ENERGIA IDROELETTRICA

Energia idroelettrica : che cosa è? L'energia idroelettrica è l'unica energia da fonte rinnovabile che viene utilizzata su larga scala e il suo contributo alla produzione mondiale di energia elettrica è cresciuto dal 14.5% del 1986 al 20% del 1992. L'energia idroelettrica è ampiamente utilizzata ogni volta che le caratteristiche naturali e le condizioni economiche lo rendono possibile. L'energia del Sole fa evaporare l'acqua dagli oceani e il vapore risale a grandi altezze in atmosfera. Quindi l'acqua acquista energia potenziale nonché energia cinetica quando, infine, cade sulla Terra sotto forma di pioggia sulle montagne o scorre verso il mare nei fiumi lungo i quali possiamo costruire delle dighe. Infatti si può dire che l'acqua è il fluido in una enorme macchina termica alimentata dal Sole. Gli ingegneri che partecipano alla progettazione e alla realizzazione di impianti idroelettrici devono prendere decisioni importanti, dopo aver considerato la geografia del luogo, l'ambiente biologico e il tipo e le dimensioni dell'impianto. Sei pronto a scoprire tutti i dettagli di un impianto idroelettrico?

La storia dell'energia idroelettrica Già nell'85 a.C., l'energia cinetica contenuta nell'acqua di un fiume che scorreva rapido o l'energia potenziale dell'acqua che precipitava in una cascata erano riconosciute ed usate per alimentare semplici macchine. I Romani sfruttarono l'energia dell'acqua per coltivare i loro campi invece di usare i cavalli, che gli erano necessari in battaglia e nelle azioni di conquista. In Inghilterra, attorno all’ anno 1000 esistevano ben 5.624 mulini ad acqua. Questo numero crebbe, in seguito, fino a oltre 20.000; l'energia prodotta veniva utilizzata per macinare il grano, per azionare mantici e martelli per forgiare il ferro, per affilare strumenti e armi, per la manifattura tessile, per conciare le pelli e anche per pompare fuori l'acqua dalle miniere. Comunque, la potenza prodotta da questi mulini ad acqua raramente superava i 10 KW. L'arrivo dell'energia elettrica spinse a progettare e costruire nuove ruote ad acqua molto più veloci, collegate a grosse dinamo che producevano un'adeguata quantità di elettricità: nacquero così le turbine idrauliche.

L’impianto idroelettrico sulla diga Kariba, nello Zimbawe Dighe: a cosa servono? Le dighe sono costruite attraverso bacini d'acqua in moto e hanno due scopi. Il primo è alzare il livello dell'acqua, accrescendo così l'energia potenziale dell'acqua e l'altro è creare una riserva d'acqua per compensare cambiamenti nella portata dei fiumi o richieste di energia. Alcune dighe non hanno capacità di conservare riserve d'acqua. Impianti ulteriori nelle adiacenze di una diga possono includere scarichi, chiuse o valvole per controllare il deflusso dell'acqua in eccesso; numerose condotte per portare l'acqua alla centrale elettrica, meccanismi per rimuovere dal bacino il limo che si accumula col passar del tempo e sistemi per consentire il passaggio di imbarcazioni o pesci attraverso la diga. L’impianto di immagazzinamento sul lago Michigan, il più grande del mondo L’impianto idroelettrico sulla diga Kariba, nello Zimbawe

Come sono fatte le dighe? Le dighe sono, tra le strutture create dall'uomo sul pianeta, quelle di dimensioni maggiori. Costruite in calcestruzzo, o semplicemente con rocce e terra, possono essere alte fino a 285 metri (Diga Grande Dixence, in Svizzera) e lunghe fino a 50 km (Diga di Kiev, in Russia). La diga Itaipu, nel Sud America, si estende per circa 8 km attraverso il fiume Parana. Per la costruzione di questa diga sono stati utilizzati 11 milioni di metri cubi di calcestruzzo (abbastanza per costruire 4 o 5 città). A piena potenza, i suoi generatori producono oltre 12 MW di energia elettrica. Per costruire una diga sono necessarie le competenze di molti ingegneri: gli ingegneri civili e ambientali progettano e supervisionano i lavori. Da analisi dettagliate del suolo e delle strutture rocciose sul luogo proposto, gli ingegneri determinano la migliore collocazione per la diga e il suo progetto di massima in modo da assicurare anche la considerazione dell'impatto ambientale. Gli ingegneri elettrici progettano e costruiscono le turbine per la produzione di energia elettrica. I sistemi di controlo e monitoraggio sono progettati da ingegneri elettronici e realizzati utilizzando i più avanzati calcolatori elettronici.

Come fa l'acqua, muovendosi, a produrre energia elettrica? Le turbine idrauliche convertono l'energia di una riserva d'acqua in posizione elevata o di un corso d'acqua nell'energia meccanica di un'asta rotante. La maggioranza delle turbine idrauliche sono simili ai propulsori di un'imbarcazione. Sono formate da diverse lame, o pale, posizionate ad un angolo che può essere modificato a seconda della potenza di uscita richiesta per la turbina. L'asta rotante aziona un generatore elettrico che trasforma l'energia meccanica in energia elettrica. L'immagine qui accanto mostra la proporzione tra le dimensioni di un piccolo generatore e quelle di un essere umano.

Quanta energia idroelettrica può ancora essere prodotta nel mondo? La quantità totale di acqua nel mondo non cambia. Quando il calore del Sole fa evaporare l'acqua sulla superficie della Terra, l'acqua si sposta nell'atmosfera per poi ricadere di nuovo sulla Terra ; Il potenziale energetico è una misura della quantità di acqua che scorre verso gli oceani e della distanza verticale che essa percorre prima di arrivare a questa destinazione. I diagrammi a torta in basso mostrano un'indicazione della potenza massima generabile in ogni continente sfruttando le sue caratteristiche geografiche e tenendo conto anche del suo livello di sviluppo economico e tecnologico. Il continente col maggiore potenziale teorico è l'Asia, con 16.486 TWh e questo è probabilmente dovuto al suo esteso sistema montuoso. Gli scienziati concordano sulla possibilità di accrescere la produzione totale di energia idroelettrica fino a 5 volte quella attuale. Questo significa che, negli anni a venire, si dovranno costruire molti nuovi impianti idroelettrici.

Possiamo mettere da parte tutta questa energia per usi futuri? Gli impianti di ripompaggio consentono di immagazzinare grosse quantità di energia elettrica. Essi mettono da parte l'energia dell'acqua in periodi di bassa richiesta pompando l'acqua da un bacino a quota più bassa in uno a quota più alta (di solito con una differenza di quota di almeno 100 metri). Quando poi c'è forte richiesta di energia elettrica ed è costoso produrla con impianti tradizionali, l'elettricità viene prodotta permettendo all'acqua di scorrere, dal bacino in alto, attraverso la stessa pompa/turbina. Inoltre, molti impianti di immagazzinamento funzionano anche come impianti idroelettrici tradizionali o come pompe per sollevare l'acqua per l'irrigazione o per uso pubblico. Nel 1990, esistevano nel mondo 283 impianti del genere, che insieme rappresentavano una capacità massima combinata di 74 GW, ed altri 25 erano in costruzione. Nel 1991, l'efficienza di questo tipo di sistemi di immagazzinamento dell'energia era cresciuta dell' 80%. I vantaggi generali di questo sistema di immagazzinamento dell'energia sono così grandi che si stanno costruendo impianti sotterranei, scavando il bacino inferiore nella roccia, anche a 300 metri di profondità.

Quale impatto sull'ambiente ha la costruzione di una diga? I vantaggi generali di questo sistema di immagazzinamento dell'energia sono così grandi che si stanno costruendo impianti sotterranei, scavando il bacino inferiore nella roccia, anche a 300 metri di profondità. Questi nuovi impianti possono essere completamente isolati dalle sorgenti naturali di acqua, come fiumi o oceani, e sono progettati per far muovere la stessa acqua su e giù per questa enorme distanza verticale, fornendo così molta più energia per unità di volume di un impianto tradizionale che sfrutta un dislivello naturale. Quale impatto sull'ambiente ha la costruzione di una diga? Impatti ambientali diretti, come la deviazione di una massa d'acqua, le trivellazioni, l'alterazione di pendenza sono solitamente minori rispetto agli impatti di tipo indiretto, come la costruzione di abitazioni per gli operai e le loro famiglie (specialmente nei paesi in via di sviluppo), i problemi di salute pubblica per queste persone, la massiccia deforestazione e l'introduzione di una nuova, seppure temporanea, rete di trasporti. Le costruzioni di grandi dimensioni portano alla creazione di altre industrie che usino gli stessi trasporti e infrastrutture abitative. Le comunità locali traggono vantaggio da questo sviluppo industriale che porta capitali per un nuovo sviluppo economico e una più definitiva rete di comunicazioni.

Quali sono gli effetti sul suolo circostante? 1- Inondazioni Quando si crea un bacino idrico allagando un'area di terra, l'ecosistema originario è solitamente distrutto dal brusco cambiamento dell'ambiente. La terra deve conservare la sua ricchezza e diversità di specie biologiche. 2 - Spostamento degli abitanti del luogo Gran parte degli abitanti della zona dovrà traslocare e chiaramente dovrà essere compensata in qualche modo. Quindi lo spostamento della popolazione locale incide sul costo del progetto e crea anche opposizione ala sua realizzazione. 3 - Cambiamenti nel microclima Tutte le grosse masse d'acqua, compresi i bacini idrici, influenzano in qualche modo il clima locale. Come conseguenza dell'evaporazione, i livelli di umidità tendono ad essere più alti nelle zone immediatamente adiacenti un bacino artificiale e questo significa nebbia. Nei tropici, i bacini artificiali alterano il ciclo convettivo nell'atmosfera e quindi portano ad una riduzione della copertura di nubi.

5 - Estinzione di specie locali 4 - Attività tettonica Grossi bacini idrici possono influenzare anche l'attività tettonica (cioè il movimento delle formazioni rocciose sotterranee). Ad esempio, il bacino Vouglans in Francia venne riempito tra l'aprile 1968 e il novembre 1969 e poi parzialmente svuotato tra il dicembre 1970 e il marzo 1971 e finalmente riempito rapidamente nel luglio 1971. Nella metà del mese di luglio, si verificò un terremoto di intensità 4.5 sulla scala Richter, seguito da altri 20 terremoti il cui epicentro era appena a 5 km dal bacino. Nessun terremoto era mai stato registrato prima in quella regione. 5 - Estinzione di specie locali L'estinzione delle specie locali può essere ridotta trasferendo i vertebrati in nuove zone (proprio come fece Noè con la sua arca!). Questo drammatico salvataggio di grossi animali riceve di solito molta attenzione dai media. Ma i salvataggi non vanno sempre a buon fine: trapiantare la vita animale in un nuovo habitat, dove c'è da competere con le specie native, provoca alti tassi di mortalità. Per questo motivo, ogni progetto deve avere dei piani specifici ed efficaci per la salvaguardia e la ricollocazione delle specie durante la realizzazione dell'impianto.

Le attività dell'impianto elettrico influenzano la qualità delle acque del fiume? I fiumi hanno un ruolo fondamentale nella conservazione dell'ecosistema in quanto garantiscono la circolazione di acqua e di nutrienti disciolti in acqua. Alterare le condizioni di un corso d'acqua mediante la creazione di un bacino artificiale o di una diga significa trasformare un fiume ben ossigenato in un lago 'anossico'; la privazione di ossigeno delle acque riduce alla fame molte delle specie viventi. Maggiore è l'interruzione del flusso naturale delle acque e maggiore sarà l'impatto sull'ecosistema e la riduzione di qualità delle acque. Inoltre, l'acqua nei bacini delle dighe tende ad accumulare limo e sedimenti, soprattutto a causa della ridotta velocità di deflusso e questi materiali riducono l'efficienza delle pompe idrauliche e delle turbine. Ad esempio, dopo soli quattro anni di attività, la diga Sanmen George sul Fiume Giallo in Cina aveva perso il 41% della sua capacità idrica e il 75% della sua potenza massima di 1.000 MW a causa del deposito di sedimenti. E' possibile progettare chiuse per spazzare via continuamente il limo che si accumula sul fondo del bacino e spingerlo a valle, ma questa strategia fa perdere parte della potenza al bacino.

Qual è la vita media di un impianto? La presenza di una diga impedisce anche alle specie ittiche che migrano di superare la forte pendenza. L'introduzione di 'scale' per la risalita dei pesci può ridurre questo inconveniente, ma c'è un limite all'altezza a cui un pesce può arrampicarsi. La costruzione di una sequenza di dighe lungo un fiume, secondo alcuni specialisti, potrebbe preservare qualche tratto di corrente veloce lungo il corso del fiume, per facilitare la crescita delle specie e l'ossigenazione. Qual è la vita media di un impianto? Alcune installazioni idroelettriche hanno una vita media compresa tra circa 50 e 200 anni poiché le loro capacità di immagazzinare acqua sono fortemente ridotte a causa dell'accumulo di limo e sedimenti. Quando un bacino idrico si è riempito di limo al punto da non essere più utilizzabile per immagazzinare acqua, la manutenzione della diga diviene un carico gravoso. Le aree a valle devono essere protette dall'improvviso rilascio di enormi quantità di fango che possono riversarsi nel caso di rottura della diga.

Cosa accade se una diga si rompe? I bacini idrici sono spesso collocati a monte di aree densamente popolate. Questo rappresenta un considerevole rischio in caso di rottura di una diga, causato ad esempio da attività sismica, che può anche essere provocata dal bacino di acqua trattenuta dalla diga. La tragedia del Vajont ha reso evidente a tutti l'enorme importanza che può assumere il problema della stabilità delle sponde di un invaso artificiale. Il 9 ottobre 1963 una massa rocciosa di 300 milioni di metri cubi si staccava dai fianchi del monte Toc (in Veneto, nella provincia di Belluno) e scivolando a velocità vertiginosa nel lago del Vajont dislocava in pochi secondi un volume d'acqua di 48 milioni di metri cubi che, tracimando sul coronamento della diga (con i suoi 265 metri di altezza la più alta diga dell'epoca) con un fronte alto fino a 230 metri, si abbatteva nella gola sottostante e raggiungeva la confluenza del Vajont nel Piave sotto forma di una gigantesca onda di piena, alta circa 120 metri, che spazzava via l'abitato di Longarone espandendosi a ventaglio lungo il corso del Piave seminando morte e distruzione (circa 3000 vittime umane).

Qual è il futuro dell'energia idroelettrica? Pur senza arrivare alla gravità del disastro del Vajont, il cedimento delle sponde di un lago artificiale può provocare gravissimi danni tanto all'impianto, fino a renderlo del tutto inutilizzabile, quanto a strade, ferrovie, centri abitati, industrie e colture insediati ai margini del nuovo lago. Rotture di dighe con effetti catastrofici si sono verificate spesso nel secolo scorso. Tra il 1918 e il 1958, ci sono stati 33 incidenti seri a dighe negli Stati Uniti con 1680 morti; una media di 42 morti all'anno. Dal 1959 al 1965, 9 incidenti seri in tutto il mondo. Qual è il futuro dell'energia idroelettrica? Sebbene gli impianti idroelettrici siano molto più efficienti delle centrali elettriche alimentate da carburante fossile, il problema fondamentale è quanti impianti idroelettrici può sopportare l'ambiente. Con il crescere del numero di impianti nel mondo, i luoghi ideali sono già stati sfruttati e quindi si passerà a quelli più poveri e più fragili dal punto di vista ambientale che porteranno ad impianti meno efficienti e di minore potenza, ma contemporaneamente causeranno danni più gravi all'ambiente circostante. Questo limite alla costruzione di nuovi impianti verrà raggiunto in un prossimo futuro - in Svezia, Norvegia, Brasile, Stati Uniti, Ungheria si stanno già facendo sforzi per rallentare la progettazione e la costruzione di questi impianti.

Con un maggiore impegno nel prevenire i danni all'ambiente, compresa un'opportuna analisi nella scelta della localizzazione degli impianti, questo limite alle nuove costruzioni potrà essere affievolito. Comunque, gli impianti per immagazzinare l'energia prodotta dall'acqua possono progredire ulteriormente, non solo ricorrendo a dighe sui fiumi ma anche sfruttando acque sotterranee e comprendendo la produzione di energia dal Sole, dai venti e dalle maree.