Impatto ambientale dei cicli combinati alimentati a gas naturale, con particolare riferimento alle emissioni di polveri sottili

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1 Ennio Macchi Politecnico di Milano Facoltà di ingegneria industriale Mantova, 26 gennaio 2005 DIPARTIMENTO ENERGETICA Impatto ambientale dei cicli combinati alimentati a gas naturale, con particolare riferimento alle emissioni di polveri sottili Ennio Macchi presentazione di una ricerca commissionata da Assoelettrica e condotta dal Politecnico di Milano

2 Chi ha condotto la ricerca un consistente numero di docenti e ricercatori appartenenti ai seguenti Dipartimenti del Politecnico di Milano: 2 Dipartimento di Energetica Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica "Giulio Natta" DIIAR (Ingegneria Idraulica, Ambientale, Infrastrutture Viarie, Rilevamento) DEI (Elettronica e Informazione) i ricercatori del CESI

3 Motivazioni della ricerca Il contratto di Assoelettrica 3 La convinzione che sia importante per un istituzione come il Politecnico di Milano fare sentire la sua voce nel dibattito energetico-ambientale La convinzione che il parco termoelettrico italiano richieda un urgente e radicale opera di ammodernamento e di potenziamento, che consenta di cogliere, in termini di aumento di capacità produttiva, di efficienza energetica e di riduzione dei costi di generazione e delle emissioni di sostanze inquinanti e di gas serra, i frutti dei formidabili avanzamenti tecnologici che hanno caratterizzato le discipline energetico-ambientali nell ultimo ventennio

4 DATI STORICI PER IL PARCO TERMOELETTRICO ITALIANO Il rendimento medio cresce con grande lentezza (nel 70 era circa il 36%, nel 97 il 37,9%, nel2003 circa 38%) 4 Rendimento netto= 860/2400=0.358 Rendimento netto= 860/2270=0.379

5 Dati riferiti agli impianti con sola produzione di energia elettrica fonte energetica Consumo energetico produzione elettrica (netta) Ripartizione (riferita all input dei combustibili) Rendimento elettrico medio annuo (netto) TWh/anno TWh/anno % % carbone gas naturale (centrali a vapore) gas naturale (cicli combinati) prodotti petroliferi altri totale/media Fonte: GRTN, anno 2003

6 Da questi dati si evince che, ancora nel 2003: oltre un terzo dell input energetico complessivo delle centrali 6 termoelettriche aveva origine da prodotti petroliferi (un anomalia tutta italiana) Il (poco) carbone utilizzato era convertito con un rendimento elettrico netto medio annuo del 34,1% (non al passo con le potenzialità dell attuale tecnologia) oltre il 60% del totale del gas naturale utilizzato per la generazione di energia elettrica era destinato in centrali a vapore convenzionale, con rendimenti netti del 41.5% solo il 12% del combustibile utilizzato per generare energia elettrica alimentava cicli combinati i cicli combinati italiani offrono una prestazione energetica di tutto rispetto (rendimento netto medio annuale del 52,4%)

7 Un ostacolo importante all avvento delle nuove tecnologie: la sindrome NIMBY 7 Con poche e meritorie eccezioni, ogni progetto di realizzazione di un nuovo ciclo combinato incontra nel nostro Paese una diffusa ostilità da parte dell opinione pubblica locale, allarmata dai presunti danni ambientali che detta realizzazione potrebbe causare: il fenomeno è comune ad ogni tipologia di sito, sia esso rurale o industrializzato, e ad ogni area geografica (Nord, Centro e Sud) del nostro Paese. Quest ostilità, pur se comprensibile in termini emotivi, appare priva dei necessari fondamenti scientifici in termini reali. Mentre fino all anno scorso le preoccupazioni dell opinione pubblica erano soprattutto rivolte all unica sostanza inquinante emessa in quantità significativa da un ciclo combinato alimentato da gas naturale, vale a dire gli ossidi di azoto, oggi è di grande attualità la tematica delle polveri sottili e ultrasottili

8 Le conclusioni dello studio 8 Non si vuole certo smentire che il problema della qualità dell aria non sia serio, ma si dimostra che il contributo alle emissioni in atmosfera di macroinquinanti delle grandi centrali termoelettriche è assolutamente minoritario nel panorama complessivo (i colpevoli sono altri, in primis il traffico veicolare!) Le uniche emissioni significative del parco termoelettrico sono NOx e SOx, entrambi in forte diminuzione

9 Se l ammodernamento del parco termoelettrico fosse completato. con le linee di sviluppo auspicabili: 9 Eliminazione delle centrali a olio combustibile Utilizzo del gas naturale solo in cicli combinati e in turbogas di punta Utilizzo del carbone solo con clean coal technologies Ulteriore sviluppo delle centrali eoliche, delle centrali a RSU e biomassa Rilancio della cogenerazione industriale (ampio spazio per repowering centrali esistenti a gas e a olio) Avvento della microcogenerazione Il contributo della generazione elettrica alle emissioni, già minoritario, diverrebbe del tutto trascurabile

10 Lo stato dell arte attuale (dati garantiti) 10 NOx/kWh si riducono di un ordine di grandezza rispetto alle centrali termoelettriche convenzionali

11 Impianti DIPARTIMENTO ENERGETICA P.to Corsini (ENEL) Sermide (Edipower) Turbigo (Edipower) Ennio Macchi

12 Piano sperimentale DIPARTIMENTO ENERGETICA Particolato: PTS granulometria caratterizzazione chimica Gas: Ennio Macchi NO x CO IPA Aldeidi

13 Le conclusioni dello studio (smentiscono molti luoghi comuni apparsi sui media e ripresi nei pubblici dibattiti sul tema turbine a gas e polveri sottili ) l evidenza sperimentale che emerge dall indagine condotta sulle emissioni dell unità turbogas della centrale di Sermide, integrata con i risultati di analoghi rilevamenti effettuati da CESI e CNR sull impianto di Porto Corsini (e da ARPA Lombardia sull impianto di Cassano d Adda) è che le concentrazioni delle polveri totali sospese (PTS), di PM 10 e di PM 2,5 presenti allo scarico di un moderno turbogas sono sempre collocate su livelli di scarsissima consistenza 13

14 CONCENTRAZIONI Turbogas Min Media Max 13,7 13,8 13,9 14 Concentrazione (µg m -3 n, 15% O 2 ) ,4 8,3 9 4,3 5,4 6,5 2 0 PM 10 PM 2,5 PM tot

15 10,00 FATTORI DI EMISSIONE Confronto turbogas - vapore 2,6 Vapore Turbogas 3,3 15 Fattori di emissione (g MWh -1 ) 1,00 0,10 0,05 1,4 0,08 0,03 0,01 PM 10 PM 2,5 PM tot

16 Le conclusioni dello studio I rilevamenti e le analisi effettuati contemporaneamente sull aria aspirata dal compressore della turbina hanno altresì consentito di evidenziare sperimentalmente concentrazioni di particolato nei gas di scarico significativamente inferiori rispetto a quelle dell aria ambiente: in altri termini la turbina a gas si comporta come un dispositivo di depurazione dell aria ambiente dal particolato in essa sospeso 16

17 Concentrazione (µg m -3 ) CONCENTRAZIONI Turbogas - confronto aria comburente PM10 aria esterna PM10 emissione PM2,5 aria esterna PM2,5 emissione t (ore)

18 CONCENTRAZIONI Turbogas - confronto aria comburente P = 260 MW e Totale = particelle cm Totale = 4000 particelle cm -3

19 Le conclusioni dello studio I risultati ottenuti possono a prima vista (dopo tutto il clamore suscitato da affermazioni di tutt altro tenore) sembrare sorprendenti. 19 Essi sono in realtà perfettamente spiegabili, in base a tre effetti, tutti facilmente prevedibili:

20 Le conclusioni dello studio (i) il sistema di filtraggio dell aria delle turbine a gas trattiene una parte significativa delle polveri presenti nell aria, soprattutto quelle di dimensione più elevata (> 10 µm), per le quali l operazione di filtraggio è più efficace 20 (ii) il passaggio dell aria negli altri componenti della turbina a gas (compressore, combustore, turbina) non contribuisce ad aumentare il contenuto di polveri: anzi, nel compressore si depositano ulteriori frazioni delle polveri totali (generando i noti effetti di fouling); gli effetti erosivi (parti calde) sono modestissimi (iii) nel combustore, che opera una combustione premiscelata con grandi eccessi di aria, non si verifica alcuna formazione di solidi di natura carboniosa; anzi, si offrono le condizioni ideali per l ossidazione (e quindi l eliminazione) delle frazioni carboniose del particolato aspirato (che, infatti, risultano totalmente assenti nei campioni di particolato prelevati allo scarico).

21 CARATTERISTICHE MORFOLOGICHE 21 Turbogas e vapore Crostali -Si, Al,Fe, K,Ca (feldspati, argille, calcite) Usura componenti -Fe, Ti, Cr Vapore Cenosfere spugnose - Si, Al, tracce di V e Ni (tipiche combustione olio)

22 Le conclusioni dello studio Questo meccanismo di riduzione delle polveri, riscontrato nelle moderne turbine a gas con combustori DLN premiscelati alimentati a gas naturale, non si applica evidentemente ad altri processi di combustione, che prevedano diversi meccanismi di combustione, diversi eccessi d aria, diversi combustibili o l eventuale presenza di tipologie di abbattimento degli ossidi di azoto, quali iniezione di vapore o acqua 22

23 Dati di letteratura interessanti (misure effettuate in Svizzera) 23

24 Le conclusioni dello studio In definitiva, l affermazione, spesso indicata come non veritiera ed esaustiva, che gli unici inquinanti emessi in misura significativa in una moderna centrale a ciclo combinato ben esercita siano gli ossidi di azoto è in realtà vera e dimostrabile. 24 Un altra affermazione, altrettanto vera e incontestabile, è che, all attuale stato dell arte, la tecnologia dei cicli combinati alimentati a gas naturale con combustori a secco premiscelati rappresenta di gran lunga la soluzione per generare energia elettrica a minor impatto ambientale fra tutte quelle che utilizzano combustibili fossili, sia in termini di emissioni specifiche di composti inquinanti, sia a livello di polveri di ogni tipologia e dimensione. Se contemporaneamente l impianto è cogenerativo, la situazione migliora ulteriormente La bassissima concentrazione di ossidi di azoto ottenibile alla bocca del camino e i meccanismi di diluizione dei gas di scarico nell atmosfera fanno sì che, a qualunque distanza dalla centrale e in qualunque situazione climatica, la presenza di un ciclo combinato non contribuisca in misura significativa a livello di immissioni nell ambiente, e quindi della qualità dell aria.

25 Catena degli impatti più rilevanti 25 effetti globali clima emissione effetti a lunga distanza meteorologia effetti locali (concentrazione) chimica dell atmosfera danno esposizione salute ambiente naturale foreste manufatti