Studio delle fattibilità tecniche ed economiche del feedwater repowering in centrali termoelettriche a vapore

Introduzione 
 
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Introduzione 
 
 
 
 
La sempre più elevata richiesta di energia a partire dal boom economico degli anni 
’60 ha fatto si che in Italia ci sia stata una enorme diffusione degli impianti 
termoelettrici, favorita anche da un allora ridotto costo del petrolio.  In quegli anni la 
produzione da idroelettrico, che rappresentava la maggiore fonte di produzione, 
venne superata dal termoelettrico, fino ad andare a coprire i tre quarti del fabbisogno 
energetico nazionale, situazione rimasta praticamente immutata fino ad oggi. 
 
 
 
 
 
Nelle centrali termoelettriche, le turbine a vapore coprono circa il 65% sia in termini 
di potenza totale installata che di produzione elettrica effettiva totale, mentre quella 
da semplice turbina a gas sfiora il 10%.  La restante percentuale è interessata da 
impianti a ciclo combinato.  
Fig. I.1 – Storico della produzione di energia in Italia dal 1950 [1]
Introduzione 
 
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La generazione di vapore richiede l’utilizzo di combustibili fossili, tra i quali olio 
combustibile, carbone, gas naturale. L’energia termica ottenuta dalla combustione 
viene utilizzata in un ciclo termodinamico diretto, chiamato ciclo di Rankine. 
L’acqua in ingresso caldaia raggiunge livelli di temperatura e pressione elevate (circa 
550°C e 180 bar per gli impianti subcritici). La successiva espansione in turbina 
consente uno scambio energetico tra fluido e organi mobili; in particolare si tratta di 
una cessione di lavoro meccanico da parte del fluido alle pale rotoriche che 
compongono la turbina.  
Al fine di migliorare il rendimento del ciclo,  dopo una prima espansione parziale in 
una turbina ad alta pressione, il vapore viene rinviato in caldaia per un secondo 
surriscaldamento, per poi essere definitivamente espanso nei gruppi di media e bassa 
pressione fino alla pressione vigente nel condensatore. La potenza meccanica della 
turbina in movimento viene trasferita ad un alternatore, ad essa rigidamente 
collegato, che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica, mediante fenomeni 
di conversione elettromagnetomeccanici. L’energia così prodotta viene resa 
disponibile alla rete di distribuzione.  
Il nostro Paese non dispone di importanti riserve di combustibili fossili, ragion per 
cui la quasi totalità della materia prima viene importata dall’estero.  La richiesta di 
idrocarburi si è accentuata sempre più, soprattutto dopo che l’Italia ha abbandonato 
la produzione di energia da fonte nucleare, a seguito del disastro di Chernobyl 
nell’aprile del 1986. Per quanto il metano risulti più efficiente, sia in termini di 
rendimento energetico che di ridotte emissioni,  il carbone ha costi di 
approvvigionamento che risultano essere circa la metà e per questo è largamente 
utilizzato nelle centrali termoelettriche. L’obiettivo delle società di gestione 
dell’energia resta pur sempre quello di fornire energia a prezzi competitivi rispetto al 
resto dell’Europa. Il carbone, dunque, è un elemento la cui presenza nel mix dei 
combustibili utilizzati risulta necessaria. Fino al 2007 l’Italia figurava come settimo 
importatore mondiale di petrolio e come nono di carbone. Il costo di produzione 
dell’energia infatti dipende molto dal mix energetico utilizzato, ma anche dall’età e 
dall’efficienza delle centrali.  
Negli ultimi 30 anni le percentuali di utilizzo relative ai tre principali combustibili 
sono cambiate radicalmente: per il gas naturale si è passati dal 10% al 45%, mentre
Introduzione 
 
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per il carbone da 10% al 15%. Diversa la situazione dei derivati del petrolio, scesi 
radicalmente dal 75% al 33%. 
 
 
 
Le tecnologie odierne permettono di avere una combustione da carbone per così dire 
“pulita”, nel senso che la presenza di dispositivi al camino quali denitrificatori, 
desolforatori e altri, consentono di avere emissioni da inquinanti al disotto di ciò che 
impone come limite la normativa vigente. Inoltre, gran parte dei prodotti reflui della 
centrale possono essere riutilizzati come materia prima da altre aziende. A conferma 
di tale situazione si ricorda che nel 2003 l’allora Ministro per le attività produttive 
Marzano firmò il decreto con il quale si procedeva alla conversione della centrale di 
Torrevaldaliga Nord di Civitavecchia da olio combustibile a carbone. Ad oggi risulta 
ancora impensabile poter ridurre drasticamente la dipendenza da combustibili fossili, 
in quanto alla base della disponibilità di energia in tutto il mondo. 
Il seguente lavoro di tesi ha come oggetto di studio una centrale termoelettrica con 
generatore di vapore alimentato a polverino di carbone. L’obiettivo è quello di 
sfruttare al massimo la centrale già esistente, attraverso un intervento di repowering. 
L’idea è quella di utilizzare l’energia termica contenuta nei fumi di scarico della 
turbina a gas, dotati di una notevole portata massica ed elevato livello termico,  per 
incrementare la produttività di un impianto a vapore esistente. 
Fig. I.2 – Variazione percentuale di utilizzo da fonti di energia non rinnovabile [1]
Introduzione 
 
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In questa sede si porrà particolare attenzione sul “Feedwater Repowering”, che 
consiste nell’impiego dell’energia termica residua per il preriscaldamento dell’acqua 
di alimento in ingresso al generatore di vapore, riducendo o eliminando alcuni 
spillamenti di vapore in turbina. In tal modo si incrementa la portata di vapore, 
soprattutto nella turbina di bassa pressione, aumentando la potenza dell’impianto 
preesistente. 
La simulazione verrà fatta mediante l’utilizzo di un software sviluppato dalla 
multinazionale statunitense General Electric, il “GateCycle”, con il sussidio di un 
foglio di calcolo Microsoft Excel. Si mostreranno i miglioramenti ottenuti in termini 
di incremento di potenza totale dell’impianto e di rendimento marginale. A seguire, 
si effettuerà un’analisi di fattibilità economica dell’investimento, in particolar modo 
analizzando il costo finale del kWh prodotto. 
 
Il lavoro di tesi è articolato in cinque capitoli, i cui contenuti sono di seguito 
sintetizzati.  
Il Capitolo 1 descrive il funzionamento di un impianto a vapore, analizzando i vari 
componenti ed i concetti fondamentali per lo studio del ciclo termodinamico di 
interesse. Viene esaminato il ciclo più semplice a vapor d’acqua, il ciclo di Rankine,  
e le successive implementazioni, fino ad arrivare all’assetto delle moderne centrali. 
Notevole importanza verrà data al concetto di rigenerazione per un impianto a 
vapore. 
 Nel Capitolo 2 vengono analizzate le tecniche di repowering per un impianto a 
vapore. L’attenzione è focalizzata principalmente sul feedwater repowering, 
evidenziandone aspetti tecnici e limitazioni nell’impiego. Inoltre vengono introdotte 
le principali grandezze attraverso cui è possibile definire l’efficacia del repowering; 
prime tra tutte il rendimento marginale, ma anche il consumo specifico di 
combustibile e l’energia specifica richiesta per la produzione di un kWh. 
Nel Capitolo 3 si descrivono le caratteristiche dell’impianto a vapore subcritico sul 
quale è svolta l’analisi di repowering. Inizialmente viene descritta la modalità di 
l’utilizzo del GateCycle per l’analisi dell’impianto, mettendo in evidenza i concetti di 
design ed off-design ed il collegamento con il CycleLink. In seguito viene descritto il 
funzionamento dell’impianto base, focalizzando l’attenzione sulla linea rigenerativa.
Introduzione 
 
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Infine vengono illustrate le motivazioni che spingono al lavoro svolto, con lo schema 
finale d’impianto. 
Il Capitolo 4 è dedicato all’analisi energetica delle diverse tipologie di feedwater 
repowering proposte. In particolare viene analizzato il feedwater repowering 
realizzato con una turbina a gas industriale, con una coppia di aeroderivative ed 
infine con una coppia di aeroderivative ICAD.  
Vengono valutate le condizioni limite cui potrà operare l’impianto, introducendo il 
concetto del “fuel saving” dove necessario ed infine vengono mostrati i risultati 
finali. Inoltre, sono evidenziate le modalità di dimensionamento degli scambiatori 
che verranno inseriti nell’impianto. 
Nel Capitolo 5 è proposta l’analisi economica dell’impianto per le varie 
configurazioni di repowering adottate. Allo scopo di valutare il costo unitario di 
produzione del kWh,  vengono introdotti dei modelli che consentono di valutare il 
costo di investimento dei componenti principali dell’impianto in funzione di 
parametri caratteristici, tra cui la potenza, l’efficienza o le superfici di scambio 
termico. Infine, il costo del kWh delle diverse soluzioni di repowering analizzate è 
messo a confronto con quello dell’impianto base.
Impianti a vapore 
 
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CAPITOLO 1 
 
Impianti a vapore 
 
 
Gli impianti a vapore forniscono oggi la maggior parte dell'energia elettrica prodotta. 
Sono caratterizzati da valori del rendimento utile compresi tra 0.4 e 0.45 e, tra gli 
impianti di produzione di potenza, sono quelli che forniscono la maggiore potenza 
utile, esistendo realizzazioni da 100MW sino a 2GW, con portate di vapore di circa 
1000 kg/s per 1 GW di potenza utile. Tali impianti sono a circuito chiuso e 
combustione esterna: ciò costituisce un forte vantaggio, poiché vengono preservate le 
parti più delicate dell’impianto (turbomacchine, scambiatori di calore) dal contatto 
diretto con i prodotti “sporchi” della combustione. Sono alimentati tipicamente da 
combustibili fossili; quantitativamente meno importanti sono le sorgenti di natura 
termo-nucleare, geotermica e gli impianti combinati. I moderni impianti a vapore 
sono a portata variabile, cioè presentano portata diversa nelle varie sezioni 
dell'impianto, e risultano impiantisticamente più complessi. 
 
 
1.1 Macchine termiche a ciclo diretto 
 
Un impianto a vapore non è altro che una macchina termica: ha quindi il compito di 
trasformare il calore fornito dall’esterno in lavoro utile, attraverso trasformazioni 
cicliche . Il II° principio non consente una completa trasformazione del calore in 
lavoro; essendo, infatti, il calore una forma di energia meno nobile, la sua 
trasformazione in lavoro meccanico comporta inevitabilmente una “degradazione” 
del calore stesso, ossia è necessario che si verifichi una contestuale restituzione di 
parte del calore che non può essere trasformato in lavoro ad una sorgente a 
temperatura più bassa.
Impianti a vapore 
 
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La figura 1.1 chiarisce questo concetto per un ciclo bitermico, costituito cioè da una 
sola sorgente calda e una fredda. 
 
 
 
 
 
 
 
E’ intuitivo che per ottenere un rendimento elevato è necessario avere per quanto più 
possibile un’ elevata temperatura della sorgente calda, comunque inferiore al limite 
tecnologico, e un basso livello termico inferiore, condizionato dai limiti 
dell’ambiente. 
Quantitativamente, il lavoro prodotto in un ciclo termodinamico diretto è valutabile 
mediante il  I°  principio della termodinamica, il quale definisce il concetto di 
equivalenza tra calore e lavoro: qualunque trasformazione di calore   in lavoro   e 
viceversa comporta una variazione dell’energia interna    del sistema. In simboli: 
 
                  
 
Fig. 1.1 – Trasformazione del calore in lavoro
Impianti a vapore 
 
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Per un sistema isolato (macchina + fluido motore), questo si traduce in: 
 
                (1.2) 
 
Definendo una convenzione dei segni per la quale il calore è positivo se entrante nel 
sistema e il lavoro positivo se uscente, si ottiene: 
 
  
 
 
  
 
 
  
 
        
 
La differenza tra calore fornito dalla sorgente calda e quello ceduto alla sorgente 
fredda si trasforma in lavoro utile in uscita dal sistema. 
Per ogni ciclo termodinamico considerato è necessario che esso sia composto da 
trasformazioni che rappresentino processi termodinamici realmente ottenibili 
(fattibilità tecnologica). Inoltre dovranno essere compatibili con la tipologia e le 
caratteristiche della sorgente calda e fredda (serbatoio termico), consentendone un 
elevato sfruttamento. Infine si richiederà un rendimento termico di conversione più 
elevato possibile, con limitata sensibilità agli effetti delle irreversibilità. 
 
 
1.2 Trasformazione dell’acqua in vapore 
 
Nelle centrali termoelettriche il fluido utilizzato per la conversione del calore in 
lavoro utile è l’acqua allo stato di liquido e di vapore. 
Le trasformazioni termodinamiche interessate sono le seguenti: 
 
 trasformazioni a pressione costante (isobare), 
 trasformazioni a volume costante (isocore), 
 trasformazioni a temperatura costante (isoterme), 
 trasformazioni senza scambio di calore con l’esterno (adiabatiche). 
 
A seconda dei sistemi di coordinate prescelte, le trasformazioni sono rappresentate 
graficamente dai seguenti diagrammi:
Impianti a vapore 
 
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 il diagramma (p, v), se le coordinate che rappresentano lo stato fisico del 
fluido sono la pressione e il volume specifico; 
 il diagramma entropico (T, s), se le coordinate sono la temperatura 
assoluta e l’entropia specifica; 
 il diagramma di Mollier (h, s), se le coordinate sono l’entalpia specifica e 
l’entropia specifica. 
 
L’ interesse è focalizzato sulla trasformazione di acqua in vapore. Questo processo 
può essere descritto su ognuno dei diagrammi sopraelencati, in modo da definirne le 
caratteristiche salienti. In figura 1.2 viene rappresentata sul piano (p,v): 
 
 
 
La trasformazione dell’acqua in vapore in un generatore di vapore avviene a 
pressione costante, dunque lungo una retta orizzontale. Durante la fase di 
riscaldamento dell’acqua dalla temperatura iniziale fino alla temperatura di 
ebollizione t
0
 (relativa alla pressione considerata p
0)
, il volume dell’acqua aumenta 
Fig. 1.2 – Diagramma di fase dell’acqua sul piano p,v
Impianti a vapore 
 
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pochissimo, portandosi da v
0 
a v
0
’, e la trasformazione è rappresentata dal segmento 
AB. Continuando a somministrare calore, l’acqua vaporizza e la pressione rimane 
costante fino alla completa trasformazione dell’acqua in vapore; il volume specifico 
aumenta da v
0
’ a v
0
”. Questa fase di vaporizzazione è rappresentata dal segmento 
BC. Fornendo ulteriore calore, si ottiene vapore surriscaldato: il volume e la 
temperatura aumentano e il punto rappresentativo si sposta a destra di C 
sull’orizzontale a pressione costante p
0
. 
Se la trasformazione dell’acqua in vapore avviene ad un’altra pressione costante 
p1>p0, la sua rappresentazione sul diagramma avverrà in maniera identica, ma su 
un’altra orizzontale posta al di sopra della prima. Da notare però come in questo caso 
la vaporizzazione inizierà ad una temperatura t
1
>t
0
 e a un volume v
1
’>v
0
’, mentre 
terminerà ad un volume v
1
”<v
0
”, poiché il volume specifico del vapore saturo secco 
diminuisce con l’aumentare della pressione: la nuova trasformazione sarà 
rappresentata dal segmento A’B’C’. Come da figura, si ottengono due curve che 
delimitano i due passaggi di stato e sono dette “curva limite superiore” e “curva 
limite inferiore”. Le due curve convergono verso l’alto in un punto K detto “punto 
critico”, che rappresenta  quello stato di fluido nel quale il liquido vaporizza senza 
aumento di volume specifico. Le due curve limite dividono il piano in tre regioni, cui 
corrisponde, da sinistra a destra, lo stato liquido, lo stato di vapore saturo umido, lo 
stato di vapore surriscaldato.  
Per l'acqua, il punto critico si ha per una temperatura di 647 K (374 °C) e pressione 
di 221.2 bar [2]. 
In figura 1.3 è invece rappresentato il diagramma di fase sul piano entropico.
Impianti a vapore 
 
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Le curve limite del vapor d’acqua hanno andamento analogo a quello del diagramma 
(p, v) e la fase di trasformazione dell’acqua in vapore è pure rappresentata da un 
segmento orizzontale tra le due curve limite (trasformazione isobarica e isotermica). 
Un parametro importante per lo studio dei cicli  a vapore è il “titolo”, definito come 
rapporto tra la massa di vapore e quella totale:  
 
  
 
 
 
 
  
 
 
      
 
Fig. 1.3 – Diagramma di fase dell’acqua sul piano T,s