2/10 - Thermoelectric power plants - Fundamentals of Energy Technology (Italian)

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.).


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.


CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICAACQUA/VAPORE – ELETTRICO - RAFFREDDAMENTO


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 !!!


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).


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)


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)


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”


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 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)


FUNZIONAMENTO TURBOGAS


TURBOGAS CON RIGENERAZIONE


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.


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.


CICLO COMBINATO


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.


DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL

Generazione elettrica mondiale (mondo)


DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TEL

Produzione emissioni CO2 (mondo)


DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE

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 Esercitazione nr. 2 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;

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

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

http://www-3.unipv.it/electric/conven/









http://www.iea.org/






http://ec.europa.eu/energy/index_en.htm

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