Energia idroelettrica: come funziona?

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Approfittando della gravità e del ciclo dell'acqua, abbiamo sfruttato uno dei motori della natura per creare un'utile forma di energia. Infatti, gli esseri umani hanno catturato l'energia dell'acqua in movimento per migliaia di anni. Oggi, sfruttare il potere dell'acqua in movimento per generare elettricità, noto come energia idroelettrica, è la più grande fonte di energia elettrica rinnovabile senza emissioni in tutto il mondo.

Sebbene la produzione di energia idroelettrica non produca inquinamento atmosferico o emissioni di gas a effetto serra, essa può avere conseguenze negative sul piano ambientale e sociale. Bloccare i fiumi con dighe può degradare la qualità dell'acqua, danneggiare l'habitat acquatico e ripariale, bloccare il passaggio dei pesci migratori e spostare le comunità locali. I vantaggi e gli svantaggi di qualsiasi progetto di sviluppo dell'energia idroelettrica devono essere soppesati prima di procedere con qualsiasi progetto. Eppure, se è fatto bene, l'energia idroelettrica può essere una fonte sostenibile e non inquinante di elettricità che può aiutare a ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili e ridurre la minaccia del riscaldamento globale.

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La risorsa idroelettrica

Sulla Terra, l'acqua è costantemente passa tra vari stati, un processo noto come ciclo idrologico. L'acqua evapora dagli oceani, formando nuvole, cadendo come pioggia e neve, raccogliendosi in torrenti e fiumi, e fluire di nuovo al mare. Tutto questo movimento offre un'enorme opportunità per sfruttare l'energia utile.

Nel 2011, l' energia idroelettrica ha fornito il 16% dell'elettricità mondiale, seconda solo ai combustibili fossili. Nel 2011 la capacità mondiale è stata di 950 gigawatt (GW), con il 24% in Cina, l'8% negli Stati Uniti e il 9% in Brasile. A livello mondiale, la capacità idroelettrica è più che raddoppiata dal 1970.

idroelettrica Energia idroelettrica: come funziona? Energie Alternative

 

Conversione dell' acqua in movimento in elettricità

Per generare elettricità dall'energia cinetica nell'acqua in movimento, l'acqua deve muoversi con velocità e volume sufficienti per far girare un'elica chiamata turbina, che a sua volta ruota un generatore per generare elettricità. In parole povere, un gallone d'acqua al secondo che cade 100 piedi può generare un chilowatt di elettricità.

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Per aumentare il volume dell'acqua in movimento, si utilizzano argini o dighe per raccogliere l'acqua. Un'apertura nella diga usa la gravità per far cadere l'acqua giù da un tubo chiamato una condotta forzata. L'acqua in movimento fa girare la turbina, che provoca la rotazione dei magneti all'interno di un generatore e crea elettricità.

Esistono vari tipi di turbine utilizzate negli impianti idroelettrici e il loro utilizzo dipende dalla quantità di prevalenza idraulica (distanza verticale tra la diga e la turbina) dell'impianto. I più comuni sono Kaplan, Francis e Pelton. Alcuni di questi modelli, chiamati ruote di reazione e di impulso, utilizzano non solo la forza cinetica dell'acqua in movimento, ma anche la pressione dell' acqua.

La turbina Kaplan è simile ad un'elica da barca, con un corridore (la parte rotante di una turbina) che ha da tre a sei pale, e può fornire fino a 400 MW di potenza. La turbina Kaplan si differenzia da altri tipi di turbine idroelettriche perché le sue prestazioni possono essere migliorate cambiando il passo delle pale.

kaplan Energia idroelettrica: come funziona? Energie Alternative

La turbina Francis ha un corridore con nove o più palette fisse. In questa turbina, che può raggiungere i 800 MW, le pale del canale dirigono l' acqua in modo che si muova in un flusso assiale.

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La turbina Pelton è costituita da una serie di secchi appositamente sagomati che sono montati all' esterno di un disco circolare, rendendola simile ad una ruota dell'acqua. Le turbine Pelton sono tipicamente utilizzate in siti ad alta prevalenza idraulica e possono essere grandi fino a 200 MW.

pelton Energia idroelettrica: come funziona? Energie Alternative

 

L'energia idroelettrica può essere generata anche senza diga, attraverso un processo noto come corrente d'acqua. In questo caso, il volume e la velocità dell'acqua non vengono incrementati da una diga. Invece, un progetto di ruscello gira le pale della turbina catturando l'energia cinetica dell' acqua in movimento nel fiume. I progetti idroelettrici che hanno dighe possono controllare quando l'elettricità viene generata, perché le dighe possono controllare la tempistica e il flusso dell'acqua che raggiunge le turbine. Pertanto, questi progetti possono scegliere di generare energia elettrica quando è più necessaria e più preziosa per la rete. Poiché i progetti di corrente d'acqua non immagazzinano acqua dietro le dighe, hanno una capacità molto inferiore di controllare la quantità e i tempi di generazione dell' elettricità.

Un altro tipo di tecnologia idroelettrica è chiamato accumulo pompato. In un impianto di pompaggio, l'acqua viene pompata da un serbatoio inferiore ad un serbatoio più alto durante i periodi di minor consumo, quando l'elettricità è relativamente economica, utilizzando elettricità generata da altri tipi di fonti di energia. Il pompaggio dell'acqua in salita crea il potenziale per generare energia idroelettrica in seguito.

Quando l'energia idroelettrica è necessaria, viene rilasciata nel serbatoio inferiore attraverso le turbine. Inevitabilmente, una parte dell'energia viene persa, ma i sistemi di accumulo pompato possono essere efficienti fino all'80%. Attualmente, in tutto il mondo, la capacità di pompaggio è di oltre 90 GW. La necessità di creare risorse di stoccaggio per catturare e immagazzinare per l'uso successivo la generazione da elevate penetrazioni di energia rinnovabile variabile (ad esempio eolico e solare) potrebbe aumentare l' interesse per la costruzione di nuovi progetti di stoccaggio pompato.

Preoccupazioni ambientali e sociali

Mentre la produzione idroelettrica non emette gas di riscaldamento globale o altri inquinanti atmosferici, la costruzione e l'esercizio di progetti idroelettrici possono avere conseguenze ambientali e sociali che dipendono in larga misura dalla localizzazione del progetto e dal suo funzionamento.

Le dighe che hanno inondato le aree con vegetazione viva possono emettere metano, un potente gas di riscaldamento globale, in quanto il materiale organico si decompone. Ad esempio, la diga di Tucurui in Brasile ha creato un serbatoio nella foresta pluviale prima di liberare gli alberi. Quando le piante e gli alberi cominciarono a marcire, diminuirono il contenuto di ossigeno dell'acqua, uccidendo le piante e i pesci nell'acqua, e rilasciarono grandi quantità di metano.

I progetti idroelettrici possono ridurre i flussi nei fiumi a valle se i flussi a monte sono intrappolati dietro un serbatoio e/o deviati in canali che conducono l' acqua fuori dal ruscello verso un'unità di generazione. Abbassare i flussi in un fiume può alterare la temperatura dell'acqua e degradare l'habitat di piante e animali. Meno acqua nel fiume può anche ridurre i livelli di ossigeno che danneggiano la qualità dell'acqua.

L'acqua è in genere immagazzinata dietro una diga e rilasciata attraverso le turbine quando è necessario l'alimentazione. Questo crea flussi artificiali nel fiume a valle che possono essere molto diversi dai flussi che un fiume vivrebbe naturalmente. Ad esempio, i fiumi alimentati per lo più da motoslitte possono sperimentare flussi molto più elevati in inverno e in primavera rispetto all'estate e all'autunno. Le operazioni idroelettriche possono differire da questi flussi naturali, il che ha implicazioni per le specie ripariali e acquatiche a valle. Se i livelli delle acque a valle di un progetto idroelettrico fluttuano selvaggiamente a causa delle operazioni di generazione, i pesci potrebbero essere bloccati in acque improvvisamente poco profonde.

Se le operazioni causano un flusso statico durante tutto l'anno superiore a quello che il fiume normalmente sperimenterebbe, il movimento dei sedimenti lungo una sezione fluviale potrebbe essere perturbato, riducendo l'habitat per le specie acquatiche. Un minor numero di eventi di flusso stagionale potrebbe anche causare l'ispessimento di un corridoio ripariale in un canale meno dinamico, dato che gli alberelli che di solito sarebbero diluiti stagionalmente da flussi elevati sono in grado di maturare.

Le dighe possono anche bloccare la migrazione dei pesci che nuotano a monte per raggiungere le zone di riproduzione. Nel Pacifico nordoccidentale e in California, grandi dighe hanno bloccato la migrazione di coho, chinook e salmone calice dall'oceano verso le zone di riproduzione a monte. Il numero di salmoni che effettuano il viaggio a monte è diminuito del 90% dalla costruzione di quattro dighe sul fiume Snake inferiore. Si stanno compiendo alcuni passi per spostare i pesci intorno alle dighe, come ad esempio metterli in chiatte o costruire scale per i pesci, ma il successo è stato limitato. Anche il passaggio del pesce a valle può essere una sfida, poiché i giovani pesci possono essere masticati nelle turbine della diga mentre si dirigono verso l'oceano.

Energia idroelettrica a basso impatto

Mentre le attività idroelettriche possono causare impatti ambientali negativi, il modo in cui viene gestito un progetto può fare una grande differenza nel suo grado di impatto ambientale. I progetti possono gestire le emissioni di flusso dalle dighe per garantire che vi sia abbastanza acqua nel fiume per sostenere le specie autoctone. I flussi possono anche essere pianificati per imitare i flussi naturali, che aiutano il trasporto dei sedimenti e imitano gli spunti biologici che sarebbero stati forniti dal ciclo di flusso naturale. L'adeguamento delle dighe con attrezzature per il passaggio dei pesci e anche la rimozione delle dighe in alcuni fiumi chiave può migliorare notevolmente l' accesso all'habitat a monte.

Gli impianti idroelettrici che vogliono ridurre l'impatto ambientale possono essere sottoposti a un programma di certificazione volontario.

Il futuro dell'energia idroelettrica

I progressi nelle turbine "ittiche" e il miglioramento delle tecniche di raccolta dei dati per aumentare l'efficacia delle tecnologie di passaggio del pesce creano nuove interessanti opportunità per l'industria idroelettrica. Se costruiti e gestiti in modo da ridurre al minimo gli impatti ambientali e culturali, i progetti idroelettrici possono fornire fonti di energia elettrica pulite e a basso costo alle aree urbane e rurali di tutto il mondo.

Raccogliere l'energia dai nostri fiumi può essere parte di un insieme intelligente e diversificato di soluzioni per ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili e il loro impatto sul nostro clima e sulla salute pubblica. La capacità di aumentare e diminuire la produzione idroelettrica è una fonte preziosa di generazione flessibile sulla rete elettrica, che può sostituire direttamente carbone e gas naturale e contribuire ad integrare grandi quantità di risorse energetiche rinnovabili variabili, come l'energia eolica e solare.

 

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