Giu 222018
 

Che la geotermia fosse una delle fonte rinnovabili più importanti e sfruttate negli ultimi anni già lo si sapeva, soprattutto in riferimento alla produzione di energia elettrica attraverso le centrali che necessitano di temperature molto elevate (alta entalpia).

Ma quello che in questi giorni si sta considerando, è lo sfruttamento del calore interno della Terra, però a basse temperature (bassa entalpia). In questo caso non si tratta di produzione di energia elettrica, bensì di sfruttare la possibilità di riscaldare e raffreddare delle abitazioni con l’altissima efficienza delle pompe di calore geotermiche.

Perché geotermia a bassa entalpia? Perché i vantaggi connessi al suo sfruttamento sono molteplici. Innanzitutto è una fonte non inquinante, inesauribile e soprattutto costante non soggetta a variazioni climatiche o ad altri fattori naturali che condizionano invece il vento, il sole o l’acqua. Non è soggetta alla variazione dei prezzi che coinvolge i combustibili fossili, è sempre estraibile, consente un risparmio di esercizio pari all’80% rispetto ad una fonte tradizionale.

Partendo da questi numerosi punti di forza, la geotermia si appresta a ridefinire i criteri energetici di molte nazioni, in primis l’Italia che sorgendo su faglie sismiche ed essendo terra di vulcani, è il luogo ideale dove poter progettare impianti di questo genere. Alcuni studiosi, hanno stimato nel 50% la capacità del geotermico a bassa entalpia di soddisfare i bisogni energetici della nostra nazione. Se a questo aggiungiamo che nell’Agenda 2030 dell’ONU, all’Obiettivo 7 si fissa come criterio fondamentale una aumento considerevole delle quote di energia prodotte con fonti alternative entro quell’anno e che con l’Accordo di Parigi del 2015 sulla riduzione dei gas serra e dell’anidride carbonica sottoscritto da ben 195 Paesi, la geotermia diventa una importantissima fonte di energia.

Lo stesso accordo raggiunto con Agenda 2030 tra i Paesi dell’Unione, stabilisce che entro quell’anno il 32% dell’energia totale prodotta nel territorio dell’Unione Europea dovrà provenire da fonti di energia rinnovabile.

A giugno 2018, giorno 28 si terrà a Roma il convegno nazionale sulla Geotermia a Bassa Entalpia organizzato dal Consiglio Nazionale dei Geologi con lo scopo di fare il punto sulle energie alternative e in particolare quella derivante dal calore della Terra in Italia.

Ma come funziona questa tecnologia? In realtà si tratta di uno scambio di calore, che si traduce in un prelievo di questo durante il periodo invernale e una sua cessione durante il periodo estivo.

Negli impianti geotermici avviene un prelievo di calore dal terreno per conduzione tramite un fluido vettore che circola in un sistema ad una temperatura inferiore a quella del terreno.

Approfondisco: per conduzione si intende il passaggio di energia termica tra sistemi solidi o al loro interno dal corpo a temperatura maggiore a quello a temperatura minore.

E’ possibile sfruttare questo sistema energetico ovunque, tranne in quelle zone dove il calore della Terra è troppo elevato per poter essere gestito in un impianto termico domestico.

Quindi, un impianto di questo tipo è costituito da un sistema di captazione del calore con una sonda geotermica inserita nel sottosuolo ad una profondità variabile dai 70 ai 100 metri, una pompa di calore, un sistema di accumulo del calore e dei sistemi di distribuzione di questo  (riscaldamento e acqua sanitaria) all’interno dell’abitazione.

La sonda di captazione ha la funzione di concentrare il calore disperso per consentirne lo spostamento dal sottosuolo all’impianto durante il periodo invernale e l’opposto durante i mesi estivi. In pratica, il liquido che scorre nella sonda accumula il calore scendendo nel sottosuolo e lo porta in superficie dove la pompa di calore, per evaporazione, sottrae il calore ai tubi e lo trasferisce agli impianti domestici. Nel periodo estivo accade il contrario. Nella sonda scende un fluido caldo che perde calore nel terreno raffreddandosi. Tutto questo può accadere perché nel sottosuolo la temperatura del terreno a quelle profondità è mediamente costante a circa 15°C.

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Feb 082012
 

Il Sole fornisce quotidianamente una quantità immensa di energia gratuita, pulita e inesauribile. Si è misurato che irraggia ogni metro quadro di superficie del nostro pianeta con 1Kw di energia al giorno. Il Sole, inoltre, determina l’esistenza anche di altre forme di energia sulla Terra; si pensi all’acqua e al vento per citarne qualcuna. Le uniche fonti di energia non influenzate direttamente dal Sole sono la geotermica e la nucleare. Esistono diversi modi per sfruttare e impiegare l’energia solare. Tra questi abbiamo il riscaldamento, la produzione di acqua calda e la produzione di energia elettrica. Il processo che consente di sfruttare l’energia del Sole, è come negli altri casi complesso e richiede diversi passaggi di stato.

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale solare?

Una centrale solare è costituita essenzialmente da specchi o altri strumenti che fungono da captatori per l’Energia Radiante del Sole. Questi concentrano i raggi catturati in un punto chiamato ricevitore che viene fortemente riscaldato trasformando l’energia catturata in Energia Termica. Questa consente di far evaporare dell’acqua che diventa vapore surriscaldato ad alta temperatura, in grado di far ruotare una turbina a vapore; l’energia termica viene così trasformata in Energia Meccanica e infine, attraverso un generatore collegato alla turbina, questa diventa Energia Elettrica.

Com’è fatta una CENTRALE SOLARE?

Innanzitutto bisogna sapere che esistono diversi sistemi oggi in uso per sfruttare l’energia solare. Questi sistemi vengono comunemente chiamati a “concentrazione solare” e sono distinti in:

  • Impianti parabolici lineari;
  • Impianti a torre;
  • Impianti lineari Fresnel;
  • Impianti a disco parabolico.
IMPIANTI PARABOLICI LINEARI

Schema di Centrale Parabolica Lineare

Sono in assoluto quelli più diffusi. Per ottenere la trasformazione energetica descritta, questo tipo di centrali è costituita da specchi che hanno una forma parabolica, tale da riflettere i raggi solari tutti su di un punto (il fuoco della parabola) dove si trova il tubo assorbitore.

Schema di funzionamento

Per comprendere il principio di funzionamento basta pensare ad una lente di ingrandimento puntata su un foglio: essa raccoglie i raggi solari concentrandoli in un unico punto (che corrisponde al nostro assorbitore). Dopo qualche istante, quel punto raggiunge temperature talmente elevate da far incendiare il foglio. Nello specchio parabolico l’assorbitore è un tubo che attraversa per lungo tutti gli specchi che vengono messi in serie. E’ possibile cambiare l’orientamento degli specchi ma unicamente ruotandoli su se stessi (un grado di libertà). Gli elementi costituenti una centrale parabolica lineare sono:

  1. pannelli solari (riflettore);
  2. tubo ricevitore (captatore);
  3. generatore di vapore;
  4. turbina a vapore;
  5. generatore;
  6. trasformatore.
PANNELLI SOLARI – sono specchi dalla forma curva (parabola) progettati per concentrare i raggi solari in un unico punto (fuoco). Sono realizzati in un particolare vetro in grado di concentrare una elevatissima quantità di raggi solari e sono montati su di una struttura in alluminio comandata da un computer in grado di farli ruotare in una direzione per seguire il Sole. Questi pannelli di vetro vengono montati in file parallele lunghe alcune centinaia di metri che formano un campo solare.

TUBO RICEVITORE – è costituito da un tubo di acciaio inox, ricoperto con vari strati di materiali altamente assorbenti e inguainato in un tubo di vetro Pirex sottovuoto. Grazie alla presenza del vetro, il fluido termovettore (normalmente un olio minerale) può raggiungere anche temperature di 400°C e oltre a seconda del tipo di rivestimenti. Il vetro è trattato con strati antiriflettenti sia internamente che esternamente ed è dotato di soffietti alle estremità che consentono di chiudere ermeticamente il fluido e di essere connessi con facilità agli altri tubi per realizzare un percorso continuo.

GENERATORE DI VAPORE – si tratta di un apparecchio che trasferisce calore ad un liquido (generalmente acqua) in modo da generare vapore. Il calore in questo caso è quello sviluppato dall’azione irraggiante del Sole sul tubo ricevitore e quindi, sull’olio minerale contenuto al suo interno.

TURBINA A VAPORE – è il componente di una centrale termoelettrica dove l’energia termodinamica del vapore viene convertita in lavoro meccanico. Il vapore, infatti, esercita un lavoro sulle pareti dei condotti, man mano che diminuisce la sua pressione, cioè man mano che si espande. Questo lavoro, mette in rotazione un albero motore collegato ad un generatore elettrico.
CONDENSATORE – è un dispositivo per il trattamento dei vapori caldi e contaminati che sfrutta il fenomeno della condensazione per rimuovere gli elementi inquinanti da un flusso d’aria. La condensazione può essere ottenuta attraverso un aumento della pressione o con una riduzione di temperatura o combinando i due processi.
GENERATORE – L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

Alternatore (generatore)

TRASFORMATORE – è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

PRO e CONTRO di una Centrale Parabolica Lineare

I vantaggi di questo tipo di centrale derivano dal fatto che si tratta di una tecnologia ormai matura e collaudata, gli svantaggi sono però molteplici. Innanzitutto la temperatura operativa raggiunta dal fluido termovettore non è sufficientemente alta, gli specchi curvi sono molto costosi e difficili da sostituire e da mantenere, il fluido termovettore è altamente infiammabile e tossico, per cui si pone l’ulteriore problema dello stoccaggio. Infine, questo tipo di centrale risulta poco conveniente da un punto di vista dei costi di gestione.

IMPIANTI A TORRE

Schema di Centrale a Torre

Il sistema a torre centrale è una evoluzione di quello lineare, del quale cerca di superare tutti i limiti. E’ costituto da un campo di eliostati che riflettono e concentrano la radiazione solare su un ricevitore posto alla sommità di una torre. Nel ricevitore fluisce un fluido che riscaldandosi ad alta temperatura è in grado di produrre energia o di immagazzinarla sotto forma di calore. Se il fluido è acqua si ha produzione di vapore ad alta pressione direttamente nel ricevitore, se nel ricevitore circolano aria o sali fusi, il vapore viene prodotto in un generatore di vapore nel blocco energetico dell’impianto. Gli elementi fondamentali di un impianto di questo tipo sono:

  1. eliostati (riflettore);
  2. torre (captatore);
  3. serbatoi accumulo sali caldi e freddi;
  4. generatore di vapore;
  5. torre di raffreddamento;
  6. turbina a vapore;
  7. generatore;
  8. trasformatore.

ELIOSTATI – sono grandi specchi, piani o leggermente concavi, in grado di concentrare fino a 30 volte la radiazione solare a grande distanza, attualmente fino a 1Km. Vengono disposti radialmente attorno alla torre secondo una configurazione a scacchiera in modo da permettere la riflessione della radiazione solare sul ricevitore della torre durante il movimento del Sole. Ogni eliostato si muove in modo diverso dagli altri per effetto della sua posizione relativa rispetto alla torre.

Al crescere delle dimensioni cambia la distribuzione degli eliostati, da ventaglio a campo circolare; l’efficenza è funzione della disposizione degli specchi sul campo. Questa efficienza può essere ridotta a causa di alcuni fattori errati di progettazione; questi sono:

  • Shadowing (proiezione dell’ombra di un eliostato su quello posteriore);
  • Blocking (intercettazione della radiazione riflessa da un eliostato posto anteriormente);
  • Spillage (frazione di radiazione riflessa da un eliostato che esce dal bersaglio del ricevitore).

TORRE – struttura a torre posta al centro dell’impianto. In questo caso si parla di impianto a torre centrale o centrale solare a torre. Nel ricevitore al vertice della torre scorre il fluido termovettore che trasferisce il calore a un generatore di vapore, che alimenta un turboalternatore. Con questo sistema si possono raggiungere fattori di concentrazione, e quindi temperature, superiori rispetto ai collettori parabolici lineari.

SERBATOI DI ACCUMULO – nelle centrali a torreil fluido termoconvettore è costituito da sali fusi, una miscela di nitrati di sodio e potassio, che consentono temperature operative più elevate (500-550°C), rispetto all’olio diatermico, con migliore rendimento nella trasformazione in energia elettrica. I sali fusi, hanno inoltre, una discreta capacità di accumulo e conservazione del calore, consentendo di ovviare alla variabilità giornaliera della radiazione solare e alla sua assenza notturna. Presentano però l’inconveniente di solidificare a temperature tra 142 e 238°C, è necessario perciò mantenerli sempre in circolazione a temperature maggiori, per evitarne la solidificazione.

Le centrali di questo tipo funzionano prelevando con una pompa dal serbatoio freddo, i sali in esso depositati e facendoli circolare nel collettore solare, fino a raggiungere la temperatura di 550°C; a questo punto i sali così riscaldati vengono inviati in un serbatoio caldo dove vengono accumulati. Dal serbatoio caldo i sali passano nel generatore di vapore, cedono calore all’acqua contenuta in esso, la trasformano in vapore surriscaldato e ritornano nel serbatoio freddo. Il vapore surriscaldato aziona la turbina della centrale elettrica. L’accumulo con sali fusi consente una limitata autonomia di funzionamento in assenza o insufficienza insolazione.

GENERATORE DI VAPORE – (vedi impianti parabolici lineari).

TORRE DI RAFFREDDAMENTO – è un’installazione che preleva calore dall’acqua tramite evaporazione e conduzione. L’acqua viene pompata in cima alla torre di raffreddamento e quindi fluisce giù attraverso involucri di plastica o di legno. Ciò causa la formazione di goccie. Mentre fluisce verso il basso, l’acqua emette calore che mescola con la corrente d’aria superiore, raffreddandosi di 10-20 °C. Parte dell’acqua evapora, emettendo più calore. Il vapore acqueo può a volte essere osservato sopra la torre di raffreddamento.

Torri di Raffreddamento

TURBINA A VAPORE – (vedi impianti parabolici lineari).

GENERATORE – (vedi impianti parabolici lineari).

TRASFORMATORE – (vedi impianti parabolici lineari).

PRO e CONTRO di una Centrale a Torre

Le centrali a torre risolvono molti dei problemi delle centrali paraboliche. Innanzitutto con gli eliostati piani che, hanno un costo notevolmente inferiore, consentono una più facile manutenzione e pulizia e sono più facilmente installabili.

I sali, usati al posto degli oli, consentono di accumulare il calore e di riutilizzarlo durante i periodi di scarso irraggiamento. Inoltre, operano a temperature più elevate e quindi sono più efficienti dal punto di vista energetico. Infine, i sali non sono tossici e una volta dismessi dalla centrale possono essere riutilizzati in agricoltura come concimi.

Queste centrali presentano però alcuni inconvenienti: il sistema caldo-freddo richiede un processo di distribuzione molto complesso, cosa che aumenta i costi di progettazione e costruzione. La disposizione degli specchi a semicerchio rende difficoltosa la loro collocazione per evitare che si influenzino negativamente reciprocamente e risulta più complessa la concentrazione dei raggi sul captatore man mano che aumenta la distanza da questo. Infine anche in questo caso la centrale crea un forte impatto sull’ambiente.

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IMPIANTI LINEARI FRESNEL

Schema specchi Fresnel

E’ un sistema di collettori abbastanza recente. Solo da poco tempo si stanno iniziando a realizzare impianti per la produzione di calore ad alta temperatura di questo tipo. E’ costituto da un campo di eliostati lineari che riflettono e concentrano la radiazione solare su un tubo ricevitore posto in posizione orizzontale fissa. Gli eliostati sono in grado di ruotare lungo l’asse longitudinale in modo da inseguire il moto del Sole e mantenere costantemente la radiazione solare riflessa sul tubo ricevitore.
Il tubo ricevitore è in genere costituito da un tubo in acciaio protetto da vetro; attualmente non è mantenuto sottovuoto, tuttavia sono in corso esperienze anche con tubi ricevitori del tipo usato per le parabole lineari.
Gli impianti finora realizzati prevedono la produzione di vapore in campo fino a 270°C, anche se sono state realizzate esperienze con produzione di vapore fino 400°C.

PRO e CONTRO di un Impianto FRESNEL
Questo tipo di impianti presenta alcune caratteristiche che li rendono competitivi nei riguardi di quelli più diffusi. Permettono, infatti, di risparmiare parecchio suolo rispetto a quelli parabolici lineari e hanno un costo di installazione di gran lunga inferiore dato il minor uso di materiali da impiegare.

Per contro, però, il loro rendimento è inferiore a causa della minore efficienza sia dei collettori (temperatura, ombreggiamenti, tubo ricevitore non isolato in vuoto) che del ciclo termodinamico.

Impianto solare Fresnel

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IMPIANTI A DISCO PARABOLICO

Schema impianto a Disco Parabolico

Detti anche sistemi Dish–Stirling sono generatori solari termoelettrici di piccole dimensioni. In questi sistemi un paraboloide di alcuni metri di diametro concentra la radiazione sul ricevitore di un motore Stirling di alcuni kW, in grado di azionare un alternatore collegato direttamente alla rete elettrica.
Sono in grado di funzionare in modo completamente automatico: si accendono al mattino, inseguono il Sole nel suo modo diurno e ritornano in posizione di alba a fine giornata, restando in condizioni di attesa durante la notte.

Questi sistemi possono funzionare o isolati, senza sorveglianza continua, oppure in cluster o solar farm da centinaia o migliaia di esemplari.


L’elevata efficienza di conversione, la facilità di installazione e la possibilità di riduzione dei costi con la produzione in grande serie, rendono questi sistemi applicabili alla generazione distribuita ed in prospettiva competitivi anche con i grandi impianti solari termodinamici.

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Schema di Impianto Solare a Concentrazione con Sistema di Accumulo del Calore

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Una centrale eolica o wind farm consente di sfruttare l’energia cinetica del vento per ottenere energia elettrica. Anche questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede alcune trasformazioni prima che l’energia contenuta nelle masse d’aria che si spostano, possa divenire elettricità.

Ma cos’è il vento?

Il vento, in parole povere è lo spostamento di masse d’aria tra zone con diversa pressione. In pratica la terra cede all’atmosfera il calore ricevuto dal sole, ma non lo fa in modo uniforme. Nelle zone in cui viene ceduto meno calore la pressione dei gas atmosferici aumenta, mentre dove viene ceduto più calore, l’aria diventa calda e la pressione dei gas diminuisce. Si formano così aree di alta pressione e aree di bassa pressione. Quando diverse masse d’aria vengono a contatto, la zona dove la pressione è maggiore tende a trasferire aria dove la pressione è minore. Tanto maggiore è questa differenza, tanto più veloce sarà lo spostamento d’aria e quindi il vento. A queste bisogna anche unire l’influenza esercitata sul fenomeno dalla rotazione terrestre.

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale eolica?

La centrale eolica è costituita da una serie di aerogeneratori, sorta di mulini a vento progettati per sfruttare l’Energia Cinetica contenuta nel vento. Questo, impattando sulle pale del rotore, lo costringe a muoversi ruotando sul proprio asse. In questo modo l’energia cinetica del vento si trasforma in Energia Meccanica. La rotazione delle pale, impone una rotazione ad un rotore che è collegato ad un generatore elettrico (alternatore). In questo modo, l’energia meccanica cambia il proprio stato e diventa Energia Elettrica.


Com’è fatta una CENTRALE EOLICA?

Schema di centrale eolica

Un impianto eolico è costituito da una serie di torri metalliche che montano in cima una grande elica detti aerogeneratori. Questi possono essere di medie dimensioni o di grandi dimensioni (la dimensione è stabilita dalla quantità di energia che riescono a produrre: dai 600 ai 1000 chilowatt per i medi e oltre 1 megawatt per quelli grandi) e funzionare già con un vento di circa 3m/s (10km/h) e raggiunge la massima potenza quando arriva a circa 17m/s (50÷60km/h). Questi sono collegati in serie tra di loro mediante cavi sotterranei. A conclusione di questa rete, si trova una cabina elettrica, chiamata stazione di consegna, che è collegata alla rete elettrica nazionale ed immette sulla stessa l’energia prodotta dalla centrale. Un aerogeneratore, è costituito da una serie di elementi che sono:

  1. navicella o gondola;
  2. torre;
  3. rotore;
  4. anemometro;
  5. moltiplicatore di giri;
  6. generatore elettrico;
  7. sistema di controllo;
  8. supporto e cuscinetto;
  9. trasformatore.

NAVICELLA o GONDOLA – è il guscio metallico che contiene tutti gli apparati meccanici e di controllo dell’aerogeneratore. E’ montato sopra la torre e ruota su di essa per seguire la direzione del vento, attraverso  un meccanismo a ruote dentate detto deriva di rotta. Nella gondola sono contenuti l’albero di trasmissione lento, il moltiplicatore di giri, l’albero veloce, il generatore elettrico e i dispositivi ausiliari. All’estremità dell’albero lento e all’esterno della gondola è fissato il rotore, costituito da un mozzo, sul quale sono montate le pale.


Torre a traliccio

Interno della Torre

TORRE – struttura metallica di sostegno del tipo a traliccio o tubolare che porta alla sua sommità la gondola o navicella. Nei grandi e medi impianti la torre ha al suo interno sistemi di accesso verticale (scale o ascensori) che portano alla navicella per l’ispezionabilità e la manutenzione. L’altezza media di una torre e’ compresa tra i 40 e i 60 metri. E’ ancorata al terreno mediante strutture di fondazione.


ROTORE – è costituito da un mozzo su cui sono fissate le pale (di norma 2 o 3, con un diametro di circa 50m) che possono ruotare ad una velocità superiore ai 200 chilometri orari. Il mozzo è collegato ad un primo albero, detto albero di trasmissione lento, che ruota alla stessa velocità del rotore.

Dato che i venti di intensità elevata si verificano per tempi molto brevi, non è economico adottare aerogeneratori con rotore a passo fisso. Questo aumento di costo può essere evitato limitando il processo di conversione di energia in regime di vento molto forte. Questa limitazione è di solito ottenuta adottando pale a passo variabile (cioè orientabili) la cui regolazione consente di ridurre il rendimento aerodinamico del rotore. Nelle macchine più recenti di grossa taglia viene adottato un tipo di pala orientabile soltanto nella parte più vicina alla punta.


Anemometro

ANEMOMETRO – è uno strumento utilizzato per misurare la velocità o la pressione del vento ed è formato da un asse verticale e da tre coppette che “catturano” il vento. Comprende sensori di velocità e direzione. Il numero di giri al minuto viene registrato da un congegno elettronico che blocca automaticamente il generatore qualora la velocità del vento sia superiore ai 25÷30 metri al secondo.


MOLTIPLICATORE DI GIRI – serve ad aumentare i giri di rotazione che vengono trasmessi al generatore. L’albero lento è dirattamente connesso al rotore. Tramite un sistema di ruote dentate di differente diametro (come i rapporti nel cambio di una bici), trasmette questa rotazione, accelerandola, all’albero veloce che è direttamente collegato con il generatore.


GENERATORE – è collegato all’albero veloce ed è posizionato di norma dopo il sistema frenante. In genere si tratta di un alternatore collegato attraverso cavi elettrici che, scorrono dentro la torre fino a terra dove, prima di essere collegati alla rete elettrica, entrano in un trasformatore.


SISTEMA DI CONTROLLO – è formato da una serie di strumenti elettronici controllati da un computer che hanno la funzione di monitoraggio di tutte le parti dell’aerogeneratore e del supporto-cuscinetto. Il sistema registra in ogni momento la piena funzionalità del sistema ed in caso di malfunzionamento blocca l’aerogeneratore e invia un avviso di intervento ai tecnici della centrale.


SUPPORTO e CUSCINETTO – il moto della navicella (gondola) rispetto alla torre e’ realizzato mediante ingranaggi mossi da un attuatore che puo’ essere di tipo elettrico o idraulico.


PRO e CONTRO di una Centrale Eolica

La centrale eolica utilizza come fonte energetica da trasformare, il vento. E’ facile intuire come si tratti di una fonte inesauribile, gratuita e non inquinante. Per contro, il vento è una forma di energia incostante, cambia spesso intensità e direzione. Le centrali per il suo sfruttamento, non producono polveri sottili, inquinamento atmosferico o radioattivo. Producono, però, un forte impatto ambientale, modificando permanentemente l’aspetto del luogo sul quale sono realizzate, sono relativamente rumorose e la loro efficienza energetica è tale solo quando le torri installate sono molte e di grande dimensione.

Sono le wind-farm costruite in mare. Rappresentano un’utile soluzione per quei paesi densamente popolati e con forte impegno del territorio che si trovano vicino al mare.


I PROGRESSI TECNOLOGICI

Questa tecnologia è sicuramente una di quelle più promettenti e sono in corso di studio differenti nuove soluzioni atte a realizzare impianti sempre più efficienti e che riducono l’impatto ambientale.

Impianti OFFSHORE – Una dimostrazione sono gli impianti offshore, ossia installazioni che montano macchine da 1 MW ed oltre su sistemi galleggianti in mezzo al mare, dove più costante e frequente è l’azione del vento. Si stima che gli impianti eolici nei mari europei protrebbero fornire oltre il 20% del fabbisogno elettrico dei paesi costieri. Attualmente sono operative 5 centrali costruite in Olanda, Svezia e Danimarca con una potenza totale di 30 MW. In Italia non esiste ancora alcun impianto offshore, ma è stato calcolato un potenziale sfruttabile di 3.000 MW, pari a quello sulla terraferma, in grado di soddisfare il 4% degli attuali consumi di elettricità.

 


Sistemi a ROTORE VERTICALE – le turbine ad asse verticale sono, le più antiche concepite dall’uomo, utilizzate in Mesopotamia sopratutto per irrigare. Negli ultimi anni stanno risvegliando l’interesse di alcune aziende e gruppi di ricercatori. I principali vantaggi dell’asse verticale sono: funzionamento costante indipendentemente dalla direzione del vento, migliore resistenza alle alte velocità dei venti e alle turbolenze. I progetti più interessanti sono quelli delle turbine windside, Darrieus e Savonius.


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Questo argomento è anche in versione: IO STUDIO Arrow IoSTUDIO

Lo scopo di una centrale idroelettrica è quello di sfruttare l’energia idraulica contenuta dall’acqua per ottenere energia elettrica. Questo passaggio non avviene direttamente, ma richiede una serie di trasformazioni prima che l’energia contenuta potenzialmente dall’acqua possa divenire elettricità.

Quale forma di ENERGIA sfruttiamo in una centrale idroelettrica?

La costruzione di un bacino artificiale o la presenza di uno naturale, consente di accumulare l’acqua. L’energia contenuta dall’acqua prende il nome di Energia Potenziale. In una centrale idroelettrica, l’acqua viene convogliata in una condotta, detta forzata, in modo che per la pressione e per la forza di gravità, l’acqua inizi a muoversi verso il basso sempre più velocemente. L’energia potenziale dell’acqua diventa così Energia Cinetica. L’acqua cadendo impatta contro una gigantesca turbina facendola ruotare. L’Energia Cinetica cambia il suo stato diventando Energia Meccanica. La turbina è collegata a un generatore elettrico, l’Alternatore che, trasforma l’Energia Meccanica della turbina in Energia Elettrica, completando il ciclo.


Com’è fatta una CENTRALE IDROELETTRICA ?

Per realizzare il processo sopra descritto, una centrale idroelettrica deve essere realizzata con alcuni elementi fondamentali. L’immagine qui sopra ci aiuta a capirne meglio il funzionamento. Gli elementi costituenti per una centrale idroelettrica sono:

  1. bacino o serbatoio;
  2. diga;
  3. condotta forzata;
  4. turbina;
  5. generatore;
  6. trasformatore;
  7. opere di restituzione.

BACINO – è un invaso d’acqua ottenuto mediante lo sbarramento del corso di un fiume. Può essere naturale (lago) o artificiale e la sua forma è determinata dalle caratteristiche geologiche della zona in cui insiste. Altre caratteristiche da tener presenti nella formazione di un bacino idrografico sono la densità dei corsi d’acqua minori, le precipitazioni annuali e stagionali, il tipo di terreno e di vegetazione, oltre che le opere umane.


DIGA – è l’opera di sbarramento di un corso d’acqua e consente di formare il bacino o serbatoio. E’ dotata di opere di imbocco, di gallerie, di opere di sfioro dell’acqua in eccesso e di opere di scarico. Le dighe si possono dividere in due grandi categorie:

  • diga a gravità;
  • dighe ad arco.

Le prime sono strutture massicce a geometria semplice con asse rettilineo e sezione di forma triangolare. La resistenza alla spinta dell’acqua è dovuta essenzialmente al peso della costruzione stessa.

Diga a Gravità

Le seconde resistono alla spinta idrostatica delle acque d’invaso, trasferendola sulle pareti laterali della struttura. In questo caso hanno forma convessa e possono essere costruite solo per sbarrare valli non molto larghe con fianchi rocciosi a cui la diga è ancorata.

Diga ad Arco

CONDOTTA FORZATA – è costituita essenzialmente da tubazioni che possono essere realizzate in metallo o calcestruzzo armato. Queste, generalmente, sono costruite all’interno della montagna (in galleria) o possono scorrere anche all’esterno sul crinale della stessa. All’imbocco, sono munite di organi di chiusura e di sicurezza che servono a regolare la portata dell’acqua, e alla base le paratoie di intercettazione delle acque che hanno garantiscono il funzionamento delle turbine filtrando o rallentando la spinta dell’acqua. Ancora più in basso sono posti appositi organi di regolazione, connessi direttamente con le turbine che, hanno lo scopo di regolare la portata dell’acqua.

In una centrale idroelettrica, gli organi di chiusura utilizzati possono essere di tre tipi: valvole a farfalla, valvole a rotativa e valvole a fuso.

TURBINA – è la macchina che converte l’energia cinetica e/o potenziale di un fluido, ad esempio acqua o vapore acqueo, in energia meccanica. Può essere utilizzata direttamente come ad esempio in un classico mulino ad acqua che fa funzionare una macina, oppure nel caso delle vecchie filande per far funzionare le macchine tessili. E’ costituita da un complesso detto generalmente stadio, formato da una parte fissa chiamata distributore e una parte mobile detta girante o rotore. Il fluido in movimento entra nella turbina, regolato mediante il distributore e agisce sulle pale del rotore mettendolo in movimento. Il movimento rotatorio del girante viene trasferito mediante un asse detto albero a un alternatore che produce energia elettrica.

Dal punto di vista costruttivo, la turbina è l’elemento più importante della centrale. Per realizzare il massimo rendimento possibile vengono costruiti differenti tipi di turbine idrauliche. I parametri considerati nella loro costruzione sono due: l’altezza e la portata (quantità di fluido che attraversa una sezione di area A nell’unità di tempo). Si realizzano quindi 3 tipi di turbine idrauliche:

  • Turbina Pelton

Utilizzata di solito con alti salti (50-1300 metri) e piccole portate. Sono costituite da un distributore a uno o più ugelli da dove viene iniettata l’acqua (max 6) in relazione alla portata da inviare alla girante e da una ruota. Ogni ugello crea un getto, la cui portata è regolata da una valvola a spillo.

  • Turbina Francis

Utilizzata di solito con medi o bassi salti (da 10 a 250 metri) e con portate medie. In queste turbine l’acqua raggiunge la girante tramite un condotto a chiocciola, poi un distributore, ovvero dei palettamenti sulla parte fissa, indirizzano il flusso per investire le pale della girante.

  • Turbina Kaplan

Utilizzata di solito con grandi portate e bassi salti (da 5 a 30 metri). Le pale della ruota nella Kaplan sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili. Quando sia le pale della turbina sia quelle del distributore sono regolabili, la turbina è una vera Kaplan (o a doppia regolazione); se sono regolabili solo le pale della ruota, la turbina è una semi-Kaplan.

GENERATORE – L’alternatore e’ un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l’altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. Normalmente l’alternatore lo ritroviamo in tutti i tipi di centrali per la produzione di energia elettrica perché riesce a trasformare l’energia meccanica di una turbina (idraulica, eolica, a vapore, ecc.) in energia elettrica.

Alternatore

TRASFORMATORE – è una macchina elettrica che serve a trasferire, energia elettrica a corrente alternata da un circuito ad un altro modificandone le caratteristiche. E’ formato da un nucleo di ferro a cui sono avvolte spire di rame in due diversi avvolgimenti, dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l’altro è collegato ai circuiti di utilizzazione.

OPERE DI RESTITUZIONE – sono costituite da un canale o galleria, che attraverso uno sbocco, restituiscono le portate utilizzate al corso d’acqua.

PRO e CONTRO di una Centrale Idroelettrica

La centrale idroelettrica utilizza come fonte energetica da trasformare, l’acqua. Per cui utilizza una fonte inesauribile, gratuita e non inquinante.

Comunque nel processo di trasformazione, anche una centrale idroelettrica genera inquinamento. Infatti, la realizzazione di tutte le strutture che compongono una centrale, trasformano profondamente l’ambiente generando una forma di inquinamento che prende il nome di Impatto Ambientale.