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CCC/229

Cicli a vapore avanzati ultrasupercritici (A-USPCC) in impianti tradizionali a carbone – stato dell’arte (CCC/229)
Kyle Nicol

La tecnologica più rilevante nel settore della produzione di energia elettrica da combustibili solidi è quella degli impianti a vapore a polverino di carbone (PCC). Impianti che lavorano secondo un comune ciclo Hirn subcritico, con una pressione massima del vapore inferiore a 22.1 MPa e con un solo ri-surriscaldamento del vapore. Gli impianti PCC sono contraddistinti da rendimenti energetici abbastanza bassi con conseguenti elevate emissioni di CO2.
Per valutare l’efficienza di tali impianti si fa riferimento al Ciclo di Carnot, che descrive il processo ideale. Il rendimento netto complessivo degli impianti è determinato dalle efficienze dei singoli componenti, alcuni dei quali sono già nel range 98-99%. Per altri componenti, quali generatore di vapore, turbina e ausiliari, ci sono ancora margini di miglioramento: aumenti dell’efficienza possono essere infatti ottenuti adottando una serie di misure come aumento della temperatura e della pressione del vapore; diminuzione della pressione di condensazione; aumento del riscaldamento dell’acqua tramite recuperi termici rigenerativi e il ri-surriscaldamento del vapore a pressione intermedia.
Sviluppi tecnologici, dovuti principalmente all’adozione delle misure sopraelencate, consentono agli impianti a carbone supercritici (SPCC), ultrasupercritici (USPCC) e ultrasupercritici avanzati (A-USPCC) di aumentare l’efficienza elettrica fino a raggiungere valori pari al  52% (vedi tabella). Nello specifico la tabella riepiloga i parametri del vapore, i materiali utilizzati, l’efficienza e il consumo di carbone.

Parametri del vapore Materiali Efficienza netta (LHV) Consumo di carbone
PCC T ≤ 540 °C

P < 22.1 MPa

Low alloy CMn

Mo ferretic steel

< 35 % ≥ 380 g/kWh
SPCC T = 540-580 °C

P = 22.1-25 MPa

Low alloy CrMo steel

9-12 % Cr martensitic steel

35-40 % 380-340 g/kWh
USPCC T= 580 – 620 °C

P = 22-25 MPa

Improved 9-12% Cr martensitic steels

Austenitic steels

40-45 % 340-320 g/kWh
A-USPCC T = 700-725 °C

P = 25-35 MPa

Advanced 10-12% Cr steels

Nickel alloys

45-52 % 320-390 g/kWh

Una delle misure più efficaci per aumentare l’efficienza dei impianti PCC è sicuramente l’aumento dei parametri del vapore. In particolare l’incremento della massima temperatura del ciclo a vapore aumenta l’efficienza elettrica del processo, con una conseguente riduzione del consumo di carbone e delle emissioni prodotte. Tuttavia, la temperatura massima del vapore è limitata dai materiali che sono in grado di resistere a tali condizioni operative. In questo contesto l’Unione europea, gli Stati Uniti d’America, il Giappone, l’India, la Cina e la Russia hanno avviato importanti programmi di ricerca. Il report analizza e confronta i principali progetti di ricerca, i progressi ottenuti e gli obiettivi da raggiungere. Lo sviluppo di materiali innovativi e leghe speciali consentirà nei prossimi anni di operare con vapore a circa 35 MPa e a temperature superiori ai 700 °C (fino a circa 760 °C secondo il progetto di ricerca degli Stati Uniti). Ciò consentirà di ottenere efficienze nette di generazione elettrica maggiori del 50%. FF

Il rapporto originale è consultabile gratuitamente, previa registrazione, all’indirizzo:
http://www.iea-coal.org.uk/site/2010/publications-section/reports