Una turbina idraulica, di cui le più comuni sono le turbine Kaplan, Pelton e Francis, è una grande macchina rotante che converte l'energia cinetica e potenziale in energia idroelettrica. Questi moderni equivalenti della ruota idraulica sono utilizzati da oltre 135 anni per la produzione di energia industriale e, più recentemente, per la produzione di energia idroelettrica.
A cosa servono oggi le turbine idrauliche?
Oggi l'energia idroelettrica contribuisce al 16% della produzione energetica mondiale. Nel XIX secolo, le turbine idrauliche erano utilizzate prevalentemente per la produzione di energia industriale, prima della diffusione delle reti elettriche. Attualmente, vengono impiegate per la generazione di energia elettrica e si trovano in dighe o aree caratterizzate da forti correnti d'acqua.
Con la crescente domanda globale di energia e fattori come i cambiamenti climatici e l'esaurimento dei combustibili fossili, l'energia idroelettrica ha il potenziale per avere un grande impatto come forma di energia verde su scala mondiale. Mentre la ricerca di fonti energetiche pulite ed ecocompatibili continua, le turbine Francis potrebbero rivelarsi una soluzione molto popolare e sempre più adottata nei prossimi anni.
Come fanno le turbine idrauliche a generare elettricità?
La pressione dell'acqua, generata da flussi naturali o artificiali, costituisce la fonte di energia per le turbine idrauliche. Questa energia viene catturata e trasformata in energia idroelettrica. Una centrale idroelettrica utilizza generalmente una diga su un fiume attivo per immagazzinare l'acqua. L'acqua viene poi rilasciata gradualmente, attraversa la turbina, la fa ruotare e aziona un generatore che produce elettricità.
Quanto sono grandi le turbine idrauliche?
In base al dislivello a cui operano, le turbine idrauliche possono essere classificate in ad alto, medio e basso dislivello. Gli impianti idroelettrici a basso dislivello sono più grandi, poiché la turbina deve essere di grandi dimensioni per ottenere un'elevata portata d'acqua con una bassa pressione applicata alle pale. Al contrario, gli impianti idroelettrici ad alto dislivello non necessitano di una circonferenza superficiale così ampia, in quanto vengono utilizzati per sfruttare l'energia di correnti d'acqua più veloci.
Grafico che illustra le dimensioni delle diverse parti di un sistema idroelettrico, inclusa la turbina idraulica.
Un grafico che illustra le dimensioni delle diverse parti di un sistema idroelettrico, inclusa la turbina idraulica.
Di seguito, illustreremo alcuni esempi di diversi tipi di turbine idrauliche utilizzate per diverse applicazioni e pressioni dell'acqua.
Turbina Kaplan (pressione idrostatica 0-60 m)
Queste turbine sono note come turbine a reazione a flusso assiale, poiché modificano la pressione dell'acqua mentre scorre al loro interno. La turbina Kaplan assomiglia a un'elica ed è dotata di pale regolabili per massimizzare l'efficienza in un'ampia gamma di livelli di pressione e portata dell'acqua.
Diagramma di una turbina Kaplan
Turbina Pelton (prevalenza da 300 m a 1600 m)
La turbina Pelton, o ruota Pelton, è nota come turbina a impulso, in quanto sfrutta l'energia prodotta dal movimento dell'acqua. Questa turbina è adatta ad applicazioni con elevata prevalenza, poiché richiede un'elevata pressione dell'acqua per esercitare forza sulle pale a forma di cucchiaio, far ruotare il disco e generare energia.
turbina Pelton
Turbina Francis (prevalenza da 60 m a 300 m)
La turbina idraulica più famosa e di ultima generazione, la turbina Francis, rappresenta il 60% della produzione mondiale di energia idroelettrica. Funzionando come una turbina a impatto e reazione ad alta prevalenza, la turbina Francis combina i concetti di flusso assiale e radiale. In questo modo, colma il divario tra le turbine ad alta e bassa prevalenza, creando un design più efficiente e stimolando ancora oggi gli ingegneri a migliorarlo ulteriormente.
Più nello specifico, una turbina Francis funziona grazie all'acqua che scorre attraverso un involucro a spirale verso delle pale direttrici (statiche) che controllano il flusso dell'acqua verso le pale della girante (mobili). L'acqua fa ruotare la girante attraverso la combinazione di forze d'impatto e di reazione, per poi uscire dalla girante attraverso un tubo di scarico che convoglia il flusso d'acqua nell'ambiente esterno.
Come scelgo il design di una turbina idraulica?
La scelta del design ottimale della turbina spesso si riduce a un unico fattore: la prevalenza e la portata disponibili. Una volta stabilita la pressione dell'acqua che si può sfruttare, si può decidere se sia più adatta una turbina a reazione chiusa, come la turbina Francis, o una turbina a impulso aperta, come la turbina Pelton.
Schema di una turbina idraulica
Infine, è possibile stabilire la velocità di rotazione necessaria per il generatore elettrico che si intende utilizzare.
Data di pubblicazione: 15 luglio 2022
