Centrale idroelettrica: come funziona, turbine e tipi di impianto

Una centrale idroelettrica è un impianto che trasforma la forza dell'acqua in corrente elettrica. Dall'esterno può sembrare un edificio anonimo ai piedi di una montagna o accanto a un fiume, ma al suo interno lavora una catena precisa di opere idrauliche e macchine, progettata in base al dislivello disponibile e alla quantità d'acqua che arriva.

Capire come funziona una centrale idroelettrica aiuta a leggere meglio anche il dibattito sull'energia: perché alcuni impianti producono solo quando il fiume è pieno, perché altri possono accendersi in pochi minuti e perché alcune centrali consumano più energia di quanta ne producano, pur essendo utilissime alla rete.

Come funziona una centrale idroelettrica, passo per passo

Il principio è sempre lo stesso: l'acqua passa da una quota più alta a una più bassa e, lungo il percorso, cede la propria energia a una turbina collegata a un generatore. Come spiega l'Energy Information Administration statunitense, in generale più grandi sono la portata d'acqua e il salto, più elettricità un impianto può produrre.

Opera di presa: l'acqua viene captata da un fiume, da un torrente o da un lago artificiale, con griglie che fermano rami e detriti.
Canali e gallerie di derivazione: portano l'acqua, con una pendenza minima, fino al punto in cui inizia la discesa.
Condotta forzata: è il grande tubo in pressione che fa scendere l'acqua verso la centrale. Qui l'energia potenziale si trasforma in pressione e velocità.
Turbina: l'acqua colpisce o attraversa la girante e la mette in rotazione.
Generatore (alternatore): collegato all'albero della turbina, converte il movimento rotatorio in energia elettrica.
Trasformatore: alza la tensione per immettere l'energia nella rete di trasmissione con perdite contenute.
Canale di restituzione: l'acqua, ormai a quota bassa, torna nel corso d'acqua a valle.

Le turbine: Pelton, Francis e Kaplan

La turbina è il cuore della centrale e non esiste un modello adatto a tutto. Si sceglie in base a due grandezze: il salto (il dislivello) e la portata (quanta acqua passa). Il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti distingue due grandi famiglie: le turbine ad azione, mosse da getti d'acqua, e quelle a reazione, completamente immerse nel flusso.

Turbina Pelton

È una turbina ad azione. Uno o più ugelli sparano getti d'acqua ad altissima velocità contro una ruota dotata di pale a forma di doppio cucchiaio. È indicata per salti molto elevati e portate ridotte: il caso tipico è la centrale di alta montagna alimentata da un bacino posto centinaia di metri più in alto.

Turbina Francis

È una turbina a reazione: l'acqua entra radialmente nella girante, la attraversa e ne esce in direzione dell'asse. È la soluzione più versatile e si usa comunemente con salti medi e alti, indicativamente tra 40 e 600 metri circa secondo il Dipartimento dell'Energia statunitense, che ne segnala anche l'impiego su salti inferiori. Molte turbine Francis possono funzionare anche al contrario, come pompe, e per questo si trovano spesso negli impianti di pompaggio.

Turbina Kaplan

Assomiglia a un'elica di nave inserita in un condotto. Le turbine a reazione di questo tipo sono adatte a salti bassi e portate elevate, come quelle dei grandi fiumi di pianura. Nella Kaplan sia le pale sia le paratoie di regolazione sono orientabili: così la macchina lavora bene anche quando la portata del fiume cambia.

Turbina	Principio	Salto	Portata	Uso tipico
Pelton	Ad azione (getti d'acqua)	Molto alto	Bassa	Impianti di alta montagna
Francis	A reazione	Medio-alto	Media	Impianti a bacino e di pompaggio
Kaplan	A reazione, pale orientabili	Basso	Alta	Impianti su grandi fiumi, ad acqua fluente

Centrale ad acqua fluente

Nella centrale ad acqua fluente è la corrente del fiume a spingere le turbine. Spesso una traversa devia una parte dell'acqua verso la centrale, senza creare un vero lago. Il vantaggio è un impatto più limitato sul territorio rispetto a una grande diga; lo svantaggio è che l'impianto non può scegliere quando produrre. La produzione segue le stagioni: alta in primavera con lo scioglimento delle nevi, bassa nei periodi secchi.

Questi impianti lavorano di solito con salti bassi e portate elevate, quindi le turbine Kaplan sono molto diffuse. Sono tipici dei grandi fiumi e dei canali, ma anche di molti piccoli impianti di potenza ridotta su torrenti e corsi d'acqua minori.

Centrale a bacino

Quando a monte c'è una diga, l'acqua si accumula in un serbatoio e viene rilasciata nelle turbine quando serve. Secondo l'EIA, in questi impianti l'acqua si raccoglie in bacini creati sbarrando fiumi e torrenti, e il gestore può regolarne il deflusso.

È questa la grande forza della centrale a bacino: può aumentare o ridurre la produzione rapidamente, seguendo la domanda della rete. Nei sistemi elettrici con molto solare ed eolico, questa flessibilità vale quanto l'energia prodotta. Il rovescio della medaglia è l'impatto su valle e fiume: la diga interrompe la continuità del corso d'acqua, trattiene i sedimenti e richiede controlli di sicurezza costanti sul manufatto e sui versanti del lago.

Consiglio: se visitate una centrale idroelettrica aperta al pubblico, chiedete quale tipo di turbina usa e qual è il salto dell'impianto. Sono i due dati che spiegano quasi tutto il resto: la forma della centrale, la posizione delle condotte e il modo in cui l'impianto lavora durante l'anno.

Centrale di pompaggio: la batteria ad acqua

La centrale di pompaggio ha due bacini a quote diverse. Quando l'elettricità è abbondante e poco costosa, per esempio nelle ore di forte produzione solare, l'impianto preleva energia dalla rete e pompa l'acqua nel bacino superiore. Quando la domanda cresce, l'acqua scende di nuovo verso il bacino inferiore passando nelle turbine e produce elettricità.

Il bilancio energetico è negativo: come ricorda l'EIA, questi impianti consumano di solito più elettricità per pompare di quanta ne generino. Il loro valore sta nello spostare l'energia nel tempo, come una grande batteria. L'Agenzia internazionale dell'energia sottolinea che il pompaggio potrebbe avere un ruolo importante nel bilanciare le variazioni della produzione solare ed eolica, e segnala che nel 2022 l'Europa ha messo in servizio quasi 2 GW di nuova capacità di pompaggio, il valore più alto almeno dal 1990.

Efficienza, manutenzione e durata

Le centrali idroelettriche sono tra gli impianti di generazione più longevi. Dighe, gallerie e condotte possono durare molti decenni, mentre turbine, generatori e sistemi di controllo vengono sostituiti o rinnovati periodicamente. La IEA stima che quasi il 40% della flotta idroelettrica mondiale abbia almeno 40 anni e che, arrivati a circa 45-60 anni di servizio, gli impianti richiedano importanti interventi di ammodernamento per mantenere o migliorare le prestazioni.

La manutenzione riguarda anche l'acqua stessa: sabbia e sedimenti consumano le pale delle turbine e riempiono lentamente i bacini, che vanno gestiti con attenzione anche per non danneggiare il fiume a valle durante le operazioni di svaso.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra turbina Pelton, Francis e Kaplan?

La Pelton è una turbina ad azione per salti molto alti e poca acqua; la Francis è una turbina a reazione per salti medi e alti; la Kaplan è una turbina a reazione con pale orientabili, adatta a salti bassi e grandi portate.

Una centrale idroelettrica può funzionare senza diga?

Sì. Le centrali ad acqua fluente sfruttano la corrente del fiume, spesso con una semplice traversa. Non possono però accumulare acqua e producono in base alla portata del momento.

Perché le centrali di pompaggio consumano più energia di quanta ne producono?

Perché pompare l'acqua verso l'alto e poi farla ridiscendere comporta inevitabili perdite. Restano utili perché assorbono energia quando è in eccesso e la restituiscono quando la rete ne ha bisogno.

Che cos'è la condotta forzata?

È il tubo in pressione che porta l'acqua dal punto di presa alla turbina. Lungo la discesa l'energia potenziale dell'acqua si trasforma in pressione e velocità.