Monitoraggio delle prestazioni di una centrale elettrica a ciclo combinato

Fino a vent’anni fa gli impianti a combustione interna avevano avuto scarsa utilizzazione nelle grandi centrali termoelettriche: l’unica eccezione era rappresentata dalle turbine a gas, adottate, grazie al basso costo specifico ed alla capacità di adattarsi rapidamente a variazioni del carico, per ruoli di punta e di riserva, con tassi di utilizzazione annua molto limitati (spesso decine o poche centinaia di ore all’anno). L’elevato costo del combustibile adottato) ed il modesto rendimento ne avevano precluso l’utilizzazione per la generazione di energia di base e di medio carico.
Con l’avvento dei cicli combinati Gas/Vapore e con la diffusione del Gas Naturale, però, il quadro è radicalmente mutato ed una frazione molto significativa degli impianti ordinati nel mondo nell’ultimo ventennio è basata sull’accoppiamento Cicli combinati /Gas Naturale.
Da un punto di vista concettuale, l’adozione di uno schema a combustione interna comporta importanti vantaggi (tutti legati all’assenza di uno scambiatore di calore, poiché la combustione avviene in seno al fluido di lavoro):
- le pareti lambite dal fluido caldo sono di dimensioni inferiori rispetto a quelle dello scambiatore primario di un impianto a combustione interna di pari potenzialità e devono resistere a pressioni molto inferiori, e pertanto possono essere adottati materiali molto costosi senza eccessive penalizzazioni economiche;
- è possibile attivare meccanismi di raffreddamento, mantenendo la temperatura delle superfici a contatto con il fluido di lavoro a livelli molto inferiori: per esempio, nelle moderne turbine a gas, i gas entrano in turbina a temperature dell’ordine di 1400°C, mentre le temperature delle superleghe con cui sono realizzate le palettature non superano gli 850-900°C.
Gli svantaggi della combustione interna consistono nell’impossibilità di evitare che i fluidi di lavoro siano rispettivamente aria (nella parte del ciclo a monte della combustione) e, successivamente, Gas combusti. Questo implica, come tutti i cicli a gas, l’impossibilità di realizzare nel ciclo processi isotermi: in particolare, la fase di cessione di calore all’ambiente avviene tramite il rilascio in atmosfera di gas caldi con un processo a pressione costante fortemente irreversibile, che penalizza fortemente la qualità termodinamica del ciclo, e quindi il suo rendimento. Inoltre, la soluzione a combustione interna comporta l’adozione di combustibili “puliti”. Ciò corrisponde ad un maggior pregio dei combustibili, che tende in genere a tradursi in un maggior costo specifico. In pratica, le moderne turbine a gas richiedono combustibili gassosi (Gas Naturale o Gas Sintetici) o combustibili liquidi di elevata qualità. La combinazione del basso rendimento (30-35%) unito al combustibile costoso fa sì che i cicli semplici di turbina a gas, pur essendo fra tutte le tipologie impiantistiche quella più semplice, compatta e di minor costo specifico, non siano attraenti per la generazione di energia di base.
La soluzione vincente è pertanto costituita dai cicli combinati, che adottano appunto una combinazione fra ciclo superiore aperto (realizzato da una turbina a gas) ed un ciclo chiuso
sottoposto (il ciclo a vapore che recupera il calore dei gas di scarico della turbina), capace di coniugare i meriti dei due cicli che li compongono.
Come i cicli aperti, i cicli combinati realizzano una combustione interna che consente il raggiungimento di alte temperature, mentre, come i cicli chiusi a vapore, i cicli combinati riescono a cedere calore all’ambiente a bassa temperatura, disperdendo in atmosfera i prodotti della combustione a temperature (circa 90-100°C) ormai prossime alla temperatura ambiente.
Pertanto il Ciclo Combinato è il più importante dal punto di vista industriale, il più diffuso ed anche quello con la maggiore efficienza termodinamica e pertanto oggi rappresenta la miglior tecnologia per la produzione di energia elettrica da Gas Naturale, in termini di efficienza, di emissioni e di costi (sia di investimento che operativi) ed è stato, nell’ultimo decennio, protagonista di una vera e propria rivoluzione nel settore dell’industria termoelettrica, spodestando le centrali a vapore dal ruolo praticamente monopolistico finora detenuto.