L’idroelettrica è una fonte di energia certamente
rinnovabile che tuttavia non può di certo dirsi innovativa, visto
che le prime applicazioni risalgono alla seconda metà
dell’ottocento, né alternativa dato il notevolissimo, ormai
pressoché integrale sfruttamento di questa risorsa in Italia e nei
paesi occidentali, né senza grave impatto ambientale, come vedremo
in seguito.
In Italia, le riserve ancora sfruttabili economicamente secondo
alcune stime, non superavano i 15 TWh/anno su 304 richiesti dalla
rete nel 2001, di cui solo 4 ascrivibili alla piccola idraulica
(“centraline”).
1. Le curve
idrologiche dei corsi d’acqua
L’idrogramma è il grafico di base per determinare
le caratteristiche idrologiche di un corso d’acqua.
Esso rappresenta l’andamento delle portate o
delle portate specifiche, cioè riferite all’unità di bacino,
(istantanee, medie giornaliere, medie mensili o medie stagionali) in
una certa sezione, in funzione del tempo (fig.1) per un determinato
anno.
Dall’ idrogramma si possono ricavare le curve di
frequenza, che indicano la frequenza o la probabilità di una certa
portata, riferita all’unità di portata stessa, di verificarsi, e le
curve di durata (fig.2) come quelle già viste per il vento, che
riportano sull’asse delle ascisse, il tempo complessivo dell’anno
durante il quale una determinata portata (letta sulle ordinate) è
stata eguagliata o superata. Integrando la curva di durata secondo
le ordinate si determina la curva caratteristica di utilizzazione
(fig.3) molto importante ai fini dello sfruttamento idroelettrico.
Essa rappresenta in ordinata il deflusso o il volume annuo massimo
derivabile con una presa avente una capacità di derivazione pari a
quella indicata in ascissa.
Fig. 1 - Idrogramma e curva di durata del Boite a
Vodo (Belluno). Anno 1940. Dal Tonini
Le portate massime derivabili sono spesso
espresse in percentuale della media annua ed il deflusso derivabile
dall’opera di presa a sua volta è indicato non già in m3 ma in
portate utilizzabili equivalenti espresse in percentuale della
portata media del corso d’acqua nell’anno (o nel periodo)
considerato. Se un corso d’acqua avesse una portata costante pari
alla media , la curva di utilizzazione sarebbe una retta inclinata
di 45° rispetto all’orizzontale intersecante la retta orizzontale di
ordinata pari alla portata media.
Integrando la curva di durata secondo le ascisse
partendo dal valore dell’ascissa pari a 365 gg., si ottiene la curva
di concentrazione che da un’indicazione del grado di perennità del
corso d’acqua (Fig. 4)
Fig. 2 - Curve di durata per i corsi d’acqua
indicati alle stazioni: Sesia: P. Aranco; Dora Baltea:
Ponte Baio; Dora R. : S. Antonio; Tanaro: Clavesana,
(medie 1927-1935) (Tonini). L’andamento della curva
della Dora Riparia è influenzato dalla presenza di un
invaso a monte che riduce sensibilmente la portata
massima ed aumenta la minima.
Fig. 3 - Curve caratteristiche di utilizzazione
(Tonini).
Fig. 4 - Curve di concentrazione (Tonini)
Le varie curve sono di regola mediate su un certo
numero di anni (almeno 10 per dare dei valori significativi). Gli
idrogrammi medi mensili, definiscono il regime idrologico del corso
d’acqua (si vedano le figg. 5, 6, 7).
Nelle Alpi si possono individuare almeno quattro
regimi: il regime glaciale caratterizzato da un solo massimo estivo
e da un pronunciato minimo invernale, il regime nivale di montagna
con un massimo in primavera ed ancora un minimo in inverno, il
nivale di transizione o nivo - pluviale simile a quest’ultimo ma con
in più un massimo secondario in autunno ed un minimo secondario in
estate, infine il regime dei fiumi di risorgiva con una portata
molto costante tutto l’anno. Il regime pluviale (mediterraneo)
opposto di quello glaciale (massimo invernale , forte minimo estivo)
appare già, seppur attenuato da un’influenza nivale di transizione,
nell’Appennino settentrionale, quello ligure in particolare. Tale
regime è molto moderato negli estremi se il bacino, almeno in buona
parte, è permeabile (il Tevere a Roma, grazie all’apporto del Nera,
è un esempio classico). Le portate specifiche (o contributi unitari)
medie, espresse in l/(s*km2) ma anche in mm d’acqua defluiti, sono
le portate riferite all’unità di area di bacino idrografico. Per le
Alpi, i valori oscillano normalmente tra 25 e 40 l/(s *km2). Il
rapporto tra afflussi (pioggia o neve) nel e deflussi dal bacino,
misurati in mm d’acqua, costituisce il coefficiente di deflusso
(mensile od annuo).
Fig. 5 - Regime glaciale. Frodolfo a S. Caterina
di Valfurva.
Periodo 1927-1930. (Tonini)
Fig. 6 - Regime pluvio-nivale. Il Tanaro a Clavesana.
Anno 1930. (Tonini)
Fig. 7 - Regime pluviale (mediterraneo) con
bacino impermeabile.
Coghinas a Muzzone. Anno 1930 (Tonini)
2. La derivazioni
delle acque
La captazione dell’ acqua da un corso d’acqua si
può realizzare mediante opere di presa a pelo libero o mediante
dighe di sbarramento con la creazione di bacini artificiali, anche
di capacità superiore al deflusso annuo. Le acque derivate possono
essere inviate direttamente alle centrali per poi essere utilizzate
per l’irrigazione o trasferite ad altri invasi posti anche in
differenti bacini idrografici. I canali di derivazione possono
essere a cielo aperto o in galleria, alla pressione atmosferica od
in sovrapressione. Possono captare altri corsi d'acqua, fino al più
piccolo ruscello, appartenenti a un versante vallivo, in tal caso
sono definiti canali di gronda ( si vedano a questo proposito le
figure 8 e 9 relative a due dei 40 progetti di derivazione
idroelettrica esaminati dal punto di vista dell’impatto ambientale
dall’Ufficio Federale Svizzero dell’Economia delle Acque (OFEE) nel
1984. Per i fiumi di notevole portata con piccoli dislivelli a
disposizione esistono anche impianti idroelettrici che lavorano a
filo d’acqua, senza diversione delle acque.
Fig. 8 - Progetto di derivazione dei torrenti la
Reche e le Bourge, nel Vallese (CH). Punteggiati i
tratti di corso d’acqua con portata derivata. A tratto i
condotti di derivazione. Producibilità annua: 55,7 GWh
Fig. 9 - Progetto di derivazione della Sarine nel
Cantone di Vaud (CH).
Punteggiati i tratti di corso d’acqua con portata
derivata. A tratto i condotti di derivazione.
Producibilità annua: 68 GWh
3. L’impianto
idroelettrico
Lo schema di principio di un impianto
idroelettrico è riportato nella figura qui sotto.
Fig. 10 - Schema di principio di un impianto
idroelettrico
4. Espressione della
potenza e del rendimento
Dato il salto netto H, pari al salto lordo Z1-Z2
a disposizione diminuito delle perdite nelle tubazioni (m) e la
portata Q in volume (m3/s), la potenza fornita dalla
turbina idraulica è data da:
P = η ρ g Q H (W)
Dove:
ρ = densità dell’acqua (kg/m3)
g = accelerazione di gravità (m/s2)
η = rendimento della macchina.
A trasformare l’energia idraulica dell’acqua in
energia meccanica sono le turbine idrauliche.
Il numero di giri caratteristico, nc, di una
turbina idraulica è dato da:
2) nc = n/H √(P/√H)
con n = numero di giri della turbina al minuto e
H e Q come sopra
Macchine geometricamente simili che lavorino allo
stesso numero caratteristico di giri, hanno lo stesso rendimento.
Tre sono le principali tipologie di macchine
utilizzate:
Le turbine ad azione, tipo Pelton
Le turbine a reazione, tipo Francis
Le turbine ad elica (assiali)
Le turbine Pelton con la velocità di eflusso nel
distributore pari a quella corrispondente al salto H, sono adatte ad
alte cadute e piccole - medie portate ; per esse nc < 60;
le turbine Francis con velocità di eflusso < a quella corrispondente
al salto H, sono più adatte a salti < di 300 m ed hanno nc
compreso tra 60 e 350/400; le turbine ad elica sono adatte a bassi
salti ed alte portate; per esse nc è compreso tra 400 e
1000 (Figg. 11, 12.13, 11.11).
Fig. 11 - Turbina Pelton
Fig. 12 - Turbina assiale
Fig. 13 - Turbina Francis
5. I costi
dell’energia idroelettrica
I costi del Kwh prodotto sono molto variabili, in
funzione della potenza del salto e delle caratteristiche idrologiche
del corso d’acqua. Per la minidraulica (< 10 MW) essi si collocano
attorno ai 20 centesimi di euro. Per la media e grande attorno ai 10
,15 centesimi di euro. Il tempo di ritorno dell’investimento varia
dai 10 ai 20 anni