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Thermoelectric power plants
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LEZIONE 2
CONVENZIONALE,
MA NON TROPPO!
Seminario di energetica
dott. Riccardo Maistrello
ITIS Guglielmo Marconi (Verona)
Mercoledì 14 marzo 2012, aula 110
Cosa abbiamo visto
nella scorsa lezione?
Definizione di centrale termoelettrica;
Localizzazione di un impianto;
Il problema del raffreddamento;
Combustibili fossili: carbone, gas e olio combustibile;
Funzionamento di una centrale a carbone: componenti e circuiti (turbina a vapore).
Il problema delle emissioni inquinanti.
Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
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 + 7’863 kCal/kg(C)
2 H2 + O2 → 2 H2O + 33’915 kCal/kg(H2)
S + O2 → SO2 + en. trascurabile
Note le caratteristiche del combustibile in ingresso (studio chimico-fisico amonte) calcolo l’ossigeno teorico da fornire per la combustione e quindi l’ariada immettere in camera di combustione.
Note le reazioni chimiche che avvengono, calcolo le caratteristiche dei fumi dicombustione (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 lafa 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, 1100-1300gradi centigradi, e a pressioni molto alte. Il movimentodei fumi attraverso i vari filtri e le condotte èprincipalmente consentito dalla loro temperatura (effettocamino), perciò non vanno mai raffreddaticompletamente.
* Oltre alla reazione H2 + O2, viene prodotto vapore in più perché l’ariaprelevata dall’esterno e mandata in camera di combustionecontiene umidità (UR, tasso di umidità relativa, indica quantaacqua c’è in un m3 d’aria) che ovviamente evapora.
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CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICAACQUA/VAPORE – ELETTRICO - RAFFREDDAMENTO
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TRATTAMENTO DEI FUMI La normativa prescrive limiti nelle EMISSIONI al camino. In passato erano
riferiti alla CONCENTRAZIONE al suolo e bastava realizzare camini altissimiper essere sicuri che le ceneri si disperdessero su una superficie molto piùampia.
Oggi una ciminiera può raggiungere i 300 metri, una torre diraffreddamento i 100.
Nelle centrali termoelettriche il trattamento dei fumi è obbligatorio, comesi 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 !!!
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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 anidridecarbonica, 820 tonnellate al giorno di ceneri…
L’OMS stima ogni anno 2 MILIONI DI MORTI (premature) a causadell’inquinamento atmosferico. Un contributo fondamentale ècertamente quello delle centrali termoelettriche (assieme ad auto,camion, aerei).
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INQUINAMENTO E SALUTE
Particelle delle dimensioni inferiori o pari a 10 micron o milionesimi di metro(PM10) possono penetrare nei polmoni ed entrare nella circolazione sanguigna,causando malattie cardio-vascolari, cancro ai polmoni, asma e infezioni acutealle vie respiratorie". L'Oms raccomanda di rispettare una soglia media annuadi 20 microgrammi di PM10 per metro cubico (20μg/m3)
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MA CHI È CHE INQUINA? La struttura delle sorgenti di CO2 varia di paese in paese:
chi genera elettricità da nucleare, per esempio, emettemeno ceneri, CO, CO2, SOx, NOx (ma deve occuparsi digestire le scorie radioattive poi).
In generale, di tutta la CO2 emessa grosso modo:
1/3 viene dalla generazione elettrica;
1/3 dai trasporti (auto, camion, aereo, nave);
1/3 da industria, riscaldamento e altre attività.
In prima (e grossolana) approssimazione, possiamo immaginare che anche gli altri inquinanti vengano emessi con la stessa distribuzione anche se sappiamo che bruciare gas metano o benzina od olio combustibile o carbone non è la stessa cosa.
2 milioni di morti l’anno su 7 miliardi di personenel mondo = 2 morti ogni 7’000 persone;
In Italia (56 mln ab.) = 16’000 morti/anno
16’000/3 = 5’300 morti/anno per le emissioniinquinanti dalla generazione elettrica(evidentemente termo-elettrica in massimaparte): morti sulla strada 2010 → 4’090 (ACI)
STRATEGIA UE ABBATTIMENTO EMISSIONI
(IN DISCUSSIONE)
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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”
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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”
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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).
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IMPIANTI TERMOELETTRICI A TURBOGAS
Quanto finora detto sul funzionamento di una centrale è riferito adimpianti con turbine a vapore. Negli ultimi anni il ruolo delle turbine a gassi è fatto via via più importante.
Gli impianti a turbogas hanno taglie di potenze inferiori, per cui si hannopiù gruppi posti in parallelo. La struttura dell’impianto è più semplice(vedi schema) e richiede costi e tempi di realizzazione minori → costiiniziali minori
Tuttavia il combustibile è il pregiato gas naturale, più raro e costoso (emeno 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)
1 anno = 8760 ore
CENTRALE TURBOGAS (CON TURBINA A GAS)
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FUNZIONAMENTO TURBOGAS
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TURBOGAS CON RIGENERAZIONE
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Per la produzione dell’energia elettrica, il tipo di impianto con turbina a gas (turbogas)più semplice è ad una sola linea d’albero ed è costituito da un compressoremultistadio (in cui l’aria aspirata dall’esterno viene compressa), una camera dicombustione (in cui avviene la combustione di combustibile addizionato all’ariacompressa), una turbina o espansore (in cui avviene l’espansione dei gas provenientidal combustore). La potenza sviluppata nell’espansore viene in parte assorbita dalcompressore e per la parte restante è fornita al generatore elettrico coassiale. Unaconsiderevole potenza termica è associata ai gas di scarico.
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IMPIANTI A CICLO COMBINATO
Ciclo combinato: ciclo che impiega e combina turbine a gas e a vapore (inquesto ordine). Si realizza un normale ciclo turbogas ma i gas di scarico(grandi portate, alte temperature) vengono utilizzati per scaldare il fluidodi un ciclo a vapore.
Elevati rendimenti di conversione (anche 50-55%), ma soprattutto grandiaspettative sull’evoluzione tecnologica delle turbine a gas, che di anno inanno vengono migliorate sensibilmente (quelle a vapore sono inveceferme da più di vent’anni).
Possibilità di “aggiornare” vecchi impianti convertendoli al ciclocombinato, oltre che di costruirne nuovi che nascono già a ciclocombinato. Enel ha iniziato a combinare turbine a gas con turbine avapore già dagli anni ’80.
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CICLO COMBINATO
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CICLO COMBINATO
In un impianto a ciclo combinato l’energia elettrica viene prodottada alternatori mossi da turbine a gas e da turbine a vapore, traloro “combinate” per il fatto che i gas di scarico della turbina agas, per mezzo di un generatore di vapore a recupero (GVR),generano il vapore necessario per alimentare la turbina a vapore.
Il processo complessivo impiega dunque il calore alla temperaturaelevata della turbina a gas e cede il calore alla temperatura bassadel condensatore della turbina a vapore, realizzando in definitivale condizioni ottimali per rendimenti eccellenti, nettamentesuperiori al 50%. Il processo di produzione dell’impianto a ciclocombinato si basa perciò sull’accoppiamento in cascata di duecicli termodinamici, per cui il calore scaricato dal primo ciclocostituisce il calore d’ingresso del secondo ciclo.
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DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL
Generazione elettrica mondiale (mondo)
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DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL
Produzione emissioni CO2 (mondo)
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DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE
Previsioni IEA per il futuro (mondo)
Scenario standard (business as usual) vs scenario green
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ISTRUZIONI PER LO STUDIO PERSONALE
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o Leggere bene questa presentazione;
o Esercitazione nr. 2 per il prossimo incontro.
Per qualsiasi dubbio/considerazione/proposta:
→ segnalatemi anche errori e sviste nelle slide!
Fonti:
Impianti di produzione dell’energia elettrica, Roberto Caldon,
Libreria Progetto;
Dispense del corso di “Conversione dell’energia”, Carlo Belli,
Università di Pavia
(http://www-3.unipv.it/electric/conven/)
Key world energy statistics 2010, International Energy Agency
(IEA), www.iea.org;
(http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2010/key_stats_2010.pdf)
European Commission's Directorate-General for Energy and
Transport.
Web site: http://ec.europa.eu/energy/index_en.htm