Il dimensionamento degli impianti mini idroelettrici

Campi di applicazione dei principali tipi di turbina (fonte: https://www.andritz.com)

Negli ultimi 100 anni, le tecnologie impiegate nello sviluppo degli impianti idroelettrici, di piccola e media grandezza, sono state analoghe a quelle impiegate nelle grandi centrali idroelettriche.
Di conseguenza, le scelte tecniche appropriate per i grandi schemi impiantistici sono state applicate anche ai piccoli impianti, con risultati assolutamente non favorevoli in termini di costi ed affidabilità.
L’importanza dei piccoli schemi per gli impianti idroelettrici iniziò ad essere riconosciuta circa 40 anni fa, sulla base di due esigenze sempre più rilevanti a livello mondiale:

1. la necessità di fornire i paesi in via di sviluppo di sistemi energetici isolati (off-grid);
2. la sostituzione dei sistemi di produzione di energia convenzionali (come le centrali a gasolio e carbone di piccole e medie dimensioni), sempre più costosi e dannosi per l’ambiente.

Alle precedenti esigenze si sommano anche quelle connesse alle conseguenze delle mutazioni climatiche, oggetto della ratifica di una serie di accordi internazionali, a partire dal vertice sulla Terra di Rio del 1992 e passando per il protocollo di Kyoto (1997) fino all’accordo di Parigi (2015). Tra le principali disposizioni di tali accordi vi è l’offerta, da parte dei paesi partecipanti, di incentivazioni per la generazione di energia da fonti rinnovabili, compresa quella ottenuta con impianti mini idroelettrici.

Cenni storici sugli impianti idroelettrici

L’energia idraulica viene sfruttata da circa 2000 anni. Sia i Greci che i Romani hanno utilizzato i mulini ad acqua per l’irrigazione e la macinazione del grano. In precedenza non vi era stata alcuna alternativa alla potenza motrice fornita dagli esseri umani o dagli animali.
Fino all’avvento del motore a vapore, i piccoli impianti ad energia idraulica (sotto forma di mulini ad acqua) sono stati la principale sorgente di forza motrice in tutto il mondo. Di fianco viene mostrata una ricostruzione del complesso dei mulini di Barbegal, costruito in epoca romana presso le foci del Rodano, nei pressi dell’attuale città di Arles nel sud della Francia.
Risalente agli inizi del IV secolo d. C. e con una potenza stimata di circa 16 kW, tale complesso ha rappresentato la più grande sorgente di potenza motrice nel mondo antico. Macinava circa 4,5 t di farina al giorno e si può considerare anche come il primo esempio in assoluto di fabbrica totalmente automatizzata.
I mulini ad acqua costituirono la principale sorgente di potenza motrice fino al 1712, anno in cui Newcomen sviluppò con successo il primo motore a vapore. Tale fondamentale innovazione, che fece passare Newcomen alla storia come il padre della rivoluzione industriale, segnò anche il momento in cui si iniziò a non considerare più l’energia idraulica come fonte di potenza motrice.
Contrariamente ai motori a vapore alternativi, evoluti successivamente nella turbine a vapore ed a gas, la tecnologia dell’energia idroelettrica rimarrà basata sull’utilizzo dell’energia cinetica ceduta dall’acqua, che scorre a forte velocità e che impatta sulle pale di una turbina.

Lo step successivo è stato così quello di considerare la turbina collegata all’albero di un generatore elettrico. Tale innovazione, storica e fondamentale per tutto il successivo progresso che ne è derivato, ha sin dall’inizio evidenziato le problematiche connesse all’affidabilità relativa all’uso continuo dei sistemi turbina – alternatore.
Tali problematiche sono state affrontate per la prima volta (su una scala molto prossima agli impianti attuali) nel 1895, anno di costruzione della prima centrale idroelettrica moderna di 37 MW presso le cascate del Niagara: la Edward Dean Adams Power Plant.

I generatori dell’impianto erano di tipo polifase, ciascuno erogante 5000 HP (3700 kW) a 25 Hz e prodotti da Westinghouse Electric, basandosi sui progetti di Nikola Tesla e Benjamin G. Lamme.

Nella figura seguente, viene riproposta una sezione di uno dei generatori, dove è possibile individuare la soluzione scelta all’epoca per gli accoppiamenti cinematici. Da allora, la diffusione delle centrali idroelettriche e l’evoluzione tecnologica conseguita nella realizzazione dei gruppi turbina-generatore, ha permesso un elevato tasso di crescita della capacità produttiva dell’energia idroelettrica, arrivando a fornire ad oggi il 20% dell’elettricità prodotta su scala mondiale.

Attualmente, la più grande centrale idroelettrica al mondo è quella costruita presso la Diga delle Tre Gole sul Fiume Azzurro, nella provincia di Hubei in Cina.
Tale centrale fornisce una potenza nominale totale di 22,5 GW ed è dotata di 32 turbine Francis, ciascuna di potenza nominale pari a 700 MW, prodotte dalla francese ALSTOM.

Requisiti fondamentali

I dati da considerare, per l’analisi di fattibilità di un generico schema progettuale di un impianto idroelettrico, sono relativi alla portata di acqua che scorre lungo un pendio, che può essere deviata o arginata.
Ciò consente, successivamente, il dimensionamento di tutte le infrastrutture, necessarie a convogliare il flusso alla turbina alla più alta pressione possibile. Più alto sarà il livello ottenibile (o disponibile) del bacino di monte (head water), migliore sarà il flusso.
I fattori chiave sono dati sia dalla scelta di un sito dove è possibile massimizzare il valore dell’altezza geodetica (definita come la differenza tra la quota di livello del bacino di monte e quella dello scarico in turbina) che dalla fattibilità economica della costruzione di una diga con cui incrementare il livello del bacino di monte.
La scelta del sito di un impianto idroelettrico viene poi fortemente condizionata dalle condizioni climatiche e dall’orografia del sito; quest’ ultima, in particolare, sarà determinante per la l’estensione del bacino, per la sua quota e per la capacità di raccolta delle acque.
Sulla base delle condizioni climatiche, verrà anche determinato l’andamento delle precipitazioni e la valutazione ultima se disporre, o meno, di un lago artificiale.
Complessivamente, l’analisi di fattibilità di un impianto idroelettrico dovrà tenere conto della stima dei costi di realizzazione di tutte queste opere, oltre che della valutazione di soluzioni che prevedono il ricorso ad altre forme di energia.
E’ possibile valutare numericamente la potenza in uscita di un impianto idroelettrico tramite la seguente relazione:

P = Q ^.H ^. 9,81 ^. h_t ^. h_g

dove:
P è la potenza in uscita, kW
Q è la portata (massima), m³/s
H è livello del bacino di monte (head water), m
9,81 è l’accelerazione di gravità, m²/s
h_t è il rendimento della turbina (compreso tra 0,87 e 0,92)
h_g è il rendimento del generatore (compreso tra 0,94 e 0,98)

Dall’esame delle grandezze coinvolte nella suddetta relazione, risulta evidente come la scelta di soluzioni opportune per gli accoppiamenti cinematici (tra turbina e generatore) giochi un ruolo fondamentale, non solo in termini di affidabilità connessa all’uso continuo, ma anche per la conservazione, nel tempo, dei valori di efficienza su indicati in termini di rendimento.
L’energia annuale prodotta da un impianto viene espressa in Mwh. Tale grandezza è la potenza ricavata utilizzando la portata media (anziché la massima) e moltiplicando per 8,76 (pari al numero di ore in un anno diviso 1000).

Classificazione degli impianti mini idroelettrici

La classificazione degli impianti idroelettrici in base alle dimensioni è materia controversa, e non è facile pervenire a definizioni univoche: una convenzione diffusa considera “mini-idroelettrici” tutti gli impianti con potenza pari o inferire a 30 MW, ma opera un’ulteriore suddivisione fra impianti piccoli, mini propriamente detti e micro. Ferma restando la possibilità di utilizzare altre classificazioni (dove comunque a chiarire al di là di ogni dubbio la dimensione è la potenza erogata), utilizzeremo la convenzione di cui sopra e, sulla base delle precedenti osservazioni e della definizione della potenza in uscita P, procederemo ad una classificazione degli impianti mini idroelettrici, come di seguito riportato.

Piccoli Impianti (Small Hydro)	P = 10 – 30 MW
Mini Impianti (Mini Hydro)	P < 500 kW
Micro Impianti (Micro Hydro)	P < 100 kW

Gli impianti Micro Hydro vengono generalmente destinati all’impiego per le utenze isolate (off-grid).
Gli impianti Mini Hydro e Small Hydro vengono dimensionati considerando portate massime Q nel range compreso tra 1 m³/s e 100 m³/s. Il livello del bacino di monte varia, generalmente, da 5m a 300m.
Le più recenti tendenze progettuali, relative agli impianti Mini e Micro Hydro, consistono in una varietà di soluzioni tutte finalizzate al conseguimento di un mix ottimale tra compattezza e scalabilità, entrambe riferite al sistema turbina-generatore.
A tale scopo, la standardizzazione dei relativi componenti elettromeccanici esige l’uniformità nell’attuazione della limitazione della coppia, trasmessa dalla turbina al generatore. Tale uniformità risulta fondamentale nei periodi di fermo dell’impianto e nell’eventualità del colpo d’ ariete.
Quest’ultimo fenomeno è tipico degli impianti idroelettrici in cui l’acqua viene raccolta in bacini o in laghi artificiali (bacini chiusi), per poi essere convogliata alle turbine tramite condotte in pressione.
Il colpo d’ariete è una sovrappressione che si genera in una condotta, quando il fluido subisce un brusco rallentamento o l’arresto. L’energia cinetica dell’acqua in movimento si trasforma così in lavoro di compressione.
E’ fondamentale mitigare tale fenomeno nella condizione critica di operatività del gruppo turbina-generatore: il funzionamento a pieno carico. Tale mitigazione viene attuata tagliando la portata d’acqua alla turbina, nei tempi più brevi possibili.
Ma i tempi di attuazione della chiusura delle condotte possono essere comunque non sufficientemente rapidi, per cui è necessario dotare il sistema turbina-generatore di limitatori di coppia affidabili, robusti, con bassa inerzia e con tempi di intervento brevissimi.
Tale esigenza progettuale, accomuna gli impianti Mini Hydro agli impianti Small Hydro realizzati presso dighe originariamente destinate all’irrigazione o al controllo della portata dei fiumi.
La scelta di un’opportuna limitazione della coppia, unita al corretto dimensionamento dell’accoppiamento cinematico nel sistema turbina-generatore (in termini di elevata capacità di smorzamento e di rigidezza torsionale), dipende anche dal tipo di turbina impiegato.

Tipi di turbine

La scelta del tipo di turbina da impiegare in un impianto mini idroelettrico, viene determinata sulla base dell’altezza idrica, o salto (Net Head) a disposizione.
I principali tipi di turbine sono la turbina Kaplan , la turbina Francis e la turbina Pelton. Sulla base del diagramma seguente, è possibile procedere ad un primo dimensionamento anche degli impianti Small Hydro e Mini Hydro, sulla base del salto a disposizione.

 

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Turbina Kaplan e a bulbo

Di seguito, viene mostrata una moderna turbina Kaplan (turbina a reazione), impiegata per salti compresi tra i 2 ed i 30m:

Un’evoluzione della turbina Kaplan è la turbina a bulbo, impiegata generalmente per salti compresi tra i 2 ed i 15 m ed in tutte quelle situazioni in cui le opere civili di supporto costituiscono una voce di costo da minimizzare.
Sia la turbina Kaplan che quella a bulbo possono essere orizzontali o verticali.
Per questo tipo di turbina l’accoppiamento all’albero del generatore viene realizzato tramite cinghie o riduttore, il che rende fondamentale il ricorso a limitatori di coppia opportunamente dimensionati.
Nella turbina a bulbo, inoltre, risulta fondamentale l’utilizzo di soluzioni di accoppiamento cinematico affidabili e torsionalmente rigide. Tale turbina, infatti, viene istallata totalmente sommersa ed all’interno di condotte; eventuale interventi di riparazione risulterebbero estremamente onerosi e difficoltosi.
La turbina Kaplan e la turbina a bulbo non necessitano di protezione degli accoppiamenti cinematici per il colpo d’ariete, poiché operano per valori dei salti molto bassi.

 

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Turbina Francis

Di seguito, viene mostrata una moderna turbina Francis (turbina a reazione). Questo tipo di turbina viene impiegato per salti compresi tra i 20m ed i 200m.
Anche la turbina Francis viene realizzata in configurazione orizzontale o verticale. Osservando la figura precedente, risulta evidente come la scelta di opportuni accoppiamenti cinematici sia fondamentale anche per questo tipo di turbina.
Di solito una turbina Francis viene realizzata separata dall’albero del generatore, al quale va accoppiata tramite giunti ad elastomero e ad alta capacità di smorzamento, al fine di diminuire giochi angolari e vibrazioni. Nelle soluzioni più compatte, vi sono realizzazioni in cui la turbina ed il generatore sono già accoppiati, con opportune soluzioni di limitazione della coppia per il generatore stesso.
Per la turbina Francis, il colpo d’ariete è un’eventualità di cui tenere conto nel dimensionamento degli accoppiamenti cinematici visto in precedenza.

 

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Turbina Pelton e turbina Turgo

Di seguito viene proposta una moderna turbina Pelton (turbina ad azione). Questo tipo di turbina viene impiegato per salti compresi tra gli 80m ed i 1500m.
Dati i valori dei salti, per i quali tale tipo di turbina viene impiegato, il dimensionamento dell’accoppiamento cinematico (per la protezione del generatore dalle conseguenze del colpo d’ariete) assume un’importanza fondamentale.
Un’evoluzione della turbina Pelton è la turbina Turgo, che ha un numero di giri caratteristico più alto ed una capacità di portata maggiore a parità di diametro. Queste due caratteristiche permettono di contenere i costi del generatore e dell’ istallazione, costituendo così una scelta ottimale anche per gli impianti Micro Hydro, come mostrato nel diagramma seguente:

 

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Turbina Ossberger®

Questa tipologia di turbina ad azione, viene realizzata esclusivamente in configurazioni compatte turbina – generatore. Essa costituisce una valida alternativa alla turbina a bulbo ed alla Francis. La turbina Ossberger® è una turbina a flusso radiale con ammissione parziale, nella quale le pale del distributore generano un getto d’acqua a sezione rettangolare. Tale distributore è anche suddiviso in due sezioni (per cui si parla di turbina Ossberger® a due compartimenti), al fine di garantire un ottimo rendimento per portate variabili da quella minima a quella massima di progetto, come mostrato nel diagramma a lato. Di seguito viene mostrato un esploso della turbina Ossberger®:

 

 

 

 

 

 

 

 

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Turbina a vite idrodinamica o Turbina a coclea

Di seguito viene mostrato una turbina a vite idrodinamica:

Tale tipo di turbina a gravità, viene impiegato in tutti quei contesti dove sono disponibili salti molto bassi e dove l’economicità dell’impianto, il minimo impatto ambientale e la lunga durata sono fattori di primaria importanza. Di seguito viene riportato un diagramma che ne riassume i campi di applicazione:

Il dimensionamento degli accoppiamenti cinematici tiene conto del fatto che il numero di giri della turbina è determinato dalla portata; essi variano da 20rpm ad 80 rpm.
Il collegamento della turbina all’albero del generatore può essere realizzato sia con trasmissione a cinghia che con opportuni accoppiamenti cinematici. Tali accoppiamenti devono avere caratteristiche di elasticità, rigidezza torsionale e riduzione dei giochi, data anche l’eventualità di utilizzo di un riduttore.

Il ruolo dei fornitori di componenti

Un’attività complessa come la progettazione nell’ambito degli impianti mini idroelettrici, può trovare un valido supporto nei fornitori di componenti. È il caso di R+W, azienda leader nella produzione di giunti e alberi di trasmissione, in grado di mettere la sua esperienza a disposizione del progettista.

Nel settore degli impianti mini idroelettrici, R+W fornisce una gamma completa di soluzioni per tutte le esigenze di trasmissione e limitazione della coppia, quali: giunti a soffietto metallico della serie BK, giunti ad elastomero della serie EK e limitatori di coppia della serie SK.