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Progettazione e gestione degli impianti di potenza per un funzionamento discontinuo

Figura 1. Obiettivi di Sviluppo Sostenibile(https://www.cesvi.org/appuntamenti/seminario-gcap-sullagenda-2030/)

CCC/295

La flessibilità di alcune centrali elettriche a carbone è sempre stata un requisito importante per bilanciare domanda e offerta di energia. Tuttavia, negli ultimi anni l’integrazione nelle reti elettriche di energie rinnovabili variabili (VRE, Variable and intermittent Renewable Energy), come il solare e l’eolico, richiede che le centrali a carbone si adattino a nuovi regimi operativi per bilanciare le fluttuazioni della produzione da queste fonti intermittenti. Il ruolo delle VRE è diventato centrale nelle politiche energetiche delle economie avanzate, in particolare nell’Unione europea, oltre ad essere rilevante per gli obiettivi di sviluppo sostenibile (SDGs) delle economie emergenti.

In particolare l’obiettivo 7 (Assicurare a tutti l’accesso a sistemi di energia economici, affidabili, sostenibili e moderni) promuove l’energia pulita e accessibile e incoraggia lo sviluppo di fonti energetiche più sostenibili come appunto le VRE.

Figura 1. Obiettivi di Sviluppo Sostenibile(https://www.cesvi.org/appuntamenti/seminario-gcap-sullagenda-2030/)

Figura 1. Obiettivi di Sviluppo Sostenibile(https://www.cesvi.org/appuntamenti/seminario-gcap-sullagenda-2030/)

La generazione flessibile di energia facilita la gestione della rete e della domanda e ha una funzione chiave nel garantire un’adeguata stabilità del sistema energetico. Per adeguare l’operatività di una centrale elettrica a carbone alle fluttuazioni della rete non esiste un’unica soluzione, in quanto i requisiti di flessibilità variano tra le diverse centrali elettriche, a seconda delle caratteristiche della rete, del mercato elettrico e dei costi specifici. Per alcune è importante raggiungere un carico minimo di base, mentre per altre si tratta di garantire un avvio rapido e tempi ridotti per arrivare alla potenza massima. Le centrali a carbone ad alta efficienza e basse emissioni (HELE) rappresentano una tecnologia adatta a gestire in modo flessibile le naturali fluttuazioni delle VRE.

Un impianto viene considerato flessibile quando funziona con un carico minimo basso, per ridurre il numero di arresti necessari e, di conseguenza, l’impatto sulla vita dei componenti e sui costi operativi.

Per operare a carico minimo ridotto è fondamentale una combustione stabile attraverso: procedure per l’ottimizzazione della granulometria del carbone e del rapporto aria/combustibile; sistemi di combustione indiretta; il monitoraggio della fiamma.

Il funzionamento flessibile dell’impianto può avere un impatto significativo su tutte le sezioni di una centrale elettrica a carbone. Questo a causa dell’aumento delle sollecitazioni termiche e meccaniche che, combinate con altri effetti, riducono la vita media di molti componenti. La riduzione di potenza termica della caldaia comporta un maggiore consumo di energia ausiliaria e un corrispondente aumento delle emissioni specifiche di CO2. Inoltre, in caso di una forte presenza di energie rinnovabili nella rete elettrica, i costi operativi per le centrali a combustibile fossile aumentano in media del 2-5%.

La flessibilità delle centrali elettriche esistenti è migliorata, implementando nuove tecnologie, modificando o sostituendo le procedure operative e adeguando la formazione specifica del personale ai nuovi regimi di carico. Di solito è necessario adattare la strumentazione e i sistemi di controllo al funzionamento a carico parziale, avendo rendimenti diversi a pieno carico. In questo modo si riesce ad ottenere un impianto flessibile e un miglioramento dell’accuratezza, dell’affidabilità e della velocità di controllo, senza un aumento significativo dei costi.

Tuttavia, per le vecchie centrali elettriche con una limitata vita residua, non è possibile l’ammodernamento con nuovi sistemi. In questi casi si cerca di migliorare la gestione degli impianti intervenendo sulle strategie di manutenzione e sulle procedure operative.

L’adeguamento delle manovre di avvio è una fra le misure più complesse e costose poiché generalmente richiede un intervento sui bruciatori. La riduzione dei tempi di messa in marcia e la capacità di raggiungere rapidamente il carico desiderato garantiscono una risposta dinamica ai cambiamenti imposti dal mercato. Le strategie di accensione messe in atto richiedono più azioni: l’utilizzo di sistemi al plasma o a iniezione elettrica; l’integrazione con una turbina a gas; la riduzione del diametro dei componenti della caldaia a parete spessa. È inoltre consigliabile procedere alla pulizia dalla caldaia, in quanto lo slag e la fuliggine impattano sull’efficienza di combustione.

Figura 2. Confronto tra il consumo delle testate del surriscaldatore con durata di utilizzo di 100.000 ore e 200.000 ore (Reischke, 2012)

Le prestazioni dei sistemi di monitoraggio delle emissioni possono essere influenzate da un funzionamento flessibile in quanto la temperatura del gas di combustione cambia ciclicamente. Valori stabili della temperatura impattano sui sistemi di controllo, soprattutto degli ossidi di azoto (NOx), e possono essere ottenuti utilizzando un riscaldatore ausiliario prima dell’ingresso – SCR (riduzione catalitica selettiva) – o attraverso più zone di iniezione – SNCR (riduzione selettiva non catalitica).

Per la sezione di desolforazione dei gas di scarico (FGD) è necessario ridurre al minimo il numero di arresti e avviamenti per evitare la solidificazione dei liquami e l’accumulo di residui di olio combustibile all’interno del desolforatore, nonché evitare lunghi periodi di riscaldamento. I controlli del particolato (PM) necessitano di una combustione stabile e di solito si adattano facilmente a condizioni operative flessibili se la temperatura del gas non è inferiore a 90°C.

La corretta manutenzione di tutti i circuiti vapore è essenziale per garantire la limitazione dei guasti specifici. I rischi sono maggiori per le unità aventi funzionamento ciclico in quanto frequenti avviamenti/arresti e periodi di attesa comportano la variazione delle condizioni fisico-chimiche all’interno del circuito acqua/vapore, causando corrosione e altri danni.

Attualmente i nuovi impianti, grazie all’uso di materiali innovativi per i componenti operanti ad alta pressione e un’adeguata progettazione basata su una vita utile inferiore, sono realizzati per garantire flessibilità ed efficienza senza aggravio di costi.

Al fine dell’integrazione con le VRE, le tecnologie descritte in questo report mettono in evidenza i metodi per ottimizzare, sia dal punto di vista operativo che ambientale, le caratteristiche dinamiche delle centrali a carbone, come la capacità di funzionamento flessibile, garantendo buone prestazioni e ridotte perdite di efficienza durante il funzionamento discontinuo. DMarotto