1 di 15

Micro Centrali Idroelettriche per il Recupero di Energia nelle Reti Idriche

Ing. Daniele RosatiPhD on Electrical Engineering

MCM Energy Lab SrlLaboratorio di Elettronica di Potenza per l’Efficienza EnergeticaSpin-off del POLITECNICO DI MILANOwww.mcmenergylab.com

2 di 15

MCM ENERGY LAB SRL

MCM si occupa di ricerca applicata supportando i propri clienti a sviluppare nuovi sistemi e nuovi prodotti.

Settori di riferimento:

- Generazione Distribuita dell’energia elettrica per mezzo di fonti Rinnovabili

- Efficienza Energetica di sistemi e prodotti

- Mobilità Sostenibile (auto elettrica e trazione elettrica)

MCM Energy Lab Srl è una società di ingegneria,spin off del POLITECNICO DI MILANO

3 di 15

Recupero di Energia nelle Reti  Idriche (Acquedotti)

Idea di MCM: produrre energia elettrica con turbine a velocità variabile by-passando i riduttori di pressione presenti nelle reti idriche

Caratteristiche Acquedotti:

• Reti complesse (sorgenti / pozzi / stazioni di pompaggio / condotte / serbatoi / valvole)

• Forte dipendenza dall’Orografia del Territorio

• Sistemi in continua evoluzione (non hanno costruzione contemporanea)

• Grossi consumi di Energia Elettrica

Obiettivo gestori di acquedotti:REGOLARE IL PROFILO DI PRESSIONE NELLA RETE IDRICA DI DISTRIBUZIONE

4 di 15

Regolazione della pressione nelle  reti idriche

1) Ridurre le perdite di acqua nell’acquedotto (rendimento sopra al 80%)

Hmin

= 5 m

Hmax

= 70 m

2) Richieste normative del D.P.C.M. 14 marzo 1996

• Dotazione pro-capite giornaliera > 150 l/ab/giorno

• Porta minima erogata consegna Qmin > 0,10 l/s

• Carico idraulico controllato

5 di 15

Possibili “salti motore”

utilizzabili  negli acquedotti

Caratteristiche rete idrica+

Necessità Regolazione di Pressione

Caso 3: Riduttori di Pressione in Linea

sorgente

Vasca potabilizzazione

Caso 1: Sorgenti in quota

H = Hfis

+ H(Q_spillata) 

H = Salto utile

Caso 2: Serbatoi a quote differenti

Serbatoio 1

Serbatoio 2

Serbatoio

Valvola riduzione pressione Distribuzione

utenze

P2 = cost

P1 elevata

Salto utile H = ΔP = P1 – P2

Possibili “Salti Motore” per produrre energia elettrica dalla rete idrica

(micro-centrali idroelettriche)

6 di 15

Problemi nella realizzazione di  micro‐centrali su acquedotto

• Evitare contaminazione dell’acqua potabile

- Materiali e sistemi di tenuta secondo DL 174 del 06 aprile 2004

• Dimensionamento dell’impianto

- Portate molto variabili (Rapporto tra notte e giorno fino a 1:5)

- Variabilità del Salto Motore (Dipendenza dalle perdite di carico nelle conduttore)

• Layout di Impianto

- Serbatoi posizionati nei centri storici (difficile realizzare opere civili)

- Riduttori di pressione spesso in camere sotterranee o cunicoli

• Convenienza Economica

- Incidenza dei costi di progettazione nell’investimento

- Valutazione del kWh prodotto

GSE ha introdotto per impianti micro-idroelettrici laTariffa Omnicomprensiva che riconosce 0.22 €/kWh prodotto

Micro-turbina Kaplan a flusso variabile

Micro-turbina Pelton a 5 ugelli

7 di 15

Esempio di Micro‐Centrale  Idroelettrica su Acquedotto

Centrale ORSIERA-CHIOMONTE (TO)

Dati Caratteristici:

- Portata media Qm= 18 l/s- Portata massima QM= 20 l/s- Salto Lordo H ⋍

300 m- Salto Motore Hm = 230 m- Potenza Installata P = 40 kW- Potenza concessione Pn = 52,72 kW

Produzione annua E = 294.000 kWh

8 di 15

Valutazione economica per  Micro‐Centrali Idroelettriche

Centrale ORSIERA – CHIOMONTE (TO)

Costi di realizzazione:

• Opere Civili 17.044 €• Macchinario di produzione (Turbina Pelton – Generatore Asincrono) 30.000 €• Quadro elettrico di controllo ed automazione 22.300 €• Opere idrauliche e impianti elettrici 12.911 €• Apparecchiature di controllo 5.113 €• Spese tecniche 7.807 €

TOTALE (IVA inclusa) 95.175 €

• Prezzo di cessione (Delib. Autorità 82/99 fino a 3 MW) 0,083 €/kWhRICAVO ANNUO PREVISTO 24.196 €/anno

Ritorno economico dell’investimento in 4÷5 anni

9 di 15

Nuovo sistema MCM con turbina a  velocità

variabile by‐pass riduttore

1. TURBINA a VELOCITA’ VARIABILE con ELICA FISSA e con controllo della pressione in uscita( posizionata in by-pass al Riduttore di Pressione in linea)

2. GENERATORE SINCRONO a MPcon V ed f variabile

3. QUADRO DI CONVERSIONE E CONTROLLO con doppio INVERTER TRIFASE per conversione AC/DC/AC a frequenza variabile, Master Controller e SPI

10 di 15

Funzionamento Turbina a  Velocità

Variabile

Equazione di Eulero

Triangolo delle velocità

A: condizione di dimensionamento per Kaplan doppia regolazione (vel. fissa) ed Elica fissa (velocità variabile)B: Kaplan doppia regolazione con flusso ridottoC: Elica fissa con flusso ridotto (velocità rotazione variabile)

Con velocità variabile si ha:

A B C

11 di 15

Confronto efficienza conversione vel. fissa vs vel. variabile

Diagrammi Collinari con Kaplan doppia-regolazione (sinistra) e turbina vel.variabile (VSO) con Elica fissa (destra)

Confronto rendimento Kaplan vs Elica VSO con stesse caratteristiche nominali e funzionamento a Salto Motore variabile

Velocità variabile risulta molto vantaggiosa con Salto Motore

variabile

12 di 15

Vantaggi utilizzo sistema a  velocità

variabile

1) Costo Turbina VSO meno elevato

2) Turbina senza organi meccanici di regolazione ed attuatori (affidabilità)

3) Minor rischio di Cavitazione (velocità relative basse)

4) Miglior regolazione della pressione in uscita (più GdL per controllo)

5) Gruppo turbina-generatore disaccoppiato dalla rete elettrica (DC bus inverter)

6) Miglior gestione del Colpo d’Ariete e della Perdita di passo del generatore

7) Fattore di potenza ottimale per energia elettrica immessa in rete cosφ=1

13 di 15

Regolazione Generatore  Sincrono MP con Inverter

Modello sincrono a MP su assi rotanti di Park

Coppia elettromagnetica

Si controlla la macchina in modo da tenere la corrente iq sempre in controfase rispetto alla f.e.m. E prodotta dal rotore a MP

14 di 15

Controllo della pressione in uscita 

Il Controllo della pressione in uscita deve essere sempre garantito (si tiene la valvola di riduzione in by-pass)

15 di 15

Conclusioni

• Nelle reti idriche vi sono “salti motore” disponibili a causa dell’orografia del territorio e della regolazione di pressione attuata nella rete.

• Per recuperare l’energia disponibile si possono installare micro-centrali idroelettriche opportunamente progettate e realizzate per il funzionamento in acquedotti.

• Esistono degli esempi che dimostrano la fattibilità e l’economicità di questi sistemi.

• MCM Energy Lab propone un nuovo sistema con turbina a velocità variabile per recuperare l’energia attualmente dissipata nei riduttori di pressione in linea.

• Lo sfruttamento di turbine a velocità variabile richiede l’utilizzo di generatori elettrici alimentati e controllati da inverter.

• Con il sistema a velocità variabile si possono ottenere produzioni energetiche più elevate rispetto ai sistemi tradizionali a velocità fissa.