Centrale termoelettrica

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La centrale termoelettrica di Trbovlje con l'alta ciminiera che supera le montagne della valle.
La Centrale termoelettrica di Fiume Santo a Porto Torres.

Una centrale termoelettrica è un impianto che usa il vapore e/o gas per la produzione di energia elettrica. Essa è divisa in più elementi essenziali: la caldaia, la turbina, l'alternatore, il bruciatore e l'impianto di raffreddamento.

Essendo necessaria acqua distillata con un contenuto di sali a livello di poche parti per milione, avremo almeno un impianto per il trattamento chimico di demineralizzazione, essenziale per preservare il funzionamento e la durata nel tempo delle tubazioni, ma soprattutto delle pale della turbina.

Trasformazione dell'acqua in vapore[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi generatore di vapore, Cogenerazione e Centrale a gas.

Prima di entrare nella caldaia, l'acqua di alimento subisce una fase di preriscaldamento. In ingresso nella caldaia infatti sono presenti diversi rigeneratori, ovvero, scambiatori di calore nei quali il vapore, parzialmente espanso, spillato in bassa pressione, preriscalda l'acqua di alimento fino a oltre 300 °C.

In caldaia l'acqua ha una temperatura e una pressione variabile. Il calore sviluppato dalla combustione dei bruciatori permette di aumentare il calore dell'acqua, per ottenere vapore surriscaldato. Il vapore surriscaldato può a questo punto essere utilizzato per l'espansione in turbina.

Espansione del vapore in turbina[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi turbina a vapore e Rigenerazione (termodinamica).

Il vapore surriscaldato in caldaia viene inviato alla turbina previo eventuale attemperamento, tramite acqua di alimento, per evitare danni durante l'espansione. Nella sezione ad alta pressione il vapore viene espanso (cessione di lavoro meccanico alle schiere di pale rotoriche che compongono la turbina) parzialmente per poi essere reinviato in caldaia per un nuovo risurriscaldamento; tale pratica è lo standard per i gruppi a vapore dotati di caldaie a bruciamento mentre è termodinamicamente deleteria per caldaie a recupero di calore, come quelle dei cicli combinati. Successivamente al risurriscaldamento e all'attemperamento del vapore (in questo caso più critico) il vapore viene reinviato in turbina nella sezione di media pressione dove espande fino a pressioni vicine superiormente a quella atmosferica. Da far notare che la densità del vapore diminuisce notevolmente durante l'espansione (come appunto il nome suggerisce) e quindi le sezioni successive a quella di alta pressione (media e bassa) sono caratterizzate da sezioni di dimensioni maggiori. Infine il vapore espande completamente nella sezione di bassa pressione dove, a seconda della temperatura a cui può avvenire la successiva condensazione (dipendente dal sistema di condensazione e da condizioni ambientali), raggiunge temperature di circa 30-40 °C, corrispondenti a pressioni sottovuoto di 0.05 bar assoluti. Da far notare che durante l'espansione vi è (nei grandi gruppi a vapore) un prelievo di vapore in diverse sezioni della turbina: tale vapore è poi utilizzato in appositi scambiatori di calore per riscaldare l'acqua di ciclo prima del suo ingresso in caldaia. Inoltre le ingenti perdite di vapore dovute a trafilamenti nelle varie sezioni discontinue della turbina (date le alte pressioni e temperature il sistema di tenuta stagna non è performante) vengono generalmente convogliate ad un apposito scambiatore di calore e successivamente reinserite nel circuito (gli alti costi della demineralizzazione dell'acqua e del suo surriscaldamento giustificano l'utilizzo di tale recupero energetico e materiale). Subito a ridosso della turbina a vapore è posto il condensatore.

Conversione dell'energia in elettrica e sistema elettrico principale della centrale[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi alternatore.

L'espansione del vapore in turbina permette il trasferimento di potenza meccanica alle schiere di pale rotoriche. La coppia resistente necessaria a stabilizzare la rotazione del rotore è assorbita dall'alternatore, un generatore trifase sincrono collegato direttamente al sistema elettrico principale della centrale e indirettamente, per mezzo delle stazione di elevamento del voltaggio (trasformatore MV/AV del generatore e trasformatore AV/UV dell'unità di generazione) e degli interruttori posti nelle blindosbarre, alla rete di trasmissione dell'energia elettrica. Tale coppia resistente viene infatti convertita in energia elettrica tramite fenomeni di conversione elettromagnetomeccanica dell'energia presenti all'interno dell'alternatore. Inoltre il sistema di eccitazione del generatore sincrono a corrente continua, alimentato direttamente dalla corrente autoprodotta dal generatore mediante tre trasformatori monofase collegati ad un raddrizzatore a tiristori, permette una stabilizzazione del funzionamento dell'alternatore attorno al punto in cui il sistema compensa la potenza attiva richiesta dalla rete elettrica oppure assorbe o produce potenza reattiva, a seconda dei fenomeni di sfasamento presenti nella rete. Il rendimento di conversione degli attuali generatori trifase sincroni raffreddati da idrogeno (autoprodotto in centrale) si attesta attorno al 98%.

La demineralizzazione dell'acqua[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi demineralizzazione.

L'acqua usata nei cicli delle centrali termoelettriche può essere sia acqua di mare che acqua dolce di falda o di fiume. In base alla provenienza essa subirà un diverso pretrattamento che nel caso di acqua salata prende il nome di dissalamento.

Il pretrattamento delle acque avviene in vasche con funzione di flocculazione e precipitazione di sostanze solide raggruppate appunto in flocculi ottenuti tramite prodotti chimici. L'acqua si purifica delle scorie solide e delle sostanze impure.

La tecnologia del ciclo combinato gas-vapore[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Centrale a ciclo combinato.
Schema di una centrale elettrica a ciclo combinato

Nell'intento di aumentare il rendimento energetico delle centrali termoelettriche si sta diffondendo negli ultimi anni l'uso dei cicli combinati gas-vapore. Il ciclo combinato gas-vapore si basa su di un turbogas composto da un compressore, calettato alla turbina e all'alternatore, che immette l'aria comburente, prelevata dall'atmosfera, nella camera di combustione. La miscela aria-gas immessa brucia nella camera di combustione ed i fumi di scarico vengono utilizzati per ottenere lavoro meccanico in turbina. Una successiva caldaia a recupero utilizza gli stessi fumi caldi uscenti dalla turbina per generare vapore che viene in seguito fatto espandere in una turbina a vapore generando ulteriore lavoro. In genere le centrali a ciclo combinato hanno il vantaggio di un minor impatto ambientale in termini di emissioni, poiché sfruttano combustibili leggeri quali gas metano o gasolio oltre che un minor utilizzo di acqua per la condensazione. Inoltre hanno un rendimento molto più alto delle centrali termoelettriche tradizionali, in quanto i fumi in uscita sono utilizzati per la creazione di vapore per creare nuovamente energia elettrica. Tale rendimento (elettrico) arriva a sfiorare il 60%. Nel caso in cui sia prevista la cogenerazione (energia elettrica e termica) a fronte di un rendimento di primo principio di circa 87% si vede un leggero calo del rendimento elettrico.

Impianti in attività[modifica | modifica sorgente]

Attualmente in Italia sono in attività diverse centrali. La più importante d'Italia per dimensioni, ma ad oggi poco sfruttata a causa dell'elevato costo del kilowattora prodotto[senza fonte], è la Centrale termoelettrica Alessandro Volta a Montalto di Castro, con 3600 MW di potenza. Una delle più importanti è quella di Porto Tolle, in provincia di Rovigo, situata sul delta del Po. Più piccola e di alcuni decenni più vecchia è la Centrale Marzocco a Livorno. Un'altra importante centrale termoelettrica italiana è quella di San Filippo del Mela, di proprietà di Edipower. Molto importante è anche l'impianto di Turbigo composto da 4 gruppi di generazione (3 cicli a vapore e 1 combinato composto da 2 turbogas e un ciclo a vapore), con una produzione di 1,77 GW. Nel Lodigiano la centrale situata in provincia di Lodi tra i comuni di Tavazzano con Villavesco e Montanaso Lombardo di proprietà della E.ON le turbine funzionano solo a gas naturale per un totale di 1,44 GW. Da non dimenticare la centrale a carbone "Federico II" di Cerano a Brindisi (di proprietà dell'ENEL) che con una potenza di 2640 MW (4 gruppi da 660 MW) è una delle più grandi d'Italia. Da segnalare anche la centrale termoelettrica (carbone e turbogas) di Vado Ligure, che a breve verrà ampliata, e sarà destinata a diventare la più importante del Nord Italia.

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