Che cos’è l’energia idroelettrica?

L’energia idroelettrica è l’energia elettrica prodotta trasformando l’energia potenziale e gravitazionale posseduta da una massa d’acqua ad una certa quota altimetrica, in energia cinetica al superamento di un certo dislivello; tale energia cinetica viene infine trasformata in energia elettrica in una centrale idroelettrica grazie ad un alternatore accoppiato ad una turbina.

Nel 2015 l’energia idroelettrica ha rappresentato circa il 16.6% del totale dell’energia elettrica prodotta a livello mondiale (il 70% dell’energia rinnovabile).

Ci si aspetta un’aumento di circa il 3% nei prossimi 25 anni di utilizzo di questa fonte energetica.

Nel 2013 l’idroelettrico era operativo in circa 150 nazioni di tutto il mondo, con l’area Asia-Pacifico leader nella produzione (circa il 33% della produzione mondiale). La Cina è il maggior produttore con 920 TWh di produzione (2013) capaci di coprire circa il 17% della loro produzione nazionale.

Il costo della produzione idroelettrica è relativamente basso, rendendola una risorsa di energia green e rinnovabile estremamente competitiva. Le dighe e gli impianti che sfruttano l’energia cinetica della massa d’acqua in movimento non consumano acqua, diversamente da tutti i combustibili fossili, nucleare e altre fonti rinnovabili (come il geotermico). Il costo medio per una centrale idroelettrica classica (diga) con capacità maggiori di 10MW è stimato tra i 3 e i 5 centesimi di dollaro statunitense per kilowattora (ricerca Worldwatch Institute – 2012).

In Italia si producono circa da trenta a quaranta mila GWh annui di energia idroelettrica e tale quantità mediamente copre il 10-15% del fabbisogno energetico italiano. I dati e le percentuali possono variare di anno in anno poiché dipendono da diverse fattori quali ad esempio la maggiore o minore siccità della stagione. In Italia comunque le fonti idroelettriche sono già state ampiamente utilizzate e pertanto è poco probabile che si abbia un ulteriore significativo aumento di energia idroelettrica prodotta.

La diga permette anche di fornire una quantità di energia variabile in risposta a una variabilità della domanda in maniera relativamente semplice. Una volta costruita la diga ha un livello di inquinamento quasi inesistente e ha livelli di emissione chiaramente nulli confronto a qualsiasi impianto di produzione di energia alimentato a combustibile.

 

Il funzionamento di un impianto idroelettrico

In un impianto idroelettrico il componente fondamentale che alimenta l’insieme delle opere è il bacino (o serbatoio) nel caso degli impianti di regolazione, oppure il corso d’acqua derivato nel caso degli impianti ad acqua fluente.

Per garantire una costante disponibilità d’acqua sono fondamentali differenti tipi di opere:

Opere di derivazione: convogliano le acque necessarie all’alimentazione dell’impianto lungo condotte di pendenza variabile fino al punto di inizio della tubazione in pressione che raggiungerà l’impianto. Possono essere costituite da un canale a pelo libero oppure una galleria in pressione. Alle volte questi canali sono visibili nelle valli montane: note anche come condotte forzate, le opere di derivazione permettono di aumentare il dislivello tra bacino di raccolta e punto di sfruttamento dell’acqua, quindi aumentare l’energia potenziale;

Opere di captazione: ci si riferisce all’insieme delle opere che permettono di raccogliere il flusso d’acqua necessario ad alimentare l’impianto. Ne fanno parte chiaramente le dighe di sbarramento ma anche tutte le costruzioni e modifiche necessarie a preparare il bacino e il paesaggio circostante per evitare frane o pericoli per il bacino e la massa d’acqua raccolta;

Cuore dell’impianto turbina-generatore: dalla condotta forzata si passa al cuore dell’impianto, costituito essenzialmente da un’accoppiata turbina-generatore. La turbina converte l’energia cinetica della corrente d’acqua in energia meccanica all’albero. Quest’ultima viene successivamente convertita in energia elettrica tramite il generatore (alternatore). Un diffusore posto immediatamente a valle rispetto alla turbina, e un serbatoio detto di restituzione costituiscono la conclusione dell’impianto idroelettrico;

Opere di restituzione: queste opere di restituzione costituiscono la conclusione dell’impianto idroelettrico cioè le opere di restituzione che reimmettono la corrente utilizzata all’interno del corso d’acqua dalla quale era stata derivata inizialmente.

Tipi di centrali idroelettriche

Esistono principalmente due tipologie di centrali: a salto o ad acqua fluente.

Centrali idroelettriche a salto: questi tipi di impianti sfruttano l’energia potenziale derivante da un “salto d’acqua”, ossia il dislivello tra fonte e continuazione del flusso d’acqua. Quindi queste grandi altezza di caduta possono essere sfruttate insieme alla loro energia potenziale;

Centrali idroelettriche ad acqua fluente: questi impianti sono fondamentalmente differenti poiché non sfruttano l’energia derivante dal salto d’acqua, ma quella derivante dalla grande massa d’acqua che supera piccoli dislivelli. La portata considerevole del fiume e chiaramente si richiede anche un regime costante fornisce una grande quantità di energia.

tipi di centrali idroelettriche

Per permettere di immagazzinare energia e di averla a disposizione nel momento di maggiore richiesta, sono state messe a punto centrali idroelettriche di generazione e pompaggio. In questo tipo di centrali idroelettriche, l’acqua viene pompata nei serbatoi a monte sfruttando l’energia prodotta e non richiesta durante la notte cosicché di giorno, quando la richiesta di energia elettrica è maggiore, si può disporre di ulteriori masse d’acqua da cui produrre energia. Questi impianti permettono di immagazzinare energia nei momenti di maggiore disponibilità per utilizzarla nei momenti di bisogno. Queste centrali sono particolarmente diffuse negli Stati Uniti d’America, dove i corsi d’acqua sono spesso irregolari e i bacini non hanno un tasso di riempimento costante.

In Italia invece la maggior parte dell’energia idroelettrica è prodotta con centrali a salto specialmente nell’arco alpino e appenninico. Queste centrali sfruttano corsi d’acqua relativamente costanti, dunque non necessitano di stazioni di pompaggio verso monte.

In alcuni paesi per idroelettrico si intende non solo l’energia elettrica generata dall’acqua nei corsi dei fiumi, ma anche quella generata dall’acqua marina. In Italia quest’ultima è chiamata energia marina o energia delle maree, e solitamente non è considerata come energia idroelettrica.

Vantaggi e svantaggi dell’idroelettrico

Vantaggi e lati positivi

L’energia idroelettrica è pulita ed a emissioni zero dal momento di conclusione della costruzione del bacino e dell’impianto principale. Le emissioni sono pari a zero, non c’è dunque inquinamento dell’aria di alcun genere;

I costi dell’idroelettrico sono tra i più bassi comparati con altre energie rinnovabili. Ha bassissimi costi di manutenzione e funzionamento una volta realizzata. La portata è solitamente da due a dieci volte più alta rispetto a un impianto a carbone, che chiaramente è molto meno pulito;

La costruzione di bacini e dighe è positiva poiché favorisce il contenimento dell’acqua evitando inondazioni improvvise in caso di maltempo e da la possibilità di regolare il gettito d’acqua in maniera del tutto fluido e regolare;

Ogni centrale può essere attivata o sospesa nel giro di qualche minuto grazie alle chiuse idrauliche. Un sistema simile permette di coprire richieste di energia dalle zone circostanti. Questo tipo di possibilità non è fornita da numerosi altri impianti di generazione di energia come ad esempio centrali termoelettriche o nucleari. Queste hanno bisogno di lunghi tempi di attivazione e non possono essere spente senza dover riattraversare questi lunghi periodi di set up e start up: le centrali idroelettriche quindi sono le più flessibili dunque e capaci di rispondere alla variabilità della domanda in maniera veloce ed immediata.

vantaggi svantaggi
Svantaggi e lati negativi

Le centrali idroelettriche hanno il principale svantaggio di non essere costruibili chiaramente ovunque. Richiedono come la maggior parte degli impianti da energia rinnovabile la disponibilità di detta fonte rinnovabile, che non può essere un qualunque corso d’acqua. Stiamo parlando della vicinanza di un fiume di portate sufficienti a fornire l’immagazzinamento dell’acqua, della possibilità di far “saltare” l’acqua da altezze consistenti necessaria per sprigionare più energia, dello spazio sufficiente per la creazione di dighe che raccolgano l’acqua stessa. Infine, la stessa creazione di una diga è possibile soltanto se il territorio lo permette in base alla caratteristiche geologiche del terreno. L’insieme di queste necessità fa sì che siano necessari attenti studi per poter individuare quei punti in cui la realizzazione di una centrale idroelettrica diventa possibile;

L’impianto ha chiaramente bisogno di un certo spazio edificabile per poter essere costruito e non si parla soltanto della diga. Il vero e proprio cuore della centrale, dove sono presenti turbine e alternatori possono occupare molto spazio, criticità non indifferente specialmente nelle aree montane;

Edificare e mettere in moto un impianto può impattare sugli habitat e sull’ecosistema circondante. L’edificazione di una diga può ridurre o far scomparire certe tipologie ittiche, flora fluviale o può mettere a rischio l’agricoltura a valle se la portata del fiume non è regolata correttamente. La riduzione della vita nelle acque fluviali può portare a diversi svantaggi ecosistemi da non sottovalutare. Inoltre la creazione della centrale e il rumore proveniente da essa possono turbare la fauna della zona, forzando gli animali a migrare o spostarsi;

La diga impedisce il trasporto di materiali solidi dei fiumi come ghiaia e sabbia. Il fenomeno che ne consegue è l’erosione costiera (il mare che “mangia” la costa), dovuta dal mancato riequilibrio naturale tra erosione marina e sedimento fluviale.

Disastri

È importante anche citare episodi di incredibile impatto ambientale, specialmente nei paesi in via di sviluppo dove si ha avuto poca considerazione degli impatti della costruzione di una diga nei confronti della popolazione oltre che della flora e fauna locale.

L’esempio più conosciuto a livello mondiale è la diga Three Gorges sul fiume Yangtze, nella regione centrale della Cina. La diga Three Gorges, prima al mondo per capacità, genera 22.500 MW in un anno, per una produzione oraria di circa 90 TW, l’equivalente dell’energia prodotta da 20 dighe medie. La sua attività alimenta 8.000.000 di case. Sin dai suoi esordi, la grande diga cinese ha rallentato la velocità del fiume, accelerando la proliferazione di alghe nel fiume e riducendo l’acqua potabile a disposizione degli abitanti della regione; ha privato il suolo di sedimento e nutrienti, vitali per l’agricoltura. La diga non ha solo distrutto la terra. Ha allagato 13 città, 140 paesi e 1.350 villaggi, togliendo la casa a 1,3 milioni di persone. Sono stati distrutti anche beni culturali: alcuni monumenti, sono stati trasferiti pietra dopo pietra in un’altra sede, altri non sono stati salvati.

Un altro episodio estremamente negativo e molto conosciuto in Italia per le vittime provocate è quello della diga del Vajont, in Friuli-Venezia Giulia, in provincia di Pordenone, situata sull’omonimo fiume. La diga è tristemente famosa per il disastro accaduto il 9 ottobre 1963, quando una frana distaccatasi dal vicino monte Toc fece innalzare il livello d’acqua nel bacino fino a provocare un trabocco, inondando il paese sottostante di Longarone. L’incidente provocò 1917 vittime. La diga era stata costruita e messa in funzione senza effettuare test appropriati sui monti circostanti, effettuati in seguito questi test hanno rivelato l’alta friabilità del monte Toc. Il disastro dunque era evitabile.

Esempi concreti e info locali

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