Impianti Innovativi di Turbina a Gas con Iniezione di Vapore - Sviluppo di Modelli per l'Analisi del Funzionamento in Condizioni di Fuori Progetto

Le turbine a gas sono motori a combustione interna, ovvero i gas combusti partecipano direttamente al ciclo termodinamico, espandendosi sulla turbina. È pertanto necessario che i gas non siano chimicamente e fisicamente aggressivi nei confronti della turbina e del combustore stesso, ovvero non comportino fenomeni di corrosione, erosione, sporcamento e intasamento oltre a certi limiti noti e ritenuti tollerabili. Ciò impone delle limitazioni relativamente severe ai combustibili impiegati nelle turbine a gas. I principali elementi ritenuti dannosi per la turbina, presenti nei combustibili fossili (siano essi solidi, liquidi o gassosi) sono:

- Ceneri: composti prevalentemente metallici presenti nel carbone (anche oltre il 5%) e negli oli pesanti (max 0,5%) che si liquefano nella combustione ( la loro temperatura di fusione è attorno ai 1200°C) e tendono poi ad aderire alle palettature a più bassa temperatura, quando si risolidificano. Ciò provoca sporcamento e occlusioni in tempi brevissimi.

- Vanadio: anch'esso liquefatto nella combustione, si solidifica sulle palettature, provocando gravissimi fenomeni di corrosione; la percentuale tollerata nei combustibili è bassissima (poche parti per milione).

- Metalli alcalini (sodio, potassio): presenti sotto forma di Sali (NaCl,KCl), in sede di combustione formano HCl, che è altamente corrosivo per le palettature, soprattutto nei confronti del cromo.

- Zolfo: presente in percentuali piuttosto alte (fino al 5%) nei combustibili liquidi e solidi, è corrosivo per il sistema del combustibile (sotto forma di H2S) e in genere per i materiali metallici dopo la combustione, rendendo acide le condense. L'emissione di SO2 deve essere comunque limitata per motivi di salvaguardia ambientale.

- Idrocarburi pesanti (asfalteni, composti gommosi): danno problemi di intasamento ai sistemi di adduzione del combustibile.

In relazione a tali considerazioni, i vari combustibili si posizionano come segue per un impiego diretto nelle turbine a gas:

- Carbone: il suo uso diretto è di fatto impossibile, principalmente per il problema delle ceneri, che comporta uno sporcamento inaccettabile dopo tempi brevissimi. È invece possibile l'impiego di gas sintetici derivati da processi di gassificazione del carbone, in quanto tale gas viene completamente pulito da ogni elemento dannoso per la turbina.

- Oli combustibili pesanti (residui della distillazione del greggio): il loro uso è possibile a patto di:(1) effettuare lavaggi e additivazioni allo scopo di rimuovere il vanadio e i metalli alcalini,
(2) accettare uno sporcamento elevato delle pale e quindi frequenti operazioni di lavaggio, (3) disporre di un sistema di alimentazione adeguato, (4) accettare un certo "derating" ovvero prestazioni minori, anche a macchina pulita, per ridurre le temperature di funzionamento. Di fatto gli inconvenienti e i costi sono tali da sconsigliare, nella quasi totalità dei casi, il loro impiego diretto.

- Olio greggio: anche qui l'impiego ê possibile, con gli stessi impieghi degli oli pesanti, anche se in misura più limitata a causa della presenza di elementi volatili e più leggeri.

- Distillati (nafte, kerosene, gasolio): appartengono a questa classe i combustibili usati per la propulsione aeronautica. Il loro impiego non causa problemi, ammesso che vengano rispettate le specifiche esistenti in termini di concentrazioni di vanadio, sodio e ceneri. Esistono diverse tipologie, dai più leggeri e volatili (Jet B, JP4) a quelli meno volatili (Jet A, JP5) ai gasoli (Diesel 1 e 2, Burner 2).

- Gas naturale: è il combustibile per eccellenza nelle applicazioni stazionarie, in virtù delle sue ottime proprietà (virtuale assenza di qualsiasi composto nocivo) e del suo basso costo. Consente le migliori prestazioni e facilita il progetto del combustore rispetto ai combustibili liquidi, non essendo necessario realizzare l'atomizzazione e la volatilizzazione del combustibile e rendendo più facile la premiscelazione con aria per l'abbattimento di NOX.

- Gas di petrolio liquefatti (propano, butano): sono pure perfettamente adatti alle turbine a gas; il loro difetto consiste in un costo normalmente più alto del gas naturale.

- Gas sintetici di carbone, di biomasse, gas di cookeria: richiedono un ottimo filtraggio per rimuovere ceneri, particolati e catrami (solitamente effettuata con scrubbing a umido) e, per i gas di carbone, zolfo e metalli alcalini. Va sottolineato che la rimozione di tali elementi da correnti gassose è estremamente più agevole e completa che da combustibili liquidi.

Pertanto sussistono gravi difficoltà tecniche, al di là dei problemi ambientali, ad utilizzare combustibili di basso costo (carbone e oli residui pesanti) normalmente utilizzati per la generazione di potenza tradizionalmente effettuata con motori a combustione esterna (centrali a vapore). Ciò costituisce indubbiamente un serio limite agli impieghi della turbina a gas nell'industria elettrica. Tale limite non ha
tuttavia rappresentato un ostacolo insormontabile alla diffusione delle turbine a gas: l'ampia disponibilità di gas naturale a costi competitivi, nella presente situazione degli approvvigionamenti energetici dei paesi industrializzati, fa sì che nel parco elettrico ci sia spazio notevole per una modalità di generazione basata su questo combustibile. I minori costi d'impianto, i minori consumi specifici e il minor impatto ambientale delle turbine a gas alimentate a gas naturale, costituiscono comunque una serie di attrattive a cui ad oggi è difficile rinunciare.