UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Elettrica CONVERSIONE DELL ENERGIA

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Rosangela Roberti
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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Elettrica Dott. Ing. CARLO BELLI Professore a contratto di Conversione dell Energia presso l Università degli Studi di Pavia Dott.

1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Elettrica Dott. Ing. CARLO BELLI Professore a contratto di Conversione dell Energia presso l Università degli Studi di Pavia Dott. Ing. PAOLO CHIZZOLINI già Professore incaricato di Centrali Elettriche presso l Università degli Studi di Pavia CONVERSIONE DELL ENERGIA Anno accademico

2 Quippe etenim ventus subtili corpore tenuis Trudit agens magnam magno molimine navem Et manus una regit quantovis impete euntem Atque gubernaclum contorquet quolibet unum, multaque per trocleas et tympana pondere magno commovet atque levi sustollit machina nisu. (Lucrezio, De rerum natura, IV, ) Ed infatti il vento, tenue per la sua natura sottile, muove e sospinge una grande nave di poderosa mole e un unica mano la governa per quanto rapida corra e un solo timone la fa piegare dove tu vuoi, e per mezzo di pulegge e di ruote molti carichi di grande peso una macchina smuove e solleva con lieve sforzo. 2

3 INDICE Capitolo 1 L energia 1. Principi generali 2. Fonti energetiche 3. Bilancio energetico 4. Consumi di energia 5. L energia elettrica in Italia 5.1. Evoluzione degli impianti italiani 5.2. L ENEL e il mercato dell energia elettrica 6. Impianti di generazione in Italia 6.1. Impianti idroelettrici 6.2. Impianti termoelettrici 6.3. Impianti da fonti rinnovabili 7. Produzione di energia elettrica in Italia 8. Consumi di energia elettrica in Italia 8.1. Diagrammi di carico 8.2. Reti elettriche 9.3. Consumi elettrici per settore 9. Scambi con l estero 10. L energia elettrica in Europa e nel mondo Capitolo 2 Le centrali idroelettriche 1. Premesse e definizioni 2. Elementi costitutivi di un impianto idroelettrico 3. Classificazione degli impianti 4. Piano di utilizzazione dei corsi d acqua 5. Dimensionamento di un impianto 5.1. Componenti del costo-impianto 5.2. Dimensionamento di un impianto ad acqua fluente 5.3. Dimensionamento di un impianto con serbatoio di regolazione stagionale 5.4. Dimensionamento di un impianto con serbatoio di regolazione giornaliero o settimanale 6. Schemi tipici di impianti idroelettrici 7. Opere che compongono un impianto idroelettrico 7.1. Opere di sbarramento Generalità Traverse fluviali Dighe Tipi di dighe Calcolo di stabilità delle dighe Opere di scarico delle dighe Controllo delle dighe 7.2. Opere di presa 7.3. Opere di derivazione Canali a pelo libero Vasca di carico Gallerie in pressione Vasca di oscillazione o pozzo piezometrico Condotte forzate Organi di chiusura e di regolazione 7.4. Opere di restituzione 8. Centrali idroelettriche 8.1. Scelta dell ubicazione della centrale 3

4 Centrali all esterno Centrali in caverna 8.2. Macchinario idraulico Tipi di turbine Turbine ad azione Turbine a reazione Scelta ed installazione del macchinario idraulico Collaudo del macchinario idraulico 8.3. Macchinario elettrico Generatori Sistemi di eccitazione Trasformatori Schemi elettrici tipici Stazione elettrica annessa alla centrale Quadro di comando e controllo Servizi ausiliari Impianto di terra 8.4. Problemi di regolazione nelle centrali idroelettriche Generalità Regolazione della velocità di una turbina idraulica Regolazione della frequenza in una rete alimentata da più gruppi 8.5. Esercizio delle centrali idroelettriche Avviamento e marcia dei gruppi Continuità del servizio 9. Altri impianti idroelettrici 9.1. Impianti di pompaggio 9.2. Centrali mareomotrici Capitolo 3 Le centrali termoelettriche 1. Cicli termodinamici 1.1. Proprietà dei fluidi 1.2. Trasformazioni dell acqua in vapore 1.3. Cicli termodinamici Ciclo Rankine 1.4. Scelta del tipo di impianto termoelettrico 1.5. Determinazione dei costi di generazione 1.6. Scelta del combustibile Emissioni di anidride carbonica 2. Centrali termoelettriche a vapore 2.1. Schemi tipici di centrale Circuiti principali Rendimenti Sistemazioni impiantistiche Interazioni con l ambiente 2.2. Combustibili Combustibili solidi Combustibili liquidi Combustibili gassosi 3. Generatori di vapore 3.1. Circuito aria-gas 3.2. Circuito acqua-vapore 3.3. Circolazione dell acqua in caldaia Caldaie a circolazione naturale Caldaie a circolazione controllata Caldaie a circolazione forzata 4

5 Caldaie a circolazione combinata 3.4. Trasmissione del calore in caldaia 3.5. Dimensionamento del generatore di vapore 3.6. Isolamento termico del generatore di vapore 4. Turbine a vapore 4.1. Turbine ad azione 4.2. Turbine a reazione 4.3. Rendimento delle turbine 4.4. Scelta del tipo di turbina 4.5. Caratteristiche costruttive delle turbine Statore Rotore Cuscinetti Lubrificazione Tenute Valvole di turbina Dispositivi di controllo e protezione 5. Impianti di condensazione 5.1. Impianto acqua condensatrice in ciclo aperto 5.2. Condensatore 5.3. Impianto acqua condensatrice in ciclo chiuso 5.4. Sistemi di raffreddamento a secco 6. Ciclo condensato-alimento 7. Montante di macchina 7.1. Alternatori 7.2. Trasformatori 7.3. Stazione elettrica 7.4. Circuiti in corrente continua 7.5. Protezioni e blocchi 8. Servizi ausiliari 8.1. Servizi ausiliari elettrici 8.2. Servizi antincendio 8.3. Ciclo acqua servizi 8.4. Ciclo vapore ausiliario 8.5. Ciclo aria compressa 8.6. Impianto acque reflue 8.7. Impianto di demineralizzazione 9. Regolazioni 9.1. Generalità 9.2. Regolazioni principali di una centrale termoelettrica Regolazione caldaia a corpo cilindrico Regolazione caldaia ad attraversamento forzato Regolazioni ausiliarie di caldaia Regolazioni ausiliarie del ciclo termico Regolazione turbina Regolazione alternatore 10. Problemi chimici Corrosione nei generatori di vapore Corrosione nei condensatori Impurezze contenute nei cicli termici Condizionamento e conservazione con ammoniaca e idrazina Lavaggi acidi Condizionamento con ossigeno 11. Salvaguardia ambientale Le nuove norme ambientali Riduzione degli ossidi di zolfo Impianti di desolforazione 5

6 Processi ad umido Processi a semisecco Processi a secco Processi rigenerativi Processi combinati Riduzione degli ossidi di azoto Interventi primari di denitrificazione Interventi secondari di denitrificazione Captazione delle polveri Capitolo 4 Le turbine a gas e i cicli combinati 1. Cicli delle turbine a gas 1.1. Cicli a gas ideali 1.2. Cicli a gas reali 1.3. Varianti dei cicli a gas 2. Turbine a gas 2.1. Funzionamento delle turbine a gas 2.2. Avviamento e regolazione delle turbine a gas 2.3. Componenti delle turbine a gas 2.4. Variazione delle prestazioni delle turbine a gas Variazione della pressione atmosferica Variazione della pressione allo scarico Perdite di carico all aspirazione Variazione della temperatura dell aria Sporcamento del compressore 2.5. Caratteristiche costruttive delle turbine a gas Compressore Sistema di combustione Espansore (turbina) 3. Centrali termoelettriche ripotenziate con turbine a gas 3.1. Schema tipo fully fired 3.2. Schema tipo unfired 3.3. Cosiderazioni economiche e tecniche sul repowering 4. Centrali a ciclo combinato 4.1. Cicli termodinamici 4.2. Generatore di vapore a recupero (GVR) 4.3. Configurazioni impiantistiche delle centrali a ciclo combinato 4.4. Confronto tra centrali termoelettriche tradizionali e centrali a ciclo combinato 4.5. Ciclo combinato con post-combustione 4.6. Trasformazione di centrali termoelettriche tradizionali in cicli combinati 5. Le turbine a gas e il carbone 5.1. Impianti IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle) 5.2. Caldaie a letto fluido e cicli combinati 5.3. Ciclo a combustione esterna (EFCC) Capitolo 5 Gli altri impianti termoelettrici 1. Cogenerazione 2. Centrali a recupero 3. Impianti di generazione distribuita 4. Centrali geotermoelettriche 5. Centrali con motori Diesel 6

7 Capitolo 6 Le centrali nucleotermoelettriche 1. Reazioni nucleari 1.1. Richiami di fisica atomica 1.2. Radioattività 1.3. Fissione nucleare 2. Fisica del reattore 3. Tecnologia dei reattori di potenza 4. Classificazione dei sistemi nucleari e dei reattori 4.1. Reattori a gas 4.2. Reattori ad acqua in pressione 4.3. Reattori ad acqua bollente 4.4. Reattori veloci 5. Rendimenti, costi, diffusione delle centrali nucleari 6. Opzioni nucleari a breve termine 7. Prospettive a lungo termine Capitolo 7 L energia da fonti rinnovabili 1. Energia dal sole 1.1. Celle fotovoltaiche 1.2. Solare termoelettrico 2. Energia dal vento 3. Energia dalle biomasse e dai rifiuti Capitolo 8 I nuovi sistemi di generazione 1. Celle a combustibile 1.1. Generalità 1.2. Principio di funzionamento 1.3. Sistema di celle 1.4. Tipologie di celle 2. Conversione magnetoidrodinamica (MHD) 3. Conversione elettrogasdinamica (EGD) 4. Onde e correnti 5. Gradienti termici oceanici 6. Fusione nucleare 6.1. Tipologia dei reattori a fusione 7

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