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OrizzontEnergia

Mini Idroelettrico: Per emergere non bisogna essere per forza grandi

Nel settore energetico il continuo focus sull'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)
rinnovabile sta facendo emergere alcune nicchie di mercato, specialmente per il basso impatto ambientaleimpatto ambientale
L'insieme degli effetti (diretti e indiretti, nel breve o nel lungo termine, positivi o negativi, ecc..) che l'avvio di una determinata attività ha sull'ambiente naturale circostante.
e per gli alti livelli di efficienza; una di queste nicchie è rappresentata dal mini idroelettrico che, grazie alle tariffe incentivanti ed alla piccola occupazione di spazi, sta riscuotendo una costante attenzione da parte di aziende ed istituzioni. L'Ing. Emanuele Quaranta (DIATI Hydraulics - Politecnico di Torino) nel corso dell'articolo descrive i vantaggi che questa tecnologia può conferire, ed alcuni risultati ottenuti da sperimentazioni in ambito universitario. 

 

Cos'è una ruota idraulica?

La ruota idraulica è stata una delle prime macchine a sfruttare l’energia dell’acqua per generare 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.
, in particolare per la macinazione dei cereali. Le prime ruote idrauliche ruotavano rispetto ad un asse verticale, ossia in un piano orizzontale, e sfruttavano la velocità del flusso d’acqua. Le ruote ad asse orizzontale vennero introdotte più tardi. Sebbene queste necessitavano di opere aggiuntive per la trasmissionetrasmissione
Attività di trasporto dell'elettricità sulla rete a partire dai centri di produzione sino ai centri di utilizzo. Il maggiore proprietario della rete di trasmissione nazionale dell'energia elettrica ad alta tensione è Terna.
e conversione del moto, furono presto preferite grazie al fatto che in pianta occupavano meno spazio, e alle maggiori efficienze, potendo sfruttare 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 il peso dell’acqua.
Esistono due macrocategorie di ruote ad asse orizzontale. Le cosiddette stream water wheels sono impiegate in acqua fluente (Fig.1), e sfruttano l’energia cinetica dell’acqua, con efficienze dell’ordine del 30-40%. Recenti studi hanno dimostrato che, in canali senza salti di fondo, l’effetto diga generato da una ruota può essere impiegato per generare una differenza di livello d’acqua tra monte e valle, potendo così sfruttare anche una spinta idrostatica oltre che alla velocità della corrente. Inoltre, mediante anche l’inserimento di strutture appositamente sagomate, l’efficienza massima delle stream wheels può così arrivare intorno al 70%.

Quaranta 1.png

Fig.1 Ruota idraulica tipo stream wheel.


Le gravity water wheels (o ruote a gravità) sfruttano invece il peso dell’acqua (energia potenzialeenergia potenziale
Energia posseduta da un corpo in virtù della posizione occupata all'interno di un campo. Essa esprime la possibilità di compiere del lavoro che il corpo avrebbe in particolari condizioni perché sottoposto ad una forza. L'energia potenziale è definibile solo per un particolare tipo di forze, dette conservative, che hanno la proprietà di produrre un lavoro dipendente solo dal punto iniziale e finale del moto e non dalla specifica traiettoria.
), e in parte l’energia cinetica. Vengono quindi utilizzate in siti dove è presente un salto idraulico, ossia dove esiste una differenza di livello tra monte e valle della ruota. In funzione del punto di ingresso dell’acqua, è possibile distinguere ruote di tipo overshot, breastshot e undershot. Nelle ruote overshot (o dall’alto) l’acqua entra alla sommità della ruota, riempiendo i vani situati su lato di valle della ruota stessa. Nelle altre due tipologie, l’acqua riempie i vani sul lato di monte della ruota, entrando dal fianco della ruota (ruote breastshot, o di fianco), o nella parte sottostante (undershot, o dal basso). Dunque, le breastshot e undershot ruotano nel verso opposto rispetto alle overshot (Fig.2).

Quaranta 2.pngQuaranta 31.png

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.2 Ruota idraulica dal fianco (sinistra) e dall’alto (destra).

 

 

Potenzialità dei piccoli impianti e delle ruote idrauliche

Oggigiorno, grazie al constante aumento dell’interesse verso le fonti rinnovabilifonti rinnovabili
Una risorsa è detta rinnovabile se, una volta utilizzata, è in grado di rigenerarsi attraverso un processo naturale in tempistiche paragonabili con le tempistiche di utilizzo da parte dell'uomo. Sono considerate quindi risorse rinnovabili:
- il sole
- il vento
- l'acqua
- la geotermia
- le biomasse
, l’idroelettrico sta rivestendo un ruolo di primaria importanza nella produzione di energia pulita. Poiché però i siti in cui installare grandi impianti idroelettrici sono sostanzialmente esauriti in Europa, il mini/micro idroelettrico sta suscitando una notevole attrazione, grazie anche alle tariffe incentivanti per i piccoli impianti. Per mini idroelettrico si intendono tutti quegli impianti con potenze installate al di sotto dei 1000 kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
, mentre per micro idroelettrico quegli impianti con potenze al di sotto dei 100 kW, nei quali rientrano le ruote idrauliche. Il progetto Restor Hydro della European Small Hydropower Association stima che in Europa siano circa 350.000 i siti adatti ad impianti di questo tipo. In Italia si stima che il potenziale sfruttabile da impianti mini/micro idroelettrici sia superiore ai 10 TWh annui, e più di 5000 i siti con ruote idrauliche e mulini storici, centraline abbandonate, sbarramenti e altre strutture idrauliche a questi fini (Fig.3). Le ruote idrauliche possono così essere installate per produrre energia meccanica e/o elettrica in siti con bassi salti idraulici (tipicamente < 5 m) e basse portate (dell’ordine del metro cubo al secondo per metro di larghezza), ad esempio lungo canali irrigui, dove altre tipologie di turbine risulterebbero non economicamente convenienti. Le ruote idrauliche, inoltre, sono di facile costruzione, necessitano di poche opere di regolazione e generano bassissimi impatti ambientali, con periodi di ritorno economico dai 7 ai 12 anni (minori rispetto ai 25-30 anni circa delle turbine Kaplan, e leggermente inferiori a quelli delle coclee idrauliche, o viti di Archimede). Quando installate all’interno di vecchi mulini, le ruote permettono anche di preservare e valorizzare il patrimonio culturale.

Quaranta 4.jpg
Fig.3 Mulino di Verolengo (Torino).

 

 

Risultati ingegneristici ottenuti dalla ricerca scientifica

Al Politecnico di Torino sono state studiate sperimentalmente ruote overshot e breastshot, in modo da determinarne i rendimenti (Fig.4). Dai risultati sperimentali si osserva come l’efficienza delle ruote sia costante all’interno di un ampio range di portate. Questo significa che, anche al variare delle condizioni di lavoro, le ruote continuano a lavorare in modo efficiente. Le massime efficienze meccaniche si assestano intorno al 75% per le breastshot con ingresso a paratoia (che arrivano all’80% se con ingresso a stramazzo) e 85% per le overshot. Le analisi teoriche condotte hanno invece avuto lo scopo di fornire strumenti predittivi utili a fini ingegneristici per la stima dei rendimenti. Sono in corso analisi fluidodinamiche di tipo numerico, utili alla comprensione dell’interazione idraulica tra la ruota e l’acqua, col fine di ottimizzarne il design (ad esempio la forma delle pale).

Quaranta 5.pngQuaranta 6.pngFig.4 Ruota idraulica dal fianco sulla sinistra, con diametro di 2 m (modello in scala della ruota del mulino di Verolengo, Torino) e ruota dall’alto sulla destra, con diametro 1.4 m (modello in scala della ruota di Ciconio, Torino)


In conclusione, possiamo affermare che la produzione di energia da ruote idrauliche sta suscitando un progressivo interesse, grazie alla loro convenienza rispetto ad altri tipi di turbine, ed al contesto nel quale possono essere utilizzate. Le ruote risultano avere una rilevante efficienza (se ben progettate) e periodi di ritorno economico molto convenienti. Tuttavia, sebbene le ruote idrauliche siano una tecnologia non recente, questo non significa che siano di facile progettazione (anche se di semplice installazione e costruzione rispetto ad altre tecnologie).

 

 

Per approfondire il tema vi proponiamo ulteriori contributi dell'autore:

Data: 18/10/2016

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