CENTRALI TERMOELETTRICHE
Le centrali termoelettriche sono impianti che utilizzano l’energia chimica dei
combustibili per trasformarla in energia elettrica.
Nelle centrali termoelettriche la produzione di energia elettrica avviene mediante
l’energia termica e di pressione date attraverso riscaldamento.
ENERGIA PRIMARIA
Per le centrali termoelettriche l’energia primaria è l’energia potenziale chimica, che
possiede il combustibile, trasformata in calore mediante la combustione.
Il potere calorifico è la quantità di calore ottenuta dalla combustione completa
dell’unità di massa o di volume di un combustibile.
La combustione produce anche del vapore acqueo, contenente una certa quantità di
calore, detto calore di vaporizzazione.
Si hanno due diversi valori di potere calorifico:
- Superiore se il calore di vaporizzazione viene considerato;
- Inferiore se il calore di vaporizzazione non viene considerato.
Il potere calorifico è un importante indice di qualità del combustibile; la scelta del
tipo di combustibile è legata a ragioni di tipo tecnico, economico, facilità di
approvvigionamento e inquinamento da residui di combustione.
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TRASFORMAZIONE ENERGETICHE
Le trasformazioni energetiche che avvengono in una centrale termoelettrica sono:
- Conversione dell’energia chimica del combustibile in energia termica e di
pressione del vapore; avviene nella caldaia (generatore di vapore);
- Trasformazione dell’energia posseduta dal vapore in energia meccanica di
rotazione attraverso la turbina, dove l’espansione e il raffreddamento del
vapore muovono la girante.
- Ottenimento dell’energia elettrica mediante l’alternatore mosso dalla turbina.
Caldaia e
accessori
turbina
alternatore
Nelle centrali termoelettriche si applica essenzialmente il ciclo di Rankine,
a uno o due surriscaldamenti; è un ciclo termodinamico diretto a vapore, composto da
due trasformazioni adiabatiche si dice di processo di un sistema termodinamico che
avvenga senza scambio di calore con l'esterno e due isobare. linea che congiunge sulle
carte tutti i punti della superficie terrestre aventi uguale pressione atmosferica
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CICLO DI RANKINE DEL VAPORE D’ACQUA
Il ciclo di Rankine ideale è costituito da quattro trasformazioni:
1. Compressione a volume costante dell’acqua dalla pressione di alimentazione a
quella di esercizio della caldaia;
2. Riscaldamento a pressione costante durante il quale il liquido si trasforma in
vapore, umido, secco, e surriscaldato;
3. ingrandimento adiabatica del vapore, durante la quale diminuiscono la
pressione e la temperatura e la variazione di energia interna si trasforma in
lavoro utile;
4. Condensazione del vapore a pressione costante, ottenuta sottraendo calore
al fluido.
Le centrali termoelettriche sono composte principalmente da tre parti fondamentali
COMPONENTI DELL’IMPIANTO ELETTRICO
Caldaia
Le caldaie che vengono usate adesso sono del tipo:”a tubi d’acqua”,nelle quali l’acqua
passa attraverso i tubi evaporatori riscaldati dal calore prodotto nel focolare; nel
passaggio l’acqua si riscalda e comincia a vaporizzarsi ,infine viene fatta passare nel
surriscaldatore,che è formato da un insieme di tubi riscaldati, i quali sono tali grazie
ai fumi generati dal bruciatore che trasformano per sempre l’acqua in vapore ad una
temperatura di circa 540 °C e ad una pressione molto elevata(essendo una caldaia
chiusa ermeticamente).
Turbina
Nella turbina avviene la trasformazione dell’energia termica e di pressione del vapore
in energia cinetica e da essa in energia meccanica di rotazione.
La turbina è formata da una parte fissa detto distributore e una parte mobile detta
girante.
Il fluido in movimento entra nella turbina, viene regolato mediante il distributore e
agisce sulle pale della girante mettendola in movimento.
Il movimento rotatorio della girante viene quindi trasferito mediante un albero ad un
alternatore che produce quindi energia elettrica.
Inoltre le turbine possono essere classificate in:
- turbine ad azione quando l’energia cinetica del fluido viene aumentata
solamente nel
distributore e poi il fluido viene utilizzato per far muovere la
girante;
- turbine a reazione quando all’uscita del distributore il vapore conserva ancora
dell’energia termica e di pressione,completando la trasformazione in cinetica
all’interno della girante.
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Condensatore
La pressione subito dopo essere uscita dal distributore comincia a diminuire, difatti
nel momento in cui il rotore si mette a girare, la pressione del vapore è diventata
tanto bassa da non essere più utilizzabile, quindi il vapore viene inviato al
condensatore, che, come dice la parola stessa, serve a condensarlo, ritrasformandolo
in acqua allo stato liquido.
Infine, l’acqua viene recuperata con una pompa e rimandata di nuovo in caldaia, dove
comincia un nuovo ciclo.
Il condensatore non è altro che uno scambiatore di calore, dove l’acqua che è stata
utilizzata sotto forma di vapore per muovere la turbina, viene raffreddata da altra
acqua a bassa temperatura (di solito acqua di mare o di fiume).
Le dimensioni del condensatore e la portata d’acqua necessaria al condensatore per
realizzare il suo ciclo di raffreddamento sono molto elevate, infatti le centrali
termoelettriche vengono costruite lungo i fiumi o sulle coste.
POTENZA TERMICA
La potenza termica è la quantità di energia nell’unità di tempo che il combustibile
fornisce al generatore di calore.
Viene chiamata anche carico termico orario perché se moltiplicata per il tempo di 1h,
rappresenta l’energia termica che occorre per ogni ora di funzionamento.
Il carico termico specifico ( o energia termica specifica) rappresenta l’energia
termica necessaria per produrre il valore unitario di energia elettrica
IMPATTO AMBIENTALE
La produzione dell’energia elettrica, come del resto ogni altra attività industriale,
provoca un certo impatto sull’ambiente, dipendente dal tipo di centrale e dalla
tecnologia adottata.
Per quanto riguarda l’inquinamento atmosferico hanno una rilevante importanza le
centrali termoelettriche alimentate con combustibili fossili, sia per la loro diffusione
infatti coprono circa i due terzi della produzione mondiale di energia elettrica sia per
la presenza dei prodotti residui della combustione, per esempio l’anidride carbonica,
che pur non essendo di per sé nociva, favorisce l’effetto serra e quindi il
riscaldamento globale. Occorre perciò limitare la produzione di CO2 nelle centrali.
La normativa che regola le emissioni in atmosfera delle centrali termoelettriche ha
avuto una rapida evoluzione, in particolare a partire dalla metà degli anni ’80.
Dato che il problema dell’inquinamento atmosferico non deriva solo dalla produzione
dell’energia elettrica e non dipende soltanto da un singolo stato, sono stati stipulati
dei protocolli internazionali.
Il rispetto dei limiti di emissione degli inquinanti comporta l’adozione di particolari
misure nella gestione delle centrali termoelettriche.
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Per la riduzione degli inquinanti a base di zolfo si scelgono operazioni sia di tipo
gestionale che impiantistico. I primi consistono nell’impiego di combustibili con
bassissimo tenore di zolfo, mentre i secondi richiedono l’installazione di impianti di
desolforazione dei fumi.
La riduzione degli ossidi di azoto si basa su interventi primari e secondari di
denitrificazione. I primi hanno lo scopo di ridurre la formazione di ossidi e vengono
attuati regolando opportunamente la combustione. Gli interventi secondari, invece,
servono per l’abbattimento degli ossidi di azoto dopo la combustione e consistono nel
prelevare i fumi provenienti dalla caldaia e inviarli a reattori catalitici, dove avviene
l’abbattimento mediante reazione con ammoniaca.
Per quanto riguarda la diminuzione delle polveri contenute nei fumi, si usano
precipitatori meccanici e elettrostatici. I primi provocano la caduta delle particelle
solide sospese nei gas facendone variare la velocità mediante allargamenti di sezione o
bruschi cambiamenti di direzione. I precipitatori elettrostatici, invece, si basano sul
principio dell’attrazione tra corpi dotati di carica elettrica di segno opposto e sono
costituiti da elementi metallici sottili e da piastre metalliche. Si deve tener conto,
infine che l’impatto ambientale provocato da una centrale non riguarda soltanto il
rilascio di sostanze inquinanti originate dalla combustione, ma comprende anche altri
aspetti:
1) inquinamento idrico
2) la modificazione del paesaggio
3) lo smaltimento dei rifiuti solidi
4) il controllo dell’inquinamento del rumore.
IMPIANTI CON TURBINE A GAS
Si tratta di impianti con minor potenza di
quelli a vapore, che sfruttano, mediante una turbina a gas, l’energia termica e di
pressione attribuite ad una miscela aria e gas di combustione, ottenuta bruciando del
combustibile pregiato ( gasolio o gas). Il compressore mosso dalla turbina comprime
l’aria aspirata e filtrata , la manda nella camera di combustione, dove essa acquista
energia termica. La miscela di aria e gas combusti si espande producendo lavoro
meccanico, trasformato in energia elettrica dall’alternatore. All’inizio del processo ,
dato che la turbina è ancora ferma, occorre un motore di lancio per avviare tutto il
gruppo e mettere in funzione il compressore.
IMPIANTI A CICLO COMBINATO
In un impianto a ciclo combinato l’energia elettrica viene prodotta per ogni gruppo da
due alternatori, uno mosso da una turbina a gas e l’altra da una turbina a vapore. Le
due turbine sono tra loro combinante per il fatto che i gas di scarico prodotti dalla
turbina a gas ad elevata temperatura, vengono impiegati come sorgente termica per
riscaldare l’acqua in un generatore di vapore a recupero e generare il vapore
necessario per alimentare la turbina a vapore. Il rendimento dell’impianto a valori
molto elevati, superiori al 50%.
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IMPIANTI CON MOTORE DIESEL
Si tratta di impianti di modesta potenza, utilizzabili in luoghi non elettrificati o per i
servizi di emergenza in mancanza della rete. Sono composti essenzialmente da un
alternatore mosso da un motore diesel.
La diffusione del fotovoltaico e dell’eolico, stanno facendo chiudere le prime centrali
termoelettriche in Italia (San Filippo del Mela - Messina) beneficio non solo
ambientale ma anche economico. In Italia le centrali più importanti sono quella di
Montalto di Castro (Viterbo) e quella di Porto Tolle (Rovigo).
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