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 genera elettricità generando calore.[1] Storicamente si trasforma il calore in elettricità trasferendo il calore ad un fluido di lavoro e poi trasformando l'energia di questo fluido in energia meccanica e quindi elettricità. La tipica centrale è divisa in più segmenti: una zona detta caldaia o combustore in cui il calore viene trasferito al fluido di lavoro, una turbina, un alternatore e un condensatore.[2]

I principali cicli termodinamici sfruttati in queste centrali sono il ciclo Rankine, eventualmente surriscaldati, ed il ciclo Brayton-Joule, e loro eventuali combinazioni, anche se non sono assenti centrali dotate di motori a ciclo Diesel, o con altre tipologie di cicli.[3]

Da un punto di vista della sorgente energetica praticamente qualunque sostanza può essere utilizzata per produrre energia elettrica, tra i carburanti più comuni si possono ricordare sicuramente il carbone ed il gas naturale, ma anche combustibili meno convenzionali sono utilizzabili ad esempio fanghi di depurazione[4] o anche in certa misura ceneri di centrali di più piccola taglia.

Centrali termoelettriche a vapore[modifica | modifica wikitesto]

Queste sono caratterizzate dall'utilizzo di acqua, o altro liquido, che viene a trovarsi in due differenti fasi nel corso del ciclo di lavoro, spesso sotto forma di vapore e liquido. Negli ultimi anni sono andate diffondendosi anche tecnologie supercritiche che hanno portato all'assenza di una transizione di fase, propriamente detta, che precedentemente era la caratteristica di queste centrali. Queste centrali possono essere divise in varie sezioni: la linea di alimento, il generatore di vapore, la turbina e il condensatore.[2] Nonostante la definizione piuttosto restrittiva sono possibili diversi tipi di cicli termodinamici che soddisfano queste richiesta, in particolare quelli di gran lunga più diffusi sono i cicli Rankine e i cicli Hirn, ma nuovi tipi di cicli termodinamici, che alle volte vengono a trovarsi in una situazione intermedia tra i cicli a vapore e quelli a gas, come ad esempio i cicli transcritici a CO2.

Linea di alimento[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Rigenerazione (termodinamica).

Prima di entrare nella caldaia, l'acqua alimentante subisce una fase di preriscaldamento e compressione. In ingresso nella caldaia infatti sono presenti diversi rigeneratori, ovvero, scambiatori di calore nei quali il vapore, parzialmente o completamente espanso, preriscalda il fluido di lavoro. Questo consente di entrare nel generatore di vapore a temperature più alte, risultando in maggiori efficienze dell'impianto. Spesso all'interno della linea di alimento è previsto un degasatore per ridurre la presenza di incondensabili nel fluido di lavoro. La compressione del fluido di lavoro può avvenire in una sola pompa allo scarico del condensatore, soluzione preferita nei piccoli impianti, o in più pompe o turbopompe opportunamente posizionate lungo tutta la linea di alimento, soluzione preferita nei grandi impianti.

Generatore di vapore[modifica | modifica wikitesto]

Nel generatore di vapore l'acqua a pressione costante viene portata al punto di ebollizione, subisce la transizione di fase e viene, spesso, surriscaldata sotto forma di vapore. Questo è ottenuto tramite uno scambiatore opportunamente progettato diviso in diversi banchi: l'economizzatore, l'evaporatore e il surriscaldatore. Questi possono scambiare o con un liquido, solitamente olio diatermico o acqua in pressione, o con i gas caldi prodotti da una combustione, questa è la configurazione più frequente per impianti di più grande taglia.

Per impianti particolarmente grandi gli scambiatori vengono posti nella camera di combustione stessa ottenendo anche uno scambio radiativo con le fiamme. Particolare attenzione viene posta nell'evitare surriscaldamenti degli scambiatori perché questo potrebbe risultare in una riduzione della loro vita utile o, peggio, in un loro cedimento strutturale che causerebbe considerevoli danni all'impianto. Per questo motivo è prassi avere a disposizione un attemperamento, ossia un'iniezione di acqua liquida nel vapore, prima dei banchi più a rischio.[5]

Impianti supercritici[modifica | modifica wikitesto]

In impianti supercritici il liquido di lavoro non subisce più una transizione di fase vera e propria, essendo la pressione sopra al punto critico, ciò nonostante la struttura è simile, anche se le distinzioni tra le tre tipologie di banchi sono molto minori. Si notano comunque ancora tre zone: una a temperature relativamente basse dove il fluido di lavoro è liquido, una a temperature prossime al punto critico, e zone dove il fluido è allo stato gassoso. Tale soluzione, che prevede dunque il passaggio del fluido per uno stato supercritico, è particolarmente utilizzata per centrali a vapore di grande taglia o per centrali di più piccola taglia con fluidi organici, in questo caso con l'obbiettivo di approssimare meglio la curva di raffreddamento dei gas con cui si scambia calore.

Espansione del vapore in turbina[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: turbina a vapore.

Il vapore in uscita dal generatore di vapore viene quindi mandato ad una macchina, solitamente una turbina o, più raramente, una macchina alternativa. La prima parte di espansione avviene spesso attraverso un'iniziale stadio ad azione, frequentemente sotto forma di alcuni stadi Curtis, per garantire la possibilità di parzializzare e regolare la turbina ai vari carichi. Successivamente seguono solo stadi a reazione vista la loro maggiore efficienza.[5] Per impianti di grande taglia ad un certo punto dell'espansione il vapore viene rimandato al generatore di vapore per un risurriscaldamento, questo per aumentare il lavoro estratto dalla turbina ed al contempo ridurre la presenza di condensato allo scarico della stessa, nel caso si usino fluidi poco complessi. Il vapore, risurriscaldato o meno, continua quindi la sua espansione in turbina espandendosi e raffreddandosi, questo può causare un'eccessiva portata volumetrica che comporta speciali accorgimenti sia per quanto riguarda la struttura della palettatura sia, eventualmente, l'utilizzo di più corpi di turbina in parallelo. Nella zona a più bassa pressione, lavorando con liquidi semplici, ci si trova ad avere una parziale condensazione del fluido di lavoro, questo può essere estremamente deleterio per la turbina in quanto le goccioline di acqua liquida non seguono le stesse traiettorie del vapore risultando in un martellamento e danneggiamento delle palette. Finita l'espansione il vapore esce dalla turbina e viene mandato al condensatore, per fluidi semplici, o ad un desurriscaldatore seguito dal condensatore, per fluidi con campana di saturazione retrograda.

Durante l'espansione vi è, nei grandi gruppi a vapore ad acqua, un prelievo di vapore in diverse sezioni della turbina: tale vapore è poi utilizzato in 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 a uno 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.

Condensatore[modifica | modifica wikitesto]

Il condensatore è il componente in cui avviene la condensazione del fluido di lavoro. Come precedentemente suggerito questo strumento viene a trovarsi a pressioni decisamente basse in cicli ad acqua, mentre può essere a pressioni superiori, anche maggiori di quella atmosferica, per cicli alimentati con altri fluidi di lavoro. Nei cicli ad acqua, o comunque con fluidi con una bassa pressione alla temperatura di condensazione, è critico avere un condensatore in grado di evitare trafilamenti di aria all'interno del condensatore, poiché l'ossigeno eventualmente entrato nel fluido di lavoro risulta particolarmente aggressivo una volta che il fluido di lavoro verrà portato ad alte temperature.[5]

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

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: alternatore.
Centrale termoelettrica che utilizza l'acqua di un lago per raffreddare i generatori di corrente

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.

La demineralizzazione dell'acqua[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: 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 in flocculi ottenuti tramite prodotti chimici. L'acqua si purifica delle scorie solide e delle sostanze impure.

Impianti con fluidi di lavoro complessi e miscele[modifica | modifica wikitesto]

Esistono applicazioni che sfruttano fluidi con elevata complessità molecolare, quindi con molecole a elevati gradi di libertà. La campana di saturazione di fluidi complessi è decisamente deformata rispetto a quella di fluidi più semplici, questo consente di avere un fluido allo scarico della turbina ancora allo stato vapore, che viene solitamente raffreddato inizialmente per mezzo di uno scambiatore fino alla sua temperatura di saturazione, eventualmente in un assetto cogenerativo o preriscaldando il fluido condensato.

Altre applicazioni sfruttano miscele di fluidi, opportunamente selezionati, per sfruttare particolari caratteristiche delle miscele derivanti. Le miscele, se correttamente sintetizzate e operate, possono infatti presentare curve di ebollizione e/o condensazione non isoterme, questo consente lo sfruttamento di particolari sorgenti termiche non isoterme, come ad esempio i gas esausti di un impianto di piccola taglia, o un più facile dimensionamento di un recupero termico cogenerativo dalla fase di raffreddamento e condensazione.

Centrali termoelettriche a gas[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Centrale a gas.

Questo tipo di centrali è caratterizzato dall'utilizzo di un fluido sotto forma di gas che non subisce transizioni di fase. Impianti di questo tipo sono solitamente costituiti da quattro sezioni: compressione del gas, riscaldamento del gas, espansione del gas, scarico o raffreddamento del gas. Tipicamente queste sezioni sono unite in un turbogas.[6]

La compressione del gas avviene solitamente attraverso un turbocompressore assiale, o per impianti più piccoli radiale, è tipico avere i primi stadi statorici mobili per consentire il controllo della macchina in maniera più agevole. Durante la compressione è, per le macchine di grande taglia, prassi consolidata lo spillamento di aria da mandare poi al raffreddamento del combustore e della turbina. Il riscaldamento del gas può avvenire o tramite uno scambiatore, quando è necessario mantenere separata la combustione dal fluido di lavoro, o più comunemente in un combustore dove un combustibile viene bruciato nel fluido di lavoro, necessariamente aria o ossigeno. L'espansione avviene in una turbina solitamente completamente a reazione non essendo più necessaria una sua parzializzazione per il controllo della macchina, le prime schiere rotoriche e statoriche della macchina, essendo esposte a gas molto caldi vengono solitamente raffreddate, questo è un problema tipico delle macchine dotate di combustore.[7] Nel caso di impianti operanti ad aria è anche presente un'importante sezione di filtraggio e purificazione dell'aria in aspirazione.

Filtraggio dell'aria[modifica | modifica wikitesto]

La presenza di contaminanti solidi nell'aria è un problema molto sentito nelle centrali a gas e causa l'installazione di specifici filtri di purificazione per evitare il loro ingresso nella macchina. Questi contaminanti potrebbero infatti fondersi per le elevate temperature raggiunte in turbina e andare a solidificarsi sulle palette della turbina causando, nel corso del tempo, un'eccessiva usura della macchina. Inoltre anche per turbine a temperature relativamente basse il particolato rischia comunque di entrare nei condotti di raffreddamento della turbina e intasarli causando locali surriscaldamenti della macchina che possono causare il cedimento strutturale della stessa.

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

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: 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.[8]

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.

Abbattimento degli inquinanti[modifica | modifica wikitesto]

Tutte le centrali termoelettriche sono tenute a controllare le loro emissioni, questo è particolarmente rilevante per centrali di grandi dimensioni nelle quali si ha un'importante sezione di abbattimento degli inquinanti.[9]

Abbattimento degli ossidi di zolfo[modifica | modifica wikitesto]

Gli ossidi di zolfo, che sono una delle cause delle piogge acide, sono tipicamente frutto della combustione del carbone e sono strettamente regolamentati. Vengono quindi abbattuti, a seconda del momento in cui vengono rimossi si distinguono tre tipologie di rimozione: precombustione, in caldaia, postcombustione.

  • L'abbattimento precombustione può avvenire solo in caso il carbone possa essere precedentemente trattato, come negli impianti IGCC, è quindi un processo piuttosto raro.
  • L'abbattimento in caldaia avviene tramite l'iniezione di composti del calcio che vanno a legarsi con lo zolfo per dare gesso inerte.
  • L'abbattimento post-combustione avviene tramite lo scrubbing dei fumi con una soluzione di composti del calcio che formano gesso, questa configurazione è preferita per impianti di grande taglia visto che il gesso viene prodotto puro, quindi vendibile, evitando grandi spese per lo smaltimento.

Abbattimento degli ossidi di azoto[modifica | modifica wikitesto]

L'abbattimento degli ossidi di azoto è un problema comune a tutte le centrali a combustione. Solitamente la loro produzione viene efficacemente limitata già all'origine tramite un apposito disegno dei combustori e un altrettanto studiata distribuzione delle correnti d'aria di alimento alla caldaia o al bruciatore, evitando porzioni di gas combusti ad eccessivamente alte temperature. Qualora questo inquinante sia ancora rilevante vengono utilizzati degli appositi scrubber con ammoniaca o urea.

Abbattimento delle ceneri[modifica | modifica wikitesto]

L'abbattimento delle ceneri è un problema tipico delle sole centrali a carbone, visto che le centrali a gas utilizzano sia un carburante già pulito sia aria filtrata. Il problema è inoltre legato alle sole ceneri leggere, che quindi vengono trascinate dal flusso di aria verso la ciminiera. Le ceneri vengono quindi abbattute tramite una serie di filtri elettrostatici, cicloni e filtri a maniche via via più fini per riportare le emissioni entro i limiti legali. Le ceneri più pesanti vengono invece rimosse facilmente dalla caldaia ed avviata ad un opportuno trattamento e successivamente in discarica. Particolari configurazioni impiantistiche di centrali avanzate, come le già citate IGCC, possono anche andare a fissare queste ceneri pesanti fondendole in un materiale di granulometria maggiore e più inerte, opportunamente riutilizzabile.

Cattura dell'anidride carbonica[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Cattura e sequestro del carbonio.

Negli ultimi anni, all'abbattimento degli inquinanti tradizionali, grande attenzione è stata posta nell'abbattimento delle emissioni di anidride carbonica per il suo contributo all'effetto serra. Questa necessità ha spinto verso impianti sempre più efficienti e verso lo sviluppo e la sperimentazioni di impianti con cattura e sequestro del carbonio. Le tecniche di separazione si dividono in tre gruppi principali:

  • Cattura pre-combustione prevede la rimozione del carbonio e dal carburante alimentato alla centrale, che viene così a funzionare bruciando praticamente solo idrogeno.
  • Ossicombustione prevede la combustione del carburante in atmosfera di ossigeno puro, così da poter poi separare facilmente l'anidride carbonica dagli altri componenti senza la grande diluizione tipica delle combustioni in aria.
  • Cattura post-combustione prevede, con tecniche relativamente simili a quelle post-combustione per l'abbattimento degli ossidi di zolfo, di rimuovere l'anidride carbonica dal flusso allo scarico della centrale.

L'anidride carbonica separata a questo punto viene stoccata in giacimenti esausti o acquiferi profondi o, in maniera più economicamente conveniente, pompata in giacimenti attivi, secondo la tecnica del recupero forzato di idrocarburi, quest'ultima tecnica se combinata con pesanti tassazioni sulle emissioni è la più economicamente promettente.[10]

Impianti in attività in Italia[modifica | modifica wikitesto]

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Centrali elettriche in Italia.

In Italia sono presenti numerose centrali elettriche distribuite su tutto il territorio nazionale. Sono presenti sia centrali a vapore sia centrali a ciclo combinato. Anche per quanto riguarda la scelta del tipo di carburante troviamo una grande varietà di fonti: oltre alle classiche fonti energetiche come il carbone e il gas, troviamo centrali a biomasse e centrali che operano con scarti di raffineria, come la centrale di Sarroch[11] Sono invece assenti centrali termonucleari, visto l'esito dei referendum del 1987 e del 2011.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Definizione e significato di termoelettrico, dizionari.corriere.it. URL consultato il 27 aprile 2017.
  2. ^ a b Giampietro Paci, Il mondo della tecnica, Zanichelli, 1999, ISBN 88-08-09645-9.
  3. ^ In questa voce ci si riferisce più o meno involontariamente a impianti alimentati da fonti energetiche tradizionali anche se queste stesse tecnologie sono impiegate anche con altre fonti energetiche
  4. ^ Giuseppe Mininni, Camilla M. Braguglia, Roberto Passino e Maria Concetta Tomei, Strategia globale nella gestione dei fanghi.
  5. ^ a b c G. Cornetti e F. Millo, Macchine termiche, A, il capitello, ISBN 978-88-426-6014-9.
  6. ^ Centrali a turbogas, su www.eniscuola.net. URL consultato il 26 marzo 2017.
  7. ^ G. Cornetti e F. Millo, Macchine termiche, B, il capitello, ISBN 978-88-426-6014-9.
  8. ^ Ciclo combinato, su Enea. URL consultato il 26 marzo 2017.
  9. ^ (EN) Bruce G. Miller, Clean Coal Engineering Technology, 2016, ISBN 978-0-12-811365-3.
  10. ^ (EN) Bert Metz, Ogunlade Davidson, Heleen de Coninck, Manuela Loos e Leo Meyer, Carbon Dioxide Capture and Storage, Cambridge University Press. URL consultato il 26 aprile 2017.
  11. ^ Generazione energia elettrica, su saras.it. URL consultato il 26 marzo 2017.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Giovanni Lozza, Turbine a gas e cicli combinati, Progetto Leonardo, ISBN 88-7488-123-1.

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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