Centrali idroelettriche con sistemi di sollevamento, riciclo e distribuzione dell’acqua .
Brevetto italiano richiesto N. 102015000048789 del 04/09/2015
Astratto
Lo stato dell’arte nello sfruttamento delle risorse idriche terrestri e nella produzione di energia idroelettrica è stato condizionato dall’assenza di sinergie tra pompe e turbine idrauliche e da un approccio scorretto alla forza gravitazionale, che non va vinta dal sollevamento idraulico ma sostenuta, con la circolazione dell’acqua unidirezionale in serbatoi aperti, posti in superficie, che fungono anche da disconnessione idraulica. Con la triplice sinergia tra la doppia alimentazione di pompe, turbine e ricircolo dell’acqua in un recipiente aperto, applicando principi idraulici noti da secoli, come il principio dei recipienti comunicanti, le leggi di Bernoulli e Pascal, posizionando strategicamente l’ingresso elettrico doppio o singolo tra un’elevata prevalenza idraulica positiva e le turbine, dimensionate per lo sfruttamento dello stesso carico idraulico, le pompe, lavorando con un carico bilanciato, con un basso consumo energetico, vincono lo stato di inerzia, consentendo la trasformazione dell’energia di pressione della colonna d’acqua intubata sovrastante la pompa in energia cinetica e trasferendola alle turbine, che producono energia. Il circuito idraulico energetico termina all’uscita delle turbine, dove il collettore (c) che riceve l’acqua è collegato senza soluzione di continuità al serbatoio superiore (wddr) comune al lato di aspirazione delle pompe. Pertanto, per il principio dei serbatoi comunicanti, l’acqua non deve essere sollevata. Ci troviamo nel caso di un ricircolo in un serbatoio aperto. Ma con doppie pompe di alimentazione abbiamo la possibilità di sostituire nel circuito di ricircolo quasi il 50% della portata nominale della pompa con acqua proveniente da un serbatoio idrico posto a un livello idrostatico inferiore, senza che l’efficienza produttiva ne risenta seriamente, se non per una minima diminuzione della resa. In questo modo possiamo produrre energia anche sollevando l’acqua. Oggi, gli impianti di sollevamento idrico sono di gran lunga i maggiori assorbitori di energia del pianeta e con il riscaldamento globale e l’innalzamento del livello del mare assorbiranno sempre più energia se il mondo non procederà immediatamente a rendere questa invenzione utile sia per la difesa dalle inondazioni, sia per la normale distribuzione dell’acqua.
Legenda Fig. 8: (acg) generatore di corrente alternata; (ai) girante assiale; (C) collettore; (oipds) pompa intubata rovesciata a doppia aspirazione; (csp) tubo del sistema di collegamento; (cst) tubo del sistema di contenimento; (cv) valvola di ritegno; (dgh) altezza geodetica di mandata; (dthdc) deviazione verso i canali di drenaggio idraulico; (ecpc) cavo di produzione di corrente elettrica; (fcp) flangia per l’accoppiamento alla pompa; (fdsfs) separatore di flusso e alimentazione doppio flangiato; (fss) separatore di flusso in lamiera d’acciaio; (htva) turbina idraulica ad asse verticale; (mpl) sonda di livello minimo o massimo; (od) scarico di troppo pieno; (sav) valvola di alimentazione aggiuntiva; (sgh) altezza geodetica di aspirazione; (sov) valvola di intercettazione; (srip) anello di supporto per pompa intubata; (srt) tubo del serbatoio di alimentazione; (sss) lamiera d’acciaio sagomata; (tcp) tubo contenente la pompa; (tpups) UPS trifase; (wdn) rete di distribuzione idrica; (wddr) serbatoio di distribuzione e disconnessione idrica.
In questi semplici sistemi, la prevalenza idrostatica, misurata in metri di colonna d’acqua, viene scelta dopo aver calcolato attentamente le perdite di carico nella turbina e nei tubi, in modo da posizionare l’asse della pompa esattamente nel punto in cui la pressione dinamica positiva esercitata dalla sola pompa può bilanciare le resistenze alla circolazione dell’acqua, inclusa la turbina. La pompa ha il solo compito di vincere lo stato di inerzia dell’acqua all’interno dei tubi che alimentano la pompa e la turbina, consumando pochissima potenza, essendo posizionata tra due carichi uguali e opposti. La rotazione della pompa, posta in tali condizioni, produce una colonna d’acqua sovrastante la pompa, che viene separata dall’acqua statica circostante, generando energia cinetica (1/2 * m * V² ) , derivata da (m * g * h), che viene sfruttata nella turbina per produrre energia elettrica. Anche la perdita di pressione nelle valvole e nei tubi può essere imputata all’energia cinetica sviluppata dall’acqua che cade dal serbatoio superiore, se le sezioni di passaggio sono state dimensionate correttamente. Supponendo che la prestazione complessiva della turbina e del generatore di corrente accoppiato sia pari a 0,8. La potenza utile può essere fornita da una turbina che sfrutta appieno il carico utile Hu di 50 m, con una pompa intubata che ha una portata di 1 m³/s, sarà Pu = η*1000*Q*Hu/10² = 0,8*1000*1*50/10² = 392 kW; mentre per far ruotare la pompa in condizioni di equilibrio tra la prevalenza positiva e la turbina è sufficiente una prevalenza di pochi cm di colonna d’acqua. Ipotizzando di lavorare con una pompa elettrica che ha la stessa portata, prevalenza 0,2 e 0,7 in uscita, il consumo di potenza è di 2,8 kW (1000 * 0,2 / 10² * 0,7). Il rapporto tra energia prodotta e spesa è 392 / 2,8 = 140.
Nessuno ha mai pensato di poter produrre energia sfruttando fonti di energia statica come la pressione atmosferica e l’altezza idrostatica delle pompe, sebbene queste siano sempre considerate nei calcoli idraulici per determinare la potenza degli impianti e delle pompe e, di conseguenza, per risparmiare energia negli ascensori idraulici.
Infatti, se è possibile sfruttare la prevalenza idrostatica per risparmiare energia pompando l’acqua verso l’alto per vincere la pressione atmosferica, è anche possibile trasformare la prevalenza idrostatica, favorendo la pressione atmosferica, in energia, non sollevando ma spingendo verso il basso le acque statiche, dopo averle intubate e partendo dalla superficie dell’acqua. Come si evince dalla Fig. 8, il collettore (c), che raccoglie l’acqua in uscita dalle turbine, può essere considerato come il fondo del serbatoio (wddr), mentre il tubo verticale (srt) ne rappresenta l’estensione; pertanto, la perdita di carico da considerare è quella di un’uscita in un recipiente aperto, come negli impianti sommersi, oltre alle sole perdite di carico nelle tubazioni, non a quelle per superare la differenza di livello. Le leggi dell’idraulica sono chiare, sia per quanto riguarda lo sfruttamento dell’Hga nell’aspirazione della pompa, sia per quanto riguarda la perdita di pressione in un circuito idraulico nel recipiente aperto, da cui parte l’acqua aspirata e ritorna quella pompata. La prevalenza idrostatica positiva da sopportare sull’albero della pompa è la somma dell’altezza utile (Hu) richiesta dalla turbina più le perdite di carico nelle tubazioni (pdc) e in uscita (pds). Anche la lunghezza della rete idrica che collega i serbatoi (wddr) può essere imputata alla prevalenza idrostatica. Infatti, se aumentiamo la distanza tra un bacino e l’altro, non è necessario aumentare la prevalenza delle pompe, ma la prevalenza idrostatica sulle pompe, che incide molto meno. Aumentando i diametri dei tubi si riducono l’altezza degli impianti e la pressione di esercizio. La prevalenza da assegnare al sistema e alla pompa “H” è pari alla somma algebrica di: (+) Hgea (-) Pdc (-) pds, dove:
Hga (m) = (sgh) aspirazione geodetica: distanza tra il livello superiore della presa d’acqua e l’asse della pompa. Hga, nel nostro caso, ai fini energetici, è positivo poiché la pompa è soggetta al livello dell’acqua.
Pdc (m) = somma di tutte le cadute di pressione del sistema, che, ai fini dell’assorbimento di energia di pressione, vanno considerate con segno negativo. Nel nostro caso, sono rappresentate dal tubo di discesa, dai pezzi speciali, dalla resistenza alla rotazione della turbina, dalla velocità nel tubo (rst) di collegamento al recipiente.
Pds (m) = perdita di pressione all’uscita nel collettore e nel serbatoio superiore (V 2 / 2g)
Senza mai superare con il tubo (rst) il livello del bacino (wddr), pompando nella direzione della pressione atmosferica, la prevalenza dell’impianto tende a zero bilanciando la perdita di pressione con il carico idrostatico. Ovviamente, per ottenere la massima energia prodotta, le perdite di carico dovrebbero concentrarsi nella turbina riducendo le altre, aumentando i diametri dei tubi e riducendone le lunghezze. Infatti, il collettore (c) e il tubo (rst) sono rappresentati di grandi dimensioni rispetto agli altri tubi per indicare la continuità volumetrica del serbatoio.
In questi sistemi sfruttiamo dinamicamente il principio di Pascal: utilizzando la pressione idrostatica del serbatoio superiore per sollevare il flusso d’acqua nel bacino inferiore, alimentato nel circuito di ricircolo grazie a una pompa a doppio combustibile, senza consumare energia. Oltre al principio di Pascal, questa possibilità è confermata dai pozzi artesiani, dove l’acqua di falda affiora direttamente in superficie senza l’ausilio di pompe. Non è la pompa a sollevare l’acqua, ma senza la doppia alimentazione della pompa l’acqua non potrebbe essere immessa nel circuito di ricircolo per essere sollevata. Infatti, la chiusura della valvola (sav) che alimenta il lato sinistro della pompa, permette di alimentare tale lato del bacino con l’acqua presente nel livello inferiore; la miscelazione e la somma dei due flussi, che avvengono nella pompa, consentono di raggiungere il livello idrostatico massimo del serbatoio senza un consumo energetico apprezzabile. Raggiunta tale soglia, si chiude l’alimentazione dell’acqua da sollevare (sov) e si riapre l’alimentazione con l’acqua riciclata del bacino superiore (sav), fino a quando il livello dell’acqua non si abbassa nuovamente e richiede un nuovo sollevamento. Ovviamente, questo sistema può essere utilizzato per portate grandi e piccole e per grandi e piccole differenze di altezza. Osservando la Fig. 5, la pressione dinamica che circola sul lato destro della pompa viene trasmessa anche a quella che entra dal lato sinistro. L’acqua con una pressione idrostatica inferiore viene immessa nel bacino superiore del circuito di ricircolo e quindi sollevata, ma la turbina continua a produrre energia quasi al livello massimo se le sezioni di passaggio dell’acqua sono adattate alla trasmissione della pressione dinamica del serbatoio superiore. All’uscita della turbina l’acqua entra nel collettore (C), che è anche il fondo del recipiente aperto, che fornisce acqua, pressione statica e dinamica per produrre energia nella turbina.
È importante notare che in questi impianti realizziamo sinergie non solo tra pompe e turbine, ma anche tra i principi idraulici su cui si basano. Il vantaggio energetico lo abbiamo fatto la differenza tra l’energia prodotta nella fase di discesa delle acque e quella consumata nelle perdite di carico, escludendo quelle della corrente delle acque perché nei bacini sempre pieni, a volume costante, l’acqua non deve essere sollevata; disproving also the myth of back-pressure at the exit of turbine because the static pressure is not opponent to the kinetic energy, except for the friction between the molecules, due of the speed difference (V2 / 2g). The representation is symbolic and shows only one pump per plant, but as in the current lifting systems, there can be many groups of pumps – turbines in parallel, as long each group have least one orifice connected directly to the upper reservoir with the dynamic pressurization tube. Con il simbolo (c) si indica il collettore di mandata che può essere comune a più gruppi di pompe-turbine in parallelo, purché abbia una sezione trasversale ampia per ridurre le perdite di carico per attrito con le pareti del tubo. Tuttavia, solo il collettore (C), il tubo di alimentazione (srt) e quello di collegamento con l’impianto successivo (csp) sono in comune. Infatti, ogni pompa, pompando verso il basso, produce energia cinetica nel proprio tubo, che viene dissipata nella turbina, appositamente dimensionata; pertanto, il sollevamento dell’acqua al serbatoio (wddr) avviene senza energia, basandosi semplicemente sul principio di comunicazione tra i serbatoi. Anche il collegamento tra i vari serbatoi (csp) deve avere una sezione trasversale ampia, dovendo alimentare la doppia alimentazione delle pompe di sollevamento successive, che possono essere situate a molti chilometri di distanza. Quando non vi è prelievo dalla rete idrica (wdn), che consuma acqua, non è necessario sollevare acqua, quindi il sistema serve solo a produrre energia. In questo caso, anche il lato sinistro della pompa viene alimentato dal serbatoio superiore tramite la valvola a controllo remoto (sav) e si ottiene il massimo dell’energia prodotta. Quando, invece, a causa dei prelievi dalla rete il livello di un serbatoio (wddr) si abbassa, il sistema di controllo, basandosi proprio sui livelli del serbatoio, chiude la valvola (sav) di quel serbatoio e, automaticamente, il lato sinistro della pompa viene alimentato dalla vasca inferiore (wddr) tramite la valvola di non ritorno (cv). Ovviamente, l’operazione comporta l’abbassamento del livello della vasca inferiore e il controllo del livello di quest’ultima, a sua volta, chiude la valvola (sav) e l’acqua che alimenta il lato sinistro viene prelevata dal punto in cui si trova una vasca a un livello ancora inferiore. Tutto ciò avviene mentre la pompa e la turbina sono sempre in rotazione producendo energia. Pertanto, mentre nell’attuale sistema basato sui livelli i sistemi automatici di sollevamento dell’acqua mettono in funzione un numero sempre maggiore di pompe elettriche per compensare il prelievo dalla rete, negli impianti in questione le pompe elettriche sono sempre in funzione.Le valvole (sav) determinano da dove prelevare l’acqua che alimenta il lato sinistro della pompa. Il numero di valvole (sav) chiuse e il tempo di chiusura dipendono dal tempo necessario per ripristinare il livello nominale corrispondente alla quota di scarico infinita del troppopieno (od). Come si può vedere, nel circuito idraulico di collegamento tra il serbatoio iniziale (wlb) e la prima vasca (wddr1) la valvola (sav) è posizionata sul tubo di scarico (od). Infatti, il livello del serbatoio (wddr1) deve essere sempre mantenuto al livello massimo dell’acqua (mpl), fornendo l’acqua proveniente dal troppopieno. Quando il livello di (wddr1) si abbassa, la valvola (sav) si chiude e la valvola (sov) si apre, consentendo l’alimentazione idrica direttamente sul lato sinistro delle pompe attraverso la vasca iniziale (wlb) tramite le valvole di ritegno (CV).
Luigi Antonio Pezone
