Se abbiamo a disposizione enormi quantità di energia elettrica e termica lo dobbiamo soprattutto alle centrali termoelettriche. Ma come funzionano?
Fondamentalmente si ha a disposizione una fonte energetica, ad esempio il petrolio: lo si brucia in una caldaia, nella quale passa un tubo contenente un vettore energetico, ad esempio l’acqua.
L’acqua si riscalda per irraggiamento e convezione, diventando vapore: il vapore viene fatto passare attraverso una turbina, facendola girare.
La turbina a sua volta è collegata ad un generatore elettrico (alternatore) che, girando vorticosamente, induce una corrente elettrica al rame dei cavi elettrici mediante dei magneti.
Da qui l’energia elettrica viene poi distribuita ove necessario.
Esistono molte varianti di queste simpatiche centrali termoelettriche. La cosa che ne accomuna la maggior parte è però il vapore.
Il Ciclo di Rankine
Vapore che diventa simpatico vettore energetico, capace di portare energia cinetica e termica lì dove ci serve di più. Nondimeno ci serve un modo efficace per trasferire queste due energie e per mantenerle.
Ci viene in aiuto il simpatico William John Macquorn Rankine, ingegnere e fisico. Si deve a lui infatti il Ciclo di Rankine, qui sotto schematizzato e idealizzato in un diagramma Temperatura – Entropia (pressioni comprese tra 0.06 barg e 50 barg).
Abbiamo quindi quattro fasi nella vita dell’acqua/vapore.
- Fase 1-2. Il fluido viene portato da bassa pressione (0.06 barg) ad alta pressione (50 barg) dalle pompe di acqua alimento caldaia. Essendo un fluido liquido, le pompe richiedono poca energia elettrica (rispetto a tutta quella prodotta).
- Fase 2-3. L’acqua ad alta pressione passa attraverso la caldaia, portando il fluido da 50°C a 266°C. L’acqua diventa vapore saturo umido. Occorre quindi riscaldarlo ancora un po’ per avere il più alto titolo di vapore possibile.
- Fase 3-4. Il vapore passa attraverso la turbina, rilasciando gran parte dell’energia posseduta (termica e cinetica) alle pale della turbina. Quest’ultima incomincia a ruotare e a produrre energia grazie all’alternatore.
- Fase 4-1. Il vapore, ormai a bassa pressione, viene canalizzato in un condensatore: si ripresenta quindi il vettore nel suo stato originale, acqua.
Ricordatevi di produrre vapore saturo secco ad alto titolo; più alto il titolo del vapore meno particelle di acqua in sospensione si avranno nel fluido. Grazie a ciò le pale della vostra turbina dureranno anni invece che ore. Infatti suddette pale sono dimensionate per sostenere carichi di lavoro derivanti da fluidi gassosi e qualsiasi presenza di liquido le usura e rovina.
Mi son posto spesso una domanda; ma se l’acqua è sempre stata utilizzata per creare energia e di turbine idrauliche ne abbiamo ben sei tipi (Pelton, Francis, Kaplan, a bulbo, Banki, Turgo) perché dobbiamo creare del vapore?
Il motivo principale è che la turbina di queste centrali lavora con l’entalpia. Semplificando l’entalpia è l’ energia data al fluido mediante la pressione e la temperatura. Quindi, più un fluido è caldo e in pressione e più entalpia potrà “donare” nella turbina, alzando quindi il rendimento energetico della centrale. Risulta palese come il vapore abbia un più alto valore entalpico rispetto all’acqua, come mostrato nelle due tabelle sotto (inoltre ha un ottimo rapporto potenza/peso).
| Properties given pressure and temperature | ||
| Pressure | 51,00 | bar a |
| Temperature | 265,00 | °C |
| Enthalpy | 1159,8 | kJ/kg |
| Density | 775,68 | kg/m3 |
| Entropy | 2,93 | kJ/kgK |
| Vapour fraction | 0 | % |
| IF97 Region | 1 | |
| Phase | Liquid | |
| Isobaric heat capacity | 5,0463253 | kJ/kg |
| Speed of sound | 1083,8002 | m/s |
| Properties given pressure and temperature | ||
| Pressure | 51,00 | bar a |
| Temperature | 266,00 | °C |
| Enthalpy | 2797,0 | kJ/kg |
| Density | 25,78 | kg/m3 |
| Entropy | 5,97 | kJ/kgK |
| Vapour fraction | 100 | % |
| IF97 Region | 2 | |
| Phase | Steam | |
| Isobaric heat capacity | 4,4163077 | kJ/kg |
| Speed of sound | 499,06515 | m/s |
Quindi avere del leggero vapore ad alta temperatura è significativamente meglio che avere della pesante acqua calda.
I combustibili per avviare questo tipo di centrale sono quasi tutti liquidi e solidi, ad esempio:
- Petrolio;
- Carbone;
- Uranio;
- Plutonio;
- Biomassa;
- Rifiuti.
Variante in voga: il ciclo combinato
Al modello di centrale termoelettrica di cui sopra se ne è affiancato un altro che usa come fonte energetica un fluido gassoso, ad esempio il metano.
Il principio base di queste centrali è lo stesso che sta alla base dei motori a reazione degli aerei: una fonte energetica da alta pressione viene bruciata in entrata alla turbina e i fumi (combusti) che ne derivano fanno ruotare la turbina a gas stessa. Questi fumi vengono poi usati per riscaldare l’acqua che, attraversando tutte le fasi del Ciclo di Rankine, produrrà ulteriore energia elettrica tramite una turbina a vapore.
Aggiunte e modifiche al Ciclo Rankine
In aggiunta a quanto detto fino ad ora vorrei specificare che il Ciclo Rankine originale è stato ormai surclassato da trovate ingegneristiche che alzano notevolmente il rendimento complessivo delle centrali termoelettriche. Esistono due modi per aumentare il rendimento di tali centrali.
Il primo è quello di surriscaldare il vapore a temperature alte, nella mia esperienza fino a 525°C. Questo ovviamente rende il vapore ad alto titolo, ma consente oltretutto di poter utilizzare lo stesso vapore in turbine con più stadi, così da sfruttare quanta più energia possibile (Ciclo di Rankine a vapore surriscaldato). Addirittura si è arrivati al Ciclo di Rankine a vapore risurriscaldato.
La seconda modalità invece risiede nell’intuizione che si può sfruttare nuovamente tutta l’energia termica che il vapore possiede. Facendo attraversare il vapore in alcuni scambiatori, si può così portare l’acqua ad una temperatura maggiore prima di entrare in caldaia: ciò comporta che la caldaia dovrà apportare meno calore all’acqua per farla diventare vapore.
Lo stesso vapore, a volte, può diventare parte produttiva dell’impianto, ad esempio per fondere particolari materiali, o per cuocerli.
Infine, un altro uso del vapore può essere quello del teleriscaldamento, ossia la fornitura di acqua calda per il riscaldamento delle abitazioni civili.
Oh, tutto bello, però mi chiedo: come si può monitorare e controllare un impianto del genere?
Lo scopriremo, in parte, col prossimo articolo.
[14/01/2016] Modificata la parte riguardante il perché della scelta del vapore come medium principe rispetto alla semplice acqua. Modificata fase 1-2 e 3-4.
