2/10 - Thermoelectric power plants - Fundamentals of Energy Technology (Italian)

LEZIONE2
CONVENZIONALE,
MA NON TROPPO!

Seminario di energetica

dott. Riccardo Maistrello
ITIS Guglielmo Marconi (Verona)

Mercoledì 14 marzo 2012, aula 110

Cosa abbiamo visto
nella scorsa lezione?

 Definizione di centrale termoelettrica;
 Localizzazione di un impianto;

 Il problema del raffreddamento;

 Combustibili fossili: carbone, gas e olio combustibile;

 Funzionamento di una centrale a carbone: componenti
e circuiti (turbina a vapore).
 Il problema delle emissioni inquinanti.

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

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 + 7’863 kCal/kg(C)
2 H2 + O2 → 2 H2O + 33’915 kCal/kg(H2)
S + O2 → SO2 + en. trascurabile

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 centigradi, 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.


CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA
ACQUA/VAPORE – ELETTRICO - RAFFREDDAMENTO


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.
 Oggi una ciminiera può raggiungere i 300 metri, una torre di
raffreddamento i 100.

 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 !!!

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 (premature) a causa
dell’inquinamento atmosferico. Un contributo fondamentale è
certamente quello delle centrali termoelettriche (assieme ad auto,
camion, aerei).


INQUINAMENTO E SALUTE
 Particelle delle dimensioni inferiori o pari a 10 micron o milionesimi di metro
(PM10) possono penetrare nei polmoni ed entrare nella circolazione sanguigna,
causando malattie cardio-vascolari, cancro ai polmoni, asma e infezioni acute
alle vie respiratorie". L'Oms raccomanda di rispettare una soglia media annua
di 20 microgrammi di PM10 per metro cubico (20μg/m3)

MA CHI È CHE INQUINA?
 La struttura delle sorgenti di CO2 varia di paese in paese:
chi genera elettricità da nucleare, per esempio, emette
meno ceneri, CO, CO2, SOx, NOx (ma deve occuparsi di
gestire le scorie radioattive poi).
 In generale, di tutta la CO2 emessa grosso modo:
 1/3 viene dalla generazione elettrica;
 1/3 dai trasporti (auto, camion, aereo, nave);
 1/3 da industria, riscaldamento e altre attività.

In prima (e grossolana) approssimazione, possiamo immaginare che anche gli
altri inquinanti vengano emessi con la stessa distribuzione anche se sappiamo
che bruciare gas metano o benzina od olio combustibile o carbone non è la
stessa cosa.
 2 milioni di morti l’anno su 7 miliardi di persone
nel mondo = 2 morti ogni 7’000 persone;
 In Italia (56 mln ab.) = 16’000 morti/anno
 16’000/3 = 5’300 morti/anno per le emissioni
inquinanti dalla generazione elettrica
(evidentemente termo-elettrica in massima
parte): morti sulla strada 2010 → 4’090 (ACI)

STRATEGIA UE ABBATTIMENTO EMISSIONI
(IN DISCUSSIONE)


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”


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).


IMPIANTI TERMOELETTRICI A TURBOGAS
 Quanto finora detto sul funzionamento di una centrale 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)

1 anno = 8760 ore


CENTRALE TURBOGAS (CON TURBINA A GAS)


FUNZIONAMENTO TURBOGAS


TURBOGAS CON RIGENERAZIONE


Per la produzione dell’energia elettrica, il tipo di impianto con turbina a gas (turbogas)
più semplice è ad una sola linea d’albero ed è costituito da un compressore
multistadio (in cui l’aria aspirata dall’esterno viene compressa), una camera di
combustione (in cui avviene la combustione di combustibile addizionato all’aria
compressa), una turbina o espansore (in cui avviene l’espansione dei gas provenienti
dal combustore). La potenza sviluppata nell’espansore viene in parte assorbita dal
compressore e per la parte restante è fornita al generatore elettrico coassiale. Una
considerevole potenza termica è associata ai gas di scarico.


IMPIANTI A CICLO COMBINATO
 Ciclo combinato: ciclo che impiega e combina turbine a gas e a vapore (in
questo ordine). 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 (anche 50-55%), 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. Enel ha iniziato a combinare turbine a gas con turbine a
vapore già dagli anni ’80.


CICLO COMBINATO


CICLO COMBINATO
 In un impianto a ciclo combinato l’energia elettrica viene prodotta
da alternatori mossi da turbine a gas e da turbine a vapore, tra
loro “combinate” per il fatto che i gas di scarico della turbina a
gas, per mezzo di un generatore di vapore a recupero (GVR),
generano il vapore necessario per alimentare la turbina a vapore.
 Il processo complessivo impiega dunque il calore alla temperatura
elevata della turbina a gas e cede il calore alla temperatura bassa
del condensatore della turbina a vapore, realizzando in definitiva
le condizioni ottimali per rendimenti eccellenti, nettamente
superiori al 50%. Il processo di produzione dell’impianto a ciclo
combinato si basa perciò sull’accoppiamento in cascata di due
cicli termodinamici, per cui il calore scaricato dal primo ciclo
costituisce il calore d’ingresso del secondo ciclo.


DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL
Generazione elettrica mondiale (mondo)


DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL
Produzione emissioni CO2 (mondo)


DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE
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 Esercitazione nr. 2 per il prossimo incontro.

Per qualsiasi dubbio/considerazione/proposta:
riccardomaistrello@gmail.com

→ segnalatemi anche errori e sviste nelle slide!


Fonti:
 Impianti di produzione dell’energia elettrica, Roberto Caldon,
Libreria Progetto;
 Dispense del corso di “Conversione dell’energia”, Carlo Belli,
Università di Pavia
(http://www-3.unipv.it/electric/conven/)

 Key world energy statistics 2010, International Energy Agency
(IEA), www.iea.org;
(http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2010/key_stats_2010.pdf)

 European Commission's Directorate-General for Energy and
Transport.
Web site: http://ec.europa.eu/energy/index_en.htm

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