Le prestazioni dei cicli combinati

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1 Le prestazioni dei cicli combinati A conclusione dell analisi dei possibili assetti dei cicli combinati, si sintetizzano i fattori che maggiormente ne influenzano le prestazioni: dal lato turbogas, è importante disporre di gas di scarico a temperature elevate, per questo le turbine a gas heavy duty sono da preferire a quelle di derivazione aeronautica. Le prime garantiscono inoltre elevate potenze specifiche, lavorando con rapporti di compressione contenuti. dal lato vapore, si ribadisce che la bontà del ciclo bottoming dipende in primo luogo dalla pressione di evaporazione, dalla temperatura massima alla quale è disponibile il vapore e dalla pressione di condensazione. Allo stato attuale, la migliore tecnologia disponibile comprende l impiego di turbine a gas con temperatura di scarico prossima o superiore a 600 C e di cicli a vapore a tre livelli di pressione con reheat. Si raggiungono così rendimenti del 57-58%, con possibili prospettive di innalzamento di questo valore fino al 60%. Cicli combinati con Pressione massima del vapore Rendimento Temperatura scarico fumi 1 livello di pressione bar 46-48% C 2 livelli di pressione bar 49-52% C 3 livelli di pressione bar 52-55% C 3 livelli di pressione con reheat bar 55-58% C Tabella 1: confronto fra cicli combinati ad uno o più livelli di pressione. La figura 1 estende la comparazione del rendimento anche ai cicli semplici, distinguendo quelli di categoria A, costruiti secondo le tecnologie più avanzate, da quelli di categoria B, dotati della tecnologia di base. Figura 1: confronto fra il rendimento dei cicli combinati e dei cicli semplici

2 Verranno di seguito descritti alcuni impianti, installati in Italia, per la produzione di energia elettrica in ciclo combinato. Si farà particolare attenzione ai parametri che ne definiscono le caratteristiche termodinamiche. Ciclo combinato di La Spezia Si tratta di un ciclo combinato a tre livelli di pressione con reheat che produce MWe (di cui 223 MWe grazie al turbogas) a fronte di una potenza termica entrante di MWt. Il rendimento risulta dunque pari al 54.2%. Figura 2: rappresentazione schematica del ciclo combinato di La Spezia. Dati di funzionamento Turbogas Temperatura aria ingresso 15 C Pressione aria ingresso bar Portata gas di scarico 582 kg/s Dati di funzionamento HRSG Temperatura gas ingresso 611,5 C Temperatura gas uscita 99 C Perdita di carico lato gas bar Portata vapore AP 70,2 kg/s Pressione vapore AP bar Temperatura vapore AP 550 C Portata vapore MP 13,4 kg/s Pressione vapore MP 28.6 bar Temperatura vapore MP 332 C Portata vapore RH 81.1 kg/s Temperatura vapore RH 540 C Portata vapore BP 6,9 kg/s

3 Pressione vapore BP 6.3 bar Temperatura vapore BP 232 C Temperatura condensato ingresso Eco BP 55 C Tabella 2: dati di design del ciclo combinato di La Spezia. Ciclo combinato di Trino Leri Si tratta della prima centrale ENEL a ciclo combinato, entrata in servizio nel Qui sono installati due moduli da 356 MW, composti ciascuno da due turbine a gas da 123 MW e da una turbina a vapore da 110 MW. Sono presenti due caldaie a recupero a due livelli di pressione, entrambe disposte orizzontalmente. Figura 1: rappresentazione schematica del ciclo combinato di Trino Leri. Dati di funzionamento Turbogas Portata aria ingresso 443 kg/s Rapporto di compressione 14 Temperatura gas ingresso turbina 1162 C Dati di funzionamento HRSG Temperatura gas ingresso 505 C Portata gas ingresso kg/s Portata vapore AP 48 kg/s Pressione vapore AP 52.9 bar Temperatura vapore AP 490 C Portata vapore BP 20.3 kg/s Pressione vapore BP 6.28 bar Temperatura vapore BP 273 C Tabella 3: dati di design del ciclo combinato di Trino Leri.

4 Come ultimo esempio, viene proposto lo schema del ciclo combinato ENEL a tre livelli di pressione con reheat; la produzione lorda di energia elettrica è di MW a fronte di una potenza termica entrante di MW. Il rendimento risulta essere 54.8%. Figura 2: ciclo combinato ENEL. Le emissioni Dato l elevato rendimento, si può affermare che la produzione di energia elettrica mediante cicli combinati rappresenta una soluzione auspicabile dal punto di vista termodinamico. Bisogna ora estendere il campo di indagine alla tutela ambientale: si confronteranno le emissioni tipiche di impianti di potenza che adottano tecnologie diverse fra cui: Ciclo convenzionale alimentato ad olio combustibile, Ciclo convenzionale a carbone, Ciclo combinato. Dall istogramma (Fig. 5) si deduce che il ciclo combinato rappresenta la tecnologia più pulita grazie al fatto che il turbogas richiede in ingresso combustibili nobili: il gas naturale infatti, essendo privo di zolfo, garantisce che i prodotti di combustione siano privi di ossidi di zolfo. Sono trascurabili anche le emissioni di polveri. I risultati di uno studio in cui si è ipotizzata la sostituzione di una centrale termoelettrica operante in cogenerazione con potenza elettrica di circa 78 MW (con recupero termico in cogenerazione pari a circa 270 MW) con una centrale a ciclo combinato da 780 MW (in assetto di cogenerazione, per la produzione della stessa quantità di potenza termica), portano ad uno scenario in cui diminuirebbero le emissioni, per unità di energia elettrica prodotta, di CO 2, NOx, SO 2, TOC, PM10, Metalli pesanti.

5 Rimane a carico del ciclo combinato a metano un emissione specifica maggiore, anche se contenuta in termini quantitativi, di idrocarburi reattivi, tra cui in particolare la formaldeide: quest ultima si forma a causa delle elevate temperature che si raggiungono nei turbogas. Particolarmente significativo è il confronto tra le emissioni di CO 2, il principale gas responsabile dell effetto serra: ogni unità di energia elettrica prodotta da ciclo combinato a metano riduce la quantità di anidride carbonica immessa in atmosfera del 75% rispetto a quella liberata dalla produzione di un equivalente quantità di energia in una centrale ad olio combustibile. Lo stesso confronto riportato, più correttamente, alle centrali ad olio combustibile di grossa taglia, con rendimenti di trasformazione più elevati (37% circa), abbatterebbe le emissioni del 50%. In conclusione, gli effetti dell impiego del metano con quello legato ad un rendimento superiore fanno sì che le centrali a ciclo combinato forniscano energia elettrica ad minore contenuto specifico di inquinanti mg/nm SOx NOx CO polveri ciclo combinato ciclo a carbone ciclo ad olio combustibile Figura 5: emissioni tipiche degli impianti di potenza.