TURBINE IDROELETTRICHE A SALTO VARIABILE

Diversi modelli per adattarsi a dislivelli (salto) e portata d’acqua

Ogni centrale idroelettrica nasce da due dati fondamentali: quanto alta è la caduta dell’acqua (il salto) e quanta acqua scorre (la portata). La scelta della turbina dipende da questi fattori più che da altri; usare il tipo sbagliato significa sprechi, costi maggiori, degrado più rapido. Qui di seguito descrivo le turbine più comuni — Francis, Kaplan, Pelton, Turgo, Cross-Flow — e come variano le prestazioni a seconda del salto e della portata.

Principali tipi di turbine

Le turbine idrauliche possono essere suddivise in due grandi famiglie: a impulsi e a reazione. Le turbine a impulso trasformano la velocità dell’acqua, proiettando getti che impattano su rampe o cucchiai; quelle a reazione sfruttano la pressione e il flusso dell’acqua sopra e sotto il rotore, cambiando la pressione per generare forza.

Pelton

Pensala come la scelta per i “salti alti e flussi piccoli”. Il Pelton è una turbina a impulso, usa uno o più getti che colpiscono dei cucchiai di un rotore esterno: acqua ad alta pressione → conversione principalmente tramite impulso. È molto adatta quando hai un grande dislivello, poca acqua ma forte potenziale energetico (come nei pendii montani). Efficienza molto buona se il getto è ben focalizzato, ma non serve se il salto è piccolo o se la portata è alta, perché servirebbe un getto enorme o troppi ugelli.

Francis

È il cavallo di battaglia per salti medi e portate medie. La turbina Francis è una turbina a reazione-mista: combina flusso radiale (l’acqua entra “da fuori verso dentro”) e flusso assiale (poi l’acqua esce verso il basso). È una delle turbine più usate perché ha un buon equilibrio tra salto e portata, e può operare in un range piuttosto ampio. È meno specializzata rispetto al Pelton per salti estremi ma più versatile. Quando il salto è molto variabile, serve un buon sistema di regolazione delle pale (quando possibile) o delle guide.

Kaplan

Quando hai tanto flusso e salto basso, Kaplan è la scelta preferibile. Si tratta di una turbina a reazione, con pale regolabili e flusso principalmente assiale. Permette di operare bene anche quando il salto è modesto ma l’acqua abbondante. Le pale possono essere adattate al variare della portata per mantenere l’efficienza, cosa che la rende molto utile in centrali con variazioni stagionali del flusso.

Turgo

Turbina a impulso di “mezzo salto”, che si posiziona tra Pelton e Francis in termini di salto, ma con vantaggi pratici in certe applicazioni. Il Turgo può funzionare con salti intermedi, ottenere più portata rispetto a Pelton per la stessa taglia, ed è più semplice da costruire. Non ha il massimo del salto, ma è utile quando vuoi qualcosa di più performante del Pelton ma senza la complessità di una grossa Francis.

Cross-Flow (o Bánki-Ossberger)

Questa turbina è spesso scelta per micro-o piccole installazioni, con salti bassi e portate modeste. Ha caratteristiche particolari: l’acqua attraversa il rotore più volte, aumentando le opportunità di estrarre energia anche con flussi meno potenti. È robusta, relativamente semplice da mantenere, ma non perfetta se il salto è alto perché la perdita diventa significativa.

Salto e portata: come variano le condizioni

Il salto si misura come la differenza di quota tra il punto di presa dell’acqua e quello della turbina. Piccolo salto può essere pochi metri, salto alto può essere centinaia di metri. La portata è quanti metri cubi d’acqua scorrono al secondo. Queste due variabili spesso cambiano con le stagioni: in primavera lo scioglimento della neve può aumentare molto la portata; d’estate o in periodi siccitosi può calare drasticamente.

Queste variazioni impongono che la turbina scelta abbia caratteristiche appropriate: Kaplan per salti bassi e portata variabile, Francis se hai salto medio-alto ma anche variazioni di portata, Pelton quando hai sempre salto alto e portata stabile o per impulsi concentrati. Il salto variabile richiede che la turbina possa tollerare operazioni fuori dal punto ottimale con perdite accettabili, e che ci sia un buon sistema di regolazione.

Quale turbina per quale situazione: esempi concreti

• In area alpina con salto > 500 metri e torrente poco voluminoso: una turbina Pelton offre il massimo rendimento.

• In una zona collinare con salto tra 20-80 metri, portata media, stagionalità: Francis è spesso la scelta più equilibrata.

• In pianura o vicino a grandi fiumi con salto basso (5-30 metri) ma grande portata, specie se la portata varia durante l’anno: Kaplan o propulsori simili.

• Per piccole installazioni locali (micro idroelettrico), quando il salto è basso o medio e l’acqua non è tanta, Cross-Flow o Turgo possono dare un buon compromesso: meno costi, minori perdite, manutenzione più semplice.

Limiti operativi e aspetti da considerare

Scegliere bene non è solo “testa o coda”; ci sono trade-off:

• Percentuale di efficienza: tutte le turbine moderne possono superare il 90% nel loro punto di migliore rendimento, ma fuori da quel punto le perdite (per turbolenza, vibrazioni, cavitazione) aumentano.

• Costi: turbine più specializzate, regolabili, o con pale variabili costano di più; la costruzione e la manutenzione possono essere più complessi.

• Impatto ambientale e compatibilità con il sito: il tipo di turbina può influire su come l’acqua deve essere convogliata, su come dev’essere il deflusso minimo, su se è possibile installare la turbina orizzontale o verticale, su come minimizzare danni a ecosistemi acquatici.

• Sfide tecniche: cavitazione quando la pressione cala troppo, usura delle pale, necessità di pulizia del getto in turbine a impulso, variazioni del flusso che richiedono regolazioni meccaniche.

Le turbine non sono tutte uguali: la scelta del modello giusto è la chiave per fare un impianto efficiente, durevole e che rispetti il territorio. Pelton per salti alti e flussi contenuti, Kaplan quando l’acqua è tanta ma il salto modesto, Francis se devi stare un buon compromesso in mezzo. Turgo e Cross-Flow danno opzioni valide per casi intermedi o piccole installazioni. Capire salto, portata, costi, manutenzione è il passo che distingue un buon progetto da uno che fatica a restituire valore.

Indice delle Tecnologie Idroelettriche:

1. Centrali ad acqua fluente
   Impianti che sfruttano il flusso naturale di fiumi o torrenti, con portata variabile a seconda della stagione.

2. Centrali a bacino (o a invaso)
   Impianti che accumulano acqua in bacini per sfruttare la caduta (salto) per la produzione energetica, con possibilità di regolazione.

3. Centrali ad accumulo (di pompaggio)
   Sistemi dotati di bacini a monte e valle che permettono di pompare acqua durante i periodi di bassa domanda e produrre energia nei momenti di picco.

4. Piccolo / micro-idroelettrico / recupero su infrastrutture già esistenti
   Impianti di piccola scala che usano portate modeste o strutture già costruite (canali, acquedotti, etc.), con basso impatto ambientale.

5. Tipologie di turbine e salto variabile
   Diversi modelli di turbine (es. Francis, Kaplan, Pelton) adatti a condizioni diverse di dislivello (salto) e portata d’acqua.