1. MOTIVAZIONE DELLE PRINCIPALI SCELTE PROGETTUALI

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1 ALLEGATO D2 Centrale a ciclo combinato di San Severino Marche (MC) RELAZIONE SUL PROCESSO DI INDIVIDUAZIONE DELLE MIGLIORI TECNOLOGIE DISPONIBILI E DELLE ALTERNATIVE AMBIENTALI SVOLTO IN FASE DI ISTRUTTORIA DI VIA 1. MOTIVAZIONE DELLE PRINCIPALI SCELTE PROGETTUALI 1.1 TECNOLOGIA IMPIANTISTICA La scelta della tecnologia del ciclo combinato a gas deriva da una serie di considerazioni di ordine ambientale, tecnico, ed economico. Per quanto concerne gli aspetti ambientali la tecnologia del ciclo combinato a gas in impianti di grande taglia con tecnologia DLN consente di ottenere in rapporto ad altre tecnologie di conversione energetica basate sull utilizzo di combustibili fossili: La massima efficienza di conversione in energia elettrica; La minore emissione specifica di gas climalteranti per unità di energia prodotta; La minore emissione specifica di inquinanti; Il rinnovamento del parco termoelettrico italiano e l esteso ricorso alla tecnologia del ciclo combinato a gas consentiranno un drastico abbattimento delle emissioni inquinanti sia a livello nazionale, sia a livello regionale, pur a fronte di un sostanziale incremento della produzione di energia. Tale abbattimento delle emissioni inquinanti sarà particolarmente rilevante per quanto concerne l emissione di NO x, di SO 2 e di particolato secondario. Per quanto riguarda gli aspetti tecnici ed economici la tecnologia del ciclo combinato a gas risulta particolarmente competitiva allo stato attuale in relazione alla maturità tecnica, alla presenza di un numero sufficiente di fornitori, alla relativa semplicità costruttiva, al tempo di costruzione limitato, al costo di investimento più limitato rispetto alle altre fonti fossili, ai costi di gestione limitati, agli ingombri contenuti e quindi alla ridotta intrusione visiva, ed infine ai bassi impatti ambientali che si risolvono in un livello di accettabilità sociale più elevata ed in tempi di istruttoria complessivamente limitati rispetto ad altre tecnologie. 1.2 POTENZA DELL IMPIANTO La potenza dell impianto è stata selezionata sulla base della disponibilità di turbine a gas dell ultima generazione; la produzione di tali turbine si incentra su macchine della potenza di circa 250 MW, 1

2 alle quali devono essere accoppiate turbine a vapore la cui potenza, determinata dalla potenza termica dei fumi di scarico della turbina a gas e dal rendimento del ciclo termico di cui fanno parte, risulta circa la metà di quella della turbina a gas per una potenza nominale lavoro di circa 400 MW. La costruzione di singoli gruppi termoelettrici di potenza maggiore di 400 MW è invece limitata da numerosi aspetti critici quali le difficoltà costruttive, le problematiche di trasporto, installazione e manutenzione, ed infine la scarsa richiesta del mercato; dato che il rendimento e il livello di emissione di questa tipologia di macchine raggiungono livelli ottimali soltanto in condizioni di esercizio prossime a quelle nominali, l abbinamento di più gruppi di taglia ridotta consente una flessibilità operativa enormemente maggiore, perché permette di rispondere alle fluttuazioni della richiesta della rete fermando uno o più gruppi ed esercendo i gruppi attivi in condizioni ottimali. Di fatto le taglie dei cicli combinati più comunemente realizzate sono quelle con potenza compresa tra 400 e 800 MW nominali, ottenute dall abbinamento di più gruppi. La scelta è caduta su un dimensionamento nominale di 400 MWe, ottenuto tramite l abbinamento di una turbina a gas e di una turbina a vapore (configurazione single-shaft). 1.3 ARCHITETTURA DI IMPIANTO Sono state esaminate diverse architetture di impianto, compatibili con il desiderato livello di potenza e cioè circa 400 MW. L architettura è principalmente influenzata dalle turbine a gas; le macchine più efficienti ad oggi sul mercato hanno una potenza che si aggira sui MW. Le architetture per raggiungere la potenza complessiva desiderata sono: Architettura1 + 1 single-shaft: in questo caso l impianto è costituito da un modulo composto da turbina a gas, turbina a vapore, generatore (su una unica linea d asse) e caldaia a recupero; Architettura : in questo caso l impianto è costituito da due turbine a gas, una turbina a vapore, tre generatori e due caldaie a recupero. Nella prima soluzione è stata impiegata una turbina a gas da MW; nel secondo caso due turbine gas di potenza pari a circa 135 MW. Analisi preliminari e offerte ottenute dai costruttori hanno portato a concludere che le due soluzioni non sono del tutto equivalenti dal punto di vista termodinamico ( differenziale di circa 2.5 punti percentuali); le differenze dipendono essenzialmente dalla natura dei componenti piuttosto che dall architettura del ciclo. Con l impiego di macchine di taglia MW risulta infatti più alto il rendimento ed è inoltre, a questo scopo, più conveniente adottare generatori di vapore e recupero con un terzo livello di pressione. La scelta finale dell architettura è quindi guidata da criteri tecnico economici e gestionali sia in termini di esercizio che di manutenzione, dal momento che quelli tecnici ed ambientali non sono influenti. Nell ambito del presente progetto è stata scelta la soluzione Architettura in configurazione single-shaft. 2

3 1.3.1 SISTEMA DI CONTENIMENTO EMISSIONI INQUINANTI Le centrali termoelettriche a ciclo combinato hanno un impatto ambientale sensibilmente inferiore rispetto alle centrali termoelettriche basate su cicli a vapore o su cicli semplici a gas, sia in relazione agli alti livelli di rendimento ottenibili, sia per l adozione di un combustibile poco inquinante come il gas naturale. I soli inquinanti emessi in concentrazioni significative sono gli NO x (ossidi di azoto). Il presente paragrafo illustra in maniera sintetica quali sono gli accorgimenti oggi disponibili per ridurre l emissione di ossidi di azoto e quali di questi sono utilizzati nella centrale proposta. Il meccanismo fondamentale di formazione degli ossidi di azoto in un impianto alimentato con gas naturale è quello termico, derivante dalla reazione, favorita dall alta temperatura di combustione, tra le molecole di azoto e di ossigeno presenti nell aria: la formazione degli ossidi di azoto aumenta in modo esponenziale all aumentare della temperatura e in modo lineare all aumentare del tempo di permanenza a temperature elevate. Le tecnologie attualmente disponibili per ridurre le emissioni di ossidi di azoto da turbine a gas sono: Denitrificazione catalitica dei gas combusti Sistema di combustione a bassa formazione di ossidi di azoto Denitrificazione catalitica dei gas combusti La denitrificazione catalitica dei gas combusti (SCR Selective catalityc reduction) è una tecnologia di trattamento dei fumi diffusamente adottata nelle centrali termoelettriche tradizionali e negli impianti di termodistruzione dei rifiuti; consiste nell iniezione di ammoniaca nei gas combusti alla temperatura di C a monte di un apposito banco catalizzatore costituito da una struttura a nido d ape cui è fissata una sostanza (il catalizzatore) che favorisce la reazione tra l ammoniaca e gli ossidi di azoto e la conseguente trasformazione di questi in azoto molecolare. La presenza del catalizzatore incrementa notevolmente l efficienza di rimozione degli NO x, che può raggiungere il 90%, e consente di operare alle temperature indicate invece che a temperature dell ordine dei 900 C, altrimenti richieste per ottenere una discreta efficienza del processo. La tecnologia SCR non è di norma adottata nelle centrali a ciclo combinato, a causa del notevole consumo di ammoniaca richiesto e dell inevitabile rilascio di concentrazioni residue di ammoniaca non reagita in atmosfera. Sistemi di combustione a bassa formazione di ossidi di azoto La turbina a gas è un motore a combustione interna di tipo rotativo, composto da tre componenti principali, il compressore, il combustore e l espansore (turbina). Nel compressore l aria comburente è compressa tra 15 e 30 volte la pressione ambiente, in relazione al fornitore della macchina, e inviata nel combustore dove è iniettato il combustibile. 3

4 Nelle turbine tradizionali la miscelazione aria/combustibile e la combustione della miscela avvengono contemporaneamente all interno della camera di combustione realizzando un processo di combustione diffusivo caratterizzato da zone con rapporto aria/combustibile pressoché stechiometrico nelle quali la temperatura è molto alta e induce una notevole formazione di ossidi di azoto. Allo scopo di soddisfare i limiti di emissione sempre più stringenti proposti dalla normativa sono state sviluppate in passato alcune tecniche miranti alla riduzione della temperatura della combustione, consistenti nell iniezione di acqua o di vapore nella camera di combustione. Il principale svantaggio di tali tecniche( denominata Water/steam/injection ) consiste nel rilevante consumo di acqua e in una certa riduzione del rendimento. Per eliminare tali inconvenienti si è successivamente sviluppata ( a partire dalla metà degli anni 80) una nuova tecnologia denominata a premiscelazione o Dry Low NO x ( riduzione di NO x a secco, ovverosia senza fare uso di iniezione di acqua o vapore. Il sistema DLN consiste nella premiscelazione dell aria e del combustibile e nell adozione di elevati eccessi d aria al fine di conseguire la migliore uniformità di combustione e l eliminazione dei picchi di temperature responsabili di una quota significativa di formazione di ossidi di azoto. Al fine di consentire un adeguata stabilità della combustione al variare delle condizioni di carico il sistema prevede due distinte zone di combustione; nella prima zona, a premiscelazione, avviene la combustione principale con grande eccesso d aria; nella seconda zona un combustore pilota di tipo diffusivo alimentato con una frazione ridotta di combustibile alimenta e stabilizza la combustione principale. Le emissioni garantite di NO x variano, a secondo dei costruttori, fino a valori max di circa 50 mg/nm 3 (rif. fumi secchi, 15% O 2 ) e non subiscono incrementi fino a un carico dell ordine del 55-60% del nominale. La tecnologia adottata nella centrale proposta è del tipo DLN; tale tecnologia è riconosciuta quale migliore tecnologia disponibile dalle Linee Guida nazionali; il livello di emissione garantito di NO x 30mg/Nm 3 (rif. fumi secchi, 15% O 2 ) è il minimo attualmente garantibile in un ampio range di condizioni di funzionamento in centrali termoelettriche della taglia in esame. 1.4 SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO Il funzionamento del ciclo termico combinato richiede la presenza di una sorgente fredda per la condensazione del vapore scaricato dalla turbina. La temperatura della sorgente fredda influenza in modo determinante la pressione di condensazione del vapore e quindi il rendimento del ciclo; tale rendimento è inoltre influenzato dai consumi energetici del sistema di condensazione utilizzato. Il raffreddamento e la condensazione del vapore scaricato dalla turbina a vapore può essere attuato con tre metodologie principali: Condensatore ad acqua a ciclo aperto Condensatore ad aria Condensatore ad acqua a ciclo chiuso con torri evaporative Condensatore ad acqua a ciclo aperto In questo caso il raffreddamento del vapore a bassa pressione scaricato dalla turbina avviene all interno di un condensatore il cui fluido refrigerante è costituito da acqua corrente derivata da una sorgente rilevante (fiume, mare) e scaricata generalmente nella stessa sorgente. A causa della 4

5 quantità di calore da disperdere e del modesto salto termico ammissibile tra presa e recapito per motivi di impatto ambientale e conformità normativa, questa soluzione determina un consumo di acqua molto alto. In condizioni ottimali ( vicinanza del corpo idrico, semplicità delle opere di presa e recapito necessarie, bassa temperatura media dell acqua, portata idrica sufficiente in ogni stagione) i vantaggi principali di questa soluzione consistono in un più alto rendimento ottenibile, ed in più bassi costi di investimenti e gestione. Lo svantaggio principale di questa soluzione è nell impatto ambientale generalmente elevato dovuto all interazione del corpo idrico ( opere di presa e recapito, sottrazione di portata idrica, inquinamento termico). Nel caso in esame tale soluzione non è stata presa in considerazione a causa dell insufficiente portata delle acque eventualmente derivabili dal FIUME POTENZA il cui regime idraulico ha una portata minima di 1,42m 3 /s. Condensatore ad aria Nei condensatori ad aria il fluido refrigerante necessario per la condensazione del vapore è costituito dall aria ambiente inviata a lambire le superfici di scambio termico, costituita da tubi alettati, tramite ventilatori di grande portata. La temperatura media di condensazione del vapore dipende dalla temperatura media dell aria e dal salto termico di progetto; in aree a clima temperato, quale quella in oggetto, la temperatura di condensazione ottenibile risulta mediamente più elevata di altre soluzioni e variabile sia giornalmente sia stagionalmente. Ciò conduce a un rendimento del ciclo termico leggermente inferiore a quello ottenibile utilizzando acqua corrente o torri evaporative. Gli svantaggi del sistema consistono principalmente: Nella leggera riduzione del rendimento netto medio dell impianto; tale effetto è dovuto sia alla più elevata temperatura di condensazione sia ai consumi elettrici dei ventilatori; tale riduzione nel caso in esame può considerarsi inferiore all 1% rispetto alla soluzione con torri evaporative; Nell alto costo di investimento; I vantaggi di questo sistema, a confronto con il sistema con torri evaporative, consistono essenzialmente: Nell assenza di consumi idrici delle torri evaporative (circa 450m 3 /h per una potenza di impianto di circa 400 MW); Nell assenza del pennacchio di vapore proveniente dalle torri evaporative in particolari condizioni climatiche; Nell assenza delle immissioni di umidità in atmosfera connesse con le torri evaporative; Nell assenza delle ricadute al suolo, a breve distanza, di goccioline d acqua,(drift: circa 1m 3 /h per una potenza di impianto di circa 400 MW) Condensatore ad acqua a ciclo chiuso con torri evaporative In questo caso la condensazione del vapore avviene in un condensatore a superficie nel quale il fluido refrigerante è costituito da un flusso di acqua industriale refrigerata all interno di torri evaporative a circolazione forzata ( il ricorso al sistema con torri evaporative a circolazione naturale è stato scartato a causa dei costi e dell impatto delle gigantesche costruzioni in cemento armato necessarie per assicurare l idoneo tiraggio); il consumo di acqua dovuto all evaporazione all intorno delle torri e alle perdite per trascinamento è dell ordine del 2% di quello conseguibile con il sistema a ciclo aperto. 5

6 Gli svantaggi di questo sistema consistono essenzialmente in: Impatto visivo dovuto alla presenza del tipico pennacchio provocato dalla condensazione del vapore in atmosfera; Notevoli consumi idrici ( 450m 3 /h) rispetto alla soluzione con condensatore ad aria; Impatto dovuto alla ricaduta di gocce contenenti residui di additivi nell intorno di circa m dalle torri. I vantaggi di questo sistema sono: Rendimento leggermente superiore rispetto al sistema con condensatore ad aria; Consumi idrici irrisori rispetto al sistema a ciclo aperto (50-60 volte inferiori a parità di potenza dell impianto) anche se consistenti rispetto al condensatore ad aria. Conclusioni Dall analisi delle caratteristiche e degli impatti degli ultimi due sistemi e considerato che: Non sono disponibili localmente corsi d acqua, con portate rilevanti, tali da consentire l utilizzo di un sistema di raffreddamento a circuito aperto; Anche se con consumi di acqua nettamente più bassi rispetto alla soluzione suddetta, le torri evaporative comportano comunque un consumo di acqua non trascurabile, stimabile in circa 450 m 3 /ora. Il calo di rendimento associato all utilizzo del sistema di condensazione ad aria è contenuto ed è inferiore all 1%.Il consumo della risorsa acqua è nullo. In base a queste considerazioni si è ritenuta preferibile l adozione di un sistema di raffreddamento con condensatore ad aria per il ciclo termico principale, adottando inoltre aerotermi anche per il raffreddamento degli ausiliari dell impianto. 6