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3rd Workshop on Advanced USC Power Plant, Roma 13-14.12.2017

Dal 13 al 14 Dicembre 2017 Sotacarbo ha partecipato alla terza edizione del workshop AUSC Power Plant (Advanced Ultra Super Critical Power Plant) organizzato dall’IEA Clean Coal Centre e RINA Consulting – CSM (Centro Sviluppo Materiali), in collaborazione con Sotacarbo. L’evento, ospitato nella sede Inail di Roma, ha visto la partecipazione di 70 delegati da 12 differenti paesi che si sono confrontati sui progressi a livello mondiale degli impianti di produzione di energia elettrica alimentati a carbone.

L’interesse nel mondo per questi impianti è ancora molto forte, in quanto attualmente soddisfano il carico di base della rete elettrica e il carbone rimane ancora una delle fonti fossili più economiche e maggiormente impiegate a livello mondiale.

Il carbone è, d’altra parte, caratterizzato da alte emissioni specifiche, comprese tra i 600 g/kWh ed i 900 g/kWh, a seconda dell’efficienza dell’impianto in cui esso viene impiegato.

Gli impianti che utilizzano carbone polverizzato in condizioni di funzionamento supercritiche, sono ormai una realtà ben consolidata e operano da circa 40 anni. Gli impianti invece che operano con condizioni ultra-supercritiche (USC) sono invece in esercizio da circa 20 anni.

Lo sviluppo e l’impiego di leghe metalliche in grado di operare in condizioni molto gravose (700°C e 350 bar) è di fondamentale importanza per incrementare le prestazioni energetiche degli impianti alimentati a carbone.

Attualmente gli impianti USC hanno un’efficienza massima di 47,5% (General Electric: 275 bar/600°C/620°C). Con gli impianti AUSC si intende raggiungere un’efficienza superiore al 50%.

L’esperienza maturata durante la vita degli impianti è di fondamentale importanza per la caratterizzazione delle prestazioni degli acciai speciali ad alte temperature. Per esempio l’acciaio martensitico con il 9-12% di cromo ha manifestato problemi di cracking e si è rivelato meno resistente ad alte temperature di quanto previsto in fase di progetto. Inoltre gli impianti si trovano spesso ad operare in condizioni off-design, provocando negli acciai ulteriori tensioni che possono provocare cedimenti precoci. Grazie all’esperienza maturata è stato possibile valutare le prestazioni degli acciai speciali dislocati nelle varie parti dell’impianto, valutandone i problemi e i possibili rimedi per ovviare a gli stessi.

Sviluppare nuove leghe speciali consente di aumentare le temperature massime d’esercizio e l’affidabilità dell’impianto, permettendo il raggiungimento di rendimenti più elevati, con il conseguente risparmio in termini di combustibile utilizzato e la riduzione delle emissioni inquinanti. Lo sviluppo di nuove leghe risulta però molto costoso, richiedendo tempo e rischi legati alla necessità di testare queste nuove leghe, realizzando prima impianti pilota, dimostrativi e in ultima fase impianti di taglia commerciale.

Questo lavoro di ricerca sugli acciai speciali ha permesso di migliorare notevolmente il rendimento degli impianti passando dal 35-40% per gli impianti supercritici al 42-47,5% degli impianti ultra-supercritici. Gli impianti USC, mediante l’utilizzo delle leghe ferritiche basso legate, leghe martensitiche con una percentuale del 9-12% di cromo e acciai austenitici, riescono ad operare con temperature del vapore di circa 580-605°C e pressioni comprese tra 22-29 MPa.

Attualmente gli impianti AUSC esistono solo a livello dimostrativo. Hanno maturato poche decine di migliaia di ore di funzionamento, insufficienti per comprendere tutti gli effetti delle condizioni operative estreme sui materiali. Il Workshop ha messo in evidenza l’importanza non solo di raccogliere ma di condividere i risultati di sperimentazioni e ricerca applicata.

I principali problemi dei metalli impiegati in questo tipo di impianti sono:

  • Attacco chimico;
  • Surriscaldamenti localizzati;
  • Cricche da fatica;

In ogni parte dell’impianto le condizioni operative sono differenti e di conseguenza diverso è il peso dei problemi elencati in precedenza.

L’attacco chimico è generalmente causato dallo sporcamento della tubazione in camera di combustione e dalla presenza di ceneri fuse. Le ceneri non hanno un comportamento neutro sulla superficie della tubazione: la attaccano e ne riducono nel tempo la sezione resistente, provocandone una rottura precoce.

I surriscaldamenti localizzati sono una conseguenza dello sporcamento del tubo: ossidi e incrostazioni di varia natura riducono lo scambio termico, provocando sovratemperature localizzate che riducono localmente la resistenza del materiale.

Le cricche da fatica sono causate da carichi ripetuti ciclicamente: continue variazioni di assetto dell’impianto e condizioni di esercizio off-design comportano una rottura prematura del componente. Un adeguato sistema di gestione della manutenzione è necessario per tutti quei componenti sottoposti a forti carichi termici e forti stress meccanici, in modo da limitare al minimo le fermate impreviste dell’impianto.

Altro aspetto molto importante e particolarmente critico sono le saldature. Se non correttamente eseguite o eseguite in atmosfera non protetta, possono provocare:

  • Rotture per fatica a causa di discontinuità presenti nella saldatura;
  • Perdite delle caratteristiche meccaniche acquisite mediante trattamenti termici.

Problemi, legati ai limiti imposti dai materiali utilizzati, che hanno finora rallentato lo sviluppo degli impianti AUSC. Per citare alcune di queste leghe, la Super304H è caratterizzata da buona resistenza al creep ma bassa resistenza alla corrosione e all’ossidazione, mentre all’opposto la HR3C è caratterizzata da buona resistenza alla corrosione ma bassa resistenza al creep. La tendenza è quella di sviluppare leghe in grado di operare sopra i 700°C. In questo modo si potranno conseguire rendimenti superiori al 50%; basti pensare che un aumento di 20°C della temperatura massima del ciclo comporta un aumento del rendimento tra 1-3,5 punti percentuali.

Una lega molto promettente, presentata durante il workshop, è il Sanicro25 (22Cr25NiWCoCu), prodotto dalla società svedese Sandvik. Si tratta di una lega austenitica con il 22% di cromo e 25% di nichel, con eccellenti proprietà ad alta temperatura, progettata appositamente per l’applicazione in impianti AUSC.

L’inconveniente di queste superleghe è il costo elevato, che incide pesantemente sull’investimento per la realizzazione dell’impianto.

Per questo, parallelamente allo sviluppo di nuovi materiali, alcuni gruppi di ricerca hanno suggerito nuovi layout d’impianto, che minimizzano la lunghezza delle tubature più critiche. Per esempio, portando il gruppo turbina di alta pressione vicino alla sommità della caldaia, si riduce fortemente la lunghezza della tubazione del vapore di altissima pressione, che nella configurazione classica può raggiungere i 200 metri e risulta di critica importanza in proposte di configurazione come quella a doppio risurriscaldamento.

Il Workshop ha messo in evidenza come a ricerca su nuove leghe, sia ormai affiancata dallo sviluppo di una politica di manutenzione programmata, per migliorare l’affidabilità dell’impianto ed aumentarne la disponibilità. Di fondamentale importanza il trattamento chimico dell’acqua impiegata come fluido termovettore, soprattutto nelle condizioni estreme a cui operano gli impianti AUSC. Tutti questi fattori concorrono a migliorare le prestazioni, la sicurezza degli impianti di produzione di energia elettrica.

L’enorme sforzo per testare nuove leghe metalliche, cicli avanzati e nuove soluzioni impiantistiche, con l’applicazione combinata dei diversi approcci innovativi, consentirà lo sviluppo di impianti alimentati a carbone ad alta efficienza e a basse emissioni inquinanti. Questa tipologia di impianti sarà in grado di produrre energia elettrica a basso costo, condizione irrinunciabile per l’uso e la diffusione nei paesi poveri o in via di sviluppo. SMeloni/APorcu