energia idroelettrica - ciriaf · rendimenti di un impianto idroelettrico la produzione di energia...
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Università degli Studi di Perugia
Ing. Andrea Nicolini
EnergiaIdroelettrica
Rendimenti di un impianto idroelettrico
La produzione di energia dipende da due fattori principali, la caduta o salto(head) e la portata d’acqua (flow rate).Salto lordo o geodetico = differenza di altezza fra la superficie libera dellasezione di presa dell’acqua ed il livello nella sezione del corso d’acqua dove il flusso è restituito (ottenibile con una depressione naturale o artificiale). il salto lordo dipende dall’orografia del luogo e presenta ampi margini di variazione.Salto netto o motore di una centrale idroelettrica = caduta effettivamente utilizzata alla turbina, ossia il salto lordo meno le perdite che si verificano all’opera di presa e quelle dovute al sistema di trasporto dell’acqua (canali, tubazioni, condotte forzate, ecc.).Portata = il volume di acqua che attraversa una determinata sezione del corso d’acqua nell’unità di tempo (m3/s).La portata dipende dalla superficie del bacino, dalla permeabilità del suolo,dalla vegetazione e soprattutto dai fattori climatici che generano gli apportipositivi (le precipitazioni) e negativi (l’evaporazione, l’evapotraspirazione, ecc.).
Energia prodotta
Teorema di BERNOULLI tra sezioni 1 e 2
ξ2
uρ
P2
uρPgH
222
211 Considerando
che gH2
uu 22
21
ξgH
La potenza ottenibile da un gruppo di produzione elettrica turbina-generatore è espressa dalla seguente relazione:
'ξgHE L’energia potenziale relativa allacaduta H viene trasformata incalore in modo irreversibile
È necessario pertanto realizzare tra lesezioni 1 e 2 un percorso a minorresistenza che comporti perdite minoried impiegare la differenza positiva Etrasformandola in energia meccanicadisponibile su di un albero rotante
ENERGIA CAPTATA DALL’IMPIANTO IDROELETTRICO
Potenza [kW]
Rendimento del gruppo di produzione turbina-generatore
Portata d’acqua [m3/s]
Salto motore netto [m]P = η x 9,81 G x H
NOTA: non è esplicitato nella formula,ma l’espressione è moltiplicata per1000 kg/m3 (densità dell’acqua) edivisa per 1000 (fattore di conversioneW-kW)
Energia prodotta
Rendimenti di un impianto idroelettrico
o
e
PP
rendimento globale
suddividiamo la perdita nelle diverse aliquoteH = caduta geodeticaH‘ = caduta netta a monte turbina
gHH /'' (m.c.a.)
se Po = gHρG Pm = gH’ρG
m
tt P
P rendimento turbina
mit m
ii P
P
i
tm P
P
rendimento idraulico
rendimento meccanico
Pi = potenza ceduta dall’acqua alle palettePt = potenza trasferita all’asse della turbina
emia RENDIMENTO GLOBALE
gH1
HH
PP
o
ma
'' rendimento opere adduz.
t
ee P
P rendimento elettrico
Valutazione delle risorse idriche
I corsi d’acqua naturali traggono origine dalle precipitazioni.
Natura delle risorse idrauliche• La misura delle precipitazioni atmosferiche si misura in [mm]
Altezza del pelo libero dell’acqua raccolta in un recipiente scoperto (pluviometro)
Riferito ad un’unità di tempo (Precipitazione oraria, giornaliera, mensile, annuale…)
• Nel mondo la piovosità media annuale si aggira attorno agli 800 – 1000 mm
• L’Italia rientra nella media annuale con le seguenti distinzioni: Sul versante alpino ed appenninico e valle del Po, vale 800 mm/anno Nella Carnia vale 2.500 mm/anno In Puglia e Sardegna vale 500 mm/anno
Valutazione delle risorse idriche
Curve isoiete
(racchiudono aree interessate dalla stessa piovosità)
PIOVOSITA’
(pluviometro)
800÷1000 mm/anno
Esistono carte idrologiche del territorio in cui sono tracciate curvea uguale precipitazione
Afflussi e deflussi
Regime pluviometrico = studio della distribuzione della piovosità di una data zona geografica distribuita in lassi di tempo ben precisi
Si può determinare la quantità di acqua annua di precipitazione che alimenta un corso naturale.
1) Si traccia sulla carta idrologica il perimetro che delimita la vallatadel corso del fiume (Si congiungono le creste montagnose)2) Si devono planimetrare le zone comprese tra le varie coppie di isoiete3) Si attribuisce ad ogni zona fra le isoiete una piovosità media4) Sommando i vari contributi si determina il volume di acqua annuo chealimenta il fiume5) Per ogni corso il fiume deve tenere conto anche dei vari affluenti
Afflussi e deflussi
oVVC Coefficiente di deflusso V = volume defluito in un certo t
Vo = volume affluito nello stesso t
Risulta molto importante il volume di acqua effettivamente defluito nell’anno e le portate istantanee della corrente
Valori orientativi del coefficiente di deflussoC = 0,8 per versante alpinoC = 0,6 per versante appenninicoC = 0,4 per il meridione e le isole
Afflussi e deflussi
P = precipitazioni d = deflussi
Non è possibile stabilire alcuna regola generale inerente al rapporto tra l’andamento delle precipitazioni e quello dei deflussi. Si può avere solo qualche informazione da rilievi fatti su bacini di tipo analogo a quello analizzato.I bacini si possono dividere nei seguenti tipi• Glaciale (Alpi)• Niveopluviale (Prealpi e Appennino settentrionale)• Pluviale (Appennino centrale e meridionale)
Profilo longitudinale del corso d’acqua
Curva idrodinamica
valore idrodinamico[m Km2]
La pianificazione delle risorse idrauliche si basa sulla CURVA IDRODINAMICA del corso in questione, che rappresental’andamento della quota altimetrica zrispetto all’area S del bacino imbrifero del corso• L’area S del bacino è proporzionale alla
portata utile• La curva idrodinamica ha un andamento
sempre decrescente• I tratti piani rappresentano lo sbocco di
un affluente (o canale di derivazione) nel corso d’acqua
• Lo sbocco di un affluente determina un brusco apporto di una superficie tributaria e quindi di portata
Affluenti
Curva idrodinamica
valore idrodinamico[m Km2]
AffluentiLa pianificazione consiste principalmente nell’iscrivere nella curva idrodinamica un certo numero di rettangoli.• La superficie complessiva dei rettangoli
deve coprire la frazione più elevata possibile della superficie compresa tra la curva idrodinamica e l’asse delle ascisse.
• Ogni rettangolo corrisponde a un impianto
• L’impianto idraulico sfrutta il salto pari all’altezza del rettangolo ed una portata proporzionale alla lunghezza della base
Curva idrodinamica
valore idrodinamico[m Km2]
AffluentiL’area del rettangolo prende il nome di VALORE IDRODINAMICO.Tale valore corrisponde all’energia annua che l’impianto può fornire:E = g*C*A*h*η*103/3600 [kWh]
C = coefficiente di deflussoA = z*S area rettangoloh = piovositàη = rendimento dell’impianto
Praticamente:• A*h è l’acqua precipitata• C*(A*h) è l’acqua che defluisceOvviamente lo sfruttamento pianificato del corso d’acqua è tanto più completo quanto maggiore è il numero degli impianti in cascata.
Impianti ad acqua fluente
Realizzati derivando direttamente dal fiume una frazione di portata.
La turbina produce con modi e tempi totalmente dipendenti dalla disponibilità nel corso d’acqua.
Quando il corso d’acqua è in magra e la portata scende al di sotto di uncerto valore predeterminato - la portata minima della turbina installata sull’impianto - la produzione di energia cessa.
Gli impianti a medio (H>30 m) ed alto salto (H>100 m) utilizzano sbarramenti per avviare l’acqua verso l’opera di presa dalla quale l’acqua è convogliata alle turbine attraverso una tubazione in pressione (condotta forzata).
Sono impianti relativamente economici. L’utilizzo dell’impianto è strettamente legato alle condizioni meteorologiche.
Impianti ad acqua fluente
Impianti ad acqua fluente
Impianti ad acqua fluente
Negli impianti “ad acqua fluente”, la potenza istantanea realizzabile è funzione del corso d’acqua che alimenta l’impianto.
Necessario studio approfondito dell’andamento della portata nel tempo (curva di portata);• In fase di progetto per il dimensionamento delle macchine• In fase di esercizio per la regolazione delle stesse
Le informazioni alla base dello studio sono di natura statistica: si ottengono con periodici rilievi di portata in numerose annate.
Curva di Frequenza = indica la frequenza con cui ogni portata si verifica nel corso dell’anno
Impianti ad acqua fluente
Il metodo classico per lo studio dell’impianto ad acqua fluente si basa sul “diagramma di durata” del corso d’acqua. La curva delle durate congiunge i punti aventi, per ogni valore della portata, ascisse pari al numero di giorni in cui è stata registrata una portata superiore a quella in questione. Si può ricavare dalla curva delle frequenze.
Piena Ordinaria e Magra ordinaria(valori riferiti al 75% dei massimi o dei minimi)
Impianti ad acqua fluente
DIMENSIONAMENTO
Si supponga che l’impianto sia dimensionato per una potenza massima complessiva W’, ottenibile con una portata pari a q’.
Per un numero di giorni (365-z) le turbine funzioneranno in regolazione, essendo le portate inferiori a q’. Per un numero di giorni (z) le turbine funzioneranno a piena potenza, essendo le portate superiori a q’.La portata eccedente dovrà defluire a valle, poiché le turbine non possono lavorare a portatesuperiori a q’.
L’energia ottenibile è rappresentatadall’area sottesa la curva.
Aumentando il valore della portata massimaelaborabile q’:1) L’area che rappresenta l’energia annua ottenibileaumenta2) Il numero di giorni z’ durante i quali l’impiantolavora a massima potenza diminuiscono.3) La dimensione dell’impianto aumenta4) Aumentano i costi di investimento
Impianti ad acqua fluente
CRITERI DI PROGETTODimensionare l’impianto in base alla massima potenza W*
Si può optare per potenze maggiori di quella ottimale:• Maggior costo ma con maggiore energia prodotta• Esigenze di produzione rendano accettabile anche un costo unitario superiore al minimoNon è mai consigliabile dimensionare l’impianto con potenze inferiori a quella ottimale• Minor costo con minore energia prodotta
Scelta Turbina: per grandi portate (Kaplan o Francis)
Impianti a bacino
Attraverso un’opera di sbarramento, si crea una diga che produce una differenza di quota rispetto al
punto di utilizzazione dove si trovano le turbine. Si utilizzano Turbine Pelton adatte ad elaborare
grandi cadute. Dal bacino si spilla solo la portata relativa alla potenza richiesta e per questo, potendo
realizzare una regolazione della potenza, tali impianti vengono destinati al servizio di punta. Sono
provvisti di un bacino con una certa capacità d’invaso in modo da poter regolare la quantità di flusso
addotta in turbina; questo tipo di impianto è collocato principalmente nei tratti superiori dei fiumi.
Impianti a bacino
Il bacino ha la funzione di un vero e proprio accumulatore di energia.
Lo schema funzionale di un impianto a bacino comprende:• L’opera di sbarramento (o “diga di ritenuta”) che intercetta il corso d’acqua e crea un serbatoio di
raccolta• Una o più gallerie di derivazione• Una o più condotte forzate• La centrale vera e propria• Canali di scarico delle acque
In Italia, la maggioranza degli impianti alpini e appenninici sono di tipo “a bacino”
Impianti a bacino
DIMENSIONAMENTO:
Ci si basa sulla “curva di deflusso” attraverso la sezione del
corso d’acqua che alimenta il bacino:
• Portata q defluita nel tempo t
• Con riferimento ad un periodo T (un anno), l’area sottesa
alla curva di deflusso misura il volume complessivo
d’acqua affluito nel bacino
• Si crea la “curva degli efflussi” (“e”)
Dividendo tale volume per il periodo T, si determinerebbe la
portata media =V/T
La quantità d’acqua che sarà possibile prelevare sarà
inferiore alla portata affluita a causa di alcune perdite (natura
del terreno, evaporazione da insolazione).
Impianti a bacino
DIMENSIONAMENTO:
Escursione totale del volume d’acqua nel bacino• Si tracciano le parallele r’ e r” alla retta “r” e tangenti alla
curva degli efflussi “e”• L’escursione totale del bacino risulta pari a V0, ossia alla
distanza nella direzione delle ordinate tra le tangenti r’ e r”
Per un deflusso uniforme, il volume del bacino dovrebbe essere almeno pari a V0• Il bacino risulterebbe pieno al massimo nel punto P’’ ecompletamente vuoto nel punto P’
PRELIEVO COSTANTE RARAMENTE RICHIESTO(V0 è fissato dalla situazione orografica)
Impianti a bacino
DIMENSIONAMENTO A VOLUME COSTANTE:
Si trasla la curva degli efflussi “e” con uno spostamentopari al volume V del bacino realizzabile• A partire dal punto C (il volume [VC-VA] rappresenta il
volume di acqua contenuta nell’invaso nel momento iniziale) è possibile tracciare una qualsiasi spezzata interna alle due curve degli efflussi
• Se si vorrà rispettare una ripetibilità ciclica di funzionamento, si dovrà presupporre la medesima quantità di acqua invasata all’inizio di ogni periodo
• Quindi il volume alla fine del periodo dovrà essere uguale a quello iniziale (VC-VA)=(VC’-VA’)
Regola del filo tesoConsiste nell’immaginare di tendere un filo flessibile dal punto iniziale C al punto C’, materializzando le curve AA’ e BB’ come fossero pareti rigide.
La pendenza di ogni tratto del filo rappresenta la portata massima consentita nei vari periodi dell’anno.
Impianti ad accumulazione per pompaggio
In base alla legge della domanda e dell’offerta, l’energia elettrica ha valore più alto nei periodi di punta rispetto ai periodi di minor consumo.Spesso vengono realizzati impianti idroelettrici con due serbatoi provvisti di una macchina idraulica che possa funzionare sia come pompa che come turbina. In questo modo si può sfruttare l’eccesso di potenza degli impianti termoelettrici nei periodi di minor consumo per pompare acqua dal bacino di valle a quello di monte: si crea così una riserva di energia potenziale da sfruttare nei periodi di maggior consumo.L’energia elettrica utilizzata per il pompaggio è maggiore di quella generata, ma ha un valore commerciale inferiore, poiché generata in ore di scarso utilizzo.
idel WWEE 12E1 = energia prelevata dalla reteE2 = energia restituita alla reteWel, Wid = perdite elettriche e idrauliche
75.0111
1
1
2*
E
WWE
WWEEE idelidel
Impianti ad accumulazione per pompaggio
Scelta della capacità dei serbatoi
Durata della accumulazione
Riserva strategica di energia costi impatto ambientale
almeno uno dei bacini naturali
La convenienza può essere solo di tipo economico e non energetico
Turbine idrauliche
La turbina Pelton: turbina ad azione (tutta l'energia potenziale derivante dal salto utile dell'impianto viene trasformata in energia cinetica nel distributore) utilizzata per grandi salti, di solito tra i 300 e i 1400 m; utilizzata per piccole portate, inferiori a 50 m³/s; si utilizza quindi solitamente per i bacini idroelettrici alpini.
Turbine idrauliche
La turbina Pelton
La girante della ruota è costituita da un disco alla cui periferia sono collocate le palette con la tipica forma a doppio cucchiaio: essa viene alimentata da uno o più getti.
Turbine idrauliche
La turbina Francis
Frequentemente utilizzata sugli impiantiidroelettrici è una turbina a reazione (l'energiapotenziale derivante dal salto utile dell'impiantoviene trasformata in energia cinetica solo in unapercentuale dal distributore, mentre il restoviene lasciato alla girante). È una turbina a flussocentripeto, l'acqua raggiunge la girante tramiteun condotto a chiocciola che la lambisceinteramente, poi un distributore, ovvero deipalettamenti sulla parte fissa, statorica,indirizzano il flusso per investire le pale dellagirante. Questa girante viene impiegata in corsid'acqua condislivelli da 10 m fino a 300÷400 mportate da 2÷3 m³/s fino a 40÷50 m³/s.
Turbine idrauliche
La turbina Francis
Turbine idrauliche
La turbina KaplanE’ una turbina idraulica a reazione e flussoassiale che sfruttapiccoli dislivelli, da 5 a 30 mgrandi portate, da qualche decina di m³ in su.
Impianti idroelettrici in Italia
Fonte: GSE
Evoluzione della produzione
Fonte: GSE Rapporto Statistico Fonti Rinnovabili 2013
Evoluzione della produzione
Fonte: GSE Rapporto Statistico Fonti Rinnovabili 2013
Fonte: GSE Rapporto Statistico Fonti Rinnovabili 2013
Distribuzione regionale del numero di impianti (fine 2013)
Fonte: GSE
Distribuzione % delle ore di utilizzazione
Nel 2013 il 50% degli impianti idroelettrici ha prodotto per 3.945 ore