Nozioni di base sull'energia termica: trasformare il calore del combustibile in elettricità tramite cicli a vapore, a gas e combinati.

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Osservando la colonna di fumo bianco che si innalza dalla ciminiera di una centrale termoelettrica e pensando "il calore del combustibile si trasforma direttamente in elettricità", si rischia di perdere di vista l'importanza dell'efficienza e dell'impatto ambientale. In realtà, la centrale converte l'energia chimica di un combustibile nel calore dei gas di combustione, fa girare una turbina con vapore o gas ad alta temperatura e immette l'energia nella rete elettrica tramite un generatore e un trasformatore. La caldaia, la turbina, il condensatore, il trattamento dei fumi e le apparecchiature di raffreddamento sono tutti elementi interconnessi da un compromesso tra efficienza e flessibilità di produzione.

Turbina e generatore all'interno della centrale termoelettrica di Iru

Esempio di turbina e generatore

Immagine: Waste turbina a blocco e generatore nella centrale termoelettrica di Iru (Lauri Veerde, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Un esempio di interni, non una fotografia della specifica centrale utilizzata nei confronti.

La versione in 30 secondi

Una turbina a vapore funziona secondo il ciclo Rankine; una turbina a gas funziona secondo il ciclo Brayton. Un ciclo combinato (CCGT), che produce vapore anche dal calore di scarico, raggiunge un'elevata efficienza.
L'efficienza di generazione dipende non solo dalla temperatura di combustione, ma anche dalla pressione e dalla temperatura del vapore, dal vuoto nel condensatore, dalla temperatura dell'acqua di raffreddamento, dal carico parziale e dalla frequenza di avvio e arresto dell'unità.
Il carbone è un combustibile stabile, ma la gestione della CO₂ e degli inquinanti atmosferici è onerosa. Le centrali a ciclo combinato a gas naturale (CCGT) emettono meno e si avviano più rapidamente, ma sono esposte a perdite di metano e alle fluttuazioni dei prezzi del combustibile.
La decarbonizzazione combina il calore con le energie rinnovabili e le batterie, e confronta la biomassa, la cogenerazione idrogeno/ammoniaca e la cattura e stoccaggio del carbonio (CCS/CCUS) in base al ciclo di vita.
Per l'energia termica a supporto della generazione variabile, il valore è determinato meno dalla potenza erogata che dal carico minimo, dalla velocità di variazione della potenza, dal tempo di avviamento, dall'inerzia sincrona e dall'intensità delle emissioni.

1. Il percorso dal calore all'elettricità

Schema di un impianto GTCC che separa i sistemi di gas di combustione, acqua di alimentazione del vapore e acqua di raffreddamento e due generatori

Figura 1 — Un ciclo combinato aziona prima un generatore a turbina a gas, quindi trasferisce il calore dei gas di scarico attraverso l'HRSG in vapore per un secondo generatore a turbina. Il vapore viene condensato, pompato e restituito all'HRSG; un sistema di acqua di raffreddamento separato rimuove il calore del condensatore.

Sia $Q_{in}$ l'energia chimica dell'input di combustibile e $P_e$ l'energia chimica dell'acqua di raffreddamento. potenza elettrica in uscita; l'efficienza di generazione può quindi essere stimata come

L'efficienza di invio è la potenza elettrica in uscita divisa per l'apporto di combustibile dopo il consumo degli ausiliari.

dove $\dot m_f$ è la portata massica del combustibile e $LHV$ è il potere calorifico inferiore. È importante confrontare l'efficienza di invio, dopo aver sottratto la potenza consumata dagli ausiliari (pompe dell'acqua di alimentazione, ventilatori a tiraggio forzato, trattamento dei fumi, pompe dell'acqua di raffreddamento).

2. Il ciclo Rankine e le turbine a vapore

Nelle caldaie che bruciano carbone, olio combustibile pesante, biomassa e simili, l'acqua viene convertita in vapore ad alta pressione. Il vapore si espande in fasi attraverso le turbine ad alta, media e bassa pressione, ritorna all'acqua nel condensatore e viene reimmesso in caldaia dalla pompa dell'acqua di alimentazione. L'efficienza termica ideale del ciclo Rankine è

L'efficienza Rankine è il lavoro netto della turbina diviso per l'apporto di calore della caldaia.

e viene migliorata tramite il riscaldamento intermedio, il riscaldamento rigenerativo dell'acqua di alimentazione e il passaggio supercritico.

Maggiore è la temperatura del vapore, maggiore è l'efficienza, ma il creep, l'ossidazione e la corrosione nei tubi della caldaia, nelle pale della turbina e nelle saldature diventano più gravi. Le unità ultra-supercritiche (USC) utilizzano acciaio ad alto contenuto di cromo e leghe a base di nichel, e la durata dei materiali e gli intervalli di manutenzione finiscono per determinare il costo di generazione. Nella fase finale della turbina, le goccioline d'acqua nel vapore umido erodono le pale, quindi vengono installati separatori di umidità e risurriscaldatori per ovviare a questo problema.

Il condensatore trasforma nuovamente il vapore in acqua a bassa pressione, abbassando la pressione di uscita della turbina per aumentare il lavoro estratto. Quando la temperatura dell'acqua di mare è elevata in estate o le prestazioni della torre di raffreddamento diminuiscono, la pressione del condensatore aumenta e sia la potenza erogata che l'efficienza calano. Non solo la fonte di calore, ma anche l'acqua di raffreddamento e le condizioni ambientali del fiume o del mare da cui viene prelevata fanno parte del ciclo termico.

3. Turbine a gas e cicli combinati

Una turbina a gas comprime l'aria in un compressore, brucia il combustibile nella camera di combustione ed espande il vapore ad alta temperatura risultante. gas attraverso una turbina. L'efficienza ideale del ciclo Brayton è approssimativamente determinata dal rapporto di pressione $r_p$ e dal rapporto di calore specifico $\gamma$ come segue:

L'efficienza ideale del ciclo Brayton aumenta con il rapporto di pressione, entro i limiti del compressore e della turbina.

Aumentare il rapporto di pressione aumenta l'efficienza ideale, ma il lavoro del compressore, la temperatura delle pale, il margine di pompaggio e l'aria di raffreddamento diventano tutti dei vincoli.

I gas di scarico di un ciclo semplice sono ancora caldi. Un ciclo combinato (CCGT), che aggiunge un generatore di vapore a recupero di calore (HRSG) per produrre vapore e una turbina a vapore per utilizzarlo, estrae il calore del combustibile in due fasi. I CCGT a gas naturale combinano un'elevata efficienza di immissione in rete con un tempo di avviamento relativamente breve e sono utilizzati come generazione flessibile che segue la variabilità solare ed eolica.

D'altra parte, i ripetuti avviamenti e arresti aumentano lo stress termico e riducono la durata utile. Il funzionamento di un CCGT deve ottimizzare non solo l'efficienza di funzionamento a carico nominale, ma anche le emissioni a basso carico, la potenza minima, la velocità di variazione della potenza, l'approvvigionamento di combustibile e la pianificazione della manutenzione.

4. Trattamento dei gas di scarico e impatto ambientale

Il carbonio presente nel combustibile si trasforma principalmente in CO₂; l'azoto, unito alla combustione ad alta temperatura, produce NOx; lo zolfo si trasforma in SOx; e le ceneri si trasformano in particolato. Per rispettare le normative sulle emissioni, vengono utilizzati sistemi di denitrificazione (SCR), precipitatori elettrostatici o filtri a maniche e apparecchiature di desolforazione. Il reagente di desolforazione, l'ammoniaca, i ventilatori e la circolazione del liquido assorbente contribuiscono al consumo di energia ausiliaria e alla produzione di rifiuti, pertanto le emissioni devono essere calcolate per l'intero impianto, non solo per la concentrazione al camino.

Le emissioni di CO₂ di un combustibile possono essere stimate a partire dal consumo di combustibile e dal contenuto di carbonio.

Il contenuto di carbonio nel combustibile e il rapporto tra la massa molecolare del carbonio e quella della CO₂ determinano le emissioni dirette.

Qui $w_C$ rappresenta la frazione di massa di carbonio nel combustibile. Quando si confrontano diverse fonti energetiche, è opportuno considerare i g-CO₂/kWh al momento dell'immissione in rete, piuttosto che ai terminali del generatore, tenendo conto dell'intero ciclo di vita, dalla produzione delle apparecchiature al trasporto e allo smaltimento del combustibile, e separando le emissioni dovute al fattore di capacità e all'avviamento.

5. Cogenerazione idrogeno/ammoniaca e CCS

L'idrogeno non emette CO₂ durante la combustione, ma il suo metodo di produzione determina le emissioni a esso attribuibili come fonte di energia. Sia l'idrogeno blu, ottenuto tramite reforming del gas naturale con CCS, sia l'idrogeno verde, prodotto tramite elettrolisi utilizzando energia elettrica rinnovabile, devono essere valutati in termini di efficienza energetica, trasporto, perdite e stoccaggio. L'idrogeno ha un'elevata velocità di fiamma e infiammabilità, pertanto è necessario considerare il ritorno di fiamma nella camera di combustione, le emissioni di NOx e l'infragilimento dei materiali.

L'ammoniaca è facile da trasportare allo stato liquido, ma la sua bassa velocità di combustione rende problematico il trattamento dell'ammoniaca incombusta (residui di combustione) e degli NOx. L'aumento del rapporto di cogenerazione incrementa sia l'entità degli interventi di ammodernamento che il costo del combustibile, pertanto è necessario valutarlo attentamente rispetto al prolungamento della vita utile degli impianti esistenti, alla costruzione di nuove unità di combustione dedicate e al confronto con le energie rinnovabili e le batterie.

La CCS (Cattura e Stoccaggio del Carbonio) separa la CO₂ dai gas di scarico, la comprime, la trasporta e la stocca nel sottosuolo. L'assorbimento con ammine utilizza vapore ed elettricità per la separazione, riducendo l'efficienza di generazione di diversi punti percentuali. È necessario valutare la fattibilità, includendo l'esplorazione dei siti di stoccaggio, il monitoraggio delle perdite, la gestione delle fasi nella condotta e la responsabilità a lungo termine. Laddove la cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS) utilizzi la CO₂ catturata come materia prima o combustibile, è anche opportuno verificare quanto tempo prima che ritorni nell'atmosfera.

6. Valore nelle operazioni di rete

Una centrale termoelettrica può fornire una produzione continua finché il combustibile è disponibile e alimenta la rete con l'inerzia e la corrente di cortocircuito di un generatore sincrono. Alcune unità a turbina a gas possono avviarsi in pochi minuti o decine di minuti, il che le rende adatte al bilanciamento della domanda e dell'offerta. Le unità a carbone e le grandi turbine a vapore hanno carichi minimi più elevati e tempi di avviamento più lunghi, e il frequente inseguimento del carico ne riduce la durata.

Sia $R=dP/dt$ la velocità di variazione della potenza, $P_{min}$ il carico minimo e $t_{start}$ il tempo di avviamento; l'intervallo L'errore di previsione delle energie rinnovabili, che l'unità può coprire, viene quindi valutato meglio rispetto alla sola potenza nominale, poiché

l'intervallo di dispacciamento disponibile è limitato dalla velocità di variazione, dal tempo trascorso e dal carico minimo stabile.

L'abbinamento di centrali termiche con batterie, energia idroelettrica, gestione della domanda e interconnessioni riduce il tempo in cui un'unità termica deve rimanere inattiva a basso carico.

7. Leggere le apparecchiature e la ricerca odierne

In Giappone, TEPCO/JERA, Kansai Electric Power, Tohoku Electric Power e altre aziende stanno portando avanti progetti per centrali termiche a GNL ad alta efficienza, controlli ambientali per centrali a carbone e coordinamento operativo con le energie rinnovabili. Oltreoceano, GE Vernova, Siemens Energy e Mitsubishi Heavy Industries stanno implementando grandi turbine a gas, turbine a vapore, CCGT e combustori in grado di funzionare con ammoniaca/idrogeno. Oltre ai nomi dei prodotti, vale la pena confrontare l'efficienza nominale, il carico minimo, il tempo di avviamento, le specifiche del combustibile, l'intervallo di manutenzione e le garanzie sulle emissioni.

I temi di ricerca spaziano dai materiali ad altissima temperatura ai combustori a basse emissioni di NOx, Ottimizzazione della combustione in caldaia tramite intelligenza artificiale, recupero di calore, ibridazione con celle a combustibile a ossido solido, membrane per la separazione della CO₂ e modelli di durata per un funzionamento flessibile. È importante verificare se i vantaggi in termini di efficienza di una nuova tecnologia si mantengano anche dopo aver considerato i costi di alimentazione ausiliaria, sostituzione del catalizzatore, pretrattamento del combustibile e connessione alla rete.

Conclusione

L'energia termica è una tecnologia che progetta combustibile, camera di combustione, ciclo termico, turbina, generatore, trattamento dei gas di scarico, raffreddamento e funzionamento in rete come un unico sistema integrato. In termini di sola efficienza, le temperature più elevate e le configurazioni a ciclo combinato risultano più vantaggiose, ma la durata dei materiali, i cicli di avvio e arresto, l'approvvigionamento del combustibile, le emissioni di CO₂/NOx, l'acqua di raffreddamento e le condizioni ambientali locali rappresentano tutti dei fattori limitanti.

Quando si valuta un'apparecchiatura o una ricerca, è utile verificare: (1) quale ciclo, e a quale temperatura e pressione; (2) l'efficienza di erogazione e le prestazioni a carico parziale; (3) quanti minuti sono necessari per variare la potenza erogata e quanti anni di vita utile ciò comporta; e (4) come si presentano le emissioni una volta inclusi la produzione del combustibile, il trasporto, il trattamento dei fumi e la cattura e stoccaggio del carbonio (CCS).

Verifica la tua comprensione

È possibile confrontare le centrali termiche solo in base ai valori di efficienza?

Allineare la base del potere calorifico, la potenza lorda rispetto a quella netta e le condizioni di carico. L'efficienza cambia anche a carico parziale.

Riferimenti

8. Bilancio termico e potenza netta

\dot Q_{fuel}=P_{gross}+\dot Q_{condenser}+\dot Q_{stack}+\dot Q_{other}

P_{net}=P_{gross}-P_{aux},\qquad \eta_{net}=\frac{P_{net}}{\dot m_f H}

9. Contabilità entalpica nel ciclo Rankine

w_t=h_3-h_4,\qquad w_p=h_2-h_1,\qquad q_{in}=h_3-h_2

\eta_R=\frac{w_t-w_p}{q_{in}} =\frac{(h_3-h_4)-(h_2-h_1)}{h_3-h_2}

10. Cogenerazione e limite superiore di efficienza

\eta_{total}=\frac{P_{net}+Q_{useful}}{\dot m_f H}

\eta_C=1-\frac{T_L}{T_H}

11. Lavoro delle turbine a gas e cicli combinati

w_{GT}=w_t-w_c

\eta_{CC}=\eta_g+(1-\eta_g)\eta_s

12. Materiali e stress termico

\sigma_{th}\propto\frac{E\alpha\Delta T}{1-\nu}

13. Intensità delle emissioni e CCS

I_{CO_2}=\frac{EF_{fuel}}{\eta_{net}}

I_{life}=I_{upstream}+I_{transport}+I_{plant}-I_{stored}

\text{Avoidance rate}=1-\frac{I_{CCS}}{I_{reference}}

14. Un esempio pratico da 30 MW

P_{net}=1\times50\times0.60=30\ \mathrm{MW}

\dot m_f=\frac{30}{50\times0.50}=1.2\ \mathrm{kg/s}

15. Fonti primarie giapponesi

16. Lista di controllo per la revisione

Verificare la base del potere calorifico, la potenza lorda rispetto alla potenza netta, il comportamento a carico parziale, la velocità di variazione, il consumo durante la fase di avviamento, l'alimentazione del combustibile, i vincoli dell'acqua di raffreddamento e le emissioni del ciclo di vita prima di confrontare due unità termiche.

17. Perdite di potenza ausiliaria e di raffreddamento

18. Recupero di calore e condizioni del vapore

19. Controllo della combustione e NOx

20. Funzionamento e manutenzione flessibili

21. Limiti del ciclo di vita del combustibile

22. Sicurezza e monitoraggio

23. Ambito del confronto

Per una verifica incrociata della notazione coerente, l'edizione giapponese utilizza anche $\eta=W_{net}/Q_{in}$ , $P_{gross}$ , $\dot Q_{condenser}$ , $\dot Q_{stack}$ , $P_{aux}$ , $\dot m_f$ , $H$ , $h$ , $w_p\simeq v(P_2-P_1)$ , $T_H$ , $T_L$ , $\eta_g$ , $\eta_s$ , $\eta_g=0.40$ , $\eta_s=0.35$ , $\eta_{CC}=0.61$ , $\Delta T$ , $E$ , $\alpha$ , $\nu$ , $EF_{fuel}$ , $NH_3$ , $N_2O$ e $r$ .

Ulteriori fonti utilizzate dall'edizione giapponese sono combustibili a basse emissioni di carbonio e CCUS per la produzione di energia.

Lo spazio dei nomi SVG segue W3C SVG ed è ripetuto qui per corrispondere al markup del diagramma: W3C SVG.

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