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Ciclo a vapore

I principi di funzionamento della trasformazione del calore in lavoro.

    In questa sezione descriviamo il processo che caratterizza la trasformazione del calore in lavoro; nello specifico ci occuperemo del ciclo a vapore detto anche “Ciclo di Rankine”, descrivendo ogni sezione che caratterizza questo particolare processo.

    Principi di funzionamento

    Il principio di funzionamento delle centrali a vapore è piuttosto semplice, e possiamo spiegarlo facendo uso dell’esempio della pentola a pressione.

    Se mettiamo dell’acqua in una pentola a pressione e la riscaldiamo, la pressione all’interno del recipiente salirà al di sopra della pressione atmosferica, perché il vapore che qui dentro si forma rimane confinato senza poter uscire.

    Supponiamo di far salire la pressione fino ad un valore che è 2 volte, 3 volte o anche 4 volte quello della pressione atmosferica e quindi proviamo ad aprire: il vapore uscirà con violenza e se diretto contro qualcosa (una superficie per esempio), la metterà in movimento.

    Sostanzialmente, è questo quello che succede quando un getto di vapore colpisce le pale della turbina: la turbina inizia a girare (nel frattempo il vapore si espande perdendo un po’ della sua energia) e trascina con sé il generatore elettrico.

    Le centrali termoelettriche a vapore, dunque, trasformano in lavoro meccanico l’energia termica posseduta dal vapor d’acqua.

    L’acqua può essere già disponibile come vapore (è il caso delle centrale geotermiche) oppure può essere portata allo stato di vapore dopo che viene posta in contatto con i gas prodotti da una combustione. Nel secondo caso, quindi, si utilizza l’energia termica derivante dalla combustione di combustibili fossili oppure derivante dalle reazioni di fissione dei combustibili nucleari.

    Il ciclo Rankine

    Un impianto a vapore è schematizzabile da una massa d’acqua che viene:

    • Compressa da una pompa fino alla pressione richiesta dal generatore di vapore;
    • Riscaldata e fatta evaporare all’interno del generatore di vapore (detto anche caldaia);
    • Fatta espandere in una turbina a vapore in modo da produrre lavoro che alimenta un generatore elettrico;
    • Riportata allo stato di liquido facendo condensare il vapore scaricato dalla turbina (ormai inutilizzabile perchè a pressione troppo bassa), in un condensatore in cui vengono posti in contatto la portata di vapore e un’altra massa d’acqua più fredda che sottrae calore al vapore. L’acqua viene poi rinviata alla pompa e il ciclo riparte.

    Sebbene ci siano importanti differenze dovute al tipo di combustibile con tutto quello che comporta (sistemi di movimentazione, bruciatori, caldaie, ecc…), le centrali a carbone/olio combustibile, la centrali nucleari e le centrali a biomassa seguono tutte un ciclo a vapor d’acqua, ovvero un ciclo Rankine (ovviamente ci saranno delle differenze tra ciclo ideale e ciclo reale). Tutte queste tipologie di impianti differiscono per quello che c’è ‘a monte’ della produzione di vapore, ma non dal punto di vista delle trasformazioni che l’acqua subisce nel suo percorso.

    I cicli in cui la pressione massima è superiore a quella critica (221.2 bar) sono detti Super-Critici (SC) e operano a 240-250 bar. Valori più elevati di pressione si riscontrano nei cicli Ultra Super Critici (USC) che lavorano a 300 bar che ad oggi costituiscono la tecnologia più avanzata in grado di raggiungere rendimenti del 45%.

    Ma analizziamo più in dettaglio i componenti fondamentali dell’impianto a vapore dove avvengono le trasformazione descritte in precedenza.

    Generatore di vapore

    Possiamo immaginare un generatore di vapore come un enorme pentolone, con una struttura in acciaio, alta parecchie decine di metri, dotata dio scale ascensori, passaggi, ecc…, contenente un componente nel quale l’acqua allo stato liquido viene riscaldata fino a diventare vapore. Per riscaldare l’acqua occorre naturalmente un bruciatore che può essere alimentato a carbone, gas, olio combustibile o con altri combustibili.

    Ma vediamo più in dettaglio di che si tratta, concentrandoci in particolare sulla caldaie degli impianti Super Critici.

    Nel generatore di vapore si realizza la combustione e il trasferimento del calore dei gas combusti ad una massa d’acqua nelle sue fasi di riscaldamento del liquido, di evaporazione e di surriscaldamento del vapore.

    Nel generatore di vapore si trova una camera di combustione in cui il combustibile reagisce con l’aria comburente precedentemente riscaldata (per aumentare il flusso termico che entra nella camera di combustione e quindi il rendimento energetico del generatore stesso).

    Nella camera di combustione si sviluppa una fiamma a temperature dell’ordine dei 2000 °C che irraggia le pareti del generatore rivestite di tubazioni dove scorre l’acqua/vapore (l’acqua quando passa da liquida a vapore, ovvero cambia di fase, si dice che è in transizione di fase).

    Quando i gas abbandonano la zona di combustione incontrano i surriscaldatori, ovvero una serie di scambiatori di calore dove il vapore aumenta ulteriormente la sua temperatura. Il ‘surriscaldamento’ che può avvenire anche più di una volta, in questo caso si parla di ‘risurriscaldamento’) è una pratica introdotta per aumentare la temperatura a cui il calore entra nel ciclo e per risolvere contemporaneamente il problema della presenza di liquido in turbina (le goccioline di liquido in turbina possono provocare problemi di corrosione delle pale). Il surriscaldamento ha un effetto positivo sul rendimento, ma comporta la presenza di parti dell’impianto che operano a temperature molto elevate e quindi realizzate con materiali particolari, più costosi.

    Successivamente i gas combusti, ormai a temperature relativamente ‘base’ intorno ai 400-450 °C, subiscono un ulteriore raffreddamento in un altro scambiatore di calore (chiamato economizzatore) che riscalda l’acqua dalle condizioni di ingresso nel generatore di vapore fino a quella di imminente evaporazione.

    A questo punto i fumi non sono più in grado di cedere calore al ciclo e quindi vengono impiegati per riscaldare ‘gratuitamente’ l’aria comburente.

    L’idea alla base di tutti i processi che subiscono i gas combusti in uscita dalla caldaia, è quella di recuperare e utilizzare in modo efficace il calore che possiedono, tanto più pregiato quanto più alta è la loro temperatura. Infatti la ‘qualità’ del calore è legata alla temperatura a cui questo calore viene scambiato, perché temperature più elevate sono sinonimo di maggiore lavoro utile ricavabile dal sistema.

    I generatori di vapore delle grandi centrali termoelettriche, che possono essere disposti in diversi modi nell’impianto, possono raggiungere rendimenti dell’ordine del 94-95%.

    La turbina a vapore

    La storia della turbina a vapore, contrariamente a quanto si possa pensare, risale ad alcuni secoli a.C quando il filosofo e matematico greco Erone di Alessandria inventò un “giocattolo” (aeolipile) che ruotava in cima ad una pentola dove l’acqua bolliva. Il vapore così prodotto, metteva in rotazione dei “beccucci” sistemati attorno ad una ruota.

    Lo stesso principio alla base dell’invenzione di Leonardo da Vinci, che fece passare i fumi provenienti da un camino attraverso delle pale di forma allungata collegate ad un’asta, una sorta di ‘spiedo’ che girava mosso dai gas combusti e dall’aria calda. E a cosa può essere associato un oggetto del genere se non ad un albero motore collegato ad una turbina??

    La turbina a vapore, da giocattolo curioso dell’antichità a macchina complessa quale è oggi, è l’elemento da cui si ricava ‘lavoro’ utile, quindi energia elettrica.

    La prima turbina a vapore, dell’epoca ‘moderna’, risale al 1884, quando un ingegnere inglese Charles Parsons la progettò e provò a collegarla ad una dinamo. Questo fu il prima modello, facilmente riproducibile e che, anzi, fu riprodotto su scala 10 000 maggiore durante anni che seguirono, a dimostrazione della rapida evoluzione che questa macchina ha avuto sin dall’inizio.

    Non dobbiamo però dimenticare che grande impulso allo sviluppo del ‘motore a vapore’ fu dato da Watt che migliorò alcuni componenti di una macchina all’epoca già esistente, contribuendo alla nascita della rivoluzione industriale.

    Dopo questo breve excursus storico, vediamo un po’ più da vicino com’è fatta una turbina a vapore.

    La turbina è il componente dell’impianto dove l’energia termodinamica del vapore viene convertita in lavoro meccanico. Il vapore, infatti, esercita un lavoro sulle pareti dei condotti, man mano che diminuisce la sua pressione, cioè man mano che si espande. Questo lavoro, mette in rotazione un albero motore collegato ad un generatore elettrico.

    La turbina a vapore è caratterizzata da una serie di condotti fissi e una serie di condotti mobili, che definiscono gli ‘stadi’ di una turbina, cioè le ‘corone’ di pale attraverso cui il vapore deve passare.

    Uno stadio della turbina è costituito da:

    • Uno statore dove sono ricavati i condotti fissi di ingresso e di scarico vapore;
    • Un rotore su cui si trova una corona di palette mobili che girano con una certa velocità. I condotti mobili, opportunamente orientati, raccolgono lavoro dal fluido che esce con elevate velocità dai condotti fissi. Nella girante il fluido può subire un ulteriore espansione.

    Nelle turbine a vapore dei grandi impianti si adotta generalmente un numero di stadi molto elevato (30-40 e più) perché la portata volumetrica (cioè il volume del fluido che scorre in una determinata unità di tempo) varia molto sensibilmente a causa della variazione di densità che il fluido subisce durante tutta l’espansione.

     

    Lo stesso Parsons riteneva che i prototipi di turbina costruiti in precedenza fossero stati inefficienti per il fatto che il vapore espandeva in una sola fase. Il modello proposto da lui aveva ben 15 stadi.
    Le turbine a vapore possono andare da pochi kW fino a potenze estremamente elevate, sopra i 1.000 MW. Le più grandi vengono utilizzate negli impianti dedicati alla generazione elettrica.
    Nell’ultimo decennio la tecnologia delle turbine a vapore, già consolidata negli anni ’60, ha fatto notevoli progressi.

    Gli sviluppi tecnologici si sono concentrati soprattutto:

    • Nell’aumento dell’altezza delle pale attraversate da vapore a bassa pressione (in questo modo si riducono le perdite legate all’energia cinetica nella fase di scarico);
    • Nell’aumento del rendimento (fino al 94-95%) delle parti della turbina che lavorano a media ed alta pressione;
    • Nel disegno di forme di pale sempre più innovative. Le pale infatti devono essere conformate in un certo modo e devono avere delle proporzioni ben definite.

    Il condensatore

    Nel condensatore il vapore scaricato dalla turbina viene condensato in modo da poterlo riutilizzare nel ciclo. Il passaggio di fase da vapore a liquido implica un ‘rilascio’ di calore da parte del fluido in questione.

    I condensatori di una centrale a vapore devono smaltire in ambiente una notevole quantità di calore: ciò impone l’utilizzo di grandi quantità di fluido che sottragga calore al vapore condensante. Questo fluido può essere acqua di mare o di fiume (questo è il motivo per il quale spesso i grandi impianti a vapore si trovano in prossimità delle coste), aria oppure una corrente di acqua refrigerata.

    I dispositivi utilizzati nei 3 casi sono:

      • Scambiatori acqua-vapore in cui l’acqua prelevata da un fiume o dal mare viene utilizzata per scopi di condensazione e poi reimmessa nel suo bacino naturale a temperatura più alta. Scambiatori aria-vapore (detti anche “a secco”), ovvero condensatori direttamente raffreddati ad aria, che però presentano problemi di ingombro e di consumi per far circolare l’aria;
      • Torri evaporative, spesso erroneamente prese come simbolo di inquinamento a causa del pennacchi bianco che fuoriesce. Il pennacchio bianco in realtà è vapore presente nell’aria estremamente umida che esce dalla torre e che, venendo a contatto con l’ambiente esterno più freddo, condensa dando luogo ad una specie di nebbia, più visibile proprio nei periodi invernali. Nelle torri evaporative l’acqua calda in uscita dai condensatori (ottenuta dalla condensazione del vapore) viene raffreddata per evaporazione e per scambio termico con l’aria ambiente.

     

    Il rendimento di un impianto di questo tipo è influenzato dalla temperatura minima dell’acqua, cioè la temperatura dell’acqua in uscita dal condensatore alla fine di un ciclo. Per avere un rendimento pari al 100%, dovremmo abbassare la temperatura minima dell’acqua a parecchi gradi sotto lo zero, cosa evidentemente impossibile perché si dovrebbe disporre di condensatori di acqua refrigerante a temperature bassissime, inesistenti in natura. Questo è il motivo per cui a parità di tutte le altre condizioni, un impianto di questo genere se costruito in un Paese nordico (per esempio Norvegia, Svezia dove le acque dei mari e dei fiumi sono più fredde) può raggiungere un rendimento più alto dia qualche punto percentuale.

    La rimozione degli inquinanti

    Ma che fine hanno fatto i gas combusti che hanno riscaldato e fatto vaporizzare l’acqua??

    Essi, prima di raggiungere il camino (generalmente molto alto in modo da favorire la dispersione in quota ed evitare la concentrazione al suolo) vengono sottoposti a numerose fasi di trattamento e purificazione. I limiti imposti dalla legge sulle emissioni vengono confrontati con i valori raccolti proprio all’uscita del camino e se questi sono inferiori allora si può affermare che la centrale opera in condizioni di sicurezza.

    Nelle centrali termoelettriche che utilizzano combustibili fossili la tematiche di riduzione delle emissioni di inquinanti riveste un ruolo molto importante, quasi decisivo.

    I principali inquinanti presenti nei fumi di combustione sono gli ossidi di azoto (NOx), gli ossidi di zolfo (SOx) e le polveri (gli ultimi 2 sono assenti nel caso delle turbine a gas).

    NOx

    L’azoto è il gas che forma circa il 78% dell’aria che respiriamo; è un gas inerte perché non reagisce chimicamente e non è inquinante.

    Generalmente esso si presenta a coppie di 2 atomi, ma quando l’aria viene riscaldata, per esempio nella fiamma che si forma nel generatore di vapore, questi atomi si separano e si legano all’ossigeno a formare i cosiddetti NOx, inquinanti che causano smog e piogge acide. Gli NOx si possono formare anche a partire daall\’azoto ‘intrappolato’ all’interno dei combustibili fossili.

    I NOx possono essere prodotti anche da combustibili che non bruciano abbastanza, per esempio quanto accade nelle automobili, per incompleta combustione della benzina.

    I NOx, come già accennato, si formano ad alta temperatura per reazione dell’ossigeno con l’azoto contenuto nell’aria, secondo diversi meccanismi.

    La loro rimozione avviene con due metodi:

    • Sistemi primari, che rappresentano il metodo migliore perché ne prevengono la formazione
    • Sistemi secondari che prevedono l\’abbattimento e la rimozione dai gas combusti

    La rimozione degli inquinanti direttamente dai prodotti di combustione avviene con un processo noto come SCR (Selective Catalytic Reduction). Si tratta in pratica di spruzzare ammoniaca su una griglia metallica e di far passare attraverso essa i gas combusti: in questo modo l’ammoniaca reagisce con gli NOx (nella forma di NO e NO2) per dare azoto e acqua.

    Le reazioni chimiche avvengono con la massima efficienza tra i 300 e 380°C, ma la presenza di catalizzatori le favorisce anche al di fuori di questo campo di temperature. L’efficienza di questi sistemi può arrivare anche al 90%, tuttavia ci sono dei problemi di esercizio che vanno valutati attentamente.

    Il sistema SCR è presente anche nelle turbine a gas: la differenza è che nel caso del carbone gli aspetti di erosione e sporcamento del componente meccanico in questione sono più gravosi.

    SOx

    I SOx (ossidi di zolfo) si formano per combustione dello zolfo contenuto nel combustibile.

    Per la loro rimozione sono disponibili diverse tecnologie, tuttavia quella che copre la quasi totalità delle applicazioni è costituita dall’FGD (flue gas desulfurization).

    Si tratta di far reagire i fumi di combustione con una soluzione di acqua e calcare (che è solitamente l’elemento a base di calcio più facilmente reperibile e a basso costo) per formare gesso, un prodotto facilmente trasportabile e di valore commerciale.

    Questa tecnologia è da ritenersi pienamente collaudata e il vantaggio sta nella possibilità di ottenere efficienze di rimozione anche del 90-95%, indispensabili per consentire l’utilizzo di combustibili ad alto contenuto di zolfo nel pieno rispetto dei limiti di emissioni.

    Particolato

    Con il termine particolato si intendono la particelle solide di origine organica o inorganica contenute nei gas di scarico, provenienti prevalentemente dalle ceneri contenute nei combustibili fossili come il carbone e l’olio combustibile.

    Le tecnologie di riferimento nel trattamento dei gas sono due:

    • Precipitatori elettrostatici (ESP). Il principio di funzionamento di questi dispositivi, molto diffusi sul mercato, prevede la creazione di un campo elettrico tra due piastre tra le quali vengono fatti passare i gas combusti. Le particelle solide, di carica negativa, migrano sulla piastra positiva, vengono raccolte e poi smaltite. Gli ESP operano a temperature intorno ai 200 °C e la loro capacità di rimozione è molto buona (maggiore del 99.9 %) per le polveri non particolarmente sottili come il PM10 (particelle sotto i 0,01 mm di diametro). Si tratta di sistemi con costi di investimento importanti, ma di elevata affidabilità;
    • Filtri a manica (FF: fabric filters). Si tratta di “sacche” realizzate con tessuti di varia natura attraverso cui si fanno passare i gas combusti. I filtri a manica, quindi, che funzionano come una sorta di setaccio, separano le particelle solide che poi vengono successivamente raccolte e smaltite. Il punto di forza dei FF sta nelle elevate efficienze di rimozione delle polveri più sottili ovvero maggiore del 99.5 % anche per PM1 (particelle sotto i 0,001 mm di diametro): è questo il motivo per cui ad oggi sono considerati “la migliore tecnologia di riferimento”.

    Impianti USC (Ultra Super Critici)

    Gli impianti USC rappresentano l’evoluzione tecnologica degli impianti a vapore convenzionali.

    Essi si caratterizzano per condizioni operative più spinte rispetto ai cicli a vapore tradizionali; le temperature e le pressioni raggiunte, infatti, sono molto al di sopra del punto critico e possono raggiungere valori intorno a 610 °C e 300 MPa, rispettivamente (per l’acqua il punto critico si trova a 22.9 MPa e 374.14 °C).

    Il raggiungimento di tali valori comporta l’utilizzo di materiali avanzati progettati opportunamente per sostenere condizioni termiche e meccaniche particolarmente gravose.

    Nelle centrali USC, considerate come riferimento per la migliore tecnologia, è possibile ottenere rendimenti più alti (intorno al 45-46 %) ed emissioni più basse rispetto ad impianti convenzionali.

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