Rafforzare l'energia idroelettrica svizzera con la scienza

"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 rischiano di erodersi lentamente", spiega Robert Boes, che dal 2009 dirige il Laboratorio di Idraulica, Idrologia e Glaciologia dell'ETH di Zurigo. Questo perché i bacini artificiali, 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 dell'ETH affrontano queste e altre sfide con le loro ricerche da diversi anni: sviluppano soluzioni per una gestione efficiente dell'acqua, calcolano strategie di manutenzione per le turbine e dimostrano in quali luoghi il potenziale idroelettrico potrebbe essere sfruttato 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, ci sono undici centrali elettriche ad acqua fluente. Il lago di Zurigo è come un grande serbatoio di testa da cui l'acqua viene rilasciata nella Limmat. Le autorità regolano il livello del lago di Zurigo e quindi anche la quantità d'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 energia elettrica.

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 dell'acqua del lago in base alle regolazioni attuali e, dall'altro, utilizza modelli meteorologici per adattare meglio la regolazione del livello del lago di Zurigo alle precipitazioni e agli afflussi previsti.

Il principio di base per le centrali elettriche ad acqua fluente è: più l'acqua scorre uniformemente, migliore è la produzione di elettricità. Soprattutto nel caso di piene di piccola e media entità, le nuove norme potrebbero consentire 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 l'ETH. In questo modo si evita che le turbine siano sovraccaricate da troppa acqua. Naturalmente, si dovranno rispettare le norme sulle inondazioni e gli obblighi ecologici e di altro tipo.

Aggiustamenti simili potrebbero essere apportati anche ad altri fiumi svizzeri dell'Altopiano centrale a valle dei laghi che costeggiano le Alpi. 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 un controllo 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 nel corso del tempo, producendo una quantità significativamente inferiore di elettricità. Sebbene questo problema sia noto da tempo, non è ancora stato completamente risolto. Sebbene molte centrali elettriche abbiano deciso di dotarsi di cosiddetti bacini di dissabbiatura, spesso non sono in grado di ridurre le particelle minuscole 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 l'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. ? quindi necessario decidere da centrale a centrale quali adattamenti strutturali hanno senso dal punto di vista economico e tecnico.

Bypass del masso per i bacini di accumulo

L'erosione causata dagli agenti atmosferici fa sì che sassi, ghiaia e altri sedimenti entrino nei bacini idrici Chi siamo 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 provoca talvolta una forte abrasione alla base del tunnel di deviazione.

Negli ultimi anni l'ETH Boes e il suo team hanno affrontato più volte questo problema. Ad esempio, i ricercatori hanno studiato quali materiali sono più adatti per i rivestimenti dei letti di queste 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 diverse gallerie di deviazione in tutto il mondo sono state rivestite 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

Per dissodare i serbatoi, i sedimenti fini possono essere convogliati nelle sezioni fluviali a valle attraverso la testata e le turbine. "Il problema è che le turbine si usurano. Tuttavia, questa soluzione può essere ancora valida per i bacini alpini, se misure alternative come i tunnel di deviazione sono troppo costose o non realizzabili", afferma Boes.

Per valutare meglio la fattibilità di questa misura contro la sedimentazione, tuttavia, gli operatori 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. Grazie a questi risultati, i ricercatori hanno sviluppato 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 in calcestruzzo per le centrali idroelettriche esistenti, negli ultimi anni il professor Boes e il suo team hanno condotto un'intensa 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 serbatoi e quali dighe potrebbero essere aumentate per creare più volume di stoccaggio.

I risultati degli studi all'ETH sono stati ripresi dall'Ufficio federale dell'energia nel 2020: L'Ufficio federale dell'energia ha fatto delle migliori posizioni 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 a giugno voterà sull'espansione dell'energia idroelettrica e di altre fonti di energia rinnovabili.

Robert Boes è membro del gruppo di lavoro Energy Science Center (ESC) dell'ETH di Zurigo.