Cos’è l’energia idroelettrica?

Il nostro fabbisogno energetico è in costante aumento. È molto importante che lo sviluppo della società avvenga in modo sostenibile. L’energia idroelettrica è un modo rinnovabile, pulito, affidabile e flessibile per produrre energia a basso costo, generazione dopo generazione.

Nel 2019, secondo il rapporto REN21, l’energia idroelettrica rappresentava il 15,9% della produzione elettrica globale. In Norvegia, circa il 95% di tutta la produzione di energia proviene ora dall’energia idroelettrica.

L’energia idroelettrica è tra le più basse emissioni di gas serra tra le fonti energetiche rinnovabili, la più alta efficienza e la durata più lunga di tutte le tecniche di generazione di energia. Questo è qualcosa che torna utile, poiché la stabilizzazione dei gas serra è una delle nostre maggiori sfide climatiche. Tuttavia, l’energia idroelettrica – come tutte le fonti energetiche – presenta sia vantaggi che svantaggi.

Come funziona l'energia idroelettrica?

Diversi tipi di centrali elettriche

Le centrali elettriche sono solitamente divise in tre categorie principali:

• Centrale elettrica ad acqua fluente (inglese: "Run-of-River")
• Centrale elettrica della rivista
• Centrale elettrica pompata

È anche possibile dividere le centrali elettriche in base alla dimensione. Una divisione comune è nelle seguenti categorie, suddivise per potenza installata in MW:

• Grandi centrali elettriche (superiori a 50 MW)
• Centrali elettriche di media taglia (tra 10 MW e 50 MW)
• Piccole centrali elettriche (potenza installata da 1 MW a 10 MW)
• Minicentrale (potenza installata da 0,1 MW a 1 MW)
• Microcentrali (potenza installata inferiore a 0,1 MW)

Le piccole centrali elettriche e le mini/micro centrali elettriche sono spesso installate senza sistemi di regolazione (dighe), in piccoli corsi d'acqua e fiumi più piccoli. L'acqua non può quindi essere immagazzinata. Pertanto, è l’afflusso di acqua che regola la produzione di energia in tali centrali elettriche. Possono produrre energia solo quando c’è abbastanza acqua nel fiume. La sfida qui è trovare turbine con un buon grado di efficienza con portata d'acqua variabile (quantità d'acqua).

È anche possibile dividere le centrali elettriche in base alla prevalenza, come rispettivamente centrali elettriche a bassa pressione e centrali elettriche ad alta pressione, ma non esiste una definizione precisa di dove sia il confine tra centrali elettriche a bassa pressione e centrali elettriche ad alta pressione.

Centrale elettrica fluviale

Le centrali elettriche senza serbatoi sono spesso chiamate centrali elettriche ad acqua fluente e sono molto spesso centrali elettriche a bassa pressione. Questi sono caratterizzati dall'elevato flusso d'acqua e dalla bassa altezza di caduta. Qui bisogna utilizzare l'acqua quando arriva naturalmente (afflusso), il che significa che può essere difficile regolare la produzione. In caso di alluvione o di un flusso d'acqua elevato nel corso d'acqua, la produzione di energia aumenterà e spesso si perderà acqua (perdita di piena) perché la capacità della centrale elettrica è limitata. Se il flusso d'acqua è basso, anche la produzione sarà bassa e potrebbe scomparire completamente perché le turbine non possono sopportare il funzionamento con flussi d'acqua molto bassi. Ciò significa che si ottiene una produzione di energia molto disomogenea e che la produzione non può essere controllata in base al consumo, lo stesso problema che si ha con gli impianti eolici e solari.

Centrale elettrica della rivista

Le centrali elettriche a bacino sono caratterizzate dalla possibilità di immagazzinare l'afflusso naturale in un bacino di regolazione e produrre energia secondo necessità prelevando acqua dal bacino in linea con il consumo. Tali centrali spesso (ma non sempre) hanno una grande altezza di caduta e possono quindi produrre energia con una quantità di acqua relativamente minore rispetto a una centrale idroelettrica fluviale. Queste sono le grandi centrali elettriche. Ci sono grandi vantaggi nel poter "immagazzinare" l'energia contenuta nell'acqua nel serbatoio dell'acqua. Nei mesi estivi, quando il consumo di elettricità è minimo e l'afflusso d'acqua massimo, i serbatoi d'acqua vengono riempiti e l'acqua viene conservata fino all'inverno successivo. Il caricatore si comporta come una batteria completamente carica. Nei mesi invernali abbiamo un maggiore bisogno di elettricità e l’afflusso di acqua è minimo. Possiamo quindi far defluire l'acqua e produrre elettricità. Colleghiamo la batteria. In questo modo possiamo utilizzare l’energia secondo necessità e ottenere un valore molto più elevato rispetto all’energia proveniente da una centrale idroelettrica fluviale non regolamentata. Se l'acqua viene scaricata direttamente in un fiume, ciò potrebbe causare rapidi cambiamenti nel flusso dell'acqua nel fiume e potrebbe danneggiare i pesci e la fauna selvatica nel fiume.

Centrale elettrica pompata

Una centrale elettrica con pompaggio è dotata di due serbatoi posti a diverse altezze nel sistema. Uno è posizionato in basso (caricatore inferiore) e uno è posizionato più in alto (caricatore superiore). Di notte, il fabbisogno è minimo e quindi viene utilizzata l'elettricità in eccesso per pompare l'acqua dal serbatoio inferiore a quello superiore. Questo può anche essere combinato con gli impianti eolici, che hanno poche possibilità di regolare la quantità di energia. Se c’è molto vento e c’è poco bisogno di elettricità, l’energia viene utilizzata per pompare l’acqua nei serbatoi, in modo da poterla utilizzare in un secondo momento.

Questo utilizzo “a fasi alterne” dell’energia idroelettrica norvegese fornisce flessibilità al sistema energetico europeo e aumenta il valore d’uso degli impianti eolici e solari non regolamentati. D’altro canto, ciò crea livelli d’acqua rapidamente variabili nei bacini idrici, che possono contribuire a danneggiare la vita dei pesci, degli animali e delle piante nei bacini idrici.

Le centrali idroelettriche con serbatoi possono, come ho detto, compensare la mancanza di capacità di stoccaggio e sono quindi utili in collaborazione con altre fonti energetiche come l’eolico e il solare. La Danimarca non potrebbe costruire tanta energia eolica come ha fatto, senza essere in grado di regolamentarla a scapito delle nostre centrali idroelettriche.

Maggiori informazioni sulle centrali elettriche con pompaggio qui (UngEnergi.no)

Turbine

Esistono tre tipi principali di turbine utilizzate nelle centrali idroelettriche norvegesi. Ce ne sono altri, ma questi hanno un ambito di utilizzo decisamente meno diffuso.

Per comprendere la differenza tra questi tre, bisogna essere in grado di comprendere il concetto di cifra di velocità. Il valore della velocità dipende dall'altezza della caduta, dalla quantità di acqua e dal numero di giri della turbina. Per generare molta energia è necessario che vi sia un sufficiente afflusso d'acqua e una grande altezza di caduta. Puoi anche compensare una piccola altezza di caduta aggiungendo più acqua.

Turbine Pelton

Le turbine Pelton sono il tipo più comune di turbine a grandi altezze in Norvegia e vengono utilizzate ad altezze superiori a circa 700 metri. Il valore della velocità è basso, l'acqua presenta quindi una grande caduta e quindi un'alta pressione e un flusso d'acqua relativamente basso.

Una turbina Pelton funziona nel seguente modo:

Illustrazione: UngEnergi

L'acqua esce ad alta velocità da un tubo a getto, le gocce d'acqua si distribuiscono sulle alette mobili e colpiscono il bordo appuntito al centro della pala della pala. Ciò avviene al doppio della velocità con cui si muove la girante. L'acqua poi si diffonde su ciascun lato e segue l'arco della lama. L'acqua continua a scendere in uno scarico. Una turbina Pelton è azionata da una forza impulsiva. L’ideale sarebbe se potessimo far fermare l’acqua mentre lascia il bordo, mentre la turbina gira. Questo vale solo per le turbine Pelton. Una turbina Pelton gira generalmente a circa la metà della velocità dell'acqua.

Turbine Francis 

Le turbine Francis sono in assoluto il tipo di turbina più utilizzato nelle centrali idroelettriche norvegesi. Viene utilizzato se il valore della velocità è medio, oggi tipicamente ad altezze di caduta comprese tra 50 e 700 metri. Il tipo a turbina può quindi essere utilizzato nella maggior parte delle condizioni. La turbina è posizionata sommersa (sotto l'acqua), il che significa che l'acqua entra raccolta sulle pale e non esce attraverso un tubo a getto come in una turbina Pelton. Una turbina Francis è azionata dalla differenza di pressione nell'acqua e dalla potenza impulsiva. Qui c'è una differenza di pressione di circa il 50%. È auspicabile rilasciare tutta la pressione nell'acqua prima che lasci le palette.

Le turbine delle pompe vengono utilizzate in una stazione di pompaggio. Si tratta di una turbina Francis che funziona anche come pompa, così da poter riutilizzare l'acqua. Ciò che le distingue dalle normali turbine Francis è che hanno meno pale. Se avessimo avuto una turbina Francis con 12 pale, una turbina con pompa della stessa dimensione ne avrebbe da 3 a 4. Le centrali elettriche con pompaggio vengono spesso utilizzate per garantire la produzione durante i picchi di carico a breve termine e per bilanciare la produzione irregolare, ad es. centrale eolica.

Turbina Kaplan

Le turbine Kaplan vengono utilizzate se abbiamo una velocità elevata, che abbiamo, tra le altre cose, nelle centrali idroelettriche fluviali. La turbina è caratterizzata dal fatto di non avere pale, ma un'elica che viene mossa dal flusso dell'acqua. Attorno alla turbina Kaplan si trova il cosiddetto guscio, che può assomigliare al guscio di una lumaca.

Illustrazione: UngEnergi

L'area delle varie camere diminuisce man mano che si va indietro nella figura. Ciò significa che in ciascuna camera viene distribuita esattamente la stessa quantità di acqua. L'acqua scorre attraverso la camera e sulla pala dell'elica. Ogni foglia riceve quindi la stessa quantità di acqua.

Il potenziale dell’energia idroelettrica

Il potenziale dell’energia idroelettrica è maggiore in Asia, America Latina e Nord America. I continenti dove la domanda di energia aumenta di più. La modernizzazione e l’espansione delle strutture esistenti sono possibili in molti paesi sviluppati. Le strutture possono essere adattate alle diverse esigenze e condizioni della zona e utilizzate in progetti di diverse dimensioni e forme. Oggi utilizziamo appena il 30% del potenziale idroelettrico teorico (tecnico) mondiale di 15.800 TWh. Quanto del potenziale rimanente sia redditizio da utilizzare è alquanto incerto, ma non c’è dubbio che disponiamo ancora di grandi risorse idroelettriche inutilizzate nel mondo. Le ultime (e migliori) statistiche disponibili nel "World Atlas and Industry Guide" del "The International Journal on Hydropower and Dams" mostrano che il mondo ha un potenziale idroelettrico economico di 9.624 TWh, mentre attualmente sono stati sviluppati circa 4.400 TWh (come del 2020). Il potenziale idroelettrico teorico totale della Norvegia è di oltre 600 TWh, se fosse stato possibile utilizzare ogni singola piccola cascata per la produzione di energia (NVE, 2020). Naturalmente ciò non è praticamente possibile, oltre al fatto che comporterebbe reazioni e conseguenze ambientali. La NVE (Direzione norvegese per le risorse idriche e l'energia) stima un potenziale tecnico-economico per l'energia idroelettrica in Norvegia, cioè un potenziale che tiene conto sia della tecnica che della redditività, a 216 TWh. Di questa, circa il 64% (138 TWh) è già stato sviluppato o è in fase di sviluppo e il 23% (circa 50 TWh) è permanentemente protetto dallo sviluppo di energia. Il restante 13% (circa 28 TWh) è in linea di principio possibile ampliarlo, ma non riceverà necessariamente l'autorizzazione, questo dovrà essere deciso durante l'elaborazione della richiesta e della licenza. In questo caso, sono soprattutto gli effetti ambientali ad avere un peso notevole nel processo di candidatura.

Oltre a ciò, potrebbe esserci il potenziale per ottenere più energia aggiornando ed espandendo le vecchie centrali elettriche. NVE lavora per avere costantemente una visione d'insieme delle potenzialità di potenziamento ed ampliamento (O/U) degli impianti idroelettrici. Gli studi condotti da NTNU individuano un potenziale potenziale di 15-20 TWh, mentre NVE opera con una cifra molto inferiore.

La scheda informativa di NVE su O/U definisce i termini come segue.

"L'ammodernamento e l'espansione delle centrali idroelettriche comprende misure quali l'ammodernamento, l'efficienza, l'ammodernamento e la ricostruzione. Gli aggiornamenti sono misure volte a rendere la centrale più efficiente e ridurre la perdita di energia nei corsi d'acqua.

Le estensioni sono misure che utilizzano più acqua o sfruttano meglio l'altezza di caduta. Ciò può essere fatto trasferendo nuovi bacini idrografici in bacini artificiali esistenti, aumentando l’altezza di caduta o riducendo le perdite dovute alle piene”.

Qui troverete maggiori informazioni sul potenziale dell'energia idroelettrica e sul suo sviluppo fino al 2009 (rapporto IPPC). Consiglio di dare un'occhiata alla figura 5.1 (che mostra le potenzialità) e 5.2 (che mostra quanto è stato sviluppato). Questi numeri hanno più di 10 anni e non sono più completamente corretti. Una versione aggiornata tratta da una pubblicazione in uscita nel 2021 (Elsevier: Comprehensive Renewable Energy Encyclopedia) mostra i seguenti dati sul potenziale tecnico ed economico in varie parti del mondo a partire dal 2020:

Energia idroelettrica in Norvegia

La Norvegia ha il paesaggio naturale ideale per l’energia idroelettrica; grandi quantità di precipitazioni, grandi dislivelli nel paesaggio e molti grandi laghi. Pertanto, l’energia idroelettrica è oggi anche la fonte di energia più importante in Norvegia, dove copre circa il 95% del nostro fabbisogno di elettricità. ciò corrisponde a ben il 60% del nostro fabbisogno energetico totale. Senza l’energia idroelettrica non potremmo esportare la stessa quantità di petrolio che esportiamo oggi.

Oggi in Norvegia ci sono circa 4.000 corsi d'acqua, di cui il 25-30% viene utilizzato per scopi energetici. Ci piace dire che siamo la batteria rinnovabile dell'Europa, perché possiamo immagazzinare grandi quantità di energia come l'acqua nei serbatoi. Questo può essere utilizzato quando ce n'è bisogno ed è facile da "ricaricare" nuovamente grazie all'afflusso naturale. La particolarità della Norvegia è che spesso costruiamo i serbatoi lontano dalla centrale elettrica stessa e poi trasferiamo l'acqua dal serbatoio alla centrale elettrica attraverso tunnel o tubi. Ciò significa che possiamo posizionare il magazzino dove è più favorevole e la centrale dove c'è un grande dislivello.

Lo sviluppo energetico norvegese è stato più esteso nella Norvegia meridionale, dove anche il bisogno è stato maggiore. La Norvegia ha un totale di 18 laghi con un'area maggiore di 50 chilometri quadrati, di cui 13 utilizzati come serbatoi di regolazione, e sette delle nostre dieci cascate più alte sono state sviluppate. 50 TWh sono protetti dallo sviluppo di energia e 28 TWh non sono stati utilizzati. Un TWh è un miliardo di kWh. Vale la pena notare che il 90% della produzione di energia è di proprietà statale, provinciale o municipale. Solo il 10% sono privati. Un esempio di azienda privata è Hydro . Il più grande produttore di energia è lo Stato attraverso la società Statkraft SF . Se vuoi entrare più in dettaglio sul potenziale idroelettrico in Norvegia, dovresti leggere di più su NVE (Direzione norvegese per le risorse idriche e l'energia).

L’UE ha precedentemente deciso che entro il 2020, il 20% del consumo totale di energia (nell’UE) dovrà essere coperto da energie rinnovabili. Nel 2019, secondo Energia e Clima, siamo oltre il 20% a livello mondiale. Ora la maggior parte dei paesi è compresa tra il 5 e il 10%. La Norvegia è al 60%, ma per una questione di equità tutti devono contribuire a raggiungere l’obiettivo dell’UE. Ecco perché anche noi dobbiamo aumentare. In risposta a ciò svilupperemo più impianti eolici e idroelettrici in collaborazione con la Svezia. Il 1° gennaio 2012 abbiamo concordato che il nostro contributo sarà quello di sviluppare 13,2 TWh di nuova produzione di energia in ciascuno dei paesi (Norvegia e Svezia). Ciò corrisponde al 10% di ciò che abbiamo oggi (in Norvegia). La domanda è: dovrebbe essere distribuito alle centrali elettriche piccole o grandi? Vogliamo 100 piccoli o 1 grande? Al momento ci concentriamo sulla costruzione di piccole centrali, ma si sta discutendo se sia il caso di tornare a quelle grandi.

Benefici

• L'energia prodotta è innanzitutto assolutamente rispettosa dell'ambiente e contribuirà a lungo termine a contrastare il riscaldamento globale e a limitare l'esaurimento delle risorse di stoccaggio della terra.
• Attraverso la regolamentazione dei corsi d’acqua, l’energia idroelettrica può anche contribuire a ridurre la nostra vulnerabilità alla siccità e alle inondazioni.
• L’energia idroelettrica ha tra le più basse emissioni di gas serra, il più alto grado di efficienza e la durata più lunga di tutte le tecniche di generazione di energia.

Contro

• Nel complesso, l’impronta ecologica dell’energia idroelettrica si presenta come un effetto una tantum dello sviluppo, ma ciò può anche portare a interventi su larga scala nella natura che possono danneggiare la diversità biologica ed essere fastidiosi. Un esempio è il pesce, che ha problemi perché gli animali di cui si nutre lottano con i cambiamenti ambientali. Questi cambiamenti derivano dal fatto che la quantità di acqua nei fiumi e nei bacini artificiali può variare notevolmente. Il pesce, in particolare il salmone, è un conflitto di interessi molto dibattuto in Norvegia. Per evitare il maggior danno possibile, è importante disporre di un flusso d'acqua minimo per garantire acqua sufficiente e restrizioni sui rapidi cambiamenti del flusso d'acqua per evitare spiaggiamenti.
• Con l’aumento della popolazione e la crescente scarsità d’acqua nel mondo, diventerà sempre più importante vedere l’energia idroelettrica in relazione alla produzione alimentare, all’approvvigionamento idrico e alla produzione industriale. L’acqua deve essere gestita in modo da trarre profitto non solo dalla produzione di energia, ma anche da altre produzioni come quella alimentare e altre industrie.
• Le finanze possono essere una sfida in varie fasi. Le centrali idroelettriche sono ad alta intensità di capitale e quindi il loro sviluppo comporta un grande rischio finanziario. Il problema è maggiore per i paesi in via di sviluppo, considerati i grandi investimenti che devono fare e il lungo periodo di rimborso. Anche l’incertezza dei prezzi futuri dell’energia elettrica è un fattore economico che può portare alcuni a pronunciarsi contro l’energia idroelettrica.

Video sull'energia dell'acqua dall'Energy Center su Vimeo