1/10 - thermoelectric power plants - fundamentals of energy technology (italian)

LEZIONE 1LE CENTRALI TERMOELETTRICHE

Seminario di energetica

dott. Riccardo Maistrello

ITIS Guglielmo Marconi (Verona)

7/03/2012

DEFINIZIONE

Centrale termoelettrica

Centrale elettrica in cui l’energia primaria convertita in elettricità è quella potenziale chimica del combustibile fossile, che si trasforma in calore durante la combustione.

In ingresso: combustibile allo stato liquido (olio combustibile, oil), solido (carbone, coal) o gassoso (gas naturale, gas).

In uscita: energia elettrica

Trasformazione: l’energia chimica del combustibile viene liberata con la combustione e trasferita ad un fluido (acqua) sotto forma di calore. Il fluido, che ha acquistato energia (acqua → vapore), compie lavoro (espansione) in turbina, azionando un generatore che produce elettricità.

Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi

LOCALIZZAZIONE IMPIANTO

Una CTe ha le stesse esigenze di una grande industria manifatturiera a bassa manodopera:

1) Facilità nell’approvvigionamento della materia prima;

2) Facilità di distribuzione della produzione;

3) Necessità di gestione di scarichi/scarti/residui anche pericolosi.

1) La “materia prima” non si trova in Italia (carbone, gas, petrolio) e va perciò importata in quantità enormi (consumo giornaliero di combustibile).

Il trasporto avviene via nave (petroliere, carboniere)

→ vicinanza ad un grande porto

→ trasporto combustibile porto-centrale e smistamento nel deposito su binario (impianto ferroviario)



2) La produzione è energia elettrica, molto versatile e trasportabile con facilità. Non occorre essere vicini ai grandi consumatori (città, industrie) perché la rete di trasmissione e distribuzione ovvia all’inconveniente.

NB Sarebbe anzi problematico installare una centrale così inquinante ed ingombrante (25-35 ettari per un impianto da 1000-2000 MW) vicino ad una città.

3) La gestione dei prodotti collaterali del processo richiede sforzi economici, tecnici e gestionali notevoli. Parliamo di:

Ceneri e fumi di combustione, opportunamente trattati e filtrati a norma di legge (desolforazione, denitrificazione etc.) vengono immessi nell’atmosfera;

Prodotti umidi o secchi derivanti dal trattamento dei fumi (p.e. fanghi tossici) vanno stoccati in discariche speciali).



C’è poi un quarto requisito fondamentale: vicinanza all’acqua.

Questi impianti hanno rendimenti del 40% ca. Ciò significa che il 60% dell’energia ricavata dal combustibile viene perduta sotto forma di calore degradato a bassa temperatura rilasciato nell’ambiente.

Il modo più semplice per cedere questo calore è con sistemi di raffreddamento ad acqua, fluido dalle ottime caratteristiche termiche (buon calore specifico J/kg*K = può assorbire molta energia (calore) senza aumentare troppo la propria temperatura).

La vicinanza al mare o ad un fiume con grande portata (Po) è fattore fondamentale. La portata di raffreddamento richiesta da un impianto di 1000 MW è di circa 100 000 m3/h d’acqua (24 ore al giorno, ≈365 giorni all’anno). → è circa l’intera portata del Bacchiglione!!!

Tra l’opera di presa e quella di restituzione, è ammessa una ΔT massima di 3 gradi centigradi (o kelvin).


LOCALIZZAZIONE IMPIANTOIN FOTO: CENTRALE DI PORTO TOLLE – DELTA DEL PO


COMBUSTIBILI FOSSILI


COMBUSTIBILE FOSSILE

I combustibili utilizzati sono:

CARBONE, materiale organico di origine vegetale sottoposto per migliaia di anni a condizioni di temperatura e pressione elevatissime e di assenza di ossigeno. Il carbone più giovane è la torba, il più vecchio l’antracite. Ogni carbone ha le sue caratteristiche, legate alla purezza, al materiale biologico di origine, al tenore di zolfo etc.

Tra i combustibili fossili è il più economico ed abbondante in natura, ma purtroppo è anche il più sporco ed inquinante. La legge italiana proibisce l’utilizzo di carbone con tenore di zolfo al di sopra dell’1%. Il carbone non viene bruciato a pezzi, ma viene polverizzato (polverino impalpabile) e quindi trasportato da mulinelli d’aria in camera di combustione (PCI 6993 kCal/kg TPN).

Il consumo giornaliero di una centrale da 1000 MW è di 5-6000 tonnellate di carbone al giorno, equivalenti a circa 150 carri ferroviari al giorno.Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi

COMBUSTIBILE FOSSILE

Accanto al carbone si utilizza il GAS NATURALE, trasportato mediante gasdotti (non via nave), associato a giacimenti petroliferi. E’ il combustibile fossile meno inquinante ma è il più costoso (e la disponibilità è molto inferiore a quella del carbone).

E’ composto al 94% da gas metano, quindi azoto (3%) ed altri idrocarburi. Ha PCI di 8170 kCal/m3 (TPN).

Il combustibile liquido (OLIO COMB.) è la cosiddetta frazione pesante del petrolio grezzo, che si ottiene dalla distillazione frazionata. In questo caso il tenore di zolfo massimo è del 3%.

Nella conservazione in silos occorre prevenire il contatto con l’aria per il rischio di combinazione con i vapori dell’olio → miscele esplosive. Poiché l’olio a temperatura ambiente è molto denso, per la movimentazione lo si preriscalda fino a 150 gradi C (fluidità sufficiente per l’immissione nel bruciatore).


COMBUSTIBILE FOSSILE3/3

In raffineria:

1) Si purifica il petrolio grezzo

2) Lo si invia in Torre di Frazionamento per la distillazione frazionata.

La separazione dei derivati si basa sul loro differente punto di ebollizione. La frazione leggera si deposita nei piatti in alto, quella intermedia al centro, quella pesante sul fondo.


LA COMBUSTIONE

Ogni combustibile è composto, in misura diversa, da: carbonio (C%), zolfo (S%), idrogeno (H%), azoto (N%) etc.

I primi tre elementi, combinandosi in debite proporzioni con l’ossigeno, si ossidano e liberano energia:

C + O2 → CO2 + 7863 kCal/kg(C)

2 H2 + O2 → 2 H2O + 33915 kCal/kg(H2)

S + O2 → SO2 + en. trasc.

Note le caratteristiche del combustibile in ingresso (studio chimico-fisico a monte) calcolo l’ossigeno teorico da fornire per la combustione e quindi l’aria da immettere in camera di combustione.

Note le reazioni chimiche che avvengono, calcolo le caratteristiche dei fumi di combustione (composizione chimica, volumi etc.).Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi

LA COMBUSTIONE

I prodotti della combustione sono: Energia → calore, che va a scaldare l’acqua in caldaia e la

fa evaporare; Fumi e ceneri: ossidi di zolfo (SOX), ossidi di azoto (NOX),

anidride carbonica (CO2), vapore d’acqua* (H2O), ossigeno (O2).

Fumi e ceneri sono a temperature elevatissime, 1100-1300 gradi, e a pressioni molto alte. Il movimento dei fumi attraverso i vari filtri e le condotte è principalmente consentito dalla loro temperatura (effetto camino), perciò non vanno mai raffreddati completamente.

* Oltre alla reazione H2 + O2, viene prodotto vapore in più perché l’aria prelevata dall’esterno e mandata in camera di combustione contiene umidità (UR, tasso di umidità relativa, indica quanta acqua c’è in un m3 d’aria) che ovviamente evapora. Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi

CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICAACQUA/VAPORE – ELETTRICO - RAFFREDDAMENTO


CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA

Diversi circuiti indipendenti si incrociano ed interagiscono: Circuito aria-fumi: l’aria, prelevata dall’esterno, viene

spedita in CdC dove reagisce con il combustibile e permette l’ossidazione di H2, S, C. Nota: l’ossigeno nell’aria è il 23-25%. Dopo la combustione i fumi vengono filtrati e trattati e quindi immessi in atmosfera.

Circuito del combustibile: il combustibile, stoccato in genere nei pressi della centrale, viene trasportato in CdC dove viene bruciato. I prodotti incombusti e le ceneri dovranno essere catturati prima del rilascio in atmosfera.

Circuito dell’acqua (vapore): in caldaia viene scaldata e portata ad evaporare. L’espansione avviene in turbina, dove il vapore pone in rotazione la girante, prima di essere fatto condensare nel condensatore. Ora è di nuovo acqua, e viene riportato in caldaia per ricominciare il ciclo (reintegro acqua 1% ca.)


CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA

Circuito elettrico: la turbina aziona un alternatore che produce elettricità. Una parte dell’energia generata serve per alimentare i servizi della centrale (“servizi ausiliari”, autoconsumo di centrale), il resto va in rete.

Circuito di raffreddamento: è ancora acqua, ma non c’entra nulla con quella che va in turbina. Prelevata dal corso d’acqua, deve togliere calore al vapore che esce dalla turbina così da costringerlo a condensare (per ripetere il ciclo termodin.). L’obbligo di restituzione con una ΔTmax di 3 K, costringe a raffreddare l’acqua prima di restituirla al fiume o al mare (torri di evaporazione). Per un gruppo da 320 MW per ogni kg di vapore da far condensare occorre prelevare dal fiume/mare 70-100 litri di acqua (vapore a 30 gradi circa, acqua a 5-25 gradi). La portata di raffreddamento è sulle 600 tonnellate/ora (100 quintali d’acqua al minuto).


COMPONENTI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA

Tra le varie e numerosi componenti di una CTe, approfondiamo le seguenti:

Generatore di vapore (caldaia)

Qui ha luogo la trasformazione dell’en. chimica del combustibile in calore, che viene trasferito per scambio termico al fluido. Per gli impianti più grossi la produzione oraria di vapore (potenzialità) può arrivare alle 3-4000 t/h. Il consumo specifico (vapore necessario per produrre elettricità) varia invece tra i 3 e i 10 kgVAP/kWhEL. In un gruppo da 320 MW la pressione a cui il vapore esce di caldaia è di quasi 200 atm (200 volte quella atmosferica) ad una temperatura di 540 gradi.

Effetto burn-out

Nelle tubazioni in caldaia il vapore oltre una certa temperatura (critica) crea un film sottile che fa crollare il coefficiente di scambio termico: rischio di bruciare i metalli! Si ricorre a tubature rigate e occorre vigilare sulla non stagnazione del vapore.



Turbina a vapore

Come per le turbine idrauliche rimangono le classificazioni assiale/radiale (direzione deflusso del fluido), mono/multi –cellulari (coppie distributore-girante), ad azione e reazione (conversione dell’energia nella turbina). Generalmente si impiegano turbine assiali, multicellulari costituite da elementi in parte ad azione ed in parte a reazione.

Si predilige l’accoppiamento diretto (senza riduttori) turbina-alternatore a velocità tipiche: 3000, 1500, 1000, 750 g/min.

La turbina consta di più stadi, di alta pressione e di bassa pressione. Nei primi il vapore è più compresso e necessita di sezioni di deflusso più piccole, nel secondo caso l’area di deflusso aumenta e così le dimensioni delle palette della girante.



Condensatore

E’ un grande scambiatore di calore, dove l’acqua di raffreddamento sottrae energia al vapore per farlo condensare. Il condensatore è in depressione poiché il vapore condensando riduce il proprio volume: necessità di dimensionare le pareti per resistere alle forze agenti dall’esterno e di una pompa di estrazione per tirare fuori la condensa e inviarla alla caldaia.

Il vapore entra nel condensatore a temperature basse, 30-40 gradi, e l’acqua refrigerante a 5-25 gradi. Il salto termico è modesto, occorrono grandi portate per sottrarre grandi quantità di vapore (600 t/h per 320 MW, 70-100 litri d’acqua per ogni kg di vapore da raffreddare).

Per rispettare i vincoli legislativi, la ΔTmax nel corso d’acqua deve essere inferiore ai 3 gradi → ΔTCONDENS ≈ 8 gradi e poi si va in torre di evaporazione a raffreddare



Torri di raffreddamento: sono indispensabili per raffreddare il fluido in uscita dal condensatore quando non dispongo di acqua fresca da mare, fiume etc. L’acqua viene nebulizzata in goccioline leggere e fatta precipitare verso il fondo della torre. Nella caduta cede calore all’aria intorno a sé, scaldando maggiormente gli strati più alti. Per effetto camino l’aria calda sale ed esce dalla torre, portando via il calore sottratto all’acqua nebulizzata (alle volte si installano grossi ventilatori).

Sono molto larghe perché serve una grande portata di aria per raffreddare il fluido.

Camino: permette il rilascio dei fumi trattati e filtrati nell’atmosfera. È di altezza notevole, fino a 300 metri, e i materiali delle canne che portano i fumi sono in materiali speciali (acciaio inox, vetroresina) per resistere alle possibili condense acide. Il tiraggio è garantito ancora una volta dal calore posseduto dei fumi.


TRATTAMENTO DEI FUMI

La normativa prescrive limiti nelle EMISSIONI al camino. In passato erano riferiti alla CONCENTRAZIONE al suolo e bastava realizzare camini altissimi per essere sicuri che le ceneri si disperdessero su una superficie molto più ampia.

Nelle centrali termoelettriche il trattamento dei fumi è obbligatorio, come si vede negli esempi:

1) Centrale a carbone (gruppo 320 MW)

Emissione SOX = 1300-1800 mg/m3 (TPN) → Limite consentito = 250!!!

2) Centrale a gas (gruppo 320 MW)

Emissione NOX = 840 mg/m3 (TPN) → Limite consentito = 100 !!!

3) Centrale a olio combustibile (gruppo 320 MW)

Polveri sospese = 70-200 mg/m3 (TPN) → Limite consentito = 50 !!!Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi

TRATTAMENTO DEI FUMI

Prodotti emessi (centrale 1000 MW)

Ceneri (solo carbone) = 300 000 ** t/anno

CO2 (carbone / olio) = 6 000 000*/4 400 000 t/anno

SO2 (carbone / olio) = 31 600 / 21 000 t/anno

CO (carbone / olio) = 2 500 / 2 200 t/anno

NOX (carbone / olio) = 18 300 / 8 000 t/anno

Si tratta di quantità enormi! 16 000 tonnellate al giorno di anidride carbonica (*), 820 tonnellate al giorno di ceneri(**)…

L’OMS stima ogni anno 2 MILIONI DI MORTI a causa dell’inquinamento atmosferico. Un contributo fondamentale è certamente quello delle centrali termoelettriche.


TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO POLVERI

PST polveri sospese trasportate

Tre soluzioni: Precipitatori meccanici: solo per polveri grossolane (fino

PM10); Filtri a manica: realizzati in tessuto di fibra di vetro rivestita di

grafite o teflon, hanno un’ottima efficienza di cattura del PST ma sono molto costosi e hanno vita media breve (2-4 anni);

Precipitatori elettrostatici (ESP, electrostatic precipitator): hanno efficienza quasi unitaria, sfruttano un effetto corona indotto per polarizzare le particelle e quindi sottoporle ad un campo elettrico che le costringe a depositarsi su superfici cariche elettricamente.

→ Vedere scheda di approfondimento “I precipitatori elettrostatici”


TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO SOX

Desolforazione – abbattimento degli ossidi di zolfo

SO2, SO3 → piogge acide Prodotti da centrali ad olio e a carbone Si possono utilizzare carboni ed oli a basso tenore di zolfo

(<0,23%), più rari e costosi, bonificati addirittura in miniera subito dopo l’estrazione (nel caso del carbone) attraverso il lavaggio in situ.

Oppure si ricorre a processi chimici ad umido o a secco, noti come sistemi FGD o DeSOx, che introducendo composti di calcio catturano lo zolfo producendo però fanghi acidi → necessità trattamento e stoccaggio in discariche speciali.

Il costo dell’investimento per grandi impianti è di 70 $/kWe (2006) a cui va sommato il prezzo del reagente e della gestione della discarica. Il kWh elettrico generato può arrivare a costare +20%!

→ Vedere scheda “La Desolforazione”Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi

TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO NOX

Denitrificazione → abbattimento ossidi di azoto

Il 73% dell’aria è azoto (N2), gas inerte che non ossida e perciò non partecipa alla combustione. Tra 900 e 1000 gradi la formazione di NOx è molto contenuta: ma in CdC le temperatura sono ben più alte, 1300-1500 gradi.

Si inietta perciò ammoniaca in caldaia (circa 30 t/giorno per gruppi da 320 MW) → l’ammoniaca che non si combina viene però espulsa nell’atmosfera.

Sistemi SCR (selective catalytic reduction): si introduce poca ammoniaca (NH3) e si fa in modo che reagisca tutta grazie alla presenza di opportuni catalizzatori. All’uscita abbiamo acqua e azoto molecolare (gas N2).


IMPIANTI TERMOELETTRICI A TURBOGAS Quanto finora detto è riferito ad impianti con turbine a

vapore. Negli ultimi anni il ruolo delle turbine a gas si è fatto via via più importante.

Gli impianti a turbogas hanno taglie di potenze inferiori, per cui si hanno più gruppi posti in parallelo. La struttura dell’impianto è più semplice (vedi schema) e richiede costi e tempi di realizzazione minori → costi iniziali minori

Tuttavia il combustibile è il pregiato gas naturale, più raro e costoso (e meno inquinante), e al contempo i rendimenti sono più bassi (25-30%) → costi operativi molto alti

Bassi costi iniziali ma alti costi di funzionamento → impianto di punta, produce solo durante i picchi di domanda (≈1500 h/anno)


IMPIANTI A CICLO COMBINATO Ciclo combinato: ciclo che impiega turbine a gas e poi a

vapore. Si realizza un normale ciclo turbogas ma i gas di scarico (grandi portate, alte temperature) vengono utilizzati per scaldare il fluido di un ciclo a vapore.

Elevati rendimenti di conversione, ma soprattutto grandi aspettative sull’evoluzione tecnologica delle turbine a gas, che di anno in anno vengono migliorate sensibilmente (quelle a vapore sono invece ferme da più di vent’anni).

Possibilità di “aggiornare” vecchi impianti convertendoli al ciclo combinato, oltre che di costruirne nuovi che nascono già a ciclo combinato.


DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL

Generazione elettrica mondiale (mondo)


DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL

Produzione emissioni CO2 (mondo)


DATI AGGIORNATI SULLA PROD.

Previsioni IEA per il futuro (mondo)Scenario standard (business as usual) vs scenario green


ISTRUZIONI PER LO STUDIO PERSONALE


o Leggere bene questa presentazione;o Studiare la scheda “How do you make electricity from coal?” (con

video);o Esercitazione nr. 1 per il prossimo incontro.

Per qualsiasi dubbio/considerazione/proposta:

[email protected]

→ segnalatemi anche errori e sviste nelle slide!

mailto:[email protected]

Fonti: Impianti di produzione dell’energia

elettrica, Roberto Caldon, Libreria Progetto; Key world energy statistics 2010,

International Energy Agency (IEA), www.iea.org;(http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2010/key_stats_2010.pdf)

http://www.iea.org/

http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2010/key_stats_2010.pdf






1/10 - thermoelectric power plants - fundamentals of energy technology (italian)

Entertainment & Humor