Sistema di autoclave per il pompaggio dell’acqua, impianto di produzione di energia idroelettrica.
Domanda di brevetto italiana n. 102016000066396 del 27.06.2016
Astratto
L’invenzione della pompa a doppia alimentazione sul lato di aspirazione ha permesso l’invenzione dell’energia idroelettrica mediante il riciclo dell’acqua in un bacino aperto. Con questo sistema si ottiene, allo stesso tempo, il sollevamento dell’acqua e la produzione di energia, principalmente sfruttando la pressione dinamica (o energia cinetica) dell’acqua che scorre dal serbatoio superiore. Le due invenzioni sopra descritte hanno ispirato la presente invenzione, che permette la produzione di energia modificando gli impianti esistenti con autoclave pressurizzata. Infatti, nel caso di un sistema idraulico con autoclave pressurizzata (1), non è possibile utilizzare l’energia della posizione della superficie dell’acqua in un bacino aperto, che produce energia cinetica nel tubo discendente che alimenta la pompa e la turbina, ma è possibile sfruttare la pressione dell’aria compressa che spinge l’acqua pressurizzata direttamente in una turbina (2) e la scarica in un serbatoio a pressione atmosferica (3). In questo caso, sfruttiamo quindi la caduta di pressione e la portata attraverso la turbina, mentre la pompa a doppia alimentazione, reintroducendo immediatamente l’acqua nel serbatoio pressurizzato (1), dal lato di aspirazione di una delle due bocche di alimentazione, permette di risparmiare l’energia che sarebbe necessaria per ripristinare la pressione del cuscino d’aria, consumando in quella fase solo l’energia per la circolazione dell’acqua senza le spese energetiche per il sollevamento idraulico, necessario con le pompe tradizionali. Anche il consumo energetico per il sollevamento dell’acqua alla rete di distribuzione idrica sarà ridotto al minimo, mantenendo costanti i livelli del serbatoio dell’autoclave pressurizzato e di transito, a pressione atmosferica, mediante la sincronizzazione degli afflussi e dei deflussi di cassa con valvole motorizzate e inverter che regolano la velocità dei motori delle pompe. L’energia prodotta dai sistemi ad autoclave sarà centinaia di volte maggiore di quella assorbita, migliorando anche la qualità dell’acqua che non ristagna mai nel serbatoio pressurizzato e durante il transito, a pressione atmosferica.
Descrizione Le recenti invenzioni di pompe a doppia alimentazione sul lato di aspirazione e quelle degli impianti idroelettrici con riciclo dell’acqua, realizzate dal sottoscritto, consentono di aggirare la forza di gravità dividendo il flusso d’acqua verso una pompa in quattro zone mantenute separate fino all’interno della girante della pompa. Di queste zone, due sono alimentate con acqua prelevata dal livello superiore e due dal basso. Poiché le alimentazioni sono fisse, mentre la girante ruota, lo stesso settore della girante viene alimentato alternativamente con un flusso avente pressione diversa e portate molto simili, quindi, il flusso d’acqua a pressione più elevata spinge nella girante il flusso d’acqua a pressione inferiore, mentre la rotazione della girante aumenta ulteriormente la pressione dell’acqua in base alle caratteristiche della stessa (assiale, semiassiali, radiale, aperta, chiusa, ecc.). Questo sistema, in circuiti idraulici sempre pieni d’acqua, con la quadrupla sinergia tra l’intubazione dell’acqua di superficie, pompe, turbine e ricircolo dell’acqua nel serbatoio aperto, applicando principi idraulici noti da secoli, come il principio dei vasi comunicanti, le leggi di Torricelli, Bernoulli e Pascal, posizionando, strategicamente, le pompe elettriche a doppia potenza tra un’elevata prevalenza idraulica positiva e le turbine, facendo lavorare le pompe, almeno un’aspirazione con un carico bilanciato dalle perdite di carico nel circuito di ricircolo, con un piccolo consumo di energia, permette di sfruttare l’energia cinetica dell’acqua prodotta nel tubo di discesa che alimenta la pompa, per ridurre l’apporto elettrico del motore che aziona la pompa stessa e aumentare la produzione di energia nella turbina soggetta alla pompa. Pertanto, la seconda bocca della pompa può essere alimentata, con minore pressione, dall’acqua proveniente da una vasca con acqua da sollevare al livello del serbatoio superiore, che alimenta l’infinito alle reti di distribuzione idrica, consumando la bassa energia necessaria per riciclare l’acqua in un recipiente aperto, invece di energie molto più elevate, che sarebbero necessarie per sollevare l’acqua contro la forza di gravità. Un tale sistema, mostrato in Fig. 2, di cui riporta anche la legenda per evidenziare differenze e similitudini, ha ispirato uno schema completamente diverso che utilizza anch’esso le doppie pompe di alimentazione sul lato di aspirazione ma in combinazione con un serbatoio autoclave e altre apparecchiature per produrre energia anche in questo caso, mostrato in Fig. 1, un po’ complicato da trasformare in un sistema energetico, ma i vantaggi sono immensi e le applicazioni sono sia fisse che mobili.
Legenda della Fig. 2: (C) collettore; (oipds) pompa intubata rovesciata a doppia aspirazione; (cv) valvola di ritegno; (dgh) quota geodetica di mandata; (mpl) sonda di livello minimo o massimo; (sav) valvola di alimentazione aggiuntiva; (sacg) generatore di corrente alternata sommergibile; (sacm) motore di corrente alternata sommergibile; (sgh) quota geodetica di aspirazione; (sov) valvola di intercettazione; (tcp) tubo contenente la pompa; (wdn) rete di distribuzione idrica; (wddr) serbatoio di distribuzione e disconnessione idrica; (wlb) bacino di sollevamento dell’acqua.
La Figura 1 illustra come è progettato un sistema di autoclave per il pompaggio dell’acqua, utilizzato da un produttore di energia idroelettrica, e riporta la seguente legenda:
Legenda: (1) autoclave serbatoio pressurizzato; (1.1) regolatore di livello con sonde capacitive; (1.2) valvola di sicurezza; (1.3) manometro con valvola di intercettazione; (1.4) valvola motorizzata di controllo del flusso con trasmettitore di posizione; (1.5) trasmettitore di pressione e flusso; (2) pompa utilizzata come turbina (brevetto); (2.1) generatore di corrente alternata sommergibile; (2.2) valvola motorizzata per alimentare la turbina con regolazione del flusso; (3) serbatoio di transito dell’acqua a pressione atmosferica e contenitore (brevetto); (3.1) valvola motorizzata per alimentare la rete idrica pressurizzata; (3.2) valvola motorizzata di bypass per alimentazione a bassa pressione; (3.3) valvole di sfiato; (3.4) controllo del livello dell’acqua con sonde capacitive; (3.5) valvola motorizzata per alimentazione idrica a bassa pressione; (3.6) pompa elettrica di alimentazione a bassa pressione a velocità variabile, azionata da un inverter; (4) pompa elettrica a doppia alimentazione sul lato di aspirazione; (4.1) motore di azionamento della pompa, a velocità variabile, controllato da un inverter; (4.2) giunto motore pompa; (4.3) albero di trasmissione; (4.4) tubo di protezione dell’albero di trasmissione; (4.5) doppia curva con separatori incrociati a setti in bassa pressione (LP) e alta pressione (hp); (4.6) setti per separatori di flusso; 4.7 girante chiusa; (4.8) diffusore della pompa; (4.9) valvola di ritegno. (5) tubo di derivazione deviatore di flusso; (6) rete di distribuzione dell’acqua; (6.1) valvola motorizzata per alimentare la rete di distribuzione dell’acqua; (6.2) trasmettitore di flusso in pressione; (7) linea di alimentazione dell’acqua; (7.1) trasmettitore di flusso in pressione; (8) elettrocompressore.
Come si può notare dalla Fig. 1, il serbatoio pressurizzato dell’autoclave (1) è alimentato con acqua proveniente dal serbatoio (3), a sua volta alimentato dalla rete idrica (7), e con acqua riciclata dallo stesso serbatoio dell’autoclave (1). A differenza dei sistemi ad autoclave esistenti, in questo sistema le pompe e le turbine sono sempre in funzione e fungono da valvole per deviare il flusso dove necessario. Se la rete di distribuzione idrica (6) richiede acqua, apre gradualmente la valvola (6.1) in funzione del segnale in milliampere di un trasmettitore di portata o pressione (6.2). L’automazione può essere realizzata in entrambi i modi: in caso di calo di pressione o di rilevamento di una portata, si aumenta il grado di apertura della valvola (6.1) fino a quando la pressione o la portata si stabilizzano. Quando la pressione nella rete risale al livello nominale o il flusso si arresta per la chiusura delle valvole di rete, la valvola (6.1) si chiude. Con la valvola (6.1) chiusa, l’intero flusso d’acqua circolante nel sistema viene deviato, tramite la valvola (2.2), nella turbina o pompa utilizzata come turbina (pat.) (2), mostrata in figura, che scarica l’acqua in un serbatoio aperto dotato di sfiati (3), il quale, a sua volta, tramite una valvola (3.5) e una pompa di circolazione a bassa pressione, alimenta una bocchetta di una pompa a doppia alimentazione (4), mentre la seconda bocchetta è alimentata direttamente con la pressione massima del serbatoio pressurizzato (1). La pressurizzazione con aria compressa è fornita dal compressore (8). Poiché la portata è variabile, le valvole possono essere parzialmente aperte, in modo che l’acqua circoli dove si verifica la caduta di pressione rispetto ai valori nominali, rilevata da trasmettitori di portata o pressione posizionati in prossimità delle valvole stesse. Quando si preleva acqua dalla rete (6), si verifica un calo di pressione nel serbatoio (1), che viene immediatamente ripristinato sia tramite l’avvio del compressore (8), sia consentendo all’acqua di entrare nel circuito di alimentazione del serbatoio (3) dalla rete di distribuzione pubblica (7). Tale alimentazione può avvenire attraverso la valvola di alimentazione (3.1) se la valvola (2.2) è chiusa, oppure attraverso la valvola (3.2) se la 2.2 è parzialmente aperta. L’alimentazione si interrompe quando il regolatore elettronico (3.4) indica il livello massimo nel serbatoio (3).
Ovviamente, questo sistema produce la massima energia elettrica quando non vi è prelievo dall’approvvigionamento idrico (6), ad esempio, nelle ore notturne. Infatti, in tali condizioni, produce energia senza consumare l’acqua che circola tra i due serbatoi. Di conseguenza, non consuma nemmeno l’aria compressa, a parte quella che viene liberata nell’atmosfera quando l’acqua viene sfiatata alla pressione atmosferica nel serbatoio (3), ma questo fenomeno è quantificabile in milligrammi di gas per litro d’acqua (azoto, ossigeno, CO2) secondo la legge di Dalton di cui sono riportate di seguito le formule principali che spiegano i concetti, senza considerare i meriti dei calcoli:
In effetti, in una miscela di gas ideali contenuta in un volume V e alla temperatura T, le molecole di ciascun gas si comportano indipendentemente dalle altre; di conseguenza, la pressione esercitata dalla miscela gassosa sulle pareti del contenitore e sulla superficie dell’acqua è data da: dove R è una costante pari a 0,0821;
, … rappresentano il numero di moli di ciascun componente della miscela. Questa legge è valida nelle condizioni in cui è valida la legge dei gas ideali; è approssimata a pressioni moderate, ma diventa sempre più precisa man mano che la pressione diminuisce. Definendo la frazione molare come il rapporto tra il numero di moli dell’i-esimo componente e il numero
totale di moli presenti:
si ottiene che in una miscela di gas ideali, la pressione parziale di ciascun componente è data dalla pressione totale moltiplicata per la frazione molare di quel componente:
.
In sostanza, per ogni gas presente nell’aria è possibile calcolare la percentuale di solubilità in acqua alla pressione di esercizio, ma a fini pratici, l’energia necessaria per comprimere l’aria sarà una spesa minima, poiché l’aria compressa, non uscendo mai dal volume del serbatoio (1), presenta solo piccole fluttuazioni di pressione e, una volta raggiunto il punto di saturazione, non discioglie ulteriore aria. Il consumo energetico è dovuto alla minore solubilità in acqua del gas a pressione atmosferica. Infatti, quando l’acqua attraversa il serbatoio (3), dotato di sfiati, rilascia una piccola quantità d’aria, che diventa insolubile alla pressione atmosferica, attraverso lo sfiato (3.3). Tuttavia, ovviamente, i tempi di transito in questo serbatoio sono molto brevi e il processo di espulsione completa dell’aria non può avvenire, perché il gas ritorna immediatamente nel serbatoio dell’acqua (1) dove non può fuoriuscire dalla superficie dell’acqua, tornando alle condizioni di massima solubilità.
Pertanto, come accennato nell’introduzione, un circuito pressurizzato con autoclave (1), accoppiato a una turbina (2), a un serbatoio di transito dell’acqua aperto (3), a una pompa di ricircolo dell’acqua a doppia alimentazione (4), può funzionare in modo molto simile a un circuito in un recipiente aperto mantenuto costantemente pieno, mostrato in Fig. 2, anche se utilizza alcuni principi fisici differenti. Infatti, in entrambi i circuiti è possibile produrre energia anche sollevando l’acqua, a condizione che l’acqua da sollevare venga immessa nel circuito di ricircolo, sempre pieno, del bacino dotato di una pressione idrostatica superiore, entrando da una presa di aspirazione di una pompa a doppia alimentazione. In questo caso, infatti, nel circuito nel recipiente aperto l’acqua esce sollevata fino a tracimare dal bacino superiore spendendo solo l’energia per il ricircolo, senza sollevamento di circa il doppio della portata massima che può uscire dallo sfioratore. Lo stesso si può dire dell’autoclave con circuito pressurizzato, anche se i livelli dell’acqua da mantenere costanti sono due: uno nella vasca dell’autoclave (1.1) e uno nel serbatoio dell’acqua di transito a pressione atmosferica (3.4). Ovviamente, per mantenere costantemente questi livelli nell’autoclave con circuito pressurizzato è necessaria una gestione computerizzata del grado di apertura delle valvole motorizzate (1.4 – 6.1 – 3.1 – 2.2 – 3.1 – 3.2 – 3.5), la regolazione della velocità dei motori (4.1) delle pompe di circolazione a singola e doppia potenza e, se necessario, anche la messa in funzione del compressore (8). Ma la complessità del circuito è ampiamente compensata dall’energia derivante dal risparmio e dalla produzione di energia che otteniamo per mezzo di questo particolare circuito idraulico, che non è contrario ai principi di conservazione dell’energia, ma li potenzia, sfruttando le sinergie tra le stesse, insieme alla comprimibilità dell’aria e alla non comprimibilità dell’acqua. Tuttavia, il cuore del sistema è la pompa a doppia alimentazione (4), senza la quale sarebbe possibile aggirare la forza di gravità in un recipiente aperto (Fig. 2) e la pressione dell’autoclave (1) della Figura 1. Ma è importante anche il modo in cui alimenta la pompa, che deve partire da una certa distanza dalla pompa stessa, in modo che nella sezione di ingresso della pompa rappresentata dalla sezione AA della Fig. 1, si abbiano quattro flussi separati, di cui due ad alta pressione (hp) e due a bassa pressione (lp), disposti diagonalmente per bilanciare le pressioni idrauliche nella girante e nei cuscinetti. Affinché questa separazione dei flussi possa avvenire, è necessario partire dal deviatore di flusso (5) in modo che la doppia curva con deflettori di separazione (4.5) riceva già il flusso canalizzato nella posizione corretta, in modo che possa attraversare come mostrato nella sezione AA. Quindi, la metà delle curve particolari (4.5) utilizzando solo metà della sezione di passaggio, già disposta diagonalmente, che scorre in una sola sezione di ingresso della pompa già divisa in quattro settori senza soluzione di continuità fino alle pale della girante. Infatti,Con questo tipo di alimentazione, quando la girante è in rotazione, riceve nello stesso quarto di sezione flussi d’acqua con sequenza alternata hp – lp, utilizzando la spinta dell’acqua ad alta pressione (hp) per spingere in avanti l’acqua a pressione inferiore (lp). D’altra parte, questo principio idraulico è già utilizzato nelle pompe multicellulari, dove l’acqua mantiene la sua pressione dinamica totale (portata * pressione unitaria * sezione di passaggio) e aumenta di stadio in stadio, entrando al centro della girante, uscendo dalla periferia della stessa e ritornando al centro dello stadio successivo, per effetto, in particolare, dell’intensità della pressione dinamica totale che segue il percorso delle pale della girante (4.7) e del diffusore del corpo pompa (4.8), come mostrato, con le frecce, nel dettaglio ingrandito della pompa (4). In particolare, per generare energia, dall’acqua statica in un serbatoio aperto o chiuso e pressurizzato, è necessario intubare il flusso e la pressione in una sezione di passaggio di flusso unidirezionale, senza soluzione di continuità con il profilo delle pale della girante. Con l’aumento delle pressioni di esercizio, diventa importante anche la precisione della lavorazione, che impedisce perdite in direzione inversa al flusso. Infatti, le pompe multistadio raggiungono pressioni di esercizio nell’ordine delle centinaia di bar.
Come è noto, le applicazioni delle pompe idrauliche di sollevamento sono infinite. A volte servono portate molto elevate con prevalenze molto basse, per la difesa del territorio, e altre volte portate molto basse con prevalenze elevate, per sollevare l’acqua a distanze considerevoli dalla fonte di approvvigionamento. Ciò ha portato a una notevole varietà di pompe e giranti, prodotte in tutto il mondo, dato che il sollevamento dell’acqua, insieme al trasporto, rappresenta il maggiore consumo energetico del pianeta. Purtroppo, gran parte di questa crescita è dovuta principalmente all’assenza di una riflessione che abbia portato alla concezione della pompa a doppia alimentazione, che sfrutta principalmente la forza di gravità, il principio dei vasi comunicanti, il principio di Pascal, la teoria di Torricelli, anziché la potenza di un motore accoppiato alle pompe. Infatti, le pompe sono state progettate per vincere le forze che si oppongono alla circolazione dell’acqua, indipendentemente dall’energia richiesta. Oggi non è un problema costruire motori con una potenza superiore a 3000 kW, alimentati a 6000 o 9000 volt, da accoppiare alle pompe. Oggi le grandi pompe, i grandi motori, le grandi turbine, sono un credito tecnologico, mentre i grandi progetti idrici con le grandi dighe sono un credito per l’ingegneria delle costruzioni. E’ difficile per gli esperti ammettere che questo tipo di sviluppo sia stato sbagliato da terra perché le pompe dovrebbero essere progettate per ottenere le forze che si oppongono al sollevamento dell’acqua, come del resto avveniva negli ascensori meccanici. Infatti nessuno solleva direttamente i pesi meccanici di sollevamento, ma lo fa attraverso numerosi sistemi che riducono lo sforzo (piani inclinati, attrito volvente, rapporti di trasmissione a cinghia, ingranaggi, ecc.). Queste sono le ragioni fondamentali per le quali il sottoscritto ha studiato soluzioni idrauliche alternative per risparmiare energia. E’ stata una sorpresa, per lo stesso sottoscritto, scoprire che questi impianti si possono trasformare da grandi assorbitori di energia in produttori di energia, per la differenza tra l’energia spesa è quella prodotta, inserendo in tutti gli impianti delle turbine idrauliche. In tutti i casi la pompa è indispensabile con la doppia alimentazione sul lato di aspirazione, che mostra, attraverso una delle bocche, all’ingresso della girante, la massima pressione dinamica del circuito, in modo che, come nel caso dell’ultimo stadio di una pompa multicellulare, la girante debba fornire solo una piccola parte dell’energia per garantire la continuità del flusso e consentire l’alimentazione della turbina con la massima pressione consentita dal sistema aperto o con autoclave pressurizzata. In ogni caso l’uscita della turbina, se c’è energia cinetica, l’unica opposizione alla circolazione dell’acqua è calcolata in proporzione alla velocità di uscita (V2 / 2g), poiché la pressione statica del serbatoio o della cisterna pressurizzata non si oppone alle circolazioni interne del volume d’acqua immagazzinato. La pompa con doppia alimentazione sul lato aspirante,servire soprattutto a miscelare due flussi con portate simili ma pressioni diverse, affinché la pressione maggiore si possa espandere nell’intera sezione di passaggio, la quale, ovviamente, deve essere almeno il doppio, di quella in ingresso, delle singole sezioni, se si vuole trasmettere l’intera pressione al doppio della portata.
Allo stato attuale, il raddoppio della portata in un sistema pressurizzato può essere ottenuto solo inserendo in parallelo due pompe elettriche con le stesse caratteristiche. Ma in questo modo si raddoppierebbe anche il consumo energetico. Con l’invenzione delle pompe a doppia alimentazione e relativo circuito di alimentazione, che prelevano l’acqua dal troppo pieno degli impianti e la reintegrano dalla stessa quantità in aspirazione, gli impianti si comportano come impianti di ricircolo in un vaso sempre pieno e aperto, o in circuiti di ricircolo pressurizzati con autoclave. Pertanto, l’energia necessaria per il sollevamento non è quella dei sistemi attuali, ma quella calcolata utilizzando le perdite di carico senza sollevamento dell’acqua, che di solito è centinaia di volte inferiore. Basti pensare che una tubazione DN 1000 con una portata di 1000 L/s, una velocità dell’acqua di 1,27 m/s secondo le tabelle calcolate con la formula di Bazin-Fantoli ha una perdita di carico di soli 1,5 m/km. Pertanto, con l’energia spesa per sollevare 1,5 m, 1000 L/s, possiamo spostare la stessa portata su una distanza di un chilometro in orizzontale, che equivale alla lunghezza equivalente di un circuito di riciclo molto più complesso di quelli mostrati nelle figure 1 e 2. Quindi, conviene raddoppiare la portata e produrre impianti sempre pieni d’acqua, aperti o pressurizzati con pompe a doppia alimentazione, anche senza alcuna produzione di energia, ma soprattutto, la soluzione non è mettere in discussione se ‘l’impianto può diventare un produttore e non un consumatore di energia’.
Dalla descrizione di cui sopra, dovrebbe essere evidente che le pompe devono adattarsi agli impianti che servono dal punto di vista ambientale ed energetico, mentre oggi gli impianti sono adattati alle prestazioni delle pompe che, pur avendo rese e prestazioni molto migliorate, potrebbero non superare i vizi originali, che non hanno esplorato la possibilità di aggirare la forza di gravità, nei circuiti aperti o la pressione con autoclavi, con questa semplice modifica, che parte dall’esterno della pompa e non può non funzionare. Basta sperimentare le prestazioni per vari tipi di giranti e l’intera gamma di pressioni perché le applicazioni sono infinite.
Per le caratteristiche costruttive di una pompa con doppia alimentazione sul lato di aspirazione, è necessario che entrambe le bocche di alimentazione siano dotate di una prevalenza idrostatica positiva. Pertanto, nel caso di impianti di piccole dimensioni, con ridotta altezza geodetica di ingresso, come in Fig. 1, è stata prevista una pompa aggiuntiva con alimentazione singola (3.6), che aumenta leggermente la pressione dinamica sull’aspirazione della pompa a doppio combustibile (4), con la stessa portata, sincronizzata con la stessa, tramite un inverter collegato al motore di azionamento (4.1). Come si può vedere nello schema, Fig. 1, tutta l’acqua che non viene immessa nella rete di distribuzione (6) passa attraverso la turbina (2) producendo energia, senza uscire dall’impianto. Infatti, l’immediata fuoriuscita dell’acqua a pressione atmosferica è necessaria per produrre energia cinetica in energia di pressione dell’aria compressa a spese della turbina, nello stesso modo in cui nei circuiti a vaso aperto si produce energia sfruttando l’alta quota delle acque superficiali. Ma poiché la stessa quantità d’acqua, tramite le pompe (3.6) e (4), le valvole di controllo, di reintegrazione del livello e l’automatismo del sistema di controllo, torna immediatamente nel serbatoio (1) senza dover espandere il cuscino d’aria e abbassare la pressione, questo impianto continua la produzione di energia anche durante la fase di alimentazione della rete idrica (6), nello stesso modo in cui il diagramma di Fig. 2 alimenta per sovraccarico la rete idrica a gravità. Infatti, nell’impianto autoclave produttore di energia, il contemporaneo mantenimento costante dei livelli dei due serbatoi (1 e 3), non comporta sollevamenti idraulici, ma solo circolazioni, pur assicurando la pressione di esercizio dell’autoclave. Ovviamente, se si superano le capacità per cui l’impianto è stato progettato e i livelli (1.1 e 3.4) non vengono mantenuti, le pompe (3.6 e 4) devono aumentare il numero di giri e il compressore deve comprimere l’aria che viene espansa, in modo che venga ripristinata la condizione operativa nominale, che un sistema correttamente progettato consente un basso consumo e un’elevata produzione di energia.
Senza lo sfruttamento di queste energie naturali (forza gravitazionale e aria compressa) e senza le caratteristiche tecniche, che non sono poche, considerando che in centocinquanta anni di sviluppo industriale queste innovazioni non si sono mai concretizzate. Infatti, affinché queste innovazioni siano efficaci, devono avvenire simultaneamente. Non è sufficiente mettere sotto la testa di una pompa senza intubare dalla superficie per produrre la pressione dinamica, così come non è sufficiente separare i flussi di una pompa con doppia potenza se non si entra nel corpo della pompa, toccando le pale della girante, inoltre non è possibile mettere le pompe in parallelo, come nei sistemi di sollevamento tradizionali, ma sarà necessario mettere in parallelo gli impianti completi, come rappresentato nei diagrammi delle figure 1 e 2, poiché non sfruttano l’energia statica ma quella dinamica prodotta individualmente dagli stessi impianti, attingendo da fonti esterne, che nel caso della Fig. 1 sono l’approvvigionamento idrico pubblico (7) e l’aria atmosferica che viene compressa dal compressore (8), mentre nel caso della Fig. 2, le fonti esterne sono i livelli idrostatici delle vasche sempre piene (wddr) e (wdn) e la forza di gravità. Può sembrare strano, ma nemmeno pompe e turbine sono mai state collegate in serie negli stessi impianti, poiché nessuno ha pensato che nello stesso volume d’acqua si possano utilizzare diversi regimi idraulici nella fase di discesa dell’acqua per produrre energia tramite le turbine, che scaricano a pressione atmosferica (anche sotto il dislivello), mentre lo sci d’acqua in una vasca piena è sempre una semplice caduta di pressione all’uscita, indipendentemente dal dislivello idrostatico o dalla pressione del cuscino d’aria. Tutte queste innovazioni non sono mai state integrate perché lo stato dell’arte si è fermato alle pompe che sollevano l’acqua contro la forza di gravità e alle turbine che producono energia utilizzando il salto idraulico, in cui coincide simultaneamente la caduta di pressione statica e dinamica. Gli esperti non hanno considerato che la caduta di pressione statica e dinamica contemporanea si verifica in casi particolari che sono già stati sfruttati quasi tutti sul pianeta Terra, anche realizzando grandi opere idrauliche, con dighe e bacini artificiali.
Oggi dobbiamo iniziare a sfruttare i casi normali di energia idroelettrica in cui non esiste il salto idraulico ma sono presenti semplici volumi di acqua statica da sfruttare come nella Fig. 2, sia per la difesa del territorio dalle inondazioni sia per realizzare grandi reti di distribuzione idrica a bassa pressione, che non generano perdite dovute principalmente alle alte pressioni di esercizio e producono energia invece di consumarla; mentre per le reti più piccole e in quota, si possono utilizzare le centrali idroelettriche ad autoclave della Fig. 1, che producono anch’esse energia, eliminando persino le perturbazioni del flusso instabile con i cuscini d’aria delle autoclave, ma soprattutto producendo energia, svolgendo servizi pubblici di primaria e vitale importanza con costi di investimento e di esercizio non paragonabili a nessuna energia esistente, carbone incluso, che è l’energia più economica ma anche la più inquinante.
Se le autorità e gli esperti non ritengono necessario modificare gli impianti, intuendo che, attraverso l’utilizzo dell’energia della pressione dell’acqua, è possibile produrre energia idroelettrica, non può nascere una soluzione che preveda l’intubazione dell’acqua superficiale, nemmeno la combinazione di pompe e turbine per vincere lo stato di inerzia iniziale e quindi non necessitare di includere nel circuito la doppia pompa di alimentazione. In realtà, solo dopo aver stabilito lo stato dell’arte sopra menzionato è possibile considerare anche lo stato dell’arte energetico dei sistemi pressurizzati. Ma, come già detto, in questo caso gli errori di progettazione sono diventati endemici, così come l’energia idroelettrica si basa su un caso particolare, che gli esperti hanno trasformato in un evento universale. Di fatto, i grandi progetti idrici con grandi bacini e dighe, necessari per produrre energia idroelettrica, diventano assurdi se si dimostra che è possibile produrre energia idroelettrica in modo uniforme con semplici sistemi idraulici.
Il famoso esperimento di Pascal ha dimostrato che in un serbatoio chiuso la pressione idrostatica si espande in tutte le direzioni. Lo stesso vale per un piccolo tubo utilizzato per frantumare una botte di legno. Ma per produrre energia elettrica è necessaria la pressione dinamica che garantisce l’esercizio nel tempo sui poli di una turbina. Questa applicazione richiede sezioni di passaggio adeguate e la continuità del flusso, che in piccoli volumi d’acqua può essere assicurata solo se non si disperde l’acqua e si sfruttano schemi idraulici vantaggiosi nella fase di produzione di energia (caduta di pressione o caduta di pressione) e regimi energetici parsimoniosi nella fase di recupero dell’acqua, senza carico per il sollevamento dell’acqua. In questi sistemi la pressione dinamica è pari alla pressione unitaria per la sezione di passaggio per il flusso d’acqua, quindi la pompa a doppia alimentazione deve essere dimensionata per la somma dei due flussi e con un passaggio di mandata di ampia sezione, che ritorna all’autoclave, come in Fig. 1. Infatti, in questo circuito sulla mandata della pompa non dovrebbero vincere le resistenze esterne al circuito di ricircolo, come la pressione del cuscino d’aria compressa. La circolazione dell’acqua avviene all’interno del volume d’acqua immagazzinato con una prevalenza molto bassa della pompa. Tuttavia, il corpo della pompa deve resistere a un’elevata pressione idrostatica, altrimenti si disintegra come il cilindro di Pascal.
Pertanto, si supponga di realizzare un piccolo impianto condominiale che produca energia mediante un generatore CA sommergibile (2.1) accoppiato a una pompa utilizzata come turbina (pat.), che sfrutta l’altezza utile Hu = 35 m e una pompa elettrica a doppia alimentazione DN 150 con una portata di 35 L/s. Ipotizzando un’efficienza della turbina pari a 0,75, applicando la formula Pu = η*1000*Q*Hu/102, si ottiene una produzione di energia pari a 9,0 kW (0,75 * 1000 *0,035 * 35 / 102). Assegnando alla pompa una prevalenza di 0,4 m e una resa di 0,6, la potenza assorbita dalla stessa, che determina un flusso doppio rispetto a quello che entra nella turbina, è calcolata con la formula 0,4 * 1000 * 0,070 / 102 * 0,6 = 0,0456 kW. Mentre la pompa di circolazione aggiuntiva (3.6), con una portata pari alla metà, supposta con la stessa resa e prevalenza assorbe metà dell’energia calcolata per la pompa di doppia alimentazione (0,0228 Kw). In questo caso il rapporto tra spesa energetica e resa è 131,38 (9,00 / 0, 0685). Infatti, le perdite di carico nel tubo di discesa, nella turbina, nei pezzi speciali e le perdite all’uscita, sono tutte assorbite dalla pressione dinamica sull’aspirazione della pompa, mentre in mandata non hanno perdite di carico apprezzabili, non superando il livello dell’acqua (che è incomprimibile). Non c’è da stupirsi con questo risultato, mentre i gas compressi sono gli accumulatori di energia più potenti, flessibili ed economici di accumulo di energia elettrica.
Ma le sorprese legate agli impianti rispetto alle attuali soluzioni di sollevamento e distribuzione dell’acqua non sono ancora finite, poiché le soluzioni delle Fig. 1 e 2, che oggi non esistono per un’incredibile supervisione scientifica, tecnica, politica ed economica a livello internazionale, possono essere combinate, come mostrato in Fig. 3. In questa figura, ad esempio, la distribuzione dell’acqua di una città o di un quartiere può diversificare la pressione di esercizio utilizzando la distribuzione dell’acqua per gravità nelle zone vicine al serbatoio principale (wddr), mentre le zone più distanti o che alimentano i quartieri più alti possono essere pressurizzate con cuscini d’aria diversificati, senza variare la prevalenza delle pompe e quindi la potenza assorbita dai motori, preservando sempre la capacità di produrre energia con il riciclo dell’acqua nei singoli impianti, sia a livello di distribuzione di quartiere che di condominio. La gestione computerizzata dei livelli idrostatici di serbatoi aperti, pressurizzati e valvole e un motore a velocità variabile delle pompe possono consentire un risparmio energetico molto elevato e una produzione di energia molto elevata, oggi insospettabile allo stato dell’arte, ma facilmente realizzabile perché tutte le tecnologie sono già esistenti. Manca solo una piccola modifica alla potenza delle pompe e delle turbine. Infatti, anche le turbine, come si vede nel diagramma, possono essere alimentate con diverse pressioni di flusso canalizzato che arrivano fino alle pale della prima girante, le quali sommano le portate con la massima pressione dinamica nel rispetto del principio di Pascal.
Gli ultimi aspetti da considerare sono i seguenti :
Se dai sistemi di autoclave, produttori di energia, sottraiamo la rete di distribuzione dell’acqua (6), le valvole 3.1 e 3.2, scopriamo che non solo semplifica il sistema, ma che anche questi sistemi possono essere utilizzati per produrre energia mobile, ovviamente non su piccoli mezzi di trasporto, ma su quelli di dimensioni maggiori, dato che le autoclavi sono piuttosto ingombranti. Ma questo è un discorso successivo in questa applicazione, che può essere ottenuto spingendo alla massima pressione operativa, eventualmente utilizzando un gas ancora più comprimibile dell’aria. Dopotutto, gli attuali motori termici hanno raggiunto il loro attuale livello tecnologico dopo centoventi anni di progettazione, miliardi di investimenti e migliaia di brevetti presentati in tutto il mondo, senza risolvere il difetto originale delle emissioni di CO2 e del particolato. Se c’è una reale volontà di risolvere i problemi ambientali, lo sforzo fatto per migliorare l’energia termica dovrebbe essere profuso anche investendo nel sistema proposto, che è molto più completo, pulito ed economico. Tra qualche anno saremo in grado di aumentare la pressione operativa e ridurre le dimensioni complessive delle autoclavi. Certamente possiamo sostituire gran parte dei motori a combustione interna in circolazione nel settore dei trasporti, risolvendo sia i problemi economici legati all’approvvigionamento di carburanti, sia quelli ambientali, dovuti alle emissioni di CO2 e al particolato. Ad esempio, il calcolo di un impianto energetico condominiale con una portata di 35 l/s di acqua e una pressione di 3,5 bar, che produce 9 kWh di potenza, se aumentiamo la pressione a 35 bar, produrremmo 90 kWh; ma se portiamo anche la portata a 350 l/s, produrremmo 900 kWh. Ovviamente, siamo ancora agli inizi in questa direzione, ma solo perché le riflessioni su questo modo di produrre energia sono arrivate molto tardi e tutti gli esperti, pubblici e privati, si sono concentrati su altre energie, che, purtroppo, si sono già dimostrate meno efficienti, ma anche meno utili, in quanto non si integrano con i servizi pubblici di primaria importanza, come la distribuzione dell’acqua, la depurazione, le dissalazioni, i trasporti senza inquinamento. In quest’ultimo caso, fortunatamente, oggi esistono tecnologie per alimentare nella fase iniziale i motori delle pompe e le valvole con UPS trifase. Dopo l’avvio del sistema, gestendo il flusso d’acqua con valvole di controllo e la velocità delle pompe con un inverter, è possibile produrre energia mobile in grandi quantità, sostituendo i motori termici ed eliminando anche le reti di distribuzione che, oltre a richiedere ingenti investimenti, comportano anche problemi di sicurezza e gestione, e disperdono enormi quantità di energia nell’aria o nel sottosuolo.