Aumentare l'efficienza delle centrali elettriche tradizionali significa bruciare meno carbone per generare la stessa quantità di elettricità. In passato l'incremento di efficienza era un modo per ridurre i costi del combustibile, ora è anche un mezzo per ridurre significativamente le emissioni di CO2.

L'efficienza delle centrali elettriche a carbone varia parecchio: la media globale è del 37,5% (rendimento netto, calcolato sul potere calorifico inferiore del combustibile) ma impianti moderni, come RDK8 in Germania e Nordjylland unit 3 in Danimarca, raggiungono efficienze superiori al 47%. Ciò significa che si potrebbero risparmiare circa 2 GtCO2/anno di emissioni se si colmasse il divario tra l'efficienza media e lo stato dell'arte. Una riduzione pari a circa il 5% delle emissioni globali annue di CO2 e a circa il 20% delle emissioni annue totali delle centrali elettriche a carbone.

Considerando che ogni aumento dell'1% di efficienza equivale a circa il 2,5% di emissioni in meno, l’aumento di efficienza delle centrali elettriche, sia per gli impianti esistenti che per quelli di recente costruzione, può rivelarsi decisiva per aiutare alcuni paesi a rispettare gli impegni dell'Accordo di Parigi. Inoltre contribuirebbe a ridurre le emissioni di altri inquinanti come ossidi di zolfo e azoto (SOx e NOx), particolato, mercurio e il contenuto di carbonio nelle ceneri.

I materiali limitano la tecnologia attuale

La riduzione dell’efficienza degli impianti a carbone è dovuta al deterioramento di alcuni componenti oltre che ad una manutenzione inadeguata e all’impossibilità di un ammodernamento dei sistemi di gestione.

Sebbene ci siano molti modi per aumentare l'efficienza di un impianto, i risultati migliori si ottengono aumentando la temperatura e la pressione del ciclo del vapore. Le attuali centrali elettriche a carbone ultrasupercritiche (Usc) a risurriscaldamento singolo raggiungono oltre il 47% di efficienza e funzionano con temperature del vapore di 600–620 °C e una pressione di circa 28 MPa. L’aumento di questi parametri è stato oggetto di studi per quasi due decenni. Aumenti massicci della temperatura del vapore fino a 700°C e della pressione fino a 36 MPa in centrali elettriche ultrasupercritiche avanzate (Ausc) sono tutt’oggi oggetto di ricerca e sviluppo in Cina, Europa, India, Giappone e Stati Uniti. Nonostante l'intensa ricerca in tutto il mondo dalla fine degli anni '90, il primo impianto ultrasupercritico avanzato deve ancora essere costruito.

La temperatura e la pressione di esercizio delle attuali centrali elettriche "Usc" sono limitate dalla cosiddetta barriera dell'acciaio, il limite oltre il quale questi materiali non possono più essere utilizzati in sicurezza. Per aumentare i parametri del vapore bisogna adottare nuovi materiali e utilizzare in maniera innovativa i materiali esistenti. Questi includono acciai martensitici e austenitici avanzati e leghe a base di nichel, che devono resistere a corrosione, erosione, ossidazione da vapore, sollecitazioni termiche e meccaniche, oltre ad essere testati in modo intensivo e certificati. Maggiore è la temperatura dell'impianto operativo, maggiore è la quantità di materiali avanzati richiesta, come mostrato in Figura 1.

[caption id="attachment_15763" align="alignnone" width="640"] Figura 1. Composizione del materiale per condizioni variabili del generatore di vapore[/caption]

Ausc: un trampolino per altre tecnologie

I risultati dei programmi di ricerca e sviluppo sulle centrali elettriche ultrasupercritiche avanzate di Cina, India, Giappone, Stati Uniti ed Europa, indicano che le leghe a base di nichel possono operare a più di 700°C di temperatura e alla pressione di circa 35 MPa. È però necessario un primo progetto dimostrativo su vasta scala, che dimostri le bontà delle prestazioni e delle caratteristiche economiche e operative della tecnologia rispetto ad altre tecnologie di generazione di energia.

Esistono varie stime sul costo di un potenziale impianto dimostrativo ultrasupercritico avanzato di grossa taglia. Alcune stimano la differenza rispetto a un impianto Usc in un 7-17% in più. Il costo aggiuntivo potrà essere compensato da risparmi sulle tasse di combustibile e emissioni di CO2.

Non è chiaro se e quando la prima unità Ausc dimostrativa di grossa taglia vedrà la luce. Non ci sono dubbi invece sul dove: l'Asia. L'ammodernamento delle centrali esistenti per raggiungere gli standard previsti per le centrali ultrasupercritiche avanzate presenta dei vantaggi rispetto alla costruzione di un nuovo impianto, ma anche molti ostacoli. Infatti, aumentare le condizioni del vapore oltre i 650˚C, utilizzando l'involucro della caldaia esistente, è una sfida tecnica ed economica. Pertanto, le opzioni di retrofit devono essere valutate con attenzione e per ogni impianto.

L'ammodernamento di un impianto subcritico e supercritico per raggiungere la temperatura del vapore delle centrali ultrasupercritiche, mantenendo la pressione del vapore dell'impianto originale, è un'altra area di crescente interesse. Questo tipo di retrofit riduce al minimo le modifiche all'impianto necessarie e mantiene bassi i costi aumentando l'efficienza dell'unità, come dimostrato nel progetto di retrofit di Xuzhou in Cina, dove è stato ottenuto un guadagno di efficienza del 4%.

Il lavoro sui materiali può essere visto come un passo verso lo sviluppo di nuove leghe ad alta temperatura, utilizzabili anche in altre opzioni tecnologiche avanzate per la generazione di energia, che richiedono l’uso di temperature elevate, come ad esempio il ciclo di generazione di energia con CO2 supercritica, le tecnologie nucleari e le energie rinnovabili.

Impianti a doppio risurriscaldamento e altre soluzioni 

Il doppio risurriscaldamento è un'altra strada per spingere l'efficienza verso il 50%. Questa tecnologia sta vivendo una rinascita in Cina, dove nell'ultimo decennio sono state costruite più di 12 unità. Le unità a doppio risurriscaldamento possono raggiungere elevate efficienze con i parametri di vapore ed i materiali utilizzati nelle unità Usc "convenzionali" e raggiungere fino a circa il 54% di efficienza con l‘introduzione delle superleghe di nichel.

Un aumento significativo fino a due punti percentuali dell'efficienza delle centrali a carbone può essere ottenuto anche mediante il recupero del calore dei fumi, in particolare utilizzando economizzatori a bassa pressione, sempre più popolari.

Conclusioni

Il carbone farà parte nei prossimi decenni del mix energetico in molti Paesi, soprattutto nelle economie in crescita nei continenti asiatico e africano. L'aumento di efficienza degli impianti diventa vitale per questi paesi per ridurre le proprie emissioni pur continuando a fare affidamento sul carbone.

La collaborazione internazionale nella realizzazione del primo impianto Ausc potrebbe essere un fattore abilitante significativo, poiché le risorse e il tempo necessari per completare la dimostrazione di tale impianto sono notevoli. L'articolo 10 dell'accordo di Parigi, che sostiene la collaborazione, lo sviluppo tecnologico e il trasferimento, potrebbero essere utilizzati per sviluppi futuri in cui la tecnologia ultrasupercritica avanzata sia l’elemento di partenza nei sistemi energetici ancora basati sul carbone. AMasili

CCC/310

Aprile 2021

Dr Malgorzata Wiatros-Motyka

Attività finanziata a valere sul fondo per la ricerca di sistema elettrico PTR 2019-2021.