UNIVERSITA' DELL'AQUILA - DICEAA

 
UNIVERSITA' DELL'AQUILA - DICEAA
UNIVERSITA’ DELL’AQUILA
 Cattedra di Costruzioni Idrauliche ed Idrologia

         Costruzioni Idrauliche
              ed Idrologia
Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Civile Ambientale

   Raccolta, riordino ed ampliamento delle dispense del corso
             a cura del Prof. Ing. Maurizio Leopardi

                        A.A. 2017 - 2018
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Nota

Il Corso, limitato a volte alle nozioni più generali, vuole fornire i concetti di base di una
teoria applicata alla progettazione idraulica di opere elementari anche attraverso “esempi
di lavoro”.
Queste dispense, redatte per soddisfare le richieste degli studenti, e quindi, finalizzate
esclusivamente a fini didattici, sono raccolte e concesse in uso a titolo gratuito.
La valutazione dei risultati forniti dall'utilizzo delle applicazioni numeriche rientra nelle re-
sponsabilità di chi le impiega.
Nel testo sono inserite figure e tabelle, opportunamente modificate, tratte da testi rin-
tracciabili in bibliografia. Di alcune immagini scaricate dalla rete, per il numero elevato di
siti specializzati consultati, resta difficoltoso citare le fonti.

L'Autore si riserva la facoltà di aggiornamenti ed integrazioni, senza peraltro assumere
alcun impegno.

                                                                                     Premessa 2
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Premessa

                                                                     Energia da fonti rinnovabili
Il progresso economico delle società moderne necessita di un approvvigionamento continuo e cre-
scente di energia, indispensabile per molte ragioni ed attività. I settori che necessitano di un mag-
giore impegno di energie sono quello dei trasporti (che si basa per la quasi totalità sul petrolio), il
settore domestico (che deve oggi rispondere della richiesta crescente di comfort per le abitazioni) e
l'utilizzo di elettricità e di calore a scopi sia civili che industriali.
Per rispondere a questa continua domanda di energia in larga parte si ricorre a      fonti non rinnovabi-
li, idrocarburi in testa. In Europa la centralità dei combustibili fossili è particolarmente evidente: si
ricorre al petrolio per il 41% dei consumi nei tre settori sopra indicati, mentre per il 22% ci si affi-
da al gas naturale, seguito dall'energia ricavata dalla combustione dei solidi e dal nucleare.
Nel continente europeo le fonti energetiche non rinnovabili sono particolarmente limitate: oggi la
quantità di energia importata dai paesi extra-europei è circa la metà del fabbisogno energetico ne-
cessario, ma mantenendo la quota di utilizzo ai livelli attuali nel giro di venti o trent'anni il totale di
energia importata potrebbe superare il 70% dei consumi.

                                                                                              Premessa 3
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I rischi ambientali
L'utilizzo di fonti non rinnovabili per la produzione di energia comporta una seria minaccia per la
salvaguardia dell'ecosistema terrestre: le    emissioni di CO2 sono infatti tra i protagonisti principali
dei cambiamenti climatici causati dalle attività umane, come sottolineato chiaramente nel Protocol-
lo di Kyoto. Se già oggi questo dato rappresenta un grave problema per l'ambiente, entro il 2020 la
situazione potrebbe peggiorare drasticamente: secondo le attuali previsioni demografiche nei pros-
simi quindici anni la popolazione mondiale potrebbe infatti crescere di circa 2 miliardi di individui,
aumentando la domanda energetica totale di oltre il 60% rispetto al livello attuale. Questi fatti
spingono oggi i principali paesi industrializzati alla ricerca di soluzioni energetiche nuove e sosteni-
bili.
L'utilizzo delle fonti rinnovabili rappresenta la chiave di volta del cambiamento nella produzione e
nel consumo di energia. La natura infatti offre grandi potenzialità energetiche, grazie alle tradizio-
nali fonti di energia rappresentate dal   sole, dal vento, dalle biomasse, ed infine dall'acqua .
Le possibilità di sfruttare l'enorme potenziale delle fonti rinnovabili sono tuttavia condizionate da
alcuni fattori fondamentali, che attualmente limitano le realizzazioni pratiche di questo incredibile
potenziale energetico. In Europa ad esempio solo il 6% dei consumi energetici è ricavato da fonti
energetiche rinnovabili: i motivi principali di questo ritardo sono in parte strettamente tecnologici,
in parte dipendono dalle politiche energetiche dei singoli paesi industrializzati. La ricerca di soluzio-
ni scientifiche per lo sfruttamento delle fonti rinnovabili è infatti ai suoi inizi, e per questo motivo il
loro utilizzo spesso non è economicamente conveniente, poiché le spese di investimento iniziale so-
no recuperabili solo in tempi molto lunghi. Fino a pochi anni fa, d'altra parte, è mancata quella
coordinazione necessaria tra i governi dei paesi più sviluppati in grado di dare un impulso decisivo
all'utilizzo delle fonti pulite. In questi ultimi anni, tuttavia, in Italia, come nel resto d'Europa, sono
stati fatti molti sforzi per promuovere l’energia rinnovabile: ad una strategia comune di azione, in-
fatti, si è affiancata la ricerca di soluzioni tecnologiche innovative in grado di aumentare e migliora-
re lo sfruttamento delle "miniere" energetiche naturali. Il nostro paese per certi versi è in ritardo
rispetto agli obiettivi fissati dalla Comunità Europea, anche se ci sono alcuni motivi che fanno ben
sperare per il prossimo decennio. Più del 75 % dell'energia generata da fonti pulite in Italia provie-
ne dall'idroelettrico, di cui tuttavia sfruttiamo già un potenziale superiore al 70%: un margine ulte-
riore di sviluppo è rappresentato dal mini-idroelettrico, con piccoli impianti in grado di utilizzare
brevi salti d'acqua. Il 15% di energia viene prodotta dalle biomasse e dai rifiuti, l'11% dall'eolico e
dal fotovoltaico e la parte restante dalla geotermia.
Tra il 1996 e il 2006 l'Italia ha tuttavia aumentato le emissioni di CO 2 di oltre il 12%, mentre nello
stesso periodo la crescita di energia ricavata da fonti pulite è aumentata solo dell'1% circa: nono-
stante la ricerca di nuove soluzioni tecnologiche abbia ottenuto risultati importanti, diversi fattori
hanno influito sul ritardo. In linea di massima il problema principale è che le fonti energetiche rin-
novabili in Italia sono ancora rimaste ai margini dello sviluppo generale del paese.

Energia Solare
Benché l’Italia sia un paese che per posizione geografica potrebbe sfruttare notevolmente questa
risorsa, le politiche energetiche italiane hanno sottovalutato tale possibilità mentre nel resto del
mondo il solare è molto sfruttato. La torre solare , raffigurata nella Figura 1, produce oltre 10 me-
gawattora .

                                                                                              Premessa 4
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Figura 1. Solar Two Mojave Desert California

Il solare termico è un insieme di processi tecnologici con i quali è possibile la conversione diretta
dell'energia solare in energia termica. Esempio classico è la produzione dell'acqua calda sanitaria
e per il riscaldamento.

I pannelli solari sfruttano una tecnologia collaudata, presente sul mercato ormai da molti anni. Si
distinguono in sistemi solari a circolazione naturale o a circolazione forzata. Nel primo caso si sfrut-
ta un principio naturale secondo il quale un fluido più caldo, essendo più leggero, tende a salire
verso l’alto mentre un fluido più freddo (più pesante) tende a scendere verso il basso. In questi im-
pianti il serbatoio è posizionato sopra i pannelli solari. Il liquido che circola nei collettori, grazie
all’esposizione solare si scalda e confluisce naturalmente verso il serbatoio posizionato più in alto.
Qui cede calore all’acqua e, una volta raffreddato, torna verso i collettori (Figura 2).

                            Figura 2. Sistemi solari a circolazione naturale
Nei sistemi a circolazione forzata il meccanismo è regolato da una pompa collegata a una centrali-
na. Qui infatti il serbatoio può essere posizionato liberamente in un qualsiasi punto della casa, per-
tanto la circolazione del fluido dai pannelli solari al serbatoio viene controllato dalla pompa. In en-
trambi i casi il liquido primario (generalmente composto da acqua e antigelo) circola all’interno di
un circuito chiuso, che non viene mai a contatto con l’acqua sanitaria (Figura 3) .

                                                                                           Premessa 5
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Figura 3. Sistemi a circolazione forzata

Il solare termo-dinamico Progetto Archimede. Specchi parabolici concentrano la luce diretta del
sole su un tubo ricevitore (dentro il quale scorre il fluido termovettore), che assorbe l'energia rag-
giante e la converte in calore ad alta temperatura (Figura 4). Il fluido riscaldato (a 550 °C) viene
convogliato in un serbatoio "caldo", dove va a costituire l'accumulo di calore ad alta temperatura.
Dal serbatoio "caldo", il fluido è inviato ad uno scambiatore dove cede una parte di calore con il
quale viene generato vapore che alimenta un sistema convenzionale di produzione di energia elet-
trica. Il fluido conclude la sua corsa nel serbatoio "freddo", a 290°C, da dove viene prelevato e re-
immesso nel ciclo.

                                                                 Figura 4 .

Il Fotovoltaico
La tecnologia fotovoltaica (FV) consente di trasformare direttamente l'energia associata alla radia-
zione solare in energia elettrica sfruttando le proprietà di alcuni materiali semiconduttori che, se
opportunamente trattati, sono in grado di produrre elettricità senza l'uso di alcun combustibile. Poi-
ché solo una parte dell'energia solare che colpisce una cella fotovoltaica viene convertita in energia
elettrica, l'efficienza di conversione delle celle commerciali è compresa fra il 10% e il 14%. Pertanto
per produrre energie sufficienti per l’utilizzo civile sono necessarie grandi superfici per installare i
pannelli.

                                                                                           Premessa 6
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Le centrali fotovoltaiche sono impianti per la produzione di energia elettrica in larga scala con più
moduli fotovoltaici connessi in serie o parallelo. I moduli a lo-
ro volta sono costituiti principalmente da celle fotovoltaiche,
generalmente nel numero di 36 e collegate tra loro in serie.
Sia la tensione sia la potenza di un singolo pannello sono, tut-
tavia, insufficienti per la realizzazione di una centrale che
produca energia elettrica in modo significativo per le utenze
collegate. Per questo motivo, i pannelli sono in genere colle-
gati tra loro in serie formando le stringhe. Più stringhe in pa-
rallelo formano un sotto-campo fotovoltaico che fa capo a un
quadro di parallelo stringhe. L’insieme dei sottocampi forma
infine il campo fotovoltaico, cioè quella parte della centrale
fotovoltaica dove viene captata la radiazione solare che è tra-
sformata in energia elettrica.

La progettazione di un campo fotovoltaico comporta scelte particolari che ne determinano il funzio-
namento, in particolar modo per quello che riguarda la disposizione spaziale e l’inclinazione dei
pannelli costituenti le stringhe. Normalmente le stringhe vengono posizionate in file parallele, ad
una distanza tale da evitare che una determinata fila, in certe ore della giornata, non copra con la
propria ombra la stringa posta alle sue spalle. Per evitare l’ombreggiamento, che comporterebbe
una riduzione della radiazione incidente sui pannelli, la distanza minima tra le file è calcolata in ba-
se all’altezza e all’angolo di inclinazione dei pannelli, a sua volta dipendente dalla latitudine del luo-
go in cui sorge la centrale. L’inclinazione dei pannelli fotovoltaici può essere “fissa”, ossia indipen-
dente dai movimenti del sole, e “ad inseguimento solare", ossia variabile durante l’arco della gior-
nata per ottenere il massimo irraggiamento in tutte le ore del giorno.

                                    Figura 5 . Centrale Fotovoltaica

La progettazione di un campo fotovoltaico comporta scelte particolari che ne determinano il funzio-
namento, in particolar modo per quello che riguarda la disposizione spaziale e l’inclinazione dei
pannelli costituenti le stringhe. Normalmente le stringhe vengono posizionate in file parallele, ad
una distanza tale da evitare che una determinata fila, in certe ore della giornata, non copra con la
propria ombra la stringa posta alle sue spalle. Per evitare l’ombreggiamento, che comporterebbe
una riduzione della radiazione incidente sui pannelli, la distanza minima tra le file è calcolata in ba-
se all’altezza e all’angolo di inclinazione dei pannelli, a sua volta dipendente dalla latitudine del luo-
go in cui sorge la centrale. L’inclinazione dei pannelli fotovoltaici può essere “fissa”, ossia indipen-

                                                                                             Premessa 7
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dente dai movimenti del sole, e “ad inseguimento solare", ossia variabile durante l’arco della gior-
nata per ottenere il massimo irraggiamento in tutte le ore del giorno.
La centrale fotovoltaica di Serre Persano, attualmente la più grande centrale fotovoltaica operante
al mondo, che si sviluppa su una superficie di circa 5 ettari e mezzo, con una superficie di pannelli
installati di 26.500 mq. Si tratta di una centrale fotovoltaica che trasforma direttamente la luce del
sole in energia elettrica. Il campo fotovoltaico (il complesso di tutti i pannelli produttivi) è ulterior-
mente suddiviso in sezioni, o sottocampi: 9 di questi sono fissi, cioè i pannelli non si muovono,
mentre il decimo è definito come “sottocampo ad inseguimento solare”, in questo ultimo caso infat-
ti i pannelli variano automaticamente la loro inclinazione in modo da trovarsi sempre nella posizio-
ne ottimale per raccogliere il massimo di luce dal sole nell’arco della giornata. L’energia elettrica
prodotta con il procedimento fotovoltaico viene convogliata ad una stazione di trasformazione dove
la tensione viene elevata da 380 V a 20 kV e immessa nella rete. La potenza installata è di 3,3 MW
e la producibilità media annua è di 3500 MWh, pari al consumo medio annuo di 1400 famiglie.

Energia eolica
È l'energia prodotta dal vento. L'energia del vento viene utilizzata mediante l'impiego di macchine
eoliche in grado di trasformare l'energia eolica in energia meccanica di rotazione che può essere
utilizzata per produrre elettricità, in questo caso il sistema di conversione è chiamato aerogenerato-
re.
I rotori vengono classificati in macchine ad asse orizzontale con l'asse parallelo alla direzione del
vento e in macchine ad asse verticale nelle quali l'asse del rotore è perpendicolare al terreno e alla
direzione del vento (Figura 6) .

                                        Figura 6. Impianto eolico

Energia Geotermica
È l'energia prodotta dalle sorgenti di calore del sottosuolo della Terra. L'origine di questo calore di-
pende dalla natura interna del nostro pianeta e dai processi fisici che in esso hanno luogo. La pre-
senza del calore si manifesta con l'aumento progressivo della temperatura delle rocce con la pro-
fondità. L' energia termica accumulata nella terra viene resa disponibili tramite dei vettori che si
chiamano fluidi geotermici, che possono raggiungere spontaneamente la superficie, dando luogo a
manifestazioni geotermiche naturali come i geyser, le fumarole, le sorgenti calde, oppure possono
essere utilizzate a fini industriali per la produzione di energia (Figura 7).

                                                                                             Premessa 8
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Figura 7. Utilizzo dell’energia geotermica

Si stima, ad esempio, che l'energia geotermica presente nel sottosuolo degli Stati Uniti ammonti a
circa 90 milioni di miliardi di chilowattora, che sarebbe una quantità 3000 volte superiore al fabbi-
sogno nazionale. Anche l'Italia, grazie alle ampie zone vulcaniche, ha un ottimo potenziale geoter-
mico che potrebbe essere sfruttato. In Italia la produzione di energia elettrica da questa fonte è di
circa 4 GWh, prodotta da 13 impianti. Di cui il più antico è quello di Larderello (PI) , realizzato nel
1904.

                                                                      Figura 8. Impianto di Lardarello

Maree e moto ondoso
L'energia mareomotrice è quella ricavata dagli spostamenti        d'acqua causati dalle maree, che in
alcune zone del pianeta possono raggiungere anche i 20 metri di ampiezza verticale. Già
nell’antichità si cercò di sfruttare questo tipo di energia, mediante la costruzione di "mulini a ma-
rea". L’acqua veniva raccolta, durante il flusso, in un piccolo bacino, che veniva in seguito chiuso
con una paratia. Al momento del deflusso l’acqua veniva convogliata attraverso un canale verso
una ruota che muoveva una macina.
Produrre energia dal mare attraverso lo sfruttamento delle maree può realizzarsi con impianti si-
mili a quelli idroelettrici. Uno sbarramento trattiene l'acqua in un bacino fino al livello dell'alta ma-
rea; successivamente vengono aperte le condotte che alimentano le turbine e l’alternatore. Figura
9).

                                                                                            Premessa 9
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Figura 9.
L'energia prodotta dalle onde si ottiene sfruttando il movimento di galleggianti ancorati al fondo del
mare con dei cavi che si avvolgono e svolgono sull'asse di un alternatore, oppure sfruttando il mo-
vimento dell'aria al di sopra delle onde, ma si è ancora in fase sperimentale.
Una recente tecnologia, realizzata dalla Pelamis Wave Power Ltd , utilizza il movimento di onde
oceaniche di superficie per creare energia elettrica. Il dispositivo è costituito da una serie di sezioni
cilindriche semi-sommerse collegate tra loro con snodi. L'onda crea un moto relativo di queste se-
zioni, opponendo dispositivi idraulici collegati a   generatori elettrici per la produzione di energia
elettrica. Diversi dispositivi possono essere collegati tra loro ed a terra tramite un unico cavo sot-
tomarino (Figura 10).

                          Figura 10 . Sistema Pelamis – serpente di mare -
La produzione di energia dal mare è possibile anche sfruttando la differenza di temperatura tra il
fondo e la superficie. Una macchina termica può sfruttare la differenza di temperatura per ottenere
energia meccanica e da questa quella elettrica. Il rendimento di questi sistemi è basso, cionono-
stante, poiché la quantità di energia termica accumulata nell'oceano è elevata, è comunque possi-
bile ottenere enormi quantità di elettricità. Esistono impianti di questo tipo in India e nelle isole
Hawaii.
Un'altra possibilità è l'impiego dell'energia delle correnti marine, con sistemi simili agli impianti eo-
lici. La principale differenza è nella struttura delle eliche a causa della densità molto maggiore
dell'acqua rispetto all'aria e di una velocità mediamente più bassa (Figura 11).        Nello stretto di
Messina è collocato un impianto sperimentale di questo tipo.

                                                                                           Premessa 10
Figura 11 .
Biomasse
Le fonti di energia da biomassa sono costituite dalle sostanze di origine animale e vegetale, non
fossili, che possono essere usate come combustibili per la produzione di energia. Alcune fonti come
la legna non necessitano di subire trattamenti; altre come gli scarti vegetali o i rifiuti urbani devono
essere processate in un digestore. La biomassa, abbreviazione di "massa biologica", indica qualsiasi
sostanza organica, sia vivente che morta, derivata direttamente o indirettamente dalla fotosintesi.
La biomassa può essere usata per produrre energia (bio-energia), direttamente come combustibile
o convertita in altri tipi di combustibile, elettricità e/o calore grazie a processi termo-chimici e bio-
chimici. Le biomasse sono:
       Tutti i prodotti delle coltivazioni agricole e della forestazione
       Residui delle lavorazioni agricole e scarti dell'industria alimentare
       Le alghe
       Tutti i prodotti organici derivanti dall'attività biologica animale
La produzione lorda di energia elettrica alla fine del 2004, in Italia, è stata di 5637,2 GWh, prodotta
da 267 impianti (compresi gli impianti che producono energia dai rifiuti). Nei Paesi industrializzati le
le biomasse rappresentano solo 3,2% del totale dei consumi energetici finali, mentre costituiscono
il 35% nei paesi in via di sviluppo.

                                          Fusione nucleare

                                          Potrebbe essere la risposta definitiva alla "fame" di energia
                                          dell'umanità. La fusione nucleare ha un'efficienza davvero
                                          notevole e l'inquinamento prodotto è davvero ridotto. Que-
                                          sta è la stessa energia delle stelle. Se si riuscisse a sfruttar-
                                          la, l'umanità raggiungerebbe un nuovo "boom" che potreb-
                                          be portare a nuovi traguardi tecnologici e scientifici, ancora
                                          inimmaginabili.

                                                                                            Premessa 11
Energia Idraulica
L'energia idraulica, utilizzata dall'uomo da oltre quaranta secoli e divenuta energia idroelettrica da
poco più di un secolo. L'energia potenziale è rappresentata dal volume idrico accumulato a quota
elevata, generalmente in laghi artificiali o vasche di carico, che muovendosi a valle entro condotte
forzate viene convertita in energia elettrica. Pertanto un impianto idroelettrico è costituito da : un
sistema di raccolta dell'acqua di forma e di dimensioni adatte alla natura del terreno e al letto del
corso d'acqua; una condotta forzata di convogliamento e adduzione dell'acqua; una turbina, che
trasforma l'energia potenziale dell'acqua in energia meccanica ed, infine, un alternatore o genera-
tore, che converte in energia elettrica l'energia meccanica della turbina (Figura 12). Poiché una
volta utilizzata l'acqua   non subisce nessuna trasformazione nelle caratteristiche chimico-fisiche,
viene restituita al suo corso naturale.

Figura 12
La macchina caratteristica di un impianto idroelettrico e' la turbina, evoluzione delle pale dei mulini
di un tempo, costruiti sulle rive del fiume, che usavano l'acqua come forza motrice per le macine.
Le grandezze che determinano e definiscono l’impianto sono principalmente il salto utile e la porta-
ta. Il salto utile e' il dislivello misurato in metri tra la quota di superficie libera dell'acqua e quella
dello scarico. La portata e' il volume, misurato in metri cubi, d'acqua che transita attraverso una
sezione nel tempo di un secondo.

Figura 13. La turbina
Tutte le turbine sono composte principalmente da tre parti: un organo di immissione e distribuzione
dell'acqua, la girante che trasforma l'energia dell'acqua in energia meccanica e lo scarico. I diversi
tipi di turbine oggi disponibili sono classificate, in generale, in due famiglie: turbine ad azione e
turbine a reazione.

                                                                                             Premessa 12
La differenza tra azione e reazione si gioca nella trasformazione degli stati di energia dell'acqua: in
quella ad azione la trasformazione dell'energia potenziale in energia cinetica avviene tutta nell'or-
gano di distribuzione dell'acqua; in quella a reazione ciò avviene anche nella girante.
Le turbine ad azione, di cui il modello piu' rappresentativo e' la turbina Pelton, sono utilizzate nei
sistemi idraulici dove il salto utile e' tra i 50 ed i 1000 metri e le portate sono modeste.
Nelle turbine Pelton il distributore, ovvero l'organo di immissione dell'acqua, consiste in un iniettore
comandato da una valvola a bulbo che intercetta e regola il getto dell'acqua, permettendo di varia-
re   l'energia trasmessa alla girante      e   quindi   anche   la potenza   emessa dal     generatore.
La pala della turbina ha la forma di un doppio cucchiaio che permette il miglior sfruttamento dell'e-
nergia cinetica dell'acqua (Figura 14) .

                                      Figura 14. Turbine Pelton
Per i salti inferiori, tra i 5 m e i 200 m, si usano turbine a reazione del tipo Francis. L'organo di
immissione e' composto dalla cassa spirale e dal distributore. La cassa spirale e' un tubo che si re-
stringe progressivamente e contorna il distributore e ha il compito di imprimere all'acqua un moto
circolare. Il distributore invece e' composto da una serie di pale ad apertura variabile che indirizza-
no correttamente l'acqua verso le pale della turbina. La variazione di apertura delle pale del distri-
butore cambia la portata d'acqua immessa e quindi la potenza generata dall'alternatore (Figura
15).

                                      Figura 15. Turbine Francis
Le turbine Kaplan, per sistemi con alte portate e salti tra 2 m e 20 m, hanno la girante molto simi-
le all'elica di un motore marino. La Kaplan può considerarsi una estremizzazione della turbina Fran-
cis, della quale conserva molte similitudini per l'organo di immissione dell'acqua (Figura 16).

                                                                                          Premessa 13
Figura 16. Turbine Kaplan
In Italia lo sviluppo della produzione idroelettrica probabilmen-
te ha già raggiunto la sua massima espansione, soprattutto per
quanto riguarda i siti dove era possibile realizzare grandi im-
pianti con la formazione di laghi artificiali mediante dighe. L'in-
teresse si concentra ora sulle piccole risorse idrauliche, ovvero
sulle piccole centrali idroelettriche realizzabili su sistemi idrau-
lici destinati ad altri usi o comunque su siti che non necessita-
no di opere di sbarramento. Pertanto il macchinario richiesto
deve avere un buon rendimento per portate ridotte e non co-
stanti e salti geodetici limitati. I modelli standard di turbine
normalmente prodotti sono caratterizzati da portate fino a i 10-
12000 litri/s, con salti idraulici da 2m a 200 m, mentre la po-
tenza unitaria massima normalmente non supera i 2000 kW.
Le turbine CROSS-FLOW (a flussi incrociati) sono la moderna realizzazione della classica turbina
Banki. Nella Figura 17 sono indicati i flussi dell’acqua e la geometria della turbina nei due casi di
immissione verticale o orizzontale. L’azione dell’acqua è tale da espellere dal rotore gli eventuali
corpi estranei trascinati dall’acqua (foglie, ghiaccio, piccole pietre, ...) rendendo così il rotore auto-
pulente, evitando ostruzioni nei condotti, e diradando le periodiche fermate per manutenzione.

     Figura 17. Geometria della turbina cross-flow nei casi di immissione orizzontale o verticale

La cross-flow è una turbina “ad azione” a due stadi. L’acqua entra nella turbina grazie ad un siste-
ma di distribuzione e finisce in un primo stadio della ruota palettata che funziona quasi totalmente

                                                                                            Premessa 14
sommersa. Successivamente il flusso d’acqua, una volta abbandonato il primo stadio, cambia dire-
zione e finisce nel secondo stadio della turbina il quale è totalmente “ad azione”. La ruota della tur-
bina è costruita da dischi paralleli tra i quali si montano le pale costituite da alette in lamiera sem-
plicemente piegate. La forma della ruota ricorda quella di un sistema di ventilazione tangenziale.

La Figura 18 illustra i principali elementi costitutivi della turbina. L’immissione dell’acqua nel rotore
avviene radialmente mediante due compartimenti, normalmente l’uno di dimensioni doppie
dell’altro. Grazie a questo doppio ingresso, si potrà immettere una maggiore o minore portata, a
seconda delle necessità o disponibilità, agendo sul maggiore, sul minore o su entrambi gli ingressi.
Il sistema di regolazione della turbina e’ quindi molto semplice e compatto, ma nel contempo parti-
colarmente flessibile ed efficiente. Infatti, come si rileva dalla Figura 20, il rendimento ottenibile e’
superiore all’ 80% anche con variazioni della portata dal 20% al 100% di quella nominale.

Figura 18

Figura 19. Recupero energetico negli acquedotti

                                                                                           Premessa 15
A titolo di confronto si osservi che il rendimento di una turbina Francis, riportato a tratteggio nello
stesso grafico, decresce sensibilmente al diminuire della portata, diminuendo in maniera sostanzia-
le la producibilità nell’arco di funzionamento.

                                                  Figura 20
I materiali utilizzati, acciai al carbonio ed inossidabili della migliore qualità, speciali vernici protetti-
ve e una raffinata finitura meccanica, garantiscono per lunghi anni un tranquillo e produttivo fun-
zionamento dell’impianto. Nel campo delle micro e mini centrali idroelettriche l’uso di nuove tecni-
che di progettazione, di nuovi materiali sintetici e di tecnologie elettroniche ha consentito realizzare
diverse tipologie di macchinario standardizzato (le cui caratteristiche salienti quali: costruzione ro-
busta, pesi ridotti, minimo numero di componenti, geometrie semplificate, minime necessità di ma-
nutenzione, facile sostituzione di componenti di serie, funzionamento non presidiato), utilizzato per
impianti asserviti ad acquedotti ed anche sulle acque di recupero di impianti di depurazione.

L'ALTERNATORE
Accoppiato solidamente all'albero della turbina troviamo l'alternatore, la macchina elettrica che tra-
sforma l'energia meccanica in energia elettrica. Il principio di funzionamento di un alternatore, o
generatore, e' semplice: sulla parte mobile, chiamata rotore, e' realizzato un magnete di cui si può
dosare e controllare il campo magnetico; nella parte fissa, che si chiama statore, sono presenti de-
gli avvolgimenti di filo di rame nei quali il campo magnetico rotante generato dal rotore induce una
forza elettromotrice, ovvero l'energia elettrica.

                                                                                              Premessa 16
Figura 21. Schema di impianto idroelettrico
Dall'alternatore, l'energia elettrica che, per problemi di isolamento, nasce con una tensione di
5.000 V, viene trasferita mediante cavi di rame opportunamente dimensionate ad un'altra apparec-
chiatura, il trasformatore. Compito del trasformatore e' di innalzare il valore della tensione da
5.000 V a 150.000 V, purché più e' alta la tensione più è ridotta la sezione del cavo di trasporto.
Nel 2004, in Italia, la produzione lorda di energia elettrica da questa fonte è stata pari a 42.744,4
GWh fornita da 2021 impianti.

Gli impianti idroelettrici sul fiume Vomano
Il fiume Vomano nasce dalle pendici settentrionali del Gran Sasso d’Italia e, dopo un corso relati-
vamente breve, si versa nel mare Adriatico presso Roseto. Il serbatoio di testa del sistema di im-
pianti idroelettrici del Gruppo Vomano è stato ottenuto ripristinando artificialmente con tre sbarra-
menti l’antico lago di Campotosto, di cui era rimasta traccia sotto forma di conca palustre: la diga
di Rio Fucino (Figura 22), la diga di Sella Pedicate (Figura 24) e la diga di Poggio Cancelli (Figura
25).La capacità di questo serbatoio, quota max 1317,50 m s.m., è di 217 milioni di m3, equivalenti
a 547 milioni di kWh.

                                    Figura 22. Diga di Rio Fucino

                                                                                       Premessa 17
Figura 23. Diga di Sella Pedicate

                                  Figura 24. Diga di Poggio Cancelli

Il bacino imbrifero scolante nel lago di Campotosto viene notevolmente esteso mediante due canali
collettori   di   gronda   sui   versanti   orientale   ed   occidentale   dei   monti   della   Laga.
Dal serbatoio di Campotosto parte la galleria forzata che alimenta la Centrale di Provvidenza situata

                                                                                         Premessa 18
alla quota di 1.030 m s.m.. In questa Centrale sono installati due gruppi turbina-alternatore-pompa
da 51.800 kW ed un terzo della potenza di 52.200 kW.

                     Figura 25. Schema degli impianti idroelettrici del Vomano

                   Figura 26. Planimetria degli impianti idroelettrici del Vomano

                                                                                     Premessa 19
La galleria di scarico è in pressione e sbocca nel serbatoio di Provvidenza, ottenuto sbarrando il
fiume Vomano mediante una diga ad arco. Dal serbatoio di Provvidenza parte una galleria lunga
14,3 km che raccoglie lungo il suo percorso le acque di alcuni torrenti, che scendono dalle pendici
del Gran Sasso, e immette nel pozzo forzato della grande Centrale di San Giacomo.
La Centrale di San Giacomo, come quella di Provvidenza, è sotterranea e vi si accede con una gal-
leria di circa due chilometri di lunghezza.

Il macchinario comprende tre gruppi da 73.600 kW ciascuno equipaggiato con due turbine Pelton
affiancate all’alternatore. Alle acque convogliate dalla galleria di derivazione si uniscono quelle rac-
colte da un canale di gronda, pure in galleria, che si sviluppa a sud-est del Gran Sasso, conservan-
do una quota superiore a quella massima dell’acqua del serbatoio di Provvidenza.
Quando la Centrale di San Giacomo è ferma le acque raccolte dalle gallerie collettrici anzidette rag-
giungono il serbatoio di Provvidenza e possono essere sollevate nel lago di Campotosto
a costituire riserva di energia mediante le pompe da 51.800 e da 52.200 kW della centrale di Prov-
videnza. Gli impianti di Provvidenza e di San Giacomo fanno servizio di produzione utilizzando
l’acqua accumulata naturalmente e mediante il pompaggio di Provvidenza nel lago di Campotosto.
Le acque di scarico di San Giacomo insieme a quelle raccolte da altri due canali di gronda a quota
400 vengono utilizzate nella Centrale di Montorio, su un salto di 257,70 metri e con una producibili-
tà di 253,43 milioni di kW. La potenza installata è di 120.920 kW.

                      Figura 27. Schema degli impianti idroelettrici del Vomano

                                                                                          Premessa 20
Impianto idroelettrico di Provvidenza

Dal serbatoio di Campotosto parte una galleria forzata che alimenta la Centrale di Provvidenza,
lunga m 1.100 e del diametro di m 4,50, che termina al pozzo piezometrico del diametro di m 8,00
con strozzatura, cui segue la condotta scavata in pozzo verticale, rivestita in lamiera. Il salto medio
è di m 255. La portata massima m3/s 61,8.
Nella centrale in caverna sono installati due gruppi composti di una turbina Francis, con alternato-
re-motore e una pompa a due stadi della potenza di 51.800 kW cadauno, e due trasformatori
15/230 kV . La producibilità è di 75,8 milioni di kWh.
Le pompe, all’epoca della costruzione le più grandi esistenti, possono sollevare m 3/s 16-12,4 con
una prevalenza da metri 240 a 286.

                                                                             Gruppo pompa
È di più recente attuazione l’installazione di una terza unità ad asse verticale da 52.200 kW, equi-
paggiata con turbina-pompa reversibile di progettazione Allis Chalmers (U.S.A.), la prima in Europa
di tale potenza.
La galleria di scarico lunga m 673 e del diametro di m 4,50 funziona tanto per lo scarico delle tur-
bine quanto per l’alimentazione delle pompe, e sbocca nel serbatoio di compenso di Provvidenza
della capacità utile di 1.690.000 m3, ottenuto sbarrando il fiume Vomano mediante una diga ad ar-
co alta m 51,00.
La quota sala macchine trovasi a 30 metri sotto la quota d’invaso massimo di questo serbatoio.

                                                                                         Premessa 21
Caratteristiche principali dell’impianto

                          Salto            Portata    Potenza      Producibilità     Producibilità
Centrale                  medio            massima    installata                   da pompaggio

                          m            m3/sec          kW              GWh              GWh
Provvidenza             255,00             61,8      155.800          75,80             145
S. Giacomo              655,00            105,5      559.080          352,10            131
Montorio                257,70             54        120.920          253,43
Piaganini               101,50            1,45         1.400           2,42

      Totale                                         837.200           683,75           276

Capacità di invaso utile dei serbatoi

                           Campotosto                       217.000.000 m3
                           Provvidenza                        1.690.000 m3
                           Piaganini                            950.000 m3

                                                         Centrale di Piaganini -
                                                         Condotta forzata e tubo ponte

                                                                                      Premessa 22
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