Idroelettrico e mini-idroelettrico

Gli impianti idroelettrici si suddividono in grandi impianti idroelettrici (o più semplicemente idroelettrici) ed in impianti idroelettrici minori (o mini-idroelettrici); la suddivisione avviene in base alla potenza installata nell'impianto e si può assumere come valore di soglia la potenza di 10 MW (in realtà in Italia si parla di idroelettrico minore fino al limite di 3 MW). Questa suddivisione solitamente si riscontra anche nella diversa tipologia degli impianti: mentre i grandi impianti idroelettrici richiedono solitamente la sommersione di estese superfici, con notevole impatto ambientale e sociale, un piccolo impianto idroelettrico si integra quasi perfettamente nell'ecosistema locale (si sfrutta direttamente la corrente del fiume).

Tipologia

Gli impianti idroelettrici possono anche essere definiti in base alla tipologia impiantistica come:

• impianti ad acqua fluente, che 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, necessari per salvaguardare l'ecosistema); quindi la turbina produce con modi e tempi totalmente dipendenti dalla disponibilità del corso d'acqua: se il corso d'acqua è in magra e si scende sotto un livello minimo di portata, cessa la produzione di energia elettrica;

• impianti a deflusso regolato (a bacino) (con la centrale al piede di una diga); sono provvisti di una capacità di invaso alla presa del corso d'acqua atta a modificare il regime delle portate utilizzate dalla centrale;

• impianti inseriti in un canale od in una condotta per approvvigionamento idrico; l'acqua potabile è approvvigionata ad una città adducendo l'acqua da un serbatoio di testa mediante una condotta in pressione. Solitamente in questo genere di impianti la dissipazione dell'energia all'estremo più basso della tubazione in prossimità dell'ingresso all'impianto di trattamento acque viene conseguito mediante l'uso di apposite valvole: un'alternativa interessante è quella di inserire una turbina che recuperi l'energia che altrimenti verrebbe dissipata. Si ha così un recupero energetico, che può essere effettuato anche in altri tipi di impianti: sistemi di canali di bonifica, circuiti di raffreddamento di condensatori, sistemi idrici vari;

• impianti di accumulazione mediante 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). Questo tipo di impianto si usa laddove la disponibilità naturale di acqua è scarsa e 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 al serbatoio superiore mediante pompe. In questo modo l'uso della corrente elettrica per pompare l'acqua nel serbatoio superiore viene restituita (in quantità minore a causa dei rendimenti) in una forma di maggior pregio perché restituita nelle ore di maggior richiesta.

Curiosità

La capacità dei serbatoi degli impianti a bacino può essere enorme: ad esempio nell'impianto di Itaipu (Brasile) il bacino ha un'estensione di 1460km² (4 volte il lago di Garda, o come tutta la provincia di Asti), e contiene ben 27 miliardi di metri cubi di acqua.

Opere di sbarramento

Le opere di sbarramento sono dei manufatti destinati ad intercettare il corso d'acqua nella località prescelta per la presa; si hanno due tipologie di opere che differiscono principalmente per le loro dimensioni: le dighe e le traverse.

Le dighe

Le dighe sono quelle opere di maggior altezza che, oltre ad intercettare il corso d'acqua, creano un serbatoio utile ai fini della regolazione delle portate. Possono raggiungere anche altezze di alcune centinaia di metri. Le dighe possono essere realizzate in calcestruzzo oppure in materiali sciolti.

Le dighe in calcestruzzo si possono suddividere in:

• dighe a gravità massiccia, sono strutture a sezione piena a profilo triangolare la cui base è circa 0,7-0,8 volte l'altezza, nelle quali il solo peso della struttura contrasta gli effetti destabilizzanti della spinta dell'acqua e delle altre forse esterne;

• dighe a gravità alleggerita, sono del tipo a gravita, ma vi sono ampie cavità che alleggeriscono la struttura. Rispetto a quelle massicce hanno una base più ampia e presentano il vantaggio di richiedere minor materiale per la loro costruzione; richiedono maggior manodopera ed oggi sono meno usate;

• dighe ad arco; dono strutture che hanno sezioni orizzontali piene ed arcuate che si impostano direttamente contro le pareti di roccia. Sfruttano l'effetto statico dell'arco che si oppone alla spinta dell'acqua, richiedono quindi meno materiale per la loro costruzione ma necessitano di una attenta progettazione.

Le dighe in materiali sciolti sono perlopiù realizzate in terra, hanno avuto una rapida evoluzione negli ultimi decenni grazie alla meccanica dei terreni ad al miglioramento delle tecnologie di movimentazione della terra. Hanno sezione trapezia, con base da 3 a 6 volte l'altezza.

Curiosità

In Trentino, presso il gigantesco sbarramento della Diga di Bissina in Val di Daone, è in fase di realizzazione la parete attrezzata per l’arrampicata sportiva (free-climbing). Sono previste diverse vie con vari gradi di difficoltà.

Le traverse

Le traverse sono quelle opere di modesta altezza che, in genere, contengono il soprelevamento del livello d'acqua a monte di esse entro i limiti dell'alveo del fiume. Hanno altezze che possono raggiungere al massimo la decina di metri. Possono essere del tipo fisso o mobile, a seconda della configurazione dell'alveo, delle portate massime del corso d'acqua e di quelle derivabili e della necessità di evitare, durante le piene, rigurgiti eccessivi e pericolosi a monte dell'opera. Le traverse fisse sono realizzate in muratura od in cemento armato e sono destinate ad essere tracimate dall'acqua nel caso di piena o portate superiori a quelle derivabili dall'impianto, per questo sono solitamente sagomate opportunamente per evitare fenomeni erosivi. Le traverse mobili hanno una parte fissa, realizzata in muratura o cemento armato, ed una parte mobile (detta paratoia), solitamente in acciaio.

Opere complementari dei serbatoi

Sono gli scaricatori di superfici e gli scaricatori profondi, che consentono rispettivamente di evacuare le portate di piena in arrivo al serbatoio e di svuotare il serbatoio in caso di necessità.

Opera di presa e deviazione

Sono quelle opere che consentono di trasportare l'acqua dallo sbarramento alla centrale. Sono costituite da un manufatto di presa (dotato di griglie e di organi di intercettazione) seguito da un condotto derivatore (che può essere a pelo libero, dove l'acqua è a contatto superiormente con l'atmosfera come nei canali, od una condotta in pressione). I canali a pelo libero hanno solitamente sezione trapezia e possono essere scavati nel terreno e dotati di un rivestimento in calcestruzzo; le condotte in pressione hanno invece sezione circolare e sono realizzate mediante tubazioni di acciaio.

Vasca di carico e pozzo piezometrico

Al termine del condotto di derivazione è ubicata una vasca di carico, se la derivazione è a pelo libero, oppure un pozzo piezometrico se la derivazione è in pressione. Ha la funzione di ridurre gli effetti delle brusche variazioni di portata provocate dalle variazioni di potenza di potenza delle macchine della centrale, introducendo al termine del condotto di derivazione un serbatoio che possa momentaneamente assorbire le eccedenze di portata o fornirne di maggiori in caso di necessità.

Tali opere hanno anche la funzione di ridurre gli effetti sulle condotte forzate (che sono le opere che seguono tali manufatti) delle variazioni di pressione (colpo d'ariete) che si hanno nelle condotte a causa di manovre sulle macchine della centrale.

Condotte forzate

Sono le tubazioni che partono dalla vasca di carico o dal pozzo piezometrico e che adducono acqua alle macchine della centrale; sono fortemente inclinate e sono costiutite da tubazioni in lamiera di acciaio a sezione circolare. Ha delle valvole in testa ed al piede che permettono di chiudere il passaggio all'acqua.

Organi di intercettazione

Quando la turbina (o la pompa) è alimentata da una condotta forzata, essa è generalmente preceduta da un organo o valvola di intercettazione capace di chiudere a tenuta d'acqua il passaggio tra la derivazione esterna della condotta stessa e l'imbocco del distributore o cassa a spirale (o diffusore per le pompe), oppure di dar libero passaggio all'intera portata.

Centrale

La centrale è l'edificio in cui sono installati i gruppi di produzione di energia elettrica, con le relative apparecchiature di protezione comando e controllo, nonchè vari servizi ausiliari. Possono essere realizzate all'aperto con edificio sopra terra, seminterrate o in pozzo verticale, sotterranee o in caverna.

I macchinari presenti in centrale sono fondamentalmente: la turbina idraulica, il generatore (o alternatore), le pompe, gli organi di intercettazione, di regolazione della velocità e della pressione e di comando.