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Microidroelettrico, istruzioni per l’uso

Quali tipi di turbine esistono, come fare per accedere alle autorizzazioni, quanto rendono gli incentivi

A cura di: Roberto Bonafini

Sfruttare il dislivello dei corsi d'acqua per alimentare turbine in grado di produrre energia: è questo il principio alla base dell'idroelettrico, una tecnologia magari poco sofisticata ma di certo assai efficace e molto "green" (anche quando le rinnovabili non esistevano ancora)  che fin dall'inizio del secolo scorso ha accompagnato lo sviluppo del nostro Paese.
Se ai più è noto il ricorso all'energia idraulica prodotta attraverso l'ausilio di enormi dighe, forse è meno conosciuta la sua applicazione su scala ridotta, in grado di sfruttare corsi e salti dalla portata d'acqua più contenuta.
Stiamo parlando dunque del microidroelettrico  che comprende impianti di potenza inferiore ai 100 kW. Nella stessa categoria si può inserire l'ancora più ridotto Pico idroelettrico, che comprende impianti di potenza inferiore a 5 kW, con utilizzi di salti di pochi metri d'acqua e con un minimo di 0,5 litri d'acqua al secondo. La peculiarità del pico è che soddisfa il fabbisogno elettrico di edifici privi di un collegamento alla rete e quindi rappresenta una soluzione interessante per le aree più isolate.
Il microidroelettrico soddisfa generalmente le necessità di piccole comunità, fattorie, singole famiglie, o piccole imprese.
 

 
 
Come funziona
Il funzionamento di un impianto non è troppo complicato. L'energia posseduta dalla corrente di un corso d'acqua aziona infatti una turbina idraulica in grado di trasformare l'energia potenziale o cinetica in energia meccanica, la quale consente di alimentare un alternatore che la trasforma in energia elettrica. Per gli impianti di dimensioni molto ridotte (2-3kW), la turbina, che è il componente principale dell'impianto, può alloggiare direttamente nel corso d'acqua, mentre per gli impianti di dimensioni più grosse si utilizzano apposite opere civili che prelevano parte dell'acqua dalla corrente del corso, che viene poi restituita in un punto più a valle, dopo aver attraversato la turbina.
Questo tipo di tecnologia  comporta numerosi vantaggi per chi lo realizza. Anzitutto non prevede investimenti cospicui consentendo anche un veloce ritorno dall'investimento, inoltre gode dei benefici derivanti degli incentivi previsti per la produzione da fonti rinnovabili. Non solo: anche dal punto di vista ambientale la realizzazione di un impianto microidro è da considerarsi piuttosto utile. Consente, generalmente, un miglioramento delle condizioni idrogeologiche del territorio e soprattutto produce energia senza inquinare.
 
Turbine, protagoniste assolute
La turbina idraulica è il fulcro centrale di questa tipologia di impianto in grado di favorire il passaggio da energia potenziale in energia meccanica. Essa si compone di un organo fisso che svolge due funzioni:  quella di distributore della regolazione della portata in arrivo e quella idraulica di trasformazione in energia cinetica. C'è poi l'organo mobile, il girante, che viene messo in movimento dall'acqua in uscita dal distributore e che ha la funzione di comunicare energia meccanica all'albero su cui è montata.
Diverse sono le classificazioni esistenti per le turbine. Una prima classificazione si può fare in base alle caratteristiche dinamiche. Possono essere:
Turbine in azione, laddove la trasformazione da potenziale a cinetica avviene nel passaggio attraverso un ugello che provoca un restringimento rispetto al diametro della condotta forzata. Lungo tutto il percorso attraverso il girante, il fluido si trova a pressione atmosferica.
Turbine a reazione, con l'energia dell'acqua in uscita dal distributore che diventain partecinetica e in parte a pressione. L'acqua ne esce con una velocità minore
rispetto alle turbine ad azione, ma dotata di una pressione comunque non nulla. Le turbine a reazione lavorano completamente immerse in acqua e sono dotate nella loro parte
terminale di un diffusore.
 
Un altro modo di classificare gli impianti idroelettrici si basa sul loro funzionamento in rapporto alla modalità di presa e accumulo delle acque:
Impianti ad acqua fluente, che non godono di una capacità di regolazione. La portata è in funzione del regime idrologico del corso d'acqua.
Impianti a deflusso regolato, che possono regolare le acque tramite un serbatoio di regolazione giornaliero, settimanale o mensile. L'entità della regolazione èconnessa alla capacità di accumulo del serbatoio.
E' possibile fare un'ulteriore suddivisione in base a salto e portata disponibili.
 
Tecnologie per il micro-hydro
Le turbine maggiormente utilizzate nel micro idroelettrico sono principalmente le Pelton e le Banki o Cross-Flow, ideali per portate d'acqua limitate. Attualmente le tecnologie più utilizzate nelle applicazioni relative si riferiscono ai seguenti tipi di macchine1:
 
Microturbina Pelton - È una turbina ad azione, adatta ad impianti con salto fino a qualche centinaio di metri. Molto simile alle turbine utilizzate negli impianti di taglia maggiore, può essere ad asse orizzontale o verticale, dotata di un numero di getti fino a 6, e pale a doppio cucchiaio. Depone a suo vantaggio il fatto che lavora a pressione atmosferica (non pone problemi di tenuta o di cavitazione);è di costruzione semplice e robusta, ingombro molto ridotto, ottimo rendimento; ha un numero di giri relativamente basso (adattabile dunque a salti d'acqua anche molto elevati). 
 
Microturbina a flusso radiale o incrociato (Banki)- È adatta per installazioni a basso e medio salto, da pochi metri in su, e portate da 20 a 1000 l/s circa, èutilizzata esclusivamente in impianti di piccola potenza. Attualmente i modelli più diffusi sono quelli detti Michell Banki.
Si tratta di una macchina ad ingresso radiale dell'acqua, caratterizzata da una doppia azione del fluido sulle pale, regolazione della portata da 0 a 100% garantita da un particolare tegolo e trasmissione del moto al generatore affidata ad una cinghia dentata. Vantaggi e svantaggi delle turbine a flusso incrociato sono simili a quelli delle turbine Pelton, fatta eccezione per un minor rendimento. Hanno una maggiore facilità costruttiva ed adattabilità anche a salti inferiori rispetto alle Pelton.
  
Miniturbina Francis - La Francis è una turbina a reazione realizzabile per potenze con limite inferiore intorno ai 100 kW: per questo motivo denominata miniturbina. L'applicazione di turbine a reazione in piccoli impianti appare più problematico di quelle ad azione. Nonostante ciò nelle applicazioni a piccola scala vengono utilizzate turbine tipo Francis, adatte a medi salti (da una decina aqualche centinaio di metri). Sono molto simili alle turbine per impianti di taglia maggiore. 


Schema funzionamento turbina Pelton a due iniettori -fonte Wikipedia
 

Schema funzionamento microturbina a flusso incrociato "Banki" - Fonte Casasoleil.it
1 tratto da "Dossier Micro-idroelettrico" realizzato da Aper
 
Cosa occorre sapere
Se dopo questa prima parte più "didattica", a qualcuno è venuta voglia di installare un impianto microidro nella casa in campagna o sui monti, sappia che deve tenere bene a mente che ci sono un paio di condizioni necessarie: deve verificare la presenza di un salto d'acqua sufficiente (con dislivelli anche di pochi metri) e il corso d'acqua deve avere una portata qualsiasi (anche solo 0,5 litri al secondo), purché abbastanza costante e non eccessivamente condizionata da stagionalità (secche estive). Avendo questo si può anche decidere quale macchina/tecnologia scegliere.  Il salto e la portata sono i criteri principali per il dimensionamento dell'impianto, cioè per la scelta della potenza della turbina, che deve tenere conto anche dell'utilizzo che si intende fare dell'elettricità prodotta (autoconsumo o vendita alla rete).
Come ogni centrale idroelettrica, la realizzazione di un piccolo idroelettrico richiede naturalmente un opportuno studio di fattibilità. Uno dei dati più rilevanti è la curva di durata del flusso d'acqua2. La diminuzione dell'impatto ambientale dipende fortemente dall'equilibrio fra la costanza di flusso idrico e la produzione di energia totale.
Un calcolo che aiuta a valutare la convenienza edizione è la curva FDC (Flow Duration Curve). La FDC è una curva di Pareto3 che confronta la portata quotidiana di un fiume rispetto alla frequenza. Le riduzione della quantità di acqua deviata dal flusso naturale del torrente può aiutare l'ecosistema fluviale, ma riduce l'EROEI4 complessiva del sistema piccolo idro. Il progettista del sistema piccolo idro e il curatore dell'ecologia del fiume e della qualità complessiva del luogo devono elaborare un progetto che mantenga sia la salute del fiume o torrente che l'economia dell'impianto.
 
2 Fonte: Università di Siena, dipartimento di Chimica
3 La curva di Pareto deriva  dal principio che dà il nome all'economista e consiste nel rappresentare in forma grafica gli aspetti prioritari di un problema o un fenomeno. Esso è sintetizzabile nell'affermazione secondo cui la maggior parte degli effetti è dovuta ad un numero ristretto di cause. 
4 È l'acronimo di Energy returned on energyinvested. Significa, in sintesi il ritorno dall'investimento
 
Autorizzazioni
Dal punto di vista autorizzativo, uno dei requisiti principali è il possesso della "Concessione di derivazione di acque pubbliche superficiali per uso idroelettrico". Per le "piccole derivazioni" d'acqua, che identificano impianti con potenza nominale media inferiore ai 3 MW, l'ente incaricato del rilascio della Concessione è la Provincia. Il Dm 10 settembre 2010, in cui venivano tracciate le Linee guida nazionali, prevede una serie disemplificazioni autorizzative per la realizzazione di impianti idroelettrici di piccola taglia. Al di sotto dei 100 kW è possibile optare per la cosiddetta PAS (Procedura abilitativa semplificata).
In linea di massima, le Province richiedono che nella domanda di Concessione siano contenuti tutti i principali dati relativi sia al corpo idrico interessato che al progetto previsto, presentati attraverso alcuni documenti tra cui: relazioni idrauliche, geologiche e idrogeologiche; elaborati grafici e relazioni tecniche del progetto preliminare; garanzie finanziarie ed economiche per l'attuazione del progetto; Valutazione di incidenza (nel caso di realizzazioni in zone SIC o ZPS); richiesta di esclusione dalla procedura di VIA (solo se in possesso dei requisiti richiesti).
 
Costi, la stima ha numerose variabili
Non è facile fare una stima dei costi per un impianto micro idroelettrico poiché ci sono numerose variabili in gioco. In linea generale valgono le economie di scala: questo significa che i costi specifici (cioè per kW installato) dei micro impianti diminuiscono all'aumentare della taglia. La principale incognita è legata alle opere civili (canali di presa, opere di sbarramento, ecc.), che nella determinazione del costo complessivo spesso incidono per il 50%, ben più della parte meccanica ed elettrica.  Altri elementi importanti sono la natura e la conformazione del terreno e del corso d'acqua e l'eventuale esistenza di sistemi idraulici (come ad esempio i vecchi mulini abbandonati), che possono essere riconvertiti in micro centrali a condizioni vantaggiose.
Sicuramente tra i meno costosi sono da considerare gli impianti pico idroelettrico (quelli cioè non collegati a una rete elettrica), caratterizzati da elevata semplicità impiantistica e da turbine con potenze non superiori ai 5 kW, consentono spesso di risparmiare sulle opere civili necessarie negli impianti di taglia superiore e di avere così costi specifici molto convenienti.
I tempi di ammortamento di un investimento economico nel micro idroelettrico sono nell'ordine dei 15-20 anni per impianti di potenza compresa tra i 10 e i 100 kW. Per impianti di taglia inferiore ai 10 kW, i tempi di ammortamento possono scendere anche sotto i 10 anni. Ma queste stime dipendono comunque da una lunga vita utile e da un elevato fattore di utilizzo. 
 
A proposito di incentivi
Il micro-hydro, come tutti gli altri impianti da fonte rinnovabile di piccola taglia, è soggetto ad una distinzione in base alla soglia di potenza dei 20 kW. La legge 133/99 (art. 10, comma 7-8) infatti ha decretato l'assenza di imposizione fiscale per i microimpianti al di sotto dei 20 kW.
Nell'individuazione delle forme di incentivazione di un impianto micro-hydro
occorre quindi fare riferimento a due diversi regimi, cui tra l'altro corrispondono differenti finalità e benefici. Gli impianti di potenza nominale inferiore a 20 kW, essendo destinati al solo autoconsumo, non hanno diritto alla vendita dell'energia prodotta.
Per gli impianti micro-hydro di potenza nominale superiore a 20 kW fino a 100 kW si presuppone che siano invece in grado di auto-consumare l'energia prodotta, tutta o in parte, ma anche di venderne le eccedenze.
Secondo quanto previsto dal Dm 6 luglio 2012, l'elettricità prodotta da impianti idroelettrici fino a 1 MW, entrati in esercizio in data successiva al 1° gennaio 2013, ha diritto a beneficiare del meccanismo incentivante della Tariffa onnicomprensiva o in alternativa al servizio di Scambio sul posto (fino a una potenza massima di 200 kW). Hanno diritto alla Tariffa onnicomprensiva i micro e mini impianti idroelettrici di potenza non superiore a 1 MW. La Tariffa onnicomprensiva consiste nel riconoscimento di 0,257 € per ogni KWh di elettricità netta prodotto e immesso nella rete elettrica da impianti inferiori a 20 kW e 0,219 € da impianti tra 20 e 500 kW. L'incentivo viene corrisposto per un periodo di 20 anni. I micro impianti idroelettrici fino a 200 kW di potenza possono, in alternativa alla Tariffa onnicomprensiva, richiedere il servizio di Scambio sul posto. Si tratta diun meccanismo previsto per legge, regolato dall'Autorità per l'energia e attuato dal GSE, che consente di compensare la partita di energia elettrica immessa in rete in una certa ora con quella prelevata dalla rete in un'ora diversa.

TEMA TECNICO:

Idroelettrico

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