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CCC/255

Applicazione e prospettive di sviluppo delle centrali elettriche a carbone a doppio risurriscaldamento

Kyle Nicol

Le centrali elettriche a combustione alimentate a polverino di carbone (Pulverized Coal Combustion) dominano il settore energetico e continueranno a farlo nel prossimo futuro. Nel corso degli anni il graduale aumento dell’efficienza elettrica di un impianto PCC ha comportato una riduzione della portata di carbone in alimentazione, con conseguente diminuzione dei costi del combustibile. Un’altra conseguenza dell’aumento di efficienza è la riduzione della quantità di fumi da trattare con adeguati sistemi di depurazione; in questo modo sono abbattuti i costi operativi relativamente alle emissioni e in particolare si riducono le accise o multe e per le emissioni di biossido di carbonio. Pertanto, in questo scenario risulta favorita anche la redditività economica dei sistemi di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS).

Nei primi anni ’50, in seguito ad un ampia diffusione delle centrali elettriche a PCC, venne introdotto il ciclo a vapore a risurriscaldamento singolo. Questo prevedeva il riscaldamento in caldaia del vapore proveniente dalla turbina in uscita dal primo modulo ad alta pressione e in entrata ad un secondo modulo a più alta pressione.
Nonostante l’aumento dei costi di investimento per la sua realizzazione, l’utilizzo del ciclo a vapore a singolo risurriscaldamento consentiva un risparmio economico, grazie al ridotto consumo di carburanti e all’aumento dell’efficienza elettrica di alcuni punti percentuali, nonché all’aumento della temperatura media del vapore inviato alla turbina.
Venne successivamente introdotto un secondo ciclo di riscaldamento, definito a doppio risurriscaldamento. Il vapore in uscita dal secondo modulo ad alta pressione veniva riscaldato nella caldaia prima di entrare nel terzo modulo a più elevata pressione, nella turbina. Il doppio risurriscaldamento comportava un ulteriore aumento dell’efficienza elettrica di uno-due punti percentuali, rispetto al ciclo a risurriscaldamento singolo. Anche in questo caso, il costo aggiuntivo era compensato dal risparmio di combustibile.
Tra gli anni 1960 e 1970 si iniziarono a costruire in Germania, USA e Giappone centrali elettriche a doppio risurriscaldamento. Questa tecnologia ha raggiunto la sua massima prestazione nella centrale di Nordjylland 3, lavorando in condizioni ultra-supercritiche (USC) di vapore di 582°C/580°C/580°C/29 MPa, e stabilendo nel 1998 un record mondiale di efficienza elettrica al 47,2% netto su PCI (Potere Calorifico Inferiore). Recentemente, nel luglio del 2015, sono state costruite un totale di sessanta centrali a doppio risurriscaldamento, pari a 27,9 GWe. Di queste, 37 sono a carbone, pari a 17,7 GWe.

Al principio, nelle centrali a doppio risurriscaldamento furono riscontrati problemi di tipo operativo, oltre che costi di manutenzione elevati, legati alla scarsa disponibilità di nuovi acciai austenitici, all’epoca, utilizzati negli impianti a vapore in condizioni di ultra-supercritiche fino a 649°C e 34,5 MPa. Tali problematiche, indipendenti dal numero di riscaldamenti, furono risolte abbassando il surriscaldamento del vapore a 565°C e 25 MPa, o inferiore.
Da allora, le prestazioni tecniche delle centrali a doppio risurriscaldamento risultano paragonabili a quelle a singolo risurriscaldamento, consentendo un aumento dell’efficienza elettrica da 0,8 a 2% punti netti su PCI, e con costi operativi e di manutenzione simili alle centrali a singolo risurriscaldamento.
Questa tecnologia è stata accantonata quando, intorno agli anni ’70, sono state introdotte le centrali nucleari, le turbine a gas a ciclo combinato, e si abbassarono in maniera persistente i prezzi del petrolio. La maggior parte delle centrali a doppio risurriscaldamento esistenti dovranno essere smantellate nei prossimi anni, sia perché giunte a fine della vita, sia a causa dell’introduzione di norme più severe sulle emissioni.

La rapida crescita dell’economia cinese e la sua crescente domanda di energia elettrica ha portato alla pianificazione della messa in esercizio di 10 GWe di centrali USC a doppio risurriscaldamento nel solo 2015. La tecnologia a doppio risurriscaldamento è stata identificata come progetto chiave di ricerca e sviluppo per il ‘Dodicesimo piano quinquennale (2011-2015)’ della Cina. A partire dal maggio 2015, la centrale elettrica di Guodian Taizhou dispone di due unità a doppio risurriscaldamento con condizioni USC di vapore di 600°C/620°C/620°C/29 MPa, che sono attualmente le più grandi nel mondo a 1000 MWe ciascuna, e ha stabilito un nuovo record mondiale raggiungendo un’efficienza elettrica del 47.94% al netto su PCI.
Gli ingegneri di DONG Energy, che hanno progettato le centrali a doppio risurriscaldamento in Danimarca, hanno brevettato nel 2010 il Ciclo Master. Hanno cioè modificato il ciclo a vapore con l’aggiunta di una piccola turbina, separata da quella principale, che sostituisce una pompa di alimentazione della caldaia (BFP) e riduce la dimensione e quantità dei componenti ad alta temperatura.
Rispetto al ciclo a doppio risurriscaldamento standard, il ciclo master comporta un aumento dell’efficienza elettrica dello 0,5% e una riduzione dei costi di investimento del 12-19%. Dal 2010, il ciclo di Echelon proposto da Shanghai Turbine Works e la turbina rigenerativa proposta dalla North China Electric Power University, utilizzano concetti simili al Ciclo Master. La turbina rigenerativa potrebbe conseguire rendimenti elettrici netti del 48,94-49,94% con un tempo di recupero dell’investimento pari a poco meno di quattro anni. Shanghai Turbine Works è intenzionata a dimostrare il proprio ciclo di Echelon nel 2017.

La tecnologia avanzata ultra-supercritica (AUSC), che utilizza componenti in lega di nichel per raggiungere temperature più elevate di vapore, è destinata a diventare commerciale intorno al 2030. L’unità dimostrativa di 600 MWe – con doppio-risurriscaldamento con condizioni di vapore di 700°C/720°C/720°C/35 MPa è capace di raggiungere fino al 50% di efficienza elettrica netta su PCI – dovrebbe essere operativa in Giappone nel 2021. Si stima che in 15 anni le unità commerciali AUSC a doppio risurriscaldamento saranno in grado di raggiungere rendimenti elettrici netti del 54% (PCI).
La tecnologia a doppio risurriscaldamento è una tecnologia HELE (High Efficiency Low Emission) collaudata per la produzione di energia elettrica ad alta efficienza e in basse emissioni.

Nella progettazione di una nuova centrale a polverino di carbone, la scelta di optare per doppio o singolo risurriscaldamento si basa su un compromesso economico tra costi del capitale e costi del carburante. Generalmente, i costi operativi del combustibile previsti aumentano nel lungo termine, determinando un allungamento del periodo di ritorno dell’investimento. I costi di capitale, operativi e di manutenzione sono in gran parte legati al costo del lavoro, e ai costi di cemento e acciaio. In generale, tali costi risultano doppi nei paesi sviluppati, rispetto a quelli in via di sviluppo. Quando le centrali a doppio risurriscaldamento furono costruite in Europa, Stati Uniti e Giappone, tra il 1960 e il 1970, tali costi risultavano inferiori ad oggi, favorendo così l’economia del processo e lo sviluppo degli impianti a doppio risurriscaldamento.

Attualmente, data la crescente preoccupazione del cambiamento climatico, devono essere contabilizzati nella valutazione dell’investimento anche i costi associati all’emissione di biossido di carbonio, quali ad esempio le quote di scambio di anidride carbonica o la carbon tax. In questo modo il processo a doppio risurriscaldamento risulterà più conveniente rispetto al singolo. Le centrali a doppio risurriscaldamento sono favorite nei paesi in via di sviluppo come la Cina e l’Asia sud-orientale dove si hanno un basso costo del lavoro, bassi costi del combustibile e un aumento della domanda di energia elettrica. .

Nei paesi sviluppati, la costruzione di nuove centrali a carbone è limitata a causa di costi elevati di investimento, bassa richiesta di elettricità, severe normative sulle emissioni, l’opposizione dell’opinione pubblica alle costruzione di nuove centrali a carbone, l’introduzione dell’obbligo di sistemi di cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) e l’aumento sempre maggiore della produzione di elettricità da fonti rinnovabili. AMasili