Gli impianti di produzione dell energia e la loro efficienza

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1 Gli impianti di produzione dell energia e la loro efficienza Michele Bianchi DIEM Università di Bologna

2 La generazione di potenza Mini-idro eolico Gruppi a vapore Motori Combustione Interna Turbogas in ciclo combinato Fotovoltaico Micro Turbine a gas Turbogas Potenza prodotta 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW

3 Oggetto dell intervento Gas Naturale Tecnologie attualmente più diffuse e competitive Autorizzazioni Integrate Ambientali centrali con potenza introdotta superiore ai 50 MW termici (fino a 300 MW termici di competenza delle Amministrazioni Provinciali) turbogas con potenza maggiore a 4 MW elettrici

4 La turbina a gas power output

5 Il ciclo termodinamico T Temp. massima 3 P max 2 1 P min 4 rapporto di compressione = p max /p min s

6 Il rapporto di compressione e la temperatura massima 1700 temperatura massima [ C] M501 G max lavoro specifico W94.3A PG9351 RB211 LM2500 GT11N2 Taurus 50 GT13E2 Centaur 50 PGT5 MAN PG5371 Saturn 20 LM6000 Trent 60 max rendimento rapporto di compressione

7 Heavy-duty o aeroderivate

8 Impiego semplice o in ciclo combinato gas/vapore

9 Le principali caratteristiche semplicità costruttiva bassi pesi e ingombri libertà di installazione (no sistema di raffreddamento eccetto che in ciclo combinato) bassi tempi di avviamento/fermata solo gas naturale più alti rendimenti di conversione da gas naturale a energia mec/elettrica (in ciclo combinato) non è un prodotto custom

10 Le applicazioni delle turbine a gas generatori di sola energia elettrica per produzione di base, intermedia e di picco (anche in ciclo combinato) cogenerazione, ovvero generazione di elettricità e calore (anche in ciclo combinato) mechanical driver (compressione gas naturale e altri impieghi industriali) propulsione marina

11 I principali costruttori e modelli di turbine a gas Solar Siemens Rolls Royce GE (Nuovo Pignone) Alstom < 15 MW Typhoon, Tempest, Cyclone, GT10B-C, GTX100, W251B11/12, V64,W501,V K, RB211, Trent PGT LM LMS100 Frame GT8,GT11, GT13, GT26 Mitsubishi Kawasaki Hitachi MF61, MF111, MF221 M 7, L20A H15, H25 501, 701F-G Man Turbo P&W THM FT8 potenza prodotta [MWe]

12 L interazione di un turbogas con l ambiente consumo di combustibile fossile (fonte energetica non rinnovabile) sfruttamento di una risorsa idrica (in ciclo combinato) rendimento CO 2 sistema di combustione, sistemi di abbattimento emissioni in atmosfera NO X, CO, altro?

13 Il rendimento dei turbogas: dati di progetto rendimento elettrico 50% 45% 40% 35% 30% aero-derivate heavy duty BAT REFERENCE DOCUMENT maggio 2005 new plants existing plants 25% potenza termica introdotta [MW]

14 Il rendimento dei turbogas: dati di progetto < 300 MW termici rendimento elettrico 50% 45% 40% 35% 30% LM2500 Mercury 501KH5 LM6000 Trent LMS100 BAT REFERENCE DOCUMENT maggio 2005 new plants existing plants 25% potenza termica introdotta [MW]

15 Il rendimento dei ciclo combinati: dati di progetto 0.60 rendimento elettrico potenza termica introdotta - ciclo combinato [MW] new plants existing plants BAT REFERENCE DOCUMENT maggio 2005

16 Il rendimento dei ciclo combinati: dati di progetto < 300 MW termici 0.60 rendimento elettrico potenza termica introdotta - ciclo combinato [MW] new plants existing plants BAT REFERENCE DOCUMENT maggio 2005

17 Le emissioni di NOx e CO in un turbogas BREF - existing 15%O 2 [mg/nm 3 ] BREF - new Conventional 15%O 2 [ppmvd] DLE Ultra Low Emissions W/S inj %O 2 [mg/nm 3 ] %O 2 [ppmvd]

18 Il BREF e le emissioni specifiche mg/nm 3 rilevanti per inquinanti con effetto globale non tengono conto della taglia della centrale poco significative per la valutazione dell impatto locale degli inquinanti poco significativa l unità di misura adottata (concentrazione dell inquinante nei fumi) ciclo semplice potenza prodotta: 25 MWe rendimento elet.: 34,1 % emissioni NOx: 50 mg/nm 3 emissioni NOx: 0.52 kg/mwhe potenza prodotta: 25 MWel rendimento elet.: 34,1% emissioni NOx: 50 mg/nm 3 ciclo combinato potenza prodotta: 39 MWe rendimento elet.: 50,0 % emissioni NOx: 50 mg/nm 3 emissioni NOx: 0.33 kg/mwhe

19 Necessità di considerare anche le emissioni assolute ton/anno tengono conto della taglia della centrale rilevanti per agenti inquinanti con effetto locale da autorizzare in funzione della criticità ambientali del sito possono essere significative anche per inquinanti con bassi valori specifici (PM, SOx?) dipendenti dal ciclo di esercizio previsto per l impianto e dalla configurazione della centrale base load (8000 ore/anno) energia prodotta: 200 GWhel emissioni spec. NOx: 50 mg/nm 3 emissioni assol NOx: 104 ton/anno potenza prodotta: 25 MWel rendimento elet.: 34,1 % emissioni NOx: 50 mg/nm 3 peak shaving (2000 ore/anno) energia prodotta: 50 GWel emissioni spec. NOx: 50 mg/nm3 emissioni assol. NOx: 26 ton/anno

20 Dati di progetto vs Dati reali di esercizio Le prestazioni energetiche ed ambientali delle turbine a gas sono fortemente influenzate da: il ciclo di esercizio (base load, peak shaving, ecc.) le condizioni climatiche (temperatura, pressione e umidità relativa) lo stato di uso e manutenzione (ore di vita, lavaggi) il sito (altitudine e disponibilità risorse idriche)

21 L influenza della temperatura ambiente sulla potenza prodotta e sul rendimento Potenza elettrica netta [MW] GE Frame 6B GE LM Temperatura aria [ C] Rendimento elettrico netto [%] GE LM GE Frame 6B Temperatura aria [ C]

22 L influenza del carico sul rendimento e sulle emissioni Rendimento elettrico netto [%] GE Frame 6B Potenza elettrica netta [MW]

23 L influenza delle ore di funzionamento su potenza e rendimento

24 PEACE Programma per le Emissioni Atmosferiche delle CEntrali termoelettriche Dati Impianto Dati Climatici Ciclo Esercizio Previsto PEACE Output emissioni specifiche e assolute valutate sulla base, oltre che delle caratteristiche tecniche della centrale, delle reali condizioni operative nelle quali la centrale stessa si troverà ad operare

25 Conclusioni 1. le prestazioni di una turbina a gas sono fortemente legate al effetto taglia 2. necessità di autorizzare non solo le emissioni specifiche (meglio se con riferimento all energia prodotta), ma anche le emissioni assolute 3. importanza di inserire, nelle procedure di autorizzazione, informazioni non convenzionali, quali, ad esempio, il ciclo di esercizio previsto e le condizioni climatiche del sito