Centrale termoelettrica a ciclo combinato

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Una centrale termoelettrica a ciclo combinato è una centrale termoelettrica in cui sono presenti due macchine termiche in serie, aumentando così il rendimento termodinamico rispetto ad entrambi i cicli isolati.

illustrazione nel piano T-s di un ciclo combinato

Il primo fluido è un gas, generalmente aria, che percorre un particolare ciclo termodinamico denominato Ciclo di Brayton-Joule, composto da due trasformazioni adiabatiche e da due trasformazioni isobare. Il secondo fluido, invece, è acqua che percorre un ciclo termodinamico denominato Rankine caratterizzato dal cambiamento di stato del fluido in questione: dapprima esso si trova allo stato liquido e nella caldaia a recupero passa poi allo stato di vapor d'acqua. Il ciclo è pertanto composto da due trasformazioni adiabatiche e da due trasformazioni isobare (in corrispondenza del cambiamento di stato le trasformazioni isobare risultano anche isoterme).

Schema di un ciclo combinato.

Il funzionamento di una centrale a ciclo combinato può essere fisicamente interpretato come l'accoppiamento di due centrali più semplici: una centrale a gas e una centrale termoelettrica tradizionale. In una centrale a gas, infatti, il fluido operativo (aria) opera a temperature molto elevate, e quindi anche nella sezione di "scarico" del calore verso l'esterno i prodotti della combustione emessi hanno un contenuto termico ancora considerevole, in quanto si trova ancora a temperatura elevata, e sono quindi potenzialmente e ulteriormente sfruttabili.

In una centrale a ciclo combinato i gas di scarico, emessi dal ciclo Joule, dopo essere passati in turbina a gas ed aver prodotto quindi lavoro meccanico, vengono convogliati all'interno di uno scambiatore di calore e utilizzati quindi per effettuare la fase di riscaldamento (e quindi evaporazione) dell'acqua all'interno del ciclo Rankine, che opera usualmente a temperature decisamente inferiori rispetto ad un ciclo a gas. Il vapore ottenuto da tale ciclo viene poi espanso in una successiva turbina a vapore producendo ulteriore lavoro meccanico. Proprio questa differenza di temperature caratteristiche tra i due cicli termodinamici consente il riutilizzo del calore di scarico del ciclo Joule come calore di evaporazione a favore del ciclo Rankine.

Impianti di questo tipo sono detti unfired, e cioè con caldaia a recupero senza bruciatori ausiliari; in questo caso si ha una netta prevalenza della potenza del turbogas rispetto a quella dell’impianto a vapore. Viceversa si ottiene con impianti di tipo fired, in cui i gas di scarico della turbina sono usati come comburente nei bruciatori della caldaia, che genera vapore di caratteristiche simili a quelle dei grossi impianti a vapore

I vantaggi di questo tipo di tecnologia sono molteplici ma, in particolare, è importante sottolineare il minor consumo di combustibile fossile a parità di energia prodotta, in quanto solo la fase di riscaldamento del ciclo a gas viene effettuata per mezzo della combustione di Gas naturale (o altri combustibili), mentre la parallela fase di evaporazione nel ciclo Rankine avviene per mezzo del recupero del calore disponibile nei gas di scarico della centrale a gas. Impiegando una minor quantità di combustibile aumenta quindi il rendimento dell'impianto e cioè il rapporto tra lavoro ottenuto e energia consumata (sotto forma di combustibile).

Per una centrale termoelettrica tradizionale, infatti, il rendimento oscilla intorno a valori del 40% mentre in una moderna centrale a ciclo combinato il rendimento supera sempre il 50% con punte del 60%.