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7 Dicembre 2022
15:30

Le centrali idroelettriche sono delle “batterie” ricaricabili giganti?

Entriamo nel mondo delle centrali idroelettriche di pompaggio.

A cura di Gianluca Godi
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Le centrali idroelettriche sono delle “batterie” ricaricabili giganti?
centrale idroelettrica batteria

Le centrali idroelettriche sono delle “batterie” ricaricabili giganti di energia elettrica. In questo articolo cerchiamo di capire come gli impianti idroelettrici possano assolvere alla funzione di stoccaggio di energia elettrica e in che modo lo fanno. Attenzione: paragonarle a delle batterie è un po' fuorviante e non vale propriamente per tutte le tipologie di impianti per la produzione di energia idroelettrica. Vediamo perché.

Tipi di impianti idroelettrici

La classificazione di un impianto idroelettrico dipende dalla durata di invaso dell’impianto, ovvero, il tempo necessario (in ore) per fornire all’invaso (al contenitore di acqua, alla diga) un volume pari alla sua capacità utile, considerando la portata media annua di acqua che in esso si riversa. Gli impianti si classificano:

  • Ad acqua fluente: ovvero gli impianti installati lungo i torrenti e i fiumi. Tipicamente non possiedono serbatoi o comunque, se presenti, sono molto limitati, con una durata di invaso inferiore alle 2 ore;
  • A bacino: sono impianti con laghi artificiali di grandezza medio-piccola con una durata di invaso compresa tra le 2 e 400 ore;
  • A serbatoio: sono gli impianti a diga più grandi con tempo di invaso superiore alle 400 ore;
  • Di pompaggio: una tipologia di impianto peculiare, oggetto di questo articolo.

Batteria vs accumulatore (di energia potenziale)

Paragonare gli impianti idroelettrici alle batterie non è corretto in quanto le batterie sono i dispositivi che sfruttano particolari reazioni chimiche per generare energia elettrica, per trasformazione diretta. Le centrali idroelettriche è meglio vederle come impianti di accumulo di energia, non elettrica ma potenziale (gravimetrica). L’energia potenziale è legata alla forza, al potenziale che possiede l’acqua nel muovere una turbina, "saltando" dal lago posto sulla cima della montagna fino a raggiungere il fiume in fondo alla valle. Detto in altre parole, le centrali idroelettriche sfruttano la portata di acqua che scorre tra due invasi posti ad altezze differenti per produrre elettricità. Inoltre, a differenza delle batterie, la conversione da energia potenziale ad energia elettrica non è diretta ma avviene attraverso diverse conversioni energetiche (da potenziale a cinetica e da cinetica ad elettrica).

Diga delle tre gole

Le centrali idroelettriche classificate ad acqua fluente, a bacino e a serbatoio si possono definire degli accumulatori di energia potenziale non ricaricabili, in quanto l’acqua che viene fatta fluire per produrre elettricità non può tornare indietro al bacino di partenza; o meglio, ci torna ma seguendo il naturale ciclo dell’acqua. La peculiarità delle centrali di pompaggio è invece quella di poter ricaricare il bacino di partenza invertendo il flusso, cioè pompando l’acqua indietro, dal basso verso l’alto.

pompaggio

Le centrali di pompaggio

Ma come è possibile far tornare l’acqua indietro, su per le condotte, fino al bacino da dove è partita? Semplice, trasformando le centrali idroelettriche in delle vere e proprie stazioni di pompaggio.
Il concetto che sta dietro al pompaggio idroelettrico (PI) è lo stesso del pozzo di casa: per “tirare su” l’acqua basta collegare una pompa ad una delle prese a spina dell’impianto elettrico di casa, e utilizzando l’energia elettrica della rete è possibile a spostare l’acqua dal fondo del pozzo fino alla bacinella in cortile.

Ma per riempire una diga posta in montagna ci vogliono delle pompe gigantesche per spostare tutta quell’acqua, e chissà quanta energia consumano. In realtà le stesse turbine e gli stessi alternatori che vengono impiegati in centrale per generare l’elettricità, se fatti ruotare al contrario, diventano delle pompe; quindi, con le medesime macchine posso assolvere ad entrambi i compiti. Questo grazie anche alla reversibilità del generatore elettrico che, se alimentato dalla rete, diventa un motore.

Il discorso si fa un po’ più complicato se parliamo invece di reversibilità della turbina idraulica: per via della loro forma, alcune tipologie di turbine, non possono funzionare da pompa. Per questa particolare applicazione devono essere necessariamente utilizzate le turbine definite reversibili: ruotando in un senso si comportano da turbina, nel senso opposto da pompa. Le turbine reversibili hanno però lo svantaggio di avere rendimenti inferiori in entrambi i funzionamenti.

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Esempio di turbina reversibile multistadio. Credit: © Enel Italia

L’energia elettrica che viene prodotta da centrali di questo tipo è tendenzialmente elevata (sono impianti molto grandi con più gruppi di generazione e quindi elevata potenza installata) ma se consideriamo invece quella assorbita dalla rete nel funzionamento in pompaggio della stessa centrale, questa è ancora più grande. In pompaggio, l'energia consumata è maggiore rispetto a quella prodotta durante il funzionamento da generatore, per via del fatto che per vincere le perdite dovute agli attriti, per esempio tra acqua e condotta (perdite di carico) si deve necessariamente consumare più energia.

Ma allora che senso ha generare energia elettrica per poi doverla utilizzare per pompare l’acqua indietro da dove è stata presa? Dal punto di vista prettamente fisico apparentemente nessuno! Ma se invece accomunassimo il pompaggio idroelettrico ad un sistema di accumulo di energia, come ad un grande power bank, allora la situazione cambia.

L'utilizzo del pompaggio

I sistemi di pompaggio, a differenza delle batterie elettrochimiche, hanno il grande vantaggio di poter accumulare l’energia non solo per poche ore, ma per giorni, settimane e mesi. La capacità di un sistema di accumulo del genere non è minimamente paragonabile a quella di una batteria elettrochimica. Giusto per rendere l'idea, l'energia che si potrebbe stoccare (ovvero i volumi di acqua) nei serbatoi degli attuali impianti di pompaggio italiani ammonterebbe a circa 840 TWh, ovvero circa tre volte il consumo annuo italiano di energia elettrica.

Lo scopo del pompaggio idroelettrico, dagli albori ad oggi sostanzialmente non è cambiato: offrire al sistema elettrico un servizio di bilanciamento della rete, in termini di energia prodotta e generata.  Nei periodi dove la domanda è bassa e l'offerta alta l'impianto viene chiamato a funzionare in pompaggio, consumando elettricità a basso prezzo. Viceversa, quando l'offerta è "a tavoletta", durante i periodi di picco di domanda, l'impianto viene chiamato a generare elettricità, ovvero quando il prezzo di vendita sul mercato è elevato. Oltre al vantaggio meramente tecnico di bilanciamento della rete è evidente anche il vantaggio economico che di fatto ripaga l'investimento e la gestione di un impianto simile.

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Credit: © Enel Italia

Il pompaggio ieri e oggi

Quello che è cambiato oggi rispetto solamente a 20 anni fa è il contesto nel quale questi impianti oggi lavorano, ovvero la mutazione negli anni del sistema elettrico nazionale. In principio il sistema elettrico era composto per la maggioranza da impianti di produzione termoelettrici non rinnovabili a carbone o olio combustibile poco flessibili e poco modulabili (non potevano essere accesi e spenti secondo la necessità). Questo comportava necessariamente un'eccedenza di energia e quando la domanda era bassa (tipicamente di notte), questa eccedenza veniva consumata dai pompaggi. L'utilizzo degli impianti di pompaggio fino ai primi anni 2000 era molto intenso, per poi ridursi drasticamente negli anni successivi, anche a causa del blackout del 2003 dove i pompaggi impattarono significativamente sul bilanciamento della rete di quella notte, catalizzando il blackout.

Oggi sulla rete elettrica sono collegati invece impianti di produzione molto più flessibili nonché milioni di impianti rinnovabili non programmabili di potenza medio piccola sparsi sul territorio come fotovoltaico e eolico. Oggi si sta puntando a rivalutare il pompaggio idroelettrico a livelli di utilizzo analoghi o superiori rispetto a quelli del passato, ridando una seconda vita a questi impianti cercando di sfruttarli come impianti di accumulo (in pompaggio) durante il picco di produzione delle fonti non programmabili per rilasciare poi l'energia accumulata durante i periodi in cui gli impianti rinnovabili non sono in produzione per mancanza della fonte primaria di energia.

Altre peculiarità legate agli impianti di pompaggio idroelettrico sono:

  • Elevata flessibilità e rapidità di avviamento, nell'ordine di qualche minuto si connettono in rete ed entrano in produzione;
  • Riserva energetica totalmente autonoma e pronta all'uso;
  • Strategicità nel riavvio della rete in caso di blackout, sono impianti in grado di avviarsi ed entrare in produzione anche in totale assenza di tensione sulla rete nazionale.

Gli impianti di pompaggio presenti in Italia oggi

In Italia sono presenti più di 25 impianti di pompaggio per una potenza complessiva installa di circa 8GW di cui 4 da impianti di pompaggio puro. Tra gli impianti meritevoli di citazione troviamo:

  • Centrale idroelettrica di Roncovalgrande (Maccagno – VA) sulla sponda lombarda del lago Maggiore, con 8 gruppi ternari turbina/alternatore/pompa con una potenza netta di 1.040 MW e una producibilità di 983 GWh;
  • Centrale idroelettrica di Edolo (BS), anch'essa con 8 gruppi e una potenza installata di 1GW. Questa centrale, a differenza di quella di Roncovalgrande è composta da gruppi reversibili turbina/pompa;
  • Centrale idroelettrica Luigi Einaudi (TO), la più grande centrale di pompaggio in Italia con 1065 MW di potenza installata e producibilità di 1466 GWh, anch'essa realizzata con gruppi reversibili turbina/pompa;
  • Centrali idroelettrica di Anapo (Priolo Gargallo SR) con 500 MW.
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