Energia idroelettrica: dal corso d*acqua all*energia

Report
Finozzi Andrea 5BM
Studio di fattibilità di un impianto di microidroelettrico ad acqua fluente e delle opere di
costruzione necessarie per sfruttare l’energia
di un canale
Premessa
 Gli impianti idroelettrici producono elettricità
sfruttando l’energia cinetica dell’acqua che scorre verso
valle, ovvero da un punto a quota più elevata a un
punto a quota inferiore. Le turbine idrauliche
utilizzano l’energia potenziale posseduta da una massa
d’acqua tra un dislivello, detto salto, esistente tra le
due sezioni di pelo libero superiore (a monte) ed
inferiore (a valle).
 Abbiamo deciso di analizzare un corso
d’acqua presente nel nostro territorio
(la Roggia Maestra) e di costruire un
ipotetico progetto di un impianto di
mini-idroelettrico.
L’idea di sfruttare il canale
 L’idea di costruire un ipotetico progetto su questo
canale ci è venuta dopo aver saputo che nel medesimo
luogo in passato era presente un opificio che utilizzava
l’acqua per uso forza motrice (da quello che sappiamo
era usata per macinare il grano). Notando la presenza
di un dislivello utilizzabile come salto, abbiamo
ipotizzato la costruzione di un micro-impianto
idroelettrico per ricavare energia.
 Lo sfruttamento dell’energia idraulica disponibile sul
canale Roggia Maestra è possibile tramite la
costruzione, la posa e l’esercizio di una centralina
idroelettrica; i macchinari in essa contenuti
permettono la trasformazione del lavoro generabile
dalla forza dell’acqua in energia elettrica. Questa viene
poi ceduta alla rete nazionale. Per far ciò è necessario
costruire un canale di captazione dell’acqua, un
edificio per alloggiare la turbina ed il generatore
elettrico, ed un canale per la restituzione dell’acqua
alla roggia stessa.
Inquadramento e descrizione
dell’area di studio
 L’ubicazione dell’ipotetico impianto è situata nel
comune di Schio (prov. Vicenza) al confine con il
comune di Marano. Il corso d’acqua oggetto di utilizzo
è la Roggia Maestra. Dall’esame delle cartine IGM in
scala 1:25000 si può notare che questa ha origine nel
comune di Torrebelvicino per mezzo della derivazione
da parte del Consorzio di Bonifica Medio-Astico
Bacchiglione sul torrente Leogra.
ANALISI DI FATTIBILITà
E
ANALISI ECONOMICA
Stima delle potenzialità idriche
 Da una campagna di rilevazione delle portate, si
possono determinare i valori medi mensili di queste
ultime come riportato nella tabella e nel diagramma
seguente.
Mese
Qmedia
litri/sec
Durata
giorni
Pmedia
KW
Energia
KWh
GEN
350
31
11
8382
FEB
400
28
13
8653
MAR
800
31
26
19159
APR
1500
30
64
46354
MAG
1500
31
48
35924
GIU
800
30
26
18541
LUG
500
31
16
11975
AGO
300
31
10
7185
SET
450
30
14
10430
OTT
1500
31
64
47899
NOV
800
30
26
18541
DIC
650
31
21
15567
MEDIA
742
27
248610
TOT KWh 248610
Andamento delle portate medie mensili
1600
1400
Portate Q [l/s]
1200
1000
800
portate
600
400
200
0
GEN
FEB
MAR
APR
MAG
GIU
LUG
AGO
SET
OTT
NOV
DIC
Diagramma durata delle portate
2250
2000
1750
1500
1250
portata
1000
750
500
250
0
0
30
60
90
120
150
Q [l/s]
350
400
450
500
650
800
1500
2000
180
210
giorni
360
303
275
245
214
183
92
30
240
270
300
330
360
Possiamo osservare che non sono presenti valori di secca del canale (se non per
eventuale manutenzione dello stesso) al di sotto dei quali viene fermato
l’impianto: la portata minima della turbina è stimata attorno ai 300 l/s a cui
corrisponde una potenza generata di circa 9-10 kW.
Abbiamo stimato i carichi passivi per sistemi di potenza, servizi, illuminazione,
ecc . in massimo 4 kW.
Nel caso le portate, a fronte di eventi molto siccitosi, si riducano a tal punto da
portare la disponibilità idrica utilizzabile per scopo idroelettrico sotto il
minimo di sostentamento, riteniamo necessario staccare l’impianto.
Le misurazioni sulle portate della Roggia che siamo riusciti ad ottenere (effettuate
su più anni) danno comunque valori minimi superiori a 300 l/s cosicché si ha
comunque un margine positivo di potenza cedibile in rete.
Il caso di stato di secca e quindi fermo macchina risulta limitato a pochi giorni per
la manutenzione della Roggia.
Stima delle potenze generate
Abbiamo ricavato le potenze generate in base a fasce di
portata:
Stato di:
SECCA
portata insufficiente Q < 200 l/s
Stato di:
MAGRA
portata limitata Q = 300 l/s
Stato di:
FLUSSO BASSO
portata modesta Q = 600 l/s PGEN = 18,3 kW
Stato di:
FLUSSO MEDIO
portata discreta Q = 800 l/s
Stato di:
FLUSSO ELEVATO portata buona Q = 1500 l/s
Stato di:
PIENA
PGEN = 9,1 kW
PGEN = 24,4 kW
PGEN = 45,7 kW
portata massima Q > 2000 l/s PGEN = 60,9 kW
I valori della potenza ai morsetti del generatore asincrono sono da considerare
netti in quanto abbiamo imposto un rendimento del sistema turbina-generatore
ŋ = 0.84
Non ci soffermiamo su quanto potrebbe rendere un
impianto simile ma per avere un idea generale:
Il prezzo a cui la rete nazionale acquista la corrente dai
privati è di 0.22 euro/kWh (dato variabile).
Il ricavo lordo annuo sarebbe di 0.22*248600=54.692 euro
Ovviamente poi si deve tener conto dell’ammortamento
del costo dell’impianto e del costo di manutenzione
annuo.
DESCRIZIONE
DELL’IMPIANTO E
DIMENSIONAMENTO
OPERE DI PRESA
La portata massima della Roggia è stata quantificata in
4000 l/s e quella media in 1500 l/s.
Come regime di funzionamento della turbina abbiamo
deciso di utilizzare una portata massima pari a 2000
l/s e portata media di 1500 l/s.
Evitiamo di dimensionare il generatore per la massima
potenza della turbina e di limitarlo a 60 kW; taglie
superiori oltre ad avere maggior costo, sarebbero
soggette a penalizzazione sul rendimento ai bassi
carichi riscontrabili in diversi mesi dell’anno.
Dati tecnici riassuntivi
 Salto netto (differenza di livello tra i due peli morti dei
canali): 3,7 m
 Portata massima: 2000 l/s
 Portata media annuale: 1500 l/s
 Potenza nominale: 60 kW
 Potenza massima istallata: 65 kW
 Producibilità media annua: 250*10^3 kWh
Dimensionamento opere di
presa
Viene prevista la realizzazione di un’opera di presa costituita da manufatti in
cemento armato per la raccolta e canalizzazione del flusso.
Nella stessa struttura vengono predisposti la bocca di presa, dotata di griglia
primaria in ferro zincato a maglie larghe e paratoia; bacino di calma con
sfioratore e sgrigliatore meccanico.
Vengono utilizzate le seguenti notazione nel dimensionamento:
Qmturbina
portata minima turbina
QMturbina
portata massima turbina
QMAX
portata massima in ingresso alla bocca di presa
QMAX sfior
portata massima evacuata dallo sfioratore
VMAX
velocita massima del flusso d’acqua sulla traversa e in entrata
Sbocca
sezione della bocca d’entrata
Lsfior
larghezza sfioratore
Hsfior
livello nominale acqua sopra quota sfioratore
HMAX sfior
livello massimo acqua sopra quota sfioratore
Portate
Le portate minime e massime dell’acqua derivata sono
state determinate in base al deflusso del canale stesso
rilevato nell’arco di due anni, per mezzo di misurazioni
settimanali; a fronte di un range medio disponibile
compreso tra 400 l/s e 2000 l/s, abbiamo imposto i
valori di Qmturbina= 300 l/s e QMturbina= 2000 l/s per la
quantità prelevata ai fini dell’uso come forza motrice.
Con l’ausilio dei dispositivi automatici istallati sia
nell’opera di presa che in centrale, atti al controllo
delle portate, viene garantito un adeguato controllo dei
prelievi.
Bocca d’entrata
La bocca d’entrata di forma rettangolare viene dotata di
paratoia meccanica integrata da una griglia di protezione in
acciaio; determiniamo il flusso permesso attraverso la
bocca con griglia che deve essere pari o superiore alla
massima portata di QMturbina= 2000 l/s dell’impianto.
Con: dimensioni bocca L=2 [m] * H=1,8 [m], griglia in traversi
quasi ortogonali al flusso ( α=78°) in acciaio inox, spessore
a=15 [mm] distanza di 50 [mm], superficie Sbocca= 3,6 [m2]
e velocità massima dell’acqua vMAX = 1 [m/s] , si ottiene la
portata alla bocca di
QMAX = 2 [m3/s], come richiesto per QMturbina
Abbiamo considerato un coefficiente di intasamento k=0.6
Sfioratore
Lo sfioratore presente a monte della bocca d’entrata è
costruito come stramazzo in parete grossa, con
larghezza Lsfior = 8,50 m e Hsfior = 0,5 m; dalla
Q = m*(L*H)*(2gH)1/2 si rileva la portata massima
evacuata QMAXsfior = 5,59 m3/s superiore alla quantità
d’acqua in ingresso nel canale con ogni regime idrico
massimo.
In caso di arresto della turbina è garantito lo
smaltimento dell’intera portata attraverso lo sfioratore
stesso.
Sgrigliatore a pettine
Prima dell’ingresso alla bocca d’entrata di forma rettangolare, viene
predisposta sia una paratoia meccanica per isolare la camera di
carico, sia una griglia di protezione in acciaio a maglie larghe con
dispositivo automatico a pettine per la pulizia; determiniamo il
flusso permesso attraverso la bocca con griglia che deve essere
superiore alla massima portata di QMturbina = 2 m3/s dell’impianto.
Con: dimensioni bocca L = 2 m * H = 1,8 m, griglia in traversi inclinati
di α=78° rispetto al flusso in acciaio inox, spessore 15 mm e distanza
50 mm, superficie bocca Sbocca = 3,6 m2 e velocità massima
dell’acqua in entrata vMAX = 1 m/s, si ottiene la portata alla bocca di
QMAX = 2 m3/s in linea con quanto richiesto per QMturbina
Abbiamo considerato un coefficiente di intasamento k = 0.6
Turbina-moltiplicatore-generatore
Considerato il salto disponibile di 3,7 m e il range di portata
del canale da 300 l/s a 2000 l/s la scelta della turbina da
impiegare risulta obbligata verso una kaplan con pale
regolabili ad asse verticale in grado di fornire rendimenti
ottimizzabili in tutto l’arco di funzionamento; tale
macchina viene dimensionata per operare con portata
nominale a 1600 l/s e portata massima di 2000 l/s.
Abbiamo stimato la massima potenza meccanica ottenibile
dalla turbina in Pmecc = 65 kW.
Sull’albero della turbina viene istallato un moltiplicatore di giri per
portare a rotazione di 1500 giri/min il generatore a partire dai 250
giri/min (in prima approssimazione) della stessa.
Il moltiplicatore viene dimensionato per sopportare la coppia
meccanica dell’albero lento della turbina, per servizio continuo e
dotato di tutti i sistemi di raffreddamento dell’olio.
Dopo il moltiplicatore viene disposto sull’albero veloce un generatore
asincrono trifase direttamente a 400 V.
La massima potenza elettrica del generatore si stima in Pgen = 60 kW.
Abbiamo considerato un rendimento prudenziale di tutto il sistema
turbina - generatore di 0,84. Rendimento della Kaplan (0,80
nominale), quello del moltiplicatore (3/4 di carico, 0.80) e quello
del generatore (3/4 di carico, 0.94) ovviamente nei casi peggiori.
Alcune precisazioni
Opere di presa: bisogna predisporre paratoie meccaniche automatiche per la
regolazione dei flussi nonché sistemi di arresto e raccolta dei detriti, del
fogliame e dei rifiuti trasportati dalla Roggia. Bisogna poi smaltirli con
contenitori opportuni, secondo norma di legge.
Centrale di produzione: L’edificio che contiene turbina e generatore deve essere
provvisto di pannelli per isolamento acustico. Il perimetro del lotto deve essere
recintato per ovvie questioni di difesa da intrusioni esterne. I dispositivi
elettronici di controllo turbina e generatore vanno alloggiati in armadi.
Servomotori idraulici con relativa centralina permettono le manovre di potenza
sulla macchina.
Opere di difesa e risalita fauna ittica: bisogna progettare uno scivolo a gradoni
per lo smorzamento della velocità dell’acqua in scarico dallo sfioratore che può
essere sfruttato dalla fauna ittica per la risalita. In aggiunta, la presenza di
griglie a maglie strette poste immediatamente a monte dell’imbocco del bacino
di raccolta, garantiscono in ogni caso una valida sicurezza per la salvaguardia
dei pesci nonché una zona favorevole al ripopolamento della fauna ittica.
Conclusioni
Riteniamo importante notare come anche un impianto
di così ridotte dimensioni possa essere sfruttato e
utilizzato per contribuire a soddisfare in piccola parte
il fabbisogno energetico in costante crescita del
mondo. Considerando la notevole importanza della
componente “impatto ambientale” dello sfruttamento
dell’energia, anche se l’idroelettrico non è una fonte
molto efficiente in rapporto al costo di costruzione
degli impianti, esso diviene una valida alternativa.
Di seguito riportiamo un grafico che rappresenta la
richiesta d’energia prevista nei vari anni futuri.
I combustibili fossili e l’uranio sono presenti in quantità finita sulla terra. Le
riserve, pur ancora abbondanti e in parte sconosciute, si stanno assottigliando a
causa del continuo prelievo.
Le fonti rinnovabili sono praticamente inesauribili ma è improbabile che possano
eguagliare le capacità prestazionali offerte dai combustibili fossili e dall’uranio
e mantenere il consumo a livelli paragonabili a quelli attuali considerando che,
oltre ciò che percepiamo tramite le bollette, qualsiasi oggetto artificiale è la
definitiva “tomba” di una certa quantità (a volte molto grande) di petrolio,
carbone, gas o elettricità.
Si evidenzia quindi l’estrema criticità delle disponibilità di energia primaria non
rinnovabile. Per noi, per i nostri figli e per le generazioni future. Se le fonti di
energia che conosciamo e usiamo fossero talmente abbondanti da poter essere
prelevate in quantità e per tempi indefiniti, potremmo limitarci a controllare le
conseguenze del loro impiego sull’ambiente. La realtà è così diversa e grave che
non possiamo immaginare sia irrilevante la quantità di energia prelevata e
consumata in via definitiva.
La sfida vera che l’uomo ha di fronte non si ferma quindi alla “compatibilità
ambientale” ma si colloca al livello più alto della “compatibilità energetica”.
Ridurre l’estrazione e l’impiego dei combustibili fossili, sviluppare quanto più
possibile tutte le fonti energetiche rinnovabili e procedere alla graduale ma
decisa riduzione del consumo di energia, iniziando forse la più difficile delle
transizioni verso il superamento della civiltà dei consumi.

similar documents