Centrale idroelettrica, A onde marine, Eolica, Geotermelettrica o geotermica, Maremotrice, Mareotermica o talassoelettrica, Solare

Centrale idroelettrica

Sfrutta l'energia cinetica di una massa d'acqua che aziona una turbina idraulica. La richiesta di energia elettrica è massima nei mesi invernali e, per periodi più brevi, è maggiore nei giorni feriali e nelle ore diurne. Pertanto l'erogazione delle varie centrali, collegate fra loro dalla rete nazionale, deve essere regolata secondo il diagramma di carico delle utenze. A questo scopo si possono distinguere due tipi base di impianti, ad acqua fluente e a serbatoio. Gli impianti ad acqua fluente (centrali idroelettriche fluviali) raccolgono l'acqua direttamente da un fiume con uno sbarramento e la devono utilizzare subito altrimenti tracima e va perduta. Queste centrali svolgono perciò un servizio di base, funzionando di continuo alla potenza più elevata possibile. Gli impianti a serbatoio, viceversa, accumulano l'acqua in un bacino artificiale delimitato da una diga. Essi svolgono un servizio di punta, cioè vengono utilizzati solo nei periodi di maggior richiesta. I serbatoi possono essere, in relazione alla loro capacità, giornalieri, mensili o stagionali, secondo il periodo in cui compiono il ciclo di riempimento (quando c'è minor richiesta) e svuotamento. La dislocazione di una centrale idraulica è condizionata dalla disponibilità di acqua in quantità sufficiente, con un salto adeguato, ciò che si verifica in genere in zone montagnose, lontane dai centri di consumo: per questo l'energia idroelettrica è anche gravata dai costi di trasporto che richiedono lunghe linee ad alta e altissima tensione.

Una centrale idroelettrica comprende le opere di presa dell'acqua, la galleria di carico, la condotta forzata (attraverso la quale avviene la caduta), un pozzo piezometrico (per gli impianti a salto maggiore), il locale delle valvole e saracinesche, la sala macchine (turbine e alternatori), il canale di scarico e la cabina con tutte le apparecchiature elettriche di comando, controllo e regolazione. Le centrali con salto superiore ai 200 m sono dotate di turbine Pelton, dai 200 m a una decina di metri di turbine Francis e al di sotto di turbine Ka.

La tendenza attuale è quella di sfruttare specialmente in Europa e in Italia anche corsi d'acqua e cadute sino a ora trascurati. La tecnologia avanzata delle macchine utensili a controllo numerico permette di costruire pale e in generale macchine sempre più precise e con migliori rendimenti fluidodinamici.

A metà degli anni Novanta le centrali idroelettriche contribuivano per il 6% all'energia prodotta in tutto il mondo; tra i paesi produttori ai primi posti sono quelli nordamericani ed europei.

Nucleare

A onde marine

Essa sfrutta il moto meccanico periodico delle onde o tramite sistemi a galleggiante o tramite compressioni e depressioni d'aria in condotti e cavità posti nelle zone dove avvengono le manifestazioni ondose. Lo scopo principale è quello di ottenere elettricità convertendo il moto periodico meccanico in moto rotatorio continuo e quindi collegando al sistema un usuale alternatore. Prototipi operano già in Giappone e in Inghilterra. L'interesse è accresciuto in quanto si pensa di abbinare detti impianti a processi termomeccanici per l'estrazione di uranio dal mare.

Eolica

Sfrutta l'energia del vento. La difficoltà di trovare zone adatte (occorre regime ventoso permanente con velocità di almeno 6 m/s pari a 21,6 km/h) e il costo di esercizio ne limitano l'impiego.

È costituita da un aeromotore che trasforma l'energia eolica in energia meccanica di rotazione e da un generatore che trasforma l'energia meccanica di rotazione in energia elettrica.

Gli aeromotori possono essere classificati in base all'orientamento dell'asse di rotazione dei rotori rispetto alla direzione del vento. A tale riguardo si distinguono: rotori ad asse orizzontale e paralleli alla direzione del vento (frontali); ad asse orizzontale e perpendicolare alla direzione del vento (a vento di traverso); ad asse verticale. A questa categoria appartengono i rotori Savonius e Darrius che hanno il pregio di funzionare sempre con buon rendimento indipendentemente dalla direzione del vento. Gli aeromotori del primo e del terzo tipo sono quelli più adatti per convertire l'energia eolica in energia elettrica in modo vantaggioso.

I generatori elettrici possono essere a corrente continua o a corrente alternata.

L'ENEL ha realizzato in Sardegna un prototipo di centrale eolica. L'elettricità di origine eolica è la più competitiva in termini economici con le fonti tradizionali tra quelle rinnovabili; negli anni Novanta sono stati sperimentati aerogeneratori di potenza fino a 3 megawatt. Nel 1992 le centrali eoliche fornivano lo 0,05% dell'energia totale prodotta nel mondo: l'80% dell'energia eolica mondiale è prodotta dalla California, al secondo posto c'è la Danimarca.

Geotermelettrica o geotermica

Centrale geotermoelettrica o geotermica. Sfrutta l'energia termica che proviene direttamente dal sottosuolo. Questo tipo di tecnologia ha avuto un rilancio nell'ultimo decennio in particolare come rimedio ai prezzi crescenti dei combustibili fossili usati nelle comuni centrali termoelettriche. In Italia operano gli impianti di Larderello, in Toscana, che utilizzano i vapori sotterranei uscenti a 200 ºC. Questo sviluppo è avvenuto anche in altri paesi dotati di risorse geotermiche, quali, per esempio, gli Stati Uniti, il Giappone e la Nuova Zelanda, oltre a molti paesi dell'America Centrale. Gli Stati Uniti hanno superato l'Italia per quanto concerne la potenza installata. Negli anni Novanta le centrali geotermiche in Italia coprivano circa l'1% del fabbisogno elettrico. Il loro contributo nel mondo era pari allo 0,6% dell'energia prodotta, con in testa il Nord America (6 tonnellate equivalenti di petrolio), l'Asia e l'Oceania (con 3 t.e.p), l'America Latina (2) e l'Europa (1). Permane il primato italiano nell'esperienza di progettazione e fornitura di impianti soprattutto a paesi esteri (per esempio, Nuova Zelanda e Nicaragua). Nel contesto italiano importante è inoltre un nuovo tipo di progettazione degli impianti, detta «unificata a moduli»: i vari fornitori di turbina, condensatore, compressore si attengono a caratteristiche tecniche modulari unificate nell'interfaccia onde permettere all'ente elettrico nazionale la composizione di un impianto (a modulo) completo mediante macchine prese da qualsivoglia fornitore che opera nel sistema secondo le specifiche e l'interfaccia indicati. Diffusione crescente ha inoltre la pratica dell'uso diretto del calore geotermico per riscaldamento urbano.

Maremotrice

Produce energia elettrica sfruttando l'energia delle maree, peraltro utilizzabili solo nei luoghi ove si abbia una sufficiente ampiezza di oscillazione (una decina di metri). Il salto utile è solo una frazione del dislivello che si ha fra alta e bassa marea. Si devono quindi impiegare turbine a bassa caduta, lente e costose. L'impianto è costituito da uno sbarramento (generalmente sull'estuario dei fiumi) attraverso il quale l'acqua transita nei due sensi (verso terra durante l'alta marea, viceversa durante la bassa) facendo lavorare le turbine. In tutto il mondo vi è solo una decina di zone nelle quali sono soddisfatte le condizioni per l'installazione di centrali mareomotrici: la baia di Fundy in Canada, la costa sudorientale della Patagonia, l'estuario della Rance (centrale in funzione dal 1966) e la baia di Mont-Saint- Michel in Francia, la Terra di Baffin, la costa settentrionale dell'Australia, la Corea, il golfo di Cambay in India e il Río Colorado nel Messico. Sull'estuario del Severn (Gran Bretagna) vi è una centrale mareomotrice della potenza di 26.000 kW, dotata di turbine Ka aventi il diametro eccezionale di quasi 10 m.

Mareotermica o talassoelettrica

Centrale mareotermica o talassoelettrica. Sfrutta l'energia termica dei mari o delle grandi distese d'acqua. Nelle regioni equatoriali e tropicali, in riva ai mari profondi, esiste un notevole salto di temperatura fra acque superficiali e acque profonde.

Sono stati proposti cicli di potenza con fluidi aventi le caratteristiche adatte per operare con differenze di temperature assai ridotte. ll freon e l'ammoniaca si sono dimostrati assai proficui. Sono già operanti alcuni prototipi negli Stati Uniti, di cui il più importante nelle isole Hawaii.

Solare

Sfrutta l'energia solare. Il Sole invia sulla Terra energia corrispondente a una potenza di circa 2 kW/m², ma il suo sfruttamento è ovviamente condizionato alle variazioni periodiche (diurne e stagionali) e a quelle accidentali (nuvolosità). Esistono però sulla Terra vaste zone, specialmente equatoriali, dove l'insolazione può raggiungere le 2.000 ore annue. L'energia solare può essere captata direttamente (ad es. con le batterie solari che sfruttano l'effetto fotovoltaico) o previa concentrazione per mezzo di lenti o specchi parabolici in modo da poter riscaldare un fluido da inviare alle turbine.

A tal fine si distinguono le centrali che, per produrre l'energia elettrica, utilizzano la conversione termodinamica dell'energia solare, e quelle che utilizzano l'effetto fotovoltaico.

Nelle centrali del primo tipo, la radiazione solare viene captata da superfici speculari (eliostati) e riflessa verso un ricevitore attraversato dal fluido termovettore (caldaia solare) situato in cima a una torre.

Per questo motivo le centrali di questo tipo vengono chiamate centrali a torre e campo specchi. Il fluido termovettore evapora e viene fatto espandere in un turboalternatore dove viene prodotta l'energia elettrica. Il ciclo si chiude attraverso un condensatore e una pompa che fa ricircolare il fluido nella caldaia solare.

Si distinguono centrali a ricevitore centrale, in cui la radiazione solare viene trasferita a un solo ricevitore, e centrali a ricevitori distribuiti. In questo secondo caso il trasferimento della radiazione solare al fluido termovettore avviene in un numero elevato di ricevitori, distribuiti sulla superficie, destinati alla captazione dell'energia solare.

Attualmente in Italia sono in funzione due centrali solari a torre e campo specchi, una di tipo sperimentale a Sant'Ilario di Nervi e una ad Adrano in Sicilia.

Le centrali che sfruttano l'effetto fotovoltaico sono costituite da celle che sono in grado di convertire direttamente l'energia solare incidente in energia elettrica.

Si distinguono celle di vario tipo in relazione al materiale con cui sono costituite: si hanno celle al silicio, celle all'arseniuro di gallio e le celle CdS - CU₂S.

La tecnologia delle celle al silicio è quella più sviluppata. I sistemi di produzione di energia elettrica che utilizzano tali celle si distinguono in sistemi senza concentrazione e sistemi con concentrazione. Nel primo caso si cerca di diminuire il costo dell'energia elettrica prodotta diminuendo il costo per unità di superficie delle celle. Nel secondo caso invece si possono accettare costi delle celle superiori a patto di garantire prestazioni di maggior qualità.

Nel 1980 il CNEN e l'ENEL hanno varato il progetto per una centrale fotovoltaica da 1 MW da localizzare in Puglia.