Monitoraggio delle prestazioni di una centrale elettrica a ciclo combinato

Premessa 
L’obiettivo che questa tesi si pone è quello di valutare l’andamento nel tempo del 
rendimento di un compressore in funzione dello sporcamento da esso subito. 
Il primo capitolo di introduzione alle centrali elettriche utilizzate nel XXI secolo comincerò 
descrivendo le caratteristiche peculiari di queste ed in particolare saranno trattati gli 
impianti a gas, gli impianti a vapore e gli impianti a ciclo combinato gas/vapore, i quali 
saranno messi a confronto in modo da evidenziare tutti i vantaggi che gli impianti a ciclo 
combinato presentano rispetto agli altri due. 
Il secondo capitolo sarà improntato sul monitoraggio di una centrale a ciclo combinato e 
sarà articolato in tre parti, ovvero saranno valutati e descritti i fattori, naturali e non, che 
agiscono su una centrale termoelettrica. Successivamente si parlerà del monitoraggio 
delle prestazioni, necessario per garantire la redditività dell’impianto ed infine ne saranno 
indicati i benefici. 
Nel terzo ed ultimo capitolo, infine, si farà riferimento alla centrale a ciclo combinato 
gas/vapore SET situata a Teverola. In particolare ci sarà una descrizione della centrale, ed 
in seguito saranno indicati tutti i dati acquisiti dalla centrale, i quali saranno 
opportunamente trattati al fine di evidenziare l’influenza che lo sporcamento ha sul 
rendimento del compressore. Successivamente sarà verificata la correlazione che esiste 
tra il rendimento del compressore ed il rendimento globale della turbina a gas.  
Infine, dato che ogni misura è affetta da “incertezza”, sarà effettuata un’analisi della 
precisione dei principali parametri che influenzano il rendimento del compressore, in 
modo da poter valutare l’incertezza ad esso legata.
CAPITOLO I 
“Centrali Termoelettriche”
I.1 Introduzione 
Il fabbisogno di energia ed i limiti alle emissioni inquinanti hanno rilanciato il dibattito, in 
Europa ed anche in Italia, sulla generazione di energia dal nucleare e sulle fonti 
rinnovabili. 
La scarsità delle fonti energetiche, le frizioni geopolitiche, la sicurezza degli 
approvvigionamenti e gli eventuali rischi di cambiamenti climatici hanno trasformato 
l’energia in uno dei maggiori problemi del XXI secolo. Infatti la nostra società si trova oggi 
ad affrontare le seguenti due sfide fondamentali: 
 come reperire ed assicurare le risorse energetiche per sostenere la crescita e lo 
sviluppo economico dei paesi sviluppati e, ancor di più, di quelli in via di sviluppo; 
 come garantire la protezione dell’ambiente cercando di mitigare, laddove possibile, 
gli eventuali processi di cambiamento climatico. 
Per trovare un equilibrio fra queste esigenze è necessario realizzare una transizione verso 
un sistema energetico ed uno sviluppo più sostenibili. 
 
FIGURA 1: a) Consumo di energia nel mondo nel 2009, in milioni di tonnellate di petrolio equivalente (Mtep), 
b) Contributi percentuali delle fonti utilizzate. 
 
Il consumo di energia primaria nel mondo nel 2009 è stato di 10878,6 milioni di tonnellate 
di petrolio equivalente (Mtep), ripartito come indicato in figura 1 tra le varie aree del 
pianeta. Il grafico a torta nella figura mostra il contributo percentuale delle fonti 
energetiche più utilizzate: i combustibili fossili (petrolio, gas e carbone) contribuiscono per 
6
circa l’88% ai consumi energetici globali; il rimanente 12% è ripartito in parti circa uguali 
tra risorse rinnovabili e l’energia elettronucleare. 
L’International Energy Agency (IEA) prevede che la domanda di energia primaria sarà di 
oltre 17 miliardi di tonnellate di petrolio equivalente al 2030, con una crescita di circa il 
57% rispetto al 2009, e che le emissioni globali di gas serra passeranno dai 27 miliardi di 
tonnellate del 2008 a 42 miliardi di tonnellate nel 2030, con un aumento di circa il 55%. 
 
FIGURA 2: a)Consumi di Energia primaria per fonti; b) impieghi di energia in Italia nel 2009 (fonte EUROSTAT). 
Il fabbisogno energetico globale dell’Italia nel 2009 è stato di 195,6 Mtep, pari a circa il 2% 
dei consumi mondiali. La ripartizione tra le varie fonti è sostanzialmente simile a quella 
mondiale, anche se, per certi aspetti, atipica, poiché tra le varie sorgenti fossili sono 
favoriti il petrolio (43,3%) ed il Gas Naturale (35,6%), è penalizzato il carbone (8,9%) ed è 
stata bandita la produzione dal nucleare, anche se viene importata energia elettronucleare 
dalla Francia (5,0%) (vd. Figura 2-a). Il contributo delle fonti rinnovabili, pari al 7,2% del 
fabbisogno complessivo, è dovuto in massima parte alle fonti rinnovabili classiche 
(idroelettrico e geotermico) e alla legna da ardere; le nuove fonti rinnovabili (solare 
termico, fotovoltaico, eolico e biocombustibili) hanno un ruolo marginale pari a circa lo 
0,2%.  
La figura 2-b, mostra invece che il 30,9% dei consumi è destinato alla mobilità (trasporti), il 
28,3% all’industria ed il 30,9% al riscaldamento civile ed industriale. Seguono poi gli usi non 
energetici con il 5,1% ed i bunkeraggi con il 2,4%, per un totale di 7,5% ed infine 
l’agricoltura con il 2,4%. 
 
7
FIGURA 3: a) Ripartizione percentuale delle varie fonti ai consumi di energia primaria; b) alla produzione di 
energia elettrica nella Unione Europea (UE) e in Italia nel 2007. 
La comunità nella quale l’Italia opera è l’Unione Europea (UE): nella figura 3 sono riportati 
per un utile confronto i contributi percentuali delle varie fonti ai consumi primari ed alla 
produzione di energia elettrica nella UE ed in Italia (dati relativi all’anno 2007).  
I combustibili fossili hanno contribuito per circa l’80% e l’88% rispettivamente ai consumi 
energetici globali europei ed Italiani (vd Figura 3-a) e si stima che fino al 2030 tali 
percentuali resteranno sostanzialmente invariate. L’energia nucleare contribuisce per circa 
il 14% ai consumi globali e per circa il 6% a quelli Italiani, dove è limitata all’importazione. Il 
fabbisogno di combustibili in Europa ed in Italia è coperto rispettivamente al 51% e all’84% 
da importazioni, provenienti in massima parte da un numero limitato di paesi ad alto 
rischio geopolitico. Si stima che tali percentuali arriveranno rispettivamente al 65% ed al 
90% entro il 2030. 
È necessario dunque , per l’Unione Europea e per l’Italia in particolare, differenziare il più 
possibili sia i paesi fornitori che le fonti energetiche (al fine di minimizzare il rischio 
geopolitico dell’approvvigionamento) ed aumentare l’efficienza energetica dei consumi 
(per contenere il fabbisogno complessivo). Nella produzione di energia elettrica, in Italia 
compaiono esaltate le debolezze strutturali che oggi caratterizzano i sistemi energetici 
dell’UE ed infatti nel mix energetico i fossili rappresentano la fonte prevalente (circa l’80% 
per l’Italia rispetto a meno del 60% nell’UE); la percentuale del carbone è ridotta (circa la 
metà di quella Europea); il nucleare è assente, mentre contribuisce con più del 30% nell’UE 
(vd Figura 3-b). 
Per contro, è interessante osservare che, grazie all’idroelettrico, il contributo delle fonti 
rinnovabili nel nostro paese è maggiore della media dell’UE e che, nonostante i forti 
8
investimenti in Germania ed in Spagna sull’eolico e sul solare, l’Italia è ancora il paese, tra 
quelli più grandi dell’UE, con la massima percentuale di rinnovabili. 
L’Unione Europea si è dimostrata il soggetto politico più determinato a livello mondiale nel 
conseguimento delle politiche per il clima, approvando nel tempo diversi atti legislativi per 
indirizzare le politiche energetiche degli stati membri. Per effetto di queste azioni, l’Europa 
ha registrato, nel periodo 1990-2005, una diminuzione delle emissioni del 4,9%, a fronte di 
un incremento negli USA del 15,8%. 
Per contro, nello stesso periodo, le emissioni di gas serra in Italia sono aumentate 
complessivamente del 10,5%. L’aumento delle emissioni nel settore elettrico è stato 
ancora più consistente (+19%), ma questo si è verificato a fronte di un ben più elevato 
aumento della produzione di elettricità (+40%). Al riguardo è interessante osservare che le 
emissioni specifiche attuali di   
 
 degli Impianti Termoelettrici italiani sono mediamente 
tra le più basse d’Europa, e quindi ogni ulteriore miglioramento della situazione non può 
che essere estremamente costoso oltre che tecnicamente difficile. 
Per quanto riguarda l’efficienza energetica, infine, l’Italia fino alla fine degli anni ’90 ha 
fatto segnare valori dell’intensità energetica finale (definita come il rapporto tra i consumi 
di energia primaria ed il valore del prodotto interno lordo) più bassi della media dell’UE. 
Oggi, invece si trova ad avere un’intensità energetica finale confrontabile (anche se di poco 
superiore) alla media UE ed a quella della Francia e molto superiore a quelle della 
Germania (circa +12%) e del Regno Unito (circa +25%). Ciò evidenzia che negli ultimi anni 
l’Italia non è riuscita a seguire il passo della maggior parte dei paesi europei che, anche in 
presenza di una maggiore crescita economica, hanno ridotto notevolmente le loro 
intensità energetiche. 
La chiave per risolvere la sfida energetica ed assicurare uno sviluppo sostenibile e duraturo 
è certamente l’innovazione tecnologica. Solo investimenti in nuove tecnologie possono 
consentire di dare una risposta alle aspirazioni di sviluppo di 6 miliardi di persone, 
stabilizzando e progressivamente riducendo le emissioni di gas serra. 
 
 
 
9
I.2 Turbine a Gas 
Anche se a prima vista può non essere così evidente, in realtà l’uso delle Turbine a Gas è 
piuttosto diffuso in diversi campi: dagli aerei ai carri armati, fino alla produzione Elettrica 
passando per gli elicotteri e le navi. 
A questo proposito, è bene sottolineare che la turbina a Gas è nata ed è stata sviluppata 
proprio per la propulsione aeronautica (prima nel settore militare e poi in quello civile), e 
come tale è stata oggetto, dagli anni 40 ad oggi, di sforzi di ricerca e sviluppo del tutto 
inusati nel settore industriale. A ciò hanno contribuito i grossi finanziamenti specifici per la 
difesa e gli armamenti operati soprattutto dagli Stati Uniti (ma anche dai paesi europei); 
d’altra parte, è necessario per l’industria aeronautica devolvere maggiori quote finanziarie 
alla ricerca, visti gli alti standard di qualità, affidabilità e prestazioni richiesti dal settore. 
Le applicazioni industriali, principalmente la generazione di Elettricità, e gli altri scopi 
propulsivi, motori marini, usufruiscono perciò e sempre più delle ricadute scientifiche e 
tecnologiche delle applicazioni aeronautiche, anche nei casi in cui le macchine industriali 
non sono strettamente derivate da quelle aeronautiche. 
Lo studio e lo sviluppo di componenti efficienti ed avanzati è di particolare importanza per 
le turbine a gas. Ad esempio la realizzazione di turbomacchine di altissimo rendimento non 
è solo importante di per sé, ma anche perché consente il ricorso a più elevati rapporti di 
compressione. L’aumento della temperatura massima del ciclo è possibile solo con 
tecnologie e materiali estremamente sofisticati. La riduzione delle emissioni passa 
attraverso la realizzazione di combustori specializzati. Pertanto possiamo affermare che la 
qualità di una turbina a gas risiede nel livello tecnologico dei suoi tre componenti di base, 
diversamente per esempio da una centrale a vapore dove elementi “quantitativi” (numero 
di surriscaldamenti e di spillamenti rigenerativi, valori assoluti delle pressioni massime e 
minime, sezioni di scarico delle turbine, etc) hanno un ruolo preponderante. 
I.2.1 Descrizione dell’Impianto 
Un Impianto Motore Termico con Turbina a Gas trasforma Energia Termica in lavoro 
meccanico direttamente utilizzabile ed è, almeno nella sua struttura di base, certamente il 
meno complesso tra i vari impianti termici esistenti. 
10
Un impianto di questo tipo è rappresentato da un insieme come quello illustrato in figura 4 
dove si possono individuare facilmente tutte le parti che costituiscono l’impianto stesso. 
Come si può notare, esso è essenzialmente costituito da un compressore (generalmente di 
tipo Assiale), da una camera di combustione e da una turbina assiale. 
 
FIGURA 4: Turbina a Gas. 
Un impianto di questo tipo, utilizzando la normale simbologia adottata nella letteratura 
tecnica, viene schematizzato come in figura 5 in cui C rappresenta il compressore, CC la 
camera di combustione, T la turbina: 
 
FIGURA 5: Schema semplificato di una Turbina a Gas. 
11
Il principio di funzionamento, peraltro quanto mai semplice, di un impianto del genere è il 
seguente: il compressore aspira dall’ambiente esterno il fluido (l’aria), lo comprime 
adiabaticamente dalle condizioni di pressione e temperatura iniziali  
 
 e  
 
 fino alla 
pressione finale  
 
 incrementandone ovviamente anche la temperatura da  
 
 a  
 
. Il fluido 
compresso viene inviato in una camera di combustione nella quale avviene la combustione 
del combustibile a pressione costante  
 
 con somministrazione del calore  
 
 al fluido e 
conseguente aumento della temperatura da  
 
 a  
 
. 
I gas combusti, sempre alla pressione  
 
 ma ora alla temperatura  
 
 ˃  
 
, raggiungono la 
turbina dove espandono adiabaticamente dalla pressione  
 
 alla pressione finale esterna 
 
 
 uguale, ovviamente, a quella iniziale  
 
 con conseguente abbassamento della 
temperatura da  
 
 a  
 
e cessione di energia alla macchina. 
I.2.2 Descrizione del ciclo Brayton – Joule 
 
FIGURA 6: Ciclo chiuso ideale di una turbina a gas nel piano T-S  
                                                              e schema concettuale dell’impianto atto a realizzarlo. 
I cicli delle turbine a gas hanno come riferimento concettuale il ciclo Brayton (o Joule) che 
fu brevettato dall’ingegnere statunitense George Brayton e che è composto dalle seguenti 
trasformazioni di un gas (vd Fig. 6): 
 una compressione adiabatica, effettuata dal punto 1 al punto 2 nel compressore; 
 un riscaldamento a pressione costante, effettuata dal punto 2 al punto 3; 
 un’espansione adiabatica, effettuata dal punto 3 al punto 4 in turbina; 
 una cessione di calore a pressione costante dal punto 4 al punto 1. 
12
In tutte le quattro trasformazioni il fluido è allo stato gassoso e quindi comprimibile. 
Affinchè questo ciclo possa essere considerato ideale è necessario che le trasformazioni 
adiabatiche siano anche Isentropiche (ovvero macchine ideali) e che le isobare siano 
rigorosamente tali (ovvero il fluido non deve subire perdite di pressione all’interno degli 
scambiatori che provvedono agli scambi termici con le sorgenti di calore tra cui opera il 
ciclo). 
Per una schematizzazione semplificata possiamo introdurre l’ipotesi di “Gas Perfetto”: 
 il gas è ideale, e cioè soddisfa l’equazione           e quindi le proprietà 
termodinamiche u, h,   , k non dipendono dalla pressione. 
 Il gas non subisce trasformazioni di stato e di composizione; 
 Il gas ha un    costante, indipendente anche dalla temperatura. 
Queste condizioni sono realizzabili da un gas ideale monoatomico, ad esempio He o Ar, che 
evolva in un ciclo chiuso, cioè senza scambi di massa con l’ambiente esterno: la 
separazione fisica tra il fluido di lavoro e l’ambiente è assicurata dalle pareti degli 
scambiatori di calore. 
Adesso analizziamo il rendimento del ciclo, definito in generale come il rapporto tra la 
potenza meccanica utile prodotta  
  
 e la potenza termica introdotta nel ciclo  
  
. 
Poiché la portata massica (kg/s) è costante nel ciclo chiuso, il rendimento può essere 
espresso in termini di lavoro e di calori specifici (J/kg) e quindi può essere facilmente 
calcolato come: 
1)          
 
  
 
  
 
 = 1 - 
 
 
  
 
   
 
 
 
 
  
 
   
 
 
  
     
 
 
  
 
 
 
    
 
 
  
 
 
 
    
    
 
 
 
 
        
  
 
dove: 
2)         
 
 
 
 
  
 
 
 
 
    ;    
   
 
   
 
  
 
 
 
 
  
 
 
 
 
   ;   
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
Bisogna notare che le (2) e (3) sono valide solo se cp e K sono costanti lungo tutte le 
trasformazioni e se la portata massica ṁ non varia all’interno del ciclo, ipotesi che può 
essere verificata solo in un ciclo chiuso. 
13