Nell'ambito dell'utilizzazione razionale delle energie cosiddette "alternative" o "integrative", lo sfruttamento dell'energia idraulica riveste sicuramente una grande importanza. I motivi del rinnovato interesse registratosi versi tale fonte di energia negli ultimi anni sono molteplici: l'elevata energia specifica, la sua diffusione sul territorio, la comprovata tecnologia presente in tale settore, il maggior desiderio di rendersi indipendenti dai servizi centralizzati di produzione e distribuzione dell'energia elettrica, l'imprevedibilità della variazione dei prezzi dei combustibili fossili tradizionali e la consapevolezza del rapido esaurimento delle riserve dei medesimi. In particolare un più ampio e diffuso impiego dell'energia idraulica in piccola scala presenta molti vantaggi di natura sia tecnica (affidabilità della fonte energetica, utilizzazione di corsi d'acqua anche modesti e marginali, rispetto degli ecosistemi naturali con impatti ambientali ridottissimi, elevato rendimento globale ottenibile, semplicità di costruzione e durata dell'impianto) che economica (investimento finanziario contenuto, costi di esercizio e di manutenzione estremamente bassi).

I luoghi in Italia e più in generale nel mondo adatti allo sviluppo dell'energia idraulica in piccola scala sono numerosi e molto varia è la tipologia dei possibili utenti costituiti, per la maggior dei casi, da semplici nuclei familiari, da borgate o da aziende agricole, artigianali e industriali vere e proprie.

La terminologia adottata in sede internazionale è la seguente:

• "microcentrali" per potenze elettriche inferiori a 100 kW;
• "minicentrali" per potenze comprese tra 100 e 1.000 kW;
• "piccole centrali" per potenze comprese tra 1.000 e 12.000 kW.

Nella trattazione che segue si frà riferimento soprattutto alle microcentrali e alle mini centrali idroelettriche.

La potenza elettrica P (kW) ottenibile viene espressa dalla relazione seguente: P = 9,81 x Q x H x n ove:

• Q (mc/s) = portata turbinata
• H (m) = salto motore o salto netto.
• n = rendimento totale della trasformazione.

Durante il periodo di funzionamento dell'impianto, la portata Q utilizzata dalla turbina può essere costante (condizione presente soprattutto nel caso delle microcentrali) oppure variabile nel tempo e pertanto il salto H risulta anch'esso costante o variabile, dipendendo dal tipo di turbina e dalle perdite di carico idrico distribuite e localizzate.

Il rendimento totale n della trasformazione dipende da molti fattori e risulta essere il prodotto di almeno quattro rendimenti parziali:

• rendimento idraulico;
• rendimento volumetrico della turbina;
• rendimento meccanico del gruppo turbina-generatore;
• rendimento elettrico del generatore.

I valori normalmente assunti dal rendimento n sono:

• compresi tra 0,5 e 0,7 per le microcentrali;
• compresi tra 0.8 e 0,85 per le mini centrali.

L'opportunità di installare una sola unità generatrice oppure più turbine funzionanti in parallelo dipende da condizioni di natura sia tecnica che economica, da valutare attentamente previa analisi della curva di durata delle portate. L'energia meccanica o elettrica teorica ricavabile dall'impianto è funzione della potenza sviluppata durante il funzionamento del medesimo, mentre l'energia effettivamente consumata deriva dal coefficiente di utilizzazione degli apparecchi a esso collegati.

Un impianto idroelettrico è costituito da un insieme organico di macchinari, di apparecchiature varie e di opere di ingegneria destinato a trasformare l'energia idraulica di un corso d'acqua naturale o artificiale in energia elettrica. Pertanto analogamente ai grandi impianti seppur con gli opportuni adattamenti, in un micro o mini-impianto si possono distinguere:

• le opere di presa, di filtraggio e di convogliamento dell'acqua;
• il locale con il macchinario;
• l'opera di scarico dell'acqua;
• la linea elettrica per il trasporto e la distribuzione dell'energia elettrica.

Le opere suddette e il tipo di macchinario e di regolamentazione dipendono da fattori fisici inerenti alle condizioni di lavoro dell'impianto (quali l'orografia, il salto e la portata, la disponibilità di un bacino di accumulo idrico) e dal tipo di esercizio dell'impianto stesso (funzionamento autonomo oppure in parallelo con una rete elettrica esistente, funzionamento completamente automatico oppure con controllo periodico di un addetto, funzionamento continuativo oppure stagionale ). Il numero dei diversi componenti e la loro complessità costruttiva e, conseguentemente, operativa e gestionale variano poi ancora a seconda che si sia in presenza di una micro o mini-centrale, fermo restando che comunque tutti i componenti devono ottemperare alle normative legislative, tecniche, e ambientali. Una analisi dettagliata dei suddetti componenti occorrerebbe molto spazio, per cui conviene limitarsi ad alcune considerazioni principali.

• Le opere di presa d'acqua dipendono dalla tipologia del corso d'acqua intercettato e dall'orografia locale, mentre il tipo di filtro necessario e l'opportunità di automatizzarne la pulizia dipendono dalla portata derivata e dall'entità dei corpi solidi trasportati dal flusso idrico, le microcentrali usano normalmente acqua fluente, mentre per le minicentrali è più comune la presenza a monte di modesti bacini di accumulo.
• Le opere di convogliamento dell'acqua alla turbina sono costituite essenzialmente da canali o da condotte forzate e anch'esse dipendono dalla orografia, dalla portata e dalla turbina prevista. In particolare per le microcentrali ovunque sia possibile e conveniente si utilizzano tubazioni in plastica (PEAD o PVC) attualmente in grado di lavorare alla pressione ottimale di 16 bar. La convenienza generale del progetto aumenta poi qualora l'acqua convogliata serva ad altri usi oltre a quello energetico (acqua per impianti irrigui, industriali, di depurazione e per acquedotti pubblici o privati).
• Il tipo di turbina dipende fondamentalmente dalla portata turbinata e dal salto motore. In Italia di norma le turbine utilizzate per le microcentrali sono ad azione di tipo Pelton e Michell-banki o sono vecchie turbine a reazione ripristinate , mentre le minicentrali utilizzano soprattutto (i tre tipi classici di turbine (Pelton, Francis, Kaplan). Si riporta una rassegna sintetica dei tipi di macchine più comunemente presenti sul mercato internazionale.

Una diversificazione sostanziale si ha invece per il regolatore della turbina. Nelle minicentrali è tuttora molto diffuso il classico regolatore di portata meccanico ad azione tachimetrica adatto per la taglia e la modalità di esercizio del gruppo turbina turbina-generatore; nelle microcentrali invece si ricorre sovente ai più moderni e semplici regolatori elettronici "a carico costante" per le unità funzionanti autonomamente, mentre permane la regolazione idraulica per le unità in parallelo a una rete elettrica esistente. Supponendo infatti che la potenza generata non cambi, si mantiene costante anche l'assorbimento dissipando l'energia non consumata direttamente dagli apparecchi utilizzatori in resistenze che riscaldano aria o acqua. In tal modo rimangono costanti le caratteristiche elettriche di erogazione (tensione e frequenza), poiché il carico totale agente sul gruppo turbina-generatore permane comunque costante. Questo tipo di regolazione elettronica risulta normalmente molto interessante sia economicamente che tecnicamente (per la semplicità e l'affidabilità, per le possibilità di modularità, per l'elevatissima velocità di intervento e conseguentemente per l'inutilità di masse volaniche specifiche, per le possibilità di modularità, per la semplicità di manutenzione e riparazione dovuta alla intercambiabilità dei componenti). L'eventuale regolazione idraulica può essere successivamente eseguita manualmente oppure automaticamente.

A seconda dei regimi di rotazione nominali della turbina e del generatore si può poi avere un moltiplicatore di giri.

I generatori elettrici più comunemente utilizzati nelle microcentrali sono rispettivamente sincroni o asincroni per le unità autonome o in parallelo ad autonome o in parallelo ad una rete elettrica; nelle minicentrali invece i generatori sono normalmente sincroni, ma sono comunque frequenti anche generatori asincroni per il funzionamento in parallelo.

I quadri e le apparecchiature elettriche di comando e controllo risultano anche in questo caso semplificati per le micro centrali e più complessi per le minicentrali; in ogni casi i suddetti componenti sono necessariamente più sofisticati per il funzionamento in parallelo ad altre unità generatrici.

Il gruppo turbina - generatore e le apparecchiature connesse vengono infine alloggiati in un locale opportunamente dimensionato e provvisto delle adeguate protezioni.

Per procedere alla valutazione economica dell'impianto idroelettrico, appurato l'andamento della potenza generabile e dell'energia effettivamente utilizzabile nel periodo di funzionamento dell'impianto stesso, si procede alla definizione di tutte le voci di costo ripartite in

• costi di investimento: opere civili, materiali vari, macchinario, manodopera, progetto e permessi;
• oneri di gestione : costi di manutenzione e tassi.

Per quanto concerne i benefici ricavabili vi è sovente una notevole diversità a seconda che l'impianto sia autonomo o lavori in parallelo con la rete elettrica pubblica. In ogni caso in tali valutazioni occorre procedere il più dettagliatamente possibile ed è chiaro che la convenienza economica cresce quanto più si utilizza l'energia prodotta dall'impianto. Vi sono parecchi metodi per valutare la convenienza suddetta: alcuni metodi confrontano globalmente il costo dell'investimento con il risparmio energetico ottenibile, mentre altri metodi confrontano il costo unitario globale dell'energia auto prodotta con quello dell'energia altrimenti prevista, energia quest'ultima fornita dalla rete pubblica o da altre fonti energetiche (gruppo elettrogeno a olio combustibile, impianto a energia solare, eolica, ecc.). L'analisi economica viene estesa al tempo di vita dell'investimento e viene effettuata applicando un opportuno tasso di attualizzazione ai valori dei diversi anni.

Il costo unitario dell'energia prodotta, ossia il costo del chilowattora C, viene calcolato con la formula seguente:

Dove i parametri rappresentano:

• I= investimento iniziale;
• N= numero di anni d'ammortamento (solitamente diverso per le opere civili e per il macchinario)
• E = energia utilizzata annualmente;
• I = tasso d'interesse;
• G = costo totale annuo di esercizio e di manutenzione.

Sinteticamente si può affermare che mentre il costo del macchinario è più facilmente definibile a priori, i costi relativi alle opere civili risultano fortemente variabili in funzione delle caratteristiche dei siti e degli eventuali imprevisti tecnico-burocratici che si possono incontrare in fase di esecuzione dei lavori. L'esperienza comunque conferma che l'idroelettricità in piccola scala risulta normalmente competitiva rispetto alle altre fonti energetiche rinnovabili e sovente anche nei confronti delle fonti tradizionali soprattutto quando per queste ultime vengono calcolati gli "effettivi" costi globali unitari. Infine, considerata l'importanza del rispetto ambientale, valore emerso con particolare evidenza in questi tempi e per il quale è auspicabile un interesse sempre più ampio anche per il futuro, si piò certamente confermare che le micro e mini-centrali presentano ampie garanzie in tal senso, tenuto conto delle loro stesse caratteristiche intrinseche di installazione e di funzionamento.

Per procedere alla installazione di una micro o mini-centrale idroelettrica occorre innanzitutto essere in possesso della concessione per la derivazione delle acque, la cui domanda va inoltrata alla Regione interessata mediante l'Ufficio del Genio Civile che deve esaminare il progetto dell'impianto. Una copia di tale progetto deve essere presentata alla Sovrintendenza di beni territoriali, qualora l'impianto venga installato in una zona soggetta a vincoli ambientali. Occorre anche inoltrare una comunicazione scritta al Ministero dell'Industria, Commercio e artigianato, all'ENEL e all'Ufficio tecnico delle imposte di fabbricazione della provincia (UTIF) e, se necessario si deve presentare domanda al Corpo Forestale dello Stato nel caso di esecuzione di sterri. Il Comune di appartenenza deve infine essere interessato in merito alle strutture edili previste nel progetto. Alcune delle domande suddette possono essere eliminate nel corso di ricostruzione di un impianto obsoleto o di ammodernamento di un impianto già funzionante.

Per quanto riguarda l'energia elettrica prodotta essa può essere utilizzata completamente per i consumi interni dell'autoproduttore oppure può essere ceduta interamente o in parte all'ENEL che ha la funzione di banca d'energia e che stipula con l'autoproduttore un vero e proprio contratto commerciale, la cui tipologia viene solitamente definita in base alla potenza generata e alla configurazione dei consumi effettuati dall'autoproduttore stesso (contratto di cessione totale o parziale, scambio, vettoriamento, integrazione, soccorso, riserva programmata, ecc.).