Hydroelectric energy from irrigation channels in the area of Piacenza

This thesis aims to evaluate the possibility to convert in micro-hydroelectric plants the old water mills placed on artificial irrigation channels of River Trebbia. This work is developed in collaboration with Consorzio di Bonifica Piacenza, that provided a survey of existing sites and data regarding the current water withdrawal from the river, and with N. Fergnani, engineer from Energy dept. of Politecnico di Milano, expert of hydroelectric plants. The most interesting solution is identified in the installation of Archimedes’s screw turbine, since this machine is the only capable to handle with efficiency and low costs all the ranges of geodetic heads (very low heads) and flow rates characterizing the available sites. This evaluation considers different scenarios in term of available flow rate: the current scenario, in which water is withdrawn only during irrigated periods, and possible scenarios, where the withdrawn is enabled also in non-irrigated period, in order to increase the capacity factor of the turbines. The flow duration curves have been estimated through the hydrological survey per each site considered. To select the optimal flow rate of the machine, the annual energy production has been considered as well main economic indicators of the investment ( Net Present Value, Internal Rate of Return and Payback time). In comparison with the traditional approach, where the value of the flow rate available for at least 90 days is the one chosen, the main difference is that energy production and economic indicators have been calculated according to all the values present in the flow duration curves, obtaining functions depending on the nominal flow rate of the machine. The optimal solution is then selected according to the maximums showed by the above mentioned functions. The new regulation for the incentives for hydroelectric production has not been published yet, but an unofficial preview is available. For this reason the economic analysis is developed considering this unofficial value and then integrated with a sensitivity analysis with respect to the tariff, since it may be subject to modification. In the current scenario no one of the investigated possibilities resulted to be economically feasible, while enabling the withdrawal in non-irrigated periods three sites out of six show profitability, even if a very low one. Another possibility is proposed, joining two riverbed jumps and increasing the available geodetic head. Only this solution appears to be economically attractive.

Questa Tesi valuta le possibilità di riconvertire i siti presenti sui canali irrigui del Fiume Trebbia, in precedenza equipaggiati con mulini ad acqua, in micro centrali idroelettriche. Il lavoro è stato sviluppato in collaborazione con il Consorzio di Bonifica di Piacenza, che ha fornito un elenco dei siti disponibili e le misurazioni riguardanti le portate derivate dai canali, e l’Ing. Fergnani del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano, esperto di impianti idroelettrici. Trattandosi di siti a basso salto e portate limitate, la soluzione tecnica più interessante è individuata nell’installazione di turbine a vite di Archimede. La valutazione condotta considera diversi scenari in termini di portate disponibili: lo scenario attuale, in cui l’acqua è derivata solamente nel periodo irriguo, e scenari in cui è derivata acqua dal Fiume Trebbia anche nei periodi non irrigui per aumentare il fattore di utilizzo della turbina. Dalle indagini idrologiche condotte sono state costruite le curve di durata del flusso disponibile per ogni sito considerato nell’analisi. Per selezionare la dimensione ottimale della turbina sono valutati sia la produzione annua di energia sia i principali indicatori economici dell’investimento, (Valore Attuale Netto, Tasso di Rendimento Interno e Tempo di Ritorno dell’investimento). La differenza con l’approccio tradizionale, in cui è scelto come portata nominale della macchina il valore presente per almeno 90 giorni nella curva di durata considerata, risiede nel fatto che la produzione di energia e gli indicatori economici sono calcolati indagando tutti i valori presenti nella curva di portata, ottenendo così delle funzioni dipendenti dalla portata nominale della turbina. La soluzione migliore è individuata considerando i massimi delle funzioni calcolate. Nell’analisi è considerata sia la configurazione della turbina a velocità di rotazione fissa che quella variabile. Il nuovo Decreto che definisce gli incentivi per la mini-generazione idroelettrica non è stato ancora pubblicato nella sua versione ufficiale. Per questo motivo l’analisi economica è stata eseguita considerando il valore della tariffa incentivante presente nella bozza e integrata con un’analisi di sensitività del valore dell’incentivo. Nello scenario attuale nessun impianto è economicamente sostenibile mentre, consentendo prelievi anche nella stagione irrigua, tre siti dei sei indagati presentano un Valore Attuale Netto positivo, seppur molto basso. L’unica soluzione economicamente attraente è congiungere i dislivelli di due particolari siti incrementando così il salto disponibile.