Le centrali idroelettriche a basso salto sono quelle che operano con un dislivello idrico tipico compreso tra 2 e 30 metri. A tali altezze modeste, la forza gravitazionale disponibile per azionare una turbina è limitata. I tipi di turbina convenzionali, come le turbine Pelton (progettate per salti idrici molto elevati) o le turbine Francis (ottimizzate per salti idrici medi), diventano inefficienti o economicamente non redditizie quando il salto scende al di sotto di circa 10 metri. Le turbine a elica, macchine a reazione a flusso assiale, sono specificamente progettate per superare questa limitazione sfruttando grandi flussi d'acqua anziché basarsi principalmente sull'alta pressione. Questo articolo illustra i principi di funzionamento, i componenti chiave e le dinamiche di flusso che consentono alle turbine a elica di convertire in modo efficiente le risorse idriche a basso salto in energia elettrica.
A differenza delle turbine a impulso, in cui getti d'acqua colpiscono le pale a pressione atmosferica, le turbine a elica sono turbine a reazione. Ciò significa che la pressione dell'acqua cambia mentre attraversa la girante (la parte rotante con le pale) e sia l'energia di pressione che l'energia cinetica contribuiscono alla generazione di energia.
La caratteristica geometrica distintiva è il flusso assiale: l'acqua entra ed esce dalla girante in una direzione parallela all'asse di rotazione della turbina. Questa configurazione consente il passaggio di un volume d'acqua molto elevato attraverso una girante di diametro relativamente piccolo, rendendola ideale per siti con bassa prevalenza e portata elevata, come pianure fluviali, canali di scarico delle dighe, canali di irrigazione ed estuari soggetti a maree.
Quando l'acqua vorticosa scorre assialmente attraverso la girante, impatta sulle pale, creando una forza di portanza simile a quella di un'ala di aereo, ma in senso inverso. Questa forza di portanza genera una coppia che fa ruotare la girante e l'albero ad essa collegato. L'acqua perde sia pressione che velocità mentre trasferisce la sua energia al sistema meccanico. La velocità di rotazione è relativamente bassa rispetto alle turbine ad alta prevalenza, ma la coppia è elevata a causa del grande volume d'acqua.
Nelle turbine a elica a pale fisse, l'angolo delle pale viene impostato in modo permanente durante la produzione. Nelle turbine Kaplan (a elica a pale regolabili), le pale possono ruotare attorno al proprio asse grazie a un servomotore idraulico alloggiato all'interno del mozzo. Ciò consente di modificare l'angolo delle pale mentre la turbina è in funzione, mantenendo un'efficienza ottimale in un'ampia gamma di condizioni di flusso.
Dopo aver attraversato la girante, l'acqua conserva ancora una certa energia cinetica (velocità). Se quest'acqua ad alta velocità venisse semplicemente scaricata nel canale di scarico, l'energia residua andrebbe sprecata. Il tubo di aspirazione, un condotto conico o a gomito che si allarga gradualmente, risolve questo problema. Aumentando la sezione trasversale del flusso, il tubo di aspirazione rallenta l'acqua, convertendo l'energia cinetica in energia di pressione. Questo crea una pressione di aspirazione all'uscita della girante, aumentando di fatto il salto netto attraverso la turbina. Un tubo di aspirazione ben progettato può recuperare il 30-50% dell'energia cinetica in uscita, incrementando l'efficienza complessiva.
I siti con basso dislivello sono spesso soggetti a variazioni della portata del fiume e a cambiamenti stagionali del livello dell'acqua. Le turbine a elica affrontano questa variabilità attraverso diverse strategie di regolazione.
Velocità specifica elevata: le turbine a elica hanno una velocità specifica molto elevata (un indice che mette in relazione la potenza erogata con la portata e la prevalenza). Per basse prevalenze, la portata elevata è il fattore dominante e la geometria a flusso assiale si adatta naturalmente a questo requisito.
Elevata capacità di flusso: il passaggio assiale rettilineo impone un'ostruzione minima, consentendo alla turbina di far passare enormi volumi d'acqua, aspetto essenziale quando l'energia disponibile per chilogrammo d'acqua è bassa.
Recupero efficace della pressione nel tubo di aspirazione: l'effetto di aspirazione del tubo di aspirazione diventa particolarmente prezioso a basse prevalenze perché la caduta di pressione assoluta è ridotta; qualsiasi ulteriore recupero di pressione migliora direttamente la prevalenza netta e quindi la potenza erogata.
Per dislivelli estremamente bassi (inferiori a 3 metri), le turbine a elica verticali convenzionali diventano meno pratiche perché le opere civili (scavi, strutture in cemento) diventano sproporzionatamente costose. Gli ingegneri hanno sviluppato configurazioni alternative:
Turbine a bulbo: il generatore è sigillato all'interno di un "bulbo" a tenuta stagna posizionato direttamente nel flusso, creando un passaggio d'acqua rettilineo molto compatto.
Turbine Straflo (generatore a bordo): Il generatore è montato sulla periferia della girante, eliminando il bulbo e ottenendo una lunghezza totale ancora più ridotta.
Turbine tubolari: la condotta forzata si piega prima o dopo la girante, consentendo di posizionare il generatore all'esterno del passaggio dell'acqua per un accesso più agevole.
Tutte queste configurazioni mantengono lo stesso principio di funzionamento fondamentale del flusso assiale, ma ottimizzano il layout per ridurre al minimo i costi delle opere civili.
Le turbine a elica funzionano in ambienti a bassa prevalenzacentrali idroelettricheScambiando pressione con flusso. Invece di affidarsi a un'alta colonna d'acqua per generare un'elevata pressione, queste turbine accettano un grande volume d'acqua ed estraggono energia attraverso pale assiali dalla forma precisa, un sistema di paratoie che inducono vortici e un tubo di scarico per il recupero della pressione. Le versioni a pale fisse offrono semplicità e bassi costi per condizioni di flusso stabili, mentre le turbine Kaplan garantiscono flessibilità operativa grazie alla doppia regolazione. La combinazione di questi principi – flusso assiale, reazione, recupero tramite tubo di scarico e geometria regolabile – rende le turbine a elica la soluzione più efficace e ampiamente adottata per convertire le abbondanti risorse idriche a bassa prevalenza del mondo in elettricità pulita e rinnovabile.
Data di pubblicazione: 27 maggio 2026
