LO STUDIO DI IMPATTO AMBIENTALE DELLE CENTRALI ELETTRICHE

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1 LO STUDIO DI IMPATTO AMBIENTALE DELLE CENTRALI ELETTRICHE

2 LE CENTRALI ELETTRICHE: DEFINIZIONI E CARATTERISTICHE PRINCIPALI Le centrali elettriche sono impianti che convertono il contenuto energetico di un combustibile in energia elettrica Il contenuto energetico di un combustibile è definito dal potere calorifico che esprime la quantità di energia termica che si ottiene dalla combustione di un chilogrammo di combustibile Il rapporto fra l energia elettrica prodotta e l energia termica liberata nella combustione del combustibile definisce il rendimento termico elettrico della centrale Le centrali elettriche producono energia elettrica che si misura in chilowattora (kwh) Le centrali elettriche producono vari tipi di impatto ambientale

3 LE CENTRALI ELETTRICHE: PRINCIPALI IMPATTI AMBIENTALI (1) Nello studio di impatto ambientale debbono essere considerati tutti gli aspetti che influenzano la sostenibilità: il consumo di risorse (combustibile, acqua, energia, altri materiali) le emissioni in aria e in acqua la produzione di rifiuti la produzione di rumore la produzione di radiazioni ionizzanti e non ionizzanti l alterazione del paesaggio Gli aspetti citati sono tutti responsabili di effetti negativi

4 LE CENTRALI ELETTRICHE: PRINCIPALI IMPATTI AMBIENTALI (2) Nello studio di impatto ambientale vanno valutati gli impatti che influenzano positivamente il contesto socio - economico: la disponibilità di energia elettrica per usi civili, industriali e trasporti l aumento dei posti di lavoro in fase di costruzione ed esercizio Gli aspetti citati sono tutti responsabili di effetti positivi

5 IL SIA DELLE CENTRALI ELETTRICHE: L ANALISI DELLE ALTERNATIVE Nello studio di impatto ambientale è necessario effettuare l analisi delle alternative relative a: localizzazione tipo di combustibile soluzioni progettuali

6 IL SIA DELLE CENTRALI ELETTRICHE: ALTERNATIVE DI LOCALIZZAZIONE Nella scelta del sito si deve tenere conto di: bacino di utenza disponibilità di acqua per il raffreddamento caratteristiche meteoclimatiche

7 IL SIA DELLE CENTRALI ELETTRICHE: ALTERNATIVE DI COMBUSTIBILE Il tipo di combustibile deve essere scelto sulle seguenti basi: livello di esauribilità (rinnovabilità, abbondanza) potere inquinante intrinseco (zolfo, ceneri, ecc.) produzione di gas serra LCA a basso impatto Parametri di sostenibilità di alcuni combustibili puliti

8 ALTERNATIVE DI COMBUSTIBILE ESURIBILITÀ ESAURIMENTO COMBUSTIBILI FOSSILI: ANNI PREVISTI = R/P, PER AREE GEOGRAFICHE petrolio gas naturale carbone

9 ALTERNATIVE DI COMBUSTIBILE PRODUZIONE DI INQUINANTI E GAS SERRA I combustibili fossili e le biomasse sono forti produttori di CO 2 e di inquinanti (SO 2, NOx, HC, CO) La produzione di CO 2 è diversa per i vari combustibili ed è direttamente correlata alla loro composizione elementare e al loro potere calorifico Emissioni specifiche di CO2 per alcuni combustibili

10 ALTERNATIVE DI PROGETTO Scelta del tipo di centrale (idroelettrica, termoelettrica, nucleare, solare, eolica, ecc.) Per le centrali termoelettriche: scelta del processo (ciclo a vapore, turbogas, ciclo combinato) scelta del tipo di refrigerazione (acqua da corpo idrico naturale, torri a umido e a secco)

11 CENTRALE IDROLETTRICA (1) Centrale idroelettrica: schema di funzionamento

12 CENTRALE IDROLETTRICA (2) La produzione di energia avviene per trasformazione dell energia potenziale dell acqua contenuta nel bacino in energia cinetica che fa ruotare la turbina e conseguentemente l alternatore. La potenza generata è data da: dove Q g m h è la è l'accelerazione di è il portata W = Q dislivello m g h d'acqua (kg/s) gravità (m/s 2 )

13 CENTRALE IDROLETTRICA (3) La quantità di energia prodotta in un anno può essere calcolata conoscendo la superficie del bacino imbrifero che alimenta il bacino di raccolta e la piovosità annuale: dove E 3 = P 10 E = energia prodotta in 1anno (joule) P = piovosità (mm di acqua) 3 ρ = densità dell'acqua (kg/m ) g = accelerazione di gravità (m/s h = dislivello (m) ρ g h S S = superficie del bacino imbrifero (m 2 ) 2 )

14 CENTRALE IDROLETTRICA (4) I principali effetti ambientali negativi riguardano: lavori di costruzione che comportano impatti ambientali significativi modifiche nell assetto idrogeologico, con accumulo dei sedimenti nel bacino di raccolta e conseguente riduzione dell apporto di materiale alluvionale nella parte a valle modifiche al microclima locale nelle vicinanze del bacino, con aumento di umidità e e modificazioni dell ecosistema locale (vegetazione, avifauna, ecosistema acquatico, ecc.) rischi di gravi incidenti di rottura della diga con danni alla popolazione e all ambiente

15 CENTRALE IDROLETTRICA (5) I principali effetti ambientali positivi riguardano: sfruttamento di una risorsa rinnovabile (acqua) con tempo di rigenerazione di un anno e quindi mancato consumo di una fonte non rinnovabile (combustibile fossile) rendimento elevato (>90%) assenza di emissioni liquide e gassose assenza di produzione di rifiuti

16 CENTRALE TERMOELETTRICA aria = Q a combustibile = Q c potenza elettrica = W e centrale termoelettrica W = potenza termica th ceneri = Q w fumi prod. comb. = Q f calore sens. = W f aria residua = Q r calore di scarico = W h Grandezze fondamentali di una centrale termoelettrica

17 RENDIMENTO DEL CICLO DI CARNOT Rendimento ciclo di Carnot 1 0,9 0,8 rendimento 0,7 0,6 0,5 0,4 T T T T2 T1 = 2 1 T = temperatura della sorgente calda( K) = temperatura della sorgentecalda T = temperatura della sorgente fredda(293 K) = temperatura della sorgentefredda 1 = ηt T η T 2 2 0,3 0,2 0, temperatura della sorgente calda (T 2 )

18 RENDIMENTO DELLE CENTRALI ELETTRICHE: EVOLUZIONE DELLE TECNOLOGIE Rendimento del ciclo di Carnot η Carnot = (T 2 -T 1 ) / T 2 T 2 = temperatura sorgente calda; T 1 = temperatura sorgente fredda

19 CENTRALE TERMOELETTRICA GRANDEZZE FONDAMENTALI Fattore di carico = f c f c = energia prodotta/energia producibile alla potenza nominale f c = E a / W e Rendimento termico - elettrico = η η = energia elettrica prodotta/energia termica spesa η = W e / W th tipo di centrale f c η carbone 0,55-0,75 0,38-0,40 olio combustibile 0,70-0,80 0,38-0,40 gas naturale 0,75-0,85 0,38-0,40 nucleari (provati) 0,75-0,95 * 0,32-0,35

20 CENTRALE TERMOELETTRICA FLUSSI DI MATERIA TIPICI N Q 2 3 O Q 2 4 fumi CO 2 Q 1 H O Q 2 2 SO 2 Q 5 CO Q 6 aria + combustibile W e = 1000 MWe Q Q a c NO x Q 7 HC Q 8 PTS Q 9 ceneri Q w

21 CENTRALE TERMOELETTRICA FLUSSI DI ENERGIA TIPICI N W 2 3 O W 2 4 fumi CO 2 W 1 H O W 2 2 SO 2 W 5 CO W 6 energia entrante W e = 1000 MWe W = Q. q th c ci calore di scarico acqua di raffredd. condensatore = W h NO x W 7 HC W 8 PTS W 9 calore sensibile dei fumi = W f

22 CENTRALE TERMOELETTRICA BILANCI DI MATERIA ED DI ENERGIA fumi 9% vapore turboalternatore energia elettrica 40% comb. 100% caldaia condensatore perdite termiche 4% ricircolo acqua T 1 T2 calore di scarico 47% Q h fiume Q m prelievo scarico

23 CENTRALE TERMOELETTRICA PRINCIPALI IMPATTI AMBIENTALI Emissioni gassose (SOx, NOx, CO, HC, ecc.) Emissioni di CO 2 Consumo di combustibile Consumo di acqua Produzione di rifiuti solidi (ad es. ceneri di carbone) Produzione di rumore Scarico di calore nei corpi idrici

24 CENTRALI TERMOELETTRICHE INQUINAMENTO TERMICO DI CORPI IDRICI NATURALI Il calore scambiato nel condensatore viene di norma scaricato nei grandi corpi idrici naturali (fiumi, mare, laghi) oppure viene smaltito tramite le torri di raffreddamento. Se lo scarico viene effettuato in un fiume di grande dimensioni con una portata pari a Q m la portata dell'acqua di raffreddamento del condensatore Q h può essere calcolata conoscendo la potenza termica scaricata W h, ed il valore di T = T 2 -T 1 (differenza di temperatura fra uscita e ingresso nel condensatore) W h = Q. h (Cp). H2O T Il valore di T è limitato a 8-12 C; infatti per valori del rapporto Q m /Q h > 10, in un ristretto spazio nell'intorno del diffusore di scarico, l'incremento della temperatura del fiume si riduce a valori dell'ordine di 1 C (limite di tollerabilità degli ecosistemi acquatici)

25 CENTRALE TERMOELETTRICA MISURE PER RIDURRE GLI IMPATTI AMBIENTALI IMPATTO RIMEDIO Emissioni gassose uso di combustibili puliti (ad esempio gas naturale) Emissioni di CO2 uso di combustibili più poveri in carbonio (ad es. gas naturale) maggiore rendimento termodinamico (ciclo combinato) Consumo di combustibile maggiore rendimento termodinamico (ciclo combinato) Consumo di acqua uso di torri di raffreddamento a secco e a umido Scarico di calore nei corpi idrici naturali uso di torri di raffreddamento a secco e a umido Produzione di rifiuti solidi uso di combustibili alternativi al carbone Produzione di rumore uso di barriere acustiche

26 IL RUOLO DELLE INNOVAZIONI: EMISSIONI DI CO2 DA CENTRALI ELETTRICHE EMISSIONI DI CO 2 (kg/kwh) emissioni CO2/kWh 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 rendimento emissioni metano Olio combustibile Ciclo combinato Carbone

27 IL RUOLO DELLE INNOVAZIONI EMISSIONI IN ARIA DA CENTRALI ELETTRICHE Indicatori di sostenibilità nella produzione elettrica

28 COSA SI INTENDE PER "CICLO COMBINATO Con l espressione "ciclo combinato" si definisce l unione di due cicli tecnologici, uno compiuto da aria e gas naturale (ciclo a gas) e l altro compiuto da acqua e vapore (ciclo a vapore), entrambi finalizzati a produrre energia elettrica con elevato rendimento

29 SCHEMA DI FUNZIONAMENTO DI UNA CENTRALE A CICLO COMBINATO

30 SCHEMA DI UN IMPIANTO A CICLO COMBINATO CON COGENERAZIONE

31 RAPPRESENTAZIONE SCHEMATICA DEL CICLO COMBINATO

32 VISTA DI INSIEME DI UNA CENTRALE A CICLO COMBINATO

33 I DUE CICLI DEL CICLO COMBINATO CICLO A GAS Un compressore aspira l aria dall ambiente esterno portandola a pressioni elevate. L aria così compressa viene immessa in camera di combustione assieme al combustibile (gas naturale) La miscela che si forma viene incendiata e i gas prodotti ad alta pressione e temperatura si espandono in una turbina a gas (turbogas) che, ruotando, trascina un alternatore che genera energia elettrica.

34 I DUE CICLI DEL CICLO COMBINATO CICLO A VAPORE I gas di scarico del turbogas vengono inviati in un generatore di vapore dove i gas cedono calore all acqua che si trasforma in vapore ad alta temperatura e pressione A questo punto i gas della combustione possono essere avviati al camino avendo ormai una temperatura molto bassa e un basso contenuto energetico. Il vapore prodotto nel generatore a recupero va ad alimentare una turbina, a vapore, che trascina nella sua rotazione un secondo alternatore per la generazione di energia elettrica.

35 CICLO COMBINATO RAFFREDDAMENTO E PRODUZIONE ELETTRICA Il vapore scaricato dalla turbina viene raffreddato, condensato e pompato nuovamente nel generatore di vapore per ricominciare il ciclo. Il circuito di raffreddamento che serve il condensatore, sfrutta il potere refrigerante di una torre di raffreddamento ad aria o ad acqua. L energia elettrica generata dai due alternatori viene elevata di tensione per mezzo di due trasformatori e viene indirizzata al più vicino elettrodotto.

36 CICLO COMBINATO: I COMPONENTI (1) Il compressore aspira l aria comburente che serve ad alimentare la combustione e la porta ad una pressione di circa 14 bar. Il compressore è montato sullo stesso asse motore della turbina a gas e viene messo in rotazione da quest ultima. Nella camera di combustione viene innescata la combustione tra il metano e l aria. La miscela di gas ad alta pressione e temperatura (circa 1200 C) alimenta la turbina a gas (turbogas). Nella turbina a gas i gas espandendosi cedono la propria energia alla macchina che, a regime, ruota alla velocità di 3000 giri/minuto, trascinando nel suo moto l alternatore e lo stesso compressore che la alimenta.

37 CICLO COMBINATO: I COMPONENTI (2) L alternatore, messo in rotazione alla velocità di 3000 giri/minuto dalla turbina, genera energia elettrica. Il generatore di vapore a recupero è riscaldato con i gas emessi dal turbogas che hanno un elevata temperatura (circa 600 C) e che sono in grado di produrre vapore (ciclo acqua-vapore). Nel generatore di vapore a recupero i gas terminano il loro ciclo e, ormai raffreddati a C, vengono avviati al camino. La turbina a vapore è collegata ad un secondo alternatore che contribuisce a generare energia elettrica.

38 CICLO COMBINATO: I COMPONENTI (3) Nel condensatore il vapore scaricato dalla turbina viene raffreddato fino alla condensazione per poter essere reimmesso nel ciclo. Il raffreddamento è assicurato da un fluido refrigerante (acqua o aria) che fa capo ad una torre di raffreddamento di dimensioni molto diverse a seconda della tecnica e del fluido di raffreddamento utilizzati (aria o acqua, tiraggio forzato o naturale). Con il raffreddamento ad aria si riduce drasticamente il fabbisogno d acqua della centrale, anche se questo vantaggio si paga con un lieve peggioramento del rendimento del ciclo combinato.

39 CICLO COMBINATO: DATI DI PROGETTO Potenza elettrica lorda: 400 MW di cui: 260 MW per la turbina a gas 140 MW per la turbina a vapore Potenza termica: Rendimento elettrico, al netto degli autoconsumi: Energia elettrica generata: Altezza camino: Combustibile: Portata combustibile: 700 MW 55 % 3 Mldi di kwh/anno m gas naturale 60 t/h (max)

40 CICLO COMBINATO VANTAGGI E PROBLEMI AMBIENTALI Vantaggi I consumi di acqua sono limitati alle esigenze di reintegro necessario per compensare le perdite del circuito a vapore L elevato rendimento riduce il consumo di combustibile L uso del metano rende la combustione meno inquinante Problemi L uso di aerotermi per lo smaltimento del calore comporta emissioni sonore di notevole entità e costi elevati per fornire energia ai ventilatori Lo scarico di grandi portate di aria calda nell ambiente può provocare perturbazioni al microclima locale