"Sebbene l’energia idroelettrica svizzera sia una tecnologia collaudata, dobbiamo ottimizzarla costantemente. Se non lo facciamo, la produzione di elettricità e lo stoccaggio degli impianti esistenti si ridurranno lentamente", spiega Robert Boes, che dal 2009 dirige il Laboratorio di Idraulica, Idrologia e Glaciologia del Politecnico di Zurigo. Questo perché i serbatoi, in particolare, hanno una tendenza naturale a ridursi a causa di detriti e ghiaia. E i sedimenti nei corsi d’acqua portano inevitabilmente all’usura delle turbine nel corso del tempo.
I ricercatori affrontano queste e altre sfide con la loro ricerca da diversi anni: sviluppano soluzioni per una gestione efficiente dell’acqua, calcolano strategie di manutenzione per le turbine e mostrano dove il potenziale dell’energia idroelettrica potrebbe essere utilizzato nel modo più efficace ed ecologico possibile. In questo modo, contribuiscono a garantire che l’energia idroelettrica rimanga la spina dorsale dell’approvvigionamento elettrico della Svizzera anche in futuro, soprattutto in inverno, quando gli impianti fotovoltaici forniscono meno elettricità.
Una migliore gestione dell’acqua per le centrali elettriche fluviali
Lungo i 36 chilometri della Limmat, dal lago di Zurigo all’Aare, sono presenti undici centrali elettriche ad acqua fluente. Il lago di Zurigo è come un grande serbatoio di testa attraverso il quale l’acqua viene rilasciata nella Limmat. Le autorità regolano il livello del lago di Zurigo e quindi anche la quantità di acqua che confluisce nella Limmat attraverso il sistema di sbarramento di Platzspitz a Zurigo. Oltre alla protezione dalle inondazioni, alla navigazione e all’ecologia, il livello dell’acqua è particolarmente importante per la produzione di elettricità.Boes e il suo team di ricerca hanno recentemente dimostrato in uno studio che una regolazione ottimizzata dello sbarramento di Platzspitz potrebbe generare circa il 2% in più di elettricità nelle centrali elettriche della Limmat. Questo aumento di efficienza sarebbe possibile grazie a una nuova strategia di controllo che, da un lato, consente di aumentare il livello delle acque del lago secondo le attuali disposizioni e, dall’altro, utilizza i modelli meteorologici per adeguare meglio la regolazione del livello del lago di Zurigo alle precipitazioni e agli afflussi previsti.
In linea di principio, per le centrali elettriche fluviali vale quanto segue: più l’acqua scorre uniformemente, migliore è la produzione di elettricità. Soprattutto in caso di piene di piccola e media entità, le nuove norme consentiranno di sfruttare meglio i volumi d’acqua che si verificano. "Se il modello meteorologico prevede forti piogge, il sistema di sbarramento intelligente rilascia in anticipo un po’ più di acqua nella Limmat. Se poi piove, il lago ha una maggiore riserva e può continuare a rilasciare l’acqua nella Limmat in modo uniforme nonostante le forti precipitazioni", spiega il professore dell’ETH. In questo modo si evita che le turbine siano sovraccaricate da troppa acqua. Naturalmente, le norme sulle inondazioni e i requisiti ecologici e di altro tipo devono essere rispettati.
Aggiustamenti simili potrebbero essere apportati anche ad altri fiumi svizzeri dell’Altopiano Centrale a valle dei laghi alpini. Boes e il suo team hanno calcolato che la produzione di elettricità da parte delle centrali elettriche fluviali potrebbe essere aumentata di circa 100 gigawattora all’anno grazie a una gestione più intelligente dei sistemi di sbarramento. Ciò potrebbe coprire il fabbisogno annuale di elettricità di circa 25.000 famiglie di quattro persone.
Proteggere le turbine in modo più efficace dai sedimenti
I sedimenti fini trasportati dai fiumi sono i nemici naturali di ogni turbina idroelettrica. Agiscono come carta vetrata e causano l’usura delle turbine con il passare del tempo, riducendo notevolmente la produzione di energia elettrica. Sebbene questo problema sia noto da tempo, non è ancora stato completamente risolto. Sebbene molte centrali elettriche dispongano di cosiddetti bacini di dissabbiatura, spesso non sono in grado di ridurre le minuscole particelle presenti nell’acqua.Per aumentare l’efficacia di queste trappole di sabbia, proteggere le turbine ed evitare perdite di produzione, Boes e il suo team hanno studiato quali tipi di bacini sono particolarmente efficaci: "I bacini lunghi con una leggera pendenza del fondo, in cui l’acqua scorre il più lentamente possibile, funzionano meglio. In questo modo le particelle si depositano più facilmente sul fondo", spiega il professore dell’ETH. La trappola di sabbia della centrale idroelettrica di Susasca nei Grigioni, ad esempio, è già stata migliorata sulla base di questi risultati. Tuttavia, i bacini più lunghi richiedono anche più materiale di costruzione e spazio e sono quindi costosi. È quindi necessario decidere da centrale a centrale quali modifiche strutturali hanno senso dal punto di vista economico e tecnico.
Bypass di detriti per i bacini di accumulo
L’erosione causata dagli agenti atmosferici fa sì che pietre, ghiaia e altri sedimenti entrino nei serbatoi attraverso l’afflusso d’acqua e riducano il loro volume di stoccaggio. Questo problema, noto come sedimentazione, potrebbe ridurre la capacità di stoccaggio dei bacini svizzeri di circa il sette per cento entro il 2050. I tunnel di deviazione sono attualmente utilizzati come misura strutturale contro la sedimentazione nei bacini di piccole e medie dimensioni. Simili a un bypass, guidano pietre, ghiaia e sedimenti oltre il muro della diga durante le piene. Tuttavia, il forte trasporto del carico di fondo può talvolta portare a una marcata abrasione alla base del tunnel di deviazione.Il professor Boes dell’ETH e il suo team hanno affrontato ripetutamente questo problema negli ultimi anni. Ad esempio, i ricercatori hanno studiato quali sono i materiali più adatti per il rivestimento di base di tali gallerie. Dopo innumerevoli test, sono giunti alla conclusione che, in condizioni particolarmente difficili, il granito ad alta resistenza è in grado di sopportare al meglio la forte usura. Sulla base di questa constatazione, da allora diversi tunnel di deviazione in tutto il mondo sono stati rivestiti in granito.
Utilizzando come esempio il bacino di Solis nei Grigioni, i ricercatori hanno potuto dimostrare l’efficacia dei tunnel di deviazione. Grazie al tunnel, la sedimentazione annuale potrebbe essere ridotta di oltre l’80%. Tuttavia, ciò richiede una gestione adeguata del bacino: i gestori delle centrali elettriche possono aumentare ulteriormente l’efficacia dei tunnel abbassando il livello dell’acqua nel bacino, poiché il fiume in entrata può trasportare una quantità particolarmente elevata di roccia e sedimenti e scaricarla attraverso il tunnel. Questi risultati sono rilevanti anche per gli operatori di numerose altre centrali elettriche.
Più elettricità grazie all’ottimizzazione della manutenzione delle turbine
In alternativa, i sedimenti fini possono anche essere convogliati nelle sezioni a valle del fiume attraverso l’headrace e le turbine, al fine di dissodare i bacini. "Il problema è che le turbine si usurano. Tuttavia, questa soluzione può essere utile per i bacini alpini, se misure alternative come i tunnel di deviazione sono troppo costose o non realizzabili", afferma Boes.Tuttavia, per valutare meglio la fattibilità di questa misura contro la sedimentazione, i gestori delle centrali elettriche devono sapere quali danni i sedimenti causano alle turbine e quanto ne riducono l’efficienza. Boes e il suo team hanno analizzato questo problema in una centrale idroelettrica del Vallese e in una dei Grigioni. I ricercatori hanno utilizzato le loro scoperte per sviluppare un modello che prevede quando una turbina perderà potenza a causa dell’usura dei sedimenti e dovrà essere sostituita. Ciò consente agli operatori delle centrali elettriche di ottimizzare la manutenzione degli impianti e, in ultima analisi, di produrre più elettricità.
Il potenziale dell’energia idroelettrica svizzera
Oltre a queste soluzioni concrete per le centrali idroelettriche esistenti, negli ultimi anni il professor Boes e il suo team dell’ETH hanno condotto un’intensa attività di ricerca sul potenziale di espansione dell’energia idroelettrica svizzera. Ad esempio, il suo gruppo di ricerca ha studiato quali aree di ritiro dei ghiacciai sarebbero più adatte per nuovi bacini e quali dighe potrebbero essere aumentate per creare più volume di stoccaggio.I risultati di questi studi del Politecnico sono stati ripresi dall’Ufficio federale dell’energia nel 2020: L’Ufficio federale dell’energia ha fatto delle migliori ubicazioni la base per una tavola rotonda in cui le aziende elettriche, le organizzazioni per la protezione dell’ambiente e i cantoni hanno concordato un elenco di quindici progetti per l’espansione e la nuova costruzione di centrali idroelettriche. Anche il professore emerito dell’ETH Michael Ambühl, che ha agito da mediatore tra le parti, ha contribuito a trovare un compromesso. Questi progetti sono stati successivamente inseriti in una nuova legge sull’approvvigionamento elettrico. L’entrata in vigore di quest’ultima dipende in ultima analisi dall’elettorato svizzero, che voterà a giugno sull’espansione dell’energia idroelettrica e di altre fonti di energia rinnovabili.
