di  -  lunedì 22 marzo 2010

Scusandomi per le assenze di questi giorni dovute a cause di forza maggiore, proseguiamo con la nostra rubrica Energia e Futuro dove stiamo affrontando il tema dell’energia Idroelettrica due post orsono, e quest’oggi, dopo avere prima introdotto l’argomento e successivamente iniziato a presentare la valutazione energetica di un impianto idroelettrico ad acqua fluente, terminiamo queste valutazioni presentando la seconda parte del progetto.

PROGETTO DELL’IMPIANTO

L’impianto ad acqua fluente richiede di operare drastiche modifiche al corso d’acqua intercettandolo e canalizzandolo in modo da inviare l’acqua alla turbina riducendo al minimo le perdite di carico, che nel caso di un uso diretto del corso d’acqua sarebbero state elevate a causa della scabrezza del greto del corso d’acqua.

Il corso d’acqua non viene completamente intercettato, ma si lascia quello che viene definito come il “deflusso minimo vitale” (in genere il 10%) necessario a salvaguardare (almeno in parte) le condizioni ambientali del corso d’acqua e di quanto dipende da esso nel tratto compreso tra l’opera di presa e lo scarico della turbina.

A titolo di esempio si può considerare il seguente schema di impianto:

Riordinando i dati delle portate in funzione del numero di giorni in cui sono disponibili (presentati nel precedente post), è possibile costruire la curva delle durate.

Nel caso in esempio si ottiene il seguente andamento:

E’ immediato notare come nel caso in esame, valori elevati di portata risultino disponibili solo per pochi giorni, mentre mano a mano che il valore della portata si riduce, la disponibilità di qeusta risulti maggiore.

Dimensionare la turbina in funzione della portata massima avrebbe come conseguenza una turbina che opererebbe a basso rendimento e con conseguente minore produzione elettrica di quanta se ne avrebbe con una turnina più piccola, oltre che una spesa maggiore in quanto il costo della macchina è strettamente correlato alle sue dimensioni.

Dall’altra parte una turbina dimensionata per la portata minima presenterebbe problemi simili, pertanto la scelta ottimale è dettata dall’individuazione del giusto equilibrio tra diversi parametri.

Si può valutare la portata media eseguendo la sommatoria delle portate pesate per le rispettive durate diviso 365 e si ottiene per il caso in esame una portata media pari a 5 mc/s (metri cubi al secondo).

Il deflusso minimo vitale (DMF), ovvero la portata minima da lasciare al corso d’acqua originario è il 10% della portata nominale, ovvero 0.5 mc/s, pertanto la portata nominale sarà pari alla portata media meno il DMF, ovvero 4.5 mc/s.

La scelta della turbina avviene in base a vari parametri come il salto geodetico e la portata attraverso l’impiego di opportuni diagrammi, e per il caso sotto esame la scelta ricade su una turbina di tipo Francis caratterizzata dal seguente curva di rendimento:

Risulta importante valutare le perdite di carico dell’impianto in modo da valutare quale risulta essere l’andamento del rendimento dello stesso in quanto influenzerà la produzione di energia complessiva, ma vista la lunghezza di tali calcoli risulta più semplice non riportarli ma limitarsi a mostrarne l’andamento in funzione della portata (intendendo con condotta il complesso della condotta, griglia e valvola):

La produzione di energia, tenuto conto di tutto ciò, sarà:

La potenza nominale dell’impianto, nota l’energia prodotta, si valuta immediatamente e risulta pari a 3.82MW, mentre il coefficiente di utilizzazione si valuta confrontando l’energia prodotta con quella che sarebbe stata prodotta nel caso in cui l’impianto avesse operato sempre in condizioni nominali, e per il caso in esame risulta pari a 0.8 con un numero di ore equivalenti di funzionamento a potenza nominale pari a 7006 ore/anno.

L’ordine di grandezza per i costi è di circa 3Milioni di Euro per un impianto del genere.

Anche per oggi abbiamo concluso, e scusandomi ancora l’assenza di lunedì, vi ricordo che riprenderemo come di consueto lunedì mattina con la nostra ormai abituale rubrica sui temi dell’energia… vi aspetto!

24 Commenti »

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  • # 1
    Notturnia
     scrive: 

    wow.. costa quasi quanto rende in un anno..

    è un affarone ^^

  • # 2
    Marchingegno
     scrive: 

    Ricordi…

    Gli impianti ad acqua fluente, a quanto ricordo, non hanno salti apprezzabili da sfruttare, e utilizzano soprattutto l’energia cinetica dell’acqua.
    Quelli a bacino invece sfruttano la differenza di energia potenziale (ovviamente trasformata in cinetica dalle condotte forzate.

    Sempre a quanto ricordo, per il primo tipo di impianto (ad acqua fluente) sono più adatte le turbine Kaplan mentre per il secondo (a bacino) possono essere francis o pelton a seconda del salto.

    Inoltre negli impianti a bacino l’acqua viene deviata dal corso naturale (sempre con le condotte forzate) ed è quindi necessaria una portata minima vitale, mentre gli impianti ad acqua fluente possono essere messi direttamente sul letto del fiume.

    Dove sbaglio?

  • # 3
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Markingegno

    Non sbagli, questo che ho presentato è un pò un “caso limite” in quanto la progettazione di un impianto a bacino non crea particolari problemi di scelta delle macchine e di valutazione energetica, essendo il bacino uno “smorzatore” delle grandezze che in questo caso possono variare (nella fattispecie, la portata) e da un punto di vista “didattico” si prestano meglio… gli impianti ad acqua fluente solitamente sono definiti “mini/micro-idroelettrico” in quanto presentano una bassa potenza nominale e quindi si opera una semplificazione anche dell’impianto.

    Di turbine ne parlerò nel prossimo post, ma ciò che dici è corretto (anche se le turbine che si usano per i piccoli impianti non sono propriamente delle Kaplan anche se derivano da esse) comunque un minimo di lavoro intorno alla turbina di solito si fa anche nel micro-idroelettrico perché deve comunque essere presente una griglia per filtrare l’acqua, un diffusore a valle della turbina ed un tratto seppur piccolo di condotta per convogliare l’acqua alla turbina…

  • # 4
    Marchingegno
     scrive: 

    Non intendevo dire che non ci sono strutture edili negli impianti ad acqua fluente: sarebbe troppo bello (sia dal punto di vista economico che ambientale).
    Con “messi direttamente sul letto del fiume” intendevo turbine si, ma anche tutto quello che segue (griglie, opere murarie, saracinesche ecc…)

    Volevo dire un’altra cosa: lo schema di impianto (la prima figura) non riesco a visualizzarla, è un problema solo mio?

  • # 5
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ Marchingegno

    Non lo visualizzo nemmeno io lo schema… chiedo scusa ma è stata una mattinata fitta di burocrazia… ora ricarico l’immagine…

  • # 6
    bonsi
     scrive: 

    @simone

    scusa ma al posto di calcolare la portata media annua per trovare la giusta turbina non si potrebbe usarne una a geometria variabile come quelle usate nei turbocompressori delle automobili?così si potrebbe sempre sfruttare al massimo l’energia potenziale dell’acqua.

  • # 7
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ bonsi

    Nessuna turbomacchina è in grado di operare ad alta efficienza in un’elevato range di portate, inoltre le macchine non assiali (come la turbina Francis od una turbina di un turbocompressore automobilistico che sono di tipo centrifugo) non sono facilmente realizzabili con geometrie variabili… il “sotterfugio” dei turbocompressori automobilistici è quello di utilizzare una palettatura statorica a geometria variabile ed una girante a geometria fissa, e la cosa analoga avviene nella turbina Francis presa in esame… la portata nominale serve per potere fare delle valutazioni di scelta della turbina basate su metodi al tempo stesso semplici e complicati da spiegare in teoria, essendo la progettazione delle turbomacchine basata su una lunghissima serie di studi (sperimentali, empirici e semi-empirici) che hanno permesso di sviluppare teorie fondamentali come quella della Similitudine, non sempre di immediata comprensione per chi non si trova a doverci fare i conti costantemente

  • # 8
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ bonsi

    Ho dimenticato un pezzo… il turbocompressore di un’auto viene dimensionato di concerto con il contributo che si vuole dare al motore (e si entra in una discussione estremamente complessa sull’accoppiamento di una turbomacchina con una macchina alternativa quale è il motore), pertanto se si dimensiona piccolo si ha un sistema reattivo a basse portate, ma che una volta raggiunta la portata nominale viene “bypassato” per la quota eccedente, mentre se si sceglie una macchina grossa non si hanno (o si hanno più tardi) problemi di bypass ma alle basse portate non riesce a dare un buon contributo (il tanto lamentato “Turbo Lag” dei vecchi turbo di F1 degli anni 80)… una turbina idraulica deve cercare di sfruttare al meglio tutto il range di portata in quanto essa viene convertita direttamente in energia elettrica

  • # 9
    bonsi
     scrive: 

    @Simone

    grazie per la spiegazione!
    immaginavo che ci fossero altri fattori determinanti per l’utilizzo di queste turbine.
    Ah dimenticavo, complimenti per l’articolo , è di semplice comprensione ma spiega molto bene l’argomento.

  • # 10
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ bonsi

    Grazie a te per i complimenti…

  • # 11
    andrea
     scrive: 

    Complimenti per il lavoro che fate!
    Scusate se Vi disturbo facendo delle domande che possono sembrare stupide a Voi che conoscete le risposte; Volevo chiederVi se è mai stato preso in considerazione di usare due turbine, 1 funzionante sempre ed una che utilzzi i surplus .
    ad esempio in un fiume che ha una portata sfruttabile di 0.5 mcs di portata minima e poi crescente fino a per esempio 1.5 mcs, usare una turbina ottimizzata per 0.5 mcs, poi quando il flusso arriva ad 1 mcs deviare in una condotta parallela con turbina ottimizzata per 1 mcs ed infine quando il flusso passa ad 1,5 farle lavorare entrambe.
    Ovviamente Vi è un costo superiore per l’impianto, ma mi chiedo se la tubina ha una longevità che dipende dall’ età anagrafica (e allora è discutibile la presenza di 2 turbine) o dalle ore di lavoro (e allora le turbine alla fine della loro vita saranno state sfruttate completamente e forse meglio)?
    Seconda domanda stupida; quando si parla di lasciare un minimo di acqua nel fiume il 10% va calcolato sulla portata minima e basta, oppure il 10% della portata calcolandola in “tempo reale” e se la seconda è la risposta, è una legge che lo prevede o è meglio per questioni ambientali?
    Vi prego non insultatemi se dico sciocchezze ma abbiate pietà e cestinare solo il mio commento.. capirò così l’inopportunità delle mie parole.

  • # 12
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ andrea

    Nessun commento viene cestinato (salvo errori dell’antispam) a meno che non ci siano insulti gratuiti, quindi non c’è motivo di cestinare il tuo commento.

    Il discorso delle due turbine è piuttosto complesso, esistono impianti che utilizzano più turbine, nella mia regione (Sardegna) l’impianto di pompaggio del Taloro mi pare disponga di 2 o di 3 turbine Francis, ma si tratta di un impianto che opera in regolazione (maggiori informazioni su questo tipo di funzionamento si trovano in vari post della rubrica)… un impianto del genere costa molto di più di un impianto ad acqua fluente, che di solito è ancora più semplice di come lo ho descritto io (si vedano i commenti #2-3-4-5).

    Il deflusso minimo vitale si lascia valutandolo sulla portata media, sinceramente non sono sicuro si tratti di una quota stabilita per legge, ma vista l’enormità di norme per ogni costruzione ed impianto credo proprio di si

    Un ultimo punto… diamoci tutti del TU… il bello di un blog è la parità tra blogger e commentatori…

    Spero di essere stato esaustivo, ma se servono altre spiegazioni sono qui per questo…

  • # 13
    andrea
     scrive: 

    grazie della risposta, io abito in montagna sulle dolomiti ed un mio conpaesano ne ha costruito uno 2-3 anni fa, e adesso ce ne sono in progetto altri 4!! purtroppo non sono riuscito a visitare la sala dove c’è la turbina ma è un argomento molto interesante, grazie delle informazioni che ci dai!
    BEL LAVORO!

  • # 14
    carlo
     scrive: 

    Complimenti per i tuoi articoli.
    Anche se non sono del campo, aspetto sempre il lunedì per leggerli.

  • # 15
    marco86
     scrive: 

    ciao, una domnada : per lo stesso impianto del tuo esericzio , dovrei calcolare il rendimento di condotta . come dati ho il rend di turbina e organico. le diverse lunghezza delle tubazioni. Il problema è che la sezione A e la sezione 2 si trovano alla stessa quota e nn avendo indicazioni di veloictà e di pressione la differenza tra gHta- gHt2 = 0 ; so che questo è sbagliato ma nn riesco ad uscirne fuori. grazie per la futura risposta

  • # 16
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ marco86

    Hai uno schema dell’impianto?… vorrei dargli un’occhiata… in caso positivo ti contatto sulla mail e ne parliamo lì

  • # 17
    bruno 58
     scrive: 

    ciao Simone ti ho trovato perche ho digitato turbine e leggendoti ho collegato ce nella mia proprietà passa un canale irriguo prima di uscire dalla mia proprietà faun salto d 4 metri entra acua per una sezione di 40 cm per un altezza di 25 costante per 365 giorni l’anno ti dio le misure perhè è un canale in cemento secondo te riesco a sfruttarlo per far girare una turbina e ricavarne qualcosa? ti ringrazio per il tuo interessamento cia Bruno

  • # 18
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ bruno 58

    Difficile dare un’indicazione senza conoscere la portata… occorre la velocità del corso d’acqua oppure una valutazione diretta della portata stessa per valutare la potenzialità e quindi fare un ragionamento economico tra costi di impianto e produzione elettrica.

    Ovviamente non entro nel merito dei permessi di sfruttamento del corso d’acqua, non ho idea se questo sia consentito per il semplice fatto che il corso passa nella proprietà.

    Se ti è passibile valutare tale dato (la velocità o direttamente la portata) posso provare a vedere l’eventuale fattibilità

  • # 19
    sergio
     scrive: 

    Ciao io entro da poco in questo mondo affascinante ma complesso da burocrazia e sistema,
    mi chiedo e chiedo a voi esperti, hosentitoparlare di un sistema di produzione energetica da applicare al rubinetto di casa, se cosi fosse perchè non rendere pubbliche queste informazioni, c’è una politica dietro che non vuole cedere il passo forse.
    scusate se ho detto qualche str…
    ma se si potesse applicare un sistema di questo tipo in forma economica, non potrebbe servire nel suo piccolo a sviluppare lavoro e comunque a qualcosa per aumentare l’ energia pulita, ce n’è a milionidi rubinetti aperti tutti i giorni, o no!
    grazie ciao
    sergio

  • # 20
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ sergio

    onestamente non ho sentito parlare di questi sistemi, ma comunque mi sembrano un po’ (passami il termine, assolutamente senza intenzioni offensive) “stupidate”… per vari motivi… premettendo ovviamente che non so di che sistemi si stia parlando, e quindi vado su ipotesi…

    L’energia recuperabile non mi sembra così tanta, e se tu “de-energizzi” il flusso d’acqua ti ritrovi con un rubinetto d’acqua che non scorre granché bene… poi aggiungo che, per recuperare l’energia, servirà una macchina motrice, “una dinamo” insomma… mettere queste complicazioni in casa mi sembra un nonsenso perché ci si porta dietro problemi come la connessione di queste in rete (elettrica per sfruttare l’energia recuperata), la loro ottimizzazione fluidodinamica in funzione del flusso (fattori che la rendono non troppo economica) ecc… non so perché non se ne parli, ma sinceramente (pur potendomi sbagliare… ribadisco che non conosco il sistema di cui hai sentito parlare) non mi dispiace, mi sembrano soluzioni assolutamente inutili… altra cosa è invece l’ottimizzazione delle pompe di alimento della rete, ma gli studi sulle turbomacchine si fanno eccome…

    PS se proprio si volesse risparmiare energia si dovrebbe pensare ad impianti progettati per davvero da professionisti competenti, cosa purtroppo sempre rara… perché impianti a regola d’arte richiedono meno pressione alla mandata avendo minori perdite di carico… e tutto ciò permetterebbe di avere una rete potenzialmente meno potente per soddisfare i fabbisogni, ed un autoclave più piccolo se ci si trova ad operare in assenza di rete

  • # 21
    Stefano
     scrive: 

    Ciao,
    sto lavorando ad un programmino per calcolare le rese di impianti mini idroelettrici con varie possibilità di scelta tra macchine idrauliche.
    La tua esposizione è molto interessante e volevo chiederti se per favore potevi dirmi dove avevi reperito le informazioni sui rendimenti della Francis (a me servirebbero anche le altre turbine (: ) e delle condotte e in che modo si dovrebbero utilizzare per calcolare le perdite.
    Grazie mille per l’ascolto,
    Stefano

  • # 22
    Simone Serra (Autore del post)
     scrive: 

    @ Stefano

    I dati che ho esposto sono relativi ad esercitazioni di quando ero studente di Ing. Meccanica… da allora sono passati poco meno di dieci anni e non ricordo ogni dettaglio… mi pare fossero stati forniti dal docente… non dovrebbe però essere difficile ottenerli dai cataloghi delle aziende, sia per quanto riguarda le condotte che per le turbine, oppure in testi universitari specifici (qualunque biblioteca di Ing. Meccanica dovrebbe esserne fornita)… altrimenti prova a controllare nel testo “Macchine Idrauliche” scritto da Cornetti… è un testo di scuola superiore molto ben fatto…

  • # 23
    Stefano
     scrive: 

    Tante grazie per la disponibilità!
    sto facendo passare un bel po’ di siti di produttori ;)
    cordiali saluti e continua così!

  • # 24
    Gian Piero
     scrive: 

    Complimenti per gli articoli.
    Sto studiando la fattibilità di un impianto mini-idroelettrico.
    Ho qualche difficoltà a reperire i prezzi correnti (con larga approssimazione) di una turbina Pelton della potenza di 150 Kw, completa degli accessori elettromeccanici (inverter etc.).
    Potresti darmi una indicazione?
    Grazie.

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