Nel settore energetico il continuo focus sull'energia rinnovabile sta facendo emergere alcune nicchie di mercato, specialmente per il basso impatto ambientale e per gli alti livelli di efficienza; una di queste nicchie è rappresentata dal mini idroelettrico che, grazie alle tariffe incentivanti ed alla piccola occupazione di spazi, sta riscuotendo una costante attenzione da parte di aziende ed istituzioni. L'Ing. Emanuele Quaranta (DIATI Hydraulics - Politecnico di Torino) nel corso dell'articolo descrive i vantaggi che questa tecnologia può conferire, ed alcuni risultati ottenuti da sperimentazioni in ambito universitario.
Cos'è una ruota idraulica?
La ruota idraulica è stata una delle prime macchine a sfruttare l’energia dell’acqua per generare energia meccanica, in particolare per la macinazione dei cereali. Le prime ruote idrauliche ruotavano rispetto ad un asse verticale, ossia in un piano orizzontale, e sfruttavano la velocità del flusso d’acqua. Le ruote ad asse orizzontale vennero introdotte più tardi. Sebbene queste necessitavano di opere aggiuntive per la trasmissione e conversione del moto, furono presto preferite grazie al fatto che in pianta occupavano meno spazio, e alle maggiori efficienze, potendo sfruttare sia l’energia cinetica che il peso dell’acqua.
Esistono due macrocategorie di ruote ad asse orizzontale. Le cosiddette stream water wheels sono impiegate in acqua fluente (Fig.1), e sfruttano l’energia cinetica dell’acqua, con efficienze dell’ordine del 30-40%. Recenti studi hanno dimostrato che, in canali senza salti di fondo, l’effetto diga generato da una ruota può essere impiegato per generare una differenza di livello d’acqua tra monte e valle, potendo così sfruttare anche una spinta idrostatica oltre che alla velocità della corrente. Inoltre, mediante anche l’inserimento di strutture appositamente sagomate, l’efficienza massima delle stream wheels può così arrivare intorno al 70%.
Fig.1 Ruota idraulica tipo stream wheel.
Le gravity water wheels (o ruote a gravità) sfruttano invece il peso dell’acqua (energia potenziale), e in parte l’energia cinetica. Vengono quindi utilizzate in siti dove è presente un salto idraulico, ossia dove esiste una differenza di livello tra monte e valle della ruota. In funzione del punto di ingresso dell’acqua, è possibile distinguere ruote di tipo overshot, breastshot e undershot. Nelle ruote overshot (o dall’alto) l’acqua entra alla sommità della ruota, riempiendo i vani situati su lato di valle della ruota stessa. Nelle altre due tipologie, l’acqua riempie i vani sul lato di monte della ruota, entrando dal fianco della ruota (ruote breastshot, o di fianco), o nella parte sottostante (undershot, o dal basso). Dunque, le breastshot e undershot ruotano nel verso opposto rispetto alle overshot (Fig.2).
Fig.2 Ruota idraulica dal fianco (sinistra) e dall’alto (destra).
Potenzialità dei piccoli impianti e delle ruote idrauliche
Oggigiorno, grazie al constante aumento dell’interesse verso le fonti rinnovabili, l’idroelettrico sta rivestendo un ruolo di primaria importanza nella produzione di energia pulita. Poiché però i siti in cui installare grandi impianti idroelettrici sono sostanzialmente esauriti in Europa, il mini/micro idroelettrico sta suscitando una notevole attrazione, grazie anche alle tariffe incentivanti per i piccoli impianti. Per mini idroelettrico si intendono tutti quegli impianti con potenze installate al di sotto dei 1000 kW, mentre per micro idroelettrico quegli impianti con potenze al di sotto dei 100 kW, nei quali rientrano le ruote idrauliche. Il progetto Restor Hydro della European Small Hydropower Association stima che in Europa siano circa 350.000 i siti adatti ad impianti di questo tipo. In Italia si stima che il potenziale sfruttabile da impianti mini/micro idroelettrici sia superiore ai 10 TWh annui, e più di 5000 i siti con ruote idrauliche e mulini storici, centraline abbandonate, sbarramenti e altre strutture idrauliche a questi fini (Fig.3). Le ruote idrauliche possono così essere installate per produrre energia meccanica e/o elettrica in siti con bassi salti idraulici (tipicamente < 5 m) e basse portate (dell’ordine del metro cubo al secondo per metro di larghezza), ad esempio lungo canali irrigui, dove altre tipologie di turbine risulterebbero non economicamente convenienti. Le ruote idrauliche, inoltre, sono di facile costruzione, necessitano di poche opere di regolazione e generano bassissimi impatti ambientali, con periodi di ritorno economico dai 7 ai 12 anni (minori rispetto ai 25-30 anni circa delle turbine Kaplan, e leggermente inferiori a quelli delle coclee idrauliche, o viti di Archimede). Quando installate all’interno di vecchi mulini, le ruote permettono anche di preservare e valorizzare il patrimonio culturale.
Fig.3 Mulino di Verolengo (Torino).
Risultati ingegneristici ottenuti dalla ricerca scientifica
Al Politecnico di Torino sono state studiate sperimentalmente ruote overshot e breastshot, in modo da determinarne i rendimenti (Fig.4). Dai risultati sperimentali si osserva come l’efficienza delle ruote sia costante all’interno di un ampio range di portate. Questo significa che, anche al variare delle condizioni di lavoro, le ruote continuano a lavorare in modo efficiente. Le massime efficienze meccaniche si assestano intorno al 75% per le breastshot con ingresso a paratoia (che arrivano all’80% se con ingresso a stramazzo) e 85% per le overshot. Le analisi teoriche condotte hanno invece avuto lo scopo di fornire strumenti predittivi utili a fini ingegneristici per la stima dei rendimenti. Sono in corso analisi fluidodinamiche di tipo numerico, utili alla comprensione dell’interazione idraulica tra la ruota e l’acqua, col fine di ottimizzarne il design (ad esempio la forma delle pale).
Fig.4 Ruota idraulica dal fianco sulla sinistra, con diametro di 2 m (modello in scala della ruota del mulino di Verolengo, Torino) e ruota dall’alto sulla destra, con diametro 1.4 m (modello in scala della ruota di Ciconio, Torino)
In conclusione, possiamo affermare che la produzione di energia da ruote idrauliche sta suscitando un progressivo interesse, grazie alla loro convenienza rispetto ad altri tipi di turbine, ed al contesto nel quale possono essere utilizzate. Le ruote risultano avere una rilevante efficienza (se ben progettate) e periodi di ritorno economico molto convenienti. Tuttavia, sebbene le ruote idrauliche siano una tecnologia non recente, questo non significa che siano di facile progettazione (anche se di semplice installazione e costruzione rispetto ad altre tecnologie).
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