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

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Thermoelectric power plants

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

  1. 1. LEZIONE2CONVENZIONALE,MA NON TROPPO! Seminario di energetica dott. Riccardo Maistrello ITIS Guglielmo Marconi (Verona) Mercoledì 14 marzo 2012, aula 110
  2. 2. 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
  3. 3. LA COMBUSTIONEOgni combustibile è composto, in misura diversa, da:carbonio (C%), zolfo (S%), idrogeno (H%), azoto (N%) etc.I primi tre elementi, combinandosi in debiteproporzioni 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. trascurabileNote le caratteristiche del combustibile in ingresso (studio chimico-fisico a monte) calcolo l’ossigeno teorico da fornire per la combustione e quindi l’aria da immettere in camera di combustione.Note le reazioni chimiche che avvengono, calcolo le caratteristiche dei fumi di combustione (composizione chimica, volumi etc.).Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  4. 4. LA COMBUSTIONE I prodotti della combustione sono:  Energia → calore, che va a scaldare l’acqua in caldaia e la fa 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, 1100-1300 gradi centigradi, e a pressioni molto alte. Il movimento dei fumi attraverso i vari filtri e le condotte è principalmente consentito dalla loro temperatura (effetto camino), perciò non vanno mai raffreddati completamente. * Oltre alla reazione H2 + O2, viene prodotto vapore in più perché l’aria prelevata dall’esterno e mandata in camera di combustione contiene umidità (UR, tasso di umidità relativa, indica quanta acqua c’è in un m3 d’aria) che ovviamente evapora.Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  5. 5. CIRCUITI DI UNA CENTRALE TERMOELETTRICA ACQUA/VAPORE – ELETTRICO - RAFFREDDAMENTOSeminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  6. 6. TRATTAMENTO DEI FUMI La normativa prescrive limiti nelle EMISSIONI al camino. In passato erano riferiti alla CONCENTRAZIONE al suolo e bastava realizzare camini altissimi per essere sicuri che le ceneri si disperdessero su una superficie molto più ampia. Oggi una ciminiera può raggiungere i 300 metri, una torre di raffreddamento i 100. Nelle centrali termoelettriche il trattamento dei fumi è obbligatorio, come si 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 !!!Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  7. 7. TRATTAMENTO DEI FUMIProdotti emessi (centrale 1000 MW)Ceneri (solo carbone) = 300’000 t/annoCO2 (carbone / olio) = 6’000’000/4’400’000 t/annoSO2 (carbone / olio) = 31’600 / 21’000 t/annoCO (carbone / olio) = 2’500 / 2’200 t/annoNOX (carbone / olio) = 18’300 / 8’000 t/annoSi tratta di quantità enormi! 16’000 tonnellate al giorno di anidride carbonica, 820 tonnellate al giorno di ceneri… L’OMS stima ogni anno 2 MILIONI DI MORTI (premature) a causa dell’inquinamento atmosferico. Un contributo fondamentale è certamente quello delle centrali termoelettriche (assieme ad auto, camion, aerei).Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  8. 8. Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.MarconiINQUINAMENTO 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 acute alle vie respiratorie". LOms raccomanda di rispettare una soglia media annua di 20 microgrammi di PM10 per metro cubico (20μg/m3)
  9. 9. MA CHI È CHE INQUINA?  La struttura delle sorgenti di CO2 varia di paese in paese: chi genera elettricità da nucleare, per esempio, emette meno ceneri, CO, CO2, SOx, NOx (ma deve occuparsi di gestire 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 glialtri inquinanti vengano emessi con la stessa distribuzione anche se sappiamoche bruciare gas metano o benzina od olio combustibile o carbone non è lastessa cosa. 2 milioni di morti l’anno su 7 miliardi di persone nel 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 emissioni inquinanti dalla generazione elettrica (evidentemente termo-elettrica in massima parte): morti sulla strada 2010 → 4’090 (ACI)
  10. 10. STRATEGIA UE ABBATTIMENTO EMISSIONI (IN DISCUSSIONE)Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  11. 11. TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO POLVERIPST polveri sospese trasportateTre 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”Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  12. 12. TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO SOXDesolforazione – 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”Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  13. 13. TRATTAMENTO DEI FUMI – ABBATTIMENTO NOXDenitrificazione → 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).Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  14. 14. IMPIANTI TERMOELETTRICI A TURBOGAS Quanto finora detto sul funzionamento di una centrale è riferito ad impianti con turbine a vapore. Negli ultimi anni il ruolo delle turbine a gas si è fatto via via più importante. Gli impianti a turbogas hanno taglie di potenze inferiori, per cui si hanno più gruppi posti in parallelo. La struttura dell’impianto è più semplice (vedi schema) e richiede costi e tempi di realizzazione minori → costi iniziali minori Tuttavia il combustibile è il pregiato gas naturale, più raro e costoso (e meno 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 oreSeminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  15. 15. CENTRALE TURBOGAS (CON TURBINA A GAS)Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  16. 16. FUNZIONAMENTO TURBOGASSeminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  17. 17. TURBOGAS CON RIGENERAZIONESeminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  18. 18. 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.Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  19. 19. IMPIANTI A CICLO COMBINATO Ciclo combinato: ciclo che impiega e combina turbine a gas e a vapore (in questo ordine). Si realizza un normale ciclo turbogas ma i gas di scarico (grandi portate, alte temperature) vengono utilizzati per scaldare il fluido di un ciclo a vapore. Elevati rendimenti di conversione (anche 50-55%), ma soprattutto grandi aspettative sull’evoluzione tecnologica delle turbine a gas, che di anno in anno vengono migliorate sensibilmente (quelle a vapore sono invece ferme da più di vent’anni). Possibilità di “aggiornare” vecchi impianti convertendoli al ciclo combinato, oltre che di costruirne nuovi che nascono già a ciclo combinato. Enel ha iniziato a combinare turbine a gas con turbine a vapore già dagli anni ’80.Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  20. 20. CICLO COMBINATOSeminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  21. 21. CICLO COMBINATO In un impianto a ciclo combinato l’energia elettrica viene prodotta da alternatori mossi da turbine a gas e da turbine a vapore, tra loro “combinate” per il fatto che i gas di scarico della turbina a gas, 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 temperatura elevata della turbina a gas e cede il calore alla temperatura bassa del condensatore della turbina a vapore, realizzando in definitiva le condizioni ottimali per rendimenti eccellenti, nettamente superiori al 50%. Il processo di produzione dell’impianto a ciclo combinato si basa perciò sull’accoppiamento in cascata di due cicli termodinamici, per cui il calore scaricato dal primo ciclo costituisce il calore d’ingresso del secondo ciclo.Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  22. 22. Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  23. 23. DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TELGenerazione elettrica mondiale (mondo)Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  24. 24. DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE TELProduzione emissioni CO2 (mondo)Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  25. 25. DATI AGGIORNATI SULLA PRODUZIONE Previsioni IEA per il futuro (mondo) Scenario standard (business as usual) vs scenario green Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  26. 26. ISTRUZIONI PER LO STUDIO PERSONALE o Leggere bene questa presentazione; o Esercitazione nr. 2 per il prossimo incontro. Per qualsiasi dubbio/considerazione/proposta: riccardomaistrello@gmail.com → segnalatemi anche errori e sviste nelle slide!Seminario di Energetica - dott. Riccardo Maistrello – ITIS G.Marconi
  27. 27. 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 Commissions Directorate-General for Energy and Transport. Web site: http://ec.europa.eu/energy/index_en.htm

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