05/03/2012
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LE CENTRALI
TERMOELETTRICHE
LEZIONE
Seminario di energetica
dott. Riccardo Maistrello
ITIS Guglielmo Marconi (Verona)
7/03/2012
DEFINIZIONE
Centrale termoelettrica
Centrale elettrica in cui l’energia primaria convertita in
elettricità è quella potenziale chimica del combustibile fossile,
che si trasforma in calore durante la combustione.
In ingresso: combustibile allo stato liquido (olio combustibile,
oil), solido (carbone, coal) o gassoso (gas naturale, gas).
In uscita: energia elettrica
Trasformazione: l’energia chimica del combustibile viene liberata
con la combustione e trasferita ad un fluido (acqua) sotto
forma di calore. Il fluido, che ha acquistato energia (acqua →
vapore), compie lavoro (espansione) in turbina, azionando un
generatore che produce elettricità.
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LOCALIZZAZIONE IMPIANTO
Una CTe ha le stesse esigenze di una grande industria
manifatturiera a bassa manodopera:
1) Facilità nell’approvvigionamento della materia prima;
2) Facilità di distribuzione della produzione;
3) Necessità di gestione di scarichi/scarti/residui anche pericolosi.
1) La “materia prima” non si trova in Italia (carbone, gas, petrolio)
e va perciò importata in quantità enormi (consumo giornaliero
di combustibile).
Il trasporto avviene via nave (petroliere, carboniere)
→ vicinanza ad un grande porto
→ trasporto combustibile porto-centrale e smistamento nel
deposito su binario (impianto ferroviario)
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LOCALIZZAZIONE IMPIANTO
2) La produzione è energia elettrica, molto versatile e trasportabile
con facilità. Non occorre essere vicini ai grandi consumatori
(città, industrie) perché la rete di trasmissione e distribuzione
ovvia all’inconveniente.
NB Sarebbe anzi problematico installare una centrale così
inquinante ed ingombrante (25-35 ettari per un impianto da
1000-2000 MW) vicino ad una città.
3) La gestione dei prodotti collaterali del processo richiede sforzi
economici, tecnici e gestionali notevoli. Parliamo di:
 Ceneri e fumi di combustione, opportunamente trattati e filtrati
a norma di legge (desolforazione, denitrificazione etc.) vengono
immessi nell’atmosfera;
 Prodotti umidi o secchi derivanti dal trattamento dei fumi (p.e.
fanghi tossici) vanno stoccati in discariche speciali).
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LOCALIZZAZIONE IMPIANTO
C’è poi un quarto requisito fondamentale: vicinanza all’acqua.
Questi impianti hanno rendimenti del 40% ca. Ciò significa che il
60% dell’energia ricavata dal combustibile viene perduta sotto
forma di calore degradato a bassa temperatura rilasciato
nell’ambiente.
Il modo più semplice per cedere questo calore è con sistemi di
raffreddamento ad acqua, fluido dalle ottime caratteristiche
termiche (buon calore specifico J/kg*K = può assorbire molta
energia (calore) senza aumentare troppo la propria
temperatura).
La vicinanza al mare o ad un fiume con grande portata (Po) è
fattore fondamentale. La portata di raffreddamento richiesta da
un impianto di 1000 MW è di circa 100 000 m3/h d’acqua (24 ore
al giorno, ≈365 giorni all’anno). → è circa l’intera portata del Bacchiglione!!!
Tra l’opera di presa e quella di restituzione, è ammessa una ΔT
massima di 3 gradi centigradi (o kelvin).
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LOCALIZZAZIONE IMPIANTO
IN FOTO: CENTRALE DI PORTO TOLLE – DELTA DEL PO
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COMBUSTIBILI FOSSILI
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COMBUSTIBILE FOSSILE
I combustibili utilizzati sono:
CARBONE, materiale organico di origine vegetale sottoposto per
migliaia di anni a condizioni di temperatura e pressione
elevatissime e di assenza di ossigeno. Il carbone più giovane è la
torba, il più vecchio l’antracite. Ogni carbone ha le sue
caratteristiche, legate alla purezza, al materiale biologico di
origine, al tenore di zolfo etc.
Tra i combustibili fossili è il più economico ed abbondante in
natura, ma purtroppo è anche il più sporco ed inquinante. La
legge italiana proibisce l’utilizzo di carbone con tenore di zolfo al
di sopra dell’1%. Il carbone non viene bruciato a pezzi, ma viene
polverizzato (polverino impalpabile) e quindi trasportato da
mulinelli d’aria in camera di combustione (PCI 6993 kCal/kg TPN).
Il consumo giornaliero di una centrale da 1000 MW è di 5-6000
tonnellate di carbone al giorno, equivalenti a circa 150 carri
ferroviari al giorno.
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COMBUSTIBILE FOSSILE
Accanto al carbone si utilizza il GAS NATURALE, trasportato
mediante gasdotti (non via nave), associato a giacimenti
petroliferi. E’ il combustibile fossile meno inquinante ma è il più
costoso (e la disponibilità è molto inferiore a quella del carbone).
E’ composto al 94% da gas metano, quindi azoto (3%) ed altri
idrocarburi. Ha PCI di 8170 kCal/m3 (TPN).
Il combustibile liquido (OLIO COMB.) è la cosiddetta frazione
pesante del petrolio grezzo, che si ottiene dalla distillazione
frazionata. In questo caso il tenore di zolfo massimo è del 3%.
Nella conservazione in silos occorre prevenire il contatto con l’aria
per il rischio di combinazione con i vapori dell’olio → miscele
esplosive. Poiché l’olio a temperatura ambiente è molto denso,
per la movimentazione lo si preriscalda fino a 150 gradi C
(fluidità sufficiente per l’immissione nel bruciatore).
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COMBUSTIBILE FOSSILE
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In raffineria:
1) Si purifica il
petrolio grezzo
2) Lo si invia in Torre
di Frazionamento
per la distillazione
frazionata.
La
separazione
dei
derivati si basa sul loro
differente punto di
ebollizione. La frazione
leggera si deposita nei
piatti in alto, quella
intermedia al centro,
quella pesante sul
fondo.
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LA COMBUSTIONE
Ogni combustibile è composto, in misura diversa, da: carbonio
(C%), zolfo (S%), idrogeno (H%), azoto (N%) etc.
I primi tre elementi, combinandosi in debite proporzioni con
l’ossigeno, si ossidano e liberano energia:
C + O2
→
CO2
+ 7863 kCal/kg(C)
2 H2 + O2
→
2 H2O
+ 33915 kCal/kg(H2)
S + O2
→
SO2
+ en. trasc.
Note le caratteristiche del combustibile in ingresso (studio chimicofisico a monte) calcolo l’ossigeno teorico da fornire per la
combustione e quindi l’aria da immettere in camera di
combustione.
Note le reazioni chimiche che avvengono, calcolo le caratteristiche
dei fumi di combustione (composizione chimica, volumi etc.).
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LA COMBUSTIONE
I prodotti della combustione sono:
 Energia → calore, che va a scaldare l’acqua in caldaia e la fa
evaporare;
 Fumi e ceneri: ossidi di zolfo (SOX), ossidi di azoto (NOX),
anidride carbonica (CO2), vapore d’acqua* (H2O), ossigeno (O2).
Fumi e ceneri sono a temperature elevatissime, 1100-1300 gradi, e
a pressioni molto alte. Il movimento dei fumi attraverso i vari
filtri e le condotte è principalmente consentito dalla loro
temperatura (effetto camino), perciò non vanno mai raffreddati
completamente.
* Oltre alla reazione H2 + O2, viene prodotto vapore in più perché
l’aria prelevata dall’esterno e mandata in camera di combustione
contiene umidità (UR, tasso di umidità relativa, indica quanta
acqua c’è in un m3 d’aria) che ovviamente evapora.
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CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA
ACQUA/VAPORE – ELETTRICO - RAFFREDDAMENTO
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CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA
Diversi circuiti indipendenti si incrociano ed interagiscono:
 Circuito aria-fumi: l’aria, prelevata dall’esterno, viene spedita
in CdC dove reagisce con il combustibile e permette l’ossidazione
di H2, S, C. Nota: l’ossigeno nell’aria è il 23-25%. Dopo la
combustione i fumi vengono filtrati e trattati e quindi immessi in
atmosfera.
 Circuito del combustibile: il combustibile, stoccato in genere
nei pressi della centrale, viene trasportato in CdC dove viene
bruciato. I prodotti incombusti e le ceneri dovranno essere
catturati prima del rilascio in atmosfera.
 Circuito dell’acqua (vapore): in caldaia viene scaldata e
portata ad evaporare. L’espansione avviene in turbina, dove il
vapore pone in rotazione la girante, prima di essere fatto
condensare nel condensatore. Ora è di nuovo acqua, e viene
riportato in caldaia per ricominciare il ciclo (reintegro acqua 1%
ca.)
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CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA
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Circuito elettrico: la turbina aziona un alternatore che
produce elettricità. Una parte dell’energia generata serve per
alimentare i servizi della centrale (“servizi ausiliari”,
autoconsumo di centrale), il resto va in rete.
Circuito di raffreddamento: è ancora acqua, ma non c’entra
nulla con quella che va in turbina. Prelevata dal corso d’acqua,
deve togliere calore al vapore che esce dalla turbina così da
costringerlo a condensare (per ripetere il ciclo termodin.).
L’obbligo di restituzione con una ΔTmax di 3 K, costringe a
raffreddare l’acqua prima di restituirla al fiume o al mare (torri
di evaporazione). Per un gruppo da 320 MW per ogni kg di
vapore da far condensare occorre prelevare dal fiume/mare 70100 litri di acqua (vapore a 30 gradi circa, acqua a 5-25 gradi).
La portata di raffreddamento è sulle 600 tonnellate/ora (100
quintali d’acqua al minuto).
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COMPONENTI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA
Tra le varie e numerosi componenti di una CTe, approfondiamo le
seguenti:
 Generatore di vapore (caldaia)
Qui ha luogo la trasformazione dell’en. chimica del combustibile in
calore, che viene trasferito per scambio termico al fluido. Per gli
impianti più grossi la produzione oraria di vapore (potenzialità)
può arrivare alle 3-4000 t/h. Il consumo specifico (vapore
necessario per produrre elettricità) varia invece tra i 3 e i 10
kgVAP/kWhEL. In un gruppo da 320 MW la pressione a cui il vapore
esce di caldaia è di quasi 200 atm (200 volte quella atmosferica)
ad una temperatura di 540 gradi.
Effetto burn-out
Nelle tubazioni in caldaia il vapore oltre una certa temperatura
(critica) crea un film sottile che fa crollare il coefficiente di
scambio termico: rischio di bruciare i metalli! Si ricorre a tubature
rigate e occorre vigilare sulla non stagnazione del vapore.
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COMPONENTI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA
Turbina a vapore
Come per le turbine idrauliche rimangono le classificazioni
assiale/radiale (direzione deflusso del fluido), mono/multi –
cellulari (coppie distributore-girante), ad azione e reazione
(conversione dell’energia nella turbina). Generalmente si
impiegano turbine assiali, multicellulari costituite da elementi in
parte ad azione ed in parte a reazione.
Si predilige l’accoppiamento diretto (senza riduttori) turbinaalternatore a velocità tipiche: 3000, 1500, 1000, 750 g/min.
La turbina consta di più stadi, di alta pressione e di bassa pressione.
Nei primi il vapore è più compresso e necessita di sezioni di
deflusso più piccole, nel secondo caso l’area di deflusso aumenta e
così le dimensioni delle palette della girante.
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COMPONENTI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA
Condensatore
E’ un grande scambiatore di calore, dove l’acqua di raffreddamento
sottrae energia al vapore per farlo condensare. Il condensatore è
in depressione poiché il vapore condensando riduce il proprio
volume: necessità di dimensionare le pareti per resistere alle forze
agenti dall’esterno e di una pompa di estrazione per tirare fuori la
condensa e inviarla alla caldaia.
Il vapore entra nel condensatore a temperature basse, 30-40 gradi, e
l’acqua refrigerante a 5-25 gradi. Il salto termico è modesto,
occorrono grandi portate per sottrarre grandi quantità di vapore
(600 t/h per 320 MW, 70-100 litri d’acqua per ogni kg di vapore da
raffreddare).
Per rispettare i vincoli legislativi, la ΔTmax nel corso d’acqua deve
essere inferiore ai 3 gradi → ΔTCONDENS ≈ 8 gradi e poi si va in torre
di evaporazione a raffreddare
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COMPONENTI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA
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Torri di raffreddamento: sono indispensabili per raffreddare il
fluido in uscita dal condensatore quando non dispongo di acqua
fresca da mare, fiume etc. L’acqua viene nebulizzata in goccioline
leggere e fatta precipitare verso il fondo della torre. Nella caduta
cede calore all’aria intorno a sé, scaldando maggiormente gli
strati più alti. Per effetto camino l’aria calda sale ed esce dalla
torre, portando via il calore sottratto all’acqua nebulizzata (alle
volte si installano grossi ventilatori).
Sono molto larghe perché serve una grande portata di aria per
raffreddare il fluido.
Camino: permette il rilascio dei fumi trattati e filtrati
nell’atmosfera. È di altezza notevole, fino a 300 metri, e i
materiali delle canne che portano i fumi sono in materiali speciali
(acciaio inox, vetroresina) per resistere alle possibili condense
acide. Il tiraggio è garantito ancora una volta dal calore posseduto
dei fumi.
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TRATTAMENTO DEI FUMI
La normativa prescrive limiti nelle EMISSIONI al camino. In passato
erano riferiti alla CONCENTRAZIONE al suolo e bastava realizzare
camini altissimi per essere sicuri che le ceneri si disperdessero su
una superficie molto più ampia.
Nelle centrali termoelettriche il trattamento dei fumi è obbligatorio,
come si vede negli esempi:
1) Centrale a carbone (gruppo 320 MW)
Emissione SOX = 1300-1800 mg/m3 (TPN) → Limite consentito = 250!!!
2) Centrale a gas (gruppo 320 MW)
Emissione NOX = 840 mg/m3 (TPN) → Limite consentito = 100 !!!
3) Centrale a olio combustibile (gruppo 320 MW)
Polveri sospese = 70-200 mg/m3 (TPN) → Limite consentito = 50 !!!
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TRATTAMENTO DEI FUMI
Prodotti emessi (centrale 1000 MW)
Ceneri (solo carbone) = 300 000 **
CO2 (carbone / olio) = 6 000 000*/4 400 000
SO2 (carbone / olio) = 31 600 / 21 000
CO (carbone / olio) = 2 500 / 2 200
NOX (carbone / olio) = 18 300 / 8 000
t/anno
t/anno
t/anno
t/anno
t/anno
Si tratta di quantità enormi! 16 000 tonnellate al giorno di anidride
carbonica (*), 820 tonnellate al giorno di ceneri(**)…
L’OMS stima ogni anno 2 MILIONI DI MORTI a causa
dell’inquinamento atmosferico. Un contributo fondamentale è
certamente quello delle centrali termoelettriche.
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TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO POLVERI
PST polveri sospese trasportate
Tre soluzioni:
 Precipitatori meccanici: solo per polveri grossolane (fino PM10);
 Filtri a manica: realizzati in tessuto di fibra di vetro rivestita di
grafite o teflon, hanno un’ottima efficienza di cattura del PST ma
sono molto costosi e hanno vita media breve (2-4 anni);
 Precipitatori elettrostatici (ESP, electrostatic precipitator): hanno
efficienza quasi unitaria, sfruttano un effetto corona indotto per
polarizzare le particelle e quindi sottoporle ad un campo elettrico
che le costringe a depositarsi su superfici cariche elettricamente.
→ Vedere scheda di approfondimento “I precipitatori elettrostatici”
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TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO SOX
Desolforazione – abbattimento degli ossidi di zolfo
SO2, SO3 → piogge acide
 Prodotti da centrali ad olio e a carbone
 Si possono utilizzare carboni ed oli a basso tenore di zolfo (<0,23%),
più rari e costosi, bonificati addirittura in miniera subito dopo
l’estrazione (nel caso del carbone) attraverso il lavaggio in situ.
 Oppure si ricorre a processi chimici ad umido o a secco, noti come
sistemi FGD o DeSOx, che introducendo composti di calcio catturano
lo zolfo producendo però fanghi acidi → necessità trattamento e
stoccaggio in discariche speciali.
 Il costo dell’investimento per grandi impianti è di 70 $/kWe (2006) a
cui va sommato il prezzo del reagente e della gestione della
discarica. Il kWh elettrico generato può arrivare a costare +20%!
→ Vedere scheda “La Desolforazione”
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TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO NOX
Denitrificazione → abbattimento ossidi di azoto
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Il 73% dell’aria è azoto (N2), gas inerte che non ossida e perciò
non partecipa alla combustione. Tra 900 e 1000 gradi la
formazione di NOx è molto contenuta: ma in CdC le temperatura
sono ben più alte, 1300-1500 gradi.
Si inietta perciò ammoniaca in caldaia (circa 30 t/giorno per
gruppi da 320 MW) → l’ammoniaca che non si combina viene
però espulsa nell’atmosfera.
Sistemi SCR (selective catalytic reduction): si introduce poca
ammoniaca (NH3) e si fa in modo che reagisca tutta grazie alla
presenza di opportuni catalizzatori. All’uscita abbiamo acqua e
azoto molecolare (gas N2).
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IMPIANTI TERMOELETTRICI A TURBOGAS
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Quanto finora detto è riferito ad impianti con turbine a vapore.
Negli ultimi anni il ruolo delle turbine a gas si è fatto via via
più importante.
Gli impianti a turbogas hanno taglie di potenze inferiori, per cui
si hanno più gruppi posti in parallelo. La struttura dell’impianto
è più semplice (vedi schema) e richiede costi e tempi di
realizzazione minori → costi iniziali minori
Tuttavia il combustibile è il pregiato gas naturale, più raro e
costoso (e meno inquinante), e al contempo i rendimenti sono più
bassi (25-30%) → costi operativi molto alti
Bassi costi iniziali ma alti costi di funzionamento → impianto di
punta, produce solo durante i picchi di domanda (≈1500 h/anno)
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IMPIANTI A CICLO COMBINATO
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Ciclo combinato: ciclo che impiega turbine a gas e poi a vapore.
Si realizza un normale ciclo turbogas ma i gas di scarico (grandi
portate, alte temperature) vengono utilizzati per scaldare il
fluido di un ciclo a vapore.
Elevati rendimenti di conversione, ma soprattutto grandi
aspettative sull’evoluzione tecnologica delle turbine a gas,
che di anno in anno vengono migliorate sensibilmente (quelle a
vapore sono invece ferme da più di vent’anni).
Possibilità di “aggiornare” vecchi impianti convertendoli al ciclo
combinato, oltre che di costruirne nuovi che nascono già a ciclo
combinato.
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DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL
Generazione elettrica mondiale (mondo)
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DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL
Produzione emissioni CO2 (mondo)
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DATI AGGIORNATI SULLA PROD.
Previsioni IEA per il futuro (mondo)
Scenario standard (business as usual) vs scenario green
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ISTRUZIONI
o
o
o
PER LO STUDIO PERSONALE
Leggere bene questa presentazione;
Studiare la scheda “How do you make electricity from coal?” (con
video);
Esercitazione nr. 1 per il prossimo incontro.
Per qualsiasi dubbio/considerazione/proposta:
[email protected]
→ segnalatemi anche errori e sviste nelle slide!
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05/03/2012
Fonti:
 Impianti di produzione dell’energia
elettrica, Roberto Caldon, Libreria Progetto;
 Key world energy statistics 2010,
International Energy Agency (IEA), www.iea.org;
(http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2010/key_stats_2010.pdf)
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