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Idrogeno total green da idroelettrico a coclee “basso salto”

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L’energia elettrica generata dai corsi d’acqua e dalle enormi dighe dei laghi montani è nota come “energia idro-elettrica”. Ma a questa famiglia di risorse rinnovabili totalmente green che mediamente hanno una potenza intorno ai 60-80 MegaWatt per ogni impianto, appartiene anche un meno conosciuto idroelettrico di scala più ridotta che sfrutta corsi e salti di portata d’acqua più contenuti. Quando gli impianti sono di potenza inferiore ai 1000 Kw si parla di mini fino al micro idroelettrico. La peculiarità di queste tipologie di idroelettrico è produrre energia elettrica anche per utilizzi “stand alone” (privi di un collegamento alla rete) e rappresenta una soluzione interessante per aree isolate. Questa tecnologia si presta molto bene anche per la produzione di idrogeno sul posto “in loco” e questa tecnologia sarà fondamentale in Italia per la produzione localizzata di idrogeno per la rete di stazioni di rifornimento di questo gas. Infatti l’Italia, per la sua morfologia geografica (l’acqua prodotta dalle dorsali delle Alpi e degli Appennini degrada verso la pianura e il mare ovunque in una rete di corsi fluviali molto fitta) è particolarmente dotata di questa risorsa, preziosa anche per l’idrogeno green. Come è noto l’idrogeno “pulito” (senza emissioni di CO2) viene prodotto scomponendo la molecola dell’acqua in idrogeno e ossigeno grazie agli elettrolizzatori. Questi ultimi, per attivare la reazione di elettrolisi dell’ acqua, necessitano di corrente elettrica. E perché il processo sia “total green” l’energia elettrica deve essere prodotta da energie rinnovabili. L’idroelettrico produce energia elettrica rinnovabile ed assicura un funzionamento continuo, nelle 24 ore. E’ l’unica fonte rinnovabile costante, a differenza dell’eolico e del solare che invece dipendono dalle condizioni meteo.

Prima di descrivere l’idroelettrico a basso salto, occorre comprendere come funziona l’idroelettrico in generale. La turbina è il componente principale dell’impianto. Una turbina idraulica trasforma l’energia potenziale dell’acqua che scorre, in energia meccanica perché l’acqua mette in movimento vorticoso la turbina. Questo movimento rotatorio alimenta un generatore di corrente elettrica che la trasforma l’energia meccanica in energia elettrica (la stessa cosa succede con la “dinamo” della bicicletta che, quando vi viene accostata alla ruota in movimento, produce elettricità, accendendo il fanale).

Le turbine più utilizzate nell’idroelettrico sono principalmente le Pelton, le Francis e le Banki (o Cross-Flow). La turbina Pelton è una turbina adatta per impianti con un salto fino a qualche centinaio di metri ed è utilizzata anche negli impianti di taglia molto maggiore. E un rotore che può essere ad asse orizzontale o verticale con un numero di getti fino a 6, e pale a doppio cucchiaio. E’ di costruzione semplice e robusta, ingombro molto ridotto, ottimo rendimento. La turbina a flusso incrociato Banki è adatta per installazioni a basso e medio salto, anche di pochi metri. E’ utilizzata esclusivamente in impianti di piccola potenza. Nel caso di questa turbina l’acqua ha un ingresso diverso rispetto alla Pelton. La turbina Francis è adatta a salti d’acqua da una decina a qualche centinaio di metri. Le Francis Sono utilizzate anche per impianti di taglia maggiore.

Campo di impiego delle turbine in relazione alla portata d’acqua e al salto disponibile

Se qualcuno pensa di installare un impianto mini o micro idroelettrico ci sono un paio di condizioni base: la presenza di un salto d’acqua sufficiente (i dislivelli possono essere anche di pochi metri) ed il corso d’acqua che deve avere una portata anche di soli 0,5 litri al secondo, ma deve essere abbastanza costante durante le stagioni (assenza di rischi di portate eccessive o di secche estive). Un mini idroelettrico richiede uno studio tecnico di fattibilità e la determinazione dell’impatto ambientale e di soluzioni per preservare la fauna ittica. Di norma si prevede la deviazione di una certa quantità di acqua dal flusso naturale del corso d’acqua per preservare l’ecosistema fluviale. Mentre gli impianti di dimensioni molto ridotte (2-3 kW) possono essere inseriti direttamente nel corso d’acqua, quelli di dimensioni più grosse richiedono opere civili che prelevano parte del corso d’acqua che viene poi restituita in un punto più a valle, dopo aver attraversato la turbina. Tutte queste tecnologie idroelettriche prevedono investimenti contenuti, consentono un veloce ritorno dall’investimento e godono degli incentivi previsti per la produzione da fonti rinnovabili. Importante: producono energia elettrica H24 senza inquinare.

Gli impianti idroelettrici basati sulle coclee a vite di Archimede per produrre idrogeno.

La turbina a vite è probabilmente la tecnologia più efficiente per i siti idroelettrici a basso salto e impianti di questo tipo stanno diffondendosi da qualche tempo in Italia. Rispettano la fauna ittica ed hanno costi di manutenzione minimi. Il funzionamento è molto semplice: la turbina ha la forma di una coclea: una vite senza fine con il suo asse nella stessa direzione del corso d’acqua (vedi figura sotto). La coclea ruota perché è messa in movimento dall’acqua che scarica la sua pressione sulla superficie elicoidale della vite senza fine e la fa ruotare sul suo asse, sfruttando così l’energia potenziale del salto d’acqua nel quale la macchina è installata. Grazie al moto rotatorio continuo della coclea che è collegata ad un moltiplicatore di giri, l’energia viene trasferita al generatore che produce corrente elettrica (il principio di funzionamento anche qui è quello della “dinamo” della bicicletta).

Una singola coclea (o turbina a vite di Archimede) può avere una potenza fino 500 kW ma si possono installare più turbine a vite in parallelo. Il range totale di potenza installata, per questo tipo di impianti, varia tra i 50 kW e i 2000 kW. Sono impianti forniti, chiavi in mano, da ditte specializzate. Le soluzioni includono paratoie, griglie, il monitoraggio remoto, i controlli periodici e i ricambi. Il generatore idroelettrico basato sulla coclea d’Archimede è sempre posto all’interno di una canalizzazione in cemento armato realizzata lungo il corso d’acqua. I generatori idroelettrici a coclea hanno un rendimento elevato e permettono di ottenere energia elettrica pulita da piccoli salti nei corsi d’acqua che non sarebbero economicamente utilizzabili con le classiche turbine Francis, Kaplan e Pelton. Le coclee idrauliche possono essere installate anche nei salti disponibili lungo piccoli corsi d’acqua come per esempio: canali per irrigazione, canali industriali, scarichi da impianti di depurazione, torrenti, anche in zone impervie.

Dati di un impianto idroelettrico a coclea (300 Kw)

Potenza elettrica installata: 300 kW

Efficienza Energetica: 85% media

diametro della coclea: 2500 mm (in funzione della portata)

Lunghezza della coclea: da 2 metri a 20 metri

Salti d’utilizzo (altezza): da 0,5 metri a 10 metri

portata del corso d’acqua: da 0,5 m3/sec a 6 m3/sec

Numero di giri della coclea: 30 rpm

Angolo di inclinazione dell’asse coclea: 25°

Materiale della coclea: acciaio al carbonio

Calcolo della potenza elettrica dell’impianto a coclea

La potenza elettrica può essere calcolata tramite la formula semplificata:

P = H x ρ x Q x G x η    dove:

P = Potenza [W]

H = Salto [m]

ρ = Peso specifico (acqua) [1000 kg/m3]

Q = Portata [m3/s]

G = Accelerazione gravitazionale [9,8 m/s]

η = Rendimento totale della coclea

Esempio 1 Per ottenere circa 100 kW di potenza, l’impianto a coclea può essere di queste caratteristiche:

Salto 4 metri – Portata acqua 3,7 m3/s – Potenza lorda 145 kW – Rendimento della coclea: 75 % . Potenza netta 108 kW – Ore di funzionamento: 8500 ore/anno – Produzione annua di energia elettrica 925.000 kWh

Anche applicando la formula P = H x ρ x Q x G x η si ha lo stesso risultato: (4 metri x 1000 kg/m3 x 3,7 m3/s x 9,8 m/s x 0,75) = 108.000 Watt (108 kW)

Esempio 2 Salto 7 metri – Portata 4,5 m3/s – Potenza lorda 309 kW – Rendimento coclea: 75 % – Potenza netta 231 kW – Ore di funzionamento: 8500 ore/anno – Produzione annua 1.969.000 kWh

 La produzione di idrogeno da impianto idroelettrico a basso salto

Data una potenza nominale di impianto Pel (espressa in Kw) la produzione annuale di energia elettrica ha un valore medio che tiene conto delle oscillazioni della portata del corso d’acqua, di alcune altre variabili stagionali, dei tempi di manutenzione etc.. La produzione annua di energia elettrica viene quindi calcolata moltiplicando la potenza elettrica dell’impianto per il numero di ore di esercizio nette dell’impianto. Si considera che durante un certo numero di ore l’istallazione sia fuori servizio per i normali lavori di manutenzione e talvolta a causa delle piene. Quindi è ragionevole considerare come riferimento l’esercizio effettivo di 8500 ore all’ anno. L’energia elettrica prodotta annualmente si determina allora con questa formula:

Energia = Pel x 8500     dove:

E (en. elettrica prodotta all’anno) = Pel (potenza elettrica media in kW dell’impianto) x 8500 (ore nette)

Per esempio un impianto idroelettrico da 100 kW produce in media 850.000 kWh di energia elettrica all’anno (100 potenza netta impianto x 8500 ore nette/anno = 850.000 kWh)

 Quanto idrogeno si può produrre con questa energia idroelettrica ?

Il Dipartimento di energia americano (DOE), qualche anno fa ha indicato la quantità di energia elettrica indicativamente necessaria per produrre 1 kg di idrogeno mediante il processo di elettrolisi dell’acqua: 43 KWh. Questo valore si è ulteriormente abbassato di recente, grazie a nuove tecnologie e alcuni materiali innovativi adottati negli elettrolizzatori

Dividendo la produzione annuale di energia dell’impianto idroelettrico a coclee (850.000 kWh) per tale valore (43 kWh) si ottengono dall’impianto 19.767 Kg di idrogeno all’anno (850.000/43 = 19.767).

Se si vuole conoscere la produzione giornaliera di idrogeno il risultato è 55 kg (19767 kg H2 prodotti annualmente/8500 ore utili/anno x 24 ore, in quanto l’idroelettrico funziona H24).

Una Toyota Mirai a idrogeno di ultima generazione percorre circa 600 km con 1 kg di idrogeno ed il suo serbatoio contiene 5 kg di idrogeno a 700 bar. Una stazione di rifornimento di idrogeno prodotto sul posto da un impianto idroelettrico a basso salto a coclee (viti di Archimede) di soli 100 kW di potenza, potrebbe quindi rifornire fino a 10 auto a idrogeno di questo tipo al giorno.

 

Mediamente le centrali idroelettriche a basso salto hanno potenze fra i 200 kW e i 2000 kW. Considerata una centrale media di 1000 kW la produzione giornaliera di idrogeno prodotto in loco potrebbe essere di 50 kg: una quantità in grado di alimentare una flotta di 100 auto a idrogeno.

Il prevedibile ed ulteriore sviluppo delle centrali idroelettriche a basso salto basate sulle coclee è da considerare fondamentale per la realizzazione e lo sviluppo della rete italiana di stazioni di rifornimento di idrogeno. Il nostro territorio è certamente l’unico in Europa che presenta le caratteristiche morfologiche più adatte per l’idrogeno “total green” prodotto in loco.

 

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