FONTI RINNOVABILI CAPITOLO 4
TURBINE A GAS FUNZIONAMENTO: per la produzione di energia elettrica più semplice ad una sola linea d albero è costituto da un compressore multistadio in cui l aria aspirata è compressa una camera di combustione una turbina o espansore dove la sua potenza viene in parte assorbita dal compressore e la parte restante fornita al generatore elettrico coassiale
COMPONENTI TURBINE A GAS: è composta da tre macchine ossia il compressore il combistore e l espansore. COMPRESSORE è sempre trascinato direttamente dall'espansore mediante un collegamento meccancio è sempre assiale multistadio con portata volumetrica costante. LE PALETTE statoriche all ingresso sono dotato di calettamento angolare variabile in modo da permettre variazione portata dell aria aspirata Il funzionamento va considerato sempre come dipendente da condizioni aspirazione e di mandata. Esistono due condizioni limite di funzionamento denominate STALLO E POMPAGGIO in condizionedi stallo dove la portata del compressore si riduce a zero a causa di condizioni di aspirazione o mandata anormali. La condizione di pompaggio è dove l evoluzione dello stallo portando alla formazione di treni di onde di pressione che si muovono longitudinalmetnte lungo asse compressore. COMBUSTORE provvede ad innalzare la temperatura del ciclo mediante il calore generato da reazioni di ossidazione del combustibile. Quindi poichè la temperatura raggiunta dai gas combusti è limitata dalla resistenza dei materiali la uantità del combustibile utilizzata è notevolmente inferiore a quell astechiometrica. Mantenere la cmbustione con elevati eccessi d aria rende necessario creare camera combustione con zona primaria in cui affluisce solo na parte di arai comburente per realizzare un corretto rapporto aria combustibile nn lontana da astechiometrica. e creare poi zona secondaria per completare ossidazione e una zona di diluizione pe ottenere temperaura dei gas combusti adeguata per il loro ingresso in turbina. Tutto questo porcesso è realizzato dai liner ossia un cilindro forato che contiene la fiamma e permette passaggio dell aria di diluizione attraverso fori. inoltre isola termicamente fiamma dalle pareti esterne del combustore. Esistono tre tipi di combustori: COMBUSTIONE ANULARE, poichè il liner costitutisce un anello che colelga direttamente uscita compressore con ingresso in turbina. COMBUSTORE MONOTUBOLARE: che è il più semplice con liner e camera di combustione cilindrici e viene messo esternamente a fianco della turbina e ha perdite di carico elevate COMBUSTORE MULTITUBOLARE: ha numerosi combusotri tubolari nell anello di adduzione dei gas alla turbina distiribuiti intorno asse della macchina. Le turbine a gas sono motori a combustione interna in cui i gas combusti partecipano direttamente al ciclpo e quindi i gas nn devono essere aggressivi come GN.
CENTRALI GEOTERMOELETRICHE:SONO IMPIANTI CHE UTLIZZANO VAPORE NATURALE DEL SOTTOSUOLE OSSIA DEI DOFFIONI BORACIFERI PER GENERARE ENERGIA ELETTRICA IL SOFFIONE è un getto naturale o ottenuto per trivellazione di vapore mescolato ad alatre sostanza esso si sprigiona da grandi profondita del sottosuole oltre 1000 metri Per mantenere o incrementra produzione del fluido eneogeno ci sono due strategie: esplorazione prodonfa per verifica presenza nuovi orizzonti produttivi all interno del basamento metamorfico sottostante serbatioi carboantico e reinieizone di vpaore condensato ed acqua all interno del servatioi per incrementare la produzione di vapore dai pozzi già in esercizizio il fluido erogato dai pozzi è una miscela di vapor d acqua e gas ossi anaidride carbonica ecc la temperatrua del fluido erogato varia da 150 a 260 gradi anche la pressione al pozzo varia con portata utilizzato la portata massima del pozzo nn può superare 200 t/h
CELLE FOTOVOLTAICHE: UTILIZZA IL FENOMENO DELL INTERAZIONE ENEGIA LUMINOSA CON ELETTRONI VALEZNA NEI MATERIALI SEMICONDUTTORI COME IL SILICIO CRISTALLINO dove i suoi atomo sono costituti da 14 elettroni e ne possidono4 di valenza disponibili per legarsi in coppia con elettroni di valenza di altri atomi questo legame elettrostatico può essere specato con opportuna quantità di energia trasmessa dal sole all elettrone di legame che saltno dcosi ad livelolo enegetivo superiore diviene libero di muoversi nel semiconduttore e in grado di contribuire con presenza di campo elettrico al flusso di elettricità nel passare alla banda di conduzione le eltrorne si lascia dietro una lacuna che viene occupata facilemente da altri elettroni e si ricrea lacuna e nuovo posto libero cosi il movimento degli elettroni determina anche il movimento delle lacune il flusso di elettroini è ordianto e oreintato da una campo elettrico creato all interno della cella co sovrapposizione due strati di silicio dove in ognuno e introdotto un particolare elemento chimidco come fosforo o boro con operazione di drogaggio il rapporto tra stmo di fosforo o noro per ogni miliore di atomi disilicio nello strato drogato del fosforo con valkenza 5 si costitutsce una carica negativa debolmente legata composta da un quinto eletrone di valenza di ogni atomo di fosforo il boro con valenza 3 determina carica positiva ine ccesso composta da lacune presenti in atomi di noro quando legano con silicio lo strato negativo si indica con N e lo strato positivo con P la zona di separazione è detta giunzone P-N SOVRAPPONENDO I DUE STRATI SI ATTIVA UN GLUSSO ELETTRONICO DALLA ZONA NA LALLA ZONA P che raggiuny equilobro elettrostatico detemrina eccesso di carica positiva in zon N dovuto a fosforo con elettrone in meno ed ecceso negativa in p . cioè è il campo eelttrico stabile che fcilita passaggio degli elettroni verso zona N ostacolando flusso inverso i fotoni luce solare quando colpiscono cella sono rilfessi assorbiti o possono attarversarla se assorbito produce calore oppire con sufficiente energia libera eltrrone spingendolo in banda di conudzione e danno origine a flusso eletronicounidirezioneale che in caso di connessione con donuduttori all interno cirucioto chiuso produce corrente eletrrica la cella fotovoltaic un diodo di grande siperficie con due bipoli esponendola a radiazione solare la cella di comporta come generatore di corrente 3 caratteristicbe area cella intensita radiazione e temperatura con tre materiali di silicio silicio monocristallino, poli, amorfo celle a film sottile com materiale semiconduttore depositato come miscela di gas su supporti di vetro polimeri alluminio SOLARE TERMOELETRICO OSSIA IMPIANTI A TORRE SOLARE l la radiazione solare viene riflessa e concnetrata da specchi lievemente concavi ossia elioststi su un ricevitore posto alal sommita di una torre gli eliostati si muovono in modo ordinato in modo che radiazione incida costantemente su ricevitore dove circola fluido che si riscalda e cede clore in generatore id vapore rankine mancanza di sole sali fusi una miscela di nitrato di sodi e potassio impianti disco parabole conmotorei stiling
ESPANSORE O TURBINA: LE TEMPERATURE sono molto alte quindi si necessita l adozione di efficienti sitemi di raffreddamrnto delle palettature fisse e mobili, che avviene secono diverse modalità di scambio termico. RAFFREDDAMENTO CONVETTIVO prevede lo scambio di calore attraverso parete metallica della pala tra il gas e aria di raffreddamento RAFFREDDAMENTO A FILM consiste nel ecreare un film di fluido a bassa temperatura che agisca come barriera termica tra i gas e la parete metallica della pala. Ma bisogna realizzare pale in modo più complesso con numerosi fori di precisione edd elevata pulizia aria per evitare occlsione forellini. L aira cìscorre attraversso una serie di fori di raffreddamento che percorrono pala in lunghezza e fuoriesce dagli stessi fori in estermità superiore e si unisce a flusso di gas partecipando ad espandione residua. RAFFREDDAMENTO A VAPORE: sulle turbine più recenti si effettua un raffreddamento a vpore in ciclo chiuso dove il vapore ha caratteristiche di scambio termico migliori dell aria perchè negli altri casi l aria diminuiva anche salto entalpico utile
CENTRALI TERMOELETTRICHE RIPOTENZIATE CON TURBINE A GAS OSSIA REPOWERING. ANNI 80 90 venne abbandonato per avvento cicli combinati tre alternative principali FULLY FIRED in cui i gas scaricati dalla turbina sono inviati al generatore di vapore sostituebndo l aria comburente UNFIRED: CON PRERISCALDAMENTO ACQUA DI ALIMENT inc ui si utilizza il calore gas scaricati da turbina per riscalmento linea alimento della caldaia. UNFIRED CON PRODUZIONE DI VAPORE DI MEDIA PRESSIONE: in cui il contentuto termiodei gas di scarico e utilizzato per generare vapore surriscaldato a media pressione a stesse condizioni del avpore risurriscaldato del ciclo a vapore.
CONFRONTO CENTRALI TERMOELETTRICHE TRADIZIONALI E A CICLO COMBINATO caratteristiche principali ciclo combianto: costi idi investimento inferiori dove il costo del kw scnede fino al 50 % rispetto a costo impianyo policombustibile e desolforazione del 6 % costi di produzione competitivi rendimento globale nettamente migliore inoltre i prodotti di combustione possono essere rilasciati a temperature più basse e conbustibile impioegato è gas natrale
CICLO COMBIANTO OSTO COMBUSTIONE: I gas scaricati dalla turbine a fas si prestano a subire un ulteriore combustione qualore lo si ritenga utile mediante serie di bruciatori posti prima della sezione di scmabio termico della caldaia a recupero qusto processo è possiile grazie a contrnuto di ossifeno ancora elevato in gas di scarico a causa di ecceso d airia nelle turbina a gas lo scopo della post combustion eè l aumento di porduzione di vapore nel gvr e della potenza turbina a vpore rendimento come rapporto tra potenza termica addzionale e potenza termica sviluppata in post combustore è molto elevato si puòottenere minor temperatura al camino se si parte da temepratura più elevata e si produce maggiore quantità di vapore pero comporta diminuzione rendimento del ciclo infatti l enregia liberata dal combustibie impiegato in psot combustione viene convertita in energia elettrica attravero il solo ciclo a vapore di recupero quindi con rendimento elettrico ben inferiore al ciclo combinato unfired nel quale energia combustibile impiegato in rubina a gas è utilizzato con cascata pria il ciclo a gas e poi ciclo a vpaore anche s ela diminuzione del ciclo ossia del rendimento può essere contenuta con miglioramento prestazioni del ciclo a vapore di recupero
ENERGIA VENTO FONTI ENERGIA PRIMARIA PER ANTICHITà PER PPROPULSIONE DEI ANTANTI E SUCESSIVAMENTE PER AZIONAMENTO MULINI a vento utilizzazione enetgia vento con motori a vento o per produzione energia eletTRICA DOVE il vento aziona delle turine a vento che esigono potenza meccanica proporzionale acubo della velocità del vento le turbine a vento sono costitute da rotore con mozzo e alcune pale il rotore può essere accoppiato ad un moltiplicatore di giri che trasformala rotazione lenta delle pale in una rotazione più veloce adatta al funzionamento del generatore. poi un sitema di controllo racciuso all interno della navicella regola automaticamente le funzioni dell intero sistema assicurandone le migliori prestazioni e garantendone la sicurezza l aerogeneattore e sostenuto da una torre ancorata al terreno nelle installazioni off shore ossia inmare l aerogeneratore deve essere ancora al fondale marino e quindi si prediligono acqua porndo lungo costa in cui il vento spira forte e costante in assenza di ostacoli . ora sono in sutido piattaforme galleggianti ancorabili a fondali prodnofi anche più di 100 metri che consente l installazione di impianti eolici fino a 20 km di distanza dalle coste gli aerogenaratori hanno dimensioni molto grosse in basr a potenza ma è energia molto intermittente la potenza del vento è sfruttabile quando la sua velocità è compresa tra 4 e 5 m al secondo e massimo di 20 25 m al secondo
ENETGIA DELLE BIOMASSE E DAI RIFIUTI dove la biomassa è la materia organica prevelantemente vegetale sia spoantanea che coltivata dall uomo terrestre e marina prodotta per l effetto del processo di fotosintesi clorofilliana con apporto di energia della radiazione solare di acqua e di sostanze nutritive biomasse: prodotto coltivazioni e forestazione residui lavorzioni agricole alghe attivita biologica animale e rifiuti soldi urbani le biomasse si suddividono in 4 categoreie+ residui forestali dell industria del legno sottoprodotti agricoli residui agroalimentari colture energetcihe queste risorse sono innocue per quanto riguarda effetto serra poihceh anidrire prodotta da loro combustione viene riassorbita dalle piate con fotosintesi il basso contenuto di zolfo e altri inquinanti fa si che allevino il fenomeno di piogge acide i processi di conversione in energia delle biomasse hanno due caegorie processi termochimici ossia esotermiche e biochimici con contribuito funghi e enzimi le biomasse servono per produzione calore del riscaldamento efifici ossia biomasse ligno cellulosiche caldaie a legna in epzzi grossi o a legno sminuzzato o cipato più piotenti anche per energia elettrica con vapore introdotto in caldaia a griglia o a letto fluido
CICLO COMBINATO: nei cicli normali dove il grande contenuto energetico dei gas scaricati va in atmosfera. se viene recuperato avrò rendimenti migliori. nel ciclo combinato si ottiene ciò dove energia elettrica viene prodotta da alternatori mossi da turbine a gas e turbine av pore tra loro combinate per fatto che che gas di scarico della turbina a gs per mezzo di generatore a vapore di recupero producono il vapore necessario per alimentare turbina a vapore. ilrendimento è tanto maggiore quanto è la differenza di temperatura estrema in cui opera il ciclo stesso il ciclo a vapore opera con una temperatura media relativamente bassadurante la fase di apporto di caloree per converso presena una temperatura bassa assai vicina a quella ambientale nella fase di cessione del calore residuo all ambuiente esterno invece la turbina a gas ha situazione inversa la temperatura media in fase di apporto calore e più alta ma anche quella di cessione è molto elevata QUINIDI ILPROCESSO COMPLESSIVO COMBIANTO impiega calore alla temperatura elevaa di turbina a gas e cede calore a temperatura basse del condensatore turbina a vapore realizzando codnizioni ottimali e rendimenti globali superiori al 50% Nel ciclo brayton a gas il calore fornito in camera di combustione della TG e i gas prodotti di espandono in turbina permettendo conversione parziale del calore in energia meccanica i gas dopo epansione in turbina vengono convogliati in generatore a vapore a recupero e inviati al camino nel ciclo rankine l acqua viene riscaldata e si surriscalda con spese del calore posseduto da gas scarico del turbogas . il avpore surriscaldato si espande in turbina e viene condesnato cedendo calore nel condesnsatore a temperatura vicina a quella ambiente la potenza termica qa cv assorbita dl ciclo a vapore sarà uguale a quella scambiata con gas di GVR mentre potenaza termica Q2tg ceduta dal rubogas è uguale a qeualla che possedevano gas all entrata di GVR PER OTTIMIZZARE crendimento ciclo combinato occore ciclo a vpore fornisca massima potenza utile possibile ricavibile recuperandoil claore dei gas in uscita da tg e rendendono massima potenaza Carnot E CI VUOLE PRESSIONE OTTIMA DI EVAPORAZIONE
GVR: è sede del trasferimento di calore tra gas uscenti da turbina a gas e il fluido che percorre ciclo rankine quindi porvvede e tre operazioni di scamio termico riSCALAMENTO acqua nel economizzatore evaporazione acqua nell evaporatore surriscaldamento vapore nel surriscaldatore disposizione in controcorrente essenziale per surriscadare vapore per rendeimento Lo scambio termico tra gas e vapore ha tre differenze di temperatura pinch point che è la minima differenza di temperatura nell evaporazione approach point che per surriscaldamento subcooling per raffreddamneto ossia differenza temperatura evaporazione e acqua uscita economizzaotr temperatrua massima di uscita dal gas dalla turbina è 600 gradi un elemento distintivo per GVR è il tipo di circolazione nel banco evaporazione ossia di tre tipi circolazione naturale circoalzione assistita e attraversamento forzato
VARIAZIONE PRESTAZIONI TURBINE A GAS: si utilizzano come condizione di riferimento le condizioni normalizzate ISO DOVE LA TEMPERATURA è 15 gradi pressione amniente 1013 mbar umidità relativa 60 percento assenza di perdite di carico e aspirazione e scarico combustbile GN e macchina nuova e pulita In condizioni di BASE LOAD ossia condizioni di funzionamento uguali a quelle di progetto.Quindi dato che il confronto è diffcile i costruttori forniscono curve di correzione che consento di calcolare la potenza che l impianto deve erogare I fattori che hanno maggior effetto su prestazioni TG sono: una Tg funzionante a velocità costante e cn temperatura dell aria ambiente è una macchina ttareversata da portata volumetrica costante, La sezione di ingresso compressore e ingresso turbina hanno portate di verse ma costanti nel tempo VEDI FORMULE le prestazonei del turbogas cariano al varirare di questi fattori esterni: temperatura aria ambiente, pressione atmosferica e umidità relativa e poi da fattori interni come: perdite di carico all aspirazione perdite di carico allo scarico, tipo di combustibile, steam injectuon e water injection e raffreddamento arai aaspirata dal compressore e sporcamento compressore. SPORCAMENTO COMPRESSORE: LA PALETTATURE DEL COMPRESSORE è soggetta a sporcamento a causa di depositi che si formano durante esercizio macchina da contaminanti provenienti da ambiente esterno e dalla stessa machcina. Possono essere. particelle dure che causano erosione e cporcamento, poi particelle leggere che causano solo sporamento come fuliggine e queste ne riducono l efficieneza aerodinamica e la portata di aria aspirata determinando in definitiva un decremento delle prestazioni dellA tg. esistono tecniche di lavaggio per compressori come lavaggio offline o om line in parallelo in ortoazione alla velocità.
SISTEMA DI COMBUSTIONE: IL TB ha numerosi comnistpro disposti circonferenzialemnte intorno all asse dellal macchina. L accensione della macchina è ottenuta tramite candele allogiate in acluen camere di combustione dove la rilevazione della fiamma è assicurata da scanner. Le pareti dei combustiori sono raffreddate a convezione e a film da aria spillata dal compressore. Quini in alcuni casi il combustore p dotato di un iniettore pilota e più iniettori pricnipali del combustibile,; dove quello principale è costitutito da ugelli combustibile tradizionali con funzionamento a fiamma difssuvia quindi questo piolta garantisce una regione di gas molto calda che ricircolano in zona primaria combustore migliorare accensione e stabilità combustione. L combustione porta alla formazione di ossidi di azoto NOx che si formano cn tre meccanismi diversi: FUEL NOX generati da azoto contenuto nel combustibile PROMPT NOX derivanti da azoto atmosferico e prodotti all istante dellla combustione THERMAL NOZ prodottti per dissociazione e successiva ossidazione per via termica. la loro formazione dipende da quantità di ossigeno disponibile per combustione e temperatura fiamma per reazione di combinazione azoto ossigeno.
CICLI GAS IDEALI: ciclo brayton per turbine a gas è composto da queste trasformazioni: una compressione adiabatica da 1 a 2 un riscaldamento a pressione costante da 2 a 3 un espansione adiabatica da 3 a 4 una cessione di calore a pressione costante da 4 a 1 PER ESSERE IDEALE occorre che le trasformazioni adiabatiche siano anche isoentropiche e che le isobare siano tali ossia il fluido non subisca perdite di pressione all interno degli scambiatori rendimento ecc VEDI FORMULE Con rapporto di compression beta limite dove il lavoro netto compiute nel ciclo tende a zero in quanto tende ad annullarsi il calore introdotto in trasformazione da 2 a 3 in Carnot. QUindi aumento il rapporto di compressione fino a limite vuol dire avere ciclo degenre con massimo rendimento ma non in grado di compiere lavoro utile.. Il lavoro si annullerà per beta= 1 e oer Beta alla ecc =T3/T1 ovvero T2=T3 e il lavoro max lo avrò per T2=T4 cosi individuo beta ottimale che rende max lavoro utile quindi di solito scelgo beta di compromesso tra quello con max lavoro utile e max rendimento Nelle macchine reali si adotta un ciclo aperto cn queste caratteristiche nella prima parte del ciclo il fluido è aria che è aspirata dal compressiore alla pressione e alla temperatura ambiente l intorduzione di calore nel ciclo avviene mediante processo di combustione interna in cui in camera di combustione è iniettato combustibile e i prodotti di combustione sono il fluido di lavoro la cessione di calore all mabiente esterno avviene disperdeno nell atmosfera gas combusti scaricati da turbina. Nella realtà le trasformazioni in compressore e turbina non sono isoentropiche ma politropiche. Inoltre bisogna considerare le perdite di pressione all aspirazione, nei combustori nei condotti ecc. inoltre l aria di raffreddamento delgi ugelli ecc dopo che raffredda viene miscelata con flusso principale e provoca perdite di lavoro e rendimento di ciclo. iN BASE a diagramma tra rendimento a lavoro si individua il rapporto di compressione ottimale dove rendimento e lavoro sono max in base alle esigenze. per lavoro utile macchine per lavori di punta e alto rendimento per svolgere compiti di carico di base
VARIANTI DEI CICLI A GAS una prima variante è a RIGENERAZIONE ossia inserimento tra compressore e combustore di scambiatore di calore ossia rigeneratore che rpreriscalda aria comburente prelevando calore dai gas di scarico prima di rilasciarli in ambiente per migliorare rendimento una seconda è la COMPRESSIONE INTERREFRIGERATA per migliorare prestazioni ciclo e la compressione avviene in due fasi con scambiatore di calore ossia intercooler che riduce temperatura intermedia; serve per diminuire lavoro di compressione per portare gas da p1 a p2 ottenuto diminuendo volume di conseguenza temoeratura Una terza variante è la RICOMBUSTIONE che consite in una espansione in turbina frazionata e intercalata da una secondo processo di combustione. pIù VARIANTI INSIEME ALLORA CICLO DI ERICSSON CON due isoterme e due isobare
