Moltissimi impianti idroelettrici vengono valutati sulla base del rendimento della turbina e molte gare tra produttori vengono vinte (..o perse) per qualche decimo di punto di rendimento. Ma quanto conta effettivamente il rendimento in un impianto idroelettrico?
Se parliamo di impianti idroelettrici di grande taglia, il rendimento è assolutamente uno degli aspetti fondamentali, se non l’unico. Un solo decimo di punto di rendimento in più in una turbina da 100MW determina un aumento della produzione annua di circa 500 MWh/anno con un aumento dei ricavi pari a circa 25,000 $/anno e a 500,000$ su 20 anni di funzionamento dell’impianto. Per questo motivo negli impianti di larga scala si adottano soluzioni progettuali e costruttive complesse ed avanzate che consentano di raggiungere i rendimenti massimi ammissibili variabili a seconda della tipologia di turbina e delle condizioni di progetto.
Per gli impianti di piccola taglia invece, non si cerca più in modo così spasmodico il raggiungimento del massimo rendimento ammissibile. Infatti aumenti di efficienza non sempre giustificano l'incremento dei costi di progettazione e produzione. Basti infatti pensare che con un decimo di punto di rendimento in più in una turbina da 100 kW, la produzione dell'impianto aumenta di 5000 kWh/anno con un aumento dei ricavi pari a 25$/anno e a 500$ su 20 anni di funzionamento. E’ evidente quindi che in questo secondo viene meno la sostenibilità economica di soluzioni progettuali e costruttive più complesse mirate al raggiungimento dei massimi rendimenti possibili.
C’è però da sottolineare anche un altro aspetto estremamente importante. Anche trascurando l’aspetto economico (che trascurabile non è) e adottando soluzioni progettuali e costruttive avanzate, non si potrebbe comunque sperare di raggiungere valori di rendimento comparabili con quelli degli impianti di grande taglia. Il perché è legato alle perdite interne della macchina e al "fattore scala". Senza entrare in dettagli relativi alla meccanica dei fluidi e alla progettazione delle macchine, è possibile comunque spiegare questo concetto in modo semplificato.
Le perdite idrauliche, legate agli sforzi di attrito tra fluido e superfici da esso bagnate (girante e voluta), dipendono dalla velocità del fluido e dal coefficiente di attrito f (Friction Factor nella figura successiva – Diagramma di Moody) che a sua volta dipende dalle caratteristiche del moto del fluido (laminare, turbolento e turbolente pienamente sviluppato espresso tramite il numero di Reynolds – Re nella figura successiva) e dalla scabrezza relativa (ε/d nella figura successiva), definita come il rapporto tra la rugosità della superficie bagnata dal fluido ε e dal diametro della macchina d. La rugosità della superficie dipende dal processo di lavorazione che non varia significativamente al variare delle dimensioni della macchine. Ne consegue che in macchine di piccole dimensioni, la scabrezza relativa ε/d è più grande e quindi più grande saranno il coefficiente di attrito e le perdite idrauliche ad esso associate.
Per gli impianti di piccola taglia invece, non si cerca più in modo così spasmodico il raggiungimento del massimo rendimento ammissibile. Infatti aumenti di efficienza non sempre giustificano l'incremento dei costi di progettazione e produzione. Basti infatti pensare che con un decimo di punto di rendimento in più in una turbina da 100 kW, la produzione dell'impianto aumenta di 5000 kWh/anno con un aumento dei ricavi pari a 25$/anno e a 500$ su 20 anni di funzionamento. E’ evidente quindi che in questo secondo viene meno la sostenibilità economica di soluzioni progettuali e costruttive più complesse mirate al raggiungimento dei massimi rendimenti possibili.
C’è però da sottolineare anche un altro aspetto estremamente importante. Anche trascurando l’aspetto economico (che trascurabile non è) e adottando soluzioni progettuali e costruttive avanzate, non si potrebbe comunque sperare di raggiungere valori di rendimento comparabili con quelli degli impianti di grande taglia. Il perché è legato alle perdite interne della macchina e al "fattore scala". Senza entrare in dettagli relativi alla meccanica dei fluidi e alla progettazione delle macchine, è possibile comunque spiegare questo concetto in modo semplificato.
Le perdite idrauliche, legate agli sforzi di attrito tra fluido e superfici da esso bagnate (girante e voluta), dipendono dalla velocità del fluido e dal coefficiente di attrito f (Friction Factor nella figura successiva – Diagramma di Moody) che a sua volta dipende dalle caratteristiche del moto del fluido (laminare, turbolento e turbolente pienamente sviluppato espresso tramite il numero di Reynolds – Re nella figura successiva) e dalla scabrezza relativa (ε/d nella figura successiva), definita come il rapporto tra la rugosità della superficie bagnata dal fluido ε e dal diametro della macchina d. La rugosità della superficie dipende dal processo di lavorazione che non varia significativamente al variare delle dimensioni della macchine. Ne consegue che in macchine di piccole dimensioni, la scabrezza relativa ε/d è più grande e quindi più grande saranno il coefficiente di attrito e le perdite idrauliche ad esso associate.
"Moody diagram" di Donebythesecondlaw at the English language Wikipedia. Con licenza CC BY-SA 3.0 tramite Wikimedia Commons.
Per questo motivo, negli impianti di piccola taglia, non solo non è economicamente conveniente adottare soluzioni progettuali e costruttive avanzate, ma queste soluzioni non consentirebbero comunque di raggiungere valori di rendimento comparabili con quelli degli impianti di grande taglia.
In letteratura sono state proposte varie correlazioni per valutare la variazione di rendimento massimo ammissibile tra macchine di dimensioni diverse, ma devono essere applicate con cautela tenendo conto della geometria della macchina in esame e delle caratteristiche attese del moto all’interno della turbina. HPP-Design è stato sviluppato tenendo conto proprio di tutti questi aspetti legati alla meccanica dei fluidi e alla progettazione delle macchine. Il valore può essere usato per calcolare la produzione dell'impianto o per stabilire un valore di riferimento per delle specifiche tecniche di gara, ma non sostituisce quello che ogni produttore di macchina andrà a garantire in fase di costruzione dell'impianto. HPP-Design vi darà una base su cui poter sviluppare il vostro progetto.
Per informazioni contattateci qui oppure mandateci una mail qui, potete inoltre leggere le nostre FAQ. HPP-Design è in continua evoluzione e vi consiglio di registrarvi alla nostra newsletter qui per essere sempre aggiornati sulle nuove release.
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Un ringraziamento alla prof. Giovanna Cavazzini dell'Università di Padova.
