L’ACQUA è una
risorsa rinnovabile, le
sue riserve sono
continuamente
reintegrate
attraverso un grande
ciclo naturale, ma in
molte zone della
Terra scarseggia.
In altre zone L’ACQUA è
abbondante, ma la qualità viene
continuamente peggiorata
dall’inquinamento e dall’incuria
dell’uomo.
È necessaria una nuova consapevolezza del
fatto che la rarità crescente delle risorse di
acqua dolce ed il cattivo uso che ne viene
ancora fatto, minacciano gravemente le
possibilità di uno sviluppo sostenibile
del nostro pianeta.
1
Lo sviluppo sostenibile è una
forma di sviluppo economico
in grado di soddisfare i
bisogni delle generazioni
presenti senza
compromettere le possibilità
per le generazioni future di
soddisfare i propri bisogni.
Introduzione
L’energia solare
riscalda l’acqua di
oceani, laghi e fiumi,
che inizia così ad
evaporare e porta alla
formazione
dell’umidità
atmosferica.
Il vapore acqueo, più
leggero dell’aria, inizia
a salire.
A grandi altitudini la
temperatura è
inferiore rispetto a
quella sulla superficie
terrestre; di
conseguenza il
vapore inizia a
raffreddarsi e
condensare.
IL CICLO DELL'ACQUA
Da ciò hanno origine le nuvole. I venti trasportano le nuvole al di sopra di mari e continenti.
Una volta pregne di acqua condensata, le nuvole generano varie forme di precipitazioni: pioggia, neve e
grandine, che cadono direttamente nel mare oppure sulla terraferma, per rifluire poi attraverso ruscelli,
torrenti e fiumi di nuovo nei mari.
Nelle zone polari e in alta montagna una parte delle precipitazioni si trasforma in ghiaccio, stato
in cui rimane per periodi più lunghi, per poi sciogliersi e ritornare anch’essa al mare.
Da lì il ciclo ricomincia daccapo.
2
Introduzione
Indice
1. MULINI AD ACQUA (Cenni storici, come è fatto , come viene utilizzato)
2. CENTRALI IDROLETTRICHE:
• GLI IMPIANTI AD ACQUA FLUENTE
• CENTRALI IDROELETTRICHE A SERBATOIO e a
POMPAGGIO
•
•
•
•
•
•
Tipi di dighe (Esempi di dighe nel mondo)
Condotte forzate
Tipi di turbine
Alternatore
Trasformatore
Provvedimenti ambientali
3. CENTRALI MAREOMOTRICI
3
Indice
Mulino ad acqua
è un impianto
destinato ad
utilizzare
l'energia
meccanica
prodotta dalla
corrente di un
corso d'acqua,
condotta alla
ruota del mulino
tramite una
canalizzazione.
In epoca romana, un mulino con una
ruota del diametro di 2m poteva
macinare circa 180kg di grano all'ora,
mentre un mulino azionato da due
schiavi ne macinava solo 4kg.
• Il mulino ad acqua era già noto ai
Romani all'epoca di Cristo, ma fu
poco usato.
• Solo nell'alto Medioevo diventano
le macchine più utilizzate nelle
attività produttive.
• In Europa l'età dei mulini inizia
verso l'anno 1000:
nel
1086
in
Inghilterra
esistevano più di cinquemila
mulini ad acqua per cereali;
nel 1200 compaiono i mulini a
vento nelle regini ventose
d'Inghilterra, Spagna e altri
paesi.
• L'età dei mulini finì verso il 1800,
quando furono sostituiti dalla
macchina a vapore.
COME È FATTO
• Il mulino ad acqua è
costituito da una ruota con
pale (ruota idraulica)
fissata a un albero (asse) e
mossa da una corrente
d'acqua che le imprime un
movimento rotatorio
continuo.
• Il moto viene trasmesso
direttamente, o attraverso
una serie di ingranaggi, a
macine, seghe o altre
macchine
A. per la macinatura dei cereali,
l'utilizzo più antico;
B. per il funzionamento delle
segherie, nel settore forestale;
C. per azionare telai,
nell'industria tessile;
D. nella lavorazione dei metalli,
per azionare macine, forge e
martelli per forgiatura;
E. per azionare delle pompe
idrauliche;
F. mulino per carta: dal XIII al
XVIII secolo l'energia del
mulino veniva utilizzata per
sfibrare gli stracci e la pasta di
legno con l'utilizzo di mazze e
martelli dotati di punte.
Segherie,
macinatura dei cereali,
Industria tessile
Lavorazione dei metalli,
Mulini dotati di più ruote
idrauliche, con diametri
fino a 3m, potevano
macinare anche 3t di
grano l'ora, una quantità
sufficiente per le esigenze
di 80.000 persone.
Gli impianti ad acqua fluente
Gli impianti con serbatoio
sono caratteristici dei fiumi di
pianura con portate di
acqua non molto variabili
nel corso dell’anno.
Come sono fatti?
Sono spesso formati da una
traversa per lo sbarramento del
corso di acqua, munita di
paratoie da aprire in parte o
anche totalmente per lo
smaltimento delle piene o per
permettere il transito delle
imbarcazioni nei fiumi navigabili,
eventualmente fornita anche di
una scala per i pesci (quelli che
risalgono il fiume).
Non dispongono di alcuna
capacità di regolazione
degli afflussi, per cui la
portata sfruttata coincide
con quella disponibile nel
corso d'acqua (a meno di
una quota detta deflusso
minimo vitale, necessari
per salvaguardare
l'ecosistema);
Le turbine delle centrali ad
acqua fluente sono azionate
dall'acqua di un fiume.
Il dislivello tra l'alto e il basso
corso del fiume è minimo se
paragonato a quello delle
centrali ad accumulazione.
Per contro la quantità d'acqua
disponibile è maggiore.
Le centrali ad
acqua fluente
funzionano
ininterrottamente.
sono caratterizzati
da una maggiore
elasticità di
esercizio.
Richiedono la
costruzione di una
diga e la
formazione di un
lago artificiale.
Sono
generalmente più
costosi rispetto a
quelli con acqua
fluente.
Quindi si trovano
nei pressi delle
montagne.
Viene creato
artificialmente un
serbatoio
d’acqua da una
valle naturale.
La valle viene
sbarrata da una
diga, così l’acqua
dei torrenti si
accumula
formando un
bacino
artificiale.
Le centrali idroelettriche utilizzano il salto che
l’acqua compie per giungere alla centrale.
L’acqua del bacino viene convogliata in tubature
dette condotte forzate.
Giunta alla centrale l’acqua fa girare le pale di una turbina che muove a sua volta un
generatore di energia elettrica detto alternatore che trasforma l’energia elettrica in
meccanica.
L’energia prodotta viene mandata ai trasformatori che ne innalzano la tensione PER EVITARE
DISPERSIONI
Viene trasportata alle
zone di
utilizzazione con i
cavi sorretti dai
tralicci.
Giunta nei luoghi di
utilizzazione
l’energia viene
abbassata grazie
a dei trasformatori
riduttori.
L’acqua scartata continua il suo corso nei fiumi.
CENTRALI
IDROELETTRICHE A
POMPAGGIO
Di norma ciò avviene
nelle ore
notturne, in modo da
poter sfruttare la
capacità elettrica in
momenti in cui il
fabbisogno energetico è
ridotto. Nel momento in
cui il fabbisogno
energetico aumenta,
l’acqua scorre dal
bacino artificiale fino alle
turbine della centrale
idroelettrica
Le centrali idroelettriche a pompaggio
convogliano l’acqua in un bacino, solitamente
artificiale, posto a monte.
I generatori sono in grado di attivarsi in un
istante.
Una diga è uno sbarramento
permanente su un corso
d'acqua naturale che serve
a creare un lago artificiale.
A seconda dei materiali
impiegati per la costruzione
la diga può essere di
calcestruzzo (o muratura), in
terra, di pietrame o di
materiale misto.
Tipologie di dighe:
Dighe a gravità
Sono dighe in calcestruzzo caratterizzate da
una struttura particolarmente semplice.
I grandi blocchi di calcestruzzo di sezione
triangolare stanno al loro posto solo grazie al
peso.
Possono anche raggiungere altezze elevate e
sviluppi notevoli al coronamento.
Viste dall'alto, le dighe a gravità sono dritte o
leggermente curve e la parete rivolta verso
monte è quasi verticale.
Le dighe a gravità sono,
generalmente, particolarmente
sicure in caso di eventi naturali
straordinari quali piene estreme
o terremoti.
Queste dighe garantiscono grande stabilità,
determinata in primo luogo dal loro peso, e
richiedono in generale poca manutenzione.
Negli ultimi 20 anni le dighe a gravità hanno
subito un grande sviluppo grazie
all'invenzione del Calcestruzzo Rullato
Compattato ( RCC ) tecnologia che permette
di abbattere i costi e i tempi di realizzazione di
queste dighe.
diga svizzera, Grande Dixence
diga delle tre gole
Dighe a contrafforti
•
•
•
Le dighe a contrafforti, dette anche a gravità
alleggerita, sono sostanzialmente una variante
delle dighe a gravità.
Inclinando il paramento di monte e lasciando
delle cavità nel corpo della diga si sfrutta, in
estrema sintesi, il peso dell'acqua per la stabilità
allo scorrimento al posto del peso del
calcestruzzo.
Sono state realizzate diverse centinaia di dighe
nel mondo di questa tipologia fino agli anni
settanta-ottanta ma oggi sono poco frequenti per
l'aumento del costo della mano d'opera che non
è più compensato dalla riduzione dei volumi di
calcestruzzo (rispetto alla diga a gravità).
In generale si può dire che
la maggiore complessità di
realizzazione ed il leggero
aumento di rischio dovuto
alla concentrazione delle
spinte in fondazione rende
ad oggi questo tipo di diga
spesso meno conveniente
rispetto alle altre tipologie.
•
•
•
•
Dighe ad arco e a volta
La struttura è costituita da una parete in calcestruzzo arcuata in senso orizzontale, e nel caso
di diga a volta, anche in senso verticale.
Lo sbarramento è relativamente sottile se rapportato con la sua altezza e rispetto ai tipi di diga
a gravità.
I lati del corpo diga sono appoggiati direttamente ai monti ai due lati della valle e su di essi
scaricano la pressione esercitata dall'acqua.
Nel caso delle dighe a cupola parte della spinta viene dissipata anche verso il basso.
La loro struttura è particolarmente leggera grazie alle
caratteristiche di resistenza degli archi, che consentono
di scaricare ai vincoli laterali (e quindi alla montagna) il
carico dell'invaso.
In questo schema semplificato, visto
dall'alto si vede la diga(parte grigia), la
spinta dovuta al bacino(frecce blu) e la
dissipazione della spinta sui fianchi della
montagna(frecce nere). Le dighe ad arco
hanno sezioni verticali, ed orizzontali,
anche molto differenti tra loro a seconda
della zona della diga.
•
•
•
•
Appartengono alla tipologia delle
dighe in materiali sciolti (pietrame alla
rinfusa, in muratura a secco).
Il Regolamento Italiano Dighe impone
particolari condizioni di realizzazione
delle dighe in terra, prima su tutte non
ammette la tracimazione attraverso
l'opera stessa.
La diga deve prevedere uno scarico di
fondo, che permette di smaltire la
portata di massima piena calcolata
considerando il franco di sicurezza.
Quest'ultimo deve essere più alto di 1,5
metri rispetto all'altezza della semionda
di massima piena presumibile
Dighe in terra
La loro dimensione è dovuta solamente ai
limiti di coesione della terra o roccia
materiali con la quale sono costruite,
quindi solamente raggiungono altezze
limitate e vengono sfruttate più come
strutture di contenimento che di
sbarramento, ma hanno il vantaggio che
la loro costruzione non è particolarmente
problematica.
La scelta del tipo di diga dipende essenzialmente dalla forma e dalla geologia della
stretta del fiume e dai materiali da costruzione disponibili nelle vicinanze.
Quando si incontra una valle stretta ed alta con rocce sane affioranti si pensa in
primo luogo ad una diga ad arco (che richiede ottime caratteristiche delle rocce dei
versanti). Per una valle più larga e/o con rocce fratturate si pensa ad una diga a
gravità in calcestruzzo (che richiede discrete caratteristiche delle rocce in
fondazione).
Quando, invece, si incontrano strati di
materiali sciolti (argille, sabbie, ghiaie) di
grande spessore nel letto del fiume la
scelta è obbligata per dighe deformabili
come dighe in terra, dighe in rockfill
(pietrame) con manto impermeabile in
calcestruzzo o bituminonoso soluzioni
intermedie tra le due.
CONDOTTE FORZATE
Le condotte forzate sono
generalmente costituite da
tubazioni metalliche in lamiera
d'acciaio o in calcestruzzo
armato.
Sono munite in testa di organi
di chiusura e sicurezza .
Attraverso queste tubazioni l'
acqua viene convogliata e
inviata a forte pressione alle
pale di una turbina, che
trasforma l’energia cinetica,
ottenuta dalla caduta , in
energia meccanica di
rotazione.
Le condotte forzate
possono essere
anche scavate
dentro la roccia per
sicurezza e
questioni logistiche.
Ci sono numerosi tipi di turbine, le più importanti sono:
1. -la Pelton per le cadute molto alte;
2. -la Francis per i salti di media altezza;
3. -la Kaplan somigliante a una elica per i salti modesti.
L'elemento essenziale della
turbina è la girante, o rotore,
che può essere costituita da
un'elica oppure da una ruota
con alette o pale variamente
profilate.
L'energia meccanica
acquisita dal rotore viene
poi trasmessa, tramite un
asse, ad un generatore
elettrico che prende il nome
di alternatore.
•
•
•
La turbina ha il compito di trasformare l’energia cinetica (fornita da un
fluido) in energia meccanica.
A seconda del tipo di energia si usano diverse turbine.
Gli antenati delle turbine sono i MULINI IDRAULICI
KAPLAN
FRANCIS
PELTON
La turbina funziona più o
meno come l’elica di una
nave: ampie pale rotanti,
messe in moto dall’acqua
ad alta pressione liberata
attraverso una chiusa,
azionano l’asse del
generatore.
In pratica la girante della
turbina è immersa nel flusso
d'acqua che fa girare le
pale dell'elica.
Questa turbina viene
utilizzata per bassi dislivelli
ma grosse portate.
La turbina ideata nel XIX secolo.
Il suo principio di funzionamento rispecchia quello della classica ruota a
pale dei vecchi mulini.
In pratica l'acqua viene convogliata nella condotta forzata la quale ha
alla fine un'ugello, ossia una strozzatura che fa aumentare la velocità
dell'acqua indirizzandone i filetti fluidi.
Dall'ugello esce un getto d'acqua che va a colpire le pale della girante.
Per aumentare
l'efficienza del getto è
necessario che l'ugello
si trovi il più vicino
possibile alla girante in
modo tale da
minimizzare la perdita
di pressione. Per far
questo i cucchiai
vengono sagomati in
modo opportuno con
una scanalatura al
centro per consentire
che il getto colpisca una
pala alla volta e per far
si che tutta l’energia del
getto non vada
sprecata ma venga
ceduta alla superficie
del cucchiaio durante il
suo movimento.
Questo tipo di
turbina è
utilizzato per
grandi dislivelli in
modo tale da
avere pressioni
molto alte.
Turbina detta centripeta in quanto il
flusso dell'acqua va dall'esterno
verso l'interno.
Questa turbina è utilizzata per
dislivelli medii, ma usava anche
per dislivelli bassi, dell’ordine di
qualche metro, prima
dell’invenzione del sig. Kaplan.
Dettaglio della
girante, con in
sezione una pala
mobile del
distributore.
Il movimento della turbina alimenta un alternatore che converte l'
energia meccanica in elettrica.
L'energia meccanica acquisita dalla girante viene poi trasmessa a
un albero motore che viene utilizzato per azionare un generatore
elettrico.
Alternatore
Statore di un
alternatore di
centrale
idroelettrica.
E’ un generatore di corrente elettrica.
È costituito da due parti fondamentali, una fissa detta statore e l'altra rotante
detta rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati.
I due avvolgimenti si dicono induttore (sul rotore) e indotto (sullo statore).
Per effetto della rotazione si creano, negli avvolgimenti di, dei campi magnetici
contrapposti, che danno origine a corrente elettrica alternata.
Quindi, nell’alternatore si trasforma l’energia meccanica (proveniente dalla
turbina) in energia elettrica, a corrente alternata.
TRASFORMATORE
Prima di essere
convogliata nelle linee di
trasmissione, l'energia
elettrica passa attraverso il
trasformatore che
abbassa l'intensita' della
corrente prodotta
dall'alternatore,
elevandone pero' la
tensione a migliaia di
Volts.
L'energia elettrica cosi'
ottenuta deve essere
trasformata per poter essere
trasmessa a grande distanza.
Giunta sul luogo di impiego, prima di essere utilizzata, l'energia passa di
nuovo in un trasformatore che questa volta, alza l'intensita' di
corrente ed abbassa la tensione cosi' da renderla adatta agli usi
domestici.
Trasmissione
Per essere utilizzata nelle case e
nelle strade, negli uffici e nelle
fabbriche, l’energia elettrica
deve essere trasportata fi no ai
punti di distribuzione cui sono
collegati gli utenti finali.
Spesso il percorso che deve
compiere è di centinaia di
chilometri: una vera e propria
rete di trasmissione con linee
elettriche – aeree o interrate –
costituite da conduttori lineari
isolati.
Per ridurre al minimo le
dispersioni di energia lungo
il tragitto, la tensione
dell’elettricità viene aumentata
dai 30 kV (30.000 Volt) massimi
della produzione, ai valori
compresi tra il 120 e i 380 kV.
Le linee di trasmissione di
energia elettrica sono, dunque,
ad alta ed altissima tensione.
PROVVEDIMENTI AMBIENTALI
Un’adeguata quantità d’acqua in fiumi e
torrenti provvede al mantenimento delle
naturali dinamiche di deflusso delle acque.
Ciò è di particolare importanza per la
preservazione degli
spazi vitali di flora e fauna e per il
mantenimento dell’importante funzione
paesaggistica delle acque.
Esempi di scale pesci
GRIGLIE
Tramite delle griglie presso le opere di presa viene raccolto il
materiale trasportato dal fiume come fogliame, rami, sacchetti di
nylon, bottiglie, barattoli ecc.
E’ inoltre necessario regolare le attività di dissabbiamento e limitare
le oscillazioni di portata.
CANALI DI
AGGIRAMENTO
Per garantire la risalita dei
pesci e della fauna acquatica,
nel corso della realizzazione
di una centrale idroelettrica
vengono costruiti dei canali di
aggiramento, le cosiddette
“scale pesci”.
MISURE DI
RINATURALIZZAZIONE
Si formano spazi per piante e
animali che costituiscono un
sostanziale valore ecologico,
come con il ripristino delle
aree lungo le sponde,
l’allargamento del letto del
fiume e la costituzione di
nuovi spazi vitali.
Deflusso Minimo Vitale
“il deflusso che, in un corso d’acqua deve essere presente a valle delle captazioni
idriche, al fine di mantenere vitali le condizioni di funzionalità e di qualità degli
ecosistemi interessati” e che il calcolo del DMV debba essere effettuato sulla base
della formula contenuta in quella stessa Delibera.»
Il DMV è stato introdotto e regolamentato dal legislatore in epoca piuttosto recente (anni
’80).
Tali disposizioni concorrono, nel loro complesso, alla definizione ed alla quantificazione
del DMV, nonché a disegnare un iter finalizzato alla sua progressiva applicazione.
Le piccole centrali idroelettriche
In questi ultimi anni si è risvegliato
l’interesse verso la realizzazione
di impianti di piccola taglia,
precedentemente trascurati in
quanto ritenuti economicamente
poco convenienti. L’aumento del
prezzo del petrolio ha riavviato la
necessità di sfruttamento delle
risorse idroelettriche
Tali impianti possono presentare particolari
vantaggi legati alla possibilità di fornire
energia elettrica a piccoli consumatori in
zone remote ed in molti paesi in via di
sviluppo.
TRAFORMAZIONI
ENERGETICHE
Energia dal
mare
• Attualmente esiste solo un impianto
per lo sfruttamento delle maree
in Francia, mentre sono in corso
esperimenti per lo sfruttamento del
potenziale energetico delle onde
nel Regno Unito, in Norvegia e in
Giappone e del gradiente termico
negli Stati Uniti.
• L'Unione Europea ha di recente
concluso uno studio che identifica
circa 100 siti suscettibili di essere
utilizzati per la produzione di
energia elettrica dalle correnti
marine.
• In Italia è lo stretto di Messina ad
essere stato identificato tra i siti più
promettenti.
E’ possibile convertire almeno
cinque tipi di energia presenti nel
mare: quella delle correnti, delle
onde, delle maree, delle correnti di
marea e del gradiente termico tra
superficie e fondali.
Mulini a marea
Già nell’antichità si
cercò di sfruttare
questo tipo di energia,
mediante la
costruzione di "mulini
a marea
".
L’acqua veniva
raccolta, durante il
flusso, in un piccolo
bacino, che veniva in
seguito chiuso con una
paratia.
Al momento del
deflusso l’acqua
veniva convogliata
attraverso un canale
verso una ruota che
muoveva una macina
In questo tipo di
mulino, mediante un
sistema di
saracinesche, che si
aprono e si chiudono
in relazione
all'abbassamento ed
innalzamento del
livello del mare, si
determinano delle
cascatelle artificiali
che fanno ruotare le
mole.
Le centrali mareomotrici
L'energia mareomotrice è quella ricavata dagli
spostamenti d'acqua causati dalle maree, che in alcune
zone del pianeta possono raggiungere anche i 20 metri di
ampiezza verticale.
La luna esercita una forte forza d’attrazione sull’acqua della Terra.
Dall’innalzamento e dall’abbassamento regolare delle masse d’acqua si ricava
energia.
Queste centrali accumulano l'acqua in
un bacino durante l'alta marea e poi la
rilasciano durante la bassa marea.
L'acqua viene fatta passare in condotte
forzate che la conducono in turbine
collegate ad alternatori che
consentono di produrre corrente
elettrica.
1° SVANTAGGIO
Le centrali di marea costiere
hanno il limite nell'erosione
che esercitano nelle coste e
nella abbondante
sedimentazione all'interno del
bacino, per questi motivi si sta
pensando a degli impianti
offshore che hanno anche il
vantaggio di poter modulare
la produzione di energia
elettrica dividendo la struttura
in più bacini.
Con le opportune griglie di
sbarramento e data la non
elevata velocità delle turbine
di questi sistemi può essere
salvaguardata anche la flora
e la fauna all'esterno dei
sistemi.
In Francia , nella Bretagna, alla foce del fiume Rance, a
Saint-Malo , tra il 1961 e il 1966 è stata costruita una
centrale che sfrutta la marea che da quelle parti raggiunge
13,5 m di dislivello. La portata raggiunge 18.000 metri cubi
di acqua al secondo e la produzione annua della centrale
copre il 3 % del fabbisogno elettrico della Bretagna
francese.
La centrale comprende una diga in pietrame, 6 chiuse di
entrata e uscita per vuotare e riempire rapidamente la foce
e 24 turbine a bulbo, sviluppate appositamente.
Altri svantaggi
Solo poche zone sono adatte per
l'installazione di questi impianti e,
comunque, la potenza generata è
modesta rispetto alla superficie
occupata dall'impianto.
Viene sfruttato lo sfasamento tra
massima ampiezza di marea
disponibile (la cui cadenza è
prevedibile sulla base delle fasi
lunari e solari) e domanda di
energia nelle ore di punta. Ma nei
giorni di insufficienza nell'afflusso
d’acqua
la
produzione
di
elettricità cesserebbe.
Vantaggi
Sono impianti molto simili alle
centrali idroelettriche e quindi la
tecnologia è già disponibile e
collaudata.
SFRUTTAMENTO DELLE CORRENTI SOTTOMARINE
Le correnti sottomarine,
opportunamente incanalate,
potrebbero generare corrente
elettrica tramite delle turbine.
Queste centrali sono attualmente degli
esperimenti da laboratorio, anche se, in
breve tempo, si potrebbe passare ad un
loro utilizzo reale per la produzione di
corrente elettrica
Con SeaPower il primo progetto italiano
Nello stretto di Messina un progetto di ricerca
per lo sfruttamento dell’energia del mare, per
sfruttare la sua forza anche lontano dalla
costa. E’ il primo progetto di questo tipo in
Italia,
Nei prossimi mesi si
raggiungerà la produzione
di 400 KW da immettere in
rete; si tratta di un piccolo
passo per iniziare, visto che
il Mediterraneo è solo un
banco di prova e in realtà si
mira a raggiungere le
grandi correnti del Golfo che
sviluppano un potenziale
energetico pari a tre milioni
di centrali nucleari
