Come funziona una centrale idroelettrica?

Da dove viene l'energia dell'acqua?

Tutto comincia con il Sole. Scalda mari e laghi, l'acqua evapora, sale in quota e ricade come pioggia o neve sulle montagne. Quell'acqua, stando in alto, ha un'energia accumulata che i fisici chiamano energia potenziale: è l'energia che libera scendendo.

Facciamo i conti. Un metro cubo d'acqua pesa una tonnellata. Se scende di 100 metri libera circa 980.000 joule, cioè circa 0,27 chilowattora. Basta per far funzionare un forno elettrico da 2.000 watt per circa 8 minuti.

Sembra poco, ma una centrale fa passare nelle turbine molti metri cubi ogni secondo, per ore. Contano due numeri: il salto, cioè il dislivello, e la portata, cioè quanta acqua passa ogni secondo. La potenza è, in pratica, il prodotto dei due.

Che percorso fa l'acqua?

Nelle centrali a bacino una diga sbarra una valle e crea un lago artificiale, una riserva d'acqua da usare quando serve. Come si costruisce lo racconto in come si costruisce una diga.

Dal lago l'acqua entra nell'opera di presa, protetta da griglie che fermano rami e detriti, e scende nella condotta forzata: un grande tubo d'acciaio, o una galleria nella roccia, che la porta giù fino alla centrale. In fondo l'acqua arriva con una pressione enorme.

Lì colpisce la turbina, cede la sua energia e poi esce, tranquilla, nel canale di scarico che la restituisce al fiume. L'acqua non si consuma: si limita a scendere.

C'è un pericolo nascosto, il colpo d'ariete. Se si chiude di colpo la valvola in fondo alla condotta, tutta quella colonna d'acqua in corsa si ferma di botto e la pressione schizza in alto, abbastanza da danneggiare il tubo. Lo hai sentito in piccolo quando un rubinetto si chiude di scatto e i tubi di casa battono. Per questo le valvole si chiudono gradualmente e lungo la condotta si costruiscono pozzi piezometrici, grandi camini verticali dove l'acqua può sfogare.

Esistono anche centrali ad acqua fluente, senza un grande lago, che sfruttano la corrente di un fiume con un salto più piccolo. Producono in modo continuo, ma non possono mettere da parte l'acqua.

Che turbine si usano?

Dipende dal salto. Con dislivelli altissimi, fino a 1.800 metri, si usa la Pelton: getti d'acqua velocissimi colpiscono una ruota con tante cucchiaie. Rendimento fino al 95%.

Per i salti medi, da 20 a 700 metri, c'è la Francis, la più diffusa: l'acqua entra di lato in una chiocciola e attraversa le pale della girante. Per i salti bassi, da 5 a 80 metri, con tanta acqua, si usa la Kaplan, che somiglia a un'elica di nave con pale orientabili.

Le turbine grandi superano il 90% di rendimento: più di nove decimi dell'energia dell'acqua diventano rotazione. Pochissime macchine fanno di meglio.

Proviamo un esempio: una portata di 10 metri cubi al secondo con 100 metri di salto e una turbina al 90%. Il conto dà circa 8,8 megawatt, Se ogni casa assorbisse 3 kilowatt, la potenza di un contratto domestico comune, basterebbe per quasi tremila case accese insieme.

Come diventa corrente il giro della turbina?

La turbina è collegata con un albero al generatore, detto alternatore. Dentro, un rotore con grandi elettromagneti gira davanti a bobine di filo di rame. Un campo magnetico che si muove vicino a un filo fa nascere una corrente: è l'induzione elettromagnetica, lo stesso principio della dinamo della bicicletta.

Poi un trasformatore alza la tensione, per far viaggiare la corrente sulle linee ad alta tensione perdendone il meno possibile.

Questa idea ha cambiato l'Italia. Nel 1898 entrò in funzione sull'Adda la centrale Bertini, a Paderno, che mandava energia a Milano con una linea di 32 chilometri. All'epoca era tra le più potenti al mondo, seconda solo a quella del Niagara.

Una centrale può fare da batteria?

Sì, ed è uno dei suoi superpoteri. Nelle centrali a pompaggio ci sono due bacini, uno in alto e uno in basso. Quando la rete ha energia in più, per esempio a mezzogiorno con tanto fotovoltaico, le macchine pompano l'acqua dal bacino basso a quello alto. La sera, quando serve, la lasciano ricadere e producono corrente.

Spesso la stessa macchina fa entrambe le cose: la turbina Francis, girando al contrario, diventa una pompa. È una batteria gigante fatta di acqua e dislivello.

C'è poi un altro vantaggio: una centrale idroelettrica può passare da ferma a piena potenza molto in fretta, più di una centrale a gas o a carbone, e per questo aiuta a tenere in equilibrio la rete. Quanto alle dimensioni, la più grande del mondo è quella delle Tre Gole, in Cina: 22.500 megawatt con 34 generatori.