Comprendi come la centrale idroelettrica trasforma l'energia idrica in elettricità, i suoi vantaggi e svantaggi
Immagine: La diga di Itaipu, Paraguay / Brasile della International Hydropower Association (IHA) è autorizzata con CC BY 2.0
Cos'è l'energia idraulica (idroelettrica)?
L'energia idroelettrica è l'uso dell'energia cinetica contenuta nel flusso dei corpi idrici. L'energia cinetica favorisce la rotazione delle pale delle turbine che compongono l'impianto idroelettrico per essere successivamente trasformate in energia elettrica dal generatore dell'impianto.
Cos'è una centrale idroelettrica (o centrale idroelettrica)?
Una centrale idroelettrica è un insieme di opere e attrezzature utilizzate per produrre energia elettrica dall'utilizzo del potenziale idraulico di un fiume. Il potenziale idraulico è dato dalla portata idraulica e dalla concentrazione dei dislivelli lungo il corso del fiume. Le irregolarità possono essere naturali (cascate) o costruite sotto forma di dighe o attraverso la deviazione del fiume dal suo letto naturale per formare serbatoi. Esistono due tipi di bacini artificiali: bacini di accumulo e bacini idrografici. I depositi di accumulo si formano solitamente alle sorgenti dei fiumi, in luoghi che presentano alte cascate e sono costituiti da grandi bacini con grandi accumuli d'acqua. I bacini idrici fluviali sfruttano la velocità dell'acqua del fiume per generare elettricità, generando così un accumulo d'acqua minimo o nullo.
Gli impianti, a loro volta, sono classificati in base ai seguenti fattori: altezza della cascata, portata, capacità o potenza installata, tipologia di turbina utilizzata nell'impianto, diga e invaso. Il cantiere dà l'altezza di caduta e la portata, e questi due fattori determinano la capacità o potenza installata di una centrale idroelettrica. La capacità installata determina il tipo di turbina, la diga e il serbatoio.
Secondo un rapporto dell'Agenzia nazionale per l'energia elettrica (Aneel), il Centro nazionale di riferimento per i piccoli impianti idroelettrici (Cerpch, dell'Università federale di Itajubá - Unifei) definisce l'altezza della cascata come bassa (fino a 15 metri), media ( Da 15 a 150 metri) e alta (maggiore di 150 metri). Tuttavia, queste misure non sono consensuali. La dimensione dell'impianto determina anche la dimensione della rete di distribuzione che porterà l'elettricità generata ai consumatori. Più grande è l'impianto, maggiore è la tendenza ad essere lontano dai centri urbani. Ciò richiede la costruzione di grandi linee di trasmissione che spesso attraversano stati e causano perdite di energia.
Come funziona una centrale idroelettrica?
Per la produzione di energia idroelettrica è necessario integrare la portata del fiume, la differenza di terreno (naturale o meno) e la quantità di acqua disponibile.
Il sistema di una centrale idroelettrica è costituito da:
Diga
Lo scopo della diga è interrompere il ciclo naturale del fiume, creando un bacino idrico. Il serbatoio ha altre funzioni oltre a immagazzinare l'acqua, come creare il water gap, catturare l'acqua in un volume adeguato per la produzione di energia e regolare il flusso dei fiumi nei periodi di pioggia e siccità.
Sistema di presa (adduzione) dell'acqua
Composto da tunnel, canali e condotti metallici che portano l'acqua alla centrale elettrica.
Powerhouse
In questa parte del sistema ci sono le turbine collegate a un generatore. Il movimento delle turbine converte l'energia cinetica del movimento dell'acqua in energia elettrica attraverso i generatori.
Esistono diversi tipi di turbina, con i principali pelton, kaplan, francis e bulb. La turbina più adatta per ogni impianto idroelettrico dipende dall'altezza di caduta e dalla portata. Un esempio: il bulbo è utilizzato negli impianti run-of-the-mill perché non richiede l'esistenza di serbatoi ed è indicato per basse cadute e alte portate.
Canale di fuga
Dopo aver attraversato le turbine, l'acqua viene restituita al letto naturale del fiume attraverso il canale di fuga.
Il canale di fuga si trova tra la centrale elettrica e il fiume e le sue dimensioni dipendono dalle dimensioni della centrale elettrica e del fiume.
Sfioratore
Lo sfioratore consente la fuoriuscita dell'acqua ogni volta che il livello del serbatoio supera i limiti raccomandati. Questo di solito si verifica nei periodi di pioggia.
Lo sfioratore viene aperto quando la produzione di energia elettrica è compromessa perché il livello dell'acqua è al di sopra del livello ideale; oppure per evitare straripamenti e, conseguentemente, allagamenti intorno alla pianta, cosa possibile nei periodi molto piovosi.
Impatti socio-ambientali causati dall'impianto di impianti idroelettrici
La prima centrale idroelettrica è stata realizzata alla fine del XIX secolo su un tratto delle cascate del Niagara, tra Stati Uniti e Canada, quando il carbone era il principale combustibile e il petrolio non era ancora ampiamente utilizzato. Prima di allora, l'energia idraulica veniva utilizzata solo come energia meccanica.
Nonostante l'energia idroelettrica sia una fonte di energia rinnovabile, il rapporto di Aneel sottolinea che la sua partecipazione alla matrice elettrica mondiale è piccola e sta diventando ancora più piccola. La crescente mancanza di interesse sarebbe il risultato delle esternalità negative derivanti dalla realizzazione di progetti di queste dimensioni.
Un impatto negativo dell'impianto di grandi progetti idroelettrici è il cambiamento nel modo di vivere delle popolazioni che vivono nella regione, o nei dintorni del luogo, dove verrà impiantato l'impianto. È anche importante sottolineare che queste comunità sono spesso gruppi umani identificati come popolazioni tradizionali (popolazioni indigene, quilombola, comunità rivierasche amazzoniche e altri), la cui sopravvivenza dipende dall'uso delle risorse del luogo in cui vivono e che hanno legami con il territorio ordine culturale.
L'energia idroelettrica è pulita?
Nonostante sia considerata da molti una fonte di energia “pulita” perché non associata alla combustione di combustibili fossili, la produzione di energia idroelettrica contribuisce all'emissione di anidride carbonica e metano, due gas potenzialmente responsabili del riscaldamento globale.
L'emissione di anidride carbonica (CO2) è dovuta alla decomposizione di alberi che rimangono al di sopra del livello dell'acqua dei bacini, e il rilascio di metano (CH4) avviene per decomposizione della materia organica presente sul fondo del serbatoio. All'aumentare della colonna d'acqua, aumenta anche la concentrazione di metano (CH4). Quando l'acqua raggiunge le turbine dell'impianto, la differenza di pressione provoca il rilascio di metano nell'atmosfera. Il metano viene rilasciato nel percorso dell'acqua anche attraverso lo sfioratore dell'impianto, quando, oltre al cambio di pressione e temperatura, l'acqua viene nebulizzata a gocce.
La CO2 viene rilasciata dalla decomposizione degli alberi morti sopra l'acqua. A differenza del metano, solo una parte della CO2 emessa è considerata impattante, poiché gran parte della CO2 viene annullata per mezzo degli assorbimenti che avvengono nel giacimento. Poiché il metano non è incorporato nei processi di fotosintesi (sebbene possa essere trasformato lentamente in anidride carbonica), in questo caso è considerato più impattante sull'effetto serra.
Il Progetto Balcar (Greenhouse Gas Emissions in Reservoirs of Hydroelectric Plants) nasce per studiare il contributo dei giacimenti artificiali all'intensificazione dell'effetto serra attraverso l'emissione di anidride carbonica e metano. I primi studi del progetto sono stati effettuati negli anni '90, nei bacini artificiali della regione amazzonica: Balbina, Tucuruí e Samuel. La regione amazzonica si è concentrata sullo studio perché è caratterizzata da una massiccia copertura vegetale e quindi da un maggiore potenziale di emissioni di gas per decomposizione della materia organica. Successivamente, alla fine degli anni '90, il progetto comprendeva anche Miranda, Três Marias, Segredo, Xingo e Barra Bonita.
Secondo l'articolo che il dottor Philip M. Fearnside, dell'Amazon Research Institute, ha pubblicato sulle emissioni di gas nello stabilimento di Tucuruí, nel 1990, le emissioni di gas serra (CO2 e CH4) dell'impianto variavano tra 7 milioni e 10 milioni di tonnellate quell'anno. L'autore fa un confronto con la città di San Paolo, che nello stesso anno ha emesso 53 milioni di tonnellate di CO2 da combustibili fossili. In altre parole, solo Tucuruí sarebbe responsabile dell'emissione dell'equivalente dal 13% al 18% delle emissioni di gas serra nella città di San Paolo, un valore significativo per una fonte energetica considerata a lungo “priva di emissioni”. Si credeva che, nel tempo, la materia organica avrebbe subito una decomposizione completa e, di conseguenza, avrebbe cessato di emettere questi gas. Tuttavia,studi del gruppo Balcar hanno dimostrato che il processo di produzione del gas è alimentato dall'arrivo di nuovi materiali organici portati da fiumi e piogge.
Perdita di specie vegetali e animali
Soprattutto nella regione amazzonica, che ha un'elevata biodiversità, c'è l'inevitabile morte di organismi dalla flora del luogo in cui si forma il bacino. Per quanto riguarda gli animali, anche se viene effettuata una pianificazione approfondita nel tentativo di rimuovere gli organismi, non si può garantire che tutti gli organismi che compongono l'ecosistema vengano salvati. Inoltre, la diga impone cambiamenti negli habitat circostanti.
Perdita di suolo
Il terreno nell'area allagata diventerà inutilizzabile per altri scopi. Questo diventa un problema centrale, soprattutto nelle regioni prevalentemente pianeggianti, come la stessa regione amazzonica. Poiché la potenza dell'impianto è data dal rapporto tra la portata del fiume e l'irregolarità del terreno, se il terreno presenta un dislivello basso, è necessario immagazzinare una maggiore quantità di acqua, il che implica un'estesa area di invaso.
Cambiamenti nella geometria idraulica del fiume
I fiumi tendono ad avere un equilibrio dinamico tra portata, velocità media dell'acqua, carico di sedimenti e morfologia del letto. La costruzione di invasi influisce su questo equilibrio e, di conseguenza, provoca cambiamenti di ordine idrologico e sedimentario, non solo nel sito della diga, ma anche nell'area circostante e nel letto sottostante la diga.
Capacità nominale x quantità effettiva prodotta
Un'altra questione da sollevare è che c'è una differenza tra la capacità nominale installata e la quantità effettiva di energia elettrica prodotta dall'impianto. La quantità di energia prodotta dipende dal flusso del fiume.
Inutile, quindi, installare un sistema in grado di produrre più energia di quanta ne può fornire la portata del fiume, come è avvenuto nel caso della centrale idroelettrica di Balbina, installata sul fiume Uatumã.
Forza ferma della pianta
Un altro punto importante da tenere in considerazione è il concetto di forza ferma dell'impianto. Secondo Aneel, la potenza ferma dell'impianto è la massima produzione continua di energia che si potrebbe ottenere, considerando come base la sequenza più secca registrata nella cronologia di flusso del fiume in cui è installato. Questo problema tende a diventare sempre più centrale di fronte a periodi di siccità sempre più frequenti e gravi.
Energia idroelettrica in Brasile
Il Brasile è il paese che detiene il più grande potenziale idroelettrico del mondo. Quindi il 70% di esso è concentrato nei bacini di Amazonas e Tocantins / Araguaia. La prima grande centrale idroelettrica brasiliana realizzata fu Paulo Afonso I, nel 1949, a Bahia, con una potenza pari a 180 MW. Attualmente Paulo Afonso I fa parte del complesso idroelettrico Paulo Afonso, che comprende un totale di quattro impianti.
Balbina
La centrale idroelettrica di Balbina è stata costruita sul fiume Uatumã, in Amazonas. Balbina è stata costruita per soddisfare il fabbisogno energetico di Manaus. La previsione era per l'installazione di 250 MW di capacità, attraverso cinque generatori, con potenze di 50 MW ciascuno. Tuttavia, il flusso del fiume Uatumã fornisce una produzione energetica media annua molto più bassa, circa 112,2 MW, di cui solo 64 MW possono essere considerati come potenza continua. Considerando che si ha una perdita approssimativa del 2,5% durante la trasmissione di energia elettrica dalla centrale al centro consumatori, solo 109,4 MW (62,4 MW di potenza aziendale). Valore ben al di sotto della capacità nominale di 250 MW.
Itaipu
La centrale idroelettrica di Itaipu è considerata la seconda centrale al mondo, con 14mila MW di capacità installata, e seconda solo a Três Gorges, in Cina con 18,2mila MW. Costruito sul fiume Paraná e situato al confine tra Brasile e Paraguay, è un impianto binazionale, poiché appartiene a entrambi i paesi. L'energia generata da Itaipu che fornisce il Brasile corrisponde alla metà della sua potenza totale (7mila MW) che equivale al 16,8% dell'energia consumata in Brasile, e l'altra metà della potenza è utilizzata dal Paraguay e corrisponde al 75% Consumo energetico paraguaiano.
Tucuruí
L'impianto di Tucuruí è stato costruito sul fiume Tocantins, in Pará e ha una capacità installata pari a 8.370 MW.
Belo Monte
Sul fiume Xingu è stata realizzata la centrale idroelettrica di Belo Monte, situata nel comune di Altamira, a sud-ovest del Pará e inaugurata dalla presidente Dilma Roussef. La centrale è la più grande centrale idroelettrica 100% nazionale e la terza più grande del mondo. Con una capacità installata di 11.233,1 Megawatt (MW). Ciò significa un carico sufficiente per servire 60 milioni di persone in 17 stati, che rappresenta circa il 40% del consumo residenziale in tutto il paese. La capacità di produzione installata equivalente è di 11.000 MW, ovvero il più grande impianto di potenza installata il paese, prendendo il posto dello stabilimento di Tucuruí come il più grande impianto nazionale al 100%. Belo Monte è anche la terza centrale idroelettrica al mondo, rispettivamente dietro Três Gorges e Itaipu.
Molte questioni ruotano attorno alla costruzione dello stabilimento di Belo Monte. Nonostante la capacità installata di 11mila MW, secondo il Ministero dell'Ambiente, la potenza ferma dell'impianto corrisponde a 4,5mila MW, cioè solo il 40% della potenza totale. Poiché è costruito in una regione amazzonica, Belo Monte ha il potenziale per emettere grandi concentrazioni di metano e anidride carbonica. Tutto questo senza contare il grande impatto sulla vita delle popolazioni tradizionali e il grande impatto su fauna e flora. Un altro fattore è che la sua costruzione avvantaggia principalmente le aziende, non la popolazione. Circa l'80% dell'energia elettrica è destinata alle aziende del Centro-Sud del Paese.
Applicabilità
Nonostante gli impatti socio-ambientali negativi citati, l'energia idroelettrica presenta vantaggi rispetto alle fonti energetiche non rinnovabili come i combustibili fossili. Nonostante contribuiscano all'emissione di metano e anidride solforosa, gli impianti idroelettrici non emettono né rilasciano altri tipi di gas tossici, come quelli esalati dagli impianti termoelettrici, molto dannosi per l'ambiente e la salute umana.
Sono invece più evidenti gli svantaggi delle dighe idroelettriche rispetto ad altre fonti di energia rinnovabile come il solare e l'eolico, che hanno impatti ambientali ridotti rispetto agli impatti causati dalle dighe. Il problema è ancora la fattibilità delle nuove tecnologie. Un'alternativa per ridurre gli impatti legati alla produzione di energia idroelettrica è la realizzazione di piccoli impianti idroelettrici, che non richiedono la realizzazione di grandi serbatoi.
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Inoltre, le dighe hanno una vita utile di circa 30 anni, il che mette in discussione la loro redditività a lungo termine.
Lo studio "Energia idroelettrica sostenibile nel 21 ° secolo", condotto dalla Michigan State University, attira l'attenzione sul fatto che le grandi dighe idroelettriche potrebbero diventare una fonte di energia ancora meno sostenibile di fronte al cambiamento climatico.
È necessario considerare i costi reali dell'energia idroelettrica, non solo economici e di infrastruttura, ma anche i costi sociali, ambientali e culturali.
