di  -  lunedì 25 maggio 2009

Dopo avere esaminato nei post precedenti quale risulta essere lo scenario della produzione energetica (post 1) e quali risultano essere le tipologie di impianto “tradizionali” principalmente adottate in Italia (post 2, 3)  gli impianti di produzione di energia elettrica “tradizionali” in Italia, in questo post (e nei successivi) l’attenzione verrà focalizzata sulle emissioni inquinanti degli impianti termoelettrici e sugli impianti destinati al loro abbattimento.

EMISSIONI INQUINANTI

Per emissioni inquinanti considereremo in questo post tutte le sostante “indesiderate” frutto della combustione, quali ossidi di zolfo (SO2), ossidi di azoto (NOx), monossido di carbonio (CO), idrocarburi incombusti (HC), particolato.

Non verrà considerata l’anidride carbonica (CO2) tra le sostanze inquinanti in quanto il carbonio della CO2 risulta completamente ossidato e quindi rappresenta il risultato di una combustione ottimale, per quanto poi questa sostanza venga ritenuta responsabile di gravi problemi ambientali.

UN PO’ DI CHIMICA

Un modo semplice di rappresentare un combustibile, è quello di assimilarlo ad una molecola formata da carbonio ed idrogeno (idrocarburo) con rapporti tra i due atomi che possono variare secondo i due pedici n ed m:

Combustibile: CnHm

Ovviamente questa rappresentazione risulta estremamente semplificata ma utile per la trattazione che seguirà.

Il processo di combustione consiste nell’ossidazione del combustibile mediante reazione con l’ossigeno, pertanto si può schematizzare una reazione come segue:

CnHm + pO2 → nCO2 + (m/2)H2O

dove la quantità p (uguale a (n+m/4) per bilanciare la reazione) rappresenta “quanto ossigeno” serve per ossidare il combustibile.
Sostituendo ad n ed m dei valori caratteristici di un combustibile (ad esempio n=1, m=4 per il metano) si ottiene quanto ossigeno risulta necessario:

metano: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Da questa reazione si può comprendere come, in presenza di sufficiente ossigeno (condizioni stechiometriche) e di adeguate condizioni per la combustione, il prodotto ultimo di una combustione (in assenza di sostanze estranee quali zolfo, metalli, ecc.) sia costituito da anidride carbonica e vapore acqueo.

Questa reazione risulta esotermica, cioè rilascia energia sotto forma di calore, calore che nel caso di combustione completa risulta massimizzato.

Nel caso di carenza di ossigeno (condizioni non stechiometriche) la reazione non sarà completa e si avrà come risultato la presenza di idrocarburi incombusti (HC) e di monossido di carbonio (CO), oltre ad una minore energia rilasciata.
Queste due sostanze risultano estremamente tossiche, in quanto capaci di interagire con l’organismo umano ed interferire con alcune funzioni biologiche dello stesso, in particolare la CO, essendo molto reattiva, tende a legarsi all’emoglobina ed interferire con il processo di trasporto dell’ossigeno ad opera dei globuli rossi, portando come primo stadio perdita di conoscenza, e se non si interviene prontamente, può causare la morte dell’individuo esposto.

Le emissioni inquinanti di un impianto termoelettrico, oltre a dipendere strettamente dalle sue caratteristiche tecniche e dalla sua tipologia, dipendono in larga misura anche dal combustibile utilizzato, pertanto nei prossimi post esamineremo separatamente le singole specie inquinanti con riferimento ai vari tipi di impianto e di combustibili.

IMPIANTI TERMOELETTRICI – EMISSIONI

Le emissioni possibili in un impianto termoelettrico risultano essere (trascurando gli idrocarburi incombusti ed il monossido di carbonio, di cui si è brevemente accennato sopra):

  1. Ossidi di zolfo
  2. Ossidi di azoto
  3. Particolato

Gli ossidi di zolfo possono formarsi esclusivamente in presenza di zolfo nel combustibile, pertanto considerando i combustibili tipicamente impiegati in un impianto a Vapore (carbone e l’olio combustibile “pesante”, od emulsioni dello stesso), risulta sempre necessaria un’unità (desolforatore) per l’abbattimento di questi, il cui grado di abbattimento dipenderà dal tenore di zolfo del combustibile, mentre per impianti TurboGas si fa uso di combustibili “leggeri” (olii combustibili desolforati a livelli abbastanza spinti e gas naturale o di sintesi) tale emissione risulta solitamente nulla od estremamente ridotta.

Gli impianti per la desolforazione impiegati sono solitamente di tipo FGD (Flue Gas Desulfurization).

Gli ossidi di azoto si formano in base alla “cinetica chimica”, in quanto l’azoto (che costituisce circa il 70% dell’aria ed estremamente inerte) alle elevate temperature di combustione diventa reattivo e tende a ossidarsi formando NO, NO2 ed NO3 (comunemente chiamati NOx).

Il forte eccesso d’aria impiegato negli impianti TurboGas favorisce tale produzione di ossidi d’azoto, che devono venire abbattuti (se non limitati mediante camere di combustione sofisticate) attraverso opportuni impianti denominati SCR (Selective Catalytic Reduction).

Il particolato è costituito da particelle solide aventi struttura porosa e dimensioni estremamente variabili, originate dalla combustione parziale del combustibile, a causa di scarsa presenza di ossigeno localmente alle particelle di combustibile, dal tipo di combustione (fortemente presente nella combustione diffusiva tipica dei motori Diesel), dal tipo di combustibile (favorita da combustibili solidi o liquidi “pesanti”) oppure dalla presenza di particelle non facilmente combustibili nello stesso (ad esempio metalli).

EFFETTI SULL’AMBIENTE E SULL’UOMO

Senza volere trattare tale argomento dal punto di vista medico, si possono indicare i seguenti effetti principali per le varie emissioni inquinanti:

Ossidi di Zolfo

E’ un inquinante che porta irritazione alle vie respiratorie, edema polmonare ed in casi estremi può portare alla morte dell’individuo, inoltre in presenza di vapore acqueo può condensare ed attaccare diversi materiali tra i quali alcuni metalli.

Ossidi d’Azoto

Questo inquinante è all’origine delle cosidette “piogge acide” in quanto insieme al vapore acqueo può condensarsi sotto forma di acido nitrico e provocare i danni piuttosto noti di questo fenomeno, oltre contribuire (reagendo con l’ossigeno in presenza di radiazione solare) alla formazione di ozono atmosferico.

Particolato

La pericolosità del particolato risiede nell’impossibilità dell’apparato respiratorio di “trattenere” le parti più sottili che possono quindi giungere ai polmoni indisturbate e veicolare al loro interno sostanze tossiche delle quali possono farsi portatrici, ed originare patologie respiratorie anche gravi.

11 Commenti »

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  • # 1
    ser
     scrive: 

    Tra le altre cose mancano:
    1) le salamoie che vengono restituite con gli scarichi a mare
    2)gli scarichi di acqua calda sempre a mare

  • # 2
    Gas
     scrive: 

    @ser

    Per quanto siano sicuramente prodotti di scarto gli scarichi di acqua calda in mare e/o in bacino e/o in fiume non credo che possano essere considerati inquinanti in senso stretto..

    Per le salamoie.. non so cosa e/o quanto scaricano in acqua, quindi passo

  • # 3
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    Un impianto termoelettrico a vapore non ha scambi di acqua con l’esterno, ma solo di calore.
    Il condensatore utilizza acqua di mare (o di fiume) come fluido refrigerante senza miscelarla all’acqua del circuito, l’incremento di temperatura che subisce crea delle conseguenze all’ambiente circostante, ma esiste una normativa che ne stabilisce sia i limiti massimi che i valori medi, in condizioni eccezionali (particolari periodi estivi) sono state concesse deroghe per evitare il fermo impianto… si può discutere se considerare questo come una sorgente di inquinamento (in quanto influenza l’ambiente), ma di sicuro non è una sorgente inquinante in senso stretto.

    Esistono anche soluzioni alternative quali condensazione mediante aerotermi (che utilizza l’aria atmosferica quale fluido refrigerante) o mediante torre evaporativa (in questo caso si ha consumo di acqua, ma non quella del circuito dell’impianto).

    Per quanto riguarda le “salamoie” non capisco se ti riferisci a qualcosa in particolare, o se è solo un sinonimo di quanto detto sopra.

    Una breve spiegazione sugli impianti a vapore la si trova nel post n°2 indicato all’inizio dell’articolo.

  • # 4
    ser
     scrive: 

    Scusate ma prima per la fretta non ho specificato:
    1) una centrale a CARBONE ha scambi di acqua con l’esterno sempre non solo in forma di scarichi di acque di raffreddamento ma anche in forma di scarichi di acque di salamoia derivanti dal lavaggio del gesso prodotto dai deNOX. In genere ogni centrale termoelettrica scambia MATERIA con l’esterno SEMPRE, in forma di fumi e scarichi liquidi. Quindi è falso che una centrale scambia solo calore.
    2) approssimativamente la portata media annuale di queste acque si aggira attorno ai 20-25 m3/s per gruppo da 650-700 MW. Fate la somma e considerate che la portata media del Tevere alla foce fiumara grande è sui 120 m3/s
    3) il calore e la salinità se interferenti con le normali concentrazioni/valori dell’acqua di mare in caso di scarico sono fonti di inquinamento. Esistono infatti norme precise per scarichi a mare di acque più calde (distanza del pennacchio termico e delta di T)
    4) Qualsiasi fonte di inquinamento atmosferico è una fonte di inquinamento marino indiretto dal momento che tutte le sostanze immesse in atmosfera che presentino comportamento conservativo a determinate condizioni chimico-fisiche subiscono fallout e cadono nei bacini idrografici vicini alla centrale. Dal bacino tali sostanze, spesso associate a limi ed argille finisce nel trasporto litoraneo marino dalle foci dei fiumi.

  • # 5
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ ser

    Adesso è sicuramente più chiaro cosa intendevi, ma ritengo necessarie alcune precisazioni, innanzitutto mi riferivo essenzialmente all’impianto di produzione dell’energia, ovviamente tutto il sottosistema di trattamento fumi fa parte dell’impianto termoelettrico, ma volendolo trattare in sede separata (e per non confondere le idee a chi legge) non ho considerato i sistemi di trattamento fumi (altrimenti se ne avessi accennato avrei comunque dovuto spiegarne il funzionamento, ed il post sarebbe stato ancora più lungo), comunque riconosco la correttezza della tua obiezione.

    1)gli impianti di trattamento fumi verranno esposti nei seguenti post, ma anticipo (per correggere un piccolo errore nel tuo commento) che gli impianti “che producono gesso” sono i desolforatori, non i deNOx, e l’acqua a cui fai riferimento è l’acqua che compone lo slurry utilizzato per la separazione di questi ossidi, non propriamente una “acqua di lavaggio”.
    Per quanto riguarda il fluido operativo dell’impianto (in genere acqua demineralizzata a livelli spinti) NON ci sono scambi con l’esterno (se non in piccole quantità inevitabili ed indesiderate… nessun circuito di nessun impianto del genere riesce ad essere perfettamente a tenuta stagna).
    Per quanto riguarda la faccenda degli scambi termici ho detto che questi impianti sul lato “acqua” scambiano solo calore (se raffreddati con condensatore immerso in acqua), ovviamente sul lato fumi scambiano anche materia, altrimenti non staremmo qui a parlare di inquinanti.

    2)non so se sul tevere ci siano impianti a vapore, la loro installazione è consentita (salvo vecchi impianti che operano in condizioni di regimi particolari) nel rispetto di requisiti fondamentali riguardanti le portate in gioco per raffreddare il condensatore, sulle temperature e le normative non ho detto nulla perchè non basterebbe un post per parlarne, ho fatto giusto un riferimento rapido per fare capire che “le norme ci sono”.

    3)quando parli del pennacchio termico credo faccia riferimento al pennacchio al camino, ed anche su quello esiste una normativa dalla quale poi si definisce l’altezza del camino stesso, e si può notare che nei vecchi impianti spesso questo è altissimo perchè in passato non si facevano studi adeguati sulla dispersione degli inquinanti.

    4)proprio per ciò che dici tu esistono gli studi sull’altezza del camino, si cerca di raggiungere una quota alla quale la ventosità garantisce un dispersione ottimale degli inquinanti, ciò che viene emesso ricade nelle vicinanze solamente se il camino non è in grado di disperderlo, anche a questo riguardo esistono normative e misurazioni che si svolgono sia in prossimità, che ad una certa distanza dalla centrale, proprio per valutare la bontà della dispersione dei fumi, ma una ricaduta nelle vicinanze della centrale (salvo condizioni non frequenti) indica una errata valutazione del camino.

    E’ comunque da tenere in considerazione che laddove viene installata una centrale a vapore, spesso opera un complesso industriale, attribuire la paternità di certe sostanze rilevate nei pressi di questi centri non è facile, ma gli impianti termoelettrici sono tra gli impianti con le più severe normative, e la loro stessa concezione (se dotati di tutti i sistemi di trattamento fumi e se raffreddati in maniera corretta) garantisce un impatto ambientale ridotto rispetto ad altre tipologie di impianto industriale

  • # 6
    ser
     scrive: 

    si scusa per l’errore tra denox e desox :)
    Comunque per pennacchi intendevo i pennacchi termici di scarico a mare (si chiamano pennacchi pure quelli non solo quelli al camino). Se avete google earth andate a vedere il pennacchio termico generato dalla centrale di Civitavecchia (per dirne una, se volete domani posto le coordinate).
    Infine non parlavo di impianti a vapore in prossimità del Tevere; dicevo che gli scarichi a mare per una centrale, per esempio, costituita da 4 gruppi da 700MW hanno una portata paragonabile a quella del Tevere……

  • # 7
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    Vabbè… era evidente che era un errore, spero di non essere apparso sgarbato nelle precisazioni…
    Diciamo che pensandoci la forma della emissione termica “è un pennacchio”, ma sinceramente non è un termine che ho trovato molto frequentemente nei testi (mentre con riferimento al camino lo ho sempre conosciuto), comunque la sostanza resta quella…

    La normativa è piuttosto severa… comunque guarda il lato positivo, se metti 3 gruppi sul tevere peschi pesce già bollito ;-)… ed immagina x fare la pasta… butti la pentola (non la pasta!) nel fiume e non accendi il gas… quando si dice “teleriscaldamento”!!!

  • # 8
    arkanoid
     scrive: 

    Concordo che la legislazione in materia di emissioni sia quanto mai stringente.
    Aggiungo che, per quanto mi fu riferito dal docente di Gestione di Macchine e sistemi energetici, con ventosità media l’area di maggiore ricaduta degli inquinanti è da 10 a 15 km dal camino, ma non so se nel frattemo siano state fatte simulazioni o rilevamenti più accurati.
    Aggiungo che le centrali che utilizzano ciclo rankine hanno comunque una quota di acqua di reintegro necessaria a causa del degasaggio che porta con sè un po’ di vapore (ad occhio qualche kg/s in un impianto da 600 MW, ma non ho dati certi). A questa perdita del fluido di processo si sopperisce introducendo nuova acqua trattata (All’epoca dei miei studi a riguardo con impianti demi a soda e acido cloridrico, ora non so se siano stati introdotti gli impianti ad osmosi inversa anche nel settore) il cui processamento produce un fluido ricco di sostanze che seve essere smaltito correttamente.
    A questa quota, nel caso non sia possibile dissipare a fiume/mare, vuoi per questioni economiche vuoi per questioni tecniche (limiti nell’innalzamento di temperatura), l’uso di condensatori elettroventilati porta ad ua diminuzione del rendimento della centrale con quindi un aumento specifico degli inquinanti, mentre l’uso di torri evaporative (quando non ventilate) porta a necessità di acqua trattata abbastanza cospicue e a limiti sulla pressione di scarico della turbina.
    Se sono torri elettroventilate, altro consumo elettrico quindi altro calo di rendimento.

    L’articolo è valido, ma a mio avviso andrebbe integrato da queste e molte altre indicazioni, peraltro alcune già fatte, per fornire un’informazione corretta.
    L’inquinamento prodotto da una centrale non è limitato ai fumi ed è riduttivo e fuorviante limitarsi ad essi.

    Una cosa che ignoro è l’impiantistica delle centrali nucleari per limitare le fughe radioattive legate all’acqua di processo che in qualche modo deve scambiare con il mondo.

  • # 9
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ arkanoid
    Purtroppo trattare ogni dettaglio in un post è impossibile per ragioni principalmente di spazio, ma sono comunque previste nei prossimi post trattazioni dettagliate di quanto viene esposto, poi di alcune cose ne ho già (almeno in parte) accennato, riportare su ogni post tutte le informazioni è impossibile, i link ai post precedenti servono anche a quello.

    Sto cercando di concentrarmi sulle emissioni gassose in quanto sono quelle preponderanti e che necessitano di maggiore trattazione, le acque del desolforatore e le sostanze di scarto verranno trattate nei post nei quali si introdurranno gli impianti di desolforazione e di trattamento dei fumi (cioè nei prossimi).

    Il fluido operativo, come già detto, in minima parte viene consumato, ma è acqua fortemente depurata, pertanto non porta inquinamento di sorta, ed inoltre si cerca di minimizzare questa perdita perchè depurare l’acqua costa tanto… adesso non ricordo cifre rappresentative, vorrei evitare di rifarmi tutti i calcoli… se trovo qualcosa domani tra le vecchie esercitazioni posto un pò di numeri (non sono in Italia al momento e non ho modo di consultare il mio materiale), ma ad occhio non direi che si tratta di qualche kg/s…

    Non capisco un passaggio del tuo commento, dove prima parli dei sistemi ad osmosi (e credo ti riferisca alla depurazione dell’acqua per il fluido operativo) e poi salti a parlare di dissipazione… a cosa ti riferisci esattamente?

    Un conto è esaminare l’acqua di reintegro, un conto è esaminare il calore da cedere al condensatore, e comunque si tratterebbe di solo inquinamento termico, certo non fa bene alla natura, ma se l’impatto di questi impianti fosse limitato solo a questo sarebbe davvero troppo bello…

    La prima trattazione riguarda le emissioni gassose, che sono poi quelle “più sentite” sotto l’aspetto ambientale, inoltre se non si cercasse di abbattere gli inquinanti in esse presenti non si avrebbero le altre forme “consistenti” di inquinamento (dovute a FGD e SCR), e visto che questi impianti (lo ho scritto all’inizio del post) verranno trattati in seguito mi sono riservato di non entrare nel merito.

    Sui sistemi di raffreddamento dei condensatori avevo fatto dei brevi cenni nei post precedenti ed anche nelle risposte ai commenti, il loro ruolo nell’ambito dell’impianto è fondamentale (chiudere il ciclo termodinamico) ma dal punto di vista delle emissioni non pensavo necessitassero di una trattazione dettagliata, ma se questa fosse necessaria posso scrivere un post approfondito con dimensionamenti di massima degli scambiatori, pompe di alimento o ventilatori e consumo di acqua per le torri… ma non vorrei che a questo punto si dicesse che è incompleto perchè non considero gli impianti a condensazione a contropressione e l’influenza di questa sul rendimento… :-D

    Ovviamente dico questo con ironia, i commenti sono sempre bene accetti e sono anche l’occasione per “completare il post” interagendo con i lettori… spero che la rubrica stia piacendo…

  • # 10
    arkanoid
     scrive: 

    La nota sui condensatori è per dire che se non si vuole avere inquinamento termico, la cosa la si paga con un aumento dell’inquinamento atmosferico (condensando ad aria si può lavorare a pressioni più alte e di conseguenza con un rendimento del ciclo inferiore.
    Per quel che riguarda le torri evaporative, il consumo di acqua è tutto fuorchè trascurabile; inoltre l’acqua di spurgo è altamente salina e se scaricata tal quale non è che faccia bene all’ambiente, e la preparazione dell’acqua di reintrgro con sistemi (a soda o ad osmosi inversa) produce sempre un flusso di acqua altamente salina che sebbene non sia un inquinante in senso stretto è un prodotto di scarto non immediatamente scaricabile in natura in quantità massicce.

  • # 11
    Simone (Autore del post)
     scrive: 

    @ arkanoid

    non ci siamo capiti… quando dico che il consumo di acqua è trascurabile sto parlando della quota di fluido operativo perduta per eventuali perdite nel circuito e per la quota persa durante il degasamento…

    Dell’acqua consumata nelle torri evaporative ne ho già fatto dei brevi cenni nei post precedenti e non ho mai detto che risulta trascurabile (vedi anche il commento 3), ma evidentemente non sono stato chiaro…

    Giusto per chiarire una volta per tutte:

    1)l’acqua che costituisce il fluido operativo subisce solo scambi termici (ad eccezione di piccole ed indesiderate perdite) con l’esterno.
    2)il condensatore è uno scambiatore di calore nel quale non avviene alcun miscelamento tra fluido da condensare e fluido refrigerante, sia esso uno scambiatore acqua-acqua senza passaggio di fase (condensatore immerso in acqua), acqua-acqua con passaggio di fase (condensatore a torre evaporativa) dove si ha evaporazione di una quota del fluido refrigerante e sottrazione di calore mediante sottrazione del calore latente di vaporizzazione, acqua-aria (condensatore ad aerotermi) dove lo scambio termico avviene a spese dell’aria forzata sullo scambiatore (con penalizzazioni sul rendimento non trascurabili, e quindi questa soluzione risulta impiegata laddove le alternative già citate non siano praticabili per qualsivoglia motivo)

    Una precisazione ora sull’acqua di reintegro… l’acqua che costituisce il fluido operativo necessita di un reintegro (per i motivi direi più volte esposti), ma la sua quantità non è notevole, l’acqua utilizzata nelle torri evaporative necessita invece di un trattamento in funzione del tipo di acqua che viene utilizzata… questa soluzione non viene impiegata in genere laddove si possa immergere in mare il condensatore, quindi non è tipico dovere utilizzare acqua salata quando si utilizza la torre evaporativa, quando questo avviene diventa necessario depurarla per bene, ma quando si utilizza acqua dolce non pesante tutto questo problema non si pone

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