Centrali elettriche 1

Composizione di immagini NASA della Terra di notte

Una centrale elettrica è un impianto industriale atto alla produzione di energia elettrica . La società moderna si basa in maniera imprescindibile sull'uso dell' energia elettrica , perciò la produzione di tale energia e, conseguentemente, le centrali elettriche hanno un'importanza tecnologica e strategica fondamentale. Le centrali elettriche odierne producono energia quasi esclusivamente in corrente alternata avvalendosi di macchine elettriche denominate alternatori . Esistono eccezioni in Russia , dove, per problemi di perdite su elettrodotti estremamente lunghi, sono state create centrali elettriche in corrente continua ( HVDC ).

Le centrali elettriche si caratterizzano per due aspetti che sono la potenza , cioè l' energia per unità di tempo che una centrale è in grado di erogare e il tipo di combustibile che convertito consenta di ottenere energia elettrica.

La produzione di elettricità da combustibili fossili (petrolio, gas naturale, carbone) non è una fonte rinnovabile dal momento che le riserve di combustibile sono limitate. Si può però ricavare energia termica anche da altre fonti di calore, e cioè dalle fonti energetiche rinnovabili come il calore terrestre ( centrali geotermiche ) e quello solare ( centrale solare ). L'utilizzo dell'energia nucleare da fissione non è invece considerata propriamente rinnovabile in quanto l' Uranio 235 utilizzato è una risorsa disponibile in quantità piuttosto limitate.

Le centrali termoelettriche sono la tipologia di centrali più diffusa nel pianeta . Il principio di funzionamento di una centrale termoelettrica classica è abbastanza semplice.

Un elemento combustibile (derivati del petrolio , carbone o gas , ma anche, in alcuni casi, biomassa , biogas o rifiuti ) viene bruciato in modo da sviluppare calore ; questo calore viene trasmesso a una caldaia , nella quale circola acqua ad alta pressione (l'acqua deve subire una serie di trattamenti al fine di essere purificata per non danneggiare gli impianti), tale acqua viene così trasformata in vapore raggiungendo temperature elevate. Il vapore viene convogliato verso delle macchine rotanti denominate turbine a vapore nelle quali il vapore si espande convertendo il proprio contenuto entalpico in energia meccanica. Collegati all'albero in rotazione di tali turbine vi sono gli alternatori i quali convertono l'energia meccanica di rotazione in energia elettrica.

Un'evoluzione è rappresentata dalle centrali a ciclo combinato : il gas viene bruciato in una turbina a gas che, collegata ad un alternatore, produce elettricità. I gas di scarico della turbina, estremamente caldi, vengono a loro volta utilizzati per scaldare acqua ed il vapore così ottenuto è usato in una turbina a vapore come in una centrale termoelettrica tradizionale, generando altra elettricità. Questo genere di centrali termoelettriche ha un rendimento elettrico estremamente elevato e comunque maggiore di quelle tradizionali, arrivando a sfiorare anche il 60% di resa [1] .

Generalmente le centrali termoelettriche erogano grandi potenze, dell'ordine delle centinaia o migliaia di MW e costituiscono la spina dorsale del sistema di produzione dell'energia elettrica, perché i loro impianti termici danno il massimo rendimento in regime di produzione costante; di solito, quindi, vengono tenute in funzione per lunghi periodi di tempo, costituendo la base della capacità produttiva. Anche se alcuni impianti termoelettrici possono essere polivalenti, ovvero in grado di utilizzare diversi tipi di combustibile, questo si ottiene a spese del rendimento termodinamico e quindi della spesa complessiva: per questo, in generale, si costruiscono centrali termoelettriche in grado di bruciare con la massima efficienza un particolare combustibile, e si riadattano gli impianti in caso diventi necessario bruciare un combustibile diverso.

I residui della combustione dei combustibili generano una quantità elevata di prodotti inquinanti come i fumi, il particolato fine , gli ossidi di zolfo e azoto e gli idrocarburi aromatici, che possono essere dispersi nell'ambiente. I progressi tecnologici degli ultimi anni hanno fatto sì che molte misure per l'abbattimento di tali prodotti fossero implementate nelle centrali (pretrattamento del combustibile, abbattimento delle polveri, desolforatori, etc.) rendendo queste emissioni meno dannose. Nei paesi meno sviluppati questo tipo di impianti sono spesso molto dannosi, poiché a causa del loro alto costo di costruzione, le strutture di depurazione dei fumi non vengono costruite e ciò le rende delle pericolose fonti di inquinamento.

È possibile ridurre notevolmente l'impatto ambientale di queste centrali. Innanzitutto si può semplicemente utilizzare un combustibile poco inquinante (come il gas naturale, il gasolio desolforato ed il carbone bonificato). È possibile contenere notevolmente le emissioni di inquinanti tramite il montaggio di appositi filtri a reagente e catalizzatori ossidanti. Il calore residuo anziché essere sprecato immettendolo nell'aria può essere utilizzato per il teleriscaldamento nella stagione invernale (sostituendo le caldaie private nelle abitazioni vicine alla centrale).

I cosiddetti "termovalorizzatori" sono inceneritori di rifiuti con recupero energetico. Il calore prodotto dalla combustione dei rifiuti viene utilizzato per produrre energia elettrica in maniera analoga a quanto accade nelle centrali termoelettriche, anche se con rendimenti estremamente più bassi e maggior produzione di sostanze inquinanti.

Affinché tutte le materie e soprattutto quelle plastiche brucino con minor produzione di elementi tossici (ad esempio le diossine ) è necessario raggiungere temperature molto elevate (almeno 850 C°) ed utilizzare sistemi di abbattimento degli inquinanti molto sofisticati e costosi; in ogni caso le emissioni sono generalmente maggiori e contengono sostanze più nocive rispetto alle centrali termoelettriche tradizionali (ad esempio diossine o metalli pesanti)

La combustione ad alta temperatura, inoltre, produce una miniaturizzazione delle polveri emesse, proporzionale alla temperatura stessa. Ciò può dunque portare alla produzione di polveri fini, ultrafini e nanoparticelle carboniose , che possono causare diverse patologie. La combustione dei materiali risultanti dalla selezione dei rifiuti, miscelata agli additivi, produce una notevole quantità di polveri, in parte filtrate prima dell'emissione al camino, almeno nelle componenti di maggiori dimensioni normate dalle leggi.

Centrale idroelettrica Russa

Insieme alle centrali termoelettriche sono state le prime tipologie di centrali in uso. Il principio di funzionamento delle centrali idroelettriche si basa sull'utilizzo dell'acqua, o meglio della sua energia cinetica , al fine di produrre energia elettrica. Le centrali idroelettriche si suddividono in due tipologie:

• Centrali ad acqua fluente

Tali centrali sfruttano l'energia cinetica delle acque fluviali ( energia idroelettrica ), convogliate in particolari turbine idrauliche messe in rotazione dal flusso dell'acqua. Collegate all'albero rotante delle turbine vi sono gli alternatori che trasformano l'energia meccanica di rotazione in energia elettrica.

• Centrali a caduta

Tali centrali sfruttano l' energia potenziale di notevoli masse d'acque poste ad altezza maggiore rispetto a quella di presa (si parla in tal caso di 'invaso', o naturale o artificiale creato tramite dighe ). L'energia potenziale dell'acqua viene trasformata in energia cinetica facendo confluire l'acqua in condotte forzate nelle quali l'acqua raggiunge notevoli velocità. L'acqua viene poi fatta confluire come nel caso precedente in turbine collegate ad alternatori producendo così energia.

L' impatto ambientale delle centrali idroelettriche è molto minore di quello delle centrali termoelettriche, per via dell'assenza di fumi, e riguarda soprattutto il diverso regime delle acque da esse sfruttate: l'estrazione di energia cinetica rallenta il corso d'acqua, aumentando la velocità di sedimentazione; nel caso di centrali a caduta è necessario mettere in conto le opere idrauliche necessarie (dighe e condotte). La parte maggiore dell'impatto ambientale si verifica durante la costruzione, a causa degli sbancamenti e delle grandi opere necessarie per realizzare gli invasi ed il sistema di condotte forzate. Le centrali idroelettriche possono avere potenze che vanno da alcuni MW (centrali fluviali) alle decine o centinaia di MW per le grandi centrali a caduta.

Schema di una turbina idroelettrica

Il principale vantaggio delle idroelettriche è che, una volta costruite, offrono energia a costi molto competitivi e non richiedono combustibili o materie prime; sono una fonte di energia totalmente rinnovabile e di fatto illimitata. Inoltre, con una manovra chiamata pompaggio (che consiste nel ripompare l'acqua dai bacini inferiori negli invasi durante le ore notturne, quando la richiesta di energia è minore) si può accumulare energia prodotta dalle altre centrali della rete, per restituirla di giorno nelle ore in cui la domanda di energia raggiunge il massimo. Un ulteriore vantaggio è legato al fatto che la variazione della produzione di energia può avvenire in maniera molto più rapida rispetto ad una centrale termoelettrica o nucleare, variando la quantità di acqua che viene convogliata alla turbina. Il loro impiego è, infatti, generalmente massimo durante le ore di maggiore consumo energetico.

Soprattutto le centrali a caduta, che richiedono un intervento edilizio di enormi proporzioni per la realizzazione di laghi artificiali per fungere da invasi, hanno un impatto ambientale di grandi proporzioni, sia nella fase costruttiva delle opere, sia a posteriori nell'impatto visivo ed estetico. Inoltre, il fatto di alterare la portata e la distribuzione delle acque fluviali porta ad un cambiamento del microclima locale, per la maggiore umidità ed evaporazione portata dal lago che funge anche da serbatoio di calore, livellando le temperature fra giorno e notte. Questo porta in genere a variazioni nella flora e fauna locale; nel caso di bacini montani, si può avere un impatto anche su eventuali ghiacciai nelle vicinanze. Altro svantaggio è dovuto alla naturale sedimentazione, che tende a riempire lentamente l'invaso, e richiede dragaggi periodici: il terriccio di risulta può essere usato a fini edilizi, per riporti e terrapieni.

Esistono inoltre problemi di sicurezza in caso di forti terremoti o frane che hanno portato, per esempio, al disastro del Vajont nel 1963, al primo posto tra i 5 peggiori esempi di gestione del territorio in un documento ONU illustrato alla presentazione del «2008 Anno internazionale del pianeta Terra» [2] [3] .

Ciclo del materiale fissile

Le centrali nucleari sono analoghe alle centrali termoelettriche; la differenza sostanziale sta nel tipo di combustibile e di processo tecnologico che viene utilizzato per fornire calore e formare il vapore da inviare alle turbine . Queste centrali ottengono il calore da un processo di fissione nucleare del combustibile o in un prossimo futuro (2040/2050 in ipotesi ottimistiche) dal processo di fusione nucleare del combustibile

Questa tipologia di centrali produce un'elevatissima potenza per metro quadrato occupato dall'impianto, a costi più o meno uguali a quelli del carbone [ senza fonte ] , che è attualmente la tecnologia economicamente più conveniente, rappresentando però una soluzione che permette di non dipendere più dai combustibili fossili. Le centrali nucleari hanno piccole emissioni di sostanze radioattive in forma liquida o gassosa. Non hanno emissioni di CO2 dirette poiché non avviene alcun fenomeno di combustione chimica, ma nel complesso la filiera di produzione dell'uranio e lo smaltimento delle scorie determinano una produzione di CO2 non trascurabile.

Queste centrali sono potenzialmente pericolose, in particolare se mal costruite, mal gestite o lasciate in mano a paesi interessati alla proliferazione militare, giacché le centrali miste civili-militari (come quella di Chernobyl) sono molto più pericolose di quelle civili. Una rottura dei sistemi di contenimento e di refrigerazione della centrale, potrebbe portare alla dispersione nell'ambiente di materiale radioattivo e quindi alla contaminazione di vaste aree (vedi Disastro di Chernobyl ): tale rischio, abbastanza basso per le centrali più recenti ed attualmente operative, è viceversa presente per alcune [ senza fonte ] delle centrali più vecchie operative in tutto il mondo.

Lo smaltimento delle scorie radioattive e lo smantellamento della centrale stessa al termine del suo ciclo vitale (circa 25-30 anni) è un problema non completamente risolto: la Finlandia e la Svezia per esempio hanno individuato siti sicuri per lo smaltimento delle scorie nei rispettivi territori, grazie alla presenza di zone sismicamente stabili e disabitate. Viceversa un deposito di scorie tedesco, situato ad Asse in bassa Sassonia, ha manifestato perdite di sostanze radioattive dopo solo 15-20 anni di funzionamento nonostante fosse in origine pensato per ospitare scorie a tempo indeterminato. In Italia invece, con un territorio molto più densamente popolato e quasi tutto a rischio sismico, lo smaltimento resta un problema difficile. Le rigide norme di sicurezza rendono la costruzione di queste centrali costosa e lenta, anche per la variabilità nel tempo delle stesse norme.

L'avvento di centrali nucleari di quarta generazione o comunque avanzate dovrebbe risolvere alcuni degli aspetti negativi, ma, per ora, tali impianti sono solamente allo studio teorico. Le centrali autofertilizzanti invece sono state prototipate finora con scarso successo (per esempio il Superphenix ); tuttavia l'idea è quella di consentire il riutilizzo del "combustibile" esausto dei reattori tradizionali per produrre altro materiale fissile (in particolare, plutonio ) riducendo i problemi di approvvigionamento dell'uranio. D'altra parte la produzione di più materiale fissile di quello "bruciato" potrebbe alla lunga creare problemi ancora maggiori, fra cui anche quello relativo al proliferare potenziale di arsenali atomici. L'adozione di reattori autofertilizzanti promette un maggior sfruttamento del "combustibile" rispetto ai reattori di 2° e 3° generazione, con una conseguente moltiplicazione delle risorse, attualmente scarse, di combustibile nucleare. Le riserve di 60 anni per l' uranio e di qualche secolo per il torio dovrebbero pertanto essere estese a tempi molto più lunghi benché oggetto di dibattito.

Le centrali geotermoelettriche sono di fatto centrali termiche che utilizzano come fluido primario per scaldare le caldaie il calore naturale dei vapori geotermici contenuti nel sottosuolo ( energia geotermica ). Non esiste dunque, in questo tipo di centrali, alcun processo di combustione. Le centrali geotermoelettriche possono raggiungere potenze anche rilevanti, di qualche centinaio di MW.

Una volta costruite le tali centrali sono estremamente pulite in quanto sfruttano un riscaldamento termico del tutto naturale e non hanno, quindi, scorie o residui atmosferici.

Tali centrali hanno elevati costi di manutenzione dovuti alla composizione delle acque provenienti dal sottosuolo, che sono ricche di sali disciolti e creano depositi ed incrostazioni. Spesso si trovano giacimenti geotermici anche molto grandi, ma a temperatura di 80/90 gradi, troppo bassa e non utilizzabile con le tecniche attuali; un possibile sfruttamento di questi giacimenti è per il teleriscaldamento.

Uno dei problemi maggiori di queste centrali è che possono essere costruite solamente in appositi siti con presenza di attività geotermica, siti normalmente abbastanza rari.

Esistono poi controversie relative al pericolo di eruzioni geotermali, riduzioni del livello della falda acquifera e suo inquinamento ma soprattutto all'inquinamento atmosferico da parte di gas (anidride solforosa) e metalli pesanti (arsenico) legate alla presenza di centrali geotermiche soprattutto nella zona del Monte Amiata .

Centrale eolica tedesca

Le centrali eoliche sono centrali che sfruttano la velocità del vento per la produzione di energia elettrica. Il principio di funzionamento è abbastanza semplice, il modulo base di una centrale eolica è il generatore eolico . Questa apparecchiatura è composta da un'elica (o al limite una singola pala) collegata ad un albero alla quale è calettato il generatore di corrente.

L'elica e il generatore sono normalmente posti ad altezze elevate in modo da essere attraversati dai venti, venti che mettendo in rotazione l'elica azionano il generatore che produce così energia.

I generatori eolici possono essere di varie dimensioni ed essere utilizzati sia per un uso domestico rurale o in centrali normalmente composte di numerosi generatori. Le potenze di tali generatori variano dalle centinaia di W alle migliaia di kW.

Come per le centrali solari quelle eoliche non hanno residui, scorie o altri sottoprodotti. Il vento è gratis, quindi l'unica spesa è l'installazione e la manutenzione. Le centrali eoliche hanno un costo di costruzione abbastanza contenuto, 1.000.000 euro per un aerogeneratore da 1 MW, il quale tende però a lievitare in modo enorme per impianti di dimensioni adeguate alla produzione industriale. A terra occupa meno di 100 metri quadri, quindi non toglie la possibilità di continuare le precedenti attività su quel terreno (es. pastorizia, colture, ...)

Le centrali eoliche per produrre quantità di energia apprezzabili devono essere costituite da un numero consistente di generatori eolici, che devono essere distanziati per poter sfruttare il vento e per evitare un affollamento che sarebbe sgradevole. Inoltre, la disponibilità produttiva è molto bassa (25%) a causa della discontinuità del vento e, dunque, a parità di potenza nominale installata, una centrale eolica produce un quarto di una centrale nucleare ed un terzo di una centrale a gas, richiedendo in compensazione, dunque, un sovradimensionamento ed un sovracosto pari a 4 volte quello nominale per ottenere le stesse prestazioni effettive.

Si possono installare solo dove c'è abbastanza vento e sono degli impianti moderatamente rumorosi; la loro pericolosità per i rapaci, naturalmente attratti dal rumore, è enorme e modificazioni della resistenza aerodinamica dei suoli possono condurre ad alterazioni permanenti della ventosità, con contraccolpi sull'ambiente. Un esempio è il caso di Los Angeles, città la cui attuale bassa ventilazione, e il conseguente permanere dello smog, è probabilmente dovuta all'installazione di grandi impianti eolici nelle gole attraverso le quali il vento arrivava alla città che hanno provocato l'innalzamento delle correnti eoliche e lo scavalcamento della città da parte dei venti.

Vi sono nuove tecniche che permettono di installare aerogeneratori anche dove, fino a qualche tempo fa, non era pensabile. Sono state create nuove forme per le pale degli aerogeneratori, per limitare l'ingombro, sono stati creati alberi di trasmissione lenti, in modo da limitare notevolmente l'inquinamento acustico, e vi sono vari incentivi che permettono di ammortizzare il costo nel giro di pochissimi anni

Centrale solare termica a Daggett in California

Concentratore parabolico lineare

Per centrali solari s'intendono le centrali solari termiche , che sfruttano l' energia solare , da non confondersi con i pannelli fotovoltaici che per rendimento, quantità di energia prodotta e costi non possono ancora essere oggi considerate centrali.

Le centrali solari termiche utilizzano come principio di base quello delle centrali termiche classiche, anche in questo caso la differenza sta nel metodo in cui viene scaldata l'acqua della caldaia.

Normalmente la centrale è formata da una superficie nella quale sono posti centinaia di specchi che concentrano i raggi solari in unico punto centrale (detto fuoco) nel quale si trova la caldaia. Questa colpita da tutti i raggi deviati dagli specchi si scalda fino a raggiungere temperature sufficientemente elevate per completare il ciclo del vapore fino alla turbina. Oppure da campi di concentratori parabolici lineari (in inglese parabolic trough), che riscaldano il fluido all’interno di condotti che percorrono la linea del fuoco (vedi fig. a lato).

Notevoli sono i lati positivi di questa fonte di energia, non ci sono emissioni inquinanti o di gas serra, non è necessario il trasporto di combustibili, non si producono scorie e la centrale non è pericolosa per gli abitanti nei dintorni. Altro vantaggio è che, esclusi i costi di costruzione e manutenzione, si produce energia senza bisogno di materie prime, in quanto la luce solare è gratuita.

Questo tipo di centrali richiedono una superficie di esposizione solare di dimensioni elevate, che aumenta in funzione della potenza che si vuole produrre. Ovviamente, producono solo se sottoposte a buon irraggiamento solare, può, quindi, essere sufficiente una nuvola per interrompere il processo di produzione. Gli impianti più moderni, infatti, prevedono di stoccare il fluido ad alta temperatura in appositi serbatoi isolati, che permettono di far funzionare le turbine non solo durante la notte ma con una autonomia di alcuni giorni in caso di cattivo tempo. Questi impianti hanno, comunque, la possibilità di essere alimentati a gas, nel caso le condizioni sfavorevoli perdurino. Le centrali termiche solari hanno potenze minime, i 20 megawatt raggiunti dalle tecnologie solari alla centrale di Priolo bastano ad un paese di 20 mila abitanti, una centrale termoelettrica ordinaria produce tra le 50 e le 200 volte di più. I costi per la messa in esercizio delle centrali solari sono, inoltre, elevatissimi, anche a ragione della necessità di sovradimensionare le strutture produttive in modo enorme per compensare la bassa disponibilità produttiva generata dalla discontinuità dell'irraggiamento, la quale è dovuta al ciclo solare e non può, dunque, essere aggirata ma è destinata ad essere sempre un problema strutturale della tecnologia.

Le centrali solari ad alta temperatura a volano termico con la sostituzione dell'acqua con, miscele (anidre) di sali fusi altobollenti proposte in Italia dal premio Nobel Carlo Rubbia rappresentano le fonti da questo tipo di energia con la maggiore convenienza prospettata attualmente in sperimentazione. La Spagna ha accolto Rubbia, dopo che lo stesso è stato allontanato nel 2005 dalla guida dell' ENEA , ed ha lanciato anch'essa la sperimentazione di centrali simili a quelle progettate per l'Italia. Nel 2006 Rubbia torna in Italia perché Enel ed Enea hanno firmato, alla presenza del ministro dell'Ambiente, il protocollo di intesa per la realizzazione del progetto "Archimede", il primo impianto solare termodinamico italiano ed il primo al mondo ad essere integrato con una centrale a ciclo combinato a gas.

In queste centrali spesso durante l'anno non si raggiungono le temperature di 110 gradi richieste (per poter far evaporare l'acqua). Perciò, nei periodi in cui non vi è una sufficiente insolazione, una buona soluzione sarebbe quella di utilizzare il calore per produrre semplice acqua calda a 90 °C, che, tramite una rete di teleriscaldamento , può essere utilizzata per la produzione di acqua calda sanitaria, per alimentare le caldaie a scambiatore di calore ed i gruppi frigoriferi ad assorbimento.