di  -  martedì 12 maggio 2009

Pubblichiamo un guest post di Simone Serra

Nello scorso post abbiamo tratteggiato le dinamiche fondamentali del fabbisogno energetico. In questo post e nel prossimo prenderemo in esame le principali tipologie di impianti “tradizionali” di produzione.

Termoelettrico vapore

Partiamo dagli impianti termoelettrici a vapore: si tratta di impianti caratterizzati dalla grossa taglia di potenza e dalla caratteristica di poter lavorare con combustibili poco pregiati quali carbone, rifiuti, biomasse e materiali solidi in genere.

In tali impianti un fluido passa attraverso uno scambiatore di calore (che per impianti tradizionali è rappresentato dalla camera di combustione costituita da fasci di tubi saldati tra loro in modo da formare le pareti della stessa), tale fluido (solitamente acqua demineralizzata in maniera spinta) viene riscaldato e surriscaldato fino a divenire vapore che viene poi inviato ad una turbina (detta appunto “a vapore”) dove espandendo si raffredda e cede “energia“ ad essa, energia meccanica che viene convertita in energia elettrica.

Il vapore viene poi fatto condensare facendolo passare in uno scambiatore immerso in acqua (solitamente questi impianti sorgono in prossimità del mare o di grandi corsi d’acqua) dove cede il calore all’acqua di refrigerazione e viene reimmesso in circolo, pertanto non si hanno scambi di fluido con l’esterno, oppure viene utilizzato un sistema a torre evaporativa (la grande torre sulla sinistra del disegno) dove viene sfruttato il calore latente di evaporazione dell’acqua per raffreddare il fluido operativo.

Sul “lato fumi” si procede cercando di recuperare quanto più calore possibile dagli stessi mediante una serie di scambiatori posti prima dell’inizio delle unità di trattamento fumi, dove tali gas verranno trattati per eliminare le specie inquinanti quali ossidi di azoto, di zolfo ed il particolato secondo la normativa vigente.

Le capacità di regolazione di questa tipologia di impianto è piuttosto limitata, presentano la caratteristica positiva di risentire meno di altri impianti della riduzione del rendimento quando lavorano ad un carico inferiore al 100% (condizioni di OFF DESIGN), ma la lentezza con la quale possono incrementare il carico (10-30 ore se si parte ad impianto avviato o ad impianto freddo) rendono impossibile utilizzare questi impianti per seguire i picchi di richiesta dell’utenza, pertanto  vengono utilizzati per sopperire principalmente al carico di base.

Il rendimento degli impianti a vapore di grossa taglia si attesta su valori dell’ordine del 40%.

E’ importante evidenziare come sia gli impianti nucleari che gli impianti geotermici siano impianti a vapore, infatti la differenza “sostanziale” tra un tradizionale impianto a vapore ed essi risiede solamente nella sorgente termica.

L’essere impianti a vapore limita il nucleare ed il geotermico alle stesse logiche di impiego degli impianti a vapore tradizionali.

Turbina a Gas

Gli impianti a turbina a gas esistono in diverse taglie di potenza e sono essenzialmente analoghi alle turbine aeronautiche, dalle quali possono derivare, ed in tal caso si parla di TG Aeroderivate, altrimenti TG Heavy Duty, ed in funzione della loro taglia risultano più o meno regolabili in tempi rapidi.

Essenzialmente sono composte da un compressore ed una turbina collegati tra loro meccanicamente, come visibile in figura, l’aria compressa viene inviata al combustore dove si miscela con il combustibile, ed i gas combusti così prodotti espandono in turbina cedendo la loro energia.

La differenza sostanziale rispetto alle turbine a vapore risiede nel fatto che in quelle a gas il fluido operativo è il prodotto stesso della combustione, e pertanto deve essere privo di particelle solide e corrosive che potrebbero danneggiare irrimediabilmente le palettature; per questo motivo (salvo particolari soluzioni) non è possibile utilizzare combustibili solidi ma esclusivamente liquidi (olii combustibili a basso tenore di zolfo) o gassosi (gas naturale o di sintesi).

I gas di scarico espansi possiedono ancora una notevole quantità di calore, che può essere perduta allo scarico (Ciclo Semplice) oppure recuperata installando un impianto a vapore che recuperi il calore residuo (Ciclo Combinato o Cogenerativo) per produrre altra energia elettrica mediante una turbina a vapore, oppure direttamente vapore o acqua calda per usi tecnologici o di teleriscaldamento.

Tali impianti risentono in maniera più sensibile rispetto agli impianti a vapore delle variazioni del rendimento in condizioni di off design, ma sono d’altra parte capaci di regolare rapidamente (soprattutto per impianti medio piccoli) la loro potenza, e di seguire con maggiore facilità le richieste dei picchi di utilizzo.

I rendimenti tipici di impianti turbogas a ciclo semplice sono dell’ordine del 30-35%, mentre gli impianti cogenerativi e combinati arrivano a rendimenti nell’ordine del 60-65% (i più moderni).

27 Commenti »

I commenti inseriti dai lettori di AppuntiDigitali non sono oggetto di moderazione preventiva, ma solo di eventuale filtro antispam. Qualora si ravvisi un contenuto non consono (offensivo o diffamatorio) si prega di contattare l'amministrazione di Appunti Digitali all'indirizzo info@appuntidigitali.it, specificando quale sia il commento in oggetto.

  • # 1
    Sèvero
     scrive: 

    Bello l’articolo ma mancano le immagini che citi.

    Ciao

    Sèvero

  • # 2
    Thomas
     scrive: 

    Concordo, argomento interessante, anche se come già detto mancano le immagini…

  • # 3
    Massimo
     scrive: 

    Tempo fa vidi un servizio in TV sull’idea di un ex ingegnere FIAT, che voleva costruire delle particolari caldaie. Queste genravano elettricità che usavano direttamente o “vendevano” ad Enel, e utilizzavano il calore per il riscaldamento dell’abitazione. In questo modo si ottimizzava il rendimento e la distribuzione dell’energia, usando semplice metano o biogas o simili. Vado a memoria, quindi sono impreciso ma mi piacerebbe approfondire …

  • # 4
    Sèvero
     scrive: 

    @Massimo

    Se è per questo la Fiat detiene un brevetto, fine anni ’70 inizio anni ’80, per motori Diesel/Gas per gruppi elettrogeni specifici per utilizzare i gas generati dalle biomasse che notoriamente sono impuri e ricchi di zolfo.

  • # 5
    io
     scrive: 

    alcune osservazioni

    1) Gli impianti geotermici dubito che abbiano problemi di risposta rapida: il vapore è prodotto sottoterra dal calore del magma, e non c’è bisogno di attendere 30 ore che la caldaia vada in temperatura per avere vapore: si apre una saracinesca e questo arriva da sottoterra.

    2) per vari motivi, gli impianti nucleari hanno rendimenti inferiori al 40% citato: in genere non vanno oltre il 33-35%

    3) Si parla di ciclo combinato per “turbina a gas + ciclo al vapore”. Si parla di cogenerazione per “produzione elettrica + riuso del calore di scarto” dove con riuso del calore di scarto si possono intendere teleriscaldamento o altri usi industriali del calore.

    ps: il progetto del generatore Fiat era chiamato TOTEM.

  • # 6
    john smith
     scrive: 

    65%? Del solo rendimento elettrico? Sono rimasto indietro io o è tantino?

  • # 7
    Simone
     scrive: 

    @Sèvero & Thomas

    Ho potuto leggere sola ora il post pubblicato, mi rendo conto che le due immagini non rendono tantissimo l’idea, purtroppo lo spazio concesso da un post porta questi limiti…

    @Massimo

    Come già detto da “io” quel sistema che citi si chiama Totem, ma è una cosa piuttosto diversa, ci sarà un post in futuro anche su quello…(quando parlerò di microgenerazione-cogenerazione-trigenerazione)

    @io

    Scaldare una caldaia non è un’operazione semplice, il vapore endogeno non può essere utilizzato direttamente in caldaia se ricco di zolfo e sostanze corrosive e in tal caso si rende necessario uno scambiatore intermedio, ma soprattutto il vero problema consiste nel fatto che una turbina a vapore solo per essere fermata od azionata richiede una procedura piuttosto lunga, il vapore solitamente ha una velocità in certi stadi dell’ordine di Mach2, non è come chiudere od aprire un semplice rubinetto…

    Il 40% di rendimento era ovviamente riferito agli impianti tradizionali… una trattazione sul nucleare esula dall’interesse iniziale di questi post (come ho specificato nel primo)

    Per quanto riguarda la distinzione tra ciclo combinato e cogenerazione credevo si capisse dal post, non ho evidenziato quale delle due tipologie corrispondesse l’una o l’altra soluzione, ma leggendo la frase successiva erano in ordine corretto, forse sarei dovuto essere più preciso, purtroppo quando si scrive un post certi dettagli possono sfuggire, la tua precisazione è sicuramente utile e starò più attento per i prossimi

  • # 8
    Simone
     scrive: 

    @ john smith

    Il valore 65% è il “rendimento di produzione dell’impianto, un impianto a ciclo combinato produce esclusivamente energia elettrica e quindi si riferisce a questo, nel caso cogenerativo si produce vapore oltre all’energia elettrica e quindi i singoli rendimenti dei due processi sono diversi.

    Ci saranno comunque altri post dove questi impianti verranno analizzati con maggiore dettaglio, ovviamente ogni suggerimento o richiesta di approfondimento di chi legge è sempre gradito

  • # 9
    john smith
     scrive: 

    Per una centrale a ciclo combinato dici che si arriva ad un 65% di rendimento (in questo caso elettrico). A me sembrava veramente tanto, per questo mi chiedevo se non fossi io a esssere rimasto indietro di qualche anno.

  • # 10
    Simone
     scrive: 

    @ john smith

    Lo so, sembra tanto ma è reale, in realtà è logico se consideri che lo scarico della TG viene utilizzato per generare vapore in un piccolo GVR (generatore di vapore a recupero) al quale è collegata una piccola turbina a vapore… ovviamente il valore 65% vale per TG moderne il cui rendimento anche a ciclo semplice è superiore al 30%, nel TG il rendimento dipende fortemente dalle temperature alle quali lavora la turbina, per il futuro ci si aspetta ancora molto dai materiali, che già oggi sono “speciali” (non si usa l’acciaio per le palettature)

  • # 11
    massi
     scrive: 

    il rendimento di un ciclo combinato di ultima generazione non supera il 60% al momento neanche i prototipi più avanzati arrivano al 65

  • # 12
    john smith
     scrive: 

    Puo darsi, io ero rimasto a centrali combinate con 58% di rendimento elettrico ma sono anni che non mi interesso di queste cose.

  • # 13
    Simone
     scrive: 

    @massi & john smith

    Le TG stanno migliorando costantemente grazie soprattutto alla ricerca sui materiali, il valore che indico nel post 60-65% fa riferimento al tempo stesso alle più moderne ed a ciò che ci si attende entrerà in produzione in un prossimo futuro, non bisogna dimenticare che chi produce turbine a gas opera anche nel campo militare, e tali turbine presentano sempre un vantaggio rispetto alle corrispettive civili “di qualche anno” soprattutto in termini di materiali… lo schema di trasferimento tecnologico nelle TG è sempre: aviazione militare-> aviazione civile-> produzione elettrica.

    Allo stato attuale gli impianti commerciali arrivano a 60%, la ricerca si spinge oltre, ma è anche ovvio che il rendimento da solo rappresenta ben poco, in funzione della taglia della macchina questo valore può variare

  • # 14
    Andreax86
     scrive: 

    il rendimento di un ciclo combinato oggi arriva anche al 61-62% (ma solo nella soluzione 3 livelli di pressione+surriscaldatore),soprattutto se si avrà la serie H delle turbine a gas si potrà raggiungere anche qualcosina in più. Mi pare che in Germania la stiano inserendo in un impianto, poi c’è da dire che gli impianti combinati possono essere di vario tipo; ci sono anche quelli Repowering che arrivano al 51-52%(ma sono ex impianti a vapore a cui viene aggiunto il gruppo turbogas+GVR),ma uno ad hoc varia tra il 57-62% e penso che la stima 60-65 sia esatta tenendo in conto che le TG sono in rapida evoluzione.
    Piuttosto mi pare un po’ basso il dato sul rendimento delle TG.Premesso che varia con la loro taglia, quelle di medie-grandi dimensioni hanno rendimenti anche intorno al 40%,soprattutto quelle aereonautiche o derivate.
    Un’altro appunto: oggi in qualche impianto a vapore si sta utilizzando come condensatore un impianto a ventilazione forzata,sfruttando l’aria. Può sembrare assurdo,ma ne ho visitato uno!le ventole fanno paura!le potrei usare per il pc!ahah!Ovviamente ciò ha un costo energetico maggiore di quello di una pompa da 5MW per un condensatore tradizionale.
    Comunque dinuovo complimenti a Simone,bell’articolo. Semplice ma anche preciso.

  • # 15
    Simone
     scrive: 

    @Andrea86

    Hai ragione sul valore delle TG, ammetto di essermi basato per quelle su dati in mio possesso non troppo aggiornati, ma “l’errore” nasce anche dal fatto che per quelle stavo riferendomi soprattutto agli impianti esistenti… oggi quando si installa una TG per produzione di energia elettrica si predilige (ovviamente) installarla in ciclo combinato, sono sempre meno gli impianti nuovi con la TG in ciclo semplice per produzione di energia elettrica… comunque le TG più moderne presentano rendimenti che arrivano al 40% con la tendenza al rialzo (ed il ciclo combinato ne trarrà vantaggio a meno di avere gas di scarico dalla turbina “troppo freddi”).

    Il repowering rappresenta una sorta di “processo di ciclo combinato al contrario”… o meglio, si parte da un impianto a vapore e si accoppia un impianto turbogas, ma il funzionamento risulta differente in quanto la TG può operare il preriscaldamento dell’aria e contribuire al funzionamento dell’impianto a vapore, ma non avviene come nel ciclo combinato, nel quale l’impianto a vapore nasce per recuperare “il calore di scarto” della TG.

    I condensatori ad aria sono usati soprattutto nelle zone desertiche o per impianti lontani da corsi d’acqua, dal punto di vista energetico è la soluzione peggiore perchè influisce pesantemente sul rendimento (essendo energia che va tolta dal conto), ma laddove non si può fare altrimenti purtroppo si è costretti ad utilizzarla.

    Se provi una di quelle ventole nel pc si lamenteranno i vicini per il rumore :-D

    Grazie per i complimenti, non perdere il prossimo post che conclude questo argomento…

  • # 16
    Marco
     scrive: 

    un macabro riferimento: i condensatori ad aria erano quelli delle centrali nucleari sovietiche, vedi Chernobil.
    non sono una novità

  • # 17
    bardaboe
     scrive: 

    Ciao,
    bell’articolo, solo due note.
    Gli impianti termoelettrici convenzionali fanno uso anche di combustibili liquidi come olii combustibili ATZ,MTZ e BTZ. Inoltre molto spesso possono essere usati nella stessa caldaia se correttamente predisposta gasolio e metano. Per questo vengono chiamati impianti “policombustibili”. Ovviamente il tipo di combustibile usato in un determinato periodo nella stessa centrale dipende solo dal suo costo.
    Gli impianti turbogas fanno uso esclusivamente di gas metano. Quelli citati che vanno ad olio combustibile sono estremamente rari.
    In Italia i cicli combinati moderni, contando anche impianti provvisti di post-combustione, non superano rendimenti tra il 56-58%.
    Ciao a tutti

  • # 18
    Andreax86
     scrive: 

    si è vero che comprimere aria (anche se le ventole non è proprio quello che fanno) costa mooolto di più che pompare acqua ma è anche vero che s’incide meno sulle falde,o sui corsi d’acqua che escono con circa 10-12 gradi in più dal condensatore.

  • # 19
    Simone
     scrive: 

    @bardaboe
    Grazie x i complimenti innanzittutto… gli impianti a vapore convenzionali spesso possono andare con più combustibili, ma l’uso del gas (parlo sempre per impianti di grossa taglia, non considero piccoli impianti “privati”) è estremamente raro (oltre che piuttosto “stupido” essendo preferibile a quel punto impianti TG a CC… il combustibile maggiormente in voga è il carbone per motivi sui quali vorrei non dilungarmi, altrimenti nasce qualche flame… cmq si usa molto anche olio combustibile (di varia formulazione) ma ogni caldaia funziona “la meglio” con il combustibile per il quale è stata progettata
    Per quanto riguarda le TG non si va solo a metano, premesso che esistono impianti che vanno con syngas, l’olio combustibile per quel che ne so io è parecchio utilizzato, ovviamente si tratta di olii differenti rispetto a quelli degli impianti a vapore, comunque è sempre preferibile l’impiego di gas per la sua intrinseca pulizia che consente una maggiore salvaguardia della turbina (tralasciando le tematiche delle emissioni che verranno affrontate tra qualche post, anche il metano dà i suoi problemi)

    @Andrea86
    Purtroppo l’eterna discussione sul raffreddamento del condensatore dura da sempre, ma purtroppo per impianti di grossa taglia (dai 250MW in su) è veramente una “pazzia” ricorrere al raffreddamento ad aria, infatti si predilige la torre evaporativa se non si dispone di un corso d’acqua dalle caratteristiche adeguate (esistono dei limiti precisi sull’incremento della temperatura dell’acqua di raffreddamento)

    Invito comunque tutti i lettori a manifestare interesse per eventuali post che si inseriscano tra gli argomenti che tratterò, se certe parti sembrano troppo sintetiche e si manifesterà un interesse ad avere maggiori informazioni potrò scrivere anche dei post mirati in base alle vostre richieste su argomenti sempre di mia competenza

  • # 20
    bardaboe
     scrive: 

    @ Simone
    Certo non metto in dubbio la stupidità dell’uso del metano, ma ho avuto esperienze in centrali termoelettriche e cicli combinati di diversi produttori (tra cui enel, edipower ed endesa) e ti posso assicurare che i combustibili fossili, normalmente impiegati negli impianti termoelettrici, sono l’olio combustibile,il gasolio, il gas naturale e il carbone.
    I generatori di vapore, se adeguatamente attrezzati, possono bruciare tutti questi tipi di combustibili.

    Le turbine a gas bruciano invece quasi esclusivamente il gas naturale.Il syngas non trova ancora applicazione.

    Tutto questo ovviamente riportato al territorio italiano.

  • # 21
    Simone
     scrive: 

    @barbadoe

    Un GV in fin dei conti può bruciare qualunque tipo di combustibile, cambiano essenzialmente i bruciatori, ma ovviamente la camera di combustione è ottimizzata in funzione di una specifica tipologia di combustibile… soluzioni policombustibile sono interessanti ed applicate in certi impianti, ovviamente non conosco le specifiche della totalità degli impianti esistenti in Italia.

    Il syngas viene prodotto ed utilizzato attualmente da chi lo produce principalmente da “scarti” petroliferi, ma non è certo una soluzione diffusa in Italia… per quel che ne so le TG ad olii combustibili vengono utilizzate in Italia, esistono progetti per produrlo dal carbone, si vedrà nel futuro cosa ne verrà fuori…

  • # 22
    marzolo
     scrive: 

    Interessante questa serie di articoli! Mi è rimasto un dubbio però: quando si parla della potenza delle centrali a vapore ci si riferisce a quella del generatore termico o alla potenza elettrica che viene fornita in uscita?

    Ad esempio, se dicono che una centrale nucleare ha 1000MW di potenza si riferiscono alla potenza che c’è in uscita, quindi il rendimento del 40% è già considerato, oppure i 1000MW sono la potenza del reattore e per sapere qual’è la potenza elettrica finale bisogna moltiplicare per 0,4?

  • # 23
    Simone
     scrive: 

    @ marzolo
    Normalmente si indica la potenza elettrica, poi riferendosi a singoli casi si può fare riferimento anche ad altri fattori, comunque giusto per completezza, il rendimento globale dell’impianto (etaG) si può definire come il rapporto tra il “contenuto di energia del combustibile” e “ciò che viene prodotto”… detto così non è nemmeno correttissimo, ma spero dia l’idea… diciamo che se un impianto da 1000MW elettrici ha un rendimento del 50%, significa che il combustibile impiegato poteva generare 2000MW… 1000 sono persi…

  • # 24
    Le emissioni inquinanti negli impianti di combustione dei rifiuti - Appunti Digitali
     scrive: 

    […] impianti di combustione presentano analogie con le caldaie degli impianti a vapore, in particolare nel caso dei termovalorizzatori si tratta a tutti gli effetti di impianti a vapore […]

  • # 25
    Energia e Futuro - il punto sulla rubrica a sei mesi dalla nascita - Appunti Digitali
     scrive: 

    […] l’energia (1 – 2 – 3): una serie di post dove sono state esposte le problematiche relative alla produzione di […]

  • # 26
    marco
     scrive: 

    sono marco da vicenza,sto studiando termotecnica in un itis a legnago.ho avuto conferma da parte di un professore che gli esami di maturità che dovremo affrontare sono ancora basati su argomenti di cui se ne discuteva all’incirca 25 anni fa,impianti a vapore,turbine a vapore a gas ecc..
    si parla ancora di sistemi di riscaldamento che dipendono principalmente da combustibili fossili,quindi fonti esauribili.Quando penso a queste cose mi viene proprio da incavolarmi perchè siamo nel 2011 e ancora siamo attaccati al combustibile fossile e d’altra parte a noi non vengono insegnati sistemi che producano energia utilizzando fonti rinnovabili. il tempo scorre gli anni passano la modernizzazione fa il suo corso e in italia siamo sempre gli ultimi degli ultimi,poi si lamentano perchè ci sono le fughe di cervelli in italia,an e poi nn ci sono incentivi visto che la detrazione 55% per fotovoltaico e stata anticipata che sarà fino il 31 maggio di quest’anno. Anche io ho molte idee e molti progetti per il futuro ma li voglio svolgere in un altro stato che mi dia incentivi e motivazione per svolgerli,ad esempio canada o germania.l’italia purtoppo è sempre peggio e lo diverrà sempre di piu

  • # 27
    Simone Serra
     scrive: 

    @ Marco

    Caro Marco, leggere un commento così di un giovane studente di un istituto tecnico da una parte mi porta a comprendere la “delusione”, ma dall’altro per potere rispondere correttamente mi porta a dovere evidenziare la realtà.
    Quando si studia un tema così complesso, soprattutto alle superiori, si ha sempre l’impressione di “essere indietro” rispetto all’avanzare della tecnologia, ma quando si inizia l’università si scopre che le cose sono molto differenti da come appaiono… ma la tua impressione era diffusa anche ai “miei tempi” quando studiavo informatica in un ITIS… cambiavano i temi ma si diceva sempre lo stesso… per poi scoprire che non era così…
    Non si studia come fare le cose, si studia per comprendere i principi alla base delle cose, perché solo così si può imparare a creare… se segui i successivi post della rubrica troverai esposte molte delle tecnologie alle quali ti riferisci… le ho studiate all’università… insieme a tutto il resto…

    Per quanto riguarda le altre considerazioni che fai, trovo riduttivo rispondere qui, perciò ti invito a seguire la rubrica e contribuire con le tue riflessioni e commenti passo dopo passo, ma non cadere nella facile illusione che ciò che stai studiando sia obsoleto e che da altre parti si faccia altro… prima di tutto perché sulle rinnovabile ci sono tante cose da dire che non vengono normalmente dette dai suoi sostenitori, secondo poi perché le cose all’estero non sono sempre come le si rappresenta, e su questo ho avuto una certa esperienza diretta, per avere svolto un anno di ricerche in Svezia e per essere in contatto con quanto avviene nel mondo della ricerca per via del mio lavoro

Scrivi un commento!

Aggiungi il commento, oppure trackback dal tuo sito.

I commenti inseriti dai lettori di AppuntiDigitali non sono oggetto di moderazione preventiva, ma solo di eventuale filtro antispam. Qualora si ravvisi un contenuto non consono (offensivo o diffamatorio) si prega di contattare l'amministrazione di Appunti Digitali all'indirizzo info@appuntidigitali.it, specificando quale sia il commento in oggetto.