Caratteristiche energetiche idrauliche, come funziona, vantaggi, usi

IL energia idraulica È la capacità dell'acqua di produrre lavoro sotto forma di movimento, luce e calore in base al suo potenziale e all'energia cinetica. Allo stesso modo, è considerato un'energia rinnovabile pulita e ad alte prestazioni.

Questa energia è determinata dal flusso, la pendenza tra i punti del terreno attraverso il quale si muovono l'acqua e la forza di gravità. È stato usato dall'essere umano sin dai tempi antichi per eseguire opere diverse.

Diga di Itaipú (Brasile e Paraguay). Fonte: Angelo Leithold [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]

Uno dei primi usi dati all'energia idraulica era guidare i mulini d'acqua che sfruttano la forza della corrente. In questo modo, gli ingranaggi potrebbero spostare le pietre del mulino da lanciare.

Al momento, la sua applicazione più rilevante è la generazione di elettricità attraverso l'energia idraulica o le centrali idroelettriche. Questi centrali sono sostanzialmente costituiti da una diga e un sistema di turbine e alternativi.

L'acqua si accumula nella diga tra due livelli del canale (pendenza geodetica), generando energia potenziale gravitazionale. Successivamente, il flusso d'acqua (energia cinetica) attiva le turbine che trasmettono energia agli alternativi per produrre elettricità.

Tra i vantaggi dell'energia idraulica è che è rinnovabile e non ingiuria, a differenza di altre fonti energetiche. D'altra parte, è altamente efficiente con una performance che va dal 90 al 95%.

L'impatto ambientale delle piante idroelettriche è associato alla variazione della temperatura e all'alterazione fisica del decorso dell'acqua. Allo stesso modo, ci sono rifiuti di rifiuti e grassi che filtrano dai macchinari.

Il suo svantaggio principale è l'alterazione fisica che provoca perché le grandi estensioni della terra vengono allagate e il corso e il flusso naturale dei fiumi sono alterati.

La più grande pianta idroelettrica del mondo è le tre gole, situate in Cina, sul fiume Yangtsé. Gli altri due di importanza sono quelli di Itaipu al confine tra Brasile e Paraguay e Simón Bolívar o Guri Hydroelectric Plant in Venezuela.

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Caratteristiche

La fonte di energia idraulica è l'acqua ed è considerata un'energia rinnovabile nella misura in cui il ciclo dell'acqua non altera. Può anche produrre lavoro senza generare rifiuti solidi o gas inquinanti ed è quindi considerato energia pulita.

Prestazione

La prestazione energetica si riferisce alla relazione tra la quantità di energia ottenuta in un processo e l'energia necessaria per investire nello stesso. Nel caso dell'energia idraulica, viene raggiunta una resa tra il 90 e il 95% a seconda della velocità dell'acqua e del sistema di turbina utilizzato.

Come funziona l'energia idraulica?

Schema di un impianto idroelettrico. Fonte: Utente: Tomia [CC per 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/di/3.0)]

Trasformazione dell'energia solare in energia cinetica

Il fondamento dell'energia idraulica è in energia solare, la topografia del terreno e la gravità terrestre. Nel ciclo dell'acqua l'energia solare provoca l'evaporazione e quindi l'acqua si condensa e precipita sulla terra.

Come conseguenza delle pendici del terreno e della forza di gravità, le correnti di acque superficiali sono prodotte sulla superficie terrestre. In questo modo, l'energia solare si trasforma in energia cinetica a causa del movimento dell'acqua dall'azione combinata dell'irregolazione e della gravità.

Successivamente, l'energia cinetica dell'acqua può essere trasformata in energia meccanica in grado di fare un lavoro. Ad esempio, le lame che trasmettono il movimento a un sistema di ingranaggi che possono creare vari dispositivi possono essere spostate.

L'entità dell'energia idraulica è data dalla pendenza tra due punti indicati del canale e il flusso dello stesso. Maggiore è la pendenza del terreno, maggiore è il potenziale e l'energia cinetica dell'acqua, nonché la sua capacità di generare lavoro.

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In questo senso, l'energia potenziale è quella che si accumula in una massa di acqua ed è correlata alla sua altezza in relazione al terreno. D'altra parte, l'energia cinetica è quella che rilascia acqua nel suo movimento che cade a seconda della topografia e della gravità.

Produzione di elettricità dall'energia idraulica (idroelettrico)

L'energia cinetica generata dall'acqua nella sua caduta può essere utilizzata per produrre elettricità. Ciò si ottiene dalla costruzione di dighe in cui l'acqua si accumula e conserva a diversi livelli di altezza.

Pertanto, l'energia potenziale dell'acqua è direttamente proporzionale all'irreneità tra un punto e uno e quando l'acqua cade viene trasformata in energia cinetica. Successivamente, l'acqua passa attraverso un sistema di pale di rotazione e genera energia di rotazione cinetica.

Il movimento di rotazione consente di spostare i sistemi di ingranaggi in grado di attivare sistemi meccanici come mulini, NORIA o alternativi. Nel particolare caso di generazione di energia idroelettrica, il sistema richiede un sistema di turbine e un alternatore per generare elettricità.

Turbine

La turbina è costituita da un asse orizzontale o verticale con un sistema di pale che per la forza dell'acqua gira l'asse.

Esistono tre tipi di base di turbine idrauliche:

Turbina Pelton

Turbina Pelton. Fonte: Robertk9410 [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)]

È una turbina a impulso ad alta pressione con un asse orizzontale che funziona senza essere completamente immerso. Il Rodete trasporta una serie di lame (pallet o denti) concavi che sono guidate da getti d'acqua.

Più getti d'acqua si schiantano contro la turbina, verrà generata più potenza. Questo tipo di turbina viene utilizzato per salti d'acqua alti 25-20 metri e raggiunge un'efficienza fino al 90%.

Francis Turbine

Francis Turbine. Fonte: il caricatore originale era Stahlkocher alla Wikipedia tedesca. [CC BY-SA 3.0 (http: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/]]

È una turbina di reazione a media pressione con un asse verticale e funziona completamente immersi in acqua. Il Rodete è costituito da pallet guidati dall'acqua condotta tramite un distributore.

Può essere utilizzato in salti d'acqua da 20 a 200 metri e raggiunge un'efficienza del 90%. Questo è il tipo di turbina che viene utilizzata più frequentemente nelle grandi piante idroelettriche del mondo.

Kaplan Turbine

Kaplan Turbine. Fonte: Therunnerup [CC BY-SA 3.0 at (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/3.0/AT/Atto.In)]

È una variante della turbina Francis e, in questo modo, ha un asse verticale, ma la girante è formata da una serie di lame orientabili. È una reazione ad alta pressione e funziona completamente immerso in acqua.

La turbina Kaplan viene utilizzata in salti d'acqua alti 5-20 metri e la sua efficienza può raggiungere fino al 95%.

Alternatore

L'alternatore è un apparato che ha la capacità di trasformare l'energia meccanica in energia elettrica mediante induzione elettromagnetica. Pertanto, i poli magnetici (induttore) vengono ruotati all'interno di una bobina con poli alternati di materiale conduttivo (ad esempio rame arrotolato in ferro dolce).

Il suo funzionamento si basa sul fatto che un driver sottoposto per qualche tempo a un campo magnetico variabile genera una tensione elettrica.

Vantaggi

L'energia idraulica è ampiamente utilizzata perché ha molti aspetti positivi. Tra questi possiamo evidenziare:

È economico

Sebbene nel caso di impianti idroelettrici l'investimento iniziale sia elevato, in termini generali a lungo termine è un'energia economica. Ciò è dovuto alla sua stabilità e ai bassi costi di manutenzione.

Inoltre, devono essere aggiunti i compensi economici forniti dai bacini con possibilità di acquacoltura, sport acquatici e turismo.

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È rinnovabile

Essere basati sul ciclo dell'acqua è una fonte di energia rinnovabile e continua. Ciò implica che non è esaurito nel tempo a differenza dell'energia dei combustibili fossili.

Tuttavia, la sua continuità dipende dal ciclo dell'acqua non è alterato in un certo o a livello globale.

Alte prestazioni

L'energia idraulica è considerata molto efficiente e con prestazioni elevate tra il 90 e il 95%.

Non è inquinante

Questo tipo di energia utilizza una fonte naturale come l'acqua e inoltre non produce rifiuti o gas inquinanti. Pertanto, il suo impatto sull'ambiente è ridotto ed è considerato una forma di energia pulita.

Presenza di serbatoi

Nei casi in cui i bacini sono costruiti per l'uso di energia idroelettrica, questi hanno una serie di ulteriori vantaggi:

- Consentono di regolare il flusso del fiume ed evitare le inondazioni.
- Rappresentano un serbatoio dell'acqua per il consumo umano, l'irrigazione e l'uso industriale.
- Possono essere usati come aree ricreative e per la pratica degli sport acquatici.

Svantaggi

Dipendenza dalle precipitazioni

Una limitazione della generazione di energia idroelettrica è la sua dipendenza dal regime delle precipitazioni. Pertanto, in anni particolarmente asciutti l'approvvigionamento idrico può diminuire drasticamente e il livello del serbatoio è ridotto.

Quando il flusso d'acqua viene ridotto, la generazione di elettricità è inferiore. In modo tale che nelle regioni che dipendono fortemente dall'energia idroelettrica, possono verificarsi problemi nell'approvvigionamento.

Alterazione del corso naturale del fiume

La costruzione di una diga in un fiume altera il suo corso naturale, il suo regime di alluvione, diminuendo (diminuzione del flusso) e il processo di trascinamento dei sedimenti. Pertanto, i cambiamenti nella biologia delle piante acquatiche e degli animali sono prodotti in prossimità del corpo idrico.

D'altra parte, la ritenzione di sedimenti nella diga altera la formazione di delta alla bocca dei fiumi e altera le condizioni del suolo.

Pericolo di rottura della diga

A causa del grande volume di acqua immagazzinata in alcune dighe idroelettriche, una rottura della parete di contenimento o le pendenze vicine può produrre incidenti gravi. Ad esempio, durante l'anno 1963 il distacco della collina si è verificato sulla diga di Vajont (oggi in disuso) in Italia e ha causato 2.000 morti.

Applicazioni

Norias e pompe dell'acqua

La rotazione di una ruota guidata dall'energia cinetica dell'acqua consente di trasportare l'acqua da un pozzo poco profondo o da un canale a un canale alto o un serbatoio. Allo stesso modo, l'energia meccanica generata dalla ruota può far funzionare una pompa idraulica.

Il modello più semplice è costituito da una ruota con lame con ciotole che stanno raccogliendo l'acqua allo stesso tempo che sono guidate dalla corrente. Quindi, nella loro rotazione lasciano cadere l'acqua in un serbatoio o in un canale.

Mulini

Per più di 2000 anni i greci e i romani hanno usato energia idraulica per spostare i mulini per macinare i cereali. La ruota ruota guidata dagli ingranaggi della corrente di acqua attiva che girano la pietra del mulino.

Forjas

Un'altra antica applicazione della capacità di lavoro basata sull'energia idraulica è il suo uso per attivare il soffietto di Forge nel lavoro di Herrería e Metallurgy.

Frattura idraulica

Nel mining e nell'olio, l'energia cinetica dell'acqua viene utilizzata per erodere la roccia, fratturarla e facilitare l'estrazione di vari minerali. Per questo, vengono usati giganteschi cannoni d'acqua a pressione che colpiscono il substrato per eroderlo.

Questo è un terreno distruttivo e una tecnica altamente inquinante dei corsi d'acqua.

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Fracking

Una tecnica molto controversa che sta acquisendo boom nell'industria petrolifera è la Fracking. Consiste nell'aumentare la porosità della roccia madre che contiene petrolio e gas per facilitare la sua uscita.

Ciò si ottiene iniettando grandi quantità di acqua e sabbia ad alte pressioni accanto a una serie di additivi chimici. La tecnica è stata messa in discussione dal suo elevato consumo di acqua, contaminando terreni e acque e causando cambiamenti geologici.

Piante idroelettriche

L'uso moderno più comune è quello di funzionare elettricità di generazione centrale, così create piante idroelettriche o idrauliche.

Esempi di piante di energia idraulica

Le tre gole

Diga delle tre gole (Cina). Fonte: Le Grand PortageDerivative Work: Rehman [CC di 2.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by/2.0)]

L'idroelettrico di Las Tres Gulfantas si trova nella provincia di Hubei in Cina nel corso del fiume Yangtsé. Questa diga ha iniziato a essere costruita nel 1994 ed è stata completata nel 2010, raggiungendo un'area inondata di 1.045 km² e una capacità installata di 22.500 MW (Megawatt).

L'impianto comprende 34 turbine Francis (32 su 700 MW e due su 50 MW) con una produzione annuale di energia elettrica di 80,8 GWH. È il più grande impianto idroelettrico del mondo in termini di struttura e potenza installata.

La preda delle tre gole è riuscita a controllare le inondazioni periodiche del fiume che sono arrivate a causare gravi danni alla popolazione. Garantisce inoltre la fornitura di elettricità della regione.

Tuttavia, la sua costruzione ha avuto alcune conseguenze negative come lo spostamento di circa 2 milioni di persone. Inoltre, ha contribuito all'estinzione del delfino di cinese o baiji (lipote vexillifer) che era in pericolo critico.

Itaipú

Diga itaipú. Fonte: Herr Stahlhoefer [dominio pubblico]

L'impianto idroelettrico Itaipu si trova al confine tra Brasile e Paraguay nel corso del fiume Paraná. La sua costruzione è iniziata nel 1970 e si è conclusa in tre fasi nel 1984, 1991 e 2003.

L'area allagata della diga è 1.350 km² e ha una capacità installata di 14.000 mw. L'impianto comprende 20 turbine Francis di 700 MW ciascuna e ha una produzione annuale di energia elettrica di 94,7 GWh.

Itaipú è considerato la più grande pianta idroelettrica del mondo nella produzione di energia. Contribuisce il 16% dell'elettricità consumata in Brasile e il 76% del Paraguay.

Per quanto riguarda i suoi impatti negativi, questa diga ha influenzato l'ecologia delle isole e del Delta del Río Paraná.

Simón Bolívar (Guri)

Simón Bolívar Pendia di potenza idroelettrica (Gurí, Venezuela). Fonte: Warairapano & Guaicaipuro [CC0]

L'impianto idroelettrico di Simón Bolívar, noto anche come diga di Guri si trova in Venezuela nel corso del fiume Caroní. La diga iniziò a essere costruita nel 1957, una prima fase si terminò nel 1978 e fu completata nel 1986.

La diga di Guri ha un'area inondata di 4.250 km² e una capacità installata di 10.200 mw. La sua pianta comprende 21 turbine Francis (10 di 730 MW, 4 di 180 MW, 3 di 400 MW, 3 di 225 MW e uno di 340 MW)

La produzione annuale è di 46 GWH ed è considerata la terza più grande pianta idroelettrica al mondo in termini di struttura e potenza installata. L'impianto idroelettrico fornisce l'80% dell'elettricità consumata dal Venezuela e una parte viene venduta in Brasile.

Durante la costruzione di questo impianto idroelettrico, sono state allagate grandi estensioni di ecosistemi venezuelani di guayana, che è una regione con un'alta biodiversità.

Oggi, a causa della profonda crisi economica del Venezuela, la capacità produttiva di questo centro è stata significativamente ridotta.

Riferimenti

1.- Hadzich M (2013). Energia idraulica, capitolo 7. Corso di formazione tecnica del gruppo PUCP. Case ecologiche e tecnologie degli hotel. Pontificale Università cattolica del Perù.
2.- Raabe J (1985). Energia idroelettrica. La progettazione, l'uso e la funzione delle apparecchiature idromeccaniche, idrauliche ed elettriche. Germania: n. P.
3.- Sandoval Erazo, Washington. (2018). Capitolo 6: Concetti di base delle piante idroelettriche.https: // www.Sportello di ricerca.Net/Publication/326560960_Capitulo_6_Conceptos_Bosicos_de_Centras_Hidroelectrica
4.- Stickler CM, Coe MT, MH Costo. Dipendenza della generazione di energia idroelettrica dai premessi nel bacino amazzonico su scale locali e regionali. Atti della National Academy of Sciences, 110 (23), 9601-9606.
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