Centrale Termoelettrica – Componenti, Funzionamento e Selezione del Sito
Cos'è una centrale termoelettrica?
La legge della conservazione dell'energia stabilisce che l'energia non può essere creata o distrutta; piuttosto, può solo essere trasformata da una forma all'altra. L'energia elettrica, in particolare, può essere sfruttata da diverse fonti di energia. Le strutture progettate per generare energia elettrica su larga scala sono comunemente note come centrali elettriche o stazioni di potenza.
Una centrale termoelettrica è un tipo di impianto di generazione di energia che converte l'energia termica in energia elettrica. L'energia termica per questi impianti può provenire da diverse fonti, tra cui carbone, diesel, biocarburanti, energia solare ed energia nucleare. Sebbene il termine "centrale termoelettrica" possa tecnicamente includere impianti che utilizzano varie fonti di calore, è più comunemente associato a impianti che si affidano al carbone per generare calore. Pertanto, le centrali termoelettriche sono considerate sistemi di generazione di energia convenzionali. Sono talvolta anche conosciute come centrali a turbina a vapore o centrali a carbone, riflettendo la principale fonte di combustibile e il meccanismo chiave di conversione dell'energia utilizzato.
Funzionamento di una centrale termoelettrica
Le centrali termoelettriche operano in base al ciclo di Rankine, un fondamentale ciclo termodinamico per la conversione del calore in lavoro meccanico, che viene poi utilizzato per generare elettricità. Il seguente diagramma a linea o layout di una centrale termoelettrica fornisce una rappresentazione visiva dei suoi componenti operativi e processi.
Il funzionamento interno e i componenti di una centrale termoelettrica
Processo operativo
Le centrali termoelettriche richiedono una quantità sostanziosa di combustibile, tipicamente carbone. Data la grande quantità necessaria, il carbone è comunemente trasportato tramite treni e immagazzinato in aree dedicate di stoccaggio del combustibile. Inizialmente, il carbone grezzo è troppo grande per essere utilizzato direttamente nella caldaia. Per risolvere questo problema, viene alimentato in un trituratore, che lo riduce in pezzi più piccoli e gestibili prima di essere convogliato alla caldaia.
Oltre al carbone, una quantità significativa d'acqua è essenziale per la produzione di vapore all'interno della caldaia. Prima di entrare nel sistema, l'acqua subisce un processo di trattamento. Passa attraverso vari filtri per rimuovere impurità e qualsiasi aria disciolta, garantendone la purezza. Una volta trattata, l'acqua viene diretta al tamburo della caldaia. All'interno del tamburo della caldaia, il calore generato dalla combustione del carbone viene trasferito all'acqua. Di conseguenza, l'acqua subisce una trasformazione di fase e si trasforma in vapore.
Il vapore prodotto è ad alta pressione e alta temperatura, rendendolo ideale per la generazione di energia. Questo vapore viene quindi canalizzato verso un sovraffiatore, dove viene ulteriormente riscaldato per aumentarne l'energia termica. Il vapore sovrarriscaldato viene successivamente diretto verso le pale della turbina. Mentre il vapore scorre sulle pale della turbina, la sua energia termica viene convertita in energia rotazionale meccanica dalla turbina.
La turbina è meccanicamente accoppiata a un alternatore tramite un albero comune. Mentre la turbina ruota, fa girare il rotore dell'alternatore. L'alternatore, a sua volta, converte questa energia meccanica in energia elettrica. Per trasmettere in modo efficiente l'energia elettrica generata a lunghe distanze, essa passa attraverso un trasformatore, che aumenta la tensione. L'elettricità ad alta tensione viene poi inviata attraverso linee di trasmissione per raggiungere gli utenti finali, o carichi, nella rete elettrica.
Dopo aver attraversato la turbina, il vapore, ora a bassa pressione e temperatura, viene diretto a un condensatore. Nel condensatore, l'acqua fredda circola intorno al vapore, causandone la condensazione nuovamente nello stato liquido. Questo processo di condensazione libera il calore residuo dal vapore, riducendone efficacemente la pressione e la temperatura. Recuperando l'acqua in questo modo, l'efficienza del ciclo di generazione di energia viene migliorata.
L'acqua condensata viene poi pompata nuovamente alla caldaia utilizzando una pompa di alimentazione, pronta per essere riscaldata e convertita nuovamente in vapore, completando così il ciclo. Nel frattempo, la cenere generata come sottoprodotto della combustione del carbone viene rimossa dal forno della caldaia. La corretta disposizione di questa cenere è cruciale per prevenire danni ambientali. Inoltre, durante la combustione del carbone nella caldaia, vengono prodotti gas di scarico che vengono rilasciati nell'atmosfera attraverso il camino.
Componenti chiave
Una centrale termoelettrica comprende diversi componenti integrali che lavorano in armonia per facilitare il processo di generazione di energia:
Caldaia: Il cuore della centrale termoelettrica, dove avviene la combustione del carbone e il calore viene trasferito all'acqua per produrre vapore.
Turbina: Converte l'energia termica del vapore ad alta pressione in energia rotazionale meccanica.
Sovraffiatore: Aumenta la temperatura del vapore prodotto nella caldaia, incrementandone il contenuto energetico per una generazione di energia più efficiente.
Condensatore: Condensa il vapore di scarico dalla turbina nuovamente in acqua, recuperando calore e mantenendo l'efficienza del ciclo.
Economizzatore: Pre-riscalda l'acqua di alimentazione utilizzando il calore dai gas di scarico, riducendo il consumo energetico complessivo della caldaia.
Pompa di alimentazione: Circuisce l'acqua condensata dal condensatore nuovamente alla caldaia, assicurando un rifornimento continuo per la produzione di vapore.
Alternatore: Trasforma l'energia meccanica dalla turbina in energia elettrica, che può essere distribuita attraverso la rete elettrica.
Camino: Disperde i gas di scarico prodotti durante la combustione del carbone nell'atmosfera in modo controllato.
Torre di raffreddamento: Facilita il raffreddamento dell'acqua utilizzata nel condensatore, permettendone il riciclo e riutilizzo nel processo di generazione di energia.
Componenti, selezione del sito e efficienza delle centrali termoelettriche
Componenti chiave delle centrali termoelettriche
Caldaia
Il carbone polverizzato, accompagnato da aria pre-riscaldata, viene alimentato nella caldaia, che serve come componente centrale per la generazione di vapore ad alta pressione. La sua funzione principale è quella di trasformare l'energia chimica immagazzinata nel carbone in energia termica attraverso il processo di combustione. Mentre il carbone brucia all'interno della caldaia, genera un calore intenso, sufficiente a convertire l'acqua in vapore. La dimensione della caldaia è determinata direttamente dai requisiti di calore della centrale termoelettrica. Esiste una vasta gamma di caldaie utilizzate nelle centrali termoelettriche, incluse le caldaie Haycock e a coperchio wagon, le caldaie a tubi fumogeni, le caldaie cilindriche a tubi fumogeni e le caldaie a tubi d'acqua, ciascuna con le proprie caratteristiche di progettazione e vantaggi operativi.
Turbina
Il vapore sovrarriscaldato ad alta pressione e alta temperatura, prodotto dalla caldaia, viene diretto verso la turbina. Quando questo vapore colpisce le pale della turbina, la mette in movimento. La turbina è un sofisticato dispositivo meccanico progettato specificamente per convertire l'energia termica del vapore in energia cinetica rotazionale. Meccanicamente accoppiata a un alternatore tramite un albero, la rotazione della turbina muove il rotore dell'alternatore. Una volta che il vapore ha attraversato la turbina, la sua temperatura e pressione diminuiscono, e viene quindi canalizzato al condensatore per ulteriori processi.
Sovraffiatore
In un sistema di generazione di energia basato su turbine a vapore, il vapore sovrarriscaldato è essenziale per un'efficiente operazione della turbina. Il vapore umido e saturo, uscente dalla caldaia, viene alimentato nel sovraffiatore. Questo dispositivo svolge un ruolo cruciale nella trasformazione del vapore in vapore secco e sovrarriscaldato, aumentandone significativamente il contenuto energetico. Tra tutti i componenti di una centrale termoelettrica, il sovraffiatore opera a temperature più elevate. Tre tipi principali di sovraffiatori sono comunemente impiegati: i sovraffiatori a convezione, che trasferiscono calore attraverso correnti di convezione; i sovraffiatori radianti, che si basano sul trasferimento di calore radiante; e i sovraffiatori separati. Aumentando la temperatura del vapore generato dalla caldaia, il sovraffiatore migliora l'efficienza complessiva del processo di generazione di energia.
Condensatore
Dopo che il vapore ha attraversato la turbina e la sua temperatura e pressione sono diminuite, il vapore di scarico viene riciclato nel ciclo di generazione di energia. Per ottimizzare l'efficienza della turbina, è necessario condensare questo vapore, creando e mantenendo un vuoto adeguato. Il condensatore raggiunge questo obiettivo riducendo la pressione operativa, aumentando quindi il livello di vuoto. Questo aumento di vuoto causa l'espansione del volume di vapore, permettendo di estrarre più lavoro dal vapore nella turbina. Di conseguenza, l'efficienza complessiva della centrale elettrica migliora, con un aumento corrispondente dell'output della turbina.
Economizzatore
L'economizzatore è uno scambiatore di calore specializzato progettato per minimizzare il consumo di energia all'interno della centrale. I gas di scarico, ricchi di energia termica, vengono espulsi dalla caldaia nell'atmosfera. L'economizzatore sfrutta il calore di questi gas di scarico per pre-riscaldare l'acqua. L'acqua recuperata dal condensatore viene pompata all'economizzatore dalla pompa di alimentazione. Qui, assorbe il calore dai gas di scarico, aumentandone la temperatura prima di entrare nella caldaia. Riutilizzando il calore di scarto dei gas di scarico, l'economizzatore migliora significativamente l'efficienza complessiva del ciclo di generazione di energia.
Pompa di alimentazione
La pompa di alimentazione è responsabile del rifornimento di acqua alla caldaia. La fonte d'acqua può essere sia l'acqua condensata dal condensatore che l'acqua fresca. Questa pompa aumenta la pressione dell'acqua, assicurando un rifornimento continuo e adeguato per soddisfare i requisiti della caldaia. Comunemente, le pompe di alimentazione sono di tipo centrifugo o volumetrico, ciascuno offrendo distinti vantaggi in termini di prestazioni ed efficienza.
Alternatore
Meccanicamente collegato alla turbina tramite un albero comune, l'alternatore svolge un ruolo cruciale nel processo di generazione di energia. Mentre la turbina ruota sotto la forza del vapore, muove il rotore dell'alternatore. Questa rotazione induce un campo elettromagnetico, generando energia elettrica. In sostanza, l'alternatore funge da convertitore, trasformando l'energia cinetica della rotazione della turbina in energia elettrica che può essere trasmessa e distribuita attraverso la rete elettrica.
Camino
Nelle maggiori centrali termoelettriche che utilizzano il carbone come combustibile, il processo di combustione nella caldaia genera gas di scarico. Il camino fornisce un percorso per questi gas di scarico per essere scaricati in sicurezza nell'atmosfera. Il suo funzionamento si basa sui principi del tiraggio naturale e dell'effetto camino. L'aria calda, essendo meno densa, sale, creando un tiraggio che aspira i gas di scarico verso l'alto. L'altezza del camino è un fattore critico; i camini più alti generano un tiraggio più forte, facilitando una dispersione più efficiente dei gas.
Torre di raffreddamento
Come suggerisce il nome, la torre di raffreddamento è principalmente utilizzata per dissipare il calore di scarto nell'atmosfera. Utilizzando vari metodi di trasferimento di calore, la torre di raffreddamento permette al calore dell'acqua di evaporare, lasciando dietro acque più fredde che possono essere riutilizzate nel ciclo di generazione di energia. L'acqua condensata dal vapore nel condensatore viene canalizzata alla torre di raffreddamento. Le torri di raffreddamento a flusso forzato sono comunemente utilizzate nelle centrali termoelettriche, dove l'aria viene circolata dal fondo alla cima della torre, migliorando l'efficienza del trasferimento di calore.
Criteri di selezione del sito per le centrali termoelettriche
Disponibilità di combustibile
Poiché il carbone è il combustibile predominante nella maggior parte delle centrali termoelettriche e la quantità sostanziosa richiesta per la generazione di elettricità su larga scala, localizzare la centrale vicino a una miniera di carbone è altamente vantaggioso. Questa vicinanza riduce significativamente i costi di trasporto, rendendo il processo di generazione di energia più economicamente sostenibile.
Infrastruttura di trasporto
Le centrali termoelettriche ospitano numerose macchine e attrezzature di grandi dimensioni. Pertanto, il sito della centrale deve essere selezionato in un'area con eccellente infrastruttura di trasporto. Un trasporto ferroviario o stradale affidabile è essenziale per il movimento efficiente del carbone, nonché per la consegna di nuova attrezzatura e il trasporto di lavoratori, tecnici e ingegneri. Inoltre, la disponibilità di trasporti pubblici nelle vicinanze garantisce un accesso conveniente per la forza lavoro della centrale.
Disponibilità di acqua
Una centrale termoelettrica richiede una quantità massiccia d'acqua per produrre vapore ad alta pressione e alta temperatura. Di conseguenza, la centrale dovrebbe essere situata vicino a una riva fluviale o in un luogo con un approvvigionamento d'acqua costante e abbondante per soddisfare la domanda continua di acqua utilizzata nella produzione di vapore e nei processi di raffreddamento.
Disponibilità di terreno
La costruzione di una centrale termoelettrica richiede un vasto spazio. Inoltre, il costo del terreno dovrebbe essere ragionevole. Nella scelta del sito, dovrebbero essere considerate le disposizioni per futuri ampliamenti. Poiché la centrale ospita macchinari pesanti, il terreno deve avere una capacità portante sufficiente, e una solida fondazione è essenziale per supportare l'attrezzatura.
Distanza dalle aree popolate
Le centrali termoelettriche emettono gas di scarico, cenere, polvere e fumo durante il funzionamento, tutti i quali presentano rischi significativi per la salute umana e possono causare danni ambientali all'atmosfera e al terreno circostanti. Per minimizzare questi impatti, la centrale dovrebbe essere situata lontano dalle aree urbane, dalle comunità residenziali e dalle aziende agricole. Inoltre, il rumore generato dai macchinari della centrale, come alternatori, trasformatori, ventilatori e turbine, rende ulteriormente necessario il posizionamento in un luogo remoto.
Struttura per lo smaltimento della cenere
La combustione del carbone produce cenere, che rappresenta circa il 30-40% del consumo totale di carbone. Lo smaltimento corretto della cenere è di estrema importanza. La cenere viene raccolta dal fondo del forno della caldaia, e una porzione significativa viene portata via dai gas di scarico. Per gestire la cenere in modo efficace, vengono impiegati due principali sistemi di manutenzione della cenere: il sistema di gestione della cenere inferiore e il sistema di gestione della cenere volante. Il sito della centrale dovrebbe disporre di strutture adeguate per lo smaltimento sicuro e rispettoso dell'ambiente di questa cenere.
Prossimità al centro di carico
L'energia elettrica generata dall'alternatore viene aumentata in tensione da un trasformatore di potenza prima di essere trasmessa al centro di carico attraverso linee di trasmissione. Localizzare la centrale termoelettrica vicino al centro di carico riduce i costi e le perdite di trasmissione, assicurando una distribuzione più efficiente e cost-effective dell'elettricità.
Efficienza delle centrali termoelettriche
In una centrale termoelettrica, la generazione di elettricità coinvolge molteplici stadi di conversione dell'energia. In primo luogo, l'energia chimica del carbone viene trasformata in energia termica. Questa energia termica viene poi convertita in energia cinetica o meccanica, che infine viene convertita in energia elettrica. A causa di questi multipli processi di conversione dell'energia, l'efficienza complessiva delle centrali termoelettriche è relativamente bassa, tipicamente compresa tra il 20-29%.
L'efficienza di una centrale termoelettrica è influenzata da vari fattori, inclusa la dimensione della centrale e la qualità del carbone utilizzato. Una quantità significativa di energia termica viene persa nel condensatore durante il processo di generazione di energia. Esistono due principali metriche di efficienza utilizzate per valutare le centrali termoelettriche:
Efficienza termica
L'efficienza termica è definita come il rapporto tra l'energia meccanica, espressa in termini equivalenti di calore, disponibile alla turbina e l'energia termica totale rilasciata durante la combustione del carbone nella caldaia. Misura l'efficacia della conversione dell'energia termica dalla combustione del carbone in lavoro meccanico utile nella turbina.
Efficienza termica
Le centrali termoelettriche raggiungono generalmente un'efficienza termica approssimativa del 30%. Una parte significativa, circa il 50% dell'energia termica totale generata, viene dissipata come rifiuto all'interno del condensatore. L'energia termica rimanente viene persa attraverso vari altri canali, come nei gas di scarico emessi dal camino e nella cenere prodotta durante la combustione del carbone. Questa notevole perdita di calore nel condensatore e altrove evidenzia le inefficienze intrinseche dei processi tradizionali di generazione di energia termica.
Efficienza complessiva
L'efficienza complessiva di una centrale termoelettrica è calcolata come il rapporto tra l'equivalente di calore dell'uscita elettrica e l'energia termica totale rilasciata durante la combustione del carbone. Questa metrica fornisce una misura completa della performance della centrale, abbracciando tutti gli stadi di conversione dell'energia dall'energia chimica iniziale immagazzinata nel carbone all'energia elettrica finale consegnata alla rete. Riflette quanto efficacemente la centrale può trasformare l'energia nel carbone in energia elettrica utilizzabile, tenendo conto delle perdite che si verificano a ogni passo del complesso processo di generazione di energia.
Efficienza complessiva delle centrali termoelettriche
L'efficienza complessiva di una centrale termoelettrica include tutte le perdite che si verificano durante l'intero ciclo di generazione di energia. Ciò include inefficienze durante la combustione del carbone, i processi di trasferimento di calore, l'operazione della turbina a vapore e, crucialmente, la performance dell'alternatore, che converte l'energia meccanica in energia elettrica. Ognuno di questi stadi contribuisce alle perdite complessive di energia, determinando la proporzione dell'energia iniziale nel carbone che viene trasformata con successo in energia elettrica utilizzabile.
L'efficienza complessiva di una centrale termoelettrica è strettamente legata alla sua dimensione e alla capacità di generazione di energia, tipicamente misurata in megawatt (MW). Come regola generale, esiste una correlazione diretta tra la capacità di una centrale termoelettrica e la sua efficienza: le centrali con capacità inferiori tendono a mostrare efficienze complessive inferiori. Le centrali più piccole spesso mancano delle economie di scala e delle caratteristiche di progettazione ottimizzate che le centrali più grandi possiedono, risultando in perdite di energia relative superiori a ogni stadio del processo di generazione di energia. Ciò significa che una maggiore proporzione dell'energia del combustibile viene sprecata, riducendo la quantità di elettricità che può essere prodotta per unità di combustibile consumato.
