Energie Rinnovabili da Fonte non Solare

Energia Idraulica

Corso di Formazione ESTATE

Daniele CoccoDipartimento di Ingegneria Meccanica

Università degli Studi di Cagliari

cocco@dimeca.unica.it

http://dimeca.unica.it/~cocco/

Luglio 2010

La storia dell’energia idraulica

Dall’epoca Romana … agli inizi del ’900.

La storia dell’energia idraulica

La storia dell’energia idraulica

La storia dell’energia idraulica

La storia dell’energia idraulica

Pelton (1900)

Francis (1840)

Kaplan (1910)

Il ciclo dell’acqua

Evaporazione

Precipitazione

Lo schema di impianto

H0

Sezione di presa (obacino di monte)

Sezione di scarico(o bacino di valle)Centrale

Condottaforzata

Canale a pelolibero

Vasca dicarico

Pozzopiezometrico

1

2A S

E = m ∙ 9,81 ∙ H0

Potenziale idraulico

Precipitazioni medie annue di 1000 mm (800 mm sulla terraferma e 1250 mm sui mari)

La superficie delle terre emerse è di circa 150 milioni di km2

Il volume d’acqua corrispondente è pari a circa 0,8x150 1012=120 000 miliardi di m3/anno (circa 50000 al netto della evaporazione)

Potenziale idraulico

Tale volume ritorna al mare con un salto medio di 400-500 m

L’energia idraulica potenzialmente disponibile varia pertanto da 50000 a 70000 TWh/anno, peraltro ridotta del 15-20% per via dei rendimenti delle turbine

In realtà quella tecnicamente utilizzabile è solo il 30-40% e quella economicamente utilizzabile il 10-15%, ovvero 6000-12000 TWh/anno

La produzione attuale

Produzione elettrica totale Energia idroelettrica

(TWh/ anno) TWh/ anno (%) Paesi OECD 9938,33 1317,33 13,3 EU-25 3118,56 324,17 10,4 Italia 293,87 44,28 15,1 Paesi non OECD 6803,55 1408,49 20,7 Totale mondiale 16741,88 2725,82 16,3

Tabella 3.1 – Produzione di energia idroelettrica nel 2003 (fonte: IEA).

Ci sono margini ampi per sfruttare il potenziale idraulico soprattutto in Asia, Cina e Africa (es. Cina, Diga delle tre Gole, 26 turbine da 700 MW, 40 miliardi di mc, 17 anni di

costruzione, 1 milione di persone evacuate)

La situazione in Italia

Produzione in Italia di energia idroelettrica.

0

50

100

150

200

250

300

350

1884 1904 1924 1944 1964 1984 2004

Ene

rgia

ele

ttric

a (T

Wh/

anno

)

Im pianti idroelettrici

Im pianti term oelettrici

Energia richiesta

La situazione in Italia

Potenza degli impianti idroelettrici italiani.

0

10

20

30

40

50

60

70

1934 1944 1954 1964 1974 1984 1994 2004

Pot

enza

effi

cien

te lo

rda

(GW

)

Im pianti idroelettric i

Im pianti term oelettric i

Situazione Impianti al 2009

(6,3%)

Bilancio dell’energia elettrica

4,3%

18,3%

Bilancio dell’energia elettrica

Il contributo delle Rinnovabili è stato del 22,6% nel 2009 contro il

18,5% del 2008

Lo schema di impianto

H0

Sezione di presa (obacino di monte)

Sezione di scarico(o bacino di valle)Centrale

Condottaforzata

Canale a pelolibero

Vasca dicarico

Pozzopiezometrico

1

2A S

Classificazione degli impianti

Piccola taglia Media taglia Grande taglia Portata d’acqua < 10 m3/ s 10-100 m3/ s > 100 m3/ s Salto lordo < 50 m 50-250 m > 250 m Potenza netta < 5 MW 5-200 MW > 200 MW

Gli impianti si suddividono in:

1)Impianti ad acqua fluente (10-12%)

2)Impianti a bacino (40-45%)

3)Impianti di pompaggio (40-45%

Classificazione degli impianti

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Po

ten

za o

rari

a (G

W)

PompeSerbatoioModulataTermica Conv.EsteroCIP 6Acqua fluenteGeotermica

Impianti ad acqua fluente

Impianti senza canale derivatore

Impianti ad acqua fluente

Impianti intubati

Impianti inseriti in canali irrigui

Camera di caricoCentrale Canale di bypass

Impianti inseriti in canali irrigui

Su canale preesistente solo piccola presa con ridotto allargamento del canale

Impianti nel sistema di fornitura dell’acqua potabile

Impianti a bacino

Centrali a piede di diga

Impianti a bacino

Turbina a sifone

Gli impianti di pompaggio

Sono costituiti da due bacini uno a monte e uno a valle collegati da una condotta

La macchina è di tipo reversibile, ossia può funzionare sia come pompa sia come turbina

Di giorno, l’acqua del bacino di monte fluisce a valle e produce energia

Di notte l’eccesso di energia della rete viene utilizzato per pompare il fluido dal bacino di valle a quello di monte

Gli impianti di pompaggio

In realtà consumano energia come si evince facilmente calcolando il rendimento dell’impianto. I rendimenti complessivi degli impianti di pompaggio sono dell’ordine del 65-75%. pompa

notte,E1

HgVE

turbinagiorno,E HgVE

turbinapompanotte,E

giorno,Epompaggio E

E

Le risorse idrauliche

Le risorse idrauliche

Le risorse idrauliche

Precipitazioni in Sardegna nel 2004-2005.

La curva dei deflussi

Z

VD

Affluente 1

Affluente 2

Affluente 3

Impianto AImpianto B

Opere dipresa

H 0,A

H 0,B Energia idraulicapotenziale Impianto

VD,B

Figura 3.10 – A ndamento dei deflussi di un corso

d’acqua in funzione della quota geodetica.

L’idrogramma delle portate

0

2

4

6

8

10

12

Po

rtat

a d

'aq

ua

(m3/

s)

Portata Deflusso minimo vitale Portata media

Figura 3.11 – Idrogramma delle portate di un corso d’acqua.

Il diagramma delle durate

0

2

4

6

8

10

12

Po

rta

ta d

'ac

qu

a (

m3

/s)

Portata Portata media Deflusso minimo vitale

Figura 3.13 – Diagramma delle durate.

Il rendimento e la potenza

H0

Sezione di presa (obacino di monte)

Sezione di scarico(o bacino di valle)Centrale

Condottaforzata

Canale a pelolibero

Vasca dicarico

Pozzopiezometrico

1

2A S

OTC

T

E

tAt

TtAtEG

l

l

gHgH

l

gH

gHgH

gH

l

2,,0

2,,

0

GEE gHQlQP 0

Le opere di presa e la diga

Le perdite alla presa

kB = fattore di ostruzione= inclinazione griglia

b = spessore barra

a = luce fra le barre

cG = velocità dell’acqua

= angolo sulla corrente fluida

GRIGLIA

TRAVERSA

Condotta

Fiume

Figura 3.18 – Opere di presa.

g

csin

a

bsinKH G

BGD2

2333,1

,

Le perdite nel canale aperto

i = pendenza canale

LCL = lunghezza canale

Tipo di canale N° di Manning

Canali in terraPulito 0,022Ghiaia 0,025Inerbito 0,030Ciottoli, sassi 0,035

Canali artificiali rivestitiOttone 0,011Acciaio saldato 0,012Acciaio verniciato 0,014Acciaio chiodato 0,015Ghisa 0,013Calcestruzzo lisciato accuratamente 0,012Calcestruzzo non lisciato 0,014Legno piallato 0,012Mattonelle 0,014Laterizio 0,015Asfalto 0,016Metallo corrugato 0,022Muratura in breccia 0,025

Tabella 3.2 – V alori tipici del coefficiente di Manning.

CLCLD LiH ,

Le perdite nella condotta

CFCF

e

cDR

f = fattore d’attrito (dall’abaco di Moody)

LCF = lunghezza condotta

DCF = diametro condotta

cCF = velocità dell’acquaf g

c

D

LfH CF

CF

CFCFD

2

2

,

Le altre perdite

g

cKH CFJJD

2

2

, kJ = coefficiente di perdita

cCF = velocità dell’acqua

Elemento KJ Imbocco a spigolo vivo 0,50 Imbocco raccordato 0,20-0,30 Sbocco in aria o sommerso 1,00 Curva a 90° con R/ D=1 0,25-0,40 Curva a 90° con R/ D=2 0,15-0,25 Curva a 90° con R/ D=3 0,10-0,20 Valvola a saracinesca 0,15-0,20 Valvola a farfalla 0,60-0,70

Tabella 3.5 – Coefficiente di perdita di elementi di condotte idrauliche.

Le turbine idrauliche

H (m)

Q (m3/ s)

Pelton

Francis

Kaplan

0,1 1 10 100 1000

1

10

100

1000

Figura 3.20 – Campi di funzionamento tipici delle principali famiglie di turbine idrauliche.

La turbina Pelton

La turbina Pelton

La turbina Francis

La turbina Francis

La turbina Francis

La turbina Francis

A

S

D2

Generatore

Diffusore

TurbinaoreAcqua dalla

condotta

Bacino discarico

Figura 3.27 – Schema di installazione del diffusore in una turbina Francis.

La turbina Kaplan

La turbina Kaplan

La turbina Kaplan

Il rendimento di turbina

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1Portata (Q /Q n o m in a le)

0

20

40

60

80

100

Ren

dim

ento

(%

)

PeltonFrancisKaplanElica

Dimensionamento della turbina

M

M

Condizioni di massimorendimento

Famiglia diturbine XYZ

3Dn

Q

Coefficiente di portata

Dimensionamento della turbina

3Dn

Q

Coefficiente di portata

M

M

Coefficiente incondizioni di massimo

Famiglia diturbine XYZ

22 Dn

Hg

Coefficiente di pressione

43

21

43

21

gH

QnnS

Numero di giri specifico

Elementi di costo

0 500 1000 1500

Potenza turb ina (kW )

400

600

800

1000

1200

1400

Cos

to s

peci

fico

(€/k

W)

PeltonFrancisKaplan

Figura 3.33 – Costo specifico di investimento di

alcune turbine idrauliche.

a) Turbina = 40 ÷ 50 % b) Condotte e opere civili = 20 ÷ 50 % c) Linee elettriche = 5 ÷ 20 % d) Progettazione e spese varie = 10 ÷ 30 %

Condotta forzata: 150-250 €/m

Investimento totale: da 1500 a 3500 €/kWe

Costo gestione e manutenzione annua: 3-5% del costo iniziale

FINE