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CCC/275

La conservazione dell’acqua nelle centrali elettriche a carbone

Anne M Carpenter

Febbraio 2017

La conservazione dell’acqua nelle centrali elettriche a carbone sta diventando una questione di fondamentale importanza dal momento che la disponibilità idrica è attualmente molto critica e le normative sull’utilizzo della stessa sono più rigorose. Le problematiche legate alla scarsità della risorsa idrica non riguardano unicamente le regioni in cui si ha già di per se poca disponibilità di acqua, infatti anche le zone in cui si ha normalmente, una vasta possibilità di sfruttamento idrico possono attraversare periodi di siccità, ondate di calore, variazioni stagionali e altri fattori che le mettono fortemente a rischio. Ad esempio, alcune centrali elettriche in India, come lo stabilimento di Tiroda da 2600 MW di Maharashtra, hanno dovuto chiudere temporaneamente nel 2016 a causa della mancanza di acqua. Il numero di centrali elettriche colpite da questo problema è destinata ad aumentare in futuro, con gravi conseguenze economiche.

C’è una vasta gamma di opportunità e tecnologie disponibili per il risparmio delle risorse idriche negli impianti di generazione elettrica, in cui il più grande consumatore di acqua è il sistema di raffreddamento. In particolare, in un sistema di raffreddamento a ciclo aperto, una migliore e più efficiente progettazione può far diminuire la quantità di acqua utilizzata. In questi processi l’acqua viene prelevata dalla fonte idrica e, dopo il suo utilizzo nel condensatore, viene restituita alla fonte stessa ad una temperatura leggermente superiore. I condensatori a ciclo aperto sono caratterizzati da perdite idriche principalmente per evaporazione, trascinamento e spurgo. Tali perdite diventano trascurabili nelle torri di raffreddamento a ciclo chiuso, in cui le perdite per evaporazione si riducono tramite il raffreddamento dell’aria e dell’acqua in uscita dal condensatore prima dell’ingresso nella torre; le perdite per trascinamento si riducono fino allo 0,0005-0,002% del flusso d’acqua circolante tramite l’installazione di separatori di gocce; le perdite per spurgo si riducono tramite l’installazione di sistemi di trattamento delle acque reflue. Tali tecnologie di trattamento acque sono molto costose, tuttavia sono già in funzione in alcuni impianti. L’introduzione di normative sempre più stringenti sulle acque reflue porterà sempre più impianti ad avere una sezione di trattamento di acque di scarico.

I sistemi di raffreddamento a secco potrebbero far risparmiare notevoli quantità di acqua. Tali sistemi utilizzano aria come mezzo di raffreddamento. Tuttavia, l’aria è un agente di raffreddamento meno efficiente rispetto all’acqua e, di conseguenza, l’efficienza energetica di una centrale che utilizza tale tecnologia a secco è minore di 2-7 punti percentuali rispetto ad un centrale analoga in termini di potenza, ma caratterizzata dalla presenza di una torre di raffreddamento ad umido. Inoltre, efficienze minori implicano un maggior utilizzo del carbone per unità di energia elettrica, che, a sua volta, comporta maggiori emissioni di CO2. Nonostante gli inconvenienti, alcuni governi stanno promuovendo le tecnologie di raffreddamento a secco per alleviare la pressione sulle risorse idriche. Ad esempio, il governo locale in alcune regioni della Cina, caratterizzate da particolari problemi di risorse idriche, ha fissato come requisito obbligatorio per le nuove centrali elettriche a carbone, l’istallazione dei sistemi di raffreddamento a secco. Una quantità considerevole di risorse economiche sono state destinate alla ricerca affinché si trovino soluzioni per eliminare gli inconvenienti dei sistemi raffreddamento a secco e si sviluppino nuove tecnologie alternative.

Il secondo più grande consumatore di acqua in una centrale elettrica a carbone è il sistema di desolforazione ad umido (FGD – Flue Gas Desulphurisation). Raffreddare i gas di scarico a monte dello scrubber ad umido (per esempio con scambiatori rigenerativi) riduce il consumo di acqua di circa il 40-50%. In commercio vi sono i sistemi di desolforazione a semisecco (spray-dry scrubbers e circulating-dry scrubbers) che consumano circa il 60% in meno di acqua rispetto ai sistemi ad umido e non producono acque reflue, ma sono in grado di catturare meno SO2. Tuttavia, gli impianti di lavaggio a semi-secco, rispetto a quelli ad umido, sono in grado di catturare più SO3 (oltre il 99%) e il mercurio ossidato, tali inquinanti sono attualmente oggetto di normative sempre più stringenti. D’altra parte, i sistemi ad umido utilizzano un sorbente meno costoso (carbonato di calcio) rispetto ai sorbenti utilizzati nei sistemi a semi-secco.

Negli impianti per la generazione elettrica in cui sono presenti i sistemi di cattura della CO2 tramite solventi amminici, aumenta in modo significativo il consumo di acqua. Le tecnologie di cattura del carbonio che potrebbero ridurre il consumo di acqua e di energia sono ancora in fase di sviluppo.

Il reintegro e lo spurgo delle caldaie sono attività necessarie rispettivamente sia per compensare le perdite (molto piccole) e utilizzare i soffiatori di fuliggine a vapore, necessari per pulire i tubi della caldaia, sia per preservare l’elevata purezza dell’acqua e del vapore all’interno del sistema. Esistono in commercio sistemi intelligenti che riducono al minimo il consumo di vapore nei soffiatori di fuliggine, ovvero altre tecnologie di pulizia dei tubi della caldaia che non richiedono l’utilizzo di acqua come gli impianti ad aria compressa e i soffiatori acustici di fuliggine.

Recuperare il vapore acqueo dai mulini polverizzatori del carbone prima della combustione o dal sistema di pre-essiccazione dei gas di scarico dopo la combustione, farebbe risparmiare una notevole quantità di acqua. In alcuni casi, dai fumi di combustione, si recupererebbe un’elevata quantità di acqua tale da consentire ad una centrale elettrica, con raffreddamento a secco, di diventare co-produttore di energia elettrica ed acqua. Tuttavia, nessuno di questi sistemi (scambiatori di calore a condensazione, membrane ed essiccatori) è stato dimostrato, in tali configurazioni, su centrali elettriche a carbone di grande taglia. I sistemi commerciali come gli essiccatori di carbone nei mulini polverizzatori possono essere adattati per recuperare il vapore acqueo attualmente inviato in caldaia. Tale configurazione porterebbe ad un minore volume di gas di scarico e di conseguenza ad un minor consumo di acqua negli FGD ad umido e nelle torri di raffreddamento. Nuove tecnologie e nuove configurazioni per il recupero ed il riutilizzo del vapore sono in fase di studio e di sviluppo.

Un altro modo per risparmiare l’acqua negli impianti elettrici è quello di sostituire il sistema di rimozione delle ceneri ad umido (lavaggio delle ceneri) con uno a semi-secco (in cui le ceneri vengono disidratate e l’acqua raccolta e poi riciclata) o con un sistema completamente a secco (in cui si utilizza l’aria come mezzo di raffreddamento delle ceneri). Inoltre, un sistema di rimozione a secco delle ceneri migliora la qualità delle ceneri pesanti (presentano un minor contenuto di carbonio) e aumenta l’efficienza termica della caldaia.

La domanda globale di energia e di acqua è in continua crescita, pertanto la vulnerabilità delle centrali elettriche a causa della disponibilità assai critica delle risorse idriche è destinata ad aumentare. Di conseguenza negli impianti di generazione elettrica si ha bisogno di rimodernare le tecnologie di risparmio idrico, mentre le nuove centrali devono essere progettate affinché l’acqua possa essere salvaguardata. GCau