L’energia idroelettrica è, probabilmente, la più nota delle fonti rinnovabili e sicuramente la più utilizzata, allo stato attuale, per produrre elettricità.
L’utilizzo dell’acqua a scopi energetici si basa sulla trasformazione in elettricità delle energie potenziale e cinetica dell’acqua.160 Per energia idroelettrica si intende l’elettricità che possibile produrre sfruttando la velocità di una corrente d’acqua oppure un dislivello di quota in un corpo idrico grazie a una turbina161 accoppiata a un alternatore162.
La potenza ricavabile da un sistema che sfrutti una corrente d’acqua è correlata, oltre che alla velocità con cui l’acqua fluisce, anche alla superficie attiva della turbina idraulica utilizzata, analogamente a quanto accade negli impianti che sfruttano le correnti aeree, con il vantaggio, però, che a parità di condizioni, un impianto idroelettrico è in grado di generare una potenza dieci volte superiore a quella di un meccanismo eolico.
La potenza di un sistema che utilizza una caduta d’acqua dipende, invece, essenzialmente da tre fattori: dall’ampiezza del salto, dalla portata, ossia dal volume idrico che attraversa una sezione di un corso d’acqua in un unità di tempo e dal rendimento dell’impianto; quest’ultimo fattore dipende dalle perdite di energia che, inevitabilmente, si verificano nelle diverse componenti del sistema, in particolare perdite di carico nella condotta, perdite di trasformazione nella turbina idraulica e nell’alternatore. Nel complesso il rendimento varia tra 0,75 e 0,8 per i grandi impianti e tra 0,5 e 0,7 per i sistemi idroelettrici di piccola taglia.
In Italia, l’energia idroelettrica ha avuto un ruolo di grande rilievo nello sviluppo del sistema paese, in particolare tra gli anni ’20 e gli anni ’50 del secolo scorso163, fino all’avvento dell’uso, su larga scala, del petrolio.164
Attualmente, la maggior parte dei principali corsi d’acqua del pianeta sono utilizzati per la produzione di energia idroelettrica165, ma ancora vi sono margini per lo sfruttamento di tale fonte energetica, in particolare per quanto riguarda l’utilizzo ex novo, a scopi energetici, di corsi d’acqua minori166; si è calcolato che l’energia potenziale complessiva dei corsi d’acqua di tutto il mondo è in grado di generare una potenza di centinaia di milioni di chilowatt.
160 Cinti T. (a cura di), 2006, op.cit., p.25.
161 Una turbina è una turbomacchina motrice idonea a raccogliere l’energia cinetica e l’entalpia di un fluido e ad attuare la trasformazione in energia meccanica.
162 L’alternatore è una macchina elettrica rotante basata sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica, che trasforma energia meccanica in energia elettrica.
163 Sacco M. (acura di), 2007, op. cit., pp.61-63. 164 Ibidem.
165 Ibidem.
166 Non bisogna, inoltre, sottovalutare l’apporto che può essere fornito dal miglioramento, attraverso l’innovazione tecnologica, dell’efficienza degli impianti già esistenti.
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Il momento esatto in cui l’uomo ha cominciato a utilizzare l’acqua per ricavarne energia utile è difficile da determinare, esso probabilmente si perde nella notte dei tempi. Storicamente, sembra che già al tempo delle antiche civiltà che sorgevano in Medio Oriente lungo i fiumi Eufrate, Tigri e Nilo fossero applicate tecniche di sfruttamento dell’energia idrica. I babilonesi pare fossero tra i popoli avvezzi alla costruzione di dighe in terra, utilizzate soprattutto per scopi irrigui. Purtroppo la scarsa resistenza del materiale utilizzato non ha consentito che tali opere giungessero fino a noi.167
Sebbene lo sfruttamento dell’energia idraulica da parte dell’uomo risalga a tempi antichissimi, per millenni si è sfruttata solo una piccolissima percentuale dell’energia complessiva ricavabile da fonte idrica, prevalentemente mediante mulini ad acqua. Si sono dovuti attendere gli ultimi due decenni del XIX secolo affinché il progresso tecnologico rendesse possibile l’utilizzo dei salti d’acqua per mettere in funzione turbine accoppiate a dinamo atte a convertire energia meccanica in elettricità.168
L’energia idroelettrica fu soprannominata “carbone bianco”, per sottolineare la sua caratteristica di alternativa, non inquinante, al carbone.169
La prima centrale idroelettrica, di modeste dimensioni, vide la luce nel Northumerland, in Inghilterra, nel 1880; mentre il primo grande impianto di sfruttamento dell’energia idroelettrica sorse cinque anni più tardi negli Stati Uniti; esso utilizzava il grande salto (circa settanta metri) e la notevole portata idrica (seimila metri cubi al secondo) delle cascate del Niagara.170
Una delle limitazioni allo sfruttamento dell’energia idroelettrica è costituita dai regimi variabili dei corsi d’acqua, che spesso non consentono di produrre elettricità nei momenti in cui ve ne è effettiva richiesta171; la soluzione a tale inconveniente è stata trovata nella costruzione di dighe mediante le quali sbarrare i flussi idrici a monte creando bacini idrici artificiali, dai quali far fluire, poi, l’acqua nelle quantità e nei momenti desiderati.172
IMPIANTI IDROELETTRICI
Gli impianti idroelettrici possono classificarsi in base a diversi criteri. Innanzitutto si distinguono centrali:
• a deflusso regolato (a bacino o a serbatoio); • di accumulo a mezzo pompaggio;
• ad acqua fluente.
167 Sacco M. (acura di), 2007, op.cit. pp.61-63. 168 Ibidem.
169 Ibidem. 170 Ibidem.
171 È noto che la richiesta di elettricità è maggiore nelle ore diurne che in quelle notturne, nei giorni feriali piuttosto che nei festivi e, inoltre, presenta picchi stagionali.
82 In funzione della potenza nominale (P):
• Grandi-impianti: P > 10 MW;
• Piccoli-impianti: 1 MW < P < 10 MW; • Mini-impianti: 100 kW < P < 1MW; • Micro-impianti: P < 100 kW.
In funzione del salto (H) :
• ad altissima caduta: H > 1000 metri; • ad alta caduta: 250 m < H < 1000 metri; • a media caduta: 50 m < H < 250 metri; • a bassa caduta: H < 50 metri.
In funzione della portata (Q):
• grandissima portata: Q > 1000 m³/s; • grande portata: 100 m³/s < Q < 1000 m³/s; • media portata: 10 m³/s < Q < 100 m³/s; • piccola portata: Q < 10 m³/s.
Impianti a deflusso regolato
Le centrali a deflusso regolato, chiamate comunemente anche impianti a bacino, sfruttano un salto idraulico e sono caratterizzate dalla presenza, alla quota superiore del dislivello, di un bacino idrico naturale (lago) o di un invaso artificiale (serbatoio) che viene utilizzato per raccogliere acqua mediante opportune opere civili di captazione e canalizzazione. Talvolta, la capacità degli invasi naturali è incrementata mediante sbarramenti, spesso consistenti in dighe alte decine di metri.173
Tali centrali sono dette a deflusso regolato, poiché consentono, grazie alla possibilità di accumulare grandi volumi idrici, di modulare, con facilità e in tempi rapidi, l’erogazione del flusso idrico e quindi la quantità di elettricità da produrre. Tale caratteristica li pone nel novero delle soluzioni tecnologiche migliori atte a fronteggiare i picchi attesi o imprevisti che possono registrarsi nella domanda di elettricità.
Attualmente tale tipologia impiantistica risulta essere la più utilizzata al mondo e si contraddistingue per elevati livelli di potenza nominale, solitamente superiore a 10 MW. Tra gli impianti più grandi del mondo vi sono quello di Itaipu in Brasile e quello delle Tre Gole, nella provincia cinese dello Hubei, in Cina. Il primo ha una potenza di circa 13.000 MW e il suo bacino idrico ricopre una superficie di 1460 Km2 (circa i quadruplo del lago di Garda). La centrale delle Tre Gole, la cui diga sbarra il flusso dello Yangtze (il grande fiume azzurro), è stata inaugurata nel giugno del 2006. Il suo invaso, che forma un vero e proprio mare nel centro della Cina, si estende per quasi 600 km e occupa circa 1084 km2 di superficie con una profondità di 175 metri.174Essa è
173 Per approfondimento si consulti internet, all’indirizzo:
http://www.energoclub.it/doceboCms/page/18/idroelettrico_mini_idro_micro_idro.html (accesso 01-10-09). 174 Cedolin M., Grandi Opere. Le infrastrutture dell’Assurdo, Bologna,Arianna Editrice, 2008.
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stata progettata per rendere disponibile una potenza di oltre 17.000 MW e produrre, con 26 megaturbine, 84,7 miliardi di kilowattora ogni anno (l’equivalente di circa venti centrali nucleari) e soddisfare circa il 10% del fabbisogno energetico della Cina; le dimensioni della diga delle Tre Gole sono mastodontiche, 185metri d’altezza175 e 2,5 km di lunghezza, tanto che è stata soprannominata “la Grande Muraglia del terzo millennio” e pare che sia una della poche costruzioni dell’uomo visibili dallo spazio.
Impianti ad accumulo a mezzo pompaggio
Le centrali idroelettriche ad accumulo sono molto simili agli impianti a bacino, ma sono caratterizzate dall’essere dotate di due serbatoi di accumulo: uno alla quota superiore e uno a quella inferiore del salto d’acqua. Un meccanismo di sollevamento elettromeccanico, nei momenti di minore domanda di energia elettrica da parte dell’utenza (generalmente le ore notturne), pompa acqua dal serbatoio posto in basso a quello posizionato in alto, viceversa l’acqua viene lasciata fluire verso il basso, producendo in tal modo elettricità, nei momenti di maggior fabbisogno energetico (solitamente le ore diurne). Il dispendio di elettricità determinato dalle operazioni di pompaggio è giustificato dall’importanza rivestita dalla possibilità di poter effettuare la restituzione della stessa nei momenti di picco della richiesta.
Tale tipologia impiantistica costituisce un ottimo sistema di immagazzinamento non solo dell’energia ma anche della risorsa idrica, che sta diventando sempre più preziosa; inoltre, gli impianti ad accumulo costituiscono una delle misure atte a mitigare i danni degli eventi alluvionali, attraverso la regolazione del flusso idrico e nel caso di piogge copiose, gli invasi sono colmati senza la necessità di effettuare il pompaggio da valle a monte, con un vantaggio netto dal punto di vista energetico.
Impianti ad acqua fluente
Gli impianti ad acqua fluente vengono costruiti solitamente su grandi fiumi a portata costante, che attraversano le pianure, quali, ad esempio, i grandi fiumi americani o in Europa: il Volga, il Danubio, il Reno, il Po, l’Adige e altri.
Per realizzare un impianto ad acqua fluente si sbarra un corso d’acqua con una diga dotata di diverse paratoie (apribili in caso di piena), si crea in tal modo un dislivello tra l’acqua a monte e l’acqua a valle della diga. La centrale produttiva viene,solitamente, collocata su un lato dello sbarramento, in tal modo la massa d’acqua del fiume è costretta ad penetrare in numerosi collettori a spirale dove acquista velocità e innesca la rotazione di altrettante turbine, l’energia meccanica generata da queste viene, poi, trasmessa ai rispettivi alternatori, i quali producono elettricità. Successivamente l’acqua viene fatta defluire a valle, dove riprende il suo corso naturale.
La parte sommitale della diga è in taluni casi usata come viadotto stradale o ferroviario.
Tale tipologia di impianto non dispone di alcuna capacità di regolazione degli afflussi, per cui la portata sfruttata coincide con quella disponibile nel corso d’acqua (eccetto che per una quota detta deflusso minimo vitale, indispensabile per tutelare l’ecosistema); le centrali ad acqua fluente funzionano costantemente e quando occorre fermare la produzione per interventi di manutenzione l’energia idrica viene perduta.
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Mini e Micro idroelettrico per la produzione di elettricità
Il mini e micro-idro, sono tecnologie per lo sfruttamento della fonte idrica che riguarda impianti di piccole dimensioni, le cui potenzialità, offrono ancora un ampio margine di sfruttamento176; in particolare, si definiscono micro-idroelettrici impianti di potenza inferiore ai 100kW.
Per potere impiegare in maniera utile tali tecnologie è sufficiente disporre di piccole cadute d’acqua dotate di una portata significativa e costante, oppure, in presenza di portate esigue, avere a disposizione salti di altezza notevole (tra i 7 e i 20 metri); inoltre, è possibile sfruttare anche la corrente dei corsi d’acqua.
In passato non erano rari i laboratori artigiani utilizzavano sistemi idroelettrici di piccolissima taglia che sfruttavano il fluire delle acque di piccoli corsi idrici per far funzionare macchine utensili.
Attualmente sono disponibili piccolissimi impianti idroelettrici, a partire da 0,2 kW di potenza, installabili in presenza di acque fluenti con salti e portate minime.
Micro dighe collegate a idroturbine sono state costruite nello Sri Lanka, in circa 75 villaggi rurali non connessi alla rete elettrica nazionale. Tali impianti aventi una capacità complessiva di oltre 400 kW somministrano energia a circa 2000 famiglie.177
Il mini e micro idroelettrico, anche a causa dell’impatto ambientale più basso rispetto a quello provocato dell’idroelettrico tradizionale, si è rivelata una opzione tecnologica interessante anche per diversi paesi industrializzati tra cui l’Italia.178
Tra i vantaggi offerti dagli impianti micro-idroelettrici vi sono il ridottissimo impatto ambientale e l’assenza dell’obbligo di autorizzazione al prelievo delle acque.
Tra i risvolti negativi dell’utilizzo di tale tecnologia vi è il possibile spreco di acqua potabile qualora tali sistemi non vengano utilizzati cum grano salis.
Le centrali idroelettriche di piccole dimensioni si prestano all’integrazione in sistemi di utilizzo plurimo delle acque e ne permettono un impiego maggiormente efficiente; è il caso dell’utilizzo degli impianti micro-idroelettrici nei sistemi di irrigazione o negli acquedotti. 179
176 In realtà non esistono ricerche ufficiali in tal senso, ma tale considerazione scaturisce da valutazioni empiriche effettuate da tecnici ed esperti del settore.
177 Sacco M. (acura di), 2007, op.cit., pp.61-63. 178 Ibidem.
179 Per approfondimenti si consulti il sito dell’International Solar Energy Society, all’indirizzo: http://www.isesitalia.it/atc_01_017.asp (accesso: 15-12-08).
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VANTAGGI DELL’IDROELETTRICO
La produzione di energia elettrica mediante la tecnologia idroelettrica, come gli altri sistemi di generazione di elettricità da fonti rinnovabili, presenta numerosi vantaggi sia di carattere ambientale che di ordine politico sociale, tra cui i più rilevanti sono:
• illimitatezza nel tempo della fonte;
• riduzione della liberazione in atmosfera di gas climalteranti, in particolare riduzione delle emissioni di biossido di carbonio pari a 670 kWh per ogni kilowattora di energia prodotta; • assenza di immissione di calore, polveri sospese o di sostanze chimiche inquinanti
nell’ecosfera ; • economicità;
• scarsa necessità di manutenzione degli impianti; • alto rendimento di conversione dell’energia.
• riduzione della dipendenza dalle fonti energetiche estere;
• diversificazione delle fonti energetiche disponibili nell’ambito del mix energetico complessivo;
• riorganizzazione a livello regionale della produzione energetica;
• possibilità, a differenza della generalità delle altre fonti rinnovabili, di produrre grandi quantità di energia;
• disponibilità abbastanza ampia della fonte su quasi tutto il pianeta.
Nel caso delle centrali di piccola taglia vi sono ulteriori effetti positivi che si aggiungono a quelli appena elencati, in particolare la regolazione e regimentazione delle piene sui corsi d’acqua a regime torrentizio che contribuiscono in maniera efficace a evitare i fenomeni di dissesto idrogeologico e a salvaguardare il territorio.
SVANTAGGI DELL’IDROELETTRICO
I principali svantaggi ambientali dell’idroelettrico sono correlati in maniera direttamente proporzionale alla taglia degli impianti. I bacini idrici artificiali di grandi dimensioni determinano nel territorio trasformazioni radicali, che alterano notevolmente l’ecosistema circostante. 180 Se si realizza, infatti, una diga per un impianto a bacino si hanno quali conseguenze: a monte, la trasformazione in un ambiente di acque lentiche (stagnanti) di un ambiente di acque lotiche (correnti), con ovvie ripercussione sul microclima e sulla biodiversità del sistema; a valle del bacino artificiale, potrebbero determinarsi fenomeni di scarsità idrica, nel caso in cui non venga garantito il deflusso minimo vitale, per cui potrebbero risultarne seriamente compromessi i processi fisici e biologici del corpo idrico interessato. Si potrebbero verificare problemi per la deposizione delle uova, la relativa incubazione, crescita e per il transito dei pesci; in particolare bisognerebbe attentamente considerare, prima dell’installazione di un impianto idroelettrico, il movimento della fauna ittica risalente o discendente la corrente, realizzando gli opportuni passaggi
180 Per approfondimenti si consulti internet all’indirizzo: http://www.cipra.org/it/alpmedia/dossiers/2 (accesso: 17-05-09).
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e sistemi di protezione per evitare che i pesci entrino nelle opere di presa e che passino nelle turbine trovando, in tal modo, la morte.
Si possono determinare inoltre fenomeni di:
• conflittualità tra gli utilizzatori delle acque, dovuti alla diminuzione della disponibilità idrica;
• inquinamento acustico, determinato prevalentemente dalle turbine e dagli eventuali meccanismi di moltiplicazione dei giri. Tuttavia il rumore è un problema facilmente risolvibile, ad oggi può essere ridotto fino a 70 dB (A) all’interno delle centrali e a livelli in concreto inavvertibili all’esterno;
• impatto negativo sul paesaggio, in particolare per gli impianti d’alta quota o installati nei centri urbani. Ognuno degli elementi di un impianto (opere di presa, sbarramento, centrale, opere di restituzione, sottostazione elettrica) può determinare un cambiamento nell’impatto visuale del sito. È in tal caso opportuno valutare una possibile valorizzazione estetica che può essere data a questi impianti. Ad esempio si possono mascherare alcuni di tali elementi mediante la vegetazione, usare colori che meglio si integrano con quelli del paesaggio ed eventualmente, costruire nel sottosuolo una parte degli impianti (ad esempio la centrale).
COSTI DELL’ENERGIA PRODOTTA DA FONTE IDROELETTRICA
La tecnologia idroelettrica è la più matura tra tutte quelle volte allo sfruttamento delle fonti rinnovabili; pertanto, i costi di produzione dell’elettricità sono tra i più convenienti nell’ambito del settore. Anche se, è doveroso sottolineare che gli impianti idroelettrici hanno produttività molto dissimili l’uno dall’altro, sia per le relative caratteristiche tecniche che a causa della mutabilità dell’orografia, dell’idrologia e, in generale, delle condizioni ambientali dei luoghi in cui sono installati. Ciò rende difficile stabilire, in maniera univoca, il costo dell’energia prodotta mediante fonte idroelettrica; tuttavia, compiendo delle opportune generalizzazioni, si può riuscire, con un elevato grado di affidabilità, a identificare, approssimativamente, il costo di un kilowattora di elettricità.181
Secondo uno studio sui costi di generazione dell’energia elettrica da fonti rinnovabili effettuato presso l’Università di Padova182, che ha preso in considerazione quattro diverse tipologie di sistemi idroelettrici, tre a basso salto e di dimensioni grandi, piccole e piccolissime (mini impianti) e uno ad alto salto e di potenza tale da essere catalogato tra i piccoli impianti, i costi di investimento per gli impianti a basso salto sono generalmente più elevati di quelli per gli impianti ad alto salto, ciò a causa del fatto che, a parità di energia producibile, le portate idriche gestite da un sistema idroelettrico a basso salto, sono notevolmente superiori, la qual cosa fa crescere i costi da sostenere per realizzare le relative opere civili ed elettromeccaniche.
A influenzare il costo dell’energia prodotta mediante tecnologia idroelettrica contribuiscono anche i tempi di realizzazione degli impianti, che possono variare tra i tre e i quindici anni, nonché il costo notevole dell’eventuale studio di impatto ambientale richiesto spessissimo dalle regioni al
181 Lorenzoni A. e L. Bano, I costi di generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili, Università degli studi di Padova, APER, 2007.
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fine di rilasciare le necessarie autorizzazioni e il contributo da corrispondere ai comuni su cui insistono le opere di captazione delle acque e di trasformazione dell’energia, che può essere pari anche al 5% del fatturato dell’impianto. Una voce di costo divenuta molto significativa negli ultimi anni è quella relativa ai monitoraggi e all’impiantistica per la gestione ambientale che sembra pesare sui costi complessivi annui di gestione tra lo 0,5 e l’1% del costo di investimento e che va a sommarsi ai costi ordinari di gestione e manutenzione, i quali secondo le stime effettuate costituiscono ogni anno l’1,7-2,5% del costo di investimento.
In generale è possibile notare che il tempo di ammortamento dei sistemi idroelettrici è stimato in 8-10 anni, mentre il periodo di vita è mediamente superiore ai 30 anni, ma esistono centrali in esercizio da circa un secolo.
Il costo finale di un kilowattora di elettricità prodotta mediante tecnologia idroelettrica può variare, quindi, dai 9,6 centesimi di euro per l’elettricità prodotta mediante un impianto a basso salto di potenza maggiore di 10 MW, ai 17,42 centesimi di euro per l’energia elettrica generata da un sistema a basso salto di piccola potenza (inferiore a 1 MW).
Per il mini e sopratutto per il micro-idroelettrico i margini di miglioramento delle tecnologie e quindi dei costi dell’elettricità sono molto ampi; in particolare per i piccolissimi impianti, poiché non esiste ancora una tecnologia peculiare in scala adeguata. Se si riuscisse a superare tale barriera il costo dell’elettricità prodotta risulterebbe senza dubbio competitivo con gli standard odierni di generazione elettrica.