Centrali idroelettriche: come funzionano e perché sono importanti

Come anticipato, le centrali idroelettriche rappresentano il sistema di produzione di energia pulita più antico e offrono l’importante vantaggio di produrre energia senza generare emissioni inquinanti; inoltre, il loro funzionamento è generalmente considerato affidabile e a basso costo dal momento che non richiede l’utilizzo di combustibili costosi.

Ad oggi,  con una capacità di generazione elettrica di 22 GW e un dislivello di circa 180 metri, l’impianto idroelettrico più grande al mondo è rappresentato dalla diga delle Tre Gole in Cina, lungo il corso del Fiume Azzurro.

Scopriamo nel dettaglio l’origine, le tipologie e il funzionamento di questi preziosi sistemi di produzione energetica.

Le origini dell’energia idroelettrica

Il principio del funzionamento delle centrali idroelettriche può essere ricondotto alle prime ruote idrauliche, i cui ingranaggi venivano mossi dalle acque correnti dei fiumi che azionavano le macine. La ruota idraulica, già nel primo secolo Avanti Cristo, era in grado di trasformare l’energia potenziale o cinetica di piccoli corsi d’acqua in energia meccanica in forma di moto rotatorio.

In materia di produzione di energia sarà il 1832 a rappresentare la svolta con l’invenzione della turbina idraulica, in grado di produrre energia elettrica.

Per vedere realizzata la prima vera centrale idroelettrica bisognerà attendere, però, il 1878. E’ in questo anno che a Cragside, in Inghilterra, viene realizzata una centrale capace di fornire energia a un’abitazione alimentando il sistema di illuminazione.

Nel 1879 si assiste, invece, alla costruzione di una centrale idroelettrica presso le cascate del Niagara, entrata a regime nel 1881 e la cui energia era usata per alimentare le industrie locali.

Da quel momento in poi, la costruzione di centrali idroelettriche si è diffusa in tutto il mondo e l’energia idroelettrica è diventata una delle principali fonti di energia, spinta dalla crescente domanda e dalla necessità, ad oggi, di fonti pulite e rinnovabili.

In Italia bisognerà aspettare il 1894 per vedere la costruzione di una delle prime centrali a Taccani, in Trentino-Alto Adige.

Come funziona una centrale idroelettrica

Le centrali idroelettriche richiedono la realizzazione di un’opera di sbarramento, che può essere una diga o una traversa, la cui funzione è quella di intercettare il corso d’acqua formando un serbatoio o un bacino idroelettrico.

Da qui l’acqua viene convogliata in vasche di carico e indirizzata attraverso una serie di condotte verso le turbine idroelettriche, le quali vengono azionate generando energia meccanica. 

La fase successiva consiste nel trasformare l’energia meccanica in energia elettrica mediante un alternatore. A questo punto è necessario ridurre l’intensità della corrente prodotta per poterla inviare alle linee di trasmissione.

L’energia elettrica attraversa un primo trasformatore, che ne riduce l’intensità, e un secondo trasformatore, presente sul luogo di utilizzo, il cui compito è quello di alzare l’intensità di corrente e abbassare la tensione, permettendo utilizzi in ambito industriale, commerciale o domestico.

Quali sono i tre tipi di centrale idroelettrica?

Centrali idroelettriche ad acqua fluente

E’ usuale trovare centrali ad acqua fluente nei pressi di grandi masse d’acqua di fiumi che superano dislivelli modesti. In questi casi l’acqua viene convogliata in un canale di derivazione e inviata alle turbine che vengono, di conseguenza, azionate. Ogni turbina è accoppiata a un alternatore che trasforma il moto di rotazione in energia elettrica.

Centrali a bacino

Le centrali a bacino, anche dette centrali a salto, sfruttano la consistente differenza di quota per produrre energia. Nello specifico si servono della presenza di un lago naturale o di un lago artificiale, detto bacino di carico, creato mediante lo sbarramento di una gola fluviale con la costruzione di una diga. 

Dalla diga  partono, quindi, una serie di condotte forzate che conducono l’acqua a valle, dove un bacino di calma placa le acque turbolente appena uscite dalla centrale prima della re-immissione nel flusso normale del fiume.

La disponibilità di grandi quantità di acqua accumulate offre il vantaggio di una maggiore flessibilità di gestione della produzione, in quanto è possibile scegliere quanta acqua inviare a valle e, di conseguenza, quanta energia produrre a seconda delle reali necessità.

Centrali con impianti ad accumulo

Le centrali con impianti ad accumulo sono dotate di un bacino di raccolta anche a valle che permette il riutilizzo dell’acqua che ha permesso di generare energia elettrica durante il giorno. Nello specifico questa acqua, passando nelle turbine, può essere pompata dal bacino di valle al bacino di monte durante le ore di minor richiesta di energia.

Per il pompaggio viene sfruttata l’energia elettrica in eccesso prodotta dalle centrali sempre accese e non diversamente accumulabile.

Energia mareomotrice: le centrali idroelettriche ad acqua marina

Esistono anche le centrali idroelettriche ad acqua marina, anche se scarsamente utilizzate, che utilizzano l’energia delle maree o delle onde per generare elettricità. Anche in questo caso, alla base del funzionamento, vi sono sistemi a barriera (simili a dighe) che permettono lo spostamento orizzontale di grandi masse d’acqua. 

L’energia mareomotrice si presenta sotto varie forme:

• Energia delle correnti marine, prodotta meccanicamente grazie alle pale azionate dalla forza delle correnti oceaniche;
• Energia cimoelettrica (o energia delle onde), ottenuta dal moto ondoso;
• Energia talassotermica, prodotta dalla variazione di temperatura tra la superficie marina e l’acqua in profondità;
• Energia osmotica, ricavata dalla differenza nella concentrazione del sale fra l’acqua marina e l’acqua dolce.

L’idroelettrico è una valida soluzione per la transizione ecologica?

Le centrali idroelettriche possono offrire un valido contributo alla transizione energetica poiché sfruttano una fonte di energia pulita e rinnovabile: l’acqua. Nel processo di produzione di energia elettrica, inoltre, non producono emissioni di gas serra.

Queste centrali sono generalmente considerate affidabili e a basso costo poiché non richiedono combustibili costosi e possono essere facilmente regolate sulla domanda di energia elettrica. Tuttavia, possono verificarsi situazioni, nelle stagioni più calde, in cui la produzione di energia idroelettrica è messa a rischio dalla scarsità di acqua e dalla necessità di rendere disponibile questa importante fonte per usi agricoli o domestici.

Se osserviamo lo scenario locale ci rendiamo conto che la conformazione fisica del territorio italiano, caratterizzato dalla presenza della dorsale appenninica e dell’arco alpino, genera forti pendenze del terreno, fondamentali per incrementare la produttività delle centrali idroelettriche.

Nonostante ciò l’Italia, come molte altre nazioni, non può contare solamente sull’idroelettrico per la transizione ecologica, ma necessita di una combinazione di diverse fonti di energie rinnovabili, come l’energia solare, eolica e geotermica, per poter raggiungere gli obiettivi di decarbonizzazione e riduzione delle emissioni di gas serra entro il 2030 e il 2050.

La straordinaria siccità che ha caratterizzato le estati passate, con corsi d’acqua in secca e bacini artificiali svuotati, ha messo a dura prova la funzionalità delle centrali in Italia e, di conseguenza, la disponibilità di energia.

La carenza di pioggia, infatti, ha ridotto drasticamente, oltre ai livelli di fiumi e laghi, il livello di riempimento dei bacini utilizzati per produrre energia elettrica. Per ovviare alla mancanza di acqua destinata all’agricoltura durante l’estate del 2022 Enel aveva dovuto rilasciare 200.000 metri cubi di acqua al giorno nel fiume Brembo e 250.000 metri cubi nel fiume Serio, mentre nel bacino del Po era stato necessario lo stop del 90% delle mini centrali idroelettriche presenti lungo i canali di irrigazione.

Lo scenario per il futuro è preoccupante e lascia intendere che non sarà possibile contare sulla produzione di elettricità solamente sfruttando energia idrica.

FAQ Centrali idroelettriche: come funzionano e perché sono importanti

Chi ha inventato la prima centrale idroelettrica?

Come già detto, l’energia idroelettrica ha origini antichissime in quanto i primi a sfruttare l’acqua per l’azionamento meccanico dei mulini furono i Greci e i Romani. Risale, invece, al Medioevo la scoperta della ruota idraulica da parte degli Arabi.

Si trattava di un mulino senza pale impiegato per l’irrigazione dei campi e per la bonifica delle zone paludose.

In Europa lo sviluppo di questa tecnologia inizia a farsi strada dalla fine dell’800 con la realizzazione di una turbina motrice.

Il primo esempio di progetto idroelettrico al mondo, infatti, risale al 1878, anno in cui fu realizzato un sistema idroelettrico in grado di produrre l’energia necessaria ad alimentare una singola lampada nella casa di campagna di Cragside, in inghilterra, sfruttando l’acqua del fiume che scorreva nei pressi dell’abitazione.

La prima vera centrale idroelettrica venne realizzata quattro anni dopo, nel Wisconsin e in Nord America furono installate centrali idroelettriche a Grand Rapids nel 1880, ad Ottawa e Dolgeville nel 1881. Lo scopo di questi impianti era quello di rifornire mulini e illuminare alcuni edifici locali.

La centrale idroelettrica che sfrutta le cascate del Niagara fu costruita nel 1879, ma entrò in funzione nel 1881 producendo l’energia in gradi di soddisfare il fabbisogno dell’illuminazione notturna delle cascate e quella di villaggio adiacente alle cascate stesse.

La diffusione delle centrali idroelettriche in Italia si impone solo agli inizi del ‘900 al punto da arrivare a rappresentare fino al primo dopoguerra la maggioranza dell’energia totale prodotta nel Paese.

Tra i promotori delle centrali idroelettriche spicca non a caso il nome di Aldobrando Netti, uno dei primi esperti al mondo per le centrali a corrente alternata.

Netti riuscì a sviluppare le sue conoscenze in materia di energia idroelettrica stando a contatto con la forza dell’acqua presso il mulino di famiglia e compiendo diversi studi in merito. Un valore aggiunto quello di unire competenze tecniche e pratiche che gli permise di realizzare la prima Centrale idroelettrica a Narni, luogo in cui era nato e cresciuto.

La centrale, chiamata Officina all’epoca, eroga una potenza di 60 kw in grado di accendere 700 lampade e permise a Narni di diventare una delle prime città in Italia ad avere un’azienda municipalizzata per la corrente elettrica.

Dove sono le centrali idroelettriche in Italia?

L’energia idroelettrica contribuisce significativamente al fabbisogno energetico dell’Italia e lo fa attraverso il funzionamento di 4.860 centrali idroelettriche prevalentemente collocate al Nord (dati Terna a febbraio 2024) totalizzando una potenza di circa 21.729 MW.

L’Italia gode, infatti, di una morfologia caratterizzata da significativi dislivelli e  pendenze del terreno, in particolare lungo l’Appennino e sull’arco alpino, dove risiede la maggior quantità di bacini idrici.

A detenere il primato di centrali installate è il Piemonte con 1092 impianti e una produzione, ma è la Lombardia a produrre la maggior potenza con 5694 MW da 749 centrali.

Sono le regioni del sud ad offrire il contributo minore alla produzione di energia pulita da idroelettrico; in fondo alla lista troviamo, infatti, la Puglia, con 10 centrali e 4 MW prodotti.

Perché è importante l’energia idroelettrica?

Oltre ad essere una fonte di energia pulita l’idroelettrico offre una serie di vantaggi per il territorio e la comunità. Come già detto, l’energia idroelettrica permette di generare elettricità senza emissioni inquinanti ed è illimitata nel tempo in quanto sfrutta l’acqua di fiumi e torrenti alimentati dal ciclo naturale dell’acqua senza alterarne in alcun modo l’equilibrio; l’acqua prelevata viene, infatti, totalmente restituita nel tempo.

Le centrali idroelettriche permettono, poi, di stabilizzare la rete elettrica. In che modo? Accumulando, ad esempio, l’elettricità in eccesso prodotta dagli impianti eolici o solari e utilizzandola per pompare l’acqua nel bacino superiore per poterla utilizzare in assenza di sole o di vento.

Il contributo positivo al territorio è dato, invece, dalla riduzione del rischio di inondazione in caso di piogge intense dal momento che l’acqua, dopo aver generato energia elettrica, viene rilasciata in modo controllato nel tempo e con grande precisione. Inoltre, le centrali idroelettriche aiutano a migliorare lo stato di salute dei corsi d’acqua riducendo l’accumulo di acque stagnanti e ostacolando il passaggio di rami, alberi e altri oggetti solidi, facilitando la navigabilità dei fiumi a valle.

Infine, possiamo affermare che l’energia idroelettrica sia la fonte più economica, nonostante l’oneroso investimento iniziale per la realizzazione dell’impianto, e in grado di ridurre maggiormente gli sprechi. Ad incrementare questa economicità la digitalizzazione sempre maggiore delle centrali e il conseguente aumento dell’efficienza.

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