• Articolo , 11 gennaio 2008
  • Ciclo combinato gas-vapore: la soluzione nel breve periodo

  • Per molti anni non sarà possibile rinunciare completamente all’uso di fonti fossili: la soluzione, per eliminare le emissioni, è quella di utilizzare centrali a ciclo combinato con turbine a gas e a vapore più efficienti, a tutto vantaggio del clima e dell’ambiente

Come migliorare l’efficienza di una grande centrale? Quali accorgimenti sono necessari per mantenere tecnologicamente avanzati gli impianti di grandi dimensioni attualmente presenti sul territorio?
Ogni miglioramento, anche se apparentemente piccolo, richiede un know-how enorme ed investimenti elevati, ma è preziosissimo se si considerano il problema del riscaldamento globale, la non rinnovabilità dei combustibili fossili e il loro conseguente aumento di prezzo. Ancora di più se si pensa che il fabbisogno energetico globale è destinato ad aumentare, soprattutto nei Paesi con una grande crescita e una forte spinta demografica come la Cina e l’India.

*Ma come funziona una centrale a ciclo combinato?*

La centrale a ciclo combinato con turbina a gas coniuga in modo ideale due processi termici in modo tale che ne risulta una produzione di energia elettrica tecnicamente ottimale. Circa due terzi dell’elettricità sono prodotti dalla turbina a gas e l’altro terzo dalla turbina a vapore che vi è collegata. I gas combustibili espansi (nella turbina a gas) ed il vapore (nella turbina a vapore) producono un movimento rotatorio meccanico che i generatori trasformano successivamente in energia elettrica. Molte centrali sono concepite come impianti plurialbero: ciò significa che ognuna delle turbine è accoppiata a un proprio generatore a differenza dell’impianto monoalbero, nel quale entrambe le turbine alimentano lo stesso generatore.
Nelle centrali a ciclo combinato a gas e vapore, il metano, combusto ad elevate temperature, aziona una turbina a gas. Il calore degli scarichi viene sfruttato per generare vapore acqueo, che a sua volta fa ruotare una turbina a vapore. Mediante il generatore collegato è quindi possibile produrre due volte energia elettrica con una sola combustione.
Secondo le previsioni, il fabbisogno energetico mondiale aumenterà del 70% fino al 2020; tra le rinnovabili la crescita maggiore sarà registrata dall’eolico. La maggior parte del restante fabbisogno dovrà essere coperta dai combustibili fossili, in particolare dal metano, che durante la combustione, libera solo il 50% di anidride carbonica rispetto al carbone, per ogni unità energetica.
Proprio in tal senso, la Siemens PG (Divisione Power Generation) secondo colosso mondiale nella produzione di turbine, ha messo a punto una serie di innovazioni tecnologiche che hanno fatto registrare incrementi di efficienza, con tassi di crescita medio annui in questo campo di attività pari al 10%. Le turbine a gas e vapore sono la risposta ideale al problema del riscaldamento globale, in quanto possono contribuire a ridurre significativamente l’emissione di CO2 grazie alla loro maggiore efficienza energetica.

*CO2: 20% in meno*

L’aumento dell’efficienza delle centrali a vapore è aumentato notevolmente negli ultimi 25 anni, e a sostenerlo è Nicolas Vortmeyer, Direttore della divisione centrale per le tecnologie energetiche della Siemens PG a Erlangen. Infatti, nel 1982, le turbine a vapore sfruttavano solo il 20% dell’energia, mentre alla fine del 2004 sono arrivate al 47%; solo questo aumento consente di abbattere le emissioni di anidride carbonica del 20%. Nel prossimo futuro le centrali a vapore alimentate a metano supereranno la soglia del 50% dell’efficienza, con una riduzione di anidride carbonica del 25% rispetto ai primi anni ottanta del secolo scorso. Le centrali a ciclo combinato convertono l’energia del metano in modo più razionale, diminuendo l’impatto delle sue emissioni sul clima, ma non solo: sono anche più flessibili rispetto al passato e sono utilizzabili non solo in caso di picchi di consumo ma anche a medio carico. Le soluzioni vantaggiose non finiscono qui: il metano può essere perfettamente sostituito dal carbone trasformato in gas. Oltre al metano un ottimo materiale per le centrali a ciclo combinato è rappresentato dal “syngas” (gas di sintesi ottenuto dalla conversione di carbone e biomassa). La gassificazione trasforma il complesso mix di idrocarburi del carbone in un gas ricco di idrogeno (appunto denominato gas di sintesi, o “syngas”). Le centrali possono bruciare il syngas in modalità altrettanto “pulita” del gas naturale. Inoltre, in presenza di un catalizzatore adeguato e nelle appropriate condizioni, i blocchi chimici di base del syngas possono combinarsi a formare gli idrocarburi che costituiscono gli ingredienti di benzina e gasolio. Conseguentemente, la gassificazione del carbone ha le potenzialità per ridurre le emissioni di fuliggine ed è possibile controllare le emissioni di anidride carbonica, che può essere catturata più agevolmente dagli impianti a syngas che da quelli a combustione.
Tra gli impianti d’eccellenza vanno senz’altro ricordati: la centrale Siemens a ciclo combinato del 1992 di Killinghome in Inghilterra, che ha ottenuto un efficienza del 50%, e la centrale di Magonza-Wiesbaden del 2001, da 406 megawatt, che ha raggiunto un efficienza del 58% e una riduzione delle emissioni di CO2 del 10%.

*Centrale di Isrching: nuovi record di efficienza*

Nel 2010, nella cittadina bavarese di Irsching entrerà in funzione un impianto a ciclo combinato da 530 megawatt, con la turbina a gas al momento più grande del mondo del peso di 445 tonnellate, che lavorerà insieme a una turbina a vapore. L’impianto a ciclo combinato, che formerà il nuovo blocco di una centrale esistente, renderà disponibile oltre il 60% dell’energia contenuta nel metano: una vera rivoluzione. La turbina grande a gas produce 340 megawatt, una quantità sufficiente a coprire il fabbisogno di una città come Amburgo. Rispetto alla centrale di Killinghome, le emissioni di Irsching sono ridotte del 13,2%. Il nuovo blocco produrrà energia da 3.000 a 7.000 ore all’anno, corrispondenti a una media di 8-19 ore giornaliere. La centrale dovrebbe migliorare la propria efficienza del 2%, per ottenere questo è necessario aumentare la temperatura dei gas combustibili, che oggi arrivano alla turbina 80-100 gradi , fino a 1.500 °C.
Per resistere a queste temperature, le pale della turbina devono avere un rivestimento speciale e devono essere raffreddate ad aria, che viene soffiata attraverso sottili augelli, inoltre sulle pale, agisce una forza centrifuga che corrisponde a 10.000 volte il loro peso. Per resistere a queste sollecitazioni meccaniche e termiche estreme, le pale sono realizzate con una superlega monocristallina con rivestimento ceramico. La lega con cui sono realizzate le pale, è composta da sostanze come cobalto, cromo, nichel, alluminio, ittrio e del rarissimo renio. Quando è sottoposta all’enorme calore delle turbine a gas, questa lega speciale forma una barriera protettiva contro l’ossigeno aggressivo presente nel gas combusto e contrasta l’usura per corrosione. Con uno strato protettivo di ossido di alluminio di soli 0,3 millimetri di spessore, le pale sono in grado di funzionare per oltre 25.000 ore, mentre senza protezione la durata scenderebbe a 4.000.
Dal momento che paesi come India e Cina, aumentano costantemente la loro crescita economica, l’impiego del metano e l’utilizzo delle centrali di questo tipo, rappresenta una soluzione interessante per diminuire la quantità di emissioni, per tentare di raggiungere gli obiettivi fissati dal Protocollo di Kyoto. Proprio la Siemens PG fornirà i componenti essenziali per le due turbine a vapore da 1.000 megawatt e per un generatore destinati a una centrale che si trova vicino a Shangai ed entrerà in funzione nel 2009: il livello di efficienza da raggiungere sarà del 45%. Le nuove turbine a vapore alimentate a carbone dovranno resistere solo a gas con temperature di 720 gradi, poco in confronto ai 1500 gradi delle turbine a gas. Dovranno anche sopportare una pressione di 350 bar, ossia 350 volte la pressione al livello del mare. Una turbina a gas deve invece resistere a una pressione di 25 bar, a differenza dei grandi alberi delle turbine a vapore che devono avere uno spessore di un metro e pesare fino a 20 tonnellate.
Dal punto di vista tecnologico, questo richiede nuove soluzioni, che vanno dalla tecnica di saldatura a quelle di collaudo fino ai materiali di costruzione. Ma la necessità di salvaguardare il clima e ridurre il consumo di combustibili giustificano tutto l’impegno profuso. Le emissioni di CO2, secondo i dati del Consiglio ONU sul clima e dell’ IPCC, devono diminuire di almeno il 50% entro il 2050 per poter escludere le tragiche conseguenze annunciate dei cambiamenti climatici.