Introduzione
Le centrali idroelettriche a pompa rappresentano una tipologia di impianto idroelettrico; sono considerate una forma di generazione di energia rinnovabile (verde).
Questi impianti trasformano l'energia potenziale in energia elettrica, o viceversa, l'energia elettrica in energia potenziale. Ciò avviene consentendo all'acqua di fluire da un bacino superiore a uno inferiore, o pompando l'acqua da un bacino inferiore a uno superiore. Quando l'acqua scorre verso il bacino inferiore, l'impianto genera elettricità. Quando l'acqua viene pompata verso il bacino superiore, si accumula energia potenziale. Le centrali a pompa utilizzano turbine Francis poiché possono operare sia come pompe idrauliche che come turbine idrauliche.
Le centrali a pompa sono impiegate per stabilizzare la frequenza, la tensione e la domanda di potenza all'interno della rete elettrica; sono spesso utilizzate per incrementare la capacità megawatt della rete durante i periodi di alta richiesta energetica. Per questo motivo, le centrali a pompa sono conosciute come impianti di 'picco'.
Grafico della Domanda di Potenza della Rete Elettrica
Poiché le centrali a pompa possono fornire energia alla rete elettrica 'su richiesta', hanno un alto grado di dispacciabilità (la capacità di fornire energia alla rete rapidamente quando necessario).
Progettazione della Centrale
Indipendentemente dalla posizione geografica, tutte le centrali a pompa richiedono un bacino superiore e un bacino inferiore. La differenza di elevazione tra i bacini superiore e inferiore è chiamata 'salto' (salto di pressione) e deve essere significativa affinché l'impianto operi in modo efficiente.
Un condotto collega il bacino superiore a una turbina Francis situata nella centrale. Un tubo di scarico e un canale di scarico collegano la turbina Francis al bacino inferiore.
Schema della Centrale Idroelettrica a Pompa
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Come Funzionano le Centrali a Pompa
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Come le Centrali a Pompa Generano Energia (Elettricità)
L'acqua scorre dal bacino superiore, attraverso il condotto, fino alla turbina Francis. Quando l'acqua passa sopra le palette del rotore Francis, si crea una differenza di pressione che genera coppia (forza rotante) sul rotore. Il rotore inizia a ruotare.
Il rotore della turbina è collegato a un generatore elettrico tramite un albero comune. Quando il rotore ruota, anche il rotore del generatore ruota. Quando il rotore attraversa il campo elettromagnetico all'interno del generatore, induce corrente negli avvolgimenti dello statore e inizia a fluire corrente elettrica. La corrente elettrica viene solitamente inviata ai consumatori finali tramite una stazione di smistamento e un trasformatore elettrico.
Rete Elettrica
L'acqua scaricata dal rotore della turbina entra in un tubo di scarico dove parte dell'energia cinetica viene recuperata e convertita in energia potenziale; l'acqua poi entra nel canale di scarico e viene scaricata nel bacino inferiore.
In questo esempio, l'energia potenziale dell'acqua è stata convertita dal rotore della turbina in energia meccanica. L'energia meccanica è stata trasferita su un albero comune a un generatore, che ha convertito l'energia meccanica in energia elettrica. L'intero processo può continuare fino a quando il bacino superiore è vuoto.
Come le Centrali a Pompa Accumulano Energia Potenziale
L'acqua viene pompata dal bacino inferiore al bacino superiore dal rotore della turbina Francis. Il percorso del flusso è lo stesso di quando si genera elettricità, tranne che la direzione del flusso è invertita perché il rotore Francis viene utilizzato come pompa invece che come turbina.
Economia delle Centrali a Pompa
Le centrali a pompa si basano sulla variazione del prezzo dell'elettricità per realizzare un profitto. Molte centrali termiche (a carbone, a gas, ecc.) non possono aumentare o ridurre rapidamente la loro produzione di MW perché ciò comporterebbe grandi stress termici sui componenti della centrale (caldaia a tubi d'acqua, tubazioni, ecc.). Per questo motivo, le centrali termiche producono quasi la stessa quantità di energia di notte come durante il giorno.
Durante il giorno, l'energia è richiesta e i prezzi dell'elettricità sono alti. Di notte, l'energia non è richiesta e i prezzi dell'elettricità sono bassi. Le centrali a pompa acquistano energia di notte per pompare l'acqua fino al bacino superiore, poi generano energia e la vendono alla rete durante il giorno, quando la domanda - e il prezzo - è più alto.
Esempio 1
L'energia viene acquistata dalla rete a 1ct/kWh per pompare l'acqua dal bacino inferiore a quello superiore.
L'energia viene venduta alla rete a 2ct/kWh permettendo all'acqua di fluire dal bacino superiore a quello inferiore.
La centrale a pompa ha generato 1ct/kWh di profitto durante questo processo perché:
2ct/kWh (vendita) - 1ct/kWh (acquisto) = 1ctkWh (profitto).
Le centrali a pompa hanno operato in questo modo per molti anni, ma il recente aumento delle fonti di energia rinnovabile sta cambiando la dinamica del settore energetico.
Esempio 2
È una giornata soleggiata e ventosa, molte centrali solari ed eoliche sono online e generano energia. A causa di questo aumento della disponibilità di energia, c'è un surplus nella rete e il prezzo dell'energia elettrica si riduce proporzionalmente.
Il prezzo dell'energia durante il giorno si riduce così tanto che le centrali a pompa possono entrare in funzione e acquistare energia per pompare l'acqua fino al bacino superiore.
In questo scenario, le centrali a pompa vengono utilizzate sia di giorno che di notte per compensare il surplus di energia nella rete e per fornire energia durante i periodi di picco della domanda di energia. Questo scenario è relativamente nuovo e ha portato le centrali a pompa a diventare una parte più integrata della rete elettrica.
Componenti del Modello 3D
Questo modello 3D mostra tutti i principali componenti associati a una tipica centrale a pompa, tra cui:
- Bacino Superiore e Inferiore
- Condotto
- Griglia per Rifiuti
- Valvole di Isolamento
- Apparecchiature di Commutazione
- Rotore della Turbina (Francis)
- Cassa a Spirale/Voluta
- Tubo di Scarico
- Generatore
- Trasformatore Elettrico
- Stazione di Smistamento all'Aperto
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Risorse Aggiuntive
http://www.wvic.com/content/how_hydropower_works.cfm
https://science.howstuffworks.com/environmental/energy/hydropower-plant.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Francis_turbine