Centrali di produzione
– Produrre energia elettrica significa trasformare un’altra forma di
energia primaria in elettrica; i motivi fondamentali sono la
facilità di trasporto e la grande varietà di applicazioni di
utilizzazione.
– Le centrali di produzione di grande potenza vengono tipicamente
classificate in base all’energia primaria utilizzata:
– Termoelettriche
– Nucleotermoelettriche
– Geotermoelettriche
– Idroelettriche e di pompaggio
– Eoliche, solari, ecc.
Produzione italiana (2004)
installato
disponibile
media
- Termoelettrica
- 61.531
- 38.400
- Idroelettrica
- 21.072
- 13.550
- Geotermo
-
681
-
550
- Eolico e fotovoltaico
-
1.139
-
250
- Totale
- 84.424
- 52.750
Il sistema elettrico italiano
Centrali termoelettriche
– A seconda del tipo di ciclo termodinamico, le centrali
termoelettriche si possono suddividere in:
– centrali termoelettriche convenzionali
– centrali turbogas a ciclo aperto
– centrali a ciclo combinato e/o cogenerativo
– gruppi diesel
– Osservazione: attualmente la Mcal ottenuta da gas naturale e
quella ottenuta da olio è praticamente uguale e circa doppia di
quella ottenuta da carbone.
Centrali termoelettriche
convenzionali
– Per centrali termoelettriche convenzionali si intendono tutte
quelle centrali nelle quali per azionare la turbina viene prodotto
vapore in una caldaia convenzionale.
– I combustibili utilizzati sono quelli fossili: olio pesante, carbone,
orimulsion, gas.
– Buona parte delle centrali italiane sono policombustibili, e cioè
nella caldaia è possibile bruciare più di un tipo di combustibile.
– Possono avere caldaie a corpo cilindrico o ad attraversamento
forzato (cicli super critici/ iper critici).
Centrali termoelettriche
convenzionali
SH
RH
EV
ECO
AP
MP
B P
TR.CH.
ALT
LJ
VA
CD
PAC
TR.CH.
PEC
PAA
Centrali termoelettriche
convenzionali
– Il ciclo termodinamico di riferimento è quello Rankine.
– Le macchine elettriche collegate alle turbine sono veloci
(turboalternatori a 1 o 2 coppie di poli).
– Hanno bisogno di grandi quantità di acqua di raffreddamento:
~40 kg di acqua per kg di vapore a cui corrispondono ~ 3000 t/h
di acqua al condensatore per 1000 Mwe.
– I rendimenti tipici variano da ~ 35% a ~ 45%.
– Le potenze unitarie tipiche sono abbastanza elevate: 360 e 750
MVA.
Centrali termoelettriche
convenzionali
– I costi di funzionamento dipendono ovviamente dal rendimento e
dal tipo di combustibile utilizzato: il carbone è l’unico
economicamente vantaggioso.
– Il minimo tecnico di queste centrali è tipicamente abbastanza
elevato; può variare dal ~ 25% della Pn per quelle con caldaia a
corpo cilindrico ad oltre il ~ 65% per quelle con caldaia ad
attraversamento forzato.
– Hanno tempi di avviamento lunghi, dell’ordine delle ore; inoltre
le potenze richieste durante tale fase non sono trascurabili.
– Attualmente, praticamente tutte quelle esistenti hanno bisogno,
per l’avviamento, di energia prelevata dalla rete.
Centrali termoelettriche
convenzionali
– Hanno costi di installazione medi (più elevati per le centrali a
carbone per effetto delle componenti di impianto necessarie al
lavaggio dei fumi) e costi di esercizio medi (più bassi per le
centrali a carbone).
– Il numero di ore/anno di utilizzazione di queste centrali dipende
tipicamente dal costo del combustibile utilizzato; quando è
economico (carbone) si arriva fino a 6500 hequiv/anno.
– La rampa di presa di carico è dell’ordine di 1% della Pn al
minuto; in condizioni di emergenza (regolazioni) possono fornire
tipicamente in un minuto fino al 7% della Pn (solo quelle con
caldaia a corpo cilindrico).
Centrali turbogas a ciclo aperto
– Per centrali turbogas a ciclo aperto si intendono tutte quelle
centrali nelle quali il generatore è direttamente collegato ad una
turbina a gas (tecnologia di derivazione aeronautica).
– I combustibili fossili utilizzati sono gas (naturale o di altra
provenienza) e distillati leggeri del petrolio (kerosene).
– Hanno rendimenti bassi, dal 25 % al 35%; sul mercato esistono
attualmente anche turbine con rendimenti fino al 42-44%, ma
centrali di questo tipo non vengono più realizzate.
– La potenza erogata viene mantenuta sempre molto vicina a quella
nominale per motivi di rendimento (minimo tecnico elevato).
Centrali turbogas a ciclo aperto
– Questi gruppi hanno costi di installazione bassi e costi di
esercizio elevati ed hanno un basso numero di ore/anno di
utilizzazione (qualche centinaio).
– Le centrali turbogas a ciclo aperto hanno tempi di avviamento
relativamente bassi (15-30 minuti) e vengono generalmente
utilizzate come riserva terziaria o come impianti di punta.
– Per il loro avviamento viene generalmente utilizzata energia
prelevata dalla rete.
– La rampa di presa di carico è molto maggiore di quella dei gruppi
convenzionali e possono arrivare ad erogare la Pn partendo da
freddo in circa 20 minuti.
Centrali a ciclo combinato e/o
cogenerativo
– Per centrali turbogas a ciclo combinato o cogenerativo si
intendono tutte quelle centrali nelle quali l’energia termica
ancora presente nei gas di scarico di una turbina a gas viene
recuperata; generalmente tale recupero viene effettuato in una
caldaia (a recupero) nella quale viene prodotto vapore.
– Il vapore ottenuto dalla caldaia di recupero può essere:
– inviato in una turbina a vapore collegata ad un generatore elettrico (ciclo
combinato);
– utilizzato per altri scopi industriali (es.: raffinerie) o di teleriscaldamento
(ciclo cogenerativo).
Centrali a ciclo combinato e/o
cogenerativo
– La caldaia può essere a recupero puro oppure può esservi
bruciato, a seconda delle esigenze, anche altro combustibile.
– Nel caso in cui la caldaia sia a recupero puro si ottengono i
rendimenti elettrici più elevati, che attualmente arrivano fino a
quasi il 60%.
– Per ottenere un ciclo combinato con caldaia a recupero puro il
rapporto tra le potenze della turbina a gas e quella a vapore deve
essere praticamente di 2:1 (la potenza della turbina a gas è
doppia di quella della turbina a vapore).
Centrali a ciclo combinato e/o
cogenerativo
– Il combustibile utilizzato da queste centrali è gas (generalmente
gas naturale).
– Queste centrali hanno costi di investimento relativamente
contenuti e costi di esercizio bassi in virtù dell’elevato
rendimento elettrico.
– Hanno utilizzazioni estremamente elevate, che spesso superano
le 8000 hequiv/anno; sono quindi da considerarsi come impianti di
base.
– La rampa di presa di carico in assetto cogenerativo è dell’ordine
di 1% della Pn al minuto.
Centrali a ciclo combinato e/o
cogenerativo
– Queste centrali hanno tempi di avviamento medi (circa 2 ore) che
sono dovuti al transitorio termico della sezione a vapore
dell’impianto.
– In alcuni casi questi impianti presentano un camino di by-pass
dei fumi allo scarico della turbina a gas; in questo caso queste
centrali possono essere gestite anche come centrali turbogas a
ciclo aperto, con tempi di avviamento molto più rapidi (i
produttori non-ENEL non sempre hanno questa opzione); in tal
caso, con riferimento alla fase di avviamento, queste centrali
sono paragonabili a quelle turbogas a ciclo aperto.
– Questi impianti non sono stati progettati per avviamenti
frequenti.
Centrali a ciclo combinato e/o
cogenerativo
– Quando è presente anche un ciclo cogenerativo si pone il
problema del tipo di gestione che deve essere imposta
all’impianto:
– inseguimento elettrico, nel quale viene impostata la potenza elettrica che
deve essere prodotta mentre quella termica segue di conseguenza;
– inseguimento termico, nel quale viene impostata la potenza termica che
deve essere prodotta mentre quella elettrica segue di conseguenza.
– Tutte le altre problematiche sono analoghe a quelle dei cicli
combinati puri.
Gruppi diesel
– Le centrali con gruppi diesel vengono generalmente utilizzate per
l’alimentazione di carichi isolati, tipicamente quelli delle isole
minori.
– Le macchine elettriche utilizzate hanno velocità intermedie
(tipicamente da 4 a 6 coppie di poli).
– I rendimenti possono essere anche elevati (superiori al 50% per
potenze superiori a 10 MVA).
– Hanno tempi di avviamento estremamente ridotti (derivano di
fatto dai gruppi di emergenza).
– I costi di funzionamento sono elevati sia a causa del combustibile
sia per effetto dell’influenza della manutenzione.
Centrali nucleotermoelettriche
– Le centrali nucleotermoelettriche sono sostanzialmente centrali
nelle quali la caldaia convenzionale è sostituita da una serie di
componenti (vessel e relativi scambiatori) nei quali viene
generato il calore prodotto da una reazione nucleare. Il calore
viene ceduto ad un fluido intermedio (tipicamente acqua) per
produrre vapore ed azionare una turbina convenzionale.
– Hanno tipicamente costi di installazione elevati a causa della
complessità dei sistemi di sicurezza e di controllo, e costi di
funzionamento medi.
– Nei Paesi occidentali non si realizzano più impianti di questo
genere da oltre un decennio (eccezione: Finlandia)
Centrali nucleotermoelettriche
– Le centrali nucleari hanno tempi di avviamento estremamente
elevati; dopo una fermata lunga (ad es. per la sostituzione delle
barre) un impianto può essere portato alla potenza nominale
seguendo una rampa che può durare fino ad una settimana.
– Queste centrali, a causa dei loro elevati costi fissi e del
rendimento di utilizzo del combustibile, devono funzionare a
potenza nominale per il maggior tempo possibile; di conseguenza
hanno livelli di utilizzazione piuttosto elevati tipicamente
superiori a 7500 hequiv/anno.
– Il periodo annuale di manutenzione programmata è piuttosto
elevato (7 settimane) ma la loro affidabilità è estremamente
elevata.
Principi di funzionamento
- In natura esistono elementi che si trovano in configurazioni
atomiche instabili e tendono quindi a decadere in elementi a
configurazione più stabile emettendo energia sotto forma di
radiazioni.
- Tipi di radiazioni (elencate per penetrazione crescente):
-
radiazioni alfa (nuclei di elio: 2 protoni+ 2 neutroni)
radiazioni beta (elettroni)
radiazioni gamma (radiazioni elettromegnetiche)
radiazioni neutroniche (neutroni)
Principi di funzionamento
- Processo di fissione: scissione del nucleo di un atomo pesante
in due atomi più leggeri con produzione di neutroni ed
emissione di energia.
- Reazione a catena: i neutroni emessi dalla scissione di un
atomo possono provocare, per urto, altre fissioni di altri atomi
fissili.
- Elementi fissili: tipicamente alcuni isotopi dell’uranio (U235
disponibile in natura in percentuali molto basse) ed il plutonio
(elemento artificiale).
Principi di funzionamento
- Sistema critico: sistema nel quale il numero di fissioni
nell’unità di tempo è uguale al numero di neutroni che
producono nuove fissioni.
- Sistema sottocritico: sistema nel quale il numero di fissioni
nell’unità di tempo è maggiore del numero di neutroni che
producono nuove fissioni.
- Sistema sovracritico: sistema nel quale il numero di fissioni
nell’unità di tempo è minore del numero di neutroni che
producono nuove fissioni.
Principi di funzionamento
- Affinché la reazione risulti stabile (critica) occorre quindi
assorbire i neutroni in eccesso utilizzando opportuni elementi,
che dipenderanno dal tipo di reattore, disposti nelle cosiddette
“barre di controllo”.
- Per poter favorire le reazioni di fissione occorre inoltre
aumentare la probabilità che i neutroni colpiscano gli atomi di
materiale fissile; ciò si ottiene riducendone la velocità per mezzo
di un elemento moderatore.
- Occorre infine un elemento che asporti il calore.
Reattori a gas-grafite, PWR, BWR,
autofertilizzanti
Reattori a gas-grafite, PWR, BWR,
autofertilizzanti
Reattori a gas-grafite, PWR, BWR,
autofertilizzanti
Reattori a gas-grafite, PWR, BWR,
autofertilizzanti
Centrali geotermoelettriche
– Le centrali geotermoelettriche sono sostanzialmente impianti di
tipo termoelettrico nei quali la caldaia è costituita dal serbatoio
geotermico; vengono infatti sfruttati fluidi endogeni (vapore nei
campi a vapore dominante, acqua calda nei campi ad acqua
dominante) da inviare, direttamente o dopo un parziale
trattamento, in una turbina a vapore.
– Questa tipologia di centrale non è programmabile: si produce
sempre tutto quello che è disponibile.
– L’utilizzazione di questi impianti è molto elevata, tipicamente
superiore a 8000 hequiv/anno.
Centrali geotermoelettriche
– Il principale problema di questa tipologia di centrali, a cui sono
associati i costi più rilevanti, è il rischio minerario derivante dalla
perforazione dei pozzi.
– Il fluido geotermico prelevato, dopo che ha lavorato in turbina,
deve essere reiniettato nel sottosuolo; a tal fine vengono
generalmente utilizzati pozzi di estrazione non più attivi.
– Questi impianti sono piuttosto semplici e quindi hanno bisogno
di poche settimane/anno di manutenzione programmata.
Centrali geotermoelettriche
– Tipica struttura di un serbatoio geotermico.
Centrali geotermoelettriche
– Schema di principio di una centrale a scarico libero.
Centrali geotermoelettriche
– Schema di principio di una centrale a condensazione
Centrali geotermoelettriche
– Schema di principio di una centrale a doppio flash (campi ad
acqua dominante)
Centrali geotermoelettriche
– Schema di principio di una centrale a ciclo binario.
Centrali geotermoelettriche
– Ripartizione dei costi di investimento tra le principali voci.
Centrali geotermoelettriche
– Costi di perforazione (1980)
Centrali geotermoelettriche
– Caratteristiche dei gruppi unificati ENEL da 20 MVA.