A livello mondiale, le centrali idroelettriche producono circa il 24% dell'elettricità globale e forniscono energia a oltre un miliardo di persone. Secondo il National Renewable Energy Laboratory, le centrali idroelettriche di tutto il mondo producono complessivamente 675.000 megawatt, un'energia equivalente a 3,6 miliardi di barili di petrolio. Negli Stati Uniti sono in funzione oltre 2.000 centrali idroelettriche, il che rende l'energia idroelettrica la principale fonte di energia rinnovabile del Paese.
In questo articolo, esamineremo come l'acqua che cade genera energia e scopriremo il ciclo idrologico che crea il flusso d'acqua essenziale per l'energia idroelettrica. Avrete anche un'idea di un'applicazione particolare dell'energia idroelettrica che potrebbe influenzare la vostra vita quotidiana.
Osservando un fiume che scorre impetuoso, è difficile immaginare la forza che sprigiona. Se avete mai fatto rafting, avrete percepito una piccola parte della potenza del fiume. Le rapide si formano quando un fiume, trasportando una grande quantità d'acqua a valle, si restringe in un passaggio stretto. Quando l'acqua viene forzata a passare attraverso questa apertura, la sua corrente accelera. Le inondazioni sono un altro esempio di quanta forza possa esercitare un'enorme massa d'acqua.
Le centrali idroelettriche sfruttano l'energia dell'acqua e utilizzano semplici principi meccanici per convertirla in elettricità. Il concetto alla base delle centrali idroelettriche è 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 artificiale. Spesso, questo bacino viene utilizzato come lago ricreativo, come il lago Roosevelt presso la diga di Grand Coulee nello Stato di Washington.
Presa d'acqua – Le paratoie della diga si aprono e la forza di gravità spinge l'acqua attraverso la condotta forzata, una tubazione che porta alla turbina. L'acqua accumula pressione mentre scorre attraverso questo tubo.
Turbina – L'acqua colpisce e fa ruotare le grandi pale di una turbina, che è collegata a un generatore posto sopra di essa tramite un albero. 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 ruotare a una velocità di 90 giri al minuto (rpm), secondo la Foundation for Water & Energy Education (FWEE).
Generatori – Mentre le pale della turbina ruotano, ruota anche una serie di magneti all'interno del generatore. Magneti giganti ruotano davanti a bobine di rame, producendo corrente alternata (CA) tramite il movimento degli elettroni. (Approfondiremo il 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 partono quattro fili: le tre fasi di energia 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 tramite linee elettriche.)
Scarico – L'acqua utilizzata viene convogliata attraverso condotte, chiamate canali di scarico, e rientra nel fiume a valle.
L'acqua contenuta nel bacino idrico 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 del flusso d'acqua e il dislivello idraulico. Il dislivello si riferisce alla distanza tra la superficie dell'acqua e le turbine. All'aumentare del dislivello e del flusso, aumenta anche l'elettricità generata. Il dislivello dipende solitamente dalla quantità d'acqua presente nel bacino.
Esiste un altro tipo di centrale idroelettrica, chiamata centrale a pompaggio. In una centrale idroelettrica convenzionale, l'acqua del bacino scorre attraverso l'impianto, esce e viene trasportata a valle. Una centrale a pompaggio ha due bacini:
Bacino superiore – Come una centrale idroelettrica convenzionale, una diga crea un bacino artificiale. L'acqua di questo bacino scorre attraverso la centrale idroelettrica per generare elettricità.
Bacino inferiore – L'acqua in uscita dalla centrale idroelettrica confluisce in un bacino inferiore anziché rientrare nel fiume e scorrere a valle.
Grazie a una turbina reversibile, l'impianto può pompare acqua di nuovo nel serbatoio superiore. Questa operazione viene eseguita nelle ore di minor consumo. In sostanza, il secondo serbatoio rifornisce quello superiore. Pompando acqua di nuovo nel serbatoio superiore, l'impianto dispone di una maggiore quantità d'acqua per generare elettricità durante i periodi di picco dei consumi.
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, produce 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 dispone di 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 alcune parti fondamentali:
Quando la turbina ruota, 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 avvolta strettamente, 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 sposta dal generatore al trasformatore, dove la corrente aumenta fino a 230.000 ampere prima di essere trasmessa.
Le centrali idroelettriche sfruttano un processo naturale e continuo: quello che causa la pioggia e l'innalzamento del livello dei fiumi. Ogni giorno, il nostro pianeta perde una piccola quantità d'acqua attraverso l'atmosfera a causa dei raggi ultravioletti che disgregano le molecole d'acqua. Allo stesso tempo, però, nuova acqua viene emessa dalle profondità della Terra attraverso l'attività vulcanica. La quantità d'acqua creata e quella persa sono pressoché identiche.
In un dato momento, il volume totale di acqua presente sulla Terra si trova in molte forme diverse. Può essere liquida, come negli oceani, nei fiumi e nella pioggia; solida, come nei ghiacciai; o gassosa, come il vapore acqueo invisibile presente nell'aria. L'acqua cambia stato mentre viene trasportata 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 maggiormente sull'equatore rispetto ad altre zone del pianeta.
I cicli delle correnti atmosferiche guidano 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 acqueo nell'aria. Il sole riscalda l'aria, provocandone l'ascesa nell'atmosfera. In quota l'aria è più fredda, quindi, man mano che il vapore acqueo sale, si raffredda e condensa in goccioline. Quando un numero sufficiente di goccioline si accumula in una determinata area, queste possono diventare abbastanza pesanti da ricadere sulla Terra sotto forma di precipitazioni.
Il ciclo idrologico è fondamentale per le centrali idroelettriche perché dipendono dal flusso d'acqua. Se le precipitazioni scarseggiano nelle vicinanze della centrale, l'acqua non si accumula a monte. Senza acqua a monte, una minore quantità d'acqua attraversa la centrale idroelettrica e viene prodotta meno elettricità.
L'idea di base dell'energia idroelettrica è quella di utilizzare la forza di un liquido in movimento per far girare le pale di una turbina. In genere, per svolgere questa funzione, è necessario costruire una grande diga al centro di un fiume. Una nuova invenzione sfrutta il principio dell'energia idroelettrica su scala molto più ridotta per fornire elettricità a dispositivi elettronici portatili.
L'inventore Robert Komarechka, originario dell'Ontario, in Canada, ha avuto l'idea di inserire piccoli generatori idroelettrici nelle suole delle scarpe. È convinto che queste microturbine possano generare energia elettrica sufficiente ad alimentare quasi qualsiasi dispositivo. Nel maggio del 2001, Komarechka ha ottenuto il brevetto per il suo innovativo dispositivo azionato dai piedi.
Il modo in cui camminiamo si basa su un principio fondamentale: a ogni passo, il piede si appoggia prima sul tallone e poi sulla punta. Quando il piede tocca terra, la forza viene trasferita attraverso il tallone. Quando ci prepariamo per il passo successivo, ruotiamo il piede in avanti, trasferendo così la forza alla pianta del piede. A quanto pare, Komarechka ha notato questo principio basilare della camminata e ha sviluppato un'idea per sfruttare la potenza di questa attività quotidiana.
Il sistema di calzature con generatore idroelettrico integrato di Komarechka, come descritto nel brevetto, è composto da cinque parti:
Fluido – Il sistema utilizzerà un fluido elettricamente conduttivo.
Sacche per contenere il fluido: una sacca è posizionata nel tallone e un'altra nella punta della scarpa.
Condotti – I condotti collegano ciascun sacco a un microgeneratore.
Turbina – Il movimento alternato dell'acqua nella suola mette in moto le pale di una minuscola turbina.
Microgeneratore – Il generatore è situato tra i due sacchi pieni di fluido e comprende un rotore a palette che aziona un albero e fa girare il generatore.
Quando una persona cammina, la compressione del fluido nella sacca situata nel tallone della scarpa spinge il fluido attraverso il condotto e nel modulo del generatore idroelettrico. Continuando 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, producendo elettricità.
Sarà fornita una presa esterna per collegare i cavi a un dispositivo portatile. Potrebbe anche essere fornita un'unità di controllo dell'alimentazione da indossare alla cintura dell'utente. A questa unità di controllo dell'alimentazione è possibile collegare dispositivi elettronici che forniranno un'alimentazione elettrica costante.
"Con l'aumento del numero di dispositivi portatili alimentati a batteria", si legge nel brevetto, "cresce la necessità di fornire una fonte di energia elettrica duratura, adattabile ed efficiente". Komarechka prevede che il suo dispositivo verrà utilizzato per alimentare computer portatili, telefoni cellulari, lettori CD, ricevitori GPS e ricetrasmittenti.
Data di pubblicazione: 21 luglio 2022
