Acqua ed energia elettrica

 

L’acqua come forza motrice

La forza dell’acqua è stata utilizzata fina dai tempi antichi per ottenere energia meccanica con la quale si azionavano differenti tipi di macchine. L’esempio che sicuramente ci è più famigliare è quello dei mulini idraulici dove l’acqua, opportunamente incanalata, faceva girare una particolare “ruota” alla quale era collegata (attraverso degli ingranaggi) la macina. Numerosi altri “opicifi” sono stati nel tempo azionati dall’energia idraulica: battiferro, segherie, filande, ecc…

Solo nel secolo scorso l’uomo ha iniziato a servirsi della forza dell’acqua per produrre un altro tipo di energia facilmente trasportabile e quindi utilizzabile a grande distanza dai luoghi di produzione: l’energia elettrica.

L’energia elettrica

Prima di illustrare come si utilizza la forza dell’acqua per ottenere energia elettrica è bene spiegare brevemente come si produce la corrente elettrica. La corrente elettrica si ottiene facendo ruotare una calamita in mezzo ad un avvolgimento di filo metallico. Il campo magnetico prodotto dalla calamita ruotando “induce” nell’avvolgimento un campo elettrico e quindi della corrente elettrica. Le macchine che svolgono questa funzione sono chiamate “dinamo” o “alternatori” a seconda che producano corrente continua o corrente alternata. Una dinamo utilizzata nella vita quotidiana è quella che alimenta il fanale di alcune biciclette. Il magnete in questo caso viene fatto girare dalla ruota e quindi azionato dalla persona che pedala. Naturalmente per la produzione di grandi quantità di corrente elettrica vengono costruiti alternatori e dinamo molto grandi; all’interno di queste macchine non ci sono delle calamite (perchè in natura non ne esistono così grandi) bensì dei magneti artificiali ottenuti facendo passare della corrente elettrica attorno a dei nuclei di ferro. La poca corrente necessaria per creare l’elettrocalamita viene prodotta da una dinamo più piccola. L’utilizzo dell’acqua per la produzione di energia elettrica. Dopo questa breve spiegazione su come si ottiene la corrente elettrica è facile intuire che nel processo descritto la forza dell’acqua viene utilizzata per far girare le dinamo o gli alternatori. Questo non avviene in modo diretto ma attraverso una “turbina”; una specie di “ruota” di mulino mossa dall’acqua e collegata alla dinamo e all’alternatore attraverso un albero metallico. L’acqua per far girare la turbina deve aver una certa velocità; è necessario quindi che il punto dove viene prelevata si trovi ad una quota maggiore del punto in cui si trova la turbina. Tutto ciò può essere realizzato in vari modi in funzione della quantità d’acqua che si ha a disposizione, del regime idraulico del corso d’acqua che viene utilizzato, della quantità di energia che si vuole produrre. Un metodo è quello di deviare con un piccolo sbarramento e un’opera di presa una parte dell’acqua di un torrente o di un fiume in un canale. Il canale permette di far arrivare l’acqua nel luogo dove viene prodotta l’energia elettrica. Questo luogo è chiamato “centrale idroelettrica” ed è un edificio al cui interno si trovano tutta una serie di apparecchiature tra le quali le turbine e gli alternatori. In particolare l’acqua, attraverso il canale, viene portata in una “vasca di carico” situata un po’ più a monte e ad una certa quota al di sopra della centrale; da questa vasca partono dei grossi tubi (“condotte forzate”) nei quali l’acqua scende a grande velocità andando a mettere in movimento le turbine ed azionando quindi gli alternatori all’interno della centrale. Nel caso di corsi d’acqua a regine torrentizio può capitare che nei periodi di magra non ci sia acqua sufficiente per far funzionare una centrale idroelettrica. In questi casi si possono costruire delle dighe e creare dei laghi artificiali in cui è possibile immagazzinare l’acqua dei periodi più piovosi per utilizzarla durante la stagione secca. Un serbatoio artificiale può essere paragonato ad una vasca da bagno: sul suo fondo, generalmente in prossimità della diga, esiste uno scarico al quale sono collegate le condotte forzate che portano l’acqua alle turbine della centrale. Nel caso il serbatoio sia pieno e continui ad arrivare più acqua di quella che viene utilizzata dalla centrale idroelettrica, questa viene riservata a valle della diga da uno scarico di superficie che funziona come lo scarico che evita che l’acqua della vasca esca dal bordo quando ci dimentichiamo il rubinetto aperto. A volte la stessa acqua viene utilizzata per far funzionare più centrali; queste sono sistemate ad una certa distanza l’una dall’altra ma soprattutto ogni centrale si trova ad una quota superiore a quella della centrale successiva. In questo modo l’acqua dopo aver fatto girare le turbine della prima centrale può, percorrendo il dislivello che la separa dalla successiva, raggiungere la velocità (e quindi l’energia) necessaria per farne girare le turbine. A valle della seconda centrale ce ne può essere una terza, situata ancora più in basso, e così via. Infine l’acqua viene restituita al fiume o al torrente dal quale è stata derivata oppure può essere utilizzata per altri scopi quali l’irrigazione dei campi o al servizio del acquedotti.

Il trasporto e al distribuzione dell’energia elettrica

Come già accennato l’energia elettrica generata nelle centrali può essere facilmente trasportata e utilizzata in luoghi anche molto lontani: la corrente elettrica che utilizziamo nelle nostre case può essere stata prodotta anche in centinaia di chilometri di distanza dai nostri paesi. Il trasporto dell’energia avviene attraverso i fili dell’alta tensione. Questi sono così chiamati in quanto la corrente che corre lungo di essi ha un voltaggio di centinai di migliaia di volt. La corrente elettrica che utilizziamo nelle nostre case ha invece una tensione di 220 volt, mentre la corrente prodotta nelle centrali ha una tensione ancora diversa. Esistono delle macchine chiamate “trasformatori” che sono in grado di cambiare la tensione della corrente elettrica. La corrente elettrica prodotta nelle centrali viene trasformata in corrente ad alta tensione per essere trasportata nelle linee elettriche per lunghe distanze; poi altri trasformatori riducono la tensione per far arrivare la corrente a 220 volt nelle case.

Le dighe

Le dighe sono opere di sbarramento dei corsi d’acqua che servono a formare dei serbatoi (laghi artificiali o invasi) che hanno almeno uno dei seguenti scopi:

  • Produzione di energia elettrica
  • Rifornimento di acqua potabile
  • Irrigazione
  • Laminazione delle piene

Le dighe si distinguono in tre tipi fondamentali in base al modo in cui resistono alla spinta idrostatica dell’acqua degli invasi:

  • A gravità, in cui alla spinta dell’acqua si oppone il peso proprio della diga
  • Ad arco, che scaricano al spinta dell’acqua sui fianchi della valle dove è impostata la diga
  • Ad arco-gravità (o ad azione combinata), in cui collaborano alla resistenza sia il peso proprio che l’effetto arco.

Elementi accessori di una diga:

  • l’opera di presa, che comprende le strutture e i meccanismi necessari per prelevare l’acqua dal serbatoio per gli utilizzi acquedottistici, irrigui, o di produzione di energia elettrica.
  • le opere di scarico:

– lo sfiorante, o scarico di superficie, attraverso il quale le portate del torrente, a serbatoio pieno, possono oltrepassare la diga senza danneggiare né le opere artificiali né l’alveo naturale;

– lo scarico di fondo, mediante il quale si rende possibile effettuare il rapido svuotamento del serbatoio per consentire l’ispezione delle parti normalmente sommerse

La vecchia diga

La “vecchia diga” si trova lungo la forra del Cellina qualche centinaio di metri a valle della confluenza del torrente Molassa.

Era l’opera di sbarramento e di presa dei primi impianti di tipo industriale che hanno sfruttato le acque del Cellina per scopi idroelettrici.

E’ stata costruita tra il 1900 e il 1905 e serviva a deviare una parte dell’acqua del torrente nel canale di adduzione che alimentava i quattro gruppi generatore turbina Francis-alternatore ad asse orizzontale della Centrale di Malnisio.

La diga è alta solo 18 metri; di fatto non si tratta di una diga vera e propria bensì di una traversa: un’opera di sbarramento, posta ortogonalmente rispetto al torrente che serve a captare solo una parte dell’acqua senza creare un invaso a monte.

La portata del canale era quindi inferiore alla portata minima del torrente in modo da disporre sempre dell’acqua necessaria a far funzionare la centrale. In questo modo inoltre, l’acqua che non veniva deviata nel canale proseguiva lungo il suo corso normale nell’alveo del torrente.

Le fondazioni della diga sono in calcestruzzo mentre la parte in elevazione è in pietra squadrata; gli scivoli su cui l’acqua non captata scende per proseguire poi lungo l’alveo naturale, sono ricoperti di grossi blocchi squadrati in porfido.

Sopra la diga era stato ricavato un impalcato largo tre metri su cui passava la strada che collegava Montereale con Andreis e Barcis.

Le turbine

Le turbine idrauliche trasformano l’energia cinetica dell’acqua in movimento rotativo. Vengono azionate dall’acqua che scende, da un certo livello ad uno più basso, lungo delle condotte forzate. Il movimento rotativo della “girante” (così viene chiamato quel dispositivo, all’interno della turbina, che viene fatto girare dall’acqua) viene poi trasmesso ad una dinamo o ad un alternatore attraverso un albero metallico.

Esistono tre tipi fondamentali di turbine:

  • La turbina a Pelton, ad asse generalmente orizzontale, è particolarmente adatta ad alti dislivelli. La girante è costituita da un disco alla cui periferia sono montate el palette con forma a doppio cucchiaio.
  • La turbina Francis, ad asse verticale o orizzontale, è usata per medi dislivelli e medie portate. Si caratterizza per la camera forzata a spirale: “chiocciola”.
  • La turbina Kaplan, ad asse generalmente verticale, viene impiegata nelle centrali idroelettriche di grande potenza e rappresenta il tipo di turbina con maggiore efficienza. La girante ha la forma di un’elica con pale mobili che possono essere orientate per meglio sfruttare variazioni di portata o di velocità dell’acqua.