Idroelettrico

Energia idroelettrica è un termine usato per definire l'energia elettrica ottenibile a partire da una caduta d'acqua, convertendo con apposito macchinario l'energia meccanica contenuta nella portata d'acqua trattata. Gli impianti idraulici, quindi, sfruttano l'energia potenziale meccanica contenuta in una portata di acqua che si trova disponibile ad una certa quota rispetto al livello cui sono posizionate le turbine. Pertanto la potenza di un impianto idraulico dipende da due termini: il salto (dislivello esistente fra la quota a cui è disponibile la risorsa idrica svasata e il livello a cui la stessa viene restituita dopo il passaggio attraverso la turbina) e la portata (la massa d'acqua che fluisce attraverso la macchina espressa per unità di tempo).
In base alla taglia di potenza nominale della centrale, gli impianti idraulici si suddividono in:

• Micro-impianti: P < 100 kW;
• Mini-impianti: 100 < P (kW) < 1000;
• Piccoli-impianti: 1000 < P (kW) < 10000;
• Grandi-impianti: P > 10000 kW.

Gli impianti possono essere poi:

• ad acqua fluente;
• a bacino;
• di accumulo a mezzo pompaggio.

In funzione del salto gli impianti idraulici possono essere:

• a bassa caduta (H > 50 m);
• a media caduta (H = 50 ÷ 250 m);
• ad alta caduta (H = 250 ÷ 1000 m);
• ad altissima caduta ( H > 1000 m).

Mentre in funzione della portata si parla di:

• piccola portata (Q > 10 m³/s);
• media portata (Q = 10 ÷ 100 m³/s);
• grande portata (Q = 100 ÷ 1000 m³/s)
• altissima portata (Q > 1000 m³/s).

Non tutti gli impianti Mini-Hydro sono catalogabili fra quelli con i più bassi livelli di caduta e portata, dal momento che la taglia è individuata dal prodotto di queste due grandezze. Una centrale è composta in genere da un'opera di derivazione (contenente uno sbarramento), un'opera di adduzione (condotte di collegamento), una condotta forzata, una centrale elettrica che contiene il macchinario di conversione e generazione e un'opera di restituzione. La derivazione di acque è regolata per legge sulla base di apposite concessioni governative che risultano sempre a titolo oneroso e che sono soggette a rinnovo con durata, in genere, almeno ventennale. La portata derivata da un bacino deve essere tale da rispettare l'ambiente e l'idrologia del corpo idrico intercettato. Il cosiddetto Deflusso Minimo Vitale (DMV) rappresenta il limite posto alla portata derivabile affinché l'impianto sia compatibile con l'ambiente. La potenza effettivamente ritraibile da un impianto idraulico si esprime secondo la seguente formula:

P = µ . Q . H . 9,81 (1)

ove µ rappresenta il rendimento globale dell'impianto, Q la portata espressa in m³/s e H il salto geodetico espresso in m.
Una delle particolarità salienti di questi impianti è legata al fatto che per tipologia impiantistica e taglia si prestano ad essere del tutto automatizzati. L'impiego di macchinario elettromeccanico realizzato ad hoc consente in qualche modo di ottimizzarne i costi ma va comunque tenuto presente che i costi legati a questa voce non superano in genere il 10-15% del totale. Il macchinario è costituito in genere da piccole turbine Francis e Pelton per gli impianti con maggiori salti. Nel campo delle portate più elevate e dei salti contenuti, si sono assai diffuse le turbine dette Banki-Mitchell che in un prossimo futuro potrebbero essere sostituite da nuovi prototipi studiati e progettati presso l'Università degli Studi di Roma "La Sapienza".

Stato dell'arte

Fig. 1 - Producibilità annua dell'idroelettrico in Italia dal 1963 al 2002. (Fonte GRTN)

Fig. 2 - Situazione dell'idroelettrico in Italia al 31/12/2001.

Fig. 3 - Distribuzione della potenza installata in Italia al 31/12/2001.

Fig. 4 - Distribuzione dell'installato in Italia per taglie, situazione al 31/12/1998.

Applicazioni

In genere molti impianti di piccola taglia si trovano realizzati in aree montane su corsi d'acqua a regime torrentizio o permanente e l'introduzione del telecontrollo, telesorveglianza e telecomando ed azionamento consentono di recuperarli ad una piena produttività, risparmiando sui costi del personale di gestione, che in genere si limita alla sola manutenzione ordinaria con semplici operazioni periodiche (ad es. la sostituzione dell'olio per la lubrificazione delle parti). Molti impianti di piccola taglia attuano il cosiddetto recupero energetico. I sistemi idrici nei quali esistono possibilità di recupero sono assai diversi e possono essere indicativamente raggruppati nelle seguenti tipologie:

• acquedotti locali o reti acquedottistiche complesse;
• sistemi idrici ad uso plurimo (potabile, industriale, irriguo, ricreativo, etc.);
• sistemi di canali di bonifica o irrigui;
• canali o condotte di deflusso per i superi di portata;
• circuiti di raffreddamento di condensatori di impianti motori termici.

In linea generale, nei sistemi idrici in cui esistono punti di controllo e regolazione della portata derivata o distribuita all'utenza, come pure dei livelli piezometrici, attraverso organi del tipo di paratoie, valvole, opere idrauliche (vasche di disconnessione, sfioratori, traverse, partitori), cioè sistemi di tipo dissipativo, è possibile installare turbine idrauliche che siano in grado di recuperare salti altrimenti perduti.
Si può dire che esiste la convenienza a realizzare impianti di piccola taglia ove le condotte già esistano insieme a salti e portate interessanti, sotto questo punto di vista gli acquedotti rappresentano una significativa possibilità di sfruttamento.

Potenzialità

Esistono quote significative di possibile crescita per gli impianti idraulici in Italia, e tali stime trovano conferma anche nelle valutazioni dell'ENEA (1998) secondo cui sarebbe possibile realizzare in Italia, entro il 2010, 850 MWe di impianti idraulici di taglia piccola (P > 10 MW), avendone messi 

in funzione per circa 311 MWe entro il 2001 insieme a 450 MWe di impianti di taglia superiore a 10 MWe.
Non è noto se tali stime abbiano tenuto conto, in una qualche maniera, del fatto che nel Nostro Paese risultino in scadenza, proprio nel biennio 1998-2000, numerose concessioni governative alla derivazione di risorse idriche per uso elettrico. Questa questione potrebbe essere suscettibile di creare una qualche barriera allo sviluppo dei nuovi impianti oppure al riavvio di quelli legati alle concessioni in scadenza.
Nonostante l'esistenza delle graduatorie del CIP 6/'92, e quindi la possibilità di sviluppare impianti della potenza inferiore a 10 MW fino ad un totale di 3300 MW (Enea 1998), non è chiaro come sia possibile sviluppare nuovi impianti idraulici se non saranno definiti i rapporti con il sistema delle concessioni alla derivazione e sul meccanismo attuativo dei certificati verdi.

La tab. 5 offre il panorama della crescita impiantistica che risulta esser stata basata su un censimento dei corsi d'acqua attraversanti aree urbane ed aree di interesse idroelettrico effettuato in Italia nell'ambito del Progetto THERMIE della UE. Sui 350 corpi idrici censiti ed interessanti aree di tipo urbano (400), sono stati individuati 814 siti potenziali di cui circa 450 in aree di tipo urbano e suburbano e 107 nella sola Regione Valle d'Aosta, per un totale di circa 921 siti. In tali siti potrebbero sorgere nuovi impianti oppure si potrebbe procedere al recupero ed al potenziamento di quelli esistenti che risultano dismessi o comunque abbandonati anche per problemi inerenti alle concessioni.

Tab. 5

Dai 456 siti potenziali rilevati sarebbe possibile, attraverso l'installazione di impianti per una potenza stimata pari a 115 MW, generare circa 500 GWh/anno con un fattore di utilizzazione medio pari a circa 4500 h/anno. L'investimento totale per tutti i siti esaminati assommerebbe a circa 450 milioni di Euro, mentre per le sole aree urbane si dovrebbero spendere solo 140 milioni di Euro. È particolarmente significativo il fatto che, sugli 814 siti ipotizzati, solo 31 consentirebbero l'installazione di impianti con una potenza superiore a 1 MW.

Fig. 6 - Potenziale residuo mini installabile in Italia.

Aspetti economici

Il costo medio del kWh degli impianti mini variano dalle 0,04 alle 0,06 Euro in funzione delle caratteristiche del sito (salto e portata).
Per uno sviluppo di tutti gli impianti individuati nel precedente par. si è stimata una somma pari a circa 450 milioni di Euro, con un costo unitario della potenza installata pari a circa 1.000,00 Euro.
Alcune turbine per impianti micro hanno costi compresi fra 720 e 1.150 Euro/kW nella classe da 10 a 60 kW.
Un possibile incentivo alla realizzazione degli impianti, ipotizzati per le aree urbane e/o suburbane, potrebbe venire dalla loro integrazione in sistemi DPS (piccoli impianti distribuiti di accumulo a mezzo pompaggio ) ed in questo caso tali impianti potrebbero, significativamente, partecipare al miglioramento della qualità del sistema di distribuzione elettrica a livello locale, specie nelle aree appenniniche della penisola.

Impatto ambientale degli impianti mini

A parità di energia prodotta, una centrale idroelettrica che genera 6 GWh permette di ridurre l'emissione di anidride carbonica di 4.000 t/anno rispetto ad una centrale a carbone. Per una generazione di 1.900 GWh/anno, quale quella che si realizzerebbe sviluppando il potenziale prima detto, si avrebbe una riduzione di 1,27 Mt/anno di diossido di carbonio e 3.800 t di ossidi di azoto oltre a 535 t di particolati vari. L'impatto ambientale degli impianti è comunque legato alla trasformazione del territorio e alla derivazione o captazione di risorse idriche da corpi idrici superficiali.
Il deflusso minimo vitale costituisce come anticipato un elemento di valutazione notevole per la stima della effettiva incidenza che hanno le derivazione sui corpi idrici assoggettati. L'impatto ambientale degli impianti idraulici è ben diverso e varia in misura notevole a seconda che si tratti di impianti a bacino o meno. Fermo restando la presenza di notevoli opere di captazione e contenimento, e la stessa esistenza del bacino, che mutano il paesaggio e la fruibilità del territorio, esistono due aspetti che sono strettamente collegati con il prelievo di acque superficiali e che possono generare impatti notevoli di due diversi ordini:

• impatto relativo alla variazione (diminuzione) della quantità dell'acqua, con possibili conseguenze conflittuali per gli utilizzatori;
• impatto relativo alla variazione di qualità dell'acqua in conseguenza di variazioni di quantità ed anche in conseguenza di modificazioni della vegetazione ripuaria.

La limitazione dell'entità e della rilevanza di queste due voci può esser conseguita sfruttando il concetto di deflusso minimo vitale (DMV) negli alvei sottesi. L'impiego tecnico di un criterio di progetto basato su tale parametro non è facile, in quanto lo stesso può essere valutato sulla base di due diversi punti di vista: quello idrologico e quello basato sugli equilibri biologici (microhabitat) del corpo idrico in esame. Fra i due esiste una notevole diversità. In ogni caso la stima del DMV è assai delicata ed il parametro va impiegato con notevole cautela.
In genere, gli impianti mini presentano un impatto più contenuto di quelli di dimensioni maggiori, specie nella versione a recupero, in quanto si inseriscono entro schemi idrici già esistenti e quindi, eventualmente, già caratterizzati da un impatto mitigato in altre maniere.
La loro presenza sul territorio può contribuire alla regolazione e regimazione delle piene sui corpi idrici a regime torrentizio, specie in aree montano ove esista degrado e dissesto del suolo e, quindi, possono contribuire efficacemente alla difesa e salvaguardia del territorio.

Note

• Al 1998 esisteva una quota di impianti con potenza fino a 10 MW pari a 2530 MW e quindi si avrebbe un incremento del 23% circa.
• Ogni impianto avrebbe una potenza media di circa 250 kW.
• Ubicati in posizioni assai vicine ai centri di utilizzazione massiva dell'energia elettrica (aree urbane assai densamente popolate o aree industriali caratterizzate da intensi prelievi elettrici).
• Quello dovuto agli impianti a bacino è di gran lunga superiore agli altri, ovviamente, per la presenza della diga e dell'invaso che creano una rilevante modificazione territoriale.
• È stato osservato sperimentalmente che in vicinanza delle pareti cementate di una diga si arrivi facilmente in acqua a condizioni di anossia; la mancanza di ombreggiatura della superficie delle acque di un corpo idrico, imputabile alla mancanza di vegetazione sulle rive, tende ad aumentare la temperatura diminuendo così la quantità di ossigeno disciolto.
• Si tratta di un concetto che, prima ancora che tecnico, è giuridico, essendo stato introdotto, per esempio in Italia, attraverso una legge dello stato [v. art. 3, punto 1, lettera i) della L. n° 183/'89]; questo parametro stabilisce "...la quota minima di acqua necessaria al mantenimento dei valori ambientali del corpo idrico ad un livello accettabile" .

La portata di DMV calcolata dal punto di vista idrologico può essere molto maggiore di quella basata sui microhabitat (la prima può essere 6 volte la seconda), per cui sembrerebbe di poter dire che "...la metodologia dei microhabitat garantisca il massimo sfruttamento della risorsa idrica".