A livello mondiale, le centrali idroelettriche producono circa il 24% dell'elettricità mondiale e forniscono energia a oltre 1 miliardo di persone. Secondo il National Renewable Energy Laboratory, le centrali idroelettriche mondiali producono un totale di 675.000 megawatt, l'equivalente energetico di 3,6 miliardi di barili di petrolio. Negli Stati Uniti sono operative oltre 2.000 centrali idroelettriche, il che rende l'energia idroelettrica la principale fonte di energia rinnovabile del Paese.
In questo articolo, analizzeremo come l'acqua che cade crea energia e scopriremo il ciclo idrologico che genera il flusso d'acqua essenziale per l'energia idroelettrica. Daremo anche un'occhiata a un'applicazione unica dell'energia idroelettrica che potrebbe avere un impatto sulla vostra vita quotidiana.
Osservando un fiume scorrere, è difficile immaginare la forza che trasporta. Se hai mai fatto rafting, allora hai percepito una piccola parte della potenza del fiume. Le rapide si creano quando un fiume, trasportando una grande quantità d'acqua a valle, si imbottiglia in uno stretto passaggio. Quando il fiume viene forzato attraverso questa apertura, il suo flusso accelera. Le piene sono un altro esempio di quanta forza possa avere un enorme volume d'acqua.
Le centrali idroelettriche sfruttano l'energia dell'acqua e utilizzano meccanismi semplici per convertirla in elettricità. In realtà, si basano su un concetto piuttosto semplice: l'acqua che scorre attraverso una diga fa girare una turbina, che a sua volta aziona un generatore.
Ecco i componenti di base di una centrale idroelettrica convenzionale:
L'albero che collega la turbina e il generatore
Diga – La maggior parte delle centrali idroelettriche si basa su una diga che trattiene l'acqua, creando un grande bacino idrico. Spesso, questo bacino viene utilizzato come lago ricreativo, come il Lago Roosevelt presso la diga di Grand Coulee nello Stato di Washington.
Presa – Le paratoie sulla diga si aprono e la gravità trascina l'acqua attraverso la condotta forzata, una condotta che porta alla turbina. L'acqua aumenta di pressione mentre scorre attraverso questa condotta.
Turbina – L'acqua colpisce e fa girare le grandi pale di una turbina, collegata tramite un albero a un generatore sovrastante. Il tipo di turbina più comune per le centrali idroelettriche è la turbina Francis, che ha l'aspetto di un grande disco con pale curve. Una turbina può pesare fino a 172 tonnellate e girare a una velocità di 90 giri al minuto (rpm), secondo la Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generatori – Mentre le pale della turbina girano, ruotano anche una serie di magneti all'interno del generatore. Magneti giganti ruotano attorno a bobine di rame, producendo corrente alternata (CA) grazie allo spostamento di elettroni. (Scoprirai di più sul funzionamento del generatore più avanti.)
Trasformatore – Il trasformatore all’interno della centrale elettrica prende la corrente alternata e la converte in corrente ad alta tensione.
Linee elettriche – Da ogni centrale elettrica escono quattro fili: le tre fasi di energia elettrica prodotte simultaneamente, più un neutro o terra comune a tutte e tre. (Leggi Come funzionano le reti di distribuzione dell'energia per saperne di più sulla trasmissione via linea elettrica.)
Deflusso – L’acqua utilizzata viene trasportata attraverso condotte, chiamate canali di scarico, e reimmette nel fiume a valle.
L'acqua nel bacino è considerata energia immagazzinata. Quando le paratoie si aprono, l'acqua che scorre attraverso la condotta forzata si trasforma in energia cinetica perché è in movimento. La quantità di elettricità generata è determinata da diversi fattori. Due di questi fattori sono il volume della portata d'acqua e il carico idraulico. Il carico si riferisce alla distanza tra la superficie dell'acqua e le turbine. All'aumentare del carico e della portata, aumenta anche l'elettricità generata. Il carico dipende solitamente dalla quantità d'acqua nel bacino.
Esiste un altro tipo di centrale idroelettrica, chiamata centrale ad accumulo e pompaggio. In una centrale idroelettrica convenzionale, l'acqua proveniente dal bacino fluisce attraverso l'impianto, esce e viene trasportata a valle. Una centrale ad accumulo e pompaggio ha due bacini:
Bacino superiore – Come una centrale idroelettrica convenzionale, una diga crea un bacino di riserva. L'acqua in questo bacino scorre attraverso la centrale idroelettrica per produrre elettricità.
Bacino inferiore – L’acqua che esce dalla centrale idroelettrica scorre in un bacino inferiore anziché rientrare nel fiume e scorrere a valle.
Utilizzando una turbina reversibile, l'impianto può pompare l'acqua nel bacino superiore. Questo avviene nelle ore di minor consumo. In sostanza, il secondo bacino riempie quello superiore. Ripompando l'acqua nel bacino superiore, l'impianto ha più acqua per generare elettricità durante i periodi di picco di consumo.
Il generatore
Il cuore di una centrale idroelettrica è il generatore. La maggior parte delle centrali idroelettriche ne possiede diversi.
Il generatore, come avrete intuito, genera elettricità. Il processo di base per generare elettricità in questo modo consiste nel far ruotare una serie di magneti all'interno di bobine di filo. Questo processo muove gli elettroni, che producono corrente elettrica.
La diga di Hoover ha un totale di 17 generatori, ognuno dei quali può generare fino a 133 megawatt. La capacità totale della centrale idroelettrica della diga di Hoover è di 2.074 megawatt. Ogni generatore è costituito da alcuni componenti di base:
Quando la turbina gira, l'eccitatore invia una corrente elettrica al rotore. Il rotore è costituito da una serie di grandi elettromagneti che ruotano all'interno di una bobina di filo di rame strettamente avvolta, chiamata statore. Il campo magnetico tra la bobina e i magneti crea una corrente elettrica.
Nella diga di Hoover, una corrente di 16.500 ampere si muove dal generatore al trasformatore, dove aumenta fino a 230.000 ampere prima di essere trasmessa.
Le centrali idroelettriche sfruttano un processo naturale e continuo, lo stesso che causa la caduta della pioggia e la piena dei fiumi. Ogni giorno, il nostro pianeta perde una piccola quantità d'acqua attraverso l'atmosfera, poiché i raggi ultravioletti ne scompongono le molecole. Ma allo stesso tempo, nuova acqua viene emessa dalle profondità della Terra attraverso l'attività vulcanica. La quantità d'acqua creata e quella persa sono pressoché identiche.
In qualsiasi momento, il volume totale di acqua presente nel mondo si presenta in molte forme diverse. Può essere liquida, come negli oceani, nei fiumi e nella pioggia; solida, come nei ghiacciai; o gassosa, come l'invisibile vapore acqueo presente nell'aria. L'acqua cambia stato mentre viene spostata sul pianeta dalle correnti d'aria. Le correnti d'aria sono generate dall'attività termica del sole. I cicli delle correnti d'aria sono creati dal fatto che il sole splende più intensamente sull'equatore rispetto ad altre aree del pianeta.
I cicli delle correnti d'aria regolano le riserve idriche della Terra attraverso un ciclo a sé stante, chiamato ciclo idrologico. Quando il sole riscalda l'acqua liquida, questa evapora trasformandosi in vapore nell'aria. Il sole riscalda l'aria, facendola salire nell'atmosfera. L'aria è più fredda in alto, quindi, salendo, il vapore acqueo si raffredda, condensandosi in goccioline. Quando un numero sufficiente di goccioline si accumula in un'area, queste possono diventare abbastanza pesanti da ricadere sulla Terra sotto forma di precipitazioni.
Il ciclo idrologico è importante per le centrali idroelettriche perché dipendono dal flusso d'acqua. Se c'è poca pioggia in prossimità della centrale, l'acqua non si accumula a monte. Senza acqua che si accumula a monte, scorre meno acqua attraverso la centrale idroelettrica e viene prodotta meno elettricità.
L'idea di base dell'energia idroelettrica è quella di utilizzare la potenza di un liquido in movimento per far girare una pala di turbina. In genere, per svolgere questa funzione è necessario costruire una grande diga in mezzo a un fiume. Una nuova invenzione sta sfruttando l'idea dell'energia idroelettrica su scala molto più ridotta per fornire elettricità ai dispositivi elettronici portatili.
L'inventore Robert Komarechka, originario dell'Ontario, Canada, ha avuto l'idea di installare piccoli generatori idroelettrici nelle suole delle scarpe. È convinto che queste microturbine possano generare elettricità sufficiente ad alimentare quasi qualsiasi dispositivo. Nel maggio 2001, Komarechka ha ottenuto il brevetto per il suo esclusivo dispositivo azionato a pedale.
C'è un principio fondamentale nel nostro modo di camminare: il piede cade dal tallone alla punta a ogni passo. Quando il piede atterra, la forza viene trasferita attraverso il tallone. Quando ci si prepara al passo successivo, si ruota il piede in avanti, trasferendo così la forza alla pianta del piede. Komarechka, a quanto pare, ha notato questo principio fondamentale del camminare e ha sviluppato un'idea per sfruttare la potenza di questa attività quotidiana.
Come descritto nel brevetto, il "gruppo di calzature con generatore idroelettrico" di Komarechka è composto da cinque parti:
Fluido: il sistema utilizzerà un fluido elettricamente conduttivo.
Sacche per trattenere il fluido: una sacca è posizionata nel tallone e un'altra nella punta della scarpa.
Condotti – I condotti collegano ogni sacco a un microgeneratore.
Turbina – Quando l’acqua si muove avanti e indietro nella suola, aziona le pale di una piccola turbina.
Microgeneratore – Il generatore è situato tra le due sacche piene di liquido e comprende un rotore a palette che aziona un albero e fa girare il generatore.
Mentre una persona cammina, la compressione del fluido nella sacca situata nel tallone della scarpa spinge il fluido attraverso il condotto e verso il modulo del generatore idroelettrico. Mentre l'utente continua a camminare, il tallone si solleva e viene esercitata una pressione verso il basso sulla sacca sotto la pianta del piede. Il movimento del fluido fa ruotare il rotore e l'albero per produrre elettricità.
Sarà presente una presa esterna per collegare i cavi a un dispositivo portatile. Potrebbe essere fornita anche un'unità di controllo dell'alimentazione da indossare alla cintura. I dispositivi elettronici possono quindi essere collegati a questa unità di controllo dell'alimentazione, che fornirà un'alimentazione elettrica costante.
"Con l'aumento del numero di dispositivi portatili alimentati a batteria", si legge nel brevetto, "c'è una crescente necessità di fornire una fonte elettrica durevole, adattabile ed efficiente". Komarechka prevede che il suo dispositivo verrà utilizzato per alimentare computer portatili, telefoni cellulari, lettori CD, ricevitori GPS e radio bidirezionali.
Data di pubblicazione: 21 luglio 2022
