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Turbine a gas

Il funzionamento delle turbine a gas per la generazione termoelettrica

    Le turbine a gas sono state progettate intorno al 1980, ma le prime realizzazioni con questa tecnologia vennero costruite alla fine degli anni ’30: il primo impianto per produrre energia elettrica mediante un ciclo a gas venne costruito in Svizzera dall’azienda Brown-Boveri nel 1939. Negli anni a seguire vennero realizzati nuovi modelli in campi di applicazione diversi specialmente nel campo dell’aviazione.

    Cosa sono e campi d’impiego

    Anche se a prima vista può non essere così evidente, in realtà l’uso delle turbine a gas è piuttosto diffuso in diversi campi: dagli aerei ai carri armati, fino alla produzione elettrica passando per gli elicotteri e le navi.

    Il principio di funzionamento concettualmente è simile a quello delle turbina a vapore: un fluido attraverso dei passaggi si espande, facendo in modo che parte della sua energia di pressione e di movimento venga convertita in lavoro utile.

    Turbina a gas per produzione di energia

    In senso stretto il termine turbina a gas indica la macchina in cui avviene l’espansione di un gas (ma attenzione: il gas che viene fatto espandere è quello derivante dalla combustione di gas naturale, non è il gas naturale in sé che espande), anziché del vapore come nel caso della turbina a vapore. In senso più ampio, invece, il termine turbina a gas identifica l’intero impianto motore per la produzione di energia elettrica.

    Il gas naturale è il combustibile che più si presta all’utilizzo nelle turbina a gas perché la sua combustione è la più “pulita” (non produce polveri e ossidi di zolfo) e quindi non crea problemi di erosione delle parti meccaniche della turbina stessa.

    Le turbine a gas coprono un campo molto esteso di potenze (da 5 kW a 250 kW), con una massa dell’impianto che può andare dai pochi kilogrammi a centinaia di tonnellate. Esse nascono e si sviluppano a partire dagli anni ’40, nel settore aeronautico e sono diventate col tempo oggetto di numerosi sforzi di ricerca nel settore industriale. A partire dagli anni ’90, infatti, l’industria ha usufruito delle ricadute scientifiche e tecnologiche delle applicazioni di propulsione aeronautica e ha ‘attinto’ da essa per sviluppare sistemi stazionari (cioè fissi) di produzione di elettricità.

    Descrizione dei processi

    Negli impianti a turbina a gas un flusso d’aria compressa viene miscelata al gas naturale per fare avvenire una combustione: i gas combusti prodotti saranno poi fatti espandere in una turbina per ricavarne lavoro utile, trasformando la loro energia cinetica e di pressione in energia meccanica dell’albero a cui è collegato il generatore elettrico.

    Il ciclo ideale che il fluido esegue nelle turbine a gas prende il nome di ciclo Brayton. Le fasi principali che avvengono in una turbina a gas sono:

    Compressione: all’interno di un compressore. Il compressore è una macchina che aspira aria e la ‘restituisce’ ad una pressione maggiore di quella che aveva all’inizio. All’uscita del compressore l’aria viene inviata in una camera di combustione dove avviene la miscelazione con il gas naturale e quindi la combustione .

    Combustione: all’interno di un combustore. Il combustore è un componente in cui viene bruciato il gas naturale e che provvede a fornire calore al ciclo. I combustori sono realizzati in metallo raffreddato lungo le pareti da un sottile strato d’aria per problemi di resistenza dei materiali all’alta temperatura

    Espansione: all’interno di una turbina. La turbina (o meglio, il turboespansore) è una macchina in cui i gas combusti ad alta temperatura provenienti dalla sezione di combustione si espandono (cioè diminuiscono la loro pressione fino a quella atmosferica) producendo lavoro utile.

     

    Prestazioni

    Il rendimento di un impianto motore a turbina a gas reale dipende dalla temperatura all’ingresso della turbina (è il motivo per il quale questo componente è sottoposto a pesanti sollecitazioni termiche!). Aumentando tale temperatura da 900 a 1200 °C, il rendimento aumenta del 26% e il lavoro netto prodotto del 71%: molti sforzi della ricerca sono infatti concentrati sullo sviluppo di materiali con prestazioni sempre migliori da questo punto di vista.

    Il successo delle turbina a gas, oltre alle elevate prestazioni ambientali, è anche strettamente legato alla possibilità di sfruttare il calore in uscita dal ciclo in virtù dell’elevata temperatura dei gas di scarico provenienti dal turboespansore (circa 600 °C): il recupero di questo calore in modo utile per produrre energia meccanica (cicli combinati) ed energia termica (cogenerazione) porta a prestazioni più elevate di quelle ottenibili con gli impianti a vapore.

    L’unica vera limitazione delle Turbine a gas è legata alle necessità di operare con combustibili puliti (e relativamente costosi), come il gas naturale.

    Le turbine a gas sono normalmente impiegate per la produzione di energia elettrica di punta, ovvero durante le improvvise richieste di potenza elettrica sulla rete perché consentono una regolazione rapida ed efficace, ovvero è molto semplice far variare le condizioni di funzionamento di una TG per seguire e soddisfare le richieste di energia elettrica da parte degli utenti finali.

    La TG è una macchina semplice e compatta in relazione alla potenza sviluppata, priva di componenti particolarmente ingombranti. A tale compattezza che ne ha decretato il grandissimo successo in campo aeronautico (la propulsione aeronautica è oggi appannaggio esclusivo delle turbine a gas) si aggiungono altri importanti vantaggi nel campo della generazione elettrica:

    • Tempi di realizzazione dell’impianto molto inferiori rispetto alle centrali a vapore;
    • Non necessità di acqua di raffreddamento: ciò rende enormemente più libera la scelta del sito di installazione;
    • Costo di investimento limitato (dimensioni contenute sono sinonimo di modesto impiego di materiali costosi).
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