Descrizione

Gli impianti PHES prelevano dalla rete l’energia elettrica che è disponibile durante le ore notturne, cioè nel periodo di minore richiesta, per pompare acqua nel bacino superiore. Il potenziale idrico in tal modo accumulato è riconvertito in energia elettrica grazie a uno o più gruppi di turbina-generatore quando, durante le ore diurne, la domanda raggiunge punte elevate.

Gli impianti con quattro macchine: pompa-motore elettrico, turbina-generatore, sono la soluzione più flessibile perché permettono di adattare le caratteristiche dei macchinari alle esigenze funzionali proprie dei singoli gruppi. Questi furono superati dagli impianti ternari, nei quali un’unica macchina elettrica reversibile sostituiva il motore e il generatore. In seguito furono sviluppati gli impianti binari, costituiti da una macchina idraulica pompa-turbina, e da una macchina elettrica motore-generatore.

Fig. 3.1. Esempio di funzionamento di un impianto di pompaggio binario.

Una macchina idraulica è di per sé reversibile, capace cioè di operare come pompa e, a rotazione invertita, come turbina [Ventrone, 2006].

La configurazione geometrica di una turbina è però alquanto diversa da quella di una

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numero tipo di macchina K, il coefficiente di pressione Ψ di una turbina è circa doppio rispetto a quello di una pompa. La girante avrà quindi grado di reazione più basso e diametro del 40% minore. Le pale, più corte e quasi due volte più numerose, sono profilate per accelerare la corrente relativa, alla quale deve essere imposta una variazione angolare molto maggiore di quella ammissibile in una pompa. Infatti in una pompa la corrente relativa non può sopportare che decelerazioni assai modeste (a

regime i valori di w1/w2, che in una pompa non devono essere minori di 0,7÷0,8,

possono invece scendere sotto lo 0,4 per una turbina).

Non resta quindi che progettare la macchina reversibile come pompa, tenendo conto, nel dimensionare i canali statorici, delle esigenze del funzionamento inverso da turbina.

La Fig. 3.2 riporta le caratteristiche funzionali di un modello di pompa -turbina avente numero tipico di circa 0,7 nel funzionamento da pompa. Si osservi che il rendimento da turbina è maggiore, anche se di poco, del rendimento da pompa ed è ottenuto per una portata più elevata.

Quando h è maggiore di quella che una sola girante può elaborare, si ricorre a macchine a due o più stadi.

Fig. 3.2. Caratteristiche di una macchina reversibile nel funzionamento da pompa e nel funzionamento da turbina [Ventrone, 2006].

Gli impianti di pompaggio idroelettrici permettono di accumulare grandi quantità di energia con costi di gestione contenuti. Tra le varie tipologie di impianti di accumulo questa tecnologia presenta la più elevata capacità di generazione elettrica, la t aglia è

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definita dalla capacità volumetrica della riserva superiore e dalla potenza delle macchine elettriche ed idrauliche installate (tipicamente compresa tra le decine e le centinaia di MW).

La capacità del serbatoio di accumulo è limitata dalle dimensioni fisiche del bacino superiore e dalla disponibilità stagionale delle risorse idriche.

L’efficienza di un impianto PHES si attesta generalmente tra il 65% e l’85%, a seconda della configurazione scelta e dall’età delle macchine installate; ne gli ultimi anni l’efficienza media è stata notevolmente incrementata grazie allo sviluppo di turbine reversibili a velocità variabile ed alto rendimento. Infatti il riammodernamento delle vecchie centrali idroelettriche, che consiste principalmente nella sostituzione delle macchine elettriche ed idrauliche, può aumentare il rendimento complessivo anche del 10%, passando dal 65÷70% al 75÷80%.

Sono impianti molto longevi, la loro vita utile si aggira intorno ai 50÷60 anni se si considera solo la durata delle macchine installate, mentre per quanto riguarda le opere civili possono trascorrere anche 80÷100 anni prima che vi sia la necessità di interventi importanti.

È importante precisare che la costruzione di questi impianti di accumulo è fortemente vincolata dalle caratteristiche geografiche e morfologiche del sito di installazione e dall’abbondanza di risorse idriche. Inoltre deve essere garantito il minimo deflusso vitale (MDV), cioè quel quantitativo di acqua rilasciata da una qualsiasi opera di captazione sull'asta di un lago, fiume, torrente o qualsiasi corso d'acqua in grado di garantirne la naturale integrità ecologica, seppur con popolazione ridotta , con particolare riferimento alla tutela della vita acquatica. Quindi l’MDV deve essere considerato come una portata residua, in grado di permettere a breve e a lungo termine la salvaguardia della normale struttura naturale dell’alveo e, di conseguenza, la presenza di una biocenosi che corrisponda alle condizioni naturali.

Tali impianti richiedono costi di investimento molto elevati per la costruzione delle opere civili e per l’acquisto delle macchine elettriche ed idrauliche. Le opere civili possono comprendere non solo la costruzione delle strutture di sbarramento ma anche la realizzazione di un bacino artificiale, comportando un aumento dei costi proporzionale al volume di materiale da sbancare.

Gli impianti PHES sono ecologici, hanno zero emissioni di gas serra, per questo motivo e per la loro versatilità di impiego si sono diffusi molto velocemente in tutto il

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panorama elettrico mondiale. Attualmente gli impianti di pompaggio idroelettrici occupano già la quasi totalità dei siti naturalmente idonei, restano escluse le zone di difficile accesso che richiedono costi di investimento troppo elevati.

Come vedremo in seguito è importante continuare la ricerca di potenziali siti per la realizzazione di impianti PHES in quanto consentono lo stoccaggio di grosse quantità

di energia con zero emissioni di CO2.