condotte adduttrici con produzione idroelettrica
Una modalità da non trascurare per la produzione di energia elettrica dagli acquedotti è senza dubbio quella inerente lo sfruttamento delle condotte di adduzione che in molte servizi idrici effettuano il trasporto di ingenti volumi a notevoli distanze e con dislivelli anch’essi notevoli. Tipici esempi sono gli acquedotti che vengono alimentati dai bacini artificiali di alta montagna posti lontano decine di chilometri e a quote altimetriche di centinaia di metri maggiori rispetto a quelle di consumo dell’acqua.
Bisogna però rilevare come di norma negli impianti già realizzati non sussistano, almeno in linea teorica, possibilità di funzionamento delle macchine di produzione idroelettrica per il motivo semplicissimo che tutto il carico disponibile all’origine viene dissipato nel trasporto dell’acqua fino al serbatoio di arrivo. Ciò dipende dalle modalità correnti di progettazione delle condotte stesse che, per ovvi motivi di economia nella costituzione delle opere, prevedono che il carico disponibile sia totalmente impiegato senza lasciare alcunché disponibile per altri fini che non siano quelli prettamente acquedottistici.
Per rendere meglio comprensibili i concetti consideriamo l’esempio di una condotta singola di adduzione del diametro di 80 cm, lunga Km 10 che deve alimentare, con una portata assolutamente costante per tutta l’annata tipo di 1,70 mc/sec, un serbatoio posto in basso e ad un dislivello di circa 150 m esattamente corrispondenti alle perdite di carico in gioco e quindi con nessun carico residuo. Per gli scopi qui ricercati di produzione elettrica è necessario modificare la condotta di adduzione e lo si può fare in vario modo a seconda dei risultati che si vuole ottenere. Nel caso si volessero seguire le modalità normalmente in uso negli impianti idroelettrici si dovrebbe sostituire tale condotta con un canale a pelo libero che, con una perdita di carico totale di pochi metri per tutta l’estensione dei 10 Km, consentirebbe di immettere nel serbatoio la richiesta portata di 1.70 mc/sec ed al tempo stesso di produrre energia elettrica in notevole quantità grazie ad un salto utile finale che in tale ipotesi ammonterebbe a oltre145 metri. Ovviamente si tratta di una soluzione che non è nemmeno ipotizzabile vista la normale conformazione dei luoghi. Per ottenere comunque buoni risultati sarà sufficiente aumentare il diametro, in origine pari a 80 cm sufficienti al solo trasporto idrico. Ne deriva una struttura che ad una notevole semplicità costruttiva contrappone complesse modalità di esercizio con delle incognite di base.
E’ ben noto come, al fine dare stabilità e sicurezza all’esercizio, il salto utile dei normali impianti idroelettrici sia utilizzato tramite una condotta forzata idraulicamente indipendente dal canale di adduzione che funziona a pelo libero ed inoltre come sia sempre presente la vasca di carico o di espansione posta in testa alla condotta forzata stessa e che contribuisce in tal senso e molto efficacemente con il notevole volume d’acqua ivi sempre presente. Le cose sono totalmente diverse e più complesse nel caso in questione essendo possibile derivare dalla lunga condotta in pressione indifferentemente grandi portate con carichi esigui oppure portate modeste con carichi molto elevati, il tutto in funzione delle modalità di regolazione adottate ma comunque con pericolo di instabilità di funzionamento.
Per una buona conoscenza del problema viene qui esaminato il comportamento di una serie di condotte di diametro via via crescente determinando perdita di carico, carico idraulico disponibile e potenza risultanti per portate variabili da zero al valore massimo adducibile.
I dati principali sono elencati nelle tabelle 1, 2 e 3 allegate mentre il diagramma della figura n. 1 riguarda la rappresentazione grafica dei salti idraulici e della producibilità elettrica per tubazioni di diametro variabile da 80 cm ad 1,2 m.
TABELLA 1 = DATI DI FUNZIONAMENTO DELLA CONDOTTA DI ADDUZIONE DEL DIAMETRO DI m 0.90
| DIAMETRO | PORTATA | PERDITA CARICO | VELOCITÀ | PERDITA CARICO TOTALE (KM10) | SALTO UTILE | POTENZA |
| M | MC/SEC | M/KM | M/SEC | M | M | KW |
| 0,90 | 0,200 | 0,113 | 0,177 | 1,129 | 43,871 | 287,742 |
| 0,90 | 0,500 | 0,706 | 0,442 | 7,056 | 137,945 | 689,723 |
| 0,90 | 1,000 | 2,822 | 0,884 | 28,222 | 116,778 | 1167,780 |
| 0,90 | 1,500 | 6,350 | 1,326 | 63,500 | 81,501 | 1222,508 |
| 0,90 | 2,000 | 11,289 | 1,768 | 112,888 | 32,112 | 642,240 |
| 0,90 | 2,200 | 13,659 | 1,945 | 136,594 | 8,406 | 184,921 |
TABELLA 2= DATI DI FUNZIONAMENTO DELLA CONDOTTA DI ADDUZIONE DEL DIAMETRO DI m 1.00
| DIAMETRO | PORTATA | PERDITA CARICO | VELOCITÀ | PERDITA CARICO TOTALE (KM10) | SALTO UTILE | POTENZA |
| M | MC/SEC | M/KM | M/SEC | M | M | KW |
| 1,00 | 0,200 | 0,064 | 0,255 | 0,644 | 144,356 | 288,713 |
| 1,00 | 0,500 | 0,402 | 0,637 | 4,023 | 40,978 | 704,888 |
| 1,00 | 1,000 | 1,609 | 1,274 | 16,090 | 28,910 | 1289,100 |
| 1,00 | 1,500 | 3,620 | 1,911 | 36,203 | 108,798 | 1631,963 |
| 1,00 | 2,000 | 6,436 | 2,548 | 64,360 | 80,640 | 1612,800 |
| 1,00 | 2,500 | 10,056 | 3,185 | 100,563 | 44,438 | 1110,938 |
| 1,00 | 3,000 | 14,481 | 3,822 | 144,810 | 0,190 | 5,700 |
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TABELLA 3= DATI DI FUNZIONAMENTO DELLA CONDOTTA DI ADDUZIONE DEL DIAMETRO DI m 1.20
| DIAMETRO | PORTATA | PERDITA CARICO | VELOCITÀ | PERDITA CARICO TOTALE (KM10) | SALTO UTILE | POTENZA |
| M | MC/SEC | M/KM | M/SEC | M | M | KW |
| 1,20 | 0,200 | 0,024 | 0,177 | 0,243 | 144,757 | 289,513 |
| 1,20 | 0,500 | 0,152 | 0,442 | 1,521 | 143,479 | 717,394 |
| 1,20 | 1,000 | 0,609 | 0,884 | 6,085 | 138,915 | 1389,150 |
| 1,20 | 1,500 | 1,369 | 1,326 | 13,691 | 131,309 | 1969,631 |
| 1,20 | 2,000 | 2,434 | 1,768 | 24,340 | 120,660 | 2413,200 |
| 1,20 | 2,500 | 3,803 | 2,210 | 38,031 | 106,969 | 2674,219 |
| 1,20 | 3,000 | 5,477 | 2,653 | 54,765 | 90,235 | 2707,050 |
Risulta molto interessante l’andamento della producibilità in funzione della portata addotta che, in tutte le condotte esaminate, presenta valore zero Kw nel punto iniziale a portata nulla ed in quello finale nel quale la portata è massima ma tutto il carico è dissipato per il suo trasporto, ma presenta soprattutto un culmine mediano di alta produttività preceduto e seguito da brevi tratti a tracciato sub orizzontale nei quali la produzione stessa si mantiene su valori prossimi a quello massimo per una escursione abbastanza notevole. E’ su detto elemento ad alta resa idroelettrica che è opportuno concentrare l’attenzione poiché se ne possono ricavare indicazioni molto utili per la definizione della soluzione ottimale.
La lista dei valori massimi di producibilità idroelettrica è approssimativamente quella riportata nella seguente tabella n. 4. Si nota immediatamente che, scartati i diametri 0.80 m e 0.90 m ed inoltre 1.20 m perché atti soltanto a trasportare, ovviamente entro l’area di funzionamento ottimale, portate rispettivamente inferiori e superiori di quella dell’esempio, la soluzione migliore è senza dubbio quella con condotta da un metro di diametro. Oltre a consentire lo sfruttamento del carico disponibile con la massima producibilità elettrica ( portata 1.70 mc/sec, salto utile m 98 e potenza KW 1670) essa
consente di modificare la portata da 1.30 a 2.10 mc/sec senza apprezzabili variazioni di potenza il che consente di ottenere quella stabilità effettiva di funzionamento e risolvere quindi il problema di regolazione prima posto.
TABELLA 4= DATI CARATTERISTICI DELL’AREA A FUNZIONAMENTO OTTIMALE PER I VARO DIAMETRI
| Diametro condotta | Punto di inizio area ottimale | Punto di fine area ottimale | Produzione idroelettrica media KW | ||
| Portata mc/sec |
Carico utile m | Portata mc/sec |
Carico utile m | ||
| 0.80 m | 0.90 | 102 | 1.10 | 81 | 900 |
| 0.90 m | 1.00 | 117 | 1.60 | 73 | 1170 |
| 1.00 m | 1.30 | 118 | 2.10 | 74 | 1530 |
| 1.20 m | 2.50 | 107 | 3.50 | 85 | 2670 |
Le considerazioni conclusive sullo sfruttamento delle condotte adduttrici degli acquedotti possono essere riepilogate come segue.
Esistono sicuramente delle situazioni molto favorevoli per la produzione idroelettrica derivante da un razionale sfruttamento dei carichi idrici però sussistono notevoli problemi di regolazione degli impianti che, essendo costituiti da condotte singole funzionanti in pressione, sono privi dei dispositivi di stabilizzazione come le vasche di carico, le condotte forzate idraulicamente separate dall’adduzione che sono generalmente adottate negli impianti del genere. Per ovviarvi occorre una oculata scelta delle condotte di adduzione che devono presentare una caratteristica particolare prima definita “area ottimale a funzionamento costante” ed inoltre delle apparecchiature automatiche di regolazione che tramite opportuni dispositivi elettro-meccanici come ad esempio una accurata modulazione della inclinazione delle pale o del distributore della turbina assicurino piena stabilità di funzionamento.