Energia Idroelettrica

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Sfruttando la forza di gravità e il ciclo chiuso dell’acqua, l’energia idroelettrica è stata una delle prime opzioni che l’uomo ha avuto per creare una forma utile di energia, usando uno dei cosiddetti “motori della natura”. Pensandoci bene, sin dall’antichità, gli esseri umani hanno utilizzato l’energia dell’acqua in movimento: già Greci e Romani usavano dei mulini ad acqua per macinare il grano.

A Barbegal, in Francia, nei pressi di Arles, un importante porto che riforniva Roma di grano, sono stati trovati dei mulini idraulici a otto ruote che sfruttavano contemporaneamente lo stesso corso d’acqua (310 d.C.).

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Oggi, sfruttando la forza dell’acqua in movimento per generare elettricità, l’energia idroelettrica è diventata la più grande fonte di produzione di energia rinnovabile e a basse emissioni di inquinanti, diffusa in tutto il mondo. Anche se la generazione di energia tramite l’idroelettrico non emette sostanze che causano l’inquinamento atmosferico o emissioni di gas ad effetto serra, può avere conseguenze ambientali e sociali negative.

Ad esempio bloccare i fiumi con le dighe, può causare il degrado della qualità dell’acqua, delle strutture naturali che indirizzano i corsi d’acqua e quindi l’habitat di molte specie animali e vegetali: i blocchi migratori causati dall’impossibilità dei pesci di scavalcare le barriere architettoniche e il conseguente spostamento delle comunità locali sono due dei problemi più gravi che legano la biodiversità e le dighe.

Perciò i vantaggi e gli svantaggi di ogni progetto idroelettrico proposto, devono essere pesati da autorità competenti, prima di poter procedere con qualsiasi costruzione. Eppure, se realizzata in maniera consona, una centrale idroelettrica può essere una fonte sostenibile e non inquinante di energia elettrica che ci può aiutare a diminuire la nostra dipendenza dai combustibili fossili e a ridurre la minaccia del riscaldamento globale.

Sulla Terra, l’acqua cambia costantemente il proprio stato di aggregazione, in un processo noto come ciclo idrologico. L’acqua evapora dagli oceani, forma dei cumuli di nuvole, ricade a terra sotto forma di pioggia o neve e viene raccolta in torrenti e fiumi, che conseguentemente scorrono verso il mare. Tutto questo movimento continuo offre un’enorme opportunità di sfruttare l’energia cinetica e potenziale, che vengono definite per questo energie utili.

Statistiche sull’uso degli impianti idroelettrici

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Nel 2011, l’energia idroelettrica ha fornito il 16% di energia elettrica del mondo, è stata la seconda forma di energia primaria, dietro solo ai combustibili fossili. La capacità di potenza cumulata in tutto il mondo nello stesso anno è stata di 950 GW, con il 24% in Cina, l’8% negli Stati Uniti, e il 9% in Brasile. A livello globale, la capacità idroelettrica è più che raddoppiata in 40 anni.

Tuttavia, in uno dei paesi più importanti del mondo, e che dovrebbe quindi dare il buon esempio in materia di energie pulite, gli Stati Uniti, come percentuale della produzione totale di energia elettrica, l’idroelettrico è sceso dal 12% del 1980 al 7% nel 2012. Questa diminuzione è stata causata in gran parte dalla rapida crescita delle centrali elettriche a gas naturale, ma fortunatamente anche grazie ad altre tecnologie di energia rinnovabile come l’eolico e il solare.

Dal momento che l’energia idroelettrica dipende dai corsi d’acqua, come fiumi e torrenti, la possibilità di utilizzare l’energia idroelettrica come fonte di energia elettrica è varia in tutto il mondo. I corsi d’acqua, la cui differenza di altitudine tra sorgente e foce è molto ampia, sono i principali indiziati per ospitare lungo il proprio percorso delle centrali idroelettriche. Ecco perché spesso ci capita di vedere delle dighe in zone montuose.

Oltre agli impianti di grandi dimensioni, stanno sorgendo negli ultimi anni anche molti impianti idroelettrici di portate ridotte. Il restauro di quelle che sono state alcune delle prime centrali di produzione di energia tramite l’acqua, dovrebbe essere uno dei principali obbiettivi delle amministrazioni locali.

Infatti, nonostante rappresentino solo una piccola frazione delle dighe che bloccano e deviano i nostri fiumi, gli impianti di produzione idroelettrica definiti mini impianti (se la loro potenza nominale è compresa tra i 100 kW e i 10 MW) o addirittura i micro impianti (potenze nominali inferiori dei 100 kW), possono rappresentare localmente una soluzione efficiente per garantire una risorsa preziosa come risulta essere l’elettricità.

Questi impianti di piccola potenza, costruiti nel passato per alimentare piccoli paesini, potrebbero ora risultare essenziali, se conformati con le migliori tecnologie esistenti, per alimentare anche intere vallate. Sarebbe infatti uno spreco, lasciar marcire un’opera che invade il territorio ma che può diventare una risorsa importante per lo stesso.

Per generare elettricità tramite l’energia cinetica derivante dall’acqua in movimento, la stessa deve muoversi con una velocità e un volume sufficienti per far girare un dispositivo ad elica, detto turbina, che a sua volta fa ruotare un generatore elettrico che genera energia elettrica. In parole povere, 4 litri d’acqua al secondo che cadono da un’altezza di  30 metri sono in grado di generare un 1 kW di potenza elettrica. Quindi, in generale, più la portata di acqua che si sviluppa in turbina è alta, più è alta l’energia producibile.

Per aumentare il volume delle dighe vengono utilizzati dei sistemi di raccolta dell’acqua, come ad esempio può essere un’opera che sbarra la strada ad un fiume e lo indirizza verso il bacino di raccolta. Un’apertura nella diga usa la forza di gravità per trasportare l’acqua dal bacino di raccolta superiore al bacino di raccolta inferiore in un tubo chiamato condotta forzata, così detto perché l’acqua viene “obbligata” ad entrare nel tubo per una sostanziale differenza di pressione. L’acqua in movimento dall’alto verso il basso provoca il moto rotatorio delle turbine, che permette ad alcuni magneti all’interno del generatore di ruotare e creare conseguentemente energia elettrica.

Tipologie di Turbine

turbina idroelettrica francis

Ci sono diverse varietà di tipologie di turbine che vengono utilizzate negli impianti idroelettrici e il loro uso dipende dalla misura del salto idraulico (distanza verticale tra la diga superiore e la turbina, al netto delle perdite) presso lo stabilimento e dalla portata di acqua che si vuole far scorrere contro la turbina. I più comuni sono la Kaplan, la Francis e la Pelton.

La turbina Kaplan è simile ad un’elica di una barca, con il rotore (cioè la parte che ruota in una turbina) che ha dalle tre alle sei pale, e può fornire fino a più di 2000 kW di potenza. La turbina Kaplan si differenzia dagli altri tipi di turbine idroelettriche in quanto le sue prestazioni possono essere migliorate modificando il passo delle pale e cioè la distanza tra di esse.

La turbina Francis ha un rotore con nove o più palette fisse. In questo particolare design di turbina, che può arrivare a produrre fino a 800 kW di potenza, le pale della girante dirigono l’acqua in modo che questa si muova in un flusso assiale alla turbina.

La turbina Pelton consiste di un insieme di segmenti di forma speciale che sono montati sulla parte esterna di un disco circolare, facendola apparire simile ad una ruota dei mulini ad acqua. Le turbine Pelton sono tipicamente utilizzate in siti in cui il salto netto è molto grande, a discapito della portata d’acqua che risulta essere inferiore rispetto alle altre due tipologie e possono avere una potenza nominale di quasi 5000 kW.

L’energia idroelettrica può anche essere generata senza l’utilizzo di una diga, attraverso un processo noto come produzione ad acqua fluente. In questo caso, il volume e la velocità dell’acqua non vengono aumentati da una diga. Il vantaggio di utilizzare un bacino di raccolta sta nel fatto che permette alle centrali idroelettriche di controllare quando l’elettricità viene generata perché si è in grado di controllare i tempi e il flusso dell’acqua che raggiunge le turbine.

Pertanto, si può decidere di generare energia quando è necessario, semplicemente permettendo all’acqua di fluire nella condotta forzata; quando il varco viene chiuso, la produzione di energia elettrica è nulla. Poiché gli impianti ad acqua fluente non fermano il flusso dell’acqua, ma sono vincolati ad esso, hanno molto meno capacità di controllare la quantità e la tempistica di quando si genera energia elettrica.

A proposito dell’impianto di pompaggio

Elemento fondamentale di una centrale idroelettrica è l’impianto di pompaggio, in quanto permette la risalita dell’acqua dal serbatoio inferiore (cioè dopo essere passata dalle turbine ed aver prodotto energia) ad un serbatoio più alto durante i periodi non di punta; vengono detti così gli archi della giornata in cui l’elettricità è relativamente a buon mercato e non c’è grande richiesta.

Pompare l’acqua in salita è ciò che crea il potenziale per generare energia idroelettrica in seguito; questo permette di considerare a tutti gli effetti i sistemi di pompaggio correlati all’idroelettrico, come tecnologie di accumulo energetico. Inevitabilmente, attraverso i vari attriti un po di energia si perde, ma i rendimenti degli impianti in questione sono tra i più alti per le tecnologie rinnovabili ed arrivano fino all’80%. Vi sono attualmente più di 90 GW di capacità di pompaggio in tutto il mondo.

La necessità di creare nuove risorse di stoccaggio energetico,  per catturare e poi riconvertire l’energia per un utilizzo successivo, deriva dall’obbligo che ha la nostra comunità di accrescere la penetrazione di energie rinnovabili intermittenti (ad esempio, eolico e solare) all’interno del sistema internazionale di distribuzione di elettricità. Un’attenta e accurata programmazione di nuovi progetti idroelettrici potrebbe dare la spinta decisiva per l’instaurarsi di una rete elettrica prevalentemente alimentata da fonti pulite.

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