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CAPITOLO 8
L’IMPIANTO IDROELETTRICO
8.1 SCELTA E DIMENSIONAMENTO DELLE MACCHINE
Le turbine che tradizionalmente vengono utilizzate in questo genere di impianto, caratterizzato da un salto minimo, sono essenzialmente le eliche ed in particolare le “Kaplan” mono o bi-regolanti in quanto sono le uniche che riescono a sfruttare efficacemente questi battenti ridotti.
A queste turbine, rimanendo nel campo delle portate limitate, si affiancano le macchine volumetriche ovvero le ruote e le viti di Archimede (coclee).
Escludendo per ovvi motivi di ingombro e di rendimento le ruote idrauliche, rientrano nel nostro campo di interesse le coclee idrauliche
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La scelta delle macchine da impiegare deve scaturire da una valutazione che tenga conto di molteplici aspetti, quasi tutti riconducibili all'aspetto economico che possono essere così riassunti:
−Produttività energetica annuale (espressa in Kwh e conseguentemente in ricavo economico).
−Costo iniziale delle macchine.
−Costo iniziale delle opere civili in funzione della macchina impiegata.
−Costi secondari (es: smaltimento dei rifiuti grigliati).
−Costo dovuto alla manutenzione ordinaria e straordinaria dell'impianto (usura, danneggiamenti etc.).
−Impatto ambientale (tollerabilità alla fauna ittica etc.).
Le turbine Kaplan (come approfondito nel capitolo 3) sono definite macchine “a reazione” poichè la trasformazione di energia di pressione in energia cinetica non risulta completata all'interno del distributore e quindi il liquido che investe la girante è ancora dotato di energia di pressione non ancora trasformata in energia cinetica.
Lo sfruttamento totale dell'energia rimanente avviene nella parte finale cioè nel diffusore, questa particolarità di funzionamento rende poco influenti le variazioni dei livelli di monte e di valle rispetto alla girante, di conseguenza le turbine ad elica possono sfruttare il salto disponibile per ogni range di portata indipendentemente dai singoli livelli di monte e valle. Sebbene questo sia valido teoricamente, in realtà per salti molto limitati, le turbine Kaplan di una certa dimensione, necessarie per sfruttare le portate del sito in esame, non riescono a produrre energia con un rendimento sufficiente a causa di vortici che vengono a formarsi a causa del moto rotazionale delle pale e che il distributore non riesce a correggere (in particolar modo nelle turbine assiali).
A seguito di colloqui informali con diversi produttori di turbine è emersa la difficoltà nel riuscire a far lavorare le turbine con rendimenti accettabili con un salto inferiore a 1 – 1,5 metri.
Le coclee idrauliche, sono macchine volumetriche e funzionano sfruttando il peso del liquido in transito tra le spire.
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A differenza delle eliche, le coclee non possono sfruttare il salto netto disponibile tra pelo libero di valle e quello di monte quando quest'ultimo varia a seguito di una variazione di portata.
La coclea può essere parzialmente sommersa a valle senza sostanziali cali di rendimento, il pelo di monte invece deve essere prefissato e questo limita il salto disponibile quando le portate, e di conseguenza i livelli di monte, aumentano.
Figg. 8.2: Sopra una coclea in condizioni ottimali di funzionamento riesce a sfruttare l'intero salto disponibile; sotto i livelli sono aumentati e la quota eccedente di monte viene persa.
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Premesso il diverso funzionamento delle macchine si prosegue con il calcolo della produttività teorica di ciascuna.
Con i dati relativi alla portata ottenuti nel capitolo precedente è adesso possibile ricavare la produzione energetica teorica annuale sommando i contributi dovuti al salto disponibile per la relativa portata, limitata alla portata nominale della turbina e moltiplicata per la durata parziale della portata stessa.
Eanno = energia producibile in un anno espressa in kWh.
Qnom = Portata nominale della turbina (e limitata dalla portata disponibile dal corso d'acqua). Δh = Salto disponibile per la portata dell'intervallo i-esimo.
η = Rendimento della turbina in funzione delle caratteristiche e della portata sfruttata dalla
turbina.
γ = Densità acqua
n = intervalli di portata disponibile
Gli n intervalli della sommatoria devono essere limitati al di sopra di una certa portata, sia perché il trasporto solido con portate elevate non consente il regolare funzionamento delle turbine sia perché il salto disponibile in questo caso si riduce sensibilmente fino a risultare marginale.
Per proseguire il calcolo relativo alla produttività dell'impianto bisogna definire il tipo di turbina e le proprie caratteristiche di funzionamento.
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8.2 CONSIDERAZIONI SULLA SCELTA DELLA MACCHINA
IDRAULICA DA INSTALLARE
Sulla base della curva di durata delle portate medie giornaliere, ottenuta come descritto al capitolo precedente, si sono prese in esame diversi tipi di macchine idrauliche al fine di individuare la macchina idraulica che a parità di salto disponibile ottimizza la produttività media annua. La scelta è ricaduta su una coclea idraulica, la quale rispetto ad una macchina di tipo tradizionale come una turbina Kaplan, ha dei costi di acquisto iniziali leggermente inferiori, necessita inoltre di opere civili di maggiore semplicità, cosi come l'impiantistica idraulica ed elettrica, non necessita di manutenzione per pulizia ed ha brevissimi periodi di fermo macchina, ed il non trascurabile vantaggio derivante dall'alta tolleranza alla fauna ittica. Inoltre la coclea presenta un rendimento più alto delle normali ruote ad acqua e delle piccole turbine, come si può notare dalle curve di rendimento riportate in Fig. 8.3, ed ha un rendimento costante e stabile per un ampio range di portate.
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La scelta di installare una coclea è inoltre rafforzata dai maggiori ricavi annuali come è evidenziato dalle tabelle sotto riportate, tale studio è stato effettuato adottando una portata nominale pari a 2 m3/s.
Ricavi Kaplan:
Rendimento turbina (tra 50% ed il 100%): 0,720 Rendimento turbina (tra 30% ed il 50%): 0,400 Potenza massima ai morsetti: 68,51 Kw
Ore annue lavoro: 4824 ore
Kwh annui prodotti: 191646 Kwh Tariffa omnicomprensiva: 0,19 €/Kw
Ricavo annuale: 36412,7986 €
Ricavi Coclea:
Rendimento turbina (tra 30% ed il 100%): 0,720 Rendimento turbina (tra 30% ed il 20%): 0,400 Potenza massima ai morsetti: 68,51 Kw
Ore annue lavoro: 5952 ore
Kwh annui prodotti: 195765 Kwh Tariffa omnicomprensiva: 0,19 €/Kw
Ricavo annuale: 37195,3687 €
I produttori di coclee e Kaplan ovviamente consigliano l'utilizzo delle proprie macchine criticando le concorrenti ed in particolare:
I costruttori di turbine Kaplan ritengono che i rendimenti delle coclee siano ben inferiori a quelli dichiarati. Da una richiesta specifica che è stata fatta ad uno tra i principali costruttori di coclee, vengono garantiti, anche su contratto di vendita, rendimenti finali (ai morsetti elettrici) non inferiori a 0.75 in condizioni di funzionamento nominali.
Viceversa la critica che i costruttori di coclee rivolgono alle turbine Kaplan e quella di necessitare di una grigliatura fine delle acque.
Da queste considerazioni e dalle analisi economiche fatte la tipologia a “coclea” rappresenta la scelta ottimale.
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Per il calcolo dell'energia producibile con la coclea idraulica, a favore di sicurezza, si è “rettangolizzato” la curva di rendimento, assumendo i seguenti valori:
• per portate comprese tra 30% ed il 100%, rendimento assunto η=0,72%; • per portate comprese tra 20% ed il 30%, rendimento assunto η=0,40%.
Il salto disponibile medio utilizzato alla base dei calcoli è di circa 4,85 m a favore di sicurezza, anche se nei periodi di morbida si possono avere anche 5,10 m.
L'energia giornaliera prodotta è data dalla formula:
= 9,81 ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 24 espressa in con la portata media giornaliera espressa in m3/sec, salto netto disponibile pari alla differenza tra il pelo libero a monte della macchina ed il pelo libera a valle della macchina, il rendimento della macchina. L'energia prodotta annualmente sarà data dalla sommatoria estesa ad i giorni di funzionamento della macchina dell'energia giornaliera prodotta.
A tal proposito si fa notare che si sono scartati i giorni in cui le portate in alveo sono elevate (Q ≈ 8,5 m3/s), in quanto si prevede che le acque siano torbide e quindi non idonee ed essere turbinate, ciò al fine di non arrecare danno alle macchine ed evitare l'interrimento del canale di adduzione. Quindi per portate maggiori della portata nominale l’energia giornaliera prodotta è stata calcolata prendendo in considerazione proprio la portata nominale, mentre per portate inferiori a quella nominale nella formula si è inserita la portata disponibile.
Il calcolo sopra è stato ripetuto ipotizzando l'impiego di macchine funzionanti con portate nominali diverse al fine di scegliere la macchina che massimizza il ricavo annuo. Le portate nominali che sono state studiate sono: 1,5 – 1,8 – 2 – 2,3 – 2,5 – 2,8 m3/s
Portata nominale Q
(m
3/s)
1,5
1,8
2
2,3
2,5
2,8
Ore annue di lavoro 6624 6144 5952 5616 5376 5376 Giorni annui di lavoro 276 256 248 234 224 211 Giorni annui alla portata max 83 63 56 45 38 33
Potenza prodotta
(Kwh annui) 204506 212511 216133 218632 218937 217739
Ricavo annuale
espresso in
€
38856
40377
41065 41540
41598 41370
Come è possibile notare dalla tabella sopra riportata, le variazioni dei ricavi sono di modesta entità, dunque il criterio di scelta sarà dato da altri fattori, quali, il costo iniziale di acquisto, le dimensioni della macchina e quindi delle opere civili necessarie, la capacità del canale
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adduttore e la necessità di mantenere una quota di portata derivata disponibile per l'utilizzo industriale in cartiera.
8.2.1 Verifica canale adduttore
Per la verifica del canale adduttore si è fatto riferimento alla ben nota formula di Manning, assumendo per i calcoli una scabrezza pari a 0,011 essendo il canale in cls, pendenza di fondo del canale (da ripristinare) 0,1%, per quanto riguarda la sezione si è fatto una verifica per la sezione che allo stato attuale è trapezia con una sponda verticale, ed una verifica in seguito ad un ripristino del'originaria sezione.
Formula di Manning
Fig. 8.4 Verifica canale adduttore
I valori di portata ottenuti sono , per lo stato attuale, Qmax = 2,84 m3/s e per lo stato di progetto
Qmax = 3,55 m3/s, portata che dovrà essere spartita per i due diversi utilizzi previsti, industriale
ed idroelettrico.
In seguito alla considerazioni sopra svolte si opta per l'istallazione di una coclea idraulica avente una portata nominale di 2 m3/sec, la quale consente l'utilizzo in cartiera dei restanti 0,84 m3/sec nel caso che la sezione del canale di adduzione rimanga interrito.
8.2.2 Quadro economico e valutazioni economiche
La parte dei costi iniziali relativi alle viti di Archimede sono ben chiari e precisi in quanto queste macchine vengono prodotte in base a soli due parametri di progetto (dislivello sfruttabile e portata) e non richiedono particolari studi relativi all'ottimizzazione delle stesse in base al sito di destinazione. In prima approssimazione in un impianto a coclea, il costo delle sole macchine si aggira tra gli 1,44 e gli 1,85 €/kW installato.
Le coclee sono macchine spartane e costruttivamente semplici, le parti usurabili sono costituite da due bronzine (o cuscinetti) un moltiplicatore di giri ed un alternatore; in questo caso non è necessario ricorrere a personale specializzato per gli interventi alle macchine.
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Per quanto riguarda la tolleranza al trasporto solido, le coclee, in virtù del basso regime di rotazione (20-30 giri/minuto) e dalla notevole distanza interspirale, possono lasciar passare materiale solido di dimensioni notevoli senza pregiudicare il funzionamento o ancor meno causare guasti alle viti. Per queste macchine è sufficiente una griglia di grandi dimensioni (~15-20 cm). I costi di smaltimento del materiale vagliato alle griglie, difficilmente valutabile in sede di progetto, rappresentano sul bilancio economico la spesa principale degli impianti ad acqua fluente. In Italia recentemente alcuni gestori hanno ripiegato per la dismissione o addirittura la mancata entrata in funzione di impianti a causa di una quantità eccessiva di materiale vagliato il cui costo di smaltimento avrebbe superato il ricavo ottenuto dalla vendita di energia.
Per quanto riguarda l’impatto ambientale, i collettori e gli impianti a turbina ad elica rappresentano un grosso ostacolo e un notevole pericolo potenziale non solo per i pesci che risalgono la corrente, ma anche per i pesci migranti. In particolare, la protezione della specie migrante catadroma dell’anguilla richiede la soluzione del problema “sfruttamento dell’energia idraulica e migrazione ittica”. Riguardo al comportamento migratorio dei pesci e alle loro reazioni nei confronti dei sistemi di protezione, sussiste ancora oggi un grave deficit di conoscenze. I risultati delle distribuzioni di frequenza delle lunghezze delle varie specie provano che sia i pesci piccoli (di 8 cm) sia gli individui di grandi dimensioni (fino a 58 cm) possono migrare indisturbati attraverso le coclee idrauliche. Anche specie ittiche relativamente piccole e con scarse capacità natatorie, come ad esempio il gobione o lo scozzone, possono migrare attraverso le viti idrauliche senza ferirsi. Al contrario, nel caso di applicazione di turbina ad elica sarà inevitabile che una certa quantità di fauna ittica che riuscirà ad infiltrarsi nelle griglie venga uccisa dalla rotazione delle eliche.
Ai costi relativi alle sole macchine si devono aggiungere i costi necessari per le opere civili che devono prevedere i costi di escavazione, smaltimento e contenimento delle terre; i costi del cemento armato e della manodopera.
I costi relativi alle opere civili possono essere così riassunti seppur in modo molto approssimativo:
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Taglio vegetazione 2000,00 € Scavo di sbancamento 20000,00 € Calcestruzzo 30300,00 € Ferro per cemento armato 27000,00 € Casseforme 16300,00 € Pulizia e risagomatura canale adduttore 2000,00 € Paratoie in acciaio 2400,00 € Griglie 2300,00 € Tubazione cartiera in cls 5000,00 € Scogliera a valle 3800,00 €
Totale
111100,00 €
L'importo complessivo per l'esecuzione delle opere di cui trattasi ammonta a € 250.000,00, il cui quadro economico sarà il seguente:
A) LAVORI
opere civili € 111.000,00
macchine idrauliche ed elettriche € 135.000,00
B) SOMME A DISPOSIZIONE
Imprevisti e arrotondamenti € 4.000,00
TOTALE GENERALE € 250.000,00
A fronte degli investimenti necessari per la realizzazione dell'impianto, si è provveduto ad una valutazione del numero di anni necessari per rientrare nell'investimento e successivamente avere un bilancio positivo.
Nella valutazione sono stati presi in considerazione, oltre alla spesa iniziale per la realizzazione delle opere stesse, i costi annuali per la manutenzione e concessione demaniale. A fronte di tali spese abbiamo il ricavo annuo dovuto alla produzione e vendita dell'energia elettrica prodotta; per quanto
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riguarda, la tariffa di remunerazione del kWh prodotto, facciamo riferimento alla tariffa onnicomprensiva. Fino al 31/12/2010 tale remunerazione è stata fissata dal G.S.E. pari a 0.22 € / kWh garantita per 15 anni senza indicizzazione, dopo il 2010 saranno ancora garantiti i 15 anni di remunerazione a partire dal primo giorno di produzione effettiva ma le tariffe incentivanti saranno modificate. Poichè non esiste alcun dato certo per i valori degli incentivi derivanti da produzione idroelettrica, a favore di sicurezza si è quindi assunto un valore inferiore pari a 0,19 € / kWh, nel caso che nei prossimi anni si abbia un calo del prezzo.
Per una stima sulla futura tariffa di remunerazione si può far riferimento agli studi ed al trend economico del mercato delle F.E.R. (fonti energetiche rinnovabili) ed in particolare per quanto riguarda il fiorente settore del fotovoltaico. Fonti autorevoli come APER (Associazioni Produttori energia da Fonti Rinnovabili) e Assosolare (Associazione Nazionale dell'Industria Solare Fotovoltaica) indicano per il prossimo triennio un calo degli incentivi compreso tra il 5 ed il 20% rispetto a alle tariffe attuali.
Sulla base di questi parametri, dai calcoli svolti, come è possibile dedurre del grafico riportato a seguito, emerge che l'impianto in progetto sarà in grado di produrre utili in tempi relativamente brevi che si aggirano sugli 8 anni (il calcolo è però stato effettuato senza considerare il costo del denaro di eventuali finanziamenti), il bilancio quindi diventa positivo dopo 8 anni di produzione dell'impianto, con un gaudagno medio annuo atteso di circa € 41.000,00.
Fig. 8.5 Tabella riassuntiva del bilancio economico
-300000 -200000 -100000 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 Impo rto Anni Bilancio economico Costi tot Ricavi tot Bilancio
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La centrale è stata posta all’interno del canale adduttore che adduce l’acqua alla cartiera. L’impianto è composto da una griglia a barre, da una paratoia di regolazione, dalla macchina idraulica e dall’opera di restituzione.
