ACQUA - fonte di energia

l'acqua è una risorsa indispensabile  per la vita dell'uomo, oltre a costituire sostentamento è una fonte inesauribile e rinnovabile che può donarci tanta energia.....

Il ciclo dell'acqua, determinato dall'evaporazione dell'acqua terrestre, dalla formazione di nubi e dalle conseguenti precipitazioni piovose, mette a disposizione dell'uomo una straordinaria fonte energetica rinnovabile, la seconda dopo le biomasse. Alla sua origine c'è ancora una volta il sole, le cui radiazioni provocano l'evaporazione. Pur calcolando che solo lo 0,33% dell'energia solare ricevuta dalla Terra si traduce in precipitazioni atmosferiche, si tratta comunque di una cospicua quantità di energia.

Nell'acqua sono presenti due tipi di energia: potenziale e cinetica.

Energia potenziale - Sia quando è sotto forma di pioggia , sia quando sgorga da una sorgente, l’acqua è costretta ad andare verso il "basso" a causa della presenza della forza di gravità. Tutti possiamo notare l'energia dell'acqua in una cascata; più il salto, ovvero la distanza tra il punto di inizio della caduta e il punto di arrivo, è alto, maggiore è l'energia che l'acqua cadendo sprigiona; quindi più l'acqua si trova in alto rispetto al punto di arrivo e maggiore è l'energia che potenzialmente l'acqua può sviluppare. L'energia potenziale è quindi l'energia della massa d'acqua in quiete, funzione della posizione iniziale dell'acqua e del suo punto di arrivo. Essa corrisponde quindi all'energia contenuta nei ghiacciai e nei bacini naturali o artificiali situati ad altezze elevate.

Energia cinetica - L'energia cinetica dell'acqua è l'energia posseduta da una massa di acqua in movimento e corrisponde quindi all’energia contenuta nell’acqua dei fiumi, dei torrenti e del mare; dipende dalla velocità e dalla massa dell'acqua in movimento. Le macchine idrauliche trasformano in energia meccanica il movimento dell'acqua. Da questa energia meccanica è poi semplice ottenere energia elettrica.

Sfruttamento
Grazie all'acqua si ottiene su tutta la Terra circa il 6-7% del complessivo fabbisogno energetico e oltre il 20% dell'energia consumata.
Il terzo mondo continua a fare affidamento su questa risorsa economicamente conveniente e pulita, ma messa in discussione a causa del grave impatto ambientale. I bacini artificiali, infatti, sconvolgono i precedenti equilibri ecologici, distruggono foreste e risorse faunistiche e generano serie ripercussioni sul clima. Zambia e Zimbabwe, dopo l'inaugurazione della diga di Kariba sullo Zambesi, coprono l'intero loro fabbisogno di energia elettrica con quanto è prodotto dagli impianti che, arrestando il corso del fiume, hanno dato vita a un lago di considerevoli dimensioni.

Nei paesi a più avanzato sviluppo economico, la preferenza per le centrali idriche non è venuta meno, ma si tende a privilegiare gli impianti piccoli, dal minor impatto ambientale. Oggi la tecnologia consente di ottenere energia a prezzi convenienti dando vita così all'installazione di impianti non solo nelle regioni di montagna ma anche in pianura. Nei paesi sviluppati il potenziale idroelettrico è stato fino ad ora adeguatamente utilizzato, soprattutto in quelle situazioni caratterizzate da una forte dipendenza dall'estero in campo energetico. Le possibilità di sfruttamento nei paesi in via di sviluppo, invece, viste le abbondanti risorse idriche, appaiono enormi, ma con tutte le riserve derivanti dalle considerazioni ecologiche indicate.

Nel nostro paese l'energia idroelettrica ha giocato un ruolo particolarmente rilevante dalla metà degli anni venti fino agli anni cinquanta. Negli ultimi venti anni si è registrato un sensibile calo, con un tasso che oggi tocca appena il 10%, poiché la forte crescita dei consumi energetici è stata fronteggiata per lo più con il ricorso alle centrali termoelettriche fossili.

ACQUA DEI FIUMI - E' un tipo di energia rinnovabile e quindi non soggetta ad esaurimento, ed è particolarmente importante per quei Paesi, come l'Italia, poveri di combustibili fossili.

E' utilizzata per la produzione di energia elettrica mediante le centrali idroelettriche: da sola fornisce 1/5 di tutta l'elettricità mondiale.
Le condizioni ideali per lo sfruttamento dell'energia dell'acqua sono: grandi altezze di caduta o grandi volumi di acqua. Si possono così sfruttare sia le acque dei bacini delle regioni montane, sia le enormi masse d'acqua dei grandi fiumi che cadono da pochi metri. Nelle centrali a salto o di generazione e pompaggio , le acque dei fiumi e dei torrenti sono raccolte in grandi bacini artificiali, creati sbarrando le valli con dighe che consentono di accumulare acqua nei periodi di scarsa richiesta e di erogarla in tempi successivi, secondo le necessità. Provocando un salto, l'energia di posizione dell'acqua sviluppa energia cinetica e, facendo poi passare l'acqua attraverso le macchine idrauliche, questa energia viene trasformata in energia meccanica per azionare i generatori di corrente.

Per sfruttare direttamente i fiumi, come nelle centrali ad acqua fluente , è necessario costruire uno sbarramento attraverso il corso d'acqua, in modo da creare un salto tra monte e valle, anche se solo di poche decine di metri, ma per disporre di una certa potenza è necessaria una portata di acqua notevole. Non è possibile però formare una riserva idrica e l'acqua in sovrappiù tracima dalla traversa senza poter essere utilizzata.

ACQUA DEL MARE - Le onde di marea sono innalzamenti e abbassamenti (flussi e riflussi) delle acque, dovuti all'attrazione esercitata dalla Luna e dal Sole sulle masse oceaniche.

Agli effetti delle maree, l'attrazione lunare è molto superiore (poco più del doppio) a quella solare, in quanto, pur essendo la massa del Sole maggiore di quella della Luna, questa si trova molto più vicina alla terra. Quando Terra, Luna e Sole sono allineati, due volte al mese, ovvero durante le fasi di plenilunio e di novilunio (Luna piena e Luna nuova), le forze di attrazione si sommano e producono maree vive, particolarmente accentuate. Al contrario, quando Terra, Luna e Sole sono disposti secondo i vertici di un triangolo rettangolo, ovvero durante le fasi di quadratura, si verificano le minime oscillazioni mareali, dette maree morte.

Le ampiezze e le fasi delle onde di marea sono fortemente influenzate dalla disuniforme morfologia dei bacini oceanici e delle coste che determinano condizioni di risonanza e costituiscono fonti di attrito: in talune zone, specialmente dove esistono golfi molto lunghi e stretti, si verificano maree con ampiezza superiore ai 10 metri.

I periodi principali delle onde di marea sono attorno a 12 o 14 ore: in caso di maree semidiurne si hanno due massimi e due minimi livelli nelle 24 ore, in caso di maree diurne si ha un massimo e un minimo livello nella giornata.
Il sollevamento delle enormi masse di acqua racchiude un'immensa quantità di energia che, nei casi oltre i 10 metri, può avere anche uno sfruttamento pratico. Attualmente, tra le diverse sperimentazioni, l'unica che riesce a fornire una consistente quantità di energia elettrica è quella delle Centrali Mareomotrici.

COME FUNZIONA UNA CENTRALE IDROELETTRICA

La centrale idroelettrica trasforma l'energia idraulica di un corso d'acqua, naturale o artificiale, in energia elettrica. In linea generale lo schema funzionale comprende l'opera di sbarramento, una diga o una traversa, che intercetta il corso d'acqua creando un invaso che puo' essere un serbatoio, o un bacino, dove viene tenuto un livello pressoche' costante dell'acqua. Attraverso opere di adduzione, canali e gallerie di derivazione l'acqua viene convogliata in vasche di carico e, mediante condotte forzate, nelle turbine. L'acqua mette in azione le turbine e ne esce finendo poi nel canale di scarico attraverso il quale viene restituita al fiume. Direttamente collegato alla turbina, secondo una disposizione ad asse verticale o ad asse orizzontale, e' montato l' alternatore, che e' una macchina elettrica rotante in grado di trasformare in energia elettrica l'energia meccanica ricevuta dalla turbina. L'energia elettrica cosi' ottenuta deve essere trasformata per poter essere trasmessa a grande distanza. Pertanto prima di essere convogliata nelle linee di trasmissione, l'energia elettrica passa attraverso il trasformatore che abbassa l'intensita' della corrente prodotta dall'alternatore, elevandone pero' la tensione a migliaia di Volts. Giunta sul luogo di impiego, prima di essere utilizzata, l'energia passa di nuovo in un trasformatore che questa volta, alza l'intensita' di corrente ed abbassa la tensione cosi' da renderla adatta agli usi domestici.

IMPATTO AMBIENTALE DI UNA CENTRALE IDROELETTRICA

E’ oramai un dato assodato e scientificamente provato che la realizzazione delle infrastrutture per lo sfruttamento di qualsiasi fonte energetica comporta sconvolgimenti più o meno violenti sia sull’ambiente che sul paesaggio.

Lo sfruttamento dell’energia idrica richiede la costruzione di opere imponenti quali dighe, laghi di deposito, canali di derivazione, installazione di grandi turbine e generatori elettrici.

Problematiche (svantaggi) relative alla costruzione di una centrale idroelettrica possono essere di varia natura:

1. La costruzione di una centrale idroelettrica può causare gravi dissesti idrogeologici: in passato, per la mancanza di adeguate analisi geologiche, si sono verificate terribili catastrofi. Un episodio tragicamente celebre è il disastro della diga del Vajont avvenuto nel 1963, al confine tra Veneto e Friuli, dove migliaia di persone persero la vita a causa di una poderosa ondata sollevata da una gigantesca frana di materiali rocciosi caduta nel bacino artificiale della diga;
2. la creazione di bacini artificiali, soprattutto se di grandi dimensioni, sono causa sia di variazioni microclimatiche che di variazione dei flussi migratori degli animali con conseguente variazione dell’habitat floro-faunistico e il disequilibrio dei cicli vitali soprattutto delle specie animali. Ad esempio nelle Americhe le dighe costituiscono sbarramento per la risalita del fiume da parte dei salmoni che vanno a deporre le uova prima della loro morte sulla foce dei fiumi nel quale sono nati. Conseguenza che comporta oltre alla diminuzione della popolazione dei salmoni (alcune specie sono a rischio estinzione) anche l’interruzione del ciclo alimentare di orsi ed altre specie animale che vivono nelle foci di questi fiumi mettendo in pericolo anche la loro esistenza.
3. la costruzione delle infrastrutture crea inquinamento ambientale sia per la cementificazione di un territorio che per le grandi moli dei trasporti con emissioni di CO₂ e polveri sottili.

Naturalmente non esiste un sistema di trasformazione di energia, anche se derivante dallo sfruttamento di fonti rinnovabili, che non alteri l’ambiente in qualche modo. Un serio impegno nella ricerca di tutte fonti di energia rinnovabile potrebbe portare nel futuro a impianti di piccole dimensioni basati su tecnologie diversificate, che sostituirebbero le grandi centrali-cattedrale di oggi.

Questo vale anche nel caso dell’idroelettrico. Attualmente la tendenza (in questo il nostro paese è all’avanguardia) è quella di creare microcentrali che richiedono piccoli invasi (potendo sfruttare maggiormente invasi naturali) o addirittura che riescono a sfruttare l’energia cinetica data dallo scorrimento diretto dell’acqua nell’alveo fluiviale. Questo fa si che tali centrali non richiedono la costruzione di dighe lasciando il più possibile inalterato il territorio. Pochi mesi fa è stata inaugurata nel nostro paese la prima centrale idroelettrica “a pozzo” dove tutta la centrale è posta in sotterranea e sfrutta la caduta dell’acqua direttamente dall’alveo fluviale in un pozzo artificiale senza l’ausilio di bacini e quindi di dighe.

Ma allora perché vengono costruite le centrali idroelettriche?

I vantaggi di una centrale che sfrutta l’acqua come fonte di energia è dovuta al fatto che tale fonte è pressoché inesauribile, in quanto continuamente rinnovata dalla natura stessa, e soprattutto è una trasformazione da energia meccanica (cinetica più potenziale) a energia elettrica che non ha come effetto secondario la produzione di anidride carbonica che viene liberata in atmosfera. Questo è l’aspetto principale che fa preferire l’uso di centrali idroelettriche alle altre “tradizionali” (termoelettriche, turbogas, ecc..) in quanto l’anidride carbonica è la principale responsabile dell’accelerazione dell’effetto serra con conseguenza il surriscaldamento del pianeta.

LE CENTRALI IDROELETTRICHE A POMPAGGIO

Esistono delle centrali idroelettriche in cui anziché restituire l’acqua all’alveo fluviale dopo il passaggio in turbina, la inviano ad un bacino di valle (anch’esso artificiale nel la quasi totalità dei casi). Da tale bacino l’acqua viene riportata a monte durante le ore notturne attraverso potenti pompe a funzionamento elettrico.

Le domande che possono sorgere su tali centrali sono scontate:

• perché utilizziamo corrente elettrica per riportare l’acqua nel bacino di monte?
• La costruzione di canali di pompaggio non è una ulteriore opera invasiva sull’ambiente?

Le risposte a tali domande deriva dall’analisi del grafico della domanda e dell’offerta dell’energia elettrica riferito ad una singola centrale, ovvero dall’analisi della sovrapposizione del grafico della richiesta di energia durante le diverse ore della giornata con il grafico della produzione elettrica di una centrale.

Se si analizza il grafico sotto riportato si può vedere come la produzione di energia elettrica di una centrale sia pressoché costante (durante le ore del giorno ha piccole oscillazioni irrilevanti in uno studio generale tanto che possiamo ritenere la produzione costante – linea rossa) mentre il consumo ha un andamento curvilineo con la maggiore richiesta durante le ore centrali della giornata (curva verde).

Intersecando le due linee è facilmente intuibile come nelle ore centrali della giornata [8-18] il consumo sia molto più alto della produzione soprattutto all’ora del pranzo, mentre nelle ore restanti il consumo risulta essere più basso della produzione. Questo si traduce nell’avere bisogno di comprare energia da altri produttori nelle ore centrali (l’Italia importa molta energia elettrica da altri paesi) [area arancione], mentre si verifica uno spreco di energia nelle ore in cui la produzione è maggiore del consumo [area celeste]. Dato che ancora non ci sono apparati in grado di immagazzinare grandi quantità di energia, quella prodotta e non utilizzata viene spesso persa. Utilizzando pompe elettriche per riportare acqua nell’alveo di monte sfruttiamo l’energia notturna che sarebbe andata sprecata. Lo stesso principio viene applicato per la tariffazione oraria nelle abitazioni. Se aumentiamo i consumi di notte, riduciamo quelli giornalieri. I produttori per incentivare il consumo notturno fanno pagare meno la corrente elettrica durante la notte, ecco perché gli elettrodomestici di casa è bene farli funzionare di notte. 

Per quanto riguarda la seconda domanda, ovvero l’invasività ambientale delle opere di pompaggio, è bene sapere che in tali centrali, riportando l’acqua sul bacino di monte, si mantiene costante il livello del bacino stesso in modo che durante il giorno, per la quasi totalità del tempo (dopo il tempo naturale necessario per l’allagamento del bacino, se artificiale) il corso del fiume non viene interrotto o ridotto nella portata tra l’alveo e la zona di restituzione, creando minori problemi ambientali lungo il corso d’acqua. Le opere di pompaggio pur essendo invasive vengono ambientalmente mitigate dai benefici all’habitat naturale del fiume.

LE CENTRALI MAREOMOTRICI

Ormai non è più una novità lo sfruttamento delle maree ai fini diella produzione di energia elettrica. Si ricorda che dove c’è movimento e forza c’è energia. Durante una marea, infatti, si registra un movimento del mare che produce un dislivello dell’acqua che – in genere – si aggira intorno al metro di profondità. Tuttavia, esistono alcune zone nel mondo il cui il dislivello causato dalla bassa o dall’alta marea può essere superiore al metro ed arrivare anche a dieci se non addirittura a venti metri di profondità. Proprio in queste zone, infatti, è nata la necessità di sfruttare questa grande energia che si produce durante le maree.

In realtà, l’idea di produrre energia dalle maree è molto antica. In passato, infatti, i movimenti delle onde causati dalle maree pure erano utilizzati per produrre energia attraverso meccanismi un po’ rudimentali. L’acqua che si accumulava durante il dislivello prodotta dalle maree veniva accumulata in una sorta di contenitore gigante e poi incanalata lungo un indotto che portava fino alle ruote dei mulini che, in questo modo, giravano grazie all’energia dell’acqua del mare. La tecnica di sfruttare l’energia delle maree accumulando l’acqua all’interno di grosse conche viene utilizzata ancora oggi, seppur con tecnologie ed impianti moderni. Tuttavia, esistono almeno quattro modi diversi per sfruttare l’energia delle maree. Il primo è riconducibile proprio alle tecniche antiche di accumulo dell’acqua e incanalamento attraverso delle turbine; il secondo, invece, produce energia attraverso pale installate in acqua; il terzo, poi, la produce attraverso una tecnica di compressione e il quarto, infine, attraverso lo sfruttamento della forza di gravità mediante la pressione esercitata da un peso.

Comunque la particolarità di queste centrali è che per poter funzionare hanno bisogno di particolari condizioni, quindi possono essere installate solo in particolari aree. Sono impianti costosi con forte impatto sul territorio, però nelle zone costiere con sufficiente movimento consente grandi quantità di energia a costi relativamente bassi che permettono la convenienza economica della realizzazione.

schema di una centrale mareomotrice

La centrale mareomotrice francese di Saint Malo

   

L’ENERGIA DELLE ONDE

Ribadendo il concetto che il lavoro è forza x spostamento e che l’energia è la capacità di un corpo di compiere lavoro, le onde del mare per loro genesi costituiscono movimento e quindi sono energia da sfruttare.

Nel 2007 è nato in scozia un progetto sperimentale che oggi sta divenendo realtà, che sfrutta il movimento dell’onda per recuperare energia da trasformare in elettricità.

Il progetto Pelamis (che prende il nome da una specie di serpente di mare) è costituito da un sistema con galleggianti che utilizza l’ampiezza dell’onda. È basato da una struttura semisommersa che, grazie al movimento dettato dalle onde, agisce su dei pistoni idraulici accoppiati a dei generatori.

In genere la singola struttura è composta da 5 elementi congiunti, ha un diametro di 3,5 m ed è lungo 150 metri con una potenza ricavabile di circa 2 MW.

È un progetto per ora ha trovato applicazione reale in Portogallo ma che è in continua evoluzione e che sta cercando di trovare soluzioni alla crescente richiesta energetica sfruttando la risorsa più grande sulla terra: il mare.