Impianti turbogas per la produzione di energia

Università degli Studi di Udine

Corso di laurea in ingegneria gestionale A.A. 2019-2020

Tesi di laurea

Impianti turbogas per la produzione di energia: tra un presente incerto ed un futuro tutto da scrivere

Relatore Prof. Luca Casarsa

Laureando Claudio Saggese

Indice

• Introduzione: motivazione scelta argomento ................................... 4
• Storiografia ............................................................................................................. 6
• Descrizione impianto motore con turbina a gas ............................... 9
• Struttura impianto ........................................................................................... 9
• Ciclo di Brayton (o Joule) ........................................................................... 11
• Componenti........................................................................................................... 13
• Compressore .................................................................................................... 13
• Combustore ...................................................................................................... 15
• Turbina ............................................................................................................... 16
• Il rendimento ...................................................................................................... 16
• Turbine heavy-duty o industriali .......................................................... 17
• Regolazione ..................................................................................................... 18
• I cicli combinati ................................................................................................... 21
• Composizione impianto e caratteristiche.......................................... 21
• La caldaia a recupero ............................................................................... 22
• Il percorso compiuto dal gas ................................................................ 23
• Il ciclo di Brayton-Hirn ............................................................................ 24
• Altre tipologie di cicli ................................................................................... 27
• La rigenerazione .............................................................................................. 27
• Applicazioni ...................................................................................................... 29
• Intercooling e ricombustione ................................................................. 30
• La cogenerazione ............................................................................................. 33
• Interessanti applicazioni tecnologiche in Italia .......................... 36
• Centrale di Termoli ........................................................................................ 37
• Centrale di Modugno ..................................................................................... 37
• Centrale di Bertonico .................................................................................. 38
• Centrale di Aprilia .......................................................................................... 39
• Microturbine ......................................................................................................... 42
• Conclusione ............................................................................................................ 45
• Bibliografia e sitografia ............................................................................... 47

Introduzione: motivazione scelta argomento

Tutti noi abbiamo avuto il desiderio, almeno una volta nella vita, di approfondire una determinata materia, magari perché ci ha particolarmente colpito un articolo che abbiamo letto, un professore che ha parlato della stessa o un documentario visto per caso in televisione. Bene, questo non è il mio caso! La passione per la meccanica non riesco a ricordare quando e perché è nata, posso soltanto dire che sin da bambino, osservandomi chiedevo cosa ci fosse sotto la "pelle", cercavo di capire come vetture in autostrada, potessero funzionare così a lungo e come l’uomo avesse progettato quei mezzi per me ancora del tutto sconosciuti. Avevo circa nove anni e non potevo certo aprire un libro di meccanica e pretendere di studiare e capire i motori a combustione interna, le sospensioni, gli pneumatici o i telai; proprio per questo porgevo delle semplici domande a mio padre che, con grande pazienza, cercava di "soddisfare" le mie curiosità. Certo non era compito semplice (è un po' come se un bambino di prima media chiedesse al professore di matematica di spiegare gli integrali), tuttavia i brevi chiarimenti sono riusciti a far crescere ancor più quella passione di base già "viva" nel piccolo Claudio.

Dopo questa introduzione a qualcuno potrebbe sorgere spontanea una domanda: allora perché ti stai laureando in ingegneria gestionale? La risposta è abbastanza semplice: dopo aver passato alcuni anni poco felici alle scuole medie, decisi di iscrivermi a un istituto tecnico, in particolar modo a un indirizzo quasi completamente nuovo: "trasporti e logistica". Ed ecco nata la seconda passione (purtroppo abbastanza differente dalla prima). Si può quindi comprendere l'iscrizione a ingegneria gestionale, probabilmente l'unica facoltà che poteva e può realmente soddisfare le mie curiosità in due ambiti di studio certamente collegati ma comunque abbastanza differenti se si guarda la nozionistica di base. Certo ingegneria gestionale non è quella facoltà che mi permetterà di saper progettare un motore, una turbina, un impianto, tuttavia nulla e nessuno vieta di approfondire autonomamente alcuni argomenti che sono soltanto "toccati" in modo meno specifico per lasciare spazio alle materie di indirizzo.

La tesi è proprio figlia di questa voglia di andare oltre ai confini di quella parola "gestionale" e l'ambito di ricerca è particolarmente interessante: la domanda è se gli impianti turbogas hanno un reale futuro nella produzione di energia elettrica. La risposta da dare non è affatto semplice ma, in questa tesi, proverò a mettere in risalto quelle che sono le ultime novità di questo settore, capendo quali sono i possibili risvolti futuri delle stesse. Non è infatti un caso se alla fine del titolo si dice "un futuro tutto da scrivere" …

Storiografia

I primi prototipi di turbine a gas con relativi brevetti risalgono al 1890, tuttavia visti gli scarsi rendimenti dei componenti utilizzati in questi primi impianti e la scarsa resistenza dei materiali disponibili alla fine del 1800, soltanto alla fine degli anni 30 possiamo individuare le prime applicazioni pratiche. Il primo impianto per la produzione di energia elettrica basato su un ciclo a gas venne realizzato in Svizzera nel 1939 dalla Brown-Boveri e la prima applicazione alla propulsione aeronautica risale proprio allo stesso periodo con la turbina a gas Whittle. In generale, lo sviluppo del turbogas è stato fortemente influenzato dall'innovazione tecnologica, infatti sia la costruzione di compressori a sempre più alto rapporto di compressione (pressione uscita/pressione ingresso) e ad alti rendimenti, sia la progettazione di turbine in grado di sopportare temperature più elevate, hanno contribuito al sempre più frequente utilizzo di questo tipo di "tecnologia".

Nella tabella sottostante si riportano alcuni dati significativi che sottolineano la capacità di innovazione soprattutto a livello di composizione dei materiali della turbina, che ha consentito l'aumento significativo della temperatura di ingresso nella stessa soprattutto se si guarda la propulsione aeronautica e quindi, come vedremo in seguito, l'aumento delle prestazioni dell'impianto.

Se sulla base dei dati riportati nella tabella appena analizzata andiamo a costruire un grafico, da questo possiamo facilmente notare come l'evoluzione tecnologica non ha mai subito un vero e proprio rallentamento.

1000

800

600

400

200

1940 1950 1960 1970

Temperatura ingresso in turbina (°C)

"evoluzione" delle

Grafico 1: grafico temperature di ingresso in turbina nella propulsione aeronautica

Da queste poche analisi iniziali, abbiamo quindi compreso che esistono principalmente due famiglie di motori: i turbogas per applicazioni aeronautiche e quelli progettati per la generazione di potenza elettrica (heavy-duty). Come si può facilmente intuire le due famiglie si differenziano principalmente per le temperature di ingresso in turbina, più elevate nella prima tipologia di impianto. Altra importantissima differenza risiede negli investimenti tecnologici compiuti nei vari anni per migliorare le due tipologie di impianto; infatti andiamo a ricostruire la tabella che evidenzia la "salita" delle temperature di ingresso in turbina anche per gli impianti heavy-duty, possiamo notare (facendo due semplici calcoli partendo dai dati) che la crescita annua è di circa 5°C/anno contro i 12°C/anno degli impianti per la propulsione aeronautica.

Questa minore crescita è dovuta da un lato ai grandi investimenti del settore militare a favore della propulsione aeronautica (che hanno dato una forte spinta all'innovazione caratterizzante proprio questo settore) e dall'altro al fatto che i motori heavy-duty devono funzionare per un numero maggiore di ore ogni anno (circa 8000 ore) e devono quindi risultare più robusti rispetto ai primi. Tale robustezza (quindi affidabilità) si ottiene facendo operare l'impianto in condizioni meno spinte e, di conseguenza, a temperature di esercizio più basse.

Descrizione impianto motore con turbina a gas

Con il termine turbina a gas, si intende in senso ampio l'intero impianto motore che contiene la stessa nel quale il lavoro meccanico disponibile all'asse viene utilizzato per produrre energia elettrica. Ci occuperemo ora di capire il funzionamento di un impianto di questo tipo, analizzando in particolar modo i suoi principali componenti.

Struttura impianto

È opportuno iniziare la nostra trattazione descrivendo brevemente il "percorso" di funzionamento di un classico impianto motore con turbina a gas attraverso la descrizione del ciclo termodinamico seguito proprio dallo stesso: il ciclo di Brayton (o Joule).

Iniziamo quindi analizzando lo schema dell'impianto motore con turbina a gas (a ciclo aperto) riportato nell'immagine sottostante.

Camino

Camera di combustione

Filtro aria

Turbina

Utilizzatore

Compressore

Figura 1: impianto motore con turbina a gas monoalbero, in blu e in rosso il percorso del fluido

Come si può facilmente intuire, il compressore aspira aria dall'ambiente esterno facendola passare attraverso un filtro e la invia, a pressione elevata, in una camera di combustione (combustore) nella quale viene immesso continuamente, attraverso appositi iniettori, il combustibile. Nel combustore ha luogo la combustione continua a pressione costante e il gas prodotto da tale combustione (caratterizzato da alte pressioni e temperature) viene inviato in turbina ove, espandendosi, produce lavoro. Una parte del lavoro prodotto viene utilizzato per far funzionare il compressore e gli organi ausiliari, il resto è impiegato per azionare un utilizzatore. Il gas scaricato dalla turbina viene quindi disperso nell'ambiente esterno privo dell'energia di pressione iniziale. Su questo punto urge fare una importante precisazione: lo scarico diretto in atmosfera avviene soltanto negli impianti più "semplici" che non sono in grado di sfruttare la rigenerazione oppure che non sono utilizzati per dare luogo ai cosiddetti "cicli combinati".

Relativamente al numero di alberi possiamo dire che questa tipologia di impianti possono essere monoalbero o bialbero. Negli ultimi (Figura 2) la turbina che comanda il compressore è calettata su un albero diverso rispetto alla "turbina di potenza" (quella che aziona l'utilizzatore), questo per far fronte a continue variazioni del regime di rotazione. Per quanto riguarda gli impianti monoalbero (Figura 1), essi trovano applicazione dove la velocità di rotazione resta pressoché costante.

Camino

Camera di combustione

Filtro aria

Turbina

Utilizzatore

Compressore

Turbina

Figura 2: impianto motore con turbina a gas bialbero, in blu e in rosso il percorso del fluido

Ciclo di Brayton (o Joule)

Adesso che abbiamo compreso, se non altro in linea generale, il funzionamento e la composizione di un impianto motore con turbina a gas, possiamo analizzare il ciclo di Brayton (o Joule), ciclo appunto che rispecchia le varie trasformazione del gas che avvengono nell'impianto stesso. È opportuno iniziare la nostra analisi osservando i diagrammi p-v e T-S riportati sotto (Figura 3, Figura 4) del già menzionato ciclo termodinamico. Soltanto dopo aver osservato attentamente le varie trasformazioni indicate negli stessi potremo trarre delle prime conclusioni sulle possibilità di ottimizzare il ciclo termodinamico.

p

2

3

4

1

v

Figura 3: ciclo di Brayton (o Joule) rappresentato nel digramma p-v

T

3

2

4

1

S

Figura 4: ciclo di Brayton (o Joule) rappresentato nel digramma T-S

Avendo in mano i grafici, possiamo ora spiegare con più precisione le fasi del ciclo di Brayton (o Joule) ideale osservando indistintamente il diagramma p-v o quello T-S:

• Il fluido di lavoro è immesso nel ciclo nelle condizioni iniziali, indicate dal grafico con il punto 1;
• Il fluido di lavoro subisce una compressione teoricamente adiabatica ad opera del compressore (tratto 1-2) fino al raggiungimento della pressione p2 desiderata;
• Il fluido riceve una quantità di