An Innovative Floating-Supported Cross-Flow Turbine for Hydropower Recovery from Low-Head Barrage Outflows

Ogni giorno, enormi paratoie lungo fiumi e canali di irrigazione rilasciano enormi quantità d'acqua per controllare le inondazioni o alimentare le colture. Mentre quest'acqua scorre via, trasporta una quantità tremenda di energia nascosta, una forza che di solito svanisce nell'aria quando l'acqua si infrange nel fiume sottostante. Per decenni, gli ingegneri hanno lottato per catturare questa potenza sprecata. Le tradizionali dighe idroelettriche richiedono la costruzione di massicce strutture in cemento e l'allagamento di intere valli, il che è costoso e dirompente. Altri tentativi di sfruttare l'energia dell'acqua in movimento si basano spesso su turbine fisse che non sono in grado di gestire i cambiamenti dei livelli dell'acqua presenti in queste paratoie. Quando il livello del fiume sale o scende, una macchina fissa perde il suo obiettivo e l'energia viene nuovamente dispersa. La sfida è stata trovare un modo per catturare questa potenza in movimento senza costruire una nuova diga o installare elettronica complessa che potrebbe guastarsi nel duro ambiente fluviale.

Un ricercatore presso il Centro Nazionale di Ricerca sulle Acque in Egitto ha sviluppato un nuovo approccio per risolvere questo problema. Ha creato un sistema di turbine galleggianti progettato specificamente per i flussi in uscita dalle paratoie degli sbarramenti, ovvero le strutture utilizzate per controllare i livelli dell'acqua nelle reti di irrigazione. Il cuore della sua invenzione è un dispositivo puramente meccanico e semplice che mantiene la turbina perfettamente allineata con il getto d'acqua, indipendentemente da quanto l'acqua salga o scenda. Invece di usare computer, sensori o motori elettrici per regolare la macchina, ha costruito una piattaforma galleggiante collegata a una paratoia di guida tramite una leva. Man mano che il livello dell'acqua cambia, la piattaforma galleggiante si muove verso l'alto o verso il basso. Questo movimento inclina automaticamente la paratoia di guida, che a sua volta reindirizza il flusso d'acqua in modo che colpisca sempre le pale della turbina con l'angolo perfetto. È un sistema autocorrettivo che non richiede elettricità per funzionare, affidandosi interamente alla fisica del galleggiamento e della leva.

Per testare questa idea, il ricercatore ha costruito un modello fisico del sistema a un nono delle dimensioni di una vera paratoia, utilizzando come riferimento la diga di Damietta in Egitto. Non si è fermato a un singolo design; al contrario, è passato attraverso tre distinte fasi di miglioramento per vedere cosa funzionasse meglio. Il primo tentativo è stato una turbina galleggiante di base senza una guida speciale. Sebbene avesse dimostrato che l'energia poteva essere catturata dal flusso in uscita, il getto d'acqua era troppo disperso, colpendo solo metà delle pale, e la piattaforma galleggiante oscillava troppo per essere efficiente. La seconda fase ha aggiunto una paratoia di guida regolabile per dirigere meglio l'acqua, il che ha migliorato il flusso, ma il sistema ha comunque faticato quando il livello dell'acqua cambiava rapidamente. Il design finale, quello di successo, ha combinato una nuova leva meccanica con una turbina ridisegnata. Questa leva ha regolato automaticamente l'angolo della paratoia man mano che l'acqua saliva e scendeva, mantenendo il getto d'acqua concentrato sulla turbina. Hanno anche rimodellato le pale della turbina, curvandole e aggiungendo piastre terminali per evitare che l'acqua trapelasse dai bordi, il che ha aiutato la macchina a girare più fluidamente.

I risultati di questi test hanno mostrato che il design finale funzionava significativamente meglio delle versioni precedenti. Il meccanismo della leva adattiva ha mantenuto con successo la turbina allineata con il getto d'acqua attraverso un ampio intervallo di livelli idrici, eliminando la necessità di sistemi di controllo esterni. Nei test di laboratorio, il sistema ha raggiunto un'efficienza massima del 26 percento in specifiche condizioni di basso flusso, con altri test che mostravano prestazioni stabili fino al 15 percento. Sebbene queste cifre siano inferiori a quelle che una turbina industriale a grandezza naturale potrebbe raggiungere, il ricercatore spiega che ciò è previsto perché il modello era piccolo e l'acqua si muoveva diversamente a quella scala. Quando hanno proiettato questi risultati su un'installazione a grandezza reale presso una vera paratoia, il sistema sembrava capace di generare tra i 51 e i 91 megawattora di elettricità all'anno per ogni paratoia dotata del dispositivo. Questo quantitativo di energia potrebbe ridurre le emissioni di anidride carbonica di circa 30 o 53 tonnellate all'anno per ogni paratoia equipaggiata con il dispositivo.

Lo studio conclude che questo sistema galleggiante e auto-regolante offre un modo pratico per generare energia rinnovabile dalle infrastrutture idriche esistenti senza la necessità di grandi costruzioni o elettronica costosa. Poiché il sistema galleggia e si muove con l'acqua, può essere installato sulle paratoie esistenti senza alterare la struttura della diga o del letto del fiume. Il ricercatore sottolinea che, sebbene il loro modello di laboratorio abbia dimostrato che il concetto funziona, il passo successivo è testare una versione a grandezza reale nel mondo reale per vedere come resista nel tempo all'usura dell'ambiente fluviale. Se avrà successo, questa tecnologia potrebbe trasformare migliaia di paratoie e sbarramenti di irrigazione in regioni come il Delta del Nilo in fonti di elettricità pulita, catturando l'energia che è fluita via inutilizzata per generazioni.