Il motore dell’acqua: l’energia idroelettrica

In questo nuovo capitolo della serie Energie affrontiamo la madre di tutte le energie rinnovabili: l’idroelettrico.

di Diego Michielin 

grafiche di Cecilia Brugnoli

L’idroelettrico è sicuramente la più antica tra le energie rinnovabili per la generazione di elettricità. Prima del recente sviluppo commerciale di pale eoliche e pannelli fotovoltaici, le dighe idroelettriche sono state l’energia rinnovabile per antonomasia. In Italia, come in molte altre nazioni, questa energia ha ricoperto un ruolo di assoluto primo piano, rappresentando la principale quota di produzione di energia elettrica negli anni dello sviluppo economico e industriale. In quegli anni si è pensato che fosse così abbondante da garantire al nostro paese l’autosufficienza energetica, tanto da guadagnarsi l’appellativo di carbone bianco delle Alpi. Vediamo in questo nuovo articolo della serie Energie in cosa consista questa tecnologia, i suoi vantaggi e le sue sfide.

Dai mulini ad acqua alle dighe

Lo sfruttamento dell’elemento acquatico a fini energetici non è certo una novità degli ultimi tre secoli. Le ruote idrauliche venivano ampiamente utilizzate dalle antiche civiltà come egizi o cinesi per la macinatura di cereali e minerali. Per passare da uno sfruttamento puramente meccanico ad uno elettrico bisognerà attendere la fine dell’Ottocento e la seconda rivoluzione industriale, evento storico caratterizzato proprio dallo sviluppo dell’elettricità.

Nel 1882, nasce la prima centrale idroelettrica negli Stati Uniti d’America, ad Appleton, Wisconsin. Una decina d’anni dopo, nel 1892, entra in esercizio a Tivoli la prima centrale in Italia  (Acquoria), progettata e utilizzata per accendere e illuminare la città di Roma. Nel Novecento l’energia idroelettrica diventa protagonista di primo piano, permettendo lo sviluppo economico e industriale di molte nazioni del mondo. Fino ad arrivare ai giorni nostri: nel 2009 entra in funzione la diga delle Tre Gole sul fiume Azzurro in Cina. Alta 181 metri, lunga 2300 metri e con una capacità di 22,5 GW per 98,8 TWh generati ogni anno, è ad oggi la centrale elettrica più potente al mondo. Il podio per la diga più alta del globo è attualmente presidiato invece dalla Jinping -1, sul fiume Yalong in Cina, con 305 metri di altezza. In Italia questo primato, con un’altezza di 260 metri, è occupato da un impianto da cinquant’anni in disuso e tristemente salito agli onori della cronaca: la diga del Vajont, al confine tra Veneto e Friuli-Venezia Giulia. 

Passando a qualche dato sulla produzione elettrica, in base ai dati del rapporto 2019 dell’International Renewable Energy Agency (IRENA), la potenza complessiva degli impianti idroelettrici nel mondo è pari a 1.172 GW: circa il 50% del totale delle fonti rinnovabili. 

La centrale idroelettrica

Il principio di funzionamento di una centrale idroelettrica è concettualmente semplice. La costruzione di uno sbarramento, cioè di una diga, permette di imbrigliare l’acqua in un bacino posizionato in quota e creare quindi un salto idraulico. Tramite apposite condotte forzate, l’acqua arriva con la massima velocità nel punto più basso, in corrispondenza della sala macchine della centrale. Prima di tornare a scorrere a valle, transita nella turbina, l’elemento centrale di una centrale idroelettrica, che gira e mette in rotazione l’albero accoppiato ad un alternatore. Tale macchinario converte infine l’energia rotazionale della turbina in energia elettrica.

In termini di efficienza, il rendimento di un impianto idroelettrico è molto alto. Grazie alle attuali tecnologie, è possibile trasformare in elettricità circa il 90% dell’energia dell’acqua, una percentuale quasi tre volte superiore al livello di efficienza delle fonti termo-fossili.

Esistono diverse tipologie di impianti idroelettrici. Gli impianti ad acqua fluente vengono installati su acque fluviali. Lavorano con piccoli salti idraulici, di conseguenza, con potenze minori rispetto agli impianti a bacino. Quest’ultimi rappresentano la quintessenza dell’idroelettrico nell’immaginario comune: tramite sistemi di captazione, accumulano l’acqua allo sbarramento, e poi la rilasciano come descritto sopra. 

Anche gli sbarramenti possono essere di diversi tipi: esistono dighe a gravità, di forma triangolare e con sviluppo rettilineo, e dighe ad arco, di forma convessa per poter scaricare la spinta idrostatica dell’acqua sugli spallamenti laterali. Gli impianti a pompaggio infine giocano con due serbatoi, uno a monte e uno a valle. Nel loro funzionamento convenzionale, producono elettricità come in un impianto a bacino. Invece, nei momenti in cui la richiesta elettrica è bassa, la turbina assorbe energia dall’alternatore e agisce da pompa, portando l’acqua da valle verso monte.

Negli ultimi anni sta avendo uno sviluppo interessante il cosiddetto piccolo idroelettrico, ossia impianti con una capacità installata inferiore ai 10 MW. Nello specifico, si parla di pico idroelettrico quando la capacità installata è inferiore ai 5 kW, micro idroelettrico inferiore ai 100 kW e piccolo idroelettrico inferiore ai 10 MW. Ad esempio, in Italia esistono oltre 1000 impianti idroelettrici di piccole dimensioni, con una capacità installata inferiore a 1 MW.

I vantaggi e gli svantaggi dell’idroelettrico

Nel contesto del cambiamento climatico, i principali vantaggi dell’energia idroelettrica sono la sua rinnovabilità, non essendo legata alla disponibilità di un materiale come il petrolio quanto al ciclo naturale dell’acqua, e l’assenza di emissioni inquinanti, dato che non vi è coinvolta alcuna combustione. 

Inoltre, questa tecnologia è molto affidabile, economica e flessibile. Affidabile perché gli impianti idroelettrici durano a lungo, con previsioni di vita per una centrale di oltre un secolo. Economica, perché il costo dell’energia al kWh è molto competitivo rispetto all’energia elettrica prodotta da altre fonti: facendo riferimento alle stime dell’agenzia statunitense EIA, un kWH prodotto con l’idroelettrico costa 3$ contro i 4$ di una centrale a carbone o i 4,5$ di una centrale a biomassa. Flessibile, perché i flussi idrici possono essere regolati secondo la domanda di energia elettrica.

Per contro, la presenza di un grosso impianto idroelettrico – dato il mastodontico sbarramento e le opere complementari che alterano la morfologia del territorio e il naturale decorso delle acque – potrebbe portare a gravi impatti sugli ecosistemi e ad una riduzione della terra utilizzabile. Il primo svantaggio può venire mitigato o quanto meno controllato con apposite analisi di impatto ambientale.

Non sono poi da sottovalutare i potenziali rischi derivati dal collasso della diga: basti pensare al già citato disastro del Vajont nel 1963, che costò la vita a due migliaia di persone oppure al disastro del Banqiao del 1975, in Cina, in cui persero la vita circa 26.000 persone. Un recente aspetto critico è dovuto infine al cambiamento climatico: nella scorsa estate (2022),  le precipitazioni e le riserve nevose sui rilievi montuosi sono stati esigui in Italia, causando un crollo della produzione idroelettrica e un’importante crisi idrica nel paese. Questo tema può venire affrontato con una maggior consapevolezza del valore dell’acqua e con una oculata gestione della risorsa idrica.

Padiglione Italia

Guardando al nostro paese, l’energia idroelettrica rappresenta circa il 15% della produzione energetica nazionale totale e circa il 40% della produzione energetica nazionale da rinnovabili. Di questa totalità, l’80% proviene dal Settentrione, mentre la parte restante è equamente divisa tra centro e sud. In termini di potenza, la Lombardia detiene il primato (27% del totale), seguita da Trentino-Alto Adige (19%) e Piemonte (14%).

Come visto all’inizio, durante la prima metà del Novecento si è assistito al massimo sfruttamento del potenziale idroelettrico italiano, con la costruzione di grandi centrali tuttora in funzione. Da allora però gli aumenti della produzione idroelettrica sono stati modesti, in parte perché i più prolifici bacini idrogeologici sono già stati sfruttati e in parte per una perdita di fiducia dell’opinione pubblica a seguito del disastro del Vajont. 

Ad oggi, il più grande impianto idroelettrico italiano è a Entracque, in provincia di Cuneo, Piemonte. La centrale Luigi Einaudi è entrata in funzione nel 1982 e ha una potenza installata di poco più di 1 GW, vale a dire oltre il 5% della potenza nazionale e pari a quella che occorre all’intera provincia di Torino.

Guardando alla situazione globale, se non stupisce il fatto che i maggiori produttori di energia idroelettrica nel mondo siano i grandi paesi che hanno accesso a ingenti risorse idriche come Cina, Brasile e Canada, sono invece degni di nota quei paesi che con l’energia idroelettrica coprono quasi l’intero fabbisogno della loro produzione elettrica (99-100%). Fra queste nazioni troviamo, per esempio, l’Albania e la Norvegia in Europa, il Paraguay in America del Sud, la Repubblica Democratica del Congo e la Namibia in Africa, il Nepal e il Kirghizistan in Asia.

Il futuro che verrà

In Italia e in Europa è inverosimile pensare a una crescita radicale e importante del grande idroelettrico. Un settore in fermento nell’ambito della generazione distribuita è il “piccolo idroelettrico”, seppur – trattandosi di piccoli impianti – ad oggi contribuisce ancora in maniera marginale al totale dell’energia prodotta. Nel mondo, soprattutto nei paesi in via di sviluppo, la costruzione di grandi centrali in invasi non ancora sfruttati può incidere in maniera sostanziale sulla produzione di energia elettrica da fonti pulite. 

Sul fronte dell’avanzamento tecnologico, l’idroelettrico è ben consolidato e stabile ma nonostante ciò l’innovazione non si ferma. Esistono numerosi progetti di ricerca che indagano su più svariati aspetti dell’idroelettrico: dall’utilizzo di algoritmi e di turbine intelligenti (equipaggiate con meccanismi di controllo del flusso e della velocità di rotazione), allo sviluppo di turbine ecologiche che tutelino la fauna acquatica in caso di passaggio attraverso le stesse.

Ultima, ma non meno importante, è la questione della gestione della risorsa idrica. Lo sviluppo di politiche a lungo termine per la gestione dell’acqua è più che mai cruciale al fine di ottenere quel compromesso tra il rispetto dell’ambiente e una produzione costante e affidabile di energia elettrica, in un contesto di incertezza climatica e di rischi per l’approvvigionamento idrico.