Gli impianti combinati e la soluzione del repowering

Ad oggi soddisfare la domanda energetica elettrica mondiale con una penetrazione predominante da fonti rinnovabili è pura utopia. Le limitazioni intrinseche alla natura delle fonti rinnovabili, eccezion fatta per l’idroelettrico, e degli accumulatori richiede che nel futuro prossimo, la quota più corposa della domanda energetica venga soddisfatta da centrali termoelettriche. I moderni impianti combinati garantiscono un compromesso vantaggioso tra impatto ambientale e maturità commerciale.

Impianto combinato e rendimento

Per impianto combinato si intende l’integrazione di tecnologie e processi produttivi energetici che potrebbero funzionare anche a sé stanti. Si pensi alle centrali termoelettriche a vapore e turbogas, che seguono i rispettivi cicli Rankine e Joule-Brayton. Queste due centrali, funzionando separatamente, avranno dei rendimenti globali che sono funzione di numerosi fattori caratteristici dei cicli e degli apparati di cui si compongono. Ad esempio, tra i vari fattori si possono citare le caratteristiche termodinamiche dei fluidi termovettori in punti strategici dell’impianto, i rendimenti propri delle macchine rotative e degli apparati statici come gli scambiatori di calore, le perdite di carico concentrate e distribuite e così via. Semplificando il più possibile, il rendimento non è altro che un rapporto, inferiore o al più pari all’unità in condizioni ideali, tra ciò che l’impianto ci restituisce in termini di energia, tipicamente elettrica, e ciò che noi forniamo all’impianto, combustibili fossili.

Adottare una soluzione impiantistica che preveda la combinazione in cascata dei due cicli termodinamici comporterebbe il miglioramento del rendimento globale d’impianto di diversi punti percentuali.

Classificazione degli impianti combinati

Per la classificazione dei cicli combinati ci si può riferire in primo luogo alla modalità con cui si alimenta l’intero processo. Differenziando impianti di tipo “unfired” dai “fired”. I primi non prevedono l’introduzione di ulteriore combustibile a monte del ciclo a vapore, chiamato anche ciclo “bottoming”. Pertanto, tutta l’energia da spendere sul ciclo “bottoming” per produrre vapore saturo secco surriscaldato viene recuperata dai fumi di scarico della turbina del ciclo a gas, o ciclo “topping”, all’interno del Generatore di Vapore a Recupero GVR.

In secondo luogo, si possono differenziare i cicli combinati in funzione del fatto che avvenga o meno il mescolamento fisico tra i gas combusti e il vapore. Si chiameranno “mixed” i primi e “unmixed” gli altri. Prevalgono a livello di diffusione globale i cicli “unmixed”. Questi cicli vedono i gas combusti attraversale il GVR lato mantello e il vapore in circolazione forzata o naturale lato tubi. In ultima analisi si differenziano cicli combinati “greenfield”, realizzati ex-novo, e cicli combinati di “repowering”.

Repowering

Per repowering si intende il ripotenziamento di un impianto preesistente per adeguarlo al progresso tecnologico, alle regolamentazioni in continuo divenire, a un minor impatto ambientale, alla modificazione della richiesta energetica della zona che l’impianto va a servire etc. Gli impianti a vapore portano sulle loro spalle il consolidamento del processo di industrializzazione che le società europee hanno attraversato a partire dalla seconda metà del XVIII secolo. Hanno saputo innovarsi e migliorarsi nel tempo ma hanno ceduto il passo a processi, cicli e impianti più vantaggiosi.

In ingegneria, relativamente alla trattazione impiantistica, vantaggioso va proprio ad indicare un rendimento d’impianto più alto. Ciò si traduce, nella migliore delle ipotesi, nell’ottenere un effetto utile maggiore a fronte di una spesa minore. Questo è ciò che accade quando a un impianto a vapore obsoleto viene affiancato, ad esempio, un impianto turbogas. Con obsoleto si intende “impianto relativamente moderno” e non “rottame di fine ‘800”.

Vincoli e convenienza energetica

Il gruppo turbine dell’impianto a vapore imporrà la taglia del turbogas al progettista, che deve rispettare vincoli quali portata e caratteristiche termodinamiche del vapore. Gli assetti di repowering possono essere molteplici e prevedono di volta in volta l’esclusione e/o la modificazione di parti dell’impianto a vapore. La valutazione energetica complessiva dei migliori impianti di repowering con turbogas vede raddoppiare il lavoro sviluppato dalle turbine e il rendimento sfiorare il 60%. Ciò è reso possibile dall’introduzione del gruppo turbine del ciclo a gas e dalla transizione da carbone a gas naturale, combustibile molto più efficiente ed ecosostenibile.

La convenienza economica degli impianti combinati rispetto a quelli tradizionali è sensibile. Che piaccia o meno, per le potenze dell’ordine delle centinaia di megawatt, le efficienze elevate, la continuità di servizio, la maturità tecnologica e commerciale, questi impianti da fonti convenzionali fanno e faranno ancora la parte del leone nel dispacciamento dell’energia elettrica nei sistemi elettrici nazionali mondiali.

Articolo a cura di Marco FILABOZZI