In molti post precedenti sono stati esposti i vari tipi di impianti termoelettrici illustrandone caratteristiche e qualità, ma anche affrontando lungamente il tema delle emissioni inquinanti e del post trattamento delle stesse.
Quest’oggi per la rubrica Energia e Futuro affrontiamo con maggiore dettaglio un particolare tipo di impianto termoelettrico che rappresenta un punto importante verso la riduzione delle emissioni e dei consumi negli stessi, passo importante verso una ottimizzazione dell’uso delle risorse fossili del pianeta, ovvero gli Impianti a Ciclo Combinato.
INTRODUZIONE
Prima di entrare nel dettaglio di questi, è importante ricordare che i principali impianti termoelettrici esistenti nel mondo ricadono in una delle due famiglie seguenti (introdotte in un precedente post):
- Impianti a Vapore
- Impianti di Turbina a Gas
Nel primo tipo di impianto un fluido (solitamente acqua fortemente depurata e desalinizzata) viene portato alla fase vapore attraverso il suo riscaldamento mediante combustione di vari tipi di combustibile (carbone, olio combustibile, gas naturale, rifiuti) e fatto espandere in una turbina appunto di tipo “a Vapore” e successivamente fatto condensare mediante scambio termico con l’esterno, solitamente mediante scambio termico con l’acqua di un fiume o del mare, oppure mediante torri evaporative e condensatori ad aria (soluzione quest’ultima fortemente limitante da un punto di vista tecnico).
Nel secondo tipo di impianto un compressore collegato solidalmente con una turbina che lo aziona comprime l’aria prelevandola dall’ambiente esterno, la invia ad un combustore dove si miscela con il combustibile (olio combustibile a basso tenore di zolfo oppure, preferibilmente, gas naturale o di sintesi) ed avviene la combustione.
I gas prodotti dalla combustione attraversano la turbina (“a Gas“) espandendo in essa e trasmettendo quindi l’energia contenuta in essi.
Nel processo di espansione i gas si raffreddano, ma allo scarico della turbina la loro temperatura risulta ancora estremamente elevata e pertanto sarebbe possibile sfruttare parte del calore residuo dei gas di scarico per produrre ulteriore energia mediante un sistema di recupero opportuno senza consumare combustibile aggiuntivo.
IL CICLO COMBINATO
Lo schema di un impianto a ciclo combinato prevede in sequenza un impianto di Turbina a Gas (TG) ed un Impianto a Vapore (IV) semplificato rispetto a quelli tradizionali, nel quale la caldaia, comunemente chiamata Generatore di Vapore (GV) viene in questo caso indicata come Generatore di Vapore a Recupero (GVR) in quanto al suo interno viene recuperato il calore residuo dei gas di scarico della TG secondo il seguente schema (sito ENIPOWER):
Il funzionamento della TG in questo caso condiziona fortemente l’IV, il quale ricordo opera al meglio in condizioni di carico costanti.
Un modo per aumentare la flessibilità dell’impianto consiste nel potere avere una combustione anche nel GVR e slegare in un certo qual modo i due impianti, permettendo un funzionamento simbiotico od un funzionamento indipendente in base alle esigenze della rete, ma anche permettendo in caso di manutenzione ad una delle parti dell’impianto di non smettere la produzione di energia, anche se con i dovuti limiti.
PRESTAZIONI ENERGETICHE
Un impianto TG ha un rendimento dell’ordine del 30-35% mentre un IV dell’ordine del 40%.
Per quanto riguarda un impianto a ciclo combinato il rendimento si valuta dalla combinazione dei rendimenti delle sue parti costituenti secondo la relazione:
ηCC = ηTG + ηIV – ηTG·ηIV
Ponendo:
ηTG = 30%
ηIV = 40%
Si ottiene:
ηCC = 58%
Turbine a gas di alta qualità e tre stadi di pressione del vapore permettono di raggiungere valori dell’impianto a ciclo combinato del 60% con la tendenza a valori superiori dell’ordine del 65% come nuovo limite per gli impianti che saranno dotati delle migliori turbine a gas in un futuro prossimo.
Questa equazione è valida per i cosiddetti impianti unfired, ovvero impianti a ciclo combinato senza post-combustione, mentre per quest’ultimi l’espressione del rendimento si complica andando a considerare un parametro indicato come il fattore di post-combustione.
Il rendimento di un impianto unfired è sempre superiore od al più uguale di un impianto dove si opera la post-combustione nel GVR.
Per concludere presento la turbina a gas più potente al mondo, la Siemens SGT5-8000H caratterizzata da una potenza di 375MW e installata in un ciclo combinato dalla potenza complessiva di 570MW:
A lunedì prossimo!
Eccellente articolo come sempre!
Se ti fosse possibile sarei interessato al sistema di postcombustione per le turbine adibite alla generazione elettrica.
Ad ing. aerospaziale abbiamo solo trattato (ovviamente) la postcombustione nel settore aeronautico, perciò sarei interessato a capire le dinamiche nel settore energetico, soprattutto come viene reuperata l’energia dalla postcombustione (processo che in aeronautica fa crollare i rendimenti) considerato che le temperature schizzano vertiginosamente in alto.
Un altro punto che vorrei capire (se avrai modo di approfondire) è come hanno risolto il problema degli stress termo-meccanici dovuti appunto alla postcombustione.
@ yankeeone
La post-cbomustione negli impianti combinati non avviene in turbina ma nel GVR, pertanto la TG lavora senza decadimento delle prestazioni e si crea con una combustione (definita post-combustione perché avviene “a valle” della TG) della potenza termica ulteriore da sfruttare nella turbina a vapore… nel caso dei TG aeronautici la post combustione dovrebbe avvenire a valle degli stadi di turbina in modo da avere una spinta aggiuntiva ma è ovviamente una condizione di “off-design” con tutte le conseguenze relative
Ciao,
sto realizzando in questo momento (sono in Francia a svilupparla) una tesi su un ciclo combinato, relativa alla sua semplificazione e ottimizzazione del ciclo di avviamento sugli stress. Mi sapresti dare qualche link per quanto riguarda la postcombustione? Essendo una cosa che aumenta notevolmente lo stress sarebbe interessante vedere se è possibile modellizzarla e come all’interno del mio modello!
Grazie mille!
Fabio
@ blacktopo
Qualcosa di specifico sulla post combustione non saprei, ti suggerisco il testo “Turbine a Gas e Cicli Combinati – Giovanni Lozza”… è uno dei migliori testi in Italiano ed il Prof. Lozza è un grande esperto in materia… spero di esserti stato utile
salve, ho recentemente preso la patente per la conduzione dei generatori di vapore, conosco abbastanza bene le dinamiche di avviamento e conduzione di un ciclo combinato, vorrei sapere come poter riuscire a entrare come operatore in impianti di questo tipo.
@ michele
Onestamente non saprei, è qualcosa di burocratico che trascende dalle mie competenze tecniche… puoi provare a fare una ricerca su google, ma davvero non saprei