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CCC/242

Come aumentare la flessibilità delle centrali elettriche a carbone (CCC/242)

Colin Henderson

Il crescente ricorso a livello mondiale alle energie rinnovabili, necessario per rispondere alla maggiore domanda di energia elettrica, influenza in maniera significativa le modalità di gestione operativa degli impianti a carbone che prima da soli garantivano il carico base delle rete elettrica. Le fonti di energia rinnovabili sono per loro natura intermittenti: non assicurando una capacità di generazione costante, la produzione di energia elettrica da esse derivante non è facilmente programmabile. In futuro l’impossibilità di immagazzinare grosse quantità di energia in sistemi di accumulo di larga scala, comporterà che in alcune regioni gli impianti a carbone e a gas dovranno garantire regimi di produzione variabili nel tempo per poter soddisfare in maniera pressoché continua la richiesta di carico della rete elettrica, specie nei periodi di indisponibilità delle fonti di energia rinnovabile.

Gli impianti a carbone dovranno sopperire cosi al carico fluttuante e preservare la stabilità della rete e la sicurezza energetica.

Rispetto al passato, la rete elettrica è costituita ora anche da unità di produzione di piccola–media taglia distribuite nel territorio e mostra una minore inerzia nel garantire i carichi elettrici. Pertanto necessita di un più intenso controllo di frequenza che le energie rinnovabili non sono in grado di assicurare vista la loro aleatorietà. Tale controllo dovrà essere realizzato dagli impianti a carbone o a gas di taglia maggiore. A tal fine è necessario rendere questi ultimi impianti più flessibili per assicurare in ogni istante una produzione costante di energia elettrica attraverso rapide variazioni di carico.

Il report dell’IEA Clean Coal Centre “Increasing the flexibility of coal-fired power plants” (CCC/242, Henderson, 2014) passa in rassegna le strategie e le tecniche da adottare per esercire gli impianti di produzione a polverino di carbone di grossa taglia (eventualmente integrati con sezioni di separazione della CO2) in maniera “flessibile” in modo da rispondere a carichi variabili con rampe di variazione più rapide (da qualche minuto a pochi secondi).

L’esercizio flessibile degli impianti implica numerosi effetti collaterali, alcuni potenzialmente dannosi per il funzionamento di certe apparecchiature (in particolare la caldaia e la turbina). Inoltre l’esercizio degli impianti in condizioni di off-design ha un forte impatto sull’efficienza complessiva del processo e sulla produzione di emissioni inquinanti.

Ad oggi si possono raggiungere rampe di carico anche del 10%/min. del carico massimo e i generatori di vapore “once-through” privi di corpo cilindrico sono i più adatti a inseguire il carico elettrico e garantire variazioni di carico veloci. Rampe di carico sempre più ripide saranno necessarie con l’incremento della produzione energetica da fonte rinnovabile.

Gli impianti CFBC (Circulating fluidised bed combustion) mostrano comportamenti analoghi agli impianti a polverino di carbone. L’esercizio flessibile di impianti IGCC (Integrated gasification combined cycle) e A-USC-700°C (Advanced ultra-supercritical – 700°C) è ancora in fase di studio.

Le apparecchiature degli impianti a carbone eserciti in condizioni non nominali sono soggette a maggiori stress termici e sollecitazioni meccaniche che possono provocare danneggiamenti specie delle parti in pressione. Gli interventi necessari a fornire una maggiore flessibilità operativa variano a seconda della sezione dell’impianto.

Nel caso del parco carbone è opportuno ridurre la dimensione e aumentare il numero di mulini. A monte della caldaia può essere previsto un sistema per l’essiccamento del combustibile, specie per le ligniti. In caldaia, il montaggio di bruciatori moderni alimentati con portate di combustibile inferiori a quelle nominali consente di ridurre al minimo gli spegnimenti dell’impianto mantenendo la caldaia in condizioni di stand-by. Nei fasci tubieri della caldaia, per garantire maggiori velocità di scambio termico, si possono utilizzare acciai ad alta resistenza a parete sottile. La maggiore stabilità del processo può essere ottenuta anche con l’installazione di un preriscaldamento del vapore esterno alla caldaia in modo da ridurre i tempi di start-up e con l’aumento della portata ai fasci evaporatori. Durante le variazioni di carico, per non danneggiare i catalizzatori, è necessario mantenere costante la temperature a valle dei reattori SCR (selective catalytic reduction) agendo sui pre-riscaldatori di aria. Quando la caldaia è in fase di accensione o di spegnimento, per ridurre gli stress termici è buona norma prevedere un by-pass nella turbina cosi da gestire la velocità di variazione della temperatura del vapore. L’utilizzo del vapore per raffreddare l’alloggiamento della turbina garantisce maggiori velocità di start-up. Per il controllo di frequenza è possibile utilizzare alcune tecniche tra cui il condensate throttling, il by-pass dei pre-riscaldatori del sistema acqua-alimento e il by-pass dello stadio di alta pressione della turbina. Il controllo della caldaia e della turbina va ottimizzato installando sistemi auto-adattativi basati su algoritmi predittivi.
In definitiva i meccanismi potenziali di danneggiamento dell’impianto sono ben noti e occorre intervenire al fine di garantire maggiore flessibilità all’impianto senza pregiudicarne la vita utile e l’efficienza netta del processo di produzione di energia elettrica. EL

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