CENTRALI TERMOELETTRICHE Le centrali termoelettriche sono impianti che utilizzano l energia chimica dei combustibili per trasformarla in energia elettrica. Nelle centrali termoelettriche la produzione di energia elettrica avviene mediante l energia termica e di pressione date attraverso riscaldamento. ENERGIA PRIMARIA Per le centrali termoelettriche l energia primaria è l energia potenziale chimica, che possiede il combustibile, trasformata in calore mediante la combustione. Il potere calorifico è la quantità di calore ottenuta dalla combustione completa dell unità di massa o di volume di un combustibile. La combustione produce anche del vapore acqueo, contenente una certa quantità di calore, detto calore di vaporizzazione. Si hanno due diversi valori di potere calorifico: - Superiore se il calore di vaporizzazione viene considerato; - Inferiore se il calore di vaporizzazione non viene considerato. Il potere calorifico è un importante indice di qualità del combustibile; la scelta del tipo di combustibile è legata a ragioni di tipo tecnico, economico, facilità di approvvigionamento e inquinamento da residui di combustione.. TRASFORMAZIONE ENERGETICHE Le trasformazioni energetiche che avvengono in una centrale termoelettrica sono: - Conversione dell energia chimica del combustibile in energia termica e di pressione del vapore; avviene nella caldaia (generatore di vapore); - Trasformazione dell energia posseduta dal vapore in energia meccanica di rotazione attraverso la turbina, dove l espansione e il raffreddamento del vapore muovono la girante. - Ottenimento dell energia elettrica mediante l alternatore mosso dalla turbina. Caldaia e accessori turbina alternatore Nelle centrali termoelettriche si applica essenzialmente il ciclo di Rankine, a uno o due surriscaldamenti; è un ciclo termodinamico diretto a vapore, composto da due trasformazioni adiabatiche si dice di processo di un sistema termodinamico che avvenga senza scambio di calore con l'esterno e due isobare. linea che congiunge sulle carte tutti i punti della superficie terrestre aventi uguale pressione atmosferica 1
CICLO DI RANKINE DEL VAPORE D ACQUA Il ciclo di Rankine ideale è costituito da quattro trasformazioni: 1. Compressione a volume costante dell acqua dalla pressione di alimentazione a quella di esercizio della caldaia; 2. Riscaldamento a pressione costante durante il quale il liquido si trasforma in vapore, umido, secco, e surriscaldato; 3. ingrandimento adiabatica del vapore, durante la quale diminuiscono la pressione e la temperatura e la variazione di energia interna si trasforma in lavoro utile; 4. Condensazione del vapore a pressione costante, ottenuta sottraendo calore al fluido. Le centrali termoelettriche sono composte principalmente da tre parti fondamentali COMPONENTI DELL IMPIANTO ELETTRICO Caldaia Le caldaie che vengono usate adesso sono del tipo: a tubi d acqua,nelle quali l acqua passa attraverso i tubi evaporatori riscaldati dal calore prodotto nel focolare; nel passaggio l acqua si riscalda e comincia a vaporizzarsi,infine viene fatta passare nel surriscaldatore,che è formato da un insieme di tubi riscaldati, i quali sono tali grazie ai fumi generati dal bruciatore che trasformano per sempre l acqua in vapore ad una temperatura di circa 540 C e ad una pressione molto elevata(essendo una caldaia chiusa ermeticamente). Turbina Nella turbina avviene la trasformazione dell energia termica e di pressione del vapore in energia cinetica e da essa in energia meccanica di rotazione. La turbina è formata da una parte fissa detto distributore e una parte mobile detta girante. Il fluido in movimento entra nella turbina, viene regolato mediante il distributore e agisce sulle pale della girante mettendola in movimento. Il movimento rotatorio della girante viene quindi trasferito mediante un albero ad un alternatore che produce quindi energia elettrica. Inoltre le turbine possono essere classificate in: - turbine ad azione quando l energia cinetica del fluido viene aumentata solamente nel distributore e poi il fluido viene utilizzato per far muovere la girante; - turbine a reazione quando all uscita del distributore il vapore conserva ancora dell energia termica e di pressione,completando la trasformazione in cinetica all interno della girante. 2
Condensatore La pressione subito dopo essere uscita dal distributore comincia a diminuire, difatti nel momento in cui il rotore si mette a girare, la pressione del vapore è diventata tanto bassa da non essere più utilizzabile, quindi il vapore viene inviato al condensatore, che, come dice la parola stessa, serve a condensarlo, ritrasformandolo in acqua allo stato liquido. Infine, l acqua viene recuperata con una pompa e rimandata di nuovo in caldaia, dove comincia un nuovo ciclo. Il condensatore non è altro che uno scambiatore di calore, dove l acqua che è stata utilizzata sotto forma di vapore per muovere la turbina, viene raffreddata da altra acqua a bassa temperatura (di solito acqua di mare o di fiume). Le dimensioni del condensatore e la portata d acqua necessaria al condensatore per realizzare il suo ciclo di raffreddamento sono molto elevate, infatti le centrali termoelettriche vengono costruite lungo i fiumi o sulle coste. POTENZA TERMICA La potenza termica è la quantità di energia nell unità di tempo che il combustibile fornisce al generatore di calore. Viene chiamata anche carico termico orario perché se moltiplicata per il tempo di 1h, rappresenta l energia termica che occorre per ogni ora di funzionamento. Il carico termico specifico ( o energia termica specifica) rappresenta l energia termica necessaria per produrre il valore unitario di energia elettrica IMPATTO AMBIENTALE La produzione dell energia elettrica, come del resto ogni altra attività industriale, provoca un certo impatto sull ambiente, dipendente dal tipo di centrale e dalla tecnologia adottata. Per quanto riguarda l inquinamento atmosferico hanno una rilevante importanza le centrali termoelettriche alimentate con combustibili fossili, sia per la loro diffusione infatti coprono circa i due terzi della produzione mondiale di energia elettrica sia per la presenza dei prodotti residui della combustione, per esempio l anidride carbonica, che pur non essendo di per sé nociva, favorisce l effetto serra e quindi il riscaldamento globale. Occorre perciò limitare la produzione di CO2 nelle centrali. La normativa che regola le emissioni in atmosfera delle centrali termoelettriche ha avuto una rapida evoluzione, in particolare a partire dalla metà degli anni 80. Dato che il problema dell inquinamento atmosferico non deriva solo dalla produzione dell energia elettrica e non dipende soltanto da un singolo stato, sono stati stipulati dei protocolli internazionali. Il rispetto dei limiti di emissione degli inquinanti comporta l adozione di particolari misure nella gestione delle centrali termoelettriche. 3
Per la riduzione degli inquinanti a base di zolfo si scelgono operazioni sia di tipo gestionale che impiantistico. I primi consistono nell impiego di combustibili con bassissimo tenore di zolfo, mentre i secondi richiedono l installazione di impianti di desolforazione dei fumi. La riduzione degli ossidi di azoto si basa su interventi primari e secondari di denitrificazione. I primi hanno lo scopo di ridurre la formazione di ossidi e vengono attuati regolando opportunamente la combustione. Gli interventi secondari, invece, servono per l abbattimento degli ossidi di azoto dopo la combustione e consistono nel prelevare i fumi provenienti dalla caldaia e inviarli a reattori catalitici, dove avviene l abbattimento mediante reazione con ammoniaca. Per quanto riguarda la diminuzione delle polveri contenute nei fumi, si usano precipitatori meccanici e elettrostatici. I primi provocano la caduta delle particelle solide sospese nei gas facendone variare la velocità mediante allargamenti di sezione o bruschi cambiamenti di direzione. I precipitatori elettrostatici, invece, si basano sul principio dell attrazione tra corpi dotati di carica elettrica di segno opposto e sono costituiti da elementi metallici sottili e da piastre metalliche. Si deve tener conto, infine che l impatto ambientale provocato da una centrale non riguarda soltanto il rilascio di sostanze inquinanti originate dalla combustione, ma comprende anche altri aspetti: 1) inquinamento idrico 2) la modificazione del paesaggio 3) lo smaltimento dei rifiuti solidi 4) il controllo dell inquinamento del rumore. IMPIANTI CON TURBINE A GAS Si tratta di impianti con minor potenza di quelli a vapore, che sfruttano, mediante una turbina a gas, l energia termica e di pressione attribuite ad una miscela aria e gas di combustione, ottenuta bruciando del combustibile pregiato ( gasolio o gas). Il compressore mosso dalla turbina comprime l aria aspirata e filtrata, la manda nella camera di combustione, dove essa acquista energia termica. La miscela di aria e gas combusti si espande producendo lavoro meccanico, trasformato in energia elettrica dall alternatore. All inizio del processo, dato che la turbina è ancora ferma, occorre un motore di lancio per avviare tutto il gruppo e mettere in funzione il compressore. IMPIANTI A CICLO COMBINATO In un impianto a ciclo combinato l energia elettrica viene prodotta per ogni gruppo da due alternatori, uno mosso da una turbina a gas e l altra da una turbina a vapore. Le due turbine sono tra loro combinante per il fatto che i gas di scarico prodotti dalla turbina a gas ad elevata temperatura, vengono impiegati come sorgente termica per riscaldare l acqua in un generatore di vapore a recupero e generare il vapore necessario per alimentare la turbina a vapore. Il rendimento dell impianto a valori molto elevati, superiori al 50%. 4
IMPIANTI CON MOTORE DIESEL Si tratta di impianti di modesta potenza, utilizzabili in luoghi non elettrificati o per i servizi di emergenza in mancanza della rete. Sono composti essenzialmente da un alternatore mosso da un motore diesel. La diffusione del fotovoltaico e dell eolico, stanno facendo chiudere le prime centrali termoelettriche in Italia (San Filippo del Mela - Messina) beneficio non solo ambientale ma anche economico. In Italia le centrali più importanti sono quella di Montalto di Castro (Viterbo) e quella di Porto Tolle (Rovigo). 5