PROGETTO DI UN IMPIANTO

Il progetto di un impianto è il risultato di un complesso processo iterativo dove,

avendo sempre in mente l'impatto sull'ambiente, le diverse soluzioni tecniche sono

confrontate da un punto di vista economico. Gli studi che si dovrebbero condurre

riguardano: topografia e geomorfologia del sito, valutazione della risorsa idrica e del

suo potenziale energetico, selezione del sito e schema base d'impianto, turbine

idrauliche, generatori e loro regolazione, studio di impatto ambientale, valutazione

economica del progetto, procedure amministrative per ottenere le autorizzazioni.

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 un

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.

Un impianto idroelettrico è costituito da un insieme organico di macchinari, di

apparecchiature varie e di opere di ingegneria destinato a trasformare l'energia

idraulica di un corso d'acqua naturale o artificiale in energia elettrica. In esso si

possono distinguere:

• le opere di presa, di filtraggio e di convogliamento dell'acqua;

• il locale con il macchinario;

• l'opera di scarico dell'acqua;

• la linea elettrica per il trasporto e la distribuzione dell'energia elettrica.

Le opere suddette e il tipo di macchinario e di regolamentazione dipendono da fattori

fisici inerenti alle condizioni di lavoro dell'impianto (quali l'orografia, il salto e la

portata, la disponibilità di un bacino di accumulo idrico) e dal tipo di esercizio

dell'impianto stesso (funzionamento autonomo oppure in parallelo con una rete

elettrica esistente, funzionamento completamente automatico oppure con controllo

periodico di un addetto, funzionamento continuativo oppure stagionale). Il numero dei

diversi componenti e la loro complessità costruttiva e, conseguentemente, operativa e

gestionale variano poi ancora a seconda che si sia in presenza di una micro o mini-

centrale, fermo restando che comunque tutti i componenti devono ottemperare alle

normative legislative, tecniche, e ambientali.

Le opere di presa d'acqua dipendono dalla tipologia del corso d'acqua intercettato e

dall'orografia locale, mentre il tipo di filtro necessario e l'opportunità di

automatizzarne la pulizia dipendono dalla portata derivata e dall'entità dei corpi solidi

trasportati dal flusso idrico; le microcentrali usano normalmente acqua fluente, mentre

per le minicentrali è più comune la presenza a monte di modesti bacini di accumulo.

Le opere di convogliamento dell'acqua alla turbina sono costituite essenzialmente

da canali o da condotte forzate e anch'esse dipendono dalla orografia, dalla portata e

dalla turbina prevista. In particolare per le microcentrali ovunque sia possibile e

conveniente si utilizzano tubazioni in plastica (PEAD o PVC) attualmente in grado di

lavorare alla pressione ottimale di 16 bar. La convenienza generale del progetto

aumenta poi qualora l'acqua convogliata serva ad altri usi oltre a quello energetico

(acqua per impianti irrigui, industriali, di depurazione e per acquedotti pubblici o

privati).

Il tipo di turbina dipende fondamentalmente dalla portata turbinata e dal salto

motore. 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.

A seconda dei regimi di rotazione nominali della turbina e del generatore si può poi

avere un moltiplicatore di giri . Quando la turbina ed il generatore girano alla stessa

velocità e possono essere installati assialmente, è consigliato l'accoppiamento diretto,

che evita le perdite meccaniche e minimizza le manutenzioni. In generale, soprattutto

con turbine di piccola potenza, le ruote girano a meno di 400 rpm (rotazioni per

minuto, vale a dire sono i giri che compie la turbina in un minuto di tempo) e ciò

comporta l'obbligo di ricorrere ad un moltiplicatore per raggiungere i 700-1500 rpm

degli alternatori standard. Questa soluzione è più economica, nell'ambito dei piccoli

impianti, rispetto a quella di adottare un generatore speciale accoppiato alla turbina.

Il generatore ha la funzione di trasformare in energia elettrica l'energia meccanica (di

rotazione) trasmessa dalla turbina. In origine si usavano generatori a corrente continua

(dinamo), attualmente si usano generatori a corrente alternata trifase. In funzione della

rete che si deve alimentare il progettista può scegliere tra: Alternatori sincroni che

generano energia alla stessa tensione, frequenza ed angolo di fase della rete grazie ad

un apparato di eccitazione associato ad un regolatore di tensione. Possono anche

funzionare staccati dalla rete (in isola). Sono più costosi rispetto agli asincroni e si

utilizzano per alimentare piccole reti, nelle quali la potenza del generatore rappresenta

una porzione sostanziale del carico del sistema o in tutti i casi in cui la potenza della

turbina sia elevata; Alternatori asincroni che sono semplici motori ad induzione,

senza possibilità di regolazione della tensione. Girano ad una velocità direttamente

rapportata alla frequenza della rete cui sono collegati. Dalla rete assorbono la corrente

di eccitazione e l'energia reattiva necessaria alla propria magnetizzazione; non possono

generare corrente se scollegati dalla rete perché non sono in grado di provvedere alla

propria corrente di eccitazione. Si usano in grandi reti, nelle quali la loro potenza

rappresenta una percentuale trascurabile del carico di sistema; hanno un rendimento

inferiore rispetto ai generatori sincroni.

Il trasformatore è quell'elemento che si interpone tra la centrale e la rete elettrica; ha

la funzione di variare la tensione della corrente in uscita dall' alternatore , in particolare

di portare la corrente dalla tensione di uscita del generatore a quella (alta o media

tensione, ad esempio 132 kV), della linea elettrica. Il trasporto della corrente elettrica

avviene infatti ad alta tensione per ridurre le perdite per effetto Joule lungo la linea. Il

gruppo turbina - generatore e le apparecchiature connesse vengono infine alloggiati in

un locale opportunamente dimensionato e provvisto delle adeguate protezioni.

Quadri di controllo e di potenza

In tutte le nazioni, le norme per l'erogazione d'elettricità obbligano le società di

distribuzione a mantenere, entro limiti molto stretti, la sicurezza e la qualità del

servizio. Il produttore indipendente, se la centrale è collegata alla rete, deve gestirla in

modo che il distributore possa rispettare questi obblighi. Per questo tra i morsetti del

generatore e la linea si installano dispositivi che controllando il funzionamento della

macchina, la proteggono, la mettono in parallelo con la rete o la staccano dalla stessa

in caso di guasto. Il controllo si realizza mediante apparati più o meno sofisticati che

misurano la tensione, l'intensità e la frequenza della corrente in ognuna delle tre fasi,

l'energia prodotta dal generatore, il fattore di potenza ed eventualmente il livello

dell'acqua nella camera di carico. La tensione e l'intensità di corrente si misurano

mediante trasformatori di misura.

Quadri d'automazione

La maggior parte delle piccole centrali lavora senza presidio permanente di personale

e funziona mediante un sistema automatico di controllo . Esistono dei requisiti

generali che devono essere soddisfatti: tutti gli equipaggiamenti devono essere dotati

di controlli manuali e misure, indipendenti dal controllo automatico, da usarsi

solamente per l'avviamento iniziale dell'impianto e per le operazioni di manutenzione;

il sistema deve includere i dispositivi necessari per individuare il funzionamento

difettoso; i dati di funzionamento devono essere registrati; il sistema di controllo deve

essere tale da permettere il funzionamento della centrale senza personale; si deve poter

accedere al sistema di controllo da un punto remoto e poterne prendere il controllo.

Organi di scarico

Sono costituite da un canale a pelo libero o da una condotta in pressione che restituisce

la portata d'acqua utilizzata al corso d'acqua, portando l'acqua dalla centrale al corso

d'acqua.