CAPITOLO 2 CENTRALI DI PRODUZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA

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1 CAPITOLO 2 CENTRALI DI PRODUZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA Appunti a cura dell Ing. Emanuela Pazzola Tutore del corso di Elettrotecnica per meccanici, chimici e biomedici A.A. 2005/2006 Facoltà d Ingegneria dell Università degli Studi di Cagliari

2 CAPITOLO 2. CENTRALI DI PRODUZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA Gli impianti idroelettrici....pag. 2 Gli impianti termoelettrici pag. 6 Gli impianti di Cogenerazione... pag. 8 Gli impianti Eolici.. pag. 9 Gli impianti Fotovoltaici pag. 11 Gli impianti a Celle Combustibili pag. 12 Gli impianti a biomasse..pag. 13 1

3 CAPITOLO 2 CENTRALI DI PRODUZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA Indipendentemente dalla tecnologia impiegata e dalla fonte primaria di energia utilizzata, in quasi tutte le centrali di produzione una o più macchine operatrici (Generatori Sincroni o Asincroni) trasformano energia meccanica di rotazione ottenuta da un fluido (acqua, vapore, aria) in energia elettrica. Le taglie dei generatori, in termini di potenza elettrica producibile, sono ampiamente variabili: si va dai pochi kilowatt propri delle piccole unità di produzione, alle centinaia di megawatt delle grandi centrali. Una possibile classificazione delle centrali viene effettuata in relazione al tipo di energia primaria sulla quale ha luogo la trasformazione. Gli impianti idroelettrici hanno la capacità di convertire l energia potenziale meccanica posseduta dall acqua in energia elettrica. Percorrendo condotte libere o forzate, il fluido sfrutta in caduta il salto geodetico (differenza di quota tra il bacino di accumulo ed il livello delle turbine) cedendo energia potenziale per acquistare energia cinetica, la quale viene trasmessa alle pale della turbina, determinandone la rotazione; la coppia risultante viene trasmessa all alternatore mediante un albero comune e genera quindi energia elettrica. La fig. 1 schematizza un generico impianto idroelettrico a serbatoio. La diga (D) crea uno sbarramento dando luogo ad un bacino artificiale (S). Da esso attraverso un opera di presa (OP), l acqua viene derivata alla centrale attraversando un canale derivatore (CT), munito di un pozzo piezometrico (P), e una condotta forzata (F). Il pozzo piezometrico ha la funzione di smorzare i transitori che si determinano nelle manovre di apertura e chiusura delle valvole della condotta forzata. Nella sua discesa verso la centrale (C) l acqua compie il salto naturale (H 0 ) acquisendo un elevata energia cinetica a scapito dell energia potenziale in precedenza posseduta, azionando una turbina il cui asse è accoppiato meccanicamente a quello di un generatore sincrono. L acqua in uscita dalla turbina è convogliata nel bacino di scarico (CS). 2

4 Fig. 1 Schema di un impianto idroelettrico a serbatoio Diga Centrale Idroelettrica Turbina Alternatore Acqua in pressione Fig. 2 Centrale idroelettrica 3

5 Elementi principali di un impianto idroelettrico sono la turbina idraulica ed il generatore elettrico, ai quali si affiancano le pompe e gli organi di regolazione (di velocità e pressione) e comando. La turbina idraulica è essenzialmente costituita da un organo fisso, il distributore, e da uno mobile, la girante. Il primo ha tre compiti fondamentali: indirizza la portata in arrivo alla girante nella direzione dovuta, regola la portata mediante organi di parzializzazione, provoca una trasformazione parziale o totale dell energia di pressione posseduta dalla portata di fluido in energia cinetica. L entità di tale trasformazione consente di classificare le turbine in due categorie: se la trasformazione da potenziale a cinetica avviene interamente nel distributore, si parlerà di turbine ad azione, in caso contrario di turbine a reazione. La girante infine trasforma l energia potenziale e/o cinetica in energia meccanica resa sull albero motore. Le principali turbine ad azione sono le Pelton (fig. 3), le Turgo e le turbine a flusso incrociato. Fig. 3 Turbina Pelton Le turbine Pelton sono utilizzate per salti elevati ( metri) e portate limitate. La turbina Turgo può lavorare con salti fra i 15 ed i 300 metri, ma rispetto alla Pelton ammette portate maggiori.. 4

6 Le principali turbine a reazione sono le Francis e le Kaplan. Le Francis sono adatte per salti medi ( m) e portate piuttosto elevate. La regolazione della portata avviene nel distributore, le cui pale, fatte ruotare intorno ad assi paralleli all asse di rotazione della macchina sono in grado di determinare una variazione della sezione del fluido. Le turbine Kaplan (fig. 4) sono macchine a flusso assiale, adatte per ridotti salti (2-20 m) ed elevate portate. In queste macchine si ha la possibilità di fare ruotare le pale del rotore in sincronismo a quelle del distributore, ottenendo in questo modo un rendimento maggiore ed indipendente dalla portata. Fig.4 Turbina Kaplan Gli impianti idroelettrici possono essere suddivisi in base alla taglia della potenza nominale (P n ) della centrale in: micro-impianti, se Pn è inferiore a 100 KW; mini-impianti, se Pn è compresa nell intervallo 100 KW 1MW; piccoli impianti, se Pn è contenuta nell intervallo 1 MW 10 MW; grandi impianti, se la potenza nominale è superiore 10 MW. La differenza è significativa anche in relazione al tipo di impatto ambientale ed economico: a differenza dei grandi impianti idroelettrici, che richiedono estese superfici ed imponenti infrastrutture artificiali, i piccoli impianti si integrano quasi 5

7 perfettamente nell ecosistema, trovando una naturale collocazione nei pressi di corsi d acqua e bacini naturali. In base al sistema di azionamento delle turbine idrauliche, si parla di impianti ad acqua fluente, ad accumulo o di pompaggio. Nelle centrali ad acqua fluente, le turbine sono azionate dall acqua di un fiume. Il dislivello fra l alto ed il basso corso del fiume è modesto, se paragonato a quello delle centrali di accumulazione, ma la portata d acqua è maggiore. Considerata l impossibilità di accumulo di masse d acqua, queste centrali sono in costante produzione, contribuendo a soddisfare la fascia base del diagramma di carico giornaliero. Le centrali ad accumulo invece sfruttano l acqua accumulata in bacini artificiali. Sono caratterizzate da elevati salti geodetici ma da basse portate. Caratterizzate dalla presenza di gruppi di produzione con ridotti tempi di avviamento e di fermata, esse sono utilizzate fondamentalmente per coprire il carico di punta. Le centrali di pompaggio dispongono di gruppi di produzione di tipo reversibile, in grado cioè di funzionare da generatori o pompe, a seconda delle necessità. In ore di fabbisogno ridotto si procede al pompaggio dell acqua dal bacino di valle a quello di monte, contribuendo al livellamento della curva di carico giornaliera e garantendo al tempo stesso l accumulo di masse d acqua per soddisfare la richiesta di energia elettrica nelle ore di notevole fabbisogno. Gli impianti termoelettrici sfruttano il calore prodotto da combustibili di varia natura (petrolio, gas, carbone) per la generazione di vapore necessario a porre in rotazione la turbina, come illustra la fig.5. 6

8 Combustibili Vapore in pressione Centrale Termoelettrica petrolio Caldaia Turbina Alternatore gas Condensato carbone Fig. 5 Centrale termoelettrica Considerazioni di carattere ambientale e di strategia degli approvvigionamenti sono alla base della tendenza a costruire Impianti a Policombustibile, capaci, cioè, di utilizzare tipi molteplici di fonte energetica. Per questo tipo di centrale diventa cruciale il problema dell approvvigionamento e, dunque, del trasporto, dei combustibili. Il movimento di enormi quantitativi di materiale di natura molto diversa (solidi, liquidi ed aeriformi) provenienti da tutto il mondo comporta la necessità di disporre di attrezzature recettive (porti, ferrovie, ecc) adeguate e specificamente attrezzate sia in termini di velocità operativa che di sicurezza generale. A differenza di quelle idroelettriche, le centrali termoelettriche presentano il vantaggio di un regime di produzione indipendente da fattori stagionali, adattandosi in maniera flessibile alla esigenze del consumo. Alla luce dell accresciuta sensibilità verso i problemi ecologici occorre ricordare che questo tipo di centrale è caratterizzato da un molteplice impatto ambientale: all emissione di fumi ed anidride carbonica nell atmosfera si aggiunge un apprezzabile inquinamento termico dei corsi d acqua e laghi dovuto ad acque di scarico che vengono emesse a temperatura piuttosto elevata. 7

9 Gli impianti termonucleari producono il calore necessario per l azionamento di turbine a vapore mediante una reazione di fissione nucleare in un apposito reattore. Si tratta di centrali di notevole flessibilità operativa, che nel nostro paese sono state abolite in seguito a un referendum popolare. Gli impianti di Cogenerazione Per cogenerazione si intende la produzione combinata di energia elettrica e calore veicolato da vapore acqueo ad alta temperatura. Un impianto convenzionale di produzione di energia elettrica di tipo termoelettrico ha una efficienza di circa il 35%, mentre il restante 65% viene disperso sotto forma di calore. Con un impianto di cogenerazione, invece, il calore prodotto dalla combustione viene recuperato al fine di alimentare una seconda turbina a valle della prima o per altri usi (fig. 6). Combustibile (tipicamente gas) Impianto di cogenerazione Aria Gas di combustione Combustore T C Camino SC vapore C TG TV SC A : compressore : turbina a gas : turbina a vapore : scambiatore di calore : alternatore acqua Pompa acqua T V Alternatore condensatore Fig. 6 Impianto di cogenerazione 8

10 In questo modo la cogenerazione raggiunge una efficienza superiore al 90% permettendo di: Risparmiare energia primaria; Salvaguardare l ambiente, in quanto bruciando il combustibile in maniera più efficiente, si riducono le emissioni a parità di potenza prodotta; Diminuire i costi dell energia elettrica. Per contro, a fronte di tali vantaggi la cogenerazione presenta limitazioni al suo impiego, fra i quali occorre ricordare: L onerosità degli investimenti iniziali; Il difficile trasporto dell energia termica a grandi distanze che rende necessaria la localizzazione degli impianti in prossimità delle aree produttive. Gli impianti Eolici Quella del vento è una forma di energia solare cosiddetta "indiretta", avente origine dal disuniforme riscaldamento della superficie terrestre da parte del sole che, generando differenze di densità fra le diverse masse d aria, provoca il movimento di queste da aree ad alta pressione verso aree adiacenti a bassa pressione, con velocità proporzionale al gradiente di pressione. L energia eolica viene sfruttata per la produzione di energia elettrica, mediante l impiego di generatori opportuni, detti aerogeneratori (fig. 7). Fig. 7 Aerogeneratori 9

11 Negli ultimi anni in Europa l impegno della ricerca nel settore eolico ha consentito un massiccio sviluppo tecnologico che permette oggi di progettare, installare e gestire centrali per la produzione di energia elettrica da fonti eoliche a costi contenuti, rendendone possibile una maggiore diffusione rispetto al passato. Tuttavia, gli indiscutibili vantaggi di tipo ambientale derivanti da un sempre maggiore ricorso a questa forma di produzione dell energia elettrica sono difficilmente svincolabili dagli svariati ostacoli alla sua piena diffusione, fra cui: L imprevedibilità della fonte primaria; La difficoltà di immagazzinamento dell energia elettrica prodotta; L inquinamento acustico, che ne impedisce l installazione in aree urbane; Il notevole impatto ambientale, superiore alle altre forme di energia rinnovabile; I componenti fondamentali di un aerogeneratore sono il rotore (ad asse Orizzontale o Verticale), in cui avviene la conversione dell energia cinetica del vento in meccanica ed il generatore, in cui si ha la trasformazione da meccanica in elettrica (fig. 5). La trasformazione dell energia meccanica in elettrica può avvenire mediante un generatore sincrono, oppure mediante un asincrono accoppiato direttamente alla rete. Il valore di potenza prodotta da un generatore eolico dipende oltre che dal tipo di impianto, anche dalle caratteristiche di fluttuazione del vento ed è in generale compresa fra 5 kw ed 2 MW, mentre i generatori più comuni hanno potenza prossima ad 1 MW. La bassa densità d energia eolica per unità di superficie di territorio, unita alla necessità di massimizzare lo sfruttamento della risorsa disponibile, rende tuttavia necessaria nella pratica, almeno quando possibile, l installazione di impianti eolici in luogo di singoli aerogeneratori. L esempio più tipico di impianti eolici è rappresentato dalle wind-farm, in cui più generatori eolici collegati da un unica linea che li raccorda alla rete locale o nazionale insieme, contribuiscono alla produzione di energia elettrica. Gli impianti Fotovoltaici Per energia solare si intende l energia raggiante sprigionata dal sole per effetto di reazioni nucleari e poi trasmessa alla terra sotto forma di radiazione elettromagnetica. 10

12 La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare l'energia associata alla radiazione solare in energia elettrica. Essa sfrutta il cosiddetto effetto fotovoltaico, basato sulle proprietà di alcuni materiali semiconduttori, di generare una differenza di potenziale elettrico se colpiti da radiazione solare, senza quindi l'uso di alcun combustibile. Il dispositivo più elementare capace di operare la conversione della radiazione solare in elettrica è la cella fotovoltaica, costituita essenzialmente da due sottili strati di materiale semiconduttore (in genere silicio) nei quali viene indotta una prevalenza di cariche negative e positive rispettivamente, dando luogo al bipolo comunemente indicato come Giunzione p-n. La zona di congiunzione è sede di una migrazione di cariche dalla regione con eccesso di carica negativa verso quella a prevalente carica positiva, che determina la formazione di una zona intermedia detta regione di svuotamento. La migrazione di cariche si interrompe al raggiungimento di una situazione di equilibrio, non appena il campo elettrico a cavallo della regione di svuotamento acquista l intensità sufficiente a contrastarla. L equilibrio instauratosi viene meno nel momento in cui la cella fotovoltaica è colpita da un raggio luminoso di energia maggiore o uguale a quella necessaria a superare la barriera di potenziale, ossia in grado di portare l elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione. Una costante esposizione alla radiazione luminosa comporterà dunque la formazione di cariche che, in presenza di un circuito esterno, fluiranno dando luogo ad una corrente continua. L introduzione di un inverter nel circuito provvederà, se necessario, alla conversione della corrente da continua ad alternata (fig. 8). La tecnologia attuale, peraltro in rapida evoluzione, consente la realizzazione di impianti fotovoltaici impieganti un elevato numero di celle elementari costituenti i cosiddetti Pannelli Fotovoltaici, in grado di alimentare quasi totalmente una normale utenza domestica (circa 3 kw) in condizioni di cielo sereno e buon irraggiamento solare. 11

13 Centrale Fotovoltaica Celle fotovoltaiche Inverter Fig. 8 Centrale fotovoltaica Gli impianti a Celle Combustibili La cella a combustibile è un sistema elettrochimico capace di convertire l energia chimica di un combustibile, in genere idrogeno, direttamente in energia elettrica, senza l utilizzo di un ciclo termico o di organi meccanici in movimento. La cella è costituita al suo interno da due elettrodi in materiale poroso, separati da un elettrolita. Gli elettrodi fungono da siti catalitici per le reazioni che avvengono all interno, le quali consumano fondamentalmente idrogeno ed ossigeno, mentre l elettrolita ha la funzione di condurre gli ioni prodotti dalla reazione chimica chiudendo il circuito elettrico all interno della cella. La trasformazione elettrochimica è accompagnata da produzione di calore, che è necessario estrarre per mantenere la temperatura costante. Il suo funzionamento è dunque analogo a quello di una batteria; la differenza sta nel fatto che la cella può funzionare senza interruzioni, almeno finché al sistema vengono forniti il combustibile (idrogeno) ed il comburente (ossigeno) necessari per fare avvenire la trasformazione, mentre la batteria ha bisogno di essere ricaricata. Quello delle celle a combustibile è un sistema energetico conciliabile con l ambiente, che si basa sull idrogeno, vettore energetico eco-compatibile. 12

14 Attualmente, tale vettore viene generato a partire dai tradizionali combustibili fossili, mentre in futuro sarà prodotto da fonti rinnovabili. Gli impianti a biomasse Per biomassa si intende qualunque materiale organico che possa essere utilizzato direttamente come combustibile ovvero trasformato in altre sostanze (solide, liquide o gassose) di più facile utilizzo negli impianti di produzione dell energia elettrica. Le più importanti tipologie di biomasse sono i residui forestali, gli scarti dell industria di trasformazione del legno (trucioli, segatura, etc.), gli scarti delle aziende zootecniche ed i rifiuti solidi urbani (RSU). I processi industriali di produzione dell energia elettrica da biomasse (biopower) sono di tipo biochimico e termochimico I primi di permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta al contributo di enzimi, funghi e micro-organismi, che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni. Risultano idonei alla conversione biochimica le colture acquatiche, e alcuni scarti di lavorazione, nonché la biomassa eterogenea immagazzinata nelle discariche controllate. I processi di conversione termochimica invece sono basati sull'azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia. Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc.), e taluni scarti di lavorazione. Qualunque sia il tipo di processo di conversione, il vapore prodotto in uscita, aziona una turbina determinando nel generatore elettrico ad essa accoppiato la produzione di energia elettrica. Le dimensioni dell impianto variano da pochi KW per unità di generazione locali, per arrivare a taglie massime di 80 MW per impianti di una certa rilevanza. Il grafico della figura seguente illustra il contributo di ciascuna fonte energetica al soddisfacimento del fabbisogno energetico italiano dell anno 2005 (dati Terna S.p.a.). 13

15 Copertura del Fabbisogno netto di energia elettrica anno 2005 (fonte 70% termoelettrica idroelettrica Geotermoelettrica eolica e fotovoltaica Importazioni nette 14% 13% 1% 2% Occorre precisare che nell arco di una giornata, le diverse fonti energetiche primarie contribuiscono in misura diversa al soddisfacimento del fabbisogno orario di energia. Si veda a tale proposito il diagramma di (fig. 9), indicante la copertura del fabbisogno orario di energia elettrica in Italia durante due giornate tipo dell anno GW MW h 17: IDRO-POMPAGGIO IDRO-SERBATOIO IDRO-MODULATA TERMICO CONV. ESTERO IDRO-FLUENTE GEOTERMICO MW MW ORE DELLA GIORNATA Giovedì Domenica

16 Fig. 9 Copertura del Fabbisogno orario di energia elettrica in Italia 15