Centrale a carbone di Saline Joniche - Tesina per istituto tecnico chimico

Istituto tecnico industriale “A. Panella”

Reggio Calabria

Esame di Stato 2012

Centrale a carbone

Di Saline Joniche

Aspetti storici, economici e chimici

Area di progetto della classe V°AH

Indirizzo chimico

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3 | Page ITIS “A. Panella” e “Progettosei”

Incontro tra scuola e mondo del lavoro

SEI S.p.A., società affiliata di Repower, sta progettando una centrale a carbone di ultima generazione in località Saline Joniche (Calabria), in un'area industriale dismessa. Il progetto prevede anche la partecipazione di Hera S.p.A., Foster Wheeler Italiana S.p.A. e Apri Sviluppo S.p.A.

Convegno tenutosi presso ITIS “A. Panella” R.C. 08/05/2012

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1. Premessa: il problema dei problemi - l’energia

Fra tutte le risorse di cui abbiamo bisogno, l’energia gioca un ruolo particolarmente importante, non solo perché usiamo energia in ogni azione della nostra vita, ma anche perché c’è energia incorporata in ogni prodotto della nostra attività. La chimica è coinvolta in mille modi nel problema energetico. In ogni reazione chimica c’è in gioco energia.

La raffinazione del petrolio, che porta alla forma di energia più usata nei trasporti, cioè i combustibili liquidi, è un processo chimico molto complesso e molto energivoro. La produzione di sostanze di uso comune richiede enormi quantità di energia: ad esempio, per produrre una tonnellata di materie plastiche si consuma una quantità di energia pari a quella generata da 2,5 tonnellate di petrolio. Oggi lo sviluppo delle energie rinnovabili, in particolare dell’energia solare e dell’energia eolica, richiede l’uso di materiali speciali, spesso basati su elementi chimici presenti in natura in quantità molto limitate, come le cosiddette Terre rare, che fino a pochi anni fa erano oggetto di studio solo da parte di alcuni specialisti.

Attualmente circa il 90% dell’energia primaria proviene dai combustibili fossili, una risorsa indubbiamente molto comoda, che usiamo in quantità massicce. Oggi al mondo, ogni secondo, si consumano 1.000 barili di petrolio, 96.000 metri cubi di metano e 222 tonnellate di carbone. Però già da diversi anni ci stiamo rendendo conto che l’uso dei combustibili fossili causa gravi problemi, in parte imprevisti, che ci mettono di fronte a limiti con i quali dobbiamo confrontarci. Stiamo infatti attraversando una crisi energetica dalla quale potremo uscire solo con l’aiuto della chimica. Il primo problema è che i combustibili fossili si stanno esaurendo, come accade per tutte le risorse non rinnovabili. Inoltre, consumando i combustibili fossili, si producono sostanze molto nocive per la salute dell’uomo (ossidi di azoto e zolfo, idrocarburi aromatici, polveri sottili, metalli pesanti, ecc.) e si immettono nell’atmosfera enormi quantità di anidride carbonica, uno dei gas responsabili del cambiamento climatico.

Un terzo problema, legato all’uso dei comodi, ma costosi e non omogeneamente distribuiti combustibili fossili, è la forte disparità nei consumi energetici fra le varie nazioni della Terra. Cosa si può fare per fronteggiare la crisi energetica che già sperimentiamo e che è destinata ad aggravarsi? La risposta ha due facce: consumare meno energia e trovare fonti alternative ai combustibili fossili. Nei paesi sviluppati come l’Italia, di fronte a una domanda di energia sempre crescente, la politica adottata

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finora è stata quella di aumentare le importazioni di combustibili fossili: continuare su questa strada significa correre verso il collasso economico, ambientale e sociale. Oggi, la prima cosa da fare è mettere in atto provvedimenti mirati a consumare di meno.

L’energia è una risorsa in via di esaurimento? Le risorse energetiche che hanno alimentato la civiltà umana nell’ultimo secolo si stanno sensibilmente assottigliando. Oltre l’80% dell’energia primaria che oggi consumiamo nel mondo è ottenuta dai combustibili fossili. Possiamo discutere all’infinito di quando raggiungeremo il picco di produzione del petrolio, del gas o del carbone. Possiamo illuderci che le risorse non convenzionali o “estreme” di petrolio e gas verranno in nostro soccorso. Resta il fatto che la festa dei combustibili fossili avrà comunque fine nel corso di questo secolo mentre, nel frattempo, continueremo ad alterare il clima del pianeta, con conseguenze economiche e sociali del tutto imprevedibili. Solo se la nostra generazione ritiene di essere l’unica padrona e beneficiaria delle risorse energetiche esauribili del pianeta, può continuare su questa strada. Se invece ritiene di avere una responsabilità verso le future generazioni deve riconoscere che è giunto il momento di cambiare strada.

L’energia e sviluppo

L’energia è il motore della civiltà e dell’economia. Le energie rinnovabili, per diventare sempre più efficienti e diffuse, necessitano di grandi progressi tecnologici e sono un’occasione straordinaria di lavoro per l’economia in affanno come quelle dei paesi occidentali, e dicono di mirare a una “società della conoscenza”. Le rinnovabili sono un’occasione irripetibile per rinnovare materiali, processi e reti di distribuzione, per creare nuove opportunità di lavoro e per far crescere un’economia nazionale di grandi, medie e piccole imprese in modo razionale e sostenibile. È importante sottolineare che le scienze chimiche giocheranno un ruolo chiave nella transizione energetica.

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2. Caratteristiche principali e motivazioni del progetto

2.1 Introduzione

Una centrale elettrica è un impianto che “produce” energia elettrica, o per meglio dire trasforma energia disponibile in altre forme (chimica o fisica) in energia elettrica. Ad esempio, una centrale idroelettrica trasforma in energia elettrica l’energia dell’acqua fluente (o dell’acqua che cade lungo le condotte forzate) mettendo in movimento una macchina (generatore elettrico) in grado di trasformare, per l’appunto, un moto rotatorio (quello delle turbine azionate dall’acqua) in energia elettrica. In una centrale termoelettrica il movimento rotatorio del generatore viene assicurato da vapore in pressione, che aziona le turbine. Il vapore è a sua volta ottenuto dalla combustione del combustibile che alimenta la centrale, cosicché l’energia contenuta nei legami chimici del combustibile viene trasformata in calore, e quindi in movimento della turbina ed infine, mediante il generatore, in energia elettrica.

Le centrali termoelettriche possono essere alimentate da derivati del petrolio (in genere olio combustibile), da gas naturale, da biomasse o, come nel caso della Centrale di Saline Joniche oggetto del presente studio, da carbone.

Più in particolare, il progetto di una centrale termoelettrica a carbone deve comprendere:

• Gli impianti necessari a trasformare l’energia contenuta nel carbone in energia elettrica: le caldaie dove si brucia il carbone (generatori di vapore), le turbine e i generatori elettrici;
• Gli impianti necessari a ridurre le emissioni inquinanti e a garantire una corretta emissione degli scarichi della centrale (i sistemi per l’abbattimento degli inquinanti e i camini, innanzitutto);
• Gli impianti necessari a garantire l’afflusso e lo stoccaggio temporaneo del carbone e delle altre materie prime necessarie per il funzionamento dell’impianto;
• Gli impianti necessari a trasferire l’energia elettrica prodotta dalla Centrale alla rete di trasmissione nazionale.

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Da un punto di vista progettuale, i requisiti di un sito sul quale localizzare un impianto quale quello in esame comprendono dunque, oltre alla disponibilità di spazi adeguati alla localizzazione di tutti gli impianti e gli edifici necessari, l’accessibilità e la disponibilità di infrastrutture in grado di garantire i flussi di materie prime in entrata e i flussi di sottoprodotti in uscita.

2.2 Il sito di progetto

Il sito individuato è compreso nell’ambito dell’area occupata dallo stabilimento ex Liquichimica in località Saline Joniche, Comune di Montebello Jonico, provincia di Reggio Calabria. Lo stabilimento in oggetto, operativo a partire dal 1976 ma mai entrato in produzione, si estende, lungo la costa, su una superficie pari a circa 700.000 m2; l’area destinata ad ospitare la Centrale copre una superficie di circa 320.000 m2, (incluse le aree demaniali per la nuova presa acqua mare) ed è stata acquisita dal Proponente SEI S.p.A. (con l’eccezione delle aree appartenenti al demanio).

Fra le caratteristiche più interessanti del sito si possono evidenziare le seguenti:

• L’area industriale si trova attualmente in condizioni di degrado, essendo abbandonata da diversi anni; la realizzazione di un nuovo progetto può costituire, sotto questo particolare profilo, anche l’occasione per una riqualificazione dell’intero sito;
• Le strutture portuali realizzate a servizio dello stabilimento Liquichimica, attualmente in stato di degrado e praticamente inagibili, potranno costituire, a seguito di interventi di ripristino e ristrutturazione, un’infrastruttura adeguata alle esigenze di trasporto del carbone e di altre materie prime ed aperta ad altri usi (pesca, diporto, turismo);
• L’area è facilmente accessibile anche via terra, grazie alla ferrovia Reggio Calabria – Taranto (che ne definisce il limite lato mare) e alla Strada Statale 106 Jonica, che ne delimita il perimetro lato monte.

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2.3 Le motivazioni della scelta del carbone

La scelta progettuale che più significativamente caratterizza il progetto è senza dubbio quella dell’impiego del carbone come combustibile. Tale scelta è motivata dal Proponente principalmente dalla necessità di diversificare il mix energetico in linea con quanto previsto dalla normativa comunitaria e nazionale. In Italia, infatti, la quota di energia elettrica prodotta mediante combustione di carbone (pari a circa il 14% della produzione elettrica complessiva) è di molto inferiore a quella degli altri paesi industrializzati, con la sola eccezione della Francia che, però, produce una rilevante quota di energia elettrica da nucleare (circa il 75% dell’energia prodotta). Sempre con riferimento all’Italia, l’incidenza percentuale del gas naturale sulla produzione totale di energia elettrica è viceversa fra le più elevate (circa il 50% della produzione elettrica complessiva), con un valore superiore anche a quello della Gran Bretagna, dove la produzione di energia elettrica, oltre ad essere caratterizzata da una rilevante incidenza di carbone e nucleare, può contare sui rilevanti giacimenti di gas del Mare del Nord. Oltre alla diversificazione del mix energetico, ulteriori elementi che concorrono a motivare la scelta del carbone come fonte di energia riguardano la sicurezza degli approvvigionamenti, sia in termini di disponibilità di combustibile, sia in termini di certezza dei rifornimenti. Si evidenzia inoltre come, attualmente, la produzione di energia elettrica mediante combustione del carbone sia conveniente sotto il profilo economico, e competitiva al confronto con olio combustibile e gas naturale.

L’adozione di tecnologie innovative consente infine di raggiungere un’efficienza elettrica netta superiore al 45% con conseguenti benefici anche sotto il profilo delle emissioni di inquinanti atmosferiche, contenute entro limiti del tutto comparabili con quelli relativi ad impianti tradizionali. Per contro, le emissioni unitarie di CO2 risultano essere superiori a quelle derivanti da qualsiasi altro combustibile.

Sotto il profilo progettuale e tecnologico gli impianti considerati più avanzati sono attualmente quelli cosiddetti di tipo ultrasupercritico a polverino di carbone; impianti di questa tipologia sono operativi da una quindicina di anni in Germania, Danimarca. Il carbone assunto come riferimento per la valutazione di prestazioni ed emissioni è un carbone sudafricano con un tenore di riferimento per lo zolfo dello 0,6%.

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Analisi elementare (secca) (% peso)

Umidità totale 8,0

Ceneri 11,0

Carbonio totale 64,7

Idrogeno 4,4

Azoto 1,5

Zolfo 0,6

Ossigeno 9,8

Totale 100,0

Potere calorifico inferiore (kJ/kg): 24.886

3. Descrizione del progetto

3.1 Le alternative tecnologiche considerate

Preliminarmente allo sviluppo del progetto sono state considerate le alternative tecnologiche disponibili:

• Ciclo a vapore UltraSuperCritico con caldaia a polverino di carbone;
• Ciclo a vapore SuperCritico con caldaia a letto fluido;
• Impianti integrati di gassificazione e ciclo combinato (IGCC).

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L’analisi si è basata su criteri di affidabilità tecnologica, di attenzione all’ambiente e di economicità. In particolare, si sono considerate le taglie disponibili per le diverse tecnologie e le prestazioni conseguibili in termini di affidabilità ed efficienza dell’impianto come pure le relative prestazioni ambientali.

In base alle analisi comparative effettuate a cura del Proponente le tecnologie “convenzionali” (caldaia a polverino o a letto fluido) risultano ad oggi decisamente preferibili rispetto alla gassificazione; quest’ultima è, infatti, ancora caratterizzata da una limitata esperienza operativa, che renderebbe difficoltoso raggiungere, specialmente nei primi anni di attività, livelli di affidabilità dell’impianto compatibili con una gestione commerciale dell’iniziativa.

Nell’ambito delle tecnologie “convenzionali”, invece, la tecnologia a letto fluido presenta, rispetto alla tecnologia a polverino, alcuni svantaggi legati alle caratteristiche del carbone da utilizzare e alle ceneri prodotte. Infatti le prescrizioni normative vigenti nel nostro paese in materia di importazione di carbone (contenuto massimo di zolfo ammesso pari all’1%) non consentono il pieno sfruttamento dei vantaggi associati alla tecnologia a letto fluido e, inoltre, le ceneri prodotte sono in quantitativi maggiori e di qualità peggiore rispetto a quelle prodotte tramite tecnologia a polverino di carbone. La scelta è caduta quindi sulla tecnologia a polverino di carbone. Gli elevati parametri termici del ciclo, l’elevata efficienza dei componenti e altri accorgimenti tecnici che caratterizzano la tecnologia scelta consentono di raggiungere un’efficienza netta del ciclo di produzione di energia elettrica molto elevata, oltre il 45%. Di conseguenza, a parità di energia prodotta, rispetto ad impianti tradizionali, tutti gli effluenti gassosi vengono ridotti in termini massivi.

Con riferimento, infine, alle due opzioni disponibili per la tecnologia a polverino (due unità da 660 MWe o una da 1.000 MWe) si è ritenuta preferibile la prima (due unità da 660 MWe) sulla base delle seguenti considerazioni:

• Maggiore flessibilità operativa;
• Taglia delle unità consolidata e per certi versi ormai “standard” per impianti a carbone in Italia.

Il progetto è stato perciò sviluppato nella configurazione a due linee gemelle con caldaia a polverino di carbone dimensionate per produrre ciascuna 660 MWe lordi di energia elettrica.

3.2 Il ciclo a vapore ultrasupercritico

Ogni gruppo di un impianto termoelettrico basato sul ciclo a vapore ultrasupercritico comprende, in estrema sintesi, i seguenti componenti:

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