L' energia idroelettrica o idroelettrica , è un'energia rinnovabile che deriva dalla conversione dell'energia idraulica in energia elettrica . L' energia cinetica della corrente dell'acqua, naturale o generata dal dislivello, viene trasformata in energia meccanica da una turbina idraulica , quindi in energia elettrica da un generatore elettrico sincrono .
Nel 2020, la capacità installata delle centrali idroelettriche ha raggiunto 1.330 GW , producendo circa 4.370 TWh , ovvero il 70% della produzione mondiale di energia rinnovabile e il 15,6% della produzione elettrica mondiale nel 2019. I punti di forza dell'energia idroelettrica sono il suo carattere rinnovabile, la sua basso costo di esercizio e basse emissioni di gas serra ; la capacità di stoccaggio dei suoi serbatoi aiuta a compensare le variazioni della domanda e quelle delle energie intermittenti (eolica, solare). Tuttavia, ha impatti sociali e ambientali , in particolare nel caso di dighe installate in regioni non montane: spostamenti di popolazione , possibili inondazioni di seminativi , frammentazione e modificazioni degli ecosistemi acquatici e terrestri, blocco di alluvioni , ecc. .
I principali produttori di energia idroelettrica nel 2020 sono stati la Cina (31,0%), il Brasile (9,4%), il Canada (8,8%) e gli Stati Uniti (6,7%), le centrali sono tra le più potenti.
L'energia elettrica viene prodotta trasformando l'energia cinetica dell'acqua in energia elettrica tramite una turbina idraulica accoppiata ad un generatore elettrico . Per le dighe per accumulo, la quantità di energia disponibile, in un dato periodo, nella riserva idrica di una diga dipende dal suo volume, dagli apporti naturali e dalle perdite nel periodo e dall'altezza della caduta . Per le dighe ad acqua fluente, la quantità di energia prodotta è direttamente correlata alla portata (m 3 / s, m 3 / h, m 3 / d, m 3 / anno).
Esistono quattro tipi principali di turbine. La scelta del tipo di turbina più adatto viene effettuata calcolando la velocità specifica indicata con "ns".
Gli esseri umani hanno usato mulini ad acqua alimentati da ruote a pale per macinare il grano per oltre duemila anni. Le industrie dell'orologeria e della carta delle Alpi ne facevano largo uso per l'abbondanza di torrenti che scendono nelle valli. Nel XIX ° secolo, giranti sono usati per generare elettricità e vengono sostituiti da turbine.
Nel 1869 , l'ingegnere Aristide Bergès lo utilizzò su un salto di duecento metri a Lancey per far girare i suoi trituratori, grattugiando il legno per fare la pasta di carta. Parlò di " carbone bianco " nel 1878 a Grenoble , poi alla fiera di Lione nel 1887 e all'Esposizione universale di Parigi nel 1889 .
A partire dal 1900 , il progresso tecnologico nell'energia idroelettrica svizzera ha dato origine a un'intensa speculazione borsistica sulle società idroelettriche , di cui hanno beneficiato gli stabilimenti industriali delle Alpi .
Negli anni '20 , una rapida espansione dell'elettricità vide la luce in Francia, con un aumento di otto volte della produzione di elettricità idraulica grazie alle prime dighe.
Nel 1925 Grenoble organizzò l' Esposizione Internazionale del Carbone Bianco .
Esistono tre forme principali di generazione di energia idroelettrica:
Le centrali a gravità sono quelle che sfruttano l' energia potenziale legata al dislivello tra l'invaso e la centrale. Le centrali elettriche possono essere classificate secondo tre tipologie di funzionamento, determinando un diverso servizio per l'impianto elettrico. Questa classificazione è fatta secondo la costante di svuotamento, che corrisponde al tempo teorico che sarebbe necessario per svuotare la riserva turbinando alla massima potenza.
Classificazione per tipo di operazioneDistinguiamo così:
Le centrali ad acqua fluente, installate principalmente in aree di pianura, hanno bassi serbatoi per questi motivi. Usano il flusso del fiume così com'è, senza una significativa capacità di modulazione da parte dell'accumulo. Forniscono energia di base molto economica. Sono tipici degli sviluppi realizzati sui grandi fiumi come il Rodano e il Reno .
Le centrali elettriche "bloccate" hanno laghi più grandi, che consentono loro di essere modulati durante il giorno o addirittura la settimana. La loro gestione permette di seguire la variazione dei consumi su questi orizzonti temporali (picchi di consumo al mattino e alla sera, differenza tra giorni lavorativi e fine settimana, ecc .). Sono tipici degli impianti realizzati in media montagna.
I "laghi centrali" corrispondono alle strutture con gli invasi più importanti. Questi consentono un accumulo stagionale di acqua, e una modulazione della produzione per superare i picchi di carico di consumo elettrico: l'estate per i paesi dove il picco di consumo è determinato dalla climatizzazione, l'inverno per quelli dove è determinato dalla riscaldamento. Queste centrali sono tipiche degli impianti realizzati in media e alta montagna.
Le ultime due tipologie di laghi consentono per ritenzione idrica un certo accumulo di energia ( energia potenziale di caduta ), consentendo di smussare, almeno parzialmente, la produzione di energia elettrica.
Classificazione per tipo di riempimentoÈ anche possibile classificare le centrali in base alle caratteristiche di riempimento del loro serbatoio, che condiziona l'uso elettrico che se ne può fare.
Ad esempio, il riempimento di alcuni invasi può statisticamente essere ottenuto su base settimanale, stagionale, annuale, o anche pluriennale, nel caso di corpi idrici molto estesi come il bacino di Caniapiscau , realizzato nell'ambito del progetto James Bay . , nel Québec . È ovvio che la velocità di riempimento ha un impatto diretto sulla flessibilità di utilizzo.
Classificazione per altezza di cadutaInfine, possiamo classificare le strutture in base alla loro altezza di caduta, vale a dire il dislivello tra lo specchio teorico del serbatoio pieno e la turbina. Questa altezza di caduta determina i tipi di turbine utilizzate.
Distinguiamo così:
Tra questi tre tipi di classificazione non esiste una stretta equivalenza ma una forte correlazione:
La produzione di una centrale idroelettrica dipende dai contributi dei fiumi che la alimentano, fluttuanti secondo le stagioni e di anno in anno secondo le precipitazioni. La produzione idroelettrica del Brasile è diminuita del 16% tra il 2011 e il 2015 a causa di una serie di anni di siccità, nonostante la messa in servizio di diverse nuove dighe. In Spagna si osservano variazioni ancora più estreme: +56,1% nel 2010, -27,7% nel 2011, -26,6% nel 2012, +69,9% nel 2013; -47,1% nel 2017 e +74,4% nel 2018.
I serbatoi nelle centrali elettriche lacustri sono un mezzo di stoccaggio che può aiutare a compensare la stagionalità delle precipitazioni e la domanda. Raramente hanno un volume sufficiente per compensare le variazioni di anno in anno.
Le stazioni di pompaggio dell'energia (WWTP), oltre alla produzione di energia dal flusso naturale, includono una modalità di pompaggio che consente di immagazzinare l'energia prodotta da altri tipi di centrali elettriche quando il consumo è inferiore alla produzione, ad esempio di notte, per ridistribuirla it, in modalità turbina, durante i picchi di consumo.
Questi impianti possiedono due piscine, una vasca superiore ed una vasca inferiore tra le quali è posizionata una Macchina idroelettrica reversibile : la parte idraulica può funzionare sia in pompa , in turbina e la parte elettrica sia motore che alternatore ( Macchina sincrona ). In modalità di accumulo la macchina sfrutta la potenza disponibile in rete per sollevare l'acqua dal bacino inferiore a quello superiore e in modalità di produzione la macchina converte l' energia potenziale gravitazionale dell'acqua in energia elettrica.
L'efficienza (rapporto tra elettricità consumata ed elettricità prodotta) è dell'ordine dell'82%.
Questo tipo di impianto è di interesse economico quando i costi marginali di produzione variano significativamente in un determinato periodo di tempo (giorno, settimana, stagione, anno, ecc .). Consentono di immagazzinare energia gravitazionale, nei periodi in cui questi costi sono bassi, per averla disponibile nei periodi in cui sono elevati.
È il caso, ad esempio, di forti variazioni ricorrenti della domanda (tra estate e inverno, giorno o notte, ecc. ), produzioni “fatale” in grandi quantità, che altrimenti andrebbero perse ( energia eolica ) o basse produzione di energia di base modulabile (carbone, idraulica ad acqua fluente).
Una centrale mareomotrice è una centrale idroelettrica che utilizza l'energia delle maree per generare elettricità. La centrale mareomotrice di Rance, commissionata nel 1966 per compensare la scarsa produzione di elettricità in Bretagna, ne è un esempio.
Dalle ondeI giapponesi si interessarono per primi all'aumento delle risorse a partire dal 1945, seguiti dalla Norvegia e dal Regno Unito .
All'inizio del mese diagosto 1995, Ocean Swell Powered Renewable Energy ( OSPREY), la prima centrale elettrica a utilizzare l'energia delle onde, si trova nel nord della Scozia . Il principio è il seguente: le onde entrano in una sorta di scatola sommersa, aperta alla base, spingono aria nelle turbine che azionano gli alternatori generando elettricità. Quest'ultimo viene poi trasmesso via cavo sottomarino alla costa, a circa 300 metri di distanza. La centrale aveva una potenza di 2 MW , purtroppo quest'opera, danneggiata dalle onde, è stata distrutta dalla coda dell'uragano Felix nel 2007. I suoi ideatori non si scoraggiano, e una nuova macchina, meno costosa e più efficiente, è attualmente in concentrarsi . Dovrebbe consentire di fornire elettricità alle piccole isole che ne sono prive e di alimentare un impianto di desalinizzazione dell'acqua di mare .
Dalle correnti marineUn progetto della società britannica Marine Current Turbines (in) prevede di implementare turbine che utilizzano le correnti oceaniche simili a un'elica di una barca per generare elettricità.
L'acqua che costituisce la fonte di energia idroelettrica è stoccabile: la produzione di energia elettrica può quindi essere accumulata nelle ore non di punta per essere utilizzata nelle ore di punta , cioè quando la domanda è maggiore sulla rete rete pubblica di distribuzione dell'energia elettrica; può essere anche stoccato durante i fine settimana per essere turbinato durante la settimana, o ancora stoccato in primavera durante lo scioglimento della neve per essere turbinato in inverno. La produzione di energia idroelettrica è limitata dalla portata e dalle riserve idriche disponibili; tali riserve dipendono dal clima , dai pompaggi effettuati a monte degli invasi (ad esempio per irrigazione ) e dalle dimensioni degli invasi idrici (dighe).
La capacità idroelettrica installata nel mondo ha raggiunto i 1.330 GW a fine 2020, in crescita dell'1,6%, e la produzione idroelettrica è stata stimata in 4.370 TWh , in crescita dell'1,5%. Le nuove aggiunte di capacità hanno raggiunto i 21 GW nel 2020, contro i 15,6 GW del 2018. Quasi due terzi di queste aggiunte sono state effettuate in Cina: 13,8 GW ; tra i Paesi che hanno installato nuove capacità, solo la Turchia ha superato il megawatt: 2,5 GW . La Cina domina largamente la classifica dei paesi per capacità installata con 370,2 GW , ovvero il 27,8% del totale mondiale, seguita dal Brasile (109,3 GW ). Gli impianti di pompaggio hanno un totale di 160 GW di capacità installata e 9.000 GWh di capacità di accumulo. Le nuove installazioni nel 2020 hanno raggiunto 1,5 GW, di cui 1,2 GW in Cina.
Nel 2019, le nuove aggiunte di capacità hanno raggiunto i 15,6 GW , contro i 21,8 GW del 2018. I paesi che hanno installato le maggiori capacità sono il Brasile: 4,92 GW , la Cina: 4,17 GW e il Laos: 1,89 GW .
La quota di energia idroelettrica nella produzione globale di elettricità nel 2019 è stimata da BP al 15,6%. La sua produzione è aumentata dello 0,8% nel 2019 e del 22,5% dal 2009.
Secondo The World Factbook , l'idraulica ha rappresentato il 18,7% dell'energia elettrica mondiale nel 2012 e il 10,7% in Europa nel 2011.
La quota di produzione di energia idroelettrica è inferiore alla sua quota di capacità installata: 15,9% della produzione mondiale di energia elettrica nel 2017 (contro il 20,9% nel 1973), ma svolge un ruolo particolarmente importante nel garantire l'equilibrio istantaneo tra produzione e consumo di energia elettrica; infatti l'energia idroelettrica è, grazie alla sua flessibilità (si mobilita in pochi minuti), una variabile di regolazione essenziale perché l'energia elettrica è molto difficile da immagazzinare in grandi quantità.
| Regione |
Potenza totale a fine 2020 ( GW ) |
di cui GW di pompaggio |
Aggiunte 2020 GW |
Produzione 2020 ( TWh ) |
Parte 2020 |
| Africa | 38.2 | 3.4 | 0.94 | 139,5 | 3,2% |
| Asia meridionale e centrale | 154.4 | 7.8 | 1.61 | 498 | 11,4% |
| Asia orientale e Pacifico | 501.5 | 69,5 | 14.47 | 1643 | 37,6% |
| Europa | 254.5 | 54.9 | 3.03 | 674 | 15,4% |
| Nord e Centro America | 204.8 | 23.0 | 0,53 | 724 | 16,6% |
| Sud America | 176.8 | 1.0 | 0,48 | 690 | 15,8% |
| Mondo | 1330.1 | 159,5 | 21 | 4.370 | 100% |
| Principali paesi produttori | |||||
| Cina | 370.2 | 31,5 | 13.76 | 1.355 | 31,0% |
| Brasile | 109.3 | 0.03 | 0.21 | 409,5 | 9,4% |
| Canada | 82.0 | 0.2 | 0.27 | 383 | 8,8% |
| stati Uniti | 102.0 | 22.9 | 0.02 | 291 | 6,7% |
| Russia | 49,9 | 1.4 | 0,38 | 196 | 4,5% |
| India | 50,5 | 4.8 | 0,48 | 155 | 3,5% |
| Norvegia | 33.0 | 1.4 | 0,32 | 141.7 | 3,2% |
| Giappone | 50.0 | 27,6 | 0.11 | 89.2 | 2,0% |
| tacchino | 31,0 | - | 2.48 | 77.4 | 1,8% |
| Venezuela | 15.4 | - | - | 72.0 | 1,6% |
| Svezia | 16.5 | 0.1 | - | 71,6 | 1,6% |
| Francia | 25,5 | 5.8 | - | 64,8 | 1,5% |
| Vietnam | 17.1 | - | 0.08 | 52.0 | 1,2% |
| Paraguay | 8.8 | - | - | 49,3 | 1,1% |
| Italia | 22.6 | 7.7 | - | 47,7 | 1,1% |
| Colombia | 11.9 | - | 0.02 | 45.8 | 1,0% |
| Austria | 14.6 | 5.6 | - | 42,5 | 1,0% |
| svizzero | 16.9 | 3.0 | - | 40.6 | 0,9% |
| Fonte dei dati: International Hydropower Association. | |||||
La capacità installata degli impianti di pompaggio ad accumulo ha raggiunto 159.494 MW , di cui 31.490 MW in Cina (19,7%), 27.637 MW in Giappone (17,3%) e 22.855 MW negli Stati Uniti (14,3%); questi tre paesi rappresentano il 51,3% del totale mondiale.
I maggiori produttori di energia idroelettrica nel 2017 sono stati la Cina (28,3%), il Canada (9,4%), il Brasile (8,8%) e gli Stati Uniti (7,7%). Ma il posto di questa energia rinnovabile nella produzione elettrica nazionale è molto variabile e spiccano cinque Paesi con quote del 95,7% in Norvegia, del 62,9% in Brasile, del 59,6% in Canada, del 44,8% in Vietnam e del 39,7% in Svezia.
Nonostante i costi di implementazione generalmente elevati, i costi di manutenzione sono ragionevoli, le strutture sono progettate per durare a lungo, non ci sono costi di carburante e l' energia idrica è rinnovabile se gestita correttamente. . Il costo per kWh varia notevolmente a seconda delle caratteristiche dell'impianto realizzato; quello delle dighe giganti sui grandi fiumi può essere estremamente basso, attirando industrie elettro-intensive come l'alluminio; ma gli impianti ad alto costo possono essere molto redditizi grazie alla loro flessibilità di funzionamento e alla loro capacità di regolare la produzione complessiva.
L'energia idroelettrica è considerata un'energia rinnovabile, a differenza del petrolio o del gas naturale .
Alcune ricerche mettono in dubbio il bilancio dei gas serra dei sistemi idroelettrici. L'attività batteriologica nell'acqua delle dighe, soprattutto nelle regioni tropicali, rilascerebbe grandi quantità di metano (gas ad effetto serra 20 volte più potente della CO 2). Nei progetti di dighe, la produzione di energia idroelettrica è spesso complementare, altre finalità come il controllo delle piene e delle loro conseguenze, il miglioramento della navigabilità di un corso d'acqua, l'approvvigionamento idrico dei canali, la costituzione di riserve idriche per l'irrigazione, il turismo. ..
Dalla creazione della Diga delle Tre Gole sul fiume Yangzi in Cina nel 2014, questo Paese è leader nella produzione di energia idroelettrica, in Asia, ma anche in Africa e Sud America. I problemi economici di tali costruzioni, così come la lotta contro il riscaldamento globale, si trovano a prevalere su altri problemi ecologici.
Gli impatti ambientali variano a seconda del tipo e delle dimensioni della struttura posta in opera: sono bassi quando si tratta di sfruttare cascate naturali, correnti marine, onde, ma diventano molto importanti se si tratta di sfruttare cascate naturali, correnti marine, onde, si tratta di creare dighe e bacini artificiali. In quest'ultimo caso si critica generalmente la scomparsa dei terreni agricoli e dei villaggi (che porta a spostamenti di popolazione) nonché l'interruzione dei movimenti della fauna (non solo acquatica) e, nel complesso, dell'intero ecosistema circostante.
Alcuni esempi notevoli di grande impatto ambientale sono:
Oltre alle conseguenze dovute ai bacini idrici come il crollo di delta, terremoti, disastri possono essere dovute alla costruzione delle strutture stesse. Così, il crollo nel 2018 di una diga sul fiume Pian, affluente del Mekong, costruita, come molte dighe in Laos , senza alcuno studio di impatto reale, ha lasciato 6.600 persone senza casa e fatto più di cento vittime. Il disastro ha colpito le acque del fiume Mekong , che ha travolto 17 villaggi in Cambogia .