Il carico idraulico si riferisce alla misura dell'energia presente nell'acqua di fiumi, torrenti o laghi. Rappresenta il livello dell'acqua in un corso d'acqua. In parole semplici, misura l'altezza di una colonna d'acqua rispetto a un punto ed è comunemente espresso in metri (o piedi negli Stati Uniti). Quando il livello dell'acqua o il carico idraulico è più alto, in quel determinato punto è disponibile energia.
Negli impianti idroelettrici, la quantità di energia sfruttata dipende dalla differenza tra il livello dell'acqua a monte del bacino e il livello dell'acqua a valle della diga. Questa differenza è chiamata dislivello idraulico e indica la quantità di energia che può essere convertita in elettricità tramite turbine e generatori. Ulteriori calcoli rivelano che, oltre alla distanza, anche diverse perdite, dette perdite di carico, influenzano lo sfruttamento dell'energia.
Poiché l'acqua nel bacino, trovandosi più in alto, possiede una maggiore energia potenziale gravitazionale orizzontale rispetto a quella presente nel canale di scarico, l'energia potenziale gravitazionale dell'acqua del bacino che scende attraverso le condotte forzate genera l'energia necessaria per azionare le turbine e produrre elettricità. Il processo è illustrato qui di seguito utilizzando l'equazione di Bernoulli. In generale, un salto idraulico equivale a un'unità di energia gravitazionale – in questo caso, si tratta di un volume d'acqua immagazzinato.
L'equazione della potenza idroelettrica utilizza il valore del carico idraulico per fornire la potenza disponibile stimata. Questo fattore gioca un ruolo nell'equazione rappresentata come segue:
P = ρQgΔh
Dove:
- P – La velocità con cui la potenza viene calcolata e misurata è espressa in joule al secondo, noto come W.
- Δh – Rappresenta la differenza di carico idraulico attraverso la diga o la turbina misurata in metri.
- ρ – Dipende dalla densità del fluido misurata in kg/m3.
- Q – Indica la portata volumetrica o portata d’acqua misurata in metri al secondo (m3/s).
- g – Rappresenta l'accelerazione di gravità, misurata in metri al secondo quadrato.
Questa equazione afferma che una maggiore differenza di livello idraulico comporta un potenziale di energia meccanica immagazzinata nei serbatoi.
Tipi di testa idraulica
Esistono tre classificazioni di dighe basate sulle differenze di carico idraulico: medio e basso. Ulteriori dettagli su questi tipi di carico idraulico saranno discussi in seguito.
1. Testa alta
Quando la differenza di dislivello supera i cento metri, si parla di impianto ad alta prevalenza. A differenza del precedente, l'acqua che scorre in questo tipo di impianto viene solitamente prelevata da altezze superiori rispetto all'ambiente circostante, il che significa che è necessario un volume minore per generare la stessa quantità di energia. Poiché l'acqua scorre in tali sistemi, la sua velocità non è elevata e quindi sono necessarie turbine di piccole dimensioni.
L'acqua deve anche percorrere una certa distanza utilizzando una condotta forzata lunga, poiché anche una turbina più corta e una condotta forzata più stretta porteranno alla formazione di sacche d'aria che riducono l'efficienza. Molto spesso, le grandi centrali idroelettriche appartengono alle alte e medie portate.
2. Testa media
Nei sistemi a media altezza, il dislivello idraulico varia da 10 a 100 metri. Rispetto a una diga ad alta altezza, in una diga a media altezza il dislivello idraulico è minore. Questo tipo di diga sfrutta una notevole quantità d'acqua e una grande perdita di altezza della stessa.
3. Testa bassa
In genere, questi sistemi presentano dighe a basso salto con un'altezza inferiore a 10 metri . Per questo motivo, le turbine idrauliche a basso salto vengono solitamente impiegate in impianti come quelli a flusso continuo, che prevedono il movimento di fiumi senza un significativo innalzamento del livello dell'acqua.
Un tipico sistema a bassa portata trasporta molta acqua, quindi sono necessarie turbine più grandi per trasformare l'energia idrica in potenza in modo efficiente. Per queste installazioni non è necessario sbarrare l'acqua, poiché è necessario immagazzinare meno acqua.
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Perdite di carico idrauliche
Queste perdite si verificano a causa dell'attrito all'interno delle tubature . Tenendo conto di queste perdite di carico, si riduce la quantità di energia presente nell'acqua. Questo valore corretto, per un carico idraulico considerando le perdite, è definito carico efficace.
Il salto effettivo è pari al salto lordo meno tutte le perdite di carico. Tutti gli impianti idroelettrici producono perdite di carico, che si dividono in perdite di carico maggiori e minori. Le perdite di carico idraulico vengono quindi misurate, calcolate ed espresse in termini equivalenti al salto idraulico stesso, ad esempio in termini di altezza equivalente del contatore dell'acqua . Ciò richiede di sottrarre, dalla potenza lorda totale, la potenza sprecata a causa delle perdite di carico; in questo modo si ottiene la potenza netta effettiva che è possibile prelevare. L'equazione può essere espressa come segue:
P netto = P lordo − P perdita
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Tipi di perdite di carico
I tipi di perdite di carico sono:
Perdite di carico significative: la stragrande maggioranza delle perdite di carico significative è dovuta all'attrito nelle tubazioni e si estende per lunghi tratti della condotta, ad esempio nella condotta forzata.
Perdite di carico minori: qualsiasi altra fonte di perdite di carico minori oltre a quelle per attrito. In sostanza, ogni volta che una tubazione si piega o il movimento dell'acqua cambia, si verifica una qualche forma di perdita, detta perdita di carico minore.
Tuttavia, esistono casi in cui le perdite di carico maggiori sono inferiori a quelle minori, ma si sommano per determinare la potenza totale in uscita di una diga idraulica, a differenza di quanto suggerisce il loro nome.
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