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OrizzontEnergia

Idroelettrico: Dove la turbina Pelton fallisce, ci pensa la turbina ad azione di tipo M

Il settore dell'idroelettrico in Italia sta conoscendo un discreto tasso di sviluppo grazie soprattutto al mini idroelettrico. La turbina ad azione di tipo M, progettata esclusivamente in Italia, riesce a sopperire ad alcune importanti criticità.

EnergiaEnergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
Idroelettrica
 - 
In Italia l’idroelettrico riveste un ruolo di primaria importanza nella produzione di energia da fonte rinnovabile, ricoprendo circa il 15% del fabbisogno nazionale (Terna, 2012). Tuttavia, i siti in cui installare grandi impianti idroelettrici sono sostanzialmente esauriti in Italia, ed anche in Europa. Inoltre, i grandi impianti idroelettrici richiedono tempi di investimento e risorse notevoli.

E’ quindi in rapido sviluppo il micro idroelettrico, ossia quel settore costituito da impianti idroelettrici con potenze installate al di sotto dei 100 kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
. Il micro idroelettrico risulta essere interessante anche per la produzione decentralizzata di energia, e distribuita omogeneamente sul territorio. Di recente introduzione nel campo del micro idroelettrico è la turbina di tipo (brevetto italiano), che sarà oggetto di questo articolo.

Un impianto micro idroelettrico è tendenzialmente progettato per utilizzare al massimo portate di qualche metro cubo al secondo, e salti (differenza tra il livello dell’acqua a monte e a valle dell’impianto) di pochi metri, tipicamente inferiori a 5 m come ordine di grandezza. Portate e salti maggiori potrebbero portare a potenze disponibili maggiori di 100 kW; in questo caso non si parla più di micro impianti, ma di mini (<1000 kW), piccoli (<10000 kW) o grandi impianti, in funzione della potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
disponibile.

Per approfondire clicca qui

 

Turbine a reazione, ad azione e l’innovativa turbina M - In un impianto idroelettricoimpianto idroelettrico
Impianti di produzione elettrica che sfruttano l'energia posseduta da una massa di acqua in movimento. Esistono diversi tipi di impianti: a deflusso regolare (in cui lo svuotamento di bacini naturali o artificiali mette in azione una turbina), ad accumulo (in cui sono presenti due serbatoi a quote differenti collegati tramite appositi condotti ) e ad acqua corrente ( in cui le turbine sono azionate dal corso del flusso d'acqua).
, l’elemento principale è la turbina utilizzata per convertire l’energia dell’acqua in energia meccanicaenergia meccanica
Somma dell'energia potenziale e dell'energia cinetica che in un mondo ideale privo di attriti rimarrebbe costante. In realtà in tutti i processi fisici parte dell'energia meccanica viene dissipata dalle forze d'attrito, ma non scompare nel nulla: essa si trasforma nell'energia interna delle molecole che costituiscono i corpi tra cui c'è stato attrito ed è accompagnata da un aumento di temperatura. Facciamo l' esempio di un sasso che cade. Durante il moto dell'oggetto l'energia cinetica e l'energia potenziale assumono valori diversi istante per istante. In particolare, l'energia cinetica aumenta (perché cresce la velocità) e quella potenziale gravitazionale diminuisce (perché l'altezza diminuisce). Nonostante queste grandezze cambino continuamente, la loro somma rimane costante in assenza di attriti. Ma visto che gli attriti esistono, parte del l'energia meccanica viene dispersa e, alla fine, si ritrova sotto forma di calore del sasso e dell'aria che, sebbene in modo impercettibile, si sono portati ad una temperatura maggiore.
; grazie all’accoppiamento con un generatoregeneratore
Dispositivo che traforma l'energia meccanica in energia elettrica.
è possibile poi trasformare l’energia meccanica rotante della turbina in energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
. Nell’ambito del micro idroelettrico, esistono diverse turbine che possono essere utilizzate, distinguibili in turbine ad azione e a reazione.

Le turbine a reazione sfruttano sia l’energia cineticaenergia cinetica
Energia di movimento, ovvero l'energia che un corpo possiede in virtù del fatto che si sta muovendo. La massa d'acqua di una cascata possiede energia cinetica, per esempio. Un corpo di massa M, infatti, muovendosi a velocità V, ha in sé la capacità di compiere un lavoro, ovvero di 'far muovere' qualcos'altro mentre cade o si muove. L'energia cinetica è data dall'espressione: Ec=1/2 x M x V2.
che la pressione del getto d’acqua, e sono installate all’interno di condotte in pressione, come le turbine Kaplan. Le turbine a reazione, tuttavia, richiedono onerose opere di ingegneria civile, e controlli elettromeccanici per mantenere un’efficienza elevata al variare della portata, come il controllo dell’inclinazione delle pale e della velocità di rotazione. Le turbine a gravità (ad esempio le ruote idrauliche), sfruttano principalmente il peso dell’acqua, e possono dunque essere considerate una sottocategoria delle turbine a reazione. Le ruote idrauliche rappresentano una valida tecnologia nel campo del micro idroelettrico, con efficienze considerevoli al variare della portata.

Le turbine ad azione sfruttano invece l’energia cinetica dell’acqua; questo significa che o sono installate in acqua fluente (turbine idrocinetiche) o tutto il salto viene convertito in un getto d’acqua ad elevata energia cinetica, e proiettato contro le palette della turbina. La turbina ad azione più utilizzata è la turbina Pelton; tuttavia, per salti di pochi metri, come quelli riscontrabili nel micro idroelettrico, la turbina Pelton richiederebbe portate molto ridotte per essere efficiente/conveniente (pochi litri o decine di litri al secondo), e quindi le potenze prodotte sarebbero esigue. Lo stesso ragionamento vale per le turbine Turgo.

Considerati quindi gli svantaggi delle turbine ad azione esistenti (necessità di bassissime portate per salti di pochi metri), si è arrivati all’invenzione della turbina M, dal cognome del suo inventore (brevetto n° 0000282352). La turbina M è una turbina ad azione di tipo assiale. Questo significa che sfrutta anch’essa l’energia cinetica dell’acqua, e che la direzione del flusso d’acqua è parallela all’asse di rotazione della turbina. Esperimenti di laboratorio hanno dimostrato efficienze idrauliche comprese tra 85% e 90% per un salto di 2.4 m e portate comprese tra 25% al 100% della portata massima di progetto pari a 2.00 m3/s (diametro 2.50 m, numero pale ottimale 44).

 

La turbina M: come funziona - Un impianto con turbina M è costituito da una vasca in cui si instaura un certo livello d’acqua, che identifica il salto sfruttato dalla turbina. Sul fondo della vasca vi è un orifizio circolare nel quale viene inserita la turbina, con asse di rotazione verticale (Fig.1).

 idro1.jpg idro2.jpg

    Fig.1. a) A sinistra, è possibile osservare il livello d’acqua a monte e a valle della centrale (2.5 m circa). b) A destra, la turbina all’interno della vasca (vuota) è visibile

 

Alla periferia della turbina sono installate le palette della turbina stessa, verso le quali viene diretto il flusso d’acqua (Fig.2). Il flusso d’acqua, prima di entrare nella turbina, passa per un distributoredistributore
Soggetto proprietario e responsabile della rete di distribuzione locale (di elettricità o di gas) a cui sono allacciati direttamente gli utenti finali.
, ossia una serie di palette fisse, non rotanti, che hanno il compito di indirizzare il getto d’acqua in modo ottimale verso le pale della turbina rotante. Il flusso d’acqua ovviamente non transita attraverso tutto l’orifizio circolare, ma solamente attraverso la corona circolare che comprende le pale; la circonferenza esterna di tale corona circolare è il bordo della turbina. Questa corona circolare è costituita da una serie di elementi di chiusura che permettono di parzializzare la turbina, ossia regolare l’area di passaggio dell’acqua attraverso la corona circolare. Quando la portata si riduce, allora solamente una porzione di questa corona circolare sarà aperta, e quindi solamente una parte della turbina sarà investita dal flusso. Man mano che la portata aumenta, l’area di passaggio verrà incrementata. Questo consente di sfruttare un ampio spettro di portate, mantenendo la velocità di ingresso dell’acqua sostanzialmente constante; da questo ne deriva quindi che anche la velocità di rotazione della turbina potrà rimanere costante, senza dover quindi agire né sull’inclinazione delle pale, né sulla velocità di rotazione della turbina (Fig.2).

idro3.jpg 

Fig.2. La turbina M vista dall’alto. Si notano le palette all’interno della corona circolare.

Come si può osservare è possibile regolare l’area di passaggio dell’acqua attraverso la turbina.

 

La parte superiore della turbina M è quindi in contatto con la vasca d’acqua superiore (per mezzo del distributore che consente di direzionare l’acqua verso le pale della turbina in maniera ottimale), mentre la parte inferiore è in contatto con la superficie libera dell’acqua a valle. Quando il livello di valle si alza o si abbassa, un sistema di sollevamento solleva o abbassa la turbina in modo da adattare la sua posizione al livello di valle (Fig.1b, tubo verticale). In questo modo si evita che la turbina operi immersa nell’acqua di valle o sospesa, e si riducono le perdite di energia. Quindi questo sistema consente alla turbina di non necessitare di un tubo diffusore a valle della stessa, che la renderebbe una turbina a reazione e non più ad azione.

Concludendo, la presente turbina risulta una valida alternativa alle classiche turbine ad azione di tipo Pelton in siti con salti al di sotto di 10 m, non necessitando di portate eccessivamente ridotte per operare alla massima efficienza. Tale turbina risulta conveniente fino a portate di 3 m3/s.

 

Articolo a cura dell'Ing. Emanuele Quaranta, DIATI - Hydraulics (Politecnico di Torino).

Data: 25/05/2017

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