POTENZA IDRAULICA: CARATTERISTICHE, COME FUNZIONA, VANTAGGI, UTILIZZI - AMBIENTE - 2025

La potenza idraulica è la capacità dell'acqua di produrre lavoro sotto forma di movimento, luce e calore in base al loro potenziale ed energia cinetica. È anche considerata un'energia rinnovabile pulita e ad alte prestazioni.

Questa energia è determinata dal flusso, dall'irregolarità tra i punti del terreno attraverso i quali l'acqua si muove e dalla forza di gravità. È stato utilizzato dagli esseri umani fin dall'antichità per svolgere diversi lavori.

Diga di Itaipú (Brasile e Paraguay). Fonte: Angelo Leithold

Uno dei primi utilizzi dell'energia idraulica è stato quello di alimentare mulini ad acqua che sfruttassero la potenza della corrente. In questo modo, tramite ingranaggi, si potevano muovere le macine per la trebbiatura del grano.

Attualmente la sua applicazione più rilevante è la generazione di energia elettrica tramite centrali idrauliche o idroelettriche. Questi impianti sono fondamentalmente costituiti da una diga e da un sistema di turbine e alternatori.

L'acqua si accumula nella diga tra due livelli del canale (dislivelli geodetici), generando energia potenziale gravitazionale. Successivamente, la corrente dell'acqua (energia cinetica) attiva le turbine che trasmettono l'energia agli alternatori per produrre energia elettrica.

Tra i vantaggi dell'energia idraulica c'è quella di essere rinnovabile e non inquinante, a differenza di altre fonti energetiche. D'altra parte, è altamente efficiente con una resa che varia dal 90 al 95%.

L'impatto ambientale degli impianti idroelettrici è associato alla variazione di temperatura e all'alterazione fisica del corso d'acqua. Allo stesso modo, vengono prodotti oli e grassi usati che vengono filtrati dai macchinari.

Il suo principale svantaggio è l'alterazione fisica che provoca a causa dell'inondazione di vaste aree di terreno e il flusso e il corso naturale dei fiumi è alterato.

La più grande centrale idroelettrica del mondo è The Three Gorges, situata in Cina, sul fiume Yangtze. Gli altri due importanti sono quelli di Itaipú al confine tra Brasile e Paraguay e la centrale idroelettrica Simón Bolívar o Guri in Venezuela.

caratteristiche

La fonte di energia idraulica è l'acqua ed è considerata energia rinnovabile fintanto che il ciclo dell'acqua non viene alterato. Allo stesso modo può produrre lavoro senza generare rifiuti solidi o gas inquinanti ed è quindi considerata energia pulita.

prestazione

L'efficienza energetica si riferisce alla relazione tra la quantità di energia ottenuta in un processo e l'energia necessaria per investire in esso. Nel caso dell'energia idraulica si ottiene una performance compresa tra il 90 e il 95% a seconda della velocità dell'acqua e del sistema di turbina utilizzato.

Come funziona l'energia idroelettrica?

Schema di una centrale idroelettrica. Fonte: Utente: Tomia

Trasformazione dell'energia solare in energia cinetica

Il fondamento dell'energia idraulica è nell'energia solare, la topografia del terreno e la gravità terrestre. Nel ciclo dell'acqua l'energia solare provoca l'evaporazione e quindi l'acqua si condensa e precipita sulla terra.

Come risultato del terreno irregolare e della forza di gravità, le correnti d'acqua superficiali si verificano sulla superficie terrestre. In questo modo l'energia solare viene trasformata in energia cinetica a causa del movimento dell'acqua per l'azione combinata di irregolarità e gravità.

Successivamente l'energia cinetica dell'acqua può essere trasformata in energia meccanica in grado di funzionare. Ad esempio, le lame possono essere spostate che trasmettono il movimento a un sistema di ingranaggi che può azionare vari dispositivi.

L'entità dell'energia idraulica è data dall'irregolarità tra due punti dati dell'alveo e il suo flusso. Maggiore è l'irregolarità del terreno, maggiore è il potenziale e l'energia cinetica dell'acqua nonché la sua capacità di generare lavoro.

In questo senso, l'energia potenziale è quella che si accumula in un corpo idrico ed è correlata alla sua altezza rispetto al suolo. D'altra parte, l'energia cinetica è quella che l'acqua rilascia nel suo movimento di caduta in funzione della topografia e della gravità.

Produzione di energia elettrica da energia idroelettrica (idroelettrica)

L'energia cinetica generata dalla caduta dell'acqua può essere utilizzata per produrre energia elettrica. Ciò si ottiene costruendo dighe dove l'acqua si accumula e viene mantenuta a diversi livelli di altezza.

Pertanto, l'energia potenziale dell'acqua è direttamente proporzionale alla differenza di livello tra un punto e l'altro e quando l'acqua cade si trasforma in energia cinetica. Successivamente l'acqua passa attraverso un sistema di lame rotanti e genera energia cinetica rotazionale.

Il movimento rotatorio permette di muovere sistemi di ingranaggi in grado di attivare sistemi meccanici come mulini, ruote o alternatori. Nel caso particolare della generazione di energia idroelettrica, il sistema richiede un sistema a turbina e un alternatore per generare elettricità.

turbine

La turbina è costituita da un asse orizzontale o verticale con un sistema di pale che ruotano l'asse per la forza dell'acqua.

Esistono tre tipi fondamentali di turbine idrauliche:

Turbina Pelton

Turbina Pelton. Fonte: Robertk9410

È una turbina ad impulsi ad alta pressione ad asse orizzontale che lavora senza essere totalmente sommersa. La girante ha una serie di pale concave (lame o denti) che sono azionate da getti d'acqua.

Maggiore è il numero di getti d'acqua che colpiscono la turbina, maggiore sarà la potenza che genererà. Questo tipo di turbina viene utilizzata per cascate da 25 a 200 metri di altezza e raggiunge un'efficienza fino al 90%.

Francis turbina

Francis turbina. Fonte: l'autore del caricamento originale era Stahlkocher su Wikipedia in tedesco.

È una turbina a reazione a media pressione con asse verticale e lavora completamente immersa nell'acqua. La girante è costituita da pale che vengono azionate dall'acqua condotta attraverso un distributore.

Può essere utilizzato in cascate da 20 a 200 metri di altezza e raggiunge un'efficienza del 90%. È il tipo di turbina più utilizzato nei grandi impianti idroelettrici del mondo.

Turbina Kaplan

Turbina Kaplan. Fonte: TheRunnerUp

È una variante della turbina Francis e, come essa, ha un asse verticale, ma la girante è costituita da una serie di pale orientabili. È di reazione ad alta pressione e funziona totalmente sommerso in acqua.

La turbina Kaplan viene utilizzata in cascate da 5 a 20 metri di altezza e la sua efficienza può arrivare fino al 95%.

Alternatore

L'alternatore è un dispositivo che ha la capacità di trasformare l'energia meccanica in energia elettrica attraverso l'induzione elettromagnetica. Pertanto, i poli magnetici (induttore) vengono ruotati all'interno di una bobina con poli alternati di materiale conduttivo (ad esempio rame avvolto in ferro dolce).

Il suo funzionamento si basa sul fatto che un conduttore sottoposto per un certo tempo ad un campo magnetico variabile, genera una tensione elettrica.

Vantaggio

La potenza idraulica è ampiamente utilizzata perché ha molti aspetti positivi. Tra questi possiamo evidenziare:

È economico

Sebbene nel caso degli impianti idroelettrici l'investimento iniziale sia elevato, in termini generali a lungo termine si tratta di energia a buon mercato. Ciò è dovuto alla sua stabilità e ai bassi costi di manutenzione.

Inoltre, va aggiunta la compensazione economica fornita dai bacini con possibilità di acquacoltura, sport acquatici e turismo.

È rinnovabile

Poiché si basa sul ciclo dell'acqua, è una fonte di energia rinnovabile e continua. Ciò implica che non si esaurisce nel tempo a differenza dell'energia da combustibili fossili.

Tuttavia, la sua continuità dipende dal fatto che il ciclo dell'acqua non venga alterato in una data regione o globalmente.

Alte prestazioni

L'energia idraulica è considerata molto efficiente e con prestazioni elevate comprese tra il 90 e il 95%.

Non è inquinante

Questo tipo di energia utilizza una fonte naturale come l'acqua e inoltre non produce rifiuti o gas inquinanti. Pertanto, il suo impatto sull'ambiente è basso ed è considerata una forma di energia pulita.

Presenza di serbatoi

Nei casi in cui vengono costruiti serbatoi per l'utilizzo di energia idroelettrica, questi presentano una serie di ulteriori vantaggi:

- Consentono di regolare il flusso del fiume ed evitare le piene.
- Rappresentano un serbatoio di acqua per il consumo umano, l'irrigazione e l'uso industriale.
- Possono essere utilizzati come aree ricreative e per la pratica di sport acquatici.

svantaggi

Dipendenza dalle precipitazioni

Una limitazione della produzione di energia idroelettrica è la sua dipendenza dal regime delle precipitazioni. Pertanto, in anni particolarmente siccitosi, l'approvvigionamento idrico può diminuire drasticamente e il livello dell'invaso viene abbassato.

Quando il flusso d'acqua è ridotto, la generazione di energia elettrica è inferiore. In modo tale che nelle regioni altamente dipendenti dall'energia idroelettrica possono verificarsi problemi di approvvigionamento.

Alterazione del corso naturale del fiume

La costruzione di una diga in un fiume altera il suo corso naturale, il suo regime di piena, diminuendo (diminuzione del flusso) e il processo di trascinamento dei sedimenti. Pertanto, si verificano cambiamenti nella biologia delle piante e degli animali che sono acquatici o situati in prossimità del corpo idrico.

D'altra parte, la ritenzione di sedimenti nella diga altera la formazione di delta alla foce dei fiumi e altera le condizioni del suolo.

Pericolo di rottura della diga

A causa dell'elevato volume d'acqua immagazzinato in alcune dighe idroelettriche, una rottura del muro di contenimento o delle pendenze vicine può causare gravi incidenti. Ad esempio, nel 1963 si verificò in Italia la pendenza della diga del Vajont (oggi dismessa) che provocò 2.000 morti.

applicazioni

Ruote panoramiche e pompe dell'acqua

La rotazione di una ruota azionata dall'energia cinetica dell'acqua consente di attingere l'acqua da un pozzo o canale poco profondo in un canale o serbatoio sopraelevato. Allo stesso modo, l'energia meccanica generata dalla ruota può azionare una pompa idraulica.

Il modello più semplice è costituito da una ruota con pale con ciotole che raccolgono l'acqua nello stesso momento in cui sono sospinte dalla corrente. Quindi, nella loro rotazione, fanno cadere l'acqua in un serbatoio o canale.

Mills

Per più di 2000 anni, Greci e Romani utilizzavano l'energia idraulica per muovere mulini per macinare i cereali. Il movimento della ruota spinta dal getto d'acqua attiva ingranaggi che fanno girare la macina.

Forges

Un'altra antica applicazione della capacità di lavoro basata sulla potenza idraulica è il suo utilizzo per attivare i soffietti della fucina nei lavori di fabbro e metallurgia.

Frattura idraulica

Nelle miniere e nel petrolio, l'energia cinetica dell'acqua viene utilizzata per erodere la roccia, fratturarla e facilitare l'estrazione di vari minerali. Per questo vengono utilizzati giganteschi cannoni ad acqua a pressione che colpiscono il substrato finché non lo erode.

Questa è una tecnica distruttiva per il suolo e altamente inquinante per i corsi d'acqua.

fracking

Una tecnica molto controversa che sta guadagnando slancio nell'industria petrolifera è il fracking. Consiste nell'aumentare la porosità del substrato roccioso contenente petrolio e gas per facilitarne la rimozione.

Ciò si ottiene iniettando grandi quantità di acqua e sabbia ad alte pressioni insieme a una serie di additivi chimici. La tecnica è stata messa in discussione per il suo elevato consumo di acqua, inquinando i suoli e le acque e causando cambiamenti geologici.

Impianti idroelettrici

L'uso moderno più comune è quello di far funzionare impianti di generazione di energia elettrica, i cosiddetti impianti idroelettrici o impianti idroelettrici.

Esempi di centrali idroelettriche

Le Tre Gole

Diga delle Tre Gole (Cina). Fonte: Le Grand Portage Lavoro derivativo: Rehman

La centrale idroelettrica delle Tre Gole si trova nella provincia cinese di Hubei, sul corso del fiume Yangtze. La costruzione di questa diga è iniziata nel 1994 ed è stata completata nel 2010, raggiungendo un'area allagata di 1.045 km² e una capacità installata di 22.500 MW (megawatt).

L'impianto comprende 34 turbine Francis (32 da 700 MW e due da 50 MW) con una produzione annua di energia elettrica di 80,8 GWh. È la più grande centrale idroelettrica del mondo per struttura e potenza installata.

La Diga delle Tre Gole è riuscita a controllare le periodiche inondazioni del fiume che arrivarono a causare gravi danni alla popolazione. Garantisce inoltre l'approvvigionamento elettrico della regione.

Tuttavia, la sua costruzione ha avuto alcune conseguenze negative come lo sfollamento di circa 2 milioni di persone. Inoltre, ha contribuito all'estinzione del delfino di fiume cinese in grave pericolo di estinzione (Lipotes vexillifer).

Itaipu

Diga di Itaipu. Fonte: Herr stahlhoefer

La centrale idroelettrica di Itaipú si trova al confine tra Brasile e Paraguay, lungo il corso del fiume Paraná. La sua costruzione è iniziata nel 1970 e si è conclusa in tre fasi nel 1984, 1991 e 2003.

L'area allagata della diga è di 1.350 km² e ha una capacità installata di 14.000 MW. L'impianto comprende 20 turbine Francis da 700 MW ciascuna e ha una produzione annua di energia elettrica di 94,7 GWh.

Itaipu è considerata la più grande centrale idroelettrica del mondo in termini di produzione di energia. Contribuisce al 16% dell'energia elettrica consumata in Brasile e al 76% in Paraguay.

Per quanto riguarda i suoi impatti negativi, questa diga ha influenzato l'ecologia delle isole e il delta del fiume Paraná.

Simon Bolivar (Guri)

Impianto idroelettrico Simón Bolívar (Gurí, Venezuela). Fonte: Warairarepano & Guaicaipuro

La centrale idroelettrica Simón Bolívar, nota anche come diga Guri, si trova in Venezuela sul corso del fiume Caroní. La costruzione della diga iniziò nel 1957, una prima fase fu completata nel 1978 e fu completata nel 1986.

La diga di Guri ha un'area allagata di 4.250 km² e una capacità installata di 10.200 MW. Il suo impianto comprende 21 turbine Francis (10 da 730 MW, 4 da 180 MW, 3 da 400 MW, 3 da 225 MW e una da 340 MW)

La produzione annua è di 46 GWh ed è considerato il terzo impianto idroelettrico al mondo per struttura e potenza installata. La centrale idroelettrica fornisce l'80% dell'energia elettrica che il Venezuela consuma e una parte di essa viene venduta al Brasile.

Durante la costruzione di questa centrale idroelettrica, sono state inondate vaste aree di ecosistemi nella Guyana venezuelana, una regione con un'elevata biodiversità.

Oggi, a causa della profonda crisi economica in Venezuela, la capacità produttiva di questo impianto è stata notevolmente ridotta.

Riferimenti

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