Impiego del carbone nella produzione di energia elettrica. Situazione attuale e potenzialità nuove tecnologie

IL CARBONE COME RISORSA ENERGETICA TRA PRESENTE E FUTURO PROSSIMO

Sebbene a riguardo degli impianti termoelettrici molto sia stato già scritto in queste pagine, poco si è parlato del carbone, nonostante questa fonte fossile rappresenti uno degli attori più importanti nello scenario delle fonti energetiche impiegate nel mondo, il cui impiego è con molta probabilità destinato a crescere (come già sperimentato recentemente in Germania) per sostenere l’uscita di alcuni paesi dall’energia nucleare.


 

Il tanto discusso (e temuto) carbone, in realtà, ha subito un forte interessamento della ricerca tecnico-scientifica al fine di sviluppare tecnologie capaci di ridurne le emissioni, e tali attività hanno portato a sensibili miglioramenti su tale fronte.

Negli impianti più obsoleti il carbone veniva combusto utilizzando bruciatori a griglia fissa, analogamente a quanto esposto quando abbiamo parlato di termovalorizzatori, pertanto la sua pezzatura era piuttosto grossolana e la combustione non permetteva di raggiungere un’elevata efficienza del processo.

Impianti di questo tipo sono oramai archeologia industriale e probabilmente non più presenti, quantomeno nei paesi industrialmente avanzati, dove la tipologia di impianto adottata impiega caldaie alimentate a polverino di carbone, sia di tipo “a letto trascinato” che a “letto fluido“.

Indubbiamente nell’immaginario collettivo il carbone viene associato (erroneamente) agli impianti più obsoleti (e per certi versi simili all’impiego domestico del carbone tipico del passato) mentre già oggi, mediante l’adozione di tutte quelle soluzioni di post trattamento dei fumi, imposte per legge secondo limiti di emissione periodicamente aggiornati, rappresenta una soluzione caratterizzata da emissioni limitate, sebbene il post trattamento dei fumi richieda ingenti quantità di carbonato di calcio per la riduzione degli ossidi di zolfo.

Le motivazioni ad un uso sempre crescente del carbone sono sostanzialmente di due:

-       disponibilità in diversi paesi non geo-politicamente instabili

-       basso costo della risorsa

A queste due motivazioni si devono aggiungere considerazioni sull’incremento del costo del petrolio (ed alla sua disponibilità legata a paesi geo-politicamente instabili), tali da favorire l’impiego del carbone rispetto a derivati petroliferi, al miglioramento sensibile degli Impianti Termoelettrici a Vapore, senza dimenticare la disponibilità di tecnologie oramai consolidate di Gassificazione, capaci di rendere il carbone interessante anche in quelle tipologie di impianto come le Turbine a Gas e gli Impianti a Ciclo Combinato che necessitano di combustibili gassosi (o liquidi ma di alta qualità).

CALDAIA A LETTO TRASCINATO ED A LETTO FLUIDO

La caldaia rappresenta la parte più voluminosa ed evidente di un impianto termoelettrico a vapore, quali sono gli impianti alimentati a carbone (ma non vale la relazione inversa, ovvero non tutti gli impianti a vapore sono alimentati a carbone), ed oltretutto rappresenta il primo componente della catena dell’impianto, facilmente riconoscibile perché appare come un parallelepipedo dalle dimensioni rilevanti, soprattutto in altezza, ed è costituito da pareti ottenute saldando tra loro i tubi dentro i quali scorrerà il fluido vettore fino a trasformarsi in vapore.

Iniziamo la nostra analisi proprio da essa, esaminando le due configurazioni utilizzate:

-       Caldaia a Letto Trascinato

La caldaia a letto trascinato rappresenta la soluzione tradizionale e per certi versi più consueta degli impianti a vapore alimentati a carbone, il quale viene triturato finemente (50 ÷ 200µm di diametro) fino a trasformarlo nel cosiddetto “polverino” ed immesso nella caldaia attraverso degli ugelli collocati secondo varie configurazioni che influenzano notevolmente la combustione, e di conseguenza il profilo della temperatura all’interno della caldaia.

Una soluzione molto semplice consiste nell’impiego di una sola fila di bruciatori, attraverso i quali viene introdotto il polverino di carbone insieme all’aria primaria.

Tale soluzione viene chiamata Single Wall e, come facilmente intuibile, non rappresenta la condizione ottimale per il processo di combustione/trasmissione del calore al fluido, a causa degli evidenti gradienti di temperatura presenti in camera.

Un miglioramento rispetto a questa soluzione consiste nell’impiego di una seconda fila di bruciatori, contrapposti ai primi, in modo da rendere più omogenee le condizioni termo-fluidodinamiche in camera (Opposed Walls)

La migliore condizione si ottiene installando i bruciatori nei quattro angoli della caldaia, in modo da generale complessivamente un forte moto tangenziale che permette un ottimo miscelamento tra il combustibile e l’aria, con conseguente profilo termico più omogeneo (Tangential).

La massa di aria e combustibile viene poi trascinata verso l’altro attraverso l’azione esercitata dall’aria secondaria, immessa nella caldaia dal basso a forte velocità, producendo il fenomeno di trascinamento che contribuisce a dare il nome a questa configurazione della camera di combustione.

 

-       Caldaia a Letto Fluido

Di caldaie a letto fluido ne abbiamo già parlato in precedenza, in riferimento agli impianti di Termovalorizzazione dei rifiuti (ed ancora prima riguardo i Gassificatori) e qui riporto quanto già esposto.

Si tratta di un sistema che permette di tenere in sospensione il combustibile ed il letto di sabbia (che funge da vettore termico) nel quale viene miscelato attraverso l’utilizzo di forti getti di aria che generano pertanto una sorta di simil-fluido all’interno della camera di combustione, permettendo delle condizioni di combustione particolarmente favorevoli per la riduzione delle emissioni inquinanti rispetto ai sistemi a griglia, ed inoltre l’assenza di parti in movimento permette di non avere particolari problemi di manutenzione.

La configurazione della caldaia a letto fluido può seguire varie tipologie, ma il principio di base rimane analogo a quello esposto.

DALLA CALDAIA ALL’ALTERNATORE

Se un impianto termoelettrico alimentato a carbone è comunemente un Impianto a Vapore, quanto presente tra la caldaia (ovvero la sede della prima conversione dell’energia chimica del combustibile in una differente forma, in questo caso di tipo termico) e l’alternatore (sede di produzione dell’energia elettrica) è sostanzialmente la turbina a vapore.

Sul lato fumi sono inoltre presenti tutti i sistemi per l’abbattimento delle emissioni inquinanti, già affrontati circa tre anni e mezzo fa (tra i primi articoli della rubrica).

La turbina a vapore converte in energia meccanica l’energia termica prodotta dalla caldaia al fine di permettere l’ultima trasformazione (meccanica -> elettrica), come già detto, grazie all’alternatore.

Su tale fronte, utilizzando il carbone sotto forma di polverino, le tecnologie impiegate sono piuttosto standard, sebbene i rendimenti siano oggi più elevati rispetto al passato).

QUANDO IL CARBONE DIVENTA GAS

L’interesse nei riguardi del carbone ha fortemente influenzato anche la ricerca, la quale ha dovuto confrontarsi con i limiti della risorsa, e tra le varie soluzioni tecnologiche sviluppate ve ne è una che è stata in precedenza oggetto di un post, ovvero la Gassificazione.

Una delle motivazioni fondamentali riguardo la gassificazione del carbone è la possibilità di utilizzare il combustibile prodotto in impianti caratterizzati da elevati rendimenti ed emissioni contenute (anche questi già oggetto di discussione in queste pagine), ovvero gli Impianti a Ciclo Combinato.

Proprio l’impiego degli Impianti a Ciclo Combinato unitamente alla Gassificazione rappresenta una delle prospettive più interessanti per il carbone, rendendo inoltre possibile (sebbene non senza problematiche più o meno complesse) l’impiego di carbone di bassa qualità quale il carbone Sulcis, caratterizzato come già detto in precedenza da un elevato tenore di zolfo.

Il processo di Gassificazione unitamente all’Impianto a Ciclo Combinato permette di indicare l’impianto con l’acronimo IGCC – Integrated Gasification Combined Cicle.

Sebbene sulla carta la soluzione IGCC possa apparire risolutiva nei riguardi dell’impiego del carbone rispetto agli impianti tradizionali, i costi ancora piuttosto elevati, uniti a valori di rendimento non ancora elevati quanto quelli degli Impianti a Ciclo Combinato alimentati a gas naturale agiscono da freno al loro impiego, sebbene il costo del gas naturale (unitamente ai problemi legati al suo approvvigionamento) in probabile continua crescita per il futuro contribuirà a stimolare lo sviluppo e la diffusione di questi impianti.

 

10/11/2012

Fonte:

http://www.appuntidigitali.it

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