Turbine idrauliche: come funzionano

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Turbine idrauliche, trasformano energia in energia. Energia potenziale o cinetica di un fluido, in meccanica e, poi, volendo elettrica, se ci serve così. Si tratta di dispositivi meccanico con un rendimento piuttosto elevato, stimato in media sopra il 90%, e per questo sono molto apprezzate, anche se la loro installazione non è sempre molto “agile”: richiede parecchie infrastrutture.



Le turbine idrauliche sono generalmente costituite da un organo fisso, il distributore, e da uno mobile: la girante. Il distributore da la direzione alla portata che poi arriva alla girante, regolandola anche e trasformando l’energia di pressione della portata in energia cinetica. Quando questa trasformazione avviene in modo completo nel distributore, le turbine idrauliche sono dette ad azione, altrimenti possiamo parlare di turbine idrauliche a reazione. Passando dal distributore alla girante, dove assistiamo alla trasformazione dell’energia potenziale e/o cinetica dell’acqua – quella che arriva a seconda della tipologia – in energia meccanica resa sull’albero motore.

L’antenata delle turbine elettriche è la ruota idraulica molto usata a partire dal XVII secolo e basata quasi esclusivamente sullo sfruttamento dell’energia potenziale. Non riusciva a fornire grandi potenze, per cui non ha subito sopolato. Meglio è andata quando si è passati con le turbine idrauliche moderne allo sfruttamento dell’energia cinetica.

Verso il XIX secolo ecco quindi le turbine idrauliche di tipo Pelton, con l’inconveniente però di bacini artificiali alquanto costosi dovuti alla necessità di dislivelli anche di centinaia metri. Via via ci si è avvicinati alle turbine idrauliche con meno pretese e adatta anche ad altezze di pochissimi metri (2 – 3), le Kaplan, che sembrano eliche intubate. Archiviate nei musei le ruote idrauliche, o quasi, oggi per la produzione di energia elettrica Pelton, Francis e Kaplan sono le turbine idrauliche più usate.

Il principio di funzionamento in linea generale è lo sfruttamento della caduta di un fluido ed è quindi legato all’altezza a cui è posto il serbatoio di monte, rispetto al serbatoio di valle, sono entrambi parte delle turbine idrauliche e di solito sono a pressione atmosferica.

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Turbine idrauliche Pelton

Le turbine idrauliche di questo tipo sono ad azione e munite di uno o più ugelli che trasformano totalmente la pressione dell’acqua in energia cinetica. Di solito le troviamo con salti dai 50 ai 1300 metri. Ogni ugello di questi dispositivi crea un getto con portata regolata da una valvola a spillo, c’è poi un tegolo deflettore che devia il flusso dalle pale in modo da ovviare inconvenienti in caso di brusco distacco di carico.

Un inconveniente delle turbine idrauliche Pelton è il fatto che possono elaborare un volume d’acqua limitato, per il rischio di interferenza tra i singoli flussi provenienti da due ugelli affiancati. Le troviamo comunque sia in asse verticale che orizzontale, sia in grandi impianti che per impianti micro-idroelettrici.

Turbine idrauliche Turgo

Si tratta di turbine idrauliche ad azione anche in questo caso ma i salti a cui possono lavorare sono molto differenti: siamo tra i 15 ed i 300 metri. Rispetto alla Pelton, questa tipologia prevede pale con forma e disposizione diverse in modo che un getto colpisce simultaneamente più pale. Grazie a questo espediente, le turbine idrauliche Turgo non hanno limitazioni particolari sul volume di acqua.

Per come sono progettate, non prevedono la presenza di un moltiplicatore con conseguenti diminuzione dei costi ed aumento dell’affidabilità. Molto diffuse in Europa, le turbine idrauliche Turgo non piacciono molto in Italia, per lo meno, non ancora, in generale sono consigliate in situazioni con forti variazioni di flussi o in acque torbide.

Turbine idrauliche Kaplan

Ecco delle turbine idrauliche a reazione, al contrario delle precedenti, e anche a flusso assiale, perfette anche per bassi salti, da 2 a 20 metri. Le pale della ruota sono sempre regolabili, mentre quelle del distributore possono essere fisse o regolabili, così ci sono due tipologie diverse di queste turbine idrauliche. Quella a doppia regolazione, la vera Kaplan, è quella con tutte le pale regolabili mentre se sono regolabili solo le pale della ruota abbiamo una semi-Kaplan, o a singola regolazione.

La potenza massima oggi raggiunta dalle turbine idrauliche Kaplan è di circa 200.000 kW. Da questo “modello” derivano poi le turbine idrauliche da immergere nell’acqua in impianti che sfruttano il moto delle maree: sono dette a bulbo e hanno il generatore ed il moltiplicatore opportunamente contenuti in una cassa impermeabile.

Turbine idrauliche Francis

Restiamo tra le turbine idrauliche a reazione a flusso radiale, ma le Francis hanno per forza il distributore a pale regolabili e il girante a pale fisse e sono molto utilizzate per salti compresi tra i 10 e i 350 metri. C’è anche il modello “Francis veloci”, sempre con flusso radiale ma scarico assiale. La particolarità è che l’acqua passa dal distributore al girante senza entrare in nessun momento in contatto con l’atmosfera ma non sono turbine idrauliche con molti vantaggi rispetto alle altre, le troviamo quasi solo in centrali di pompaggio.

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Microturbine idroelettriche

Si tratta di turbine idrauliche che rientrano a pieno titolo nella categoria “micro idroelettrico” quindi degli impianti alimentati idroelettrici di potenza elettrica non superiore ai 100 kW, a limitato impatto ambientale.
In questa scala di azione le più usate sono senza dubbio le Pelton, oltre a quelle dette Banki, e sono ovviamente ideali per portate d’acqua limitate.

Troviamo questi micro impianti sia utilizzati con acqua fluente sia all’interno di acquedotti, le condizioni per il loro funzionamento sono due ed essenziali. Deve esserci un salto d’acqua sufficiente, anche di pochi metri, e una portata d’acqua, abbastanza costante e non stagionale, anche solo 0,5 litri al secondo però vanno bene.

Per quanto riguarda le concrete applicazioni delle microturbine idroelettriche, si guarda sia a impianti connessi alla rete sia a quelli isolati, senza preferenze di sorta. Non posso però non ricordare che nel primo contesto queste speciali turbine idrauliche possono usufruire degli incentivi dedicati alle fonti rinnovabili oltre ad essere una opportunità per effettuare lo scambio sul posto.

Le microturbine hanno le loro convenienze, quindi, e risultano ideali anche per soddisfare il fabbisogno elettrico di edifici privi di un collegamento alla rete, se ovviamente c’è sufficiente disponibilità d’acqua. Esempi? Piccole comunità isolate, fattorie, rifugi montani e agriturismi.

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Pubblicato da Marta Abbà il 14 febbraio 2016