Come funzionano le dighe idroelettriche? Vantaggi dell'energia idroelettrica
Le dighe idroelettriche creano enormi riserve di energia potenziale idrostatica, muovono grandi quantità d'acqua attraverso turbine e azionano generatori che producono elettricità. La più grande diga idroelettrica del mondo―la Diga delle Tre Gole nel fiume Yangtze in Cina―può generare fino a 22.500 MW di elettricità. Ciò significa che la diga può produrre abbastanza elettricità per alimentare oltre 18 milioni di abitazioni (basandosi sui tassi medi di consumo energetico negli Stati Uniti). Le centrali idroelettriche generano quasi il 6,7% dell'elettricità mondiale.
Come producono elettricità le dighe idroelettriche?
Come funzionano questi enormi dighe idroelettriche? Esploriamo i componenti fondamentali di una diga idroelettrica e il processo di creazione di energia sostenibile e produttiva.
Fase 1: Sfruttamento dell'energia potenziale
Un fiume impetuoso rilascia energia potenziale sotto forma di energia cinetica e suono―la gravità fa sì che l'acqua scorra lungo un percorso specifico. Le dighe bloccano questo rilascio di energia cinetica e immagazzinano efficacemente l'energia potenziale di un fiume in un bacino simile a un lago. Le dighe idroelettriche funzionano "riservando" l'acqua di un fiume e la sua energia potenziale. La caduta idraulica, creata dalla profondità dell'acqua e dalla velocità dell'acqua mentre viaggia attraverso il condotto della diga, consente alla turbina della centrale idroelettrica di girare.
Fase 2: Far girare la turbina idroelettrica
Ventole meccaniche variano in forma e dimensione. Generalmente parlando, più grande è la ventola, più difficile è muoverla. Le ventole grandi richiedono anche tensioni maggiori e motori più grandi per farle girare. Le turbine di grandi dimensioni, come le turbine Francis nelle Tre Gole e in molte altre dighe idroelettriche, richiedono più energia per accelerare il loro movimento.
La turbina Francis si affida alla caduta idraulica per girare. La pressione idrostatica creata dall'energia potenziale della diga genera questa caduta idraulica, che aumenta con l'aumento della velocità del fluido. In breve, una diga più alta produce più caduta idraulica e può far girare turbine più grandi. Mentre la turbina gira, la caduta idraulica si converte in energia cinetica. Questa conversione elimina efficacemente la velocità dell'acqua e la pressione idrostatica, permettendo all'acqua di fluire lentamente dalla base della diga.
Fase 3: Il generatore della turbina idroelettrica
Il movimento rotatorio della turbina genera energia elettrica. Le turbine sono accoppiate con generatori elettrici direttamente o attraverso un cambio o una trasmissione che fa ruotare l'albero e l'armatura del generatore. L'assemblaggio del commutatore e delle spazzole cattura il flusso di elettricità, che viene generato dal movimento rotatorio dell'armatura del generatore rispetto al suo statore.
I generatori di grandi dimensioni, come quelli in funzione nelle dighe idroelettriche, generano una significativa riluttanza―resistenza alla rotazione meccanica―che può essere superata solo da grandi forze di coppia derivanti dalla rotazione della turbina. Utilizzando un sistema di trasmissione simile a quello di un'auto, il movimento rotatorio della turbina si converte in rapporti variabili di coppia e velocità.
Fase 4: Catturare e trasmettere l'energia idroelettrica
L'elettricità generata si trasforma rapidamente in tensioni di livello di rete, che la compagnia elettrica locale trasmette tramite linee elettriche. I trasformatori di aumento di tensione nelle dighe idroelettriche producono tensioni su scala di utilità a partire da tensioni relativamente più basse del generatore. Le tensioni più alte che escono da una centrale idroelettrica sono ideali per la trasmissione di energia a lunga distanza, grazie alla bassa corrente elettrica che le rende più efficienti. Ad esempio, la diga Glen Canyon a Paige, Arizona, fornisce elettricità a case situate quasi 900 miglia a nord in Nebraska, probabilmente utilizzando una trasmissione a 500kV come parte del viaggio dell'elettricità.
Progressi nell'energia rinnovabile idroelettrica
Le centrali idroelettriche rappresentano la più grande fonte di energia rinnovabile al mondo. Con la creazione di nuove dighe idroelettriche e centrali a energia mareomotrice e con il miglioramento dell'efficienza dei sistemi, l'impatto dell'energia idroelettrica cresce. Anche la modellazione della dinamica dei fluidi sta migliorando e le tolleranze di produzione si stanno riducendo, avvicinando l'efficienza delle turbine al 100%. Gli sviluppi nella produzione di riduttori, nelle scienze dei materiali lubrificanti e nelle tolleranze di produzione continuano ad aumentare l'efficienza, così come magneti più potenti, conduttori più efficienti e sistemi di controllo migliori. Finché saranno disponibili acqua corrente e dislivelli, l'energia idroelettrica sarà un'opzione preziosa per un'energia sostenibile.
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