lezione 1 le centrali termoelettriche · centrale termoelettrica centrale elettrica in cui...

05/03/2012

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LEZIONE 1

LE CENTRALI

TERMOELETTRICHE

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.

Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi

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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)



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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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).


LOCALIZZAZIONE IMPIANTOIN FOTO: CENTRALE DI PORTO TOLLE – DELTA DEL PO


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COMBUSTIBILI FOSSILI


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).


COMBUSTIBILE FOSSILE 3/3

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 chimico-

fisico 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.).


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 TERMOELETTRICAACQUA/VAPORE – ELETTRICO - RAFFREDDAMENTO


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

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 70-

100 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).


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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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) turbina-

alternatore 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.



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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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.


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 ** t/anno

CO2 (carbone / olio) = 6 000 000*/4 400 000 t/anno

SO2 (carbone / olio) = 31 600 / 21 000 t/anno

CO (carbone / olio) = 2 500 / 2 200 t/anno

NOX (carbone / olio) = 18 300 / 8 000 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.


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”


TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO NOX

Denitrificazione → abbattimento ossidi di azoto

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

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)


IMPIANTI A CICLO COMBINATO

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)


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


ISTRUZIONI PER LO STUDIO PERSONALE


o Leggere bene questa presentazione;

o Studiare la scheda “How do you make electricity from coal?” (convideo);

o Esercitazione nr. 1 per il prossimo incontro.

Per qualsiasi dubbio/considerazione/proposta:

[email protected]

→ segnalatemi anche errori e sviste nelle slide!

mailto:[email protected]



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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)

http://www.iea.org/

http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2010/key_stats_2010.pdf






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