IDROELETTRICI, IMPIANTI
IDROELETTRICI, IMPIANTI
. Si aggiorna qui di seguito quanto è detto degli impianti i. alla voce elettrica, energia (XIII, p. 643; App. II, 1, p. 827).
1. Indirizzi dell'utilizzazione delle risorse idrauliche. Tecnica costruttiva degli impianti idroelettrici. - Lo sfruttamento delle risorse idrauliche, iniziato già da tempo nei paesi più progrediti e meno ricchi di combustibili fossili, in particolare in Italia, avviato solo di recente in altri paesi, si è sviluppato con criterî sempre più completi e razionali, intesi all'utilizzazione integrale dei bacini idraulici. Nei paesi in cui esisteva un'industria idroelettica sviluppata da tempo, negli ultimi decennî vecchi impianti sono stati completamente rifatti, nell'intento sia di rimodernarli, sia di rendere più completa e razionale l'utilizzazione dei bacini corrispondenti; spesso, a più impianti di potenza modesta sono stati sostituiti uno o pochi impianti di potenza maggiore. Per molti impianti, sia nuovi, sia rinnovati, da destinare a compiti di servizio di integrazione e di punta (v. elettrica, energia, in questa App., § Compiti dei varî tipi di impianti di produzione di energia elettrica), sono stati creati nuovi serbatoi d'integrazione stagionale o di regolazione, serbatoi preesistenti sono stati ampliati, impianti installati nello stesso corso d'acqua sono stati coordinati fra loro in maniera da accrescere le quantità d'energia regolata prodotte. Per gli impianti destinati al servizio di punta sono stati scelti valori elevati delle potenze installate in rapporto alle potenze medie producibili e delle potenze unitarie dei singoli gruppi generatori, sono state dimensionate largamente le opere idrauliche di adduzione dell'acqua (gallerie, canali di derivazione, condotte forzate), le apparecchiature elettriche, ecc.
Per incrementare la produzione di energia regolata per scopi di integrazione sono anche stati creati, in misura più ampia che in passato, impianti di accumulazione artificiale mediante pompaggio, destinati a utilizzare energia di eccedenza stagionale o notturna di impianti ad acqua fluente o energia marginale di impianti termoelettrici, equipaggiandoli con gruppi costituiti da una macchina sincrona, in grado di funzionare da generatore o da motore, e da una turbina idraulica e da una pompa, o da una macchina idraulica reversibile, disegnata per potere funzionare tanto da turbina quanto da pompa.
La tecnica costruttiva di questi impianti ha compiuto notevoli progressi. Nelle opere idrauliche sono stati impiegati nuovi materiali e nuovi metodi di costruzione, con l'applicazione più ampia dei sistemi meccanici e automatici. Nuovi metodi costruttivi hanno consentito in maniera economica la costruzione di grandi dighe e opere di sbarramento e di presa; nuovi metodi di escavazione hanno notevolmente accresciuto la rapidità e l'economia dell'esecuzione delle opere di derivazione, gallerie e canali. Per il rivestimento di questi ultimi sono state anche usate lastre in cemento armato prefabbricate.
Una nuova tecnica d'esecuzione delle condotte forzate, legata il più delle volte a quella delle centrali in caverna (v. oltre), attua queste condotte forzate mediante pozzi verticali o subverticali, scavati in roccia e rivestiti in calcestruzzo armato o con elementi in cemento armato precompresso, o sotto forma di tubazioni in lamiera d'acciaio disposte entro gli stessi pozzi verticali, lasciate discoste dalla roccia o collegate con questa mediante riempimento di calcestruzzo colato nell'intercapedine fra metallo e roccia. Condotte di questo genere sono attuate il più delle volte, come si è già accennato, in impianti con centrali in caverna.
Tali centrali erano state costruite più volte già prima dell'ultima guerra, in Italia e all'estero. Nel dopoguerra questo tipo di costruzione ha acquistato una diffusione notevole, in parte per dare agli impianti una maggiore sicurezza di fronte alle offese belliche, principalmente perché esso presenta in molti casi una maggiore economia di fronte al tipo con la centrale in fabbricato costruito all'aperto: a favore della soluzione in caverna sta sempre il minor costo delle condotte forzate, che, ricavate in pozzi verticali, hanno uno sviluppo molto minore di quello che avrebbero condotte installate all'aperto, su terreno avente una pendenza in genere non grande rispetto all'orizzontale.
Un problema economico nasce in questi casi anche per i trasformatori, che possono installarsi anch'essi in caverna, in contiguità della sala macchine, e collegarsi alla stazione, che contiene sempre all'aperto le apparecchiature ad alta tensione, mediante cavi ad alta tensione (220 kV, 380 kV); possono installarsi invece verso l'esterno, addossati alla roccia, entro nicchie blindate, che ne permettono abbastanza bene la protezione da offese belliche; oppure possono trovare posto nella stazione all'aperto.
Per il resto degli impianti, delle opere idrauliche, da quelle di sbarramento e di presa a quelle di derivazione, ai pozzi piezometrici, ai canali di scarico, ecc., la disposizione delle varie parti resta essenzialmente quella classica.
I limiti fra le tre classi di impianti, ad alta, media, bassa caduta, corrispondente alla diversità dei tipi costruttivi, si sono modificati. Le turbine Kaplan, tipiche degli impianti a bassa caduta, con limiti considerati in precedenza intorno a 25-30 m, sono state installate per cadute a volte notevolmente maggiori (fino a 30,50,80 m). Per le cadute superiori, si è ricorso regolarmente all'uso delle turbine Francis e delle Pelton.
Le potenze massime dei gruppi generatori equipaggiati con queste hanno raggiunto e qualche volta superato 120-150 MW. Per i gruppi generatori con turbine Kaplan, si sono raggiunte potenze unitarie di 60-80 MW, pur con numeri di giri di 120-150 a minuto primo. Le portate massime di queste turbine hanno raggiunto e superato in alcuni casi valori di 300 m3/s. La fig. 1 mostra una recentissima unità, di potenza modesta (12.500 kW), ma notevole per il valore ridotto della caduta, 6 m, e della velocità, 53-57 giri/1′, e per quelli elevati del diametro, 7,683 m, e della portata, 230 m3/s, destinata all'impianto di Isola Serafini, sul Po, poco a valle di Piacenza. Le fig. 2, 3, si riferiscono a tre Francis di grande potenza, costruite in Italia per un impianto francese, e a una Pelton, dell'impianto di Cimego, sull'alto Chiese.
Gli impianti ad alta caduta sono equipaggiati con gruppi Pelton-generatore quasi sempre ad asse orizzontale. Un esempio recente di impianto ad alta caduta è quello di Acri, sul Mucone (fig. 4). Esso ha una caduta media di 630 m, una portata massima di 20 m3/s; la centrale, in caverna, contiene 2 gruppi generatori da 55 MVA ciascuno, equipaggiati ognuno con 2 Pelton, ad asse orizzontale parallelo all'asse della sala macchine.
L'impianto di maggior potenza in Italia è quello di S. Massenza (fig. 5). In. esso, sotto un salto massimo di 590 m, viene utilizzata una portata massima di 70 m3/s derivata dal lago di Molveno, in 4 gruppi da 70 MVA ad asse orizzontale, con 2 Pelton ciascuno, e in 2 gruppi da 35 MVA, analoghi ai precedenti: a questi ultimi gruppi sono accoppiate 2 pompe, che permettono il pompaggio nel lago di Molveno delle acque di supero disponibili nel medio Sarca durante le ore nottume e festive dei periodi di morbida (impianto di S. Massenza I). Nella stessa sala macchine è installato un altro gruppo generatore da 25 MVA, ad asse verticale, che sfrutta una derivazione indipendente, utilizzando con una turbina Francis una portata massima di 15 m3/s, derivabile sotto un salto di circa 203 m dal serbatoio di Ponte Pià (impianto di S. Massenza II, a media caduta). La potenza complessiva dei generatori installati in centrale risulta di 375 MVA.
Gli impianti a media caduta sono equipaggiati il più delle volte con gruppi turbina Francis-generatore ad asse verticale, solo a volte ad asse orizzontale. Uno dei nostri maggiori impianti è quello di Soverzene (fig. 6) (utilizzazione del Piave, del Boite e del Vajont; serbatoio di Pieve di Cadore), con centrale in caverna, pozzo piezometrico e tubazioni forzate in pozzo sub-verticale con rivestimento in cemento armato precompresso. L'impianto utilizza, sotto un salto variabile da 202 a 284 m, una portata massima di 88 m3/s, in 4 gruppi Francis-alternatore ad asse verticale, da 54,5 MW, 60 MVA ciascuno. L'impianto comprende, anche in caverna, 4 terne di trasformatori monofasi da 25 MVA ciascuno.
Per gli impianti a bassa caduta, con gruppi generatori equipaggiati generalmente con turbine Kaplan, a pale mobili, le due disposizioni costruttive tipiche sono quella, fondamentalmente analoga alle precedenti, in cui la centrale è separata dalle opere di sbarramento ed eventualmente ricavata in caverna, e quella in cui la centrale fa corpo con la stessa opera di sbarramento, a paratoie mobili, o è contigua ad essa, disposta in ogni modo attraverso il corso d'acqua. Di questa disposizione, tipica dei corsi d'acqua maggiori, un esempio è quello dell'impianto di Isola Serafini, in costruzione sul Po, con 4 gruppi mossi da turbine Kaplan da 12.500 kW, del tipo indicato in fig. 1. Un esempio anch'esso molto recente è quello dell'impianto di Nazzano (fig. 8), che utilizza le acque del Tevere poco a monte di Roma, in 3 gruppi turbina Kaplan-alternatore della potenza di 5,8 MW, 6,7 MVA ciascuno, con una caduta di m 7,40-8,40, una portata massima utilizzabile complessiva di 200 m3/s.
Gli impianti stranieri seguono in massima una tecnica analoga, seppure con potenze installate complessive a volte molto maggiori, quali si riscontrano specialmente per impianti a bassa caduta su grandi corsi d'acqua (Rodano, Danubio, Volga - qui l'impianto di Kujbyšev ha una potenza di 2100 MW, con un salto di 19 m, e una producibilità annua di circa 10 miliardi di kWh -, grandi fiumi degli S. U. A. e del Canada - Niagara, San Lorenzo, ecc.). Per impianti a media caduta, viene seguita a volte la disposizione che fu usata a Génissiat (sul Rodano), o nell'impianto della Hoover Dam (denominata in precedenza Boulder Dam, sul Colorado). Più di frequente, in presenza di alte dighe, che creano tutta la caduta utilizzabile, le centrali sono ricavate in caverna entro le montagne che delimitano la gola attraverso la quale è installata la diga (Picote, sul Duero, al confine del Portogallo verso la Spagna; Kariba, sullo Zambesi - v. oltre -, ecc.).
2. Sistemi di impianti idroelettrici. - I grandi impianti idroelettrici in genere fanno parte di complessi destinati a utilizzare integralmente i grandi bacini idraulici, sono studiati in piani generali di utilizzazione di questi e hanno caratteristiche coordinate fra loro. Piani del genere sono attuati, in corso di attuazione o di studio per molti fra i maggiori bacini idraulici del mondo. Lo studio di questi piani comporta in molti casi anche la risoluzione contemporanea di problemi di regolazione delle piene, di irrigazione, di navigazione interna.
In Italia, l'attuazione di tali piani è molto avanzata per tutti i maggiori corsi d'acqua: l'utilizzazione delle risorse idrauliche nazionali è compiuta oggi per oltre il 60%. Un esempio di particolare rilievo è costituito dal complesso dei piani di utilizzazione del Tevere, coi suoi affluenti, fra cui i maggiori di sinistra, Nera, Velino, Aniene e di alcuni bacini contigui, quello del Vomano, verso l'Adriatico, e quello dei laghi e dei corsi d'acqua dell'alto Lazio (fra cui il Marta), verso il Tirreno (v. cartina). Quegli afluenti di sinistra del Tevere, che defluiscono dai gruppi montuosi meridionali dell'Appennino umbro-marchigiano e da quelli settentrionali dell'Appennino abruzzese, e il Vomano, che dal gruppo del Gran Sasso scende nell'Adriatico, costituiscono, col Tevere, i corsi d'acqua più cospicui dell'Italia centrale. Iniziata la loro utilizzazione nell'ultimo decennio del secolo scorso in salti isolati e con potenze di qualche migliaio di kW (centrale "Mecenate" di Tivoli, sull'Aniene, 1891; centrali di Collestatte e di Papigno, sul Nera e sul Velino, 1898-1900), avviato lo studio dell'utilizzazione integrale dei bacini a partire dall'altro dopoguerra e manifestatosi l'orientamento verso le grandi potenze, oggi l'utilizzazione è quasi completa per l'Aniene, dove la centrale maggiore è quella dell'Acquoria (Tivoli), e va verso il completamento per gli altri corsi d'acqua. Fra i maggiori impianti del sistema sono quelli di Galleto (centrale pilota), di Cotilia, di Nami, sul Nera e affluenti, coi due serbatoi stagionali del Turano e del Salto; quelli di Provvidenza, S. Giacomo, Montorio Vomano, sul Vomano, coi serbatoi stagionali di Campotosto e di Provvidenza e col serbatoio di compenso di Piaganini intermedio fra le due ultime centrali (la centrale di Cotilia e quella di Provvidenza - fig. 7 - sono anche stazioni di pompaggio per accumulazione artificiale nei serbatoi del Salto e del Turano e, rispettivamente, in quello di Campotosto); quelli di Castel Giubileo, Nazzano, già ricordato, Ponte Felice, Baschi, in costruzione, e altri, alcuni a serbatoio e con impianti di pompaggio, sul corso principale del Tevere da Todi a Roma e su alcuni suoi affluenti di destra. Il lago di Bolsena, e particolarmente quello di Vico, costituiranno serbatoi di regolazione stagionale e pluriennale di forte capacità. A utilizzazione completa dei bacini, la potenza installata totale raggiungerà quasi 1500 MW, la producibilità annua supererà 3 miliardi di kWh. La forte quantità di energia accumulabile nei serbatoi consente a questo sistema di impianti e ancora più largamente consentirà in futuro, insieme con l'alimentazione delle più intense zone di consumo dell'Italia centrale, particolarmente dei centri industriali di Terni e di Tivoli e della zona di Roma, di inviare energia a 220 kV verso l'Italia meridionale e verso l'Italia settentrionale ed effettuare con questa un efficace servizio di interconnessione.
All'estero, molti piani analoghi sono stati studiati e sono in corso di attuazione per i maggiori corsi d'acqua. Di particolare interesse per le potenze e per la partecipazione data dalla tecnica italiana all'attuazione di esso, è quello relativo allo Zambesi sul quale è in costruzione l'impianto idroelettrico di Kariba (v., in questa App.) che utilizza un salto di 85 m, con 6 gruppi generatori della potenza di 100 MW ciascuno. L'impianto ha 6 pozzi forzati; la centrale è in caverna. A sviluppo completo, dopo l'installazione di una seconda centrale sul lato opposto della prima rispetto alla diga, nell'impianto sarà installata una potenza complessiva di circa 1500 MW; la producibilità annua di energia si aggirerà su 9 miliardi di kWh. Piani di utilizzazione di notevole interesse sono anche quelli su altri fiumi africani, in particolare sul Nilo (Assuan) e sul Congo (qui, a Inga, si prevede un impianto di potenza installata di oltre 30.000 MW). Piani di notevole rilievo, oltre che per le forti potenze e le grandi quantità d'energia producibili, anche per i gravi problemi idraulici che investono, sono quelli in studio o in corso di attuazione su varî corsi d'acqua della Cina. Nel piano di utilizzazione dello Yangtze, il maggiore dei fiumi cinesi, è previsto fra gli altri un impianto, destinato a sorgere nella zona di Sanchang, che comporterà una centrale in caverna con una potenza installata totale di circa 20.000 MW; il piano complessivo, con l'utilizzazione idroelettrica, che prevede una potenza installata globale di 150.000 MW e una producibilità annua di oltre 600 miliardi di kWh, paragonabile alla produzione idroelettrica mondiale attuale, è destinato a effettuare la regolazione dello Yangtze e dei suoi affluenti, problema importante per le enormi portate di piena, e a risolvere notevoli problemi di navigazione interna e dell'irrigazione di vaste aree. Vedi tav. f. t.
Bibl.: Annate varie, soprattutto dal 1950 a oggi, delle riviste: L'Elettrotecnica; L'energia elettrica; Revue générale d'électricité; E. T. Z.; Revue Brown Boveri; Water Power; Electrical Engineering; Atti della Riunione annuale di Roma dell'A. E. I., 1957. Particolarmente, articolo di aggiornamento: M. Mainardis, Le realizzazioni idroelettriche italiane del 1958, in L'Elettrotecnica, 1959, p. 80.