Come è schematizzabile una impianto idroelettrico e quali sono le equazioni fisiche costitutive del suo funzionamento?

Un impianto idroelettrico è un sistema concettualmente molto semplice che in prima sintesi si può dire che trasformi l’energia potenziale di un volume d’acqua in energia elettrica atraverso le turbine che vengono appunto fatte funzionare dall’acqua proveniente da monte.

In pratica poi la sua allocazione e la gestione del suo funzionamento dipendono dalla situazione che ogni singolo caso presenta.

L’allocazione di un impianto idroelettrico dipende dalle caratteristiche di utilizzabilità dei bacini idrografici.

Questi sono funzione delle caratteristiche geologiche e morfologiche da un lato e da quelle climatiche e idrografiche dall’altro.

Le prime vincolano la possibilità delle opere di sbarramento, di derivazione e dei salti usufruibili.

Le seconde sono legate alle portate disponibili in una determinata sezione di un corso d’acqua e alla loro distribuzione nel tempo.

L’andamento delle portate lungo l’anno serve per decidere la gestione di funzionamento dell’impianto.

Un primo dato numerico che qualifica l’attitudine di un bacino alla produzione idroelettrica è costituito dal bilancio (su base annua) tra afflussi A, deflussi D e perdite P dovute a evaporazione e a infiltrazione.

Il rapporto C=D/A varia in base al tipo di bacino (alpino glaciale, alpino sub lacuale, appenninico padano eccetera).

Un altro elemento fondamentale è il salto motore (legato a fattori topografici), ovvero il dislivello tra serbatoio a monte e l’impianto a valle.

In generale un impianto idroelettrico è costituito da:

1) Opera di presa che deriva le portate richieste dal progetto

1bis) Dissabbiatore (sghiaiatore) tra opera di presa e serbatoio

2) Serbatoio dimensionato sulla base dell’andamento annuo delle portate piovute e dell’utilizzo da parte dell’impianto dei volumi invasati

3) Condotte forzate dove viene convogliata l’acqua dal serbatoio all’impianto

4) Turbine

La potenza disponibile è: P=Qhg (Watt)

dove :

Q = portata (m3/s)

h = salto motore (m)

g= peso specifico dell\’acqua (N/m3)

Naturalmente occorre considerare i rendimenti elettromeccanico e idraulico. il primo è di circa 0.9, il secondo 0.8-0.85.

L’energia sarà: E=g*(V/31500000)*8760*h (Wh)

con tale espressione si considera che l’impianto funziona per tutto l’anno ovvero 8760 ore) utilizzando la portata media derivabile data dal rapporto del volume V(m3) rispetto ai secondi dell’anno (31500000).

Tale valore va moltiplicato per i rendimenti 0.9 e 0.8 per ottenere la reale energia usufruibile.

Affinché il rendimento idraulico sia il più alto possibile, ovvero affinché si riesca ad utilizzare tutta l’energia del salto motore, le condotte forzate dovranno essere più dritte e più corte possibile in modo da minimizzare perdite di carico localizzate (dovute alle curve) e quelle continue (dovute alla scabrezza delle condotte).

Anche le turbine dovranno essere scelte in modo da avere alto rendimento in base alla situazione in cui ci troviamo.

Esistono fondamentalmente tre tipi di turbine :

1) Pelton (radiali)

2) Kaplan (assiali)

3) Francis che hanno un funzionamento ibrido.

La scelta è in primo luogo vincolata al fatto se si abbia grande portata e piccolo salto o viceversa.