La produzione di energia elettrica Tecnologie Combustibili Aspetti

La produzione di energia elettrica Tecnologie Combustibili Aspetti Ambientali a cura del Dott. Fabio Chiaravalli con la collaborazione dell’Ing. Luisa Leone

Energia per l’ambiente In un contesto nazionale e internazionale in cui le aspettative sociali, ambientali ed economiche sono oggetto di notevole attenzione e il mercato dell’energia diventa sempre più allargato ed esigente, risulta necessario perseguire scelte industriali e tecnologiche orientate soprattutto all’ottimizzazione dei processi di produzione compatibilmente con il rispetto dell’ambiente. Impegno che si concretizza principalmente quando vengono affrontate le tematiche connesse alla produzione e distribuzione dell’energia elettrica, alla razionalizzazione delle risorse, al contenimento delle emissioni, alla gestione degli impianti e al loro inserimento nel territorio.

Politiche energetiche Questo scenario impone di optare per un mix di fonti energetiche improntato su: maggiore efficienza; sviluppo di nuove fonti più eco-compatibili; utilizzo di tecnologie più avanzate per la generazione elettrica da fonti fossili; adozione di misure di razionalizzazione e risparmio energetico; ridurre gli impatti ambientali e garantire la sicurezza degli approvvigionamenti La sfida maggiore in questo campo riguarda sicuramente riuscire ad incrementare adeguatamente la capacità di generazione di energia elettrica a costi più competitivi e nel rispetto dell’ambiente.

Le fonti energetiche Questo grande sistema funziona grazie ad una materia prima: le fonti di energia Le fonti primarie ossia ciò che la natura ci ha messo a disposizione e che noi possiamo utilizzare direttamente: il petrolio, il carbone, il gas naturale, l'acqua, il sole, il vento Energia per vivere e il calore della terra, i combustibili nucleari come l'uranio, la forza delle onde e delle maree. Le fonti secondarie si ottengono dalla trasformazione di quelle primarie: la benzina, il gasolio, il carbone coke ecc. Vettori energetici: l’energia elettrica e l’idrogeno.

Le fonti primarie Le fonti di energia primaria, a loro volta, possono classificarsi in rinnovabili e non rinnovabili. Ad ogni modo queste fonti sono tutte derivate da un'unica vera fonte primaria di energia: il sole

L’energia elettrica, cioè la forma di energia sotto la cui azione si muovono cariche elettriche, non è direttamente disponibile in natura. Viene ottenuta prevalentemente per conversione dell’energia potenziale (chimica o cinetica) di fonti fossili o rinnovabili in energia meccanica, a sua volta trasformata in energia elettrica mediante gruppi turbo-generativi. Si tratta dunque di una forma di energia “secondaria” malgrado risulti essere la più pregiata: - Concentrabile - Indirizzabile - Frazionabile - Regolabile Attualmente la maggior parte dell’energia elettrica utilizzata nel mondo viene generata a partire da fonti primarie di origine fossile (petrolio, gas naturale, carbone).

I combustibili fossili Le fonti rinnovabili presenti in Italia coprono solo una piccola percentuale del fabbisogno energetico nazionale: il rimanente viene coperto dai combustibili fossili, che importiamo quasi totalmente dall'estero. Rispetto ad altri paesi, l'Italia utilizza molto il gas naturale disponendo di giacimenti che forniscono circa un terzo di tutto il gas consumato nel nostro paese. % Fonte: Enel - 2006

La Biomassa La biomassa è costituita da sostanze biologiche di origine animale o vegetale che opportunamente trattate possono essere trasformate in energia. I vegetali, grazie al processo chiamato “fotosintesi clorofilliana”, immagazzinano energia dal sole convertendo l’anidride carbonica catturata dall’atmosfera in massa biologica. Foreste, boschi, prati, sono grandi serbatoi di biomassa.

I Biocombustibili La biomassa può essere utilizzata in vari modi sottoponendola a diversi processi di conversione energetica: ► combustione: combustione viene bruciata per produrre energia termica; ► gassificazione: gassificazione processo di fermentazione anaerobica dove alcuni batteri in appositi digestori la trasformano in Gas (BIOGAS), una miscela di metano e anidride carbonica; ► fermentazione alcolica: alcolica viene utilizzata per la produzione di biocarburante (BIODIESEL da olio di colza, etanolo o alcool etilico da cereali e ortaggi) che può essere impiegato come combustibile. Attualmente la biomassa rappresenta una fonte energetica importante solo nei paesi in via di sviluppo; sviluppo quasi trascurabile è, invece, la funzione che essa svolge nei paesi industrializzati.

Biodiesel e Bioetanolo

L’idrogeno L'idrogeno è l'elemento più leggero e abbondante dell'universo. È tuttavia assai raro sulla Terra allo stato elementare, a causa della sua estrema volatilità. Per poterne disporre in quantità industrialmente utili occorre pertanto estrarlo dai composti che lo contengono in abbondanza (ad esempio dall’acqua, dai combustibili fossili, da sostanze minerali e da organismi vegetali) utilizzando una fonte di energia esterna. Per questo motivo l’idrogeno, al pari dell’elettricità, deve essere considerato un vettore energetico, piuttosto che una fonte energetica primaria. Il ciclo dell’idrogeno è riassumibile nelle seguenti fasi: - produzione, con tecniche tradizionali o sperimentali; sperimentali - trasporto; - stoccaggio; - conversione; - utilizzo.

Visione idrogeno v Può essere prodotto a partire da un’ampia gamma di fonti energetiche primarie (fossili, rinnovabili, nucleare), consentendo di migliorare i margini di sicurezza degli approvvigionamenti v Non genera né CO 2 né altri inquinanti locali durante il suo utilizzo, consentendo una riduzione dei gas ad effetto serra e delle emissioni inquinanti v. Trova impiego in una molteplicità di applicazioni (usi stazionari, portatili e trasporto).

La tecnologia di produzione dell’idrogeno §A partire dai combustibili fossili: steam reforming; ossidazione parziale; pirolisi ; gassificazione. §Estrazione diretta di idrogeno dall'acqua: l'elettrolisi, ambientalmente sostenibile, ma necessita di una corrispondente quantità di energia elettrica pulita in grado di alimentare il processo di elettrolisi. Altri aspetti da valutare con attenzione sono inoltre quelli legati alla difficoltà di trasporto e stoccaggio, stoccaggio sia per la bassa densità energetica, sia perché l’idrogeno è esplosivo, infiammabile ed estremamente volatile.

La frontiera dell’idrogeno Lo sviluppo dell'idrogeno come vettore energetico è pertanto un’opzione di estremo interesse per contribuire a risolvere i problemi energetici del pianeta richiede miglioramenti sostanziali nelle tecnologie esistenti e la ricerca di tecnologie innovative per renderne l'impiego economico e affidabile nelle varie fasi della catena tecnologica (produzione, trasporto, stoccaggio, utilizzo finale).

Emissioni specifiche di CO 2 I combustibili fossili e le biomasse sono forti produttori di CO 2 e di inquinanti (SO 2, NOX, HC, CO). La produzione di CO 2 è direttamente correlata alla loro composizione elementare e al loro potere calorifico.

Le tecnologie La natura offre diverse fonti primarie che l'uomo utilizza per generare energia elettrica, energia meccanica, calore. Per ognuna di queste fonti sono state sviluppate tecnologie che ci permettono di utilizzarle al meglio e nel modo più compatibile alla disponibilità della risorsa. Sono nate così: Le Centrali Termoelettriche Le Centrali Turbogas Le Centrali Nucleari Le Centrali Geotermiche Le Centrali Idroelettriche Le Centrali Eoliche e Fotovoltaiche Le Centrali a Biomassa

Le Centrali Elettriche • Le Centrali Elettriche convertono il contenuto energetico di un combustibile in energia elettrica • Il contenuto energetico di un combustibile è definito dal potere calorifico che esprime la quantità di energia termica che si ottiene dalla combustione di un chilogrammo di combustibile • Il rapporto fra energia elettrica prodotta e energia termica liberata nella combustione del combustibile definisce il rendimento termico – elettrico della centrale • Le centrali elettriche producono energia elettrica che si misura in chilowattora (KWh) • Le centrali elettriche possono produrre vari tipi di impatto ambientale

Centrali Termoelettriche a olio combustibile Il percorso dell’energia CALDAIA TURBINA A VAPORE ALTERNATORE TRASFORMATORE CAPTATORE POLVERI POMPA CATALIZZATORE CONDENSATORE

Bilancio Fisico Ambientale Centrale Termoelettrica • Energia da petrolio EMISSIONI: COMBUSTIBILE FOSSILE SO 2, NOX, POLVERI, CO 2 SCARICHI IDRICI ACQUA RIFIUTI

Centrali Termoelettriche a carbone Il percorso dell’energia TURBINA A VAPORE CONDENSATORE ALTERNATORE TRASFORMATORE GENERATORE DI VAPORE POMPA ALIMENTO DENITRIFICATORE CAPTATORE POLVERI CIMINIERA DESOLFORATORE

Bilancio Fisico Ambientale Centrale a Carbone • Energia da carbone EMISSIONI: OLIO COMBUSTIBILE DEL CARBONE SO 2, NOX, POLVERI, CO 2 SCARICHI IDRICI ACQUA CENERI, GESSI

Centrali Turbogas Le turbine a gas in ciclo semplice hanno oggi raggiunto prestazioni e rendimenti significativi. Una prima variante è la cosiddetta rigenerazione, ossia l’inserimento, tra compressore e combustore, di uno scambiatore di calore (rigeneratore) che preriscalda l’aria comburente prelevando calore dai gas di scarico prima di rilasciarli all’ambiente.

Ciclo combinato gas - vapore

Bilancio Fisico Ambientale TURBOGAS • Energia da gas naturale EMISSIONI IN ATMOSFERA GAS NATURALE (METANO) SO 2, NOX, POLVERI, CO 2, HC, METALLI PESANTI ARIA CALDA ARIA RIFIUTI

Centrali Nucleari in Italia In Italia le Centrali Nucleari sono state disattivate in seguito al referendum del 1987 smantellare gli impianti nucleari esistenti e recuperare i siti per valorizzarli

La produzione di energia elettrica con il nucleare Schema di funzionamento di una Centrale ad acqua bollente BWR Schema di funzionamento di una Centrale ad acqua in pressione Tipo Caorso e Garigliano PWR Tipo Trino Verecellese

La reazione nucleare per la produzione di calore La struttura dell’atomo La reazione di fissione (rottura del nucleo) La reazione a catena Il calore viene generato per “frenamento” (energia cinetica trasformata in calore) delle particelle (prodotti di fissione) generate dalla rottura del nucleo all’interno della barra di combustibile (Uranio )

Centrali Nucleari

Bilancio Fisico Ambientale Nucleare • Energia nucleare COMBUSTIBILE NUCLEARE (URANIO) SCORIE RADIOATTIVE NO EMISSIONI IN ATMOSFERA CALORE ACQUA SCARICHI IDRICI

Centrali Geotermiche Il percorso dell’energia ALTERNATORE TRASFORMATORE TURBINA A VAPORE POZZO DI REINIEZIONE POZZI DI ESTRAZIONE TORRE DI RAFFREDDAMENTO POMPA CONDENSATORE

Bilancio Fisico Ambientale Geotermico • Energia geotermica GAS VAPORE GEOTERMICO INCONDENSABILI NO EMISSIONI IN ATMOSFERA ACQUA DI RAFFREDDAMENTO SCARICHI IDRICI

Centrali Fotovoltaiche Il percorso dell’energia STRINGA PANNELLO CAMPO INVERTER

Bilancio Fisico Ambientale Fotovoltaico • Energia solare SOLE NO EMISSIONI IN ATMOSFERA

Centrali Eoliche TRASFORMATORE Il percorso dell’energia ANEMOMETRO SISTEMA DI CONTROLLO ALTERNATORE MOLTIPLICATORE DI GIRI SUPPORTO CUSCINETTO ROTORE TORRE

Bilancio Fisico Ambientale Eolico • Energia eolica VENTO NO EMISSIONI IN ATMOSFERA

Centrali Idroelettriche Il percorso dell’energia BACINO DIGA VALVOLA OPERA DI RESTITUZIONE CONDOTTA FORZATA TURBINA TRASFORMATORE ALTERNATORE

Bilancio Fisico Ambientale Idroelettrico • Energia idraulica NO EMISSIONI IN ATMOSFERA ACQUA PRELEVATA ACQUA RESTITUITA

Centrali a Biomassa

Bilancio Fisico Ambientale Biomassa • Energia da Biomassa EMISSIONI SO 2, NOX, POLVERI, CO 2 COMBUSTIBILE DI BIOMASSA RIFIUTI SOLIDI (CENERI)

Confronto Combustibili

Emissioni di CO 2 La produzione di CO 2 è senza dubbio il parametro più significativo al fine di caratterizzare l’impatto ambientale potenziale di ciascun impianto di produzione di energia elettrica.

Confronto Centrali Elettriche

Possibili evoluzioni del sistema elettrico nazionale Alla luce dei vincoli esterni posti dal Protocollo di Kyoto e dal cosiddetto “pacchetto 20 -20 -20” dell’Unione Europea per ridurre in misura significativa le emissioni di gas-serra la scelta dell’energia nucleare rappresenta per l’Italia un ruolo importante, dati i limiti intrinseci che caratterizzano il fotovoltaico e l’eolico e la limitata disponibilità di ulteriore energia idraulica • Economia di base • Sostituzione dei combustibili fossili • Riduzione delle emissioni di gas-serra • Incentivazione delle energie rinnovabili La riduzione del costo medio di produzione del k. Wh associato al ricorso all’energia nucleare consentirebbe di rendere disponibili risorse economiche utilizzabili per incentivare lo sviluppo delle energie rinnovabili, senza incrementare il costo del k. Wh.

Conclusioni Al fine di soddisfare nei prossimi anni la crescita del fabbisogno elettrico nazionale e di dare concreta attuazione alle indicazioni dell’Unione Europea, energia nucleare e fonti rinnovabili non sono in competizione fra loro, ma possono contribuire in modo integrato al conseguimento degli obiettivi, insieme anche alle altre tecnologie per la produzione di energia elettrica.