Le dighe idroelettriche creano vasti serbatoi di energia potenziale idrostatica, spostano grandi quantità di acqua attraverso turbine e fanno funzionare generatori che producono elettricità. La più grande diga idroelettrica al mondo, la diga delle Tre Gole sul fiume Yangtze in Cina, può generare fino a 22.500 MW di elettricità. Ciò significa che tale diga è in grado di produrre elettricità sufficiente per fornire corrente a più di 18 milioni di abitazioni (in base ai consumi energetici medi negli Stati Uniti). Le centrali idroelettriche generano quasi il 6,7% dell'elettricità mondiale.
In che modo le dighe idroelettriche generano elettricità?
Come funzionano queste enormi dighe idroelettriche? Scopriamo i componenti fondamentali di una diga idroelettrica e come avviene la creazione di questa energia sostenibile e redditizia.
Punto 1: imbrigliamento dell'energia potenziale
Un fiume dal corso impetuoso rilascia energia potenziale sotto forma di energia cinetica e sonora: la gravità fa in modo che l'acqua fluisca lungo un percorso definito. Le dighe bloccano questo rilascio di energia cinetica e immagazzinano di fatto l'energia potenziale di un fiume in un bacino idrico simile a un lago. Le dighe idroelettriche funzionano "creando una riserva" con l'acqua di un fiume e la sua energia potenziale. Il carico idraulico, creato dalla profondità e dalla velocità dell'acqua che attraversa la condotta forzata della diga, fa girare la turbina della centrale idroelettrica.
Punto 2: funzionamento della turbina idroelettrica
Le ventole meccaniche si differenziano per forma e dimensioni. In genere, più grande è la ventola, più è difficile farla muovere. Inoltre, le ventole di grandi dimensioni hanno bisogno di tensioni più elevate e motori più grandi per girare. Le grandi turbine, come le turbine Francis della diga delle Tre gole e di molte altre dighe idroelettriche, richiedono anche più energia per accelerare il proprio movimento.
Il funzionamento della turbina Francis si basa sul carico idraulico. La pressione idrostatica determinata dall'energia potenziale della diga crea questo carico idraulico, che cresce all'aumentare della velocità del fluido. In breve, una diga più alta produce un maggior carico idraulico e può far girare turbine più grandi. Quando la turbina gira, il carico idraulico si trasforma in energia cinetica. Questa conversione elimina di fatto la velocità e la pressione idrostatica dell'acqua, consentendole di defluire lentamente dalla base della diga.
Punto 3: il generatore della turbina idroelettrica
Il moto rotatorio della turbina genera corrente elettrica. Le turbine vengono collegate a generatori elettrici in modo diretto o tramite una scatola di ingranaggi o una trasmissione che fa girare l'albero e il rotore del generatore. Il commutatore e il gruppo spazzole catturano il flusso di elettricità che viene creato dal rotore del generatore in movimento rispetto al suo statore.
I generatori più grandi, come quelli utilizzati nelle dighe idroelettriche, creano una quantità significativa di riluttanza (resistenza alla rotazione meccanica) che può essere superata solo da notevoli forze di coppia come risultato della turbina in rotazione. Utilizzando un sistema di trasmissione come quello di un'auto, il movimento rotatorio della turbina si converte in rapporti di coppia e velocità variabili.
Punto 4: acquisizione e trasmissione dell'energia idroelettrica
L'elettricità generata si trasforma rapidamente in tensioni adeguate alla rete elettrica, che il gestore del servizio elettrico locale trasferisce tramite linee elettriche. I trasformatori step-up presenti negli impianti delle dighe idroelettriche creano tensioni adatte alle reti più grandi a partire da tensioni d'uscita del generatore relativamente inferiori. Le tensioni più elevate che escono da una centrale idroelettrica sono ideali per la trasmissione di elettricità su distanze lunghe, vista la bassa corrente elettrica, che le rende più efficienti. Ad esempio, la diga di Glen Canyon a Page, in Arizona, fornisce elettricità alle abitazioni situate a circa 1.400 chilometri di distanza nel nord del Nebraska, utilizzando probabilmente linee di trasmissione a 500 kV per il trasporto dell'elettricità.
Progressi nel campo dell'energia rinnovabile idroelettrica
Le centrali idroelettriche sono la più grande fonte di energia rinnovabile al mondo. Man mano che vengono create nuove dighe idroelettriche e centrali a energia mareomotrice e che l'efficienza del sistema migliora, aumenta anche l'impatto dell'energia idroelettrica. Anche la modellazione della dinamica dei fluidi sta migliorando e le tolleranze di produzione si stanno riducendo, portando l'efficienza delle turbine sempre più vicina al 100%. Gli sviluppi nella produzione di scatole di trasmissione, nelle scienze dei materiali lubrificanti e nelle tolleranze di produzione continuano ad aumentare l'efficienza delle centrali, così come avviene grazie a magneti più potenti, conduttori più efficienti e sistemi di controllo migliori. Finché saranno disponibili flussi d'acqua ed elevazione, l'energia idroelettrica sarà un'opzione preziosa per il settore delle energie sostenibili.
