsfior = 5,59 m3/s superiore alla quantità d’acqua in ingresso nel canale con ogni regime idrico massimo. In caso di arresto della turbina è garantito lo smaltimento dell’intera portata attraverso lo sfioratore stesso.

22. Sgrigliatore a pettine Prima dell’ingresso alla bocca d’entrata di forma rettangolare, viene predisposta sia una paratoia meccanica per isolare la camera di carico, sia una griglia di protezione in acciaio a maglie larghe con dispositivo automatico a pettine per la pulizia; determiniamo il flusso permesso attraverso la bocca con griglia che deve essere superiore alla massima portata di QMturbina = 2 m3/s dell’impianto. Con: dimensioni bocca L = 2 m * H = 1,8 m, griglia in traversi inclinati di α=78° rispetto al flusso in acciaio inox, spessore 15 mm e distanza 50 mm, superficie bocca Sbocca = 3,6 m2 e velocità massima dell’acqua in entrata vMAX = 1 m/s, si ottiene la portata alla bocca di QMAX = 2 m3/s in linea con quanto richiesto per QMturbina Abbiamo considerato un coefficiente di intasamento k = 0.6

23. Turbina-moltiplicatore-generatore Considerato il salto disponibile di 3,7 m e il range di portata del canale da 300 l/s a 2000 l/s la scelta della turbina da impiegare risulta obbligata verso una kaplan con pale regolabili ad asse verticale in grado di fornire rendimenti ottimizzabili in tutto l’arco di funzionamento; tale macchina viene dimensionata per operare con portata nominale a 1600 l/s e portata massima di 2000 l/s. Abbiamo stimato la massima potenza meccanica ottenibile dalla turbina in Pmecc = 65 kW.

24. Sull’albero della turbina viene istallato un moltiplicatore di giri per portare a rotazione di 1500 giri/min il generatore a partire dai 250 giri/min (in prima approssimazione) della stessa. Il moltiplicatore viene dimensionato per sopportare la coppia meccanica dell’albero lento della turbina, per servizio continuo e dotato di tutti i sistemi di raffreddamento dell’olio. Dopo il moltiplicatore viene disposto sull’albero veloce un generatore asincrono trifase direttamente a 400 V. La massima potenza elettrica del generatore si stima in Pgen = 60 kW. Abbiamo considerato un rendimento prudenziale di tutto il sistema turbina - generatore di 0,84. Rendimento della Kaplan (0,80 nominale), quello del moltiplicatore (3/4 di carico, 0.80) e quello del generatore (3/4 di carico, 0.94) ovviamente nei casi peggiori.

25. Alcune precisazioni Opere di presa: bisogna predisporre paratoie meccaniche automatiche per la regolazione dei flussi nonché sistemi di arresto e raccolta dei detriti, del fogliame e dei rifiuti trasportati dalla Roggia. Bisogna poi smaltirli con contenitori opportuni, secondo norma di legge. Centrale di produzione: L’edificio che contiene turbina e generatore deve essere provvisto di pannelli per isolamento acustico. Il perimetro del lotto deve essere recintato per ovvie questioni di difesa da intrusioni esterne. I dispositivi elettronici di controllo turbina e generatore vanno alloggiati in armadi. Servomotori idraulici con relativa centralina permettono le manovre di potenza sulla macchina. Opere di difesa e risalita fauna ittica: bisogna progettare uno scivolo a gradoni per lo smorzamento della velocità dell’acqua in scarico dallo sfioratore che può essere sfruttato dalla fauna ittica per la risalita. In aggiunta, la presenza di griglie a maglie strette poste immediatamente a monte dell’imbocco del bacino di raccolta, garantiscono in ogni caso una valida sicurezza per la salvaguardia dei pesci nonché una zona favorevole al ripopolamento della fauna ittica.

27. Conclusioni Riteniamo importante notare come anche un impianto di così ridotte dimensioni possa essere sfruttato e utilizzato per contribuire a soddisfare in piccola parte il fabbisogno energetico in costante crescita del mondo. Considerando la notevole importanza della componente “impatto ambientale” dello sfruttamento dell’energia, anche se l’idroelettrico non è una fonte molto efficiente in rapporto al costo di costruzione degli impianti, esso diviene una valida alternativa. Di seguito riportiamo un grafico che rappresenta la richiesta d’energia prevista nei vari anni futuri.

29. I combustibili fossili e l’uranio sono presenti in quantità finita sulla terra. Le riserve, pur ancora abbondanti e in parte sconosciute, si stanno assottigliando a causa del continuo prelievo. Le fonti rinnovabili sono praticamente inesauribili ma è improbabile che possano eguagliare le capacità prestazionali offerte dai combustibili fossili e dall’uranio e mantenere il consumo a livelli paragonabili a quelli attuali considerando che, oltre ciò che percepiamo tramite le bollette, qualsiasi oggetto artificiale è la definitiva “tomba” di una certa quantità (a volte molto grande) di petrolio, carbone, gas o elettricità. Si evidenzia quindi l’estrema criticità delle disponibilità di energia primaria non rinnovabile. Per noi, per i nostri figli e per le generazioni future. Se le fonti di energia che conosciamo e usiamo fossero talmente abbondanti da poter essere prelevate in quantità e per tempi indefiniti, potremmo limitarci a controllare le conseguenze del loro impiego sull’ambiente. La realtà è così diversa e grave che non possiamo immaginare sia irrilevante la quantità di energia prelevata e consumata in via definitiva. La sfida vera che l’uomo ha di fronte non si ferma quindi alla “compatibilità ambientale” ma si colloca al livello più alto della “compatibilità energetica”. Ridurre l’estrazione e l’impiego dei combustibili fossili, sviluppare quanto più possibile tutte le fonti energetiche rinnovabili e procedere alla graduale ma decisa riduzione del consumo di energia, iniziando forse la più difficile delle transizioni verso il superamento della civiltà dei consumi.