Esempio di tesina : La centrale idroelettrica Luigi Einaudi di Entracque

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– PAGINA IN REVISIONE –

Indice

Introduzione……………………………………………………………………1

Cenni storici e curiosità

Le prime centrali idroelettriche nel mondo…………………. 2

La prima centrale idroelettrica in Italia………………………….3

Una delle centrali idroelettriche più grande
d’Europa si trova in Italia………………………………………………. 4

Come funzionano le centrali idroelettriche

Tipologie di centrali idroelettriche……………………………….. 5

La diga ad invaso……………………………………………………………..7

La condotta forzata……………………………………………………….7

La turbina idraulica………………………………………………………… 8

Il generatore………………………………………………………………….. 10

Il trasformatore trifase alternato………………………………… 11

Come funziona la centrale Luigi Einaudi

Una marcia in più……………………………………………………………..13

Efficienza…………………………………………………………………………..14

Introduzione

Mi hanno sempre incuriosito le centrali idroelettriche per la loro maestosità e ingegnosità. Quindi ho deciso di dedicare loro questa tesina e cogliere l’opportunità di capire meglio come funzionano.

Fin dall’antichità l’uomo ha sempre cercato di dirigere il proprio sguardo verso l’incompiuto. Un passo alla volta, come fosse una staffetta, si passano e si sono passati di mano in mano progetti e scoperte che hanno rivoluzionato il mondo nella rispettiva epoca. Un susseguirsi di perfezionamenti nella storia ha portato questa tecnologia dal macinare un po’ di grano per fare il pane, a trasformare l’energia meccanica in energia elettrica, che serve praticamente a fare ogni cosa. Un grande salto in avanti per l’umanita.

In Italia abbiamo visto e sfruttato questa tecnologia dieci anni dopo la comparsa della prima centrale idroelettrica nel mondo. Ad oggi possiamo vantare di avere in Piemonte (praticamente sotto casa), una delle dighe più grandi d’Europa: la diga di Entracque. Da quando è stata costruita svolge egregiamente il suo lavoro. Ma la tecnologia è in costante miglioramento e anche questa non lo è da meno. Infatti, sebbene la centrale di Entracque sia una grande opera d’ingegneria, non è più all’avanguardia come un tempo. I suoi nove generatori sincroni, anche se perfettamente funzionanti, non sfruttano le potenzialità che quest’epoca ha da offrice. In commercio si trovano generatori di ultima concezione che hanno un efficienza superiore rispetto ai loro predecessori. Sostituendo i vecchi motori con motori di nuova concezione si può produrre più corrente elettrica. Di conseguenza la centrale idroelettrica Luigi Einaudi di Entracque sarà più efficiente.

Cenni storici e curiosità

Mulino ad acqua per macinare il grano

Migliaia di anni fa l’uomo impara a sfruttare l’energia cinetica dell’acqua. Vengono costruiti i primi mulini per macinare il grano (Fig 1). Successivamente i mulini si evolvono per soddifare le esigenze del settore agricolo e industriale. Il loro funzionamento è semplice: mediante una ruota dotata di pale, si trasforma l’energia idraulica in energia meccanica. Erano gli antenati delle centrali idroelettriche.

Fig. 1 – Vecchio mulino ad acqua

Le prime centrali idroelettriche nel mondo

Alla fine dell’ottocento però, con la scoperta dei fenomeni elettrici, si perfeziona il sistema precedentemente utilizzato. Nasce la turbina che ricava l’energia meccanica in modo più efficiente ed il generatore che a sua volta la trasforma in energia elettrica. Nella seconda metà del 1800 ci sono tutti gli ingredienti utili a costruire le prime centrali elettriche. Nel 1879 si costruisce la prima centrale idroelettrica sfruttando le correnti delle cascate del Niagara negli Stati Uniti (Fig. 2).

Fig. 2 – Cascate del Niagara, centrale idroelettrica

Nel 1882 Thomas Edison crea la prima centrale idroelettrica degli Stati Uniti, che è in grado di rifornire le abitazioni limitrofe(Fig. 3). Questo segna l’inizio di una nuova era, un momento emblematico nella storia della produzione di energia elettrica .

Fig. 3 – Pearl street station, zona sud di Manattan

La prima centrale idroelettrica in Italia

Nel 1898, nel nord dell’Italia, entra in funzione la centrale idroelettrica “Bertini di Paderno d’Adda” (Fig. 4), nata da un accordo tra Edison e il comune di Milano per rifornire la rete dei tram. Essa rifornisce il milanese mediante una linea elettrica di 13.500 volt, lunga ben 32 km. Era la prima volta che una tensione così elevata percorresse tale distanza.

Fig. 4 – Centrale idroelettrica Angelo Bertini

Da allora la tecnologia è stata ulteriormente perfezionata per ottenere un migliore rendimento. Ad oggi grandi e imponenti strutture si ergono in tutto il mondo.

Una delle centrali idroelettriche più grande d’Europa si trova in Italia

Nel 1982 in Italia, nel territorio di Entracque (un piccolo comune con meno di mille abitanti, nella provincia di Cuneo, in Piemonte), viene messa in funzione per la prima volta la centrale idroelettrica “Luigi Einaudi”. Di proprietà dell’ENEL produzione s.p.a., è la più grande centrale idroelettrica ad accumulazione d’Italia ed una delle piu grandi d’ Europa.

Fig. 5 – Mappa del territorio

La costruzione dell’impianto iniziò nel 1969, molti anni prima della sua effettiva operatività. Questo perchè non è stata un’impresa facile. Le nevicate abbondanti impedivano l’avanzamento dei lavori nei mesi invernali. Si realizzarono due dighe : la diga del Chiotas di 27,3 milioni di m³ e la diga della Piastra di 9 milioni di m³. (Fig. 5 e 6)

Fig. 6 – Centrale idroelettrica Luigi Einaudi

Come funzionano le centrali idroelettriche

Una centrale idroelettrica, per produrre corrente elettrica, ha bisogno di questi principi fondamentali :

Energia cinetica generata dall’acqua
Turbina che converte l’energia cinetica in energia meccanica
Generatore che converte l’energia meccanica in energia elettrica

Da questi presupposti sono stati ideati svariati modi per ricavare l’energia cinetica: ad acqua fluente, a bacino e ad accumulo tramite pompaggio, sono quelli più comunemente usati. Vengono scelti in base alle esigenze del luogo, alle difficoltà dettate dalla conformazione del territorio e dal volume d’ acqua della fonte. Tuttavia, sebbene assumano qualità costruttive differenti, alla base hanno un principio fisico in comune. Infatti tutte hanno un generatore che produce elettricità e che gira grazie ad una forza cinetica applicata alla turbina idraulica.

Tipologie di centrali idroelettriche

Ad acqua fluente :

Fig. 7 – Centrale idroelettrica ad acqua fluente

L’acqua del fiume o del torrente viene convogliata in un canale secondario, dove si trova la turbina idraulica (Fig. 7). Questa converte l’energia cinetica dell’acqua in energia meccanica.

A bacino :

Fig. 8 – Centrale idroelettrica a bacino

Gli impianti a bacino accumulano l’ acqua in un serbatoio (invaso o bacino di raccolta), per poi servirsene nei periodi di maggior richiesta di energia elettrica o condizioni di scarsa affluenza delle acque (Fig. 8). É un sistema molto elastico poichè permette di regolare la quantità di acqua erogata in base alla richiesta di energia (deflusso regolato). Il serbatoio si ottiene sbarrando un corso d’acqua con una diga solitamente in cemento armato, che ne provoca l’innalzamento del livello.

Ad accumulo tramite pompaggio :

Fig. 9 – Centrale idroelettrica ad accumulo tramite pompaggio

Sono dotate di bacino di raccolta anche a valle. Di giorno è come una centrale a bacino, ma di notte l’acqua erogata viene ricondotta a monte e riutilizzata (Fig 9).

La diga ad invaso

Fig. 10

Lo scopo della diga è quello di creare un serbatoio d’acqua che, accumulata nell’invaso, costituisce il potenziale della centrale. Rozzamente, la si può paragonare ad un recipiente comune, come ad un bicchiere d’acqua (Fig. 10). La diga solitamente viene costruita in cemento armato con più gettate, in tempi diversi per favorirne l’asciugatura. Questo ne conferisce solidità ed efficienza per molti anni.

La condotta forzata

L’acqua, presente all’ interno dell’ invaso, viene prelevata mediante una condotta forzata. È una conduttura che collega la diga alla stazione di produzione, il vero fulcro della centrale idroelettrica (Fig. 11). Il diametro dei tubi può variare a seconda della grandezza dell’ impianto, che avrà bisogno di una portata appropriata.

Fig. 11 – Esempio di condotta forzata: Centrale di Bargi – Camugnano ( Bologna )

La turbina idraulica

Il getto dell’acqua che attraversa la condotta forzata raggiunge le pale della turbina idraulica, che ruota per effetto della forza cinetica (Fig. 12).

Le turbine si dividono in due tipologie.

Turbine ad azione
Turbine a reazione

Fig. 12 – Turbina e generatore

Turbine ad azione

Turbina Pelton

La turbina Pelton si adatta ad alte cadute e piccole portate d’acqua. La pala ha la forma di doppio cucchiaio, per dividere il getto che lo investe (Fig. 13). In questo modo l’acqua abbandona la sede senza rimbalzare su di essa. Viene alimentata da uno o più getti con flusso regolabile.

Fig. 13 – Turbina Pelton

Turbine a reazione

Turbina Francis

La turbina Francis si adatta a medie cadute e grandi portate d’acqua. Una camera a spirale avvolge una serie di pale fisse disposte lungo la circonferenza (Fig. 14). Quando il getto d’acqua le investe, le fà ruotare intorno all’ albero di trasmissione insieme ad esso.

Fig. 14 – Turbina Francis

Turbina Kaplan

La turbina Kaplan si adatta a basse cadute e grandissime portate d’acqua. Viene realizzata con pale orientabili che aumentano il redimento della turbina stessa. Il getto è regolato sul punto ideale, che a seconda del flusso, corregge il tiro per ricavarne una rotazione ottimale (Fig. 15). Anche se ha un efficienza elevata, per contro, ha il costo maggiore dei componenti rispetto alla turbina a pale fisse.

Fig. 15 – Turbina Kaplan

Il generatore trifase

Fig. 16 – Generatore trifase, statore e rotore

Il generatore trifase (o alternatore), è una macchina elettrica rotante collegata alla turbina per mezzo di un albero di trasmissione. Si divide in due tipologie: macchine asincrone e macchine sincrone. Esse, che siano l’una o l’altra, possono funzionare sia come motore che come generatore. La struttura funzionale è costituita da una parte fissa detta statore e una parte mobile detta rotore (Fig. 16). Il motore sincrono è costituito da più magneti permanenti, o avvolgimenti intorno al rotore (Fig. 17). Il motore asincrono, solitamente, è a gabbia di scoiattolo (Fig. 18). Questo comporta che come rotore ha un cilindro in cui sono fusi gli avvolgimenti rotorici. Il campo elettromagnetico generato dal movimento del rotore genera una corrente elettrica.

Fig. 17 – Motore sincrono

Fig. 18 – Motore asincrono

Vantaggi e svantaggi

Motore asincrono : spesa minore e basse temperature, ma elevata inerzia del rotore.
Motore sincrono : più potente rispetto al peso che è più leggero, bassa inerzia del rotore, ma costo elevato; ad alte temperature il magnete permanente si può smagnetizzare.

Il trasformatore trifase alternato

Fig. 19 – Trasformatore trifase alternato

Il trasformatore viene impiegato per aumentare e ridurre la tensione (Fig. 19). Una maggiore tensione riduce la caduta di tensione in quanto si incontra meno resistenza. In una centrale idroelettrica si parla sempre di trasformatore trifase alternato, proprio come la corrente generata dal generatore. Il trasformatore trifase inoltre è una macchina elettrica statica, questo vuol dire che non vi è nessun organo in movimento ( a differenza del generatore che è dinamico ). Viene impiegato per collegare tra loro due sistemi trifase con tensione diversa. Esso trasforma l’ energia elettrica da un circuito primario ad un circuito secondario modificandone tensione e corrente. É costituito da due solenoidi isolati tra loro, ma avvolti attorno allo stesso magnete. Facendo passare corrente sul circuito primario, si genera un campo magnetico, provocando sul secondario una f.e.m. (forza elettromotrice) indotta. L’energia elettrica in uscita dal trasformatore costituisce l’ ultimo componente gestito dalla centrale idroelettrica. Da questo punto in poi la linea sarà distribuita e subirà ulteriori trasformazioni.

Come funziona la centrale Luigi Einaudi

La centrale idroelettrica Luigi Einaudi è una centrale idroelettrica ad accumulo tramite pompaggio. Utilizza due diverse riserve d’acqua (Chiotas e Rovina) e dopo averne sfruttato la forza cinetica, la accumula in un bacino a valle (lago della Piastra). Quest’ ultima viene utilizzata per il pompaggio ai laghi superiori e per rifornire un’altra piccola centrale a valle. L’ acqua in esubero viene riversata nel torrente Gesso. Poco distante ( 600 m ), è presende la centrale che eroga una potenza di 1310 MW in produzione e 1410 MW in pompaggio. Utilizza 9 macchine elettriche. Una turbina Francis con generatore da 150 MVA a 600 giri/min è per Rovina. Le altre otto sono destinate a Chiotas, con turbine reversibili ad asse verticale, di fabbricazione De Pretto – Escher Wyss e rispettivi generatori sincroni della Brown Boveri – Tecnomasio da 600 giri/min con potenza apparente di 170 MVA (Fig. 20). Le macchine elettriche sono collegate alla rete mediante trasformatori 17/400 KV.

Fig. 20 – Rotore del generatore Brown Boveri – Tecnomasio
durante i lavori di costruzione della centrale Luigi Einaudi

Una marcia in più

Come detto in precedenza, la centrale idroelettrica Luigi Einaudi utilizza generatori sincroni Brown Boveri – Tecnomasio a 600 giri/min con una potenza apparente di 170 MVA . È un sistema reversibile, cioè lo stesso motore se alimentato, fà ruotare in senso inverso il rotore, per eseguire il pompaggio. Sono motori affidabili, tuttavia di vecchia generazione. Ad oggi, sistemi di tecnologia più avanzati, permettono di creare generatori con un rendimento migliore. Questo farebbe risparmiare energia elettrica nel pompaggio e si avrebbe allo stesso tempo una maggiore produzione di energia.

Dalla brochure di un‘azienda statunitense (qui non menzionata), che produce materiale per la produzione di energia elettrica, si possono trovare diverse gamme di generatori sincroni. Ho scelto il Topack Generator come esempio perchè potrebbe essere una valida alternativa (Fig. 21). È di gamma superiore, ma con caratteristiche che si accostano alle potenzialità dell’ impianto ed al flusso d’acqua. Tuttavia con degli accorgimenti sulla portata delle condotte forzate e delle turbine si potrebbe scegliere un generatore con una potenza apparente molto più elevata.

Fig. 21 – Generatore sincronoTopack

Fig. 22 – Dati del nuovo generatore

Per la produzione di energia elettrica, dobbiamo seguire gli standard nazionali sulla frequenza. In Italia, come nel resto dell’ Europa, è stato stabilito a 50 Hz. Ad una tale frequenza, questo generatore ha una migliore efficienza, pari al 98,7% ed è in grado di erogare una potenza apparente di 175 MVA. La tensione d’uscita è di 15 KV con un cosϕ di 0.80 (Fig. 22).

Efficienza

I vecchi generatori, come accennato in precedenza, hanno un’efficienza minore rispetto agli attuali. Nel caso di generatori fabbricati 20 anni fa, si puo’ presuppore un efficienza pari al 96% a 50 Hz. Un generatore nuovo invece, sempre a 50 Hz, ha un efficienza pari al 98.7 %. Si evince pertanto, che sostituire i vecchi generatori ha effettivamente portato ad una migliore efficienza della centrale stessa.

Bibliografia :