Come funziona una centrale elettrica

La centrale elettrica è un impianto per la produzione di energia elettrica, ottenuta mediante la trasformazione di energia di altro tipo. Il primo passo dello sfruttamento di qualsiasi fonte primaria di energia è la generazione di potenza meccanica, che servirà poi a mettere in funzione un generatore di corrente, per la conversione finale in elettricità.


Tipi di centrale


Le centrali elettriche sono classificate in base alla fonte primaria di energia utilizzata. Si distinguono in termoelettriche, quando la sorgente di energia è il calore generato dalla combustione di carbon fossile o nafta, idroelettriche, quando si sfrutta l’energia potenziale della caduta di una massa d’acqua, e termonucleari, se il calore proviene da un processo di fissione nucleare. Meno diffuse sono le centrali che sfruttano fonti di energia alternative, quali le centrali geotermiche, basate sull’utilizzo del vapore acqueo che proviene dall’interno della Terra, le centrali solari (o elioelettriche), nelle quali si converte in elettricità il calore raggiante del Sole, le centrali eoliche, cosiddette perché è il vento a muovere gli aerogeneratori che forniscono potenza per azionare il generatore di corrente, e le centrali maremotrici, dove invece viene sfruttata l’energia cinetica legata al moto ondoso o ai flussi e riflussi delle maree, o quella termica relativa alla differenza di temperatura fra la superficie e i fondali.

Centrale termoelettrica 


Nelle centrali elettriche alimentate a carbon fossile, il combustibile viene polverizzato, mescolato ad aria preriscaldata e iniettato nella camera di combustione di una caldaia a tubi d’acqua, dove brucia come un gas. La camera, o focolare, rappresenta la struttura più grande della centrale; le pareti interne sono rivestite da una serie di tubi a serpentina, nei quali scorre acqua, che si sviluppano per un totale di diversi chilometri allo scopo di estrarre il massimo calore possibile dal combustibile: durante il percorso all’interno dei tubi, infatti, l’acqua raggiunge il punto di ebollizione e si trasforma in vapore surriscaldato e ad alta pressione. Un impianto di depurazione filtra i gas di combustione, in modo da estrarvi la maggior quantità possibile di ceneri prima di disperderli nell’atmosfera attraverso una ciminiera. Nelle centrali più moderne, gli impianti di depurazione sono progettati ponendo particolare cura all’estrazione delle scorie solforate, che si sono rivelate estremamente nocive per l’ambiente.

Il vapore generato nella caldaia viene inviato a una turbina che trasforma l’energia termica in energia meccanica, sia pure con il basso rendimento caratteristico dei motori termici. Il vapore a bassa pressione e bassa temperatura che esce dalla turbina viene condensato e l’acqua ottenuta viene nuovamente pompata nella tubazione della caldaia, chiudendo il ciclo. La condensazione del vapore richiede grandi quantità di acqua di raffreddamento (circa 230.000 m3 l’ora per una centrale da 2000 MW), che può essere prelevata da un fiume o da un lago nelle vicinanze della centrale, oppure deve essere riciclata. Il riciclaggio viene operato nelle torri di raffreddamento, che disperdono nell’atmosfera il calore residuo e richiedono una quantità di acqua, per sopperire a quella persa per evaporazione, relativamente ridotta. Le centrali alimentate a gasolio o a gas funzionano in modo analogo.

Nelle centrali termoelettriche moderne, alle turbine a vapore o a gas sono collegati direttamente i rotori dei generatori elettrici, in genere alternatori, che trasformano in energia elettrica l’energia meccanica prodotta dalle turbine.
Centrale a ciclo combinato


Recentemente ha avuto molto successo un nuovo tipo di centrale termoelettrica con turbina a gas, detta a ciclo combinato (CCGT, dall’inglese Combined Cycle Gas Turbine). In questo tipo di centrale, la trasformazione dell’energia termica in energia meccanica, necessaria ad azionare un generatore elettrico, avviene in due tempi, con un rendimento totale che si avvicina al 55%: il calore contenuto nei gas di scarico di una turbina a gas accoppiata a un generatore elettrico viene utilizzato per riscaldare l’acqua di una caldaia, che così produce il vapore necessario ad azionare una turbina a vapore accoppiata a un secondo generatore.


B. Centrale termonucleare


Nelle centrali nucleari, invece, a generare calore è la reazione di fissione di un combustibile nucleare, ossia un materiale radioattivo quale ad esempio l’uranio. Il calore viene estratto da un liquido refrigerante e quindi utilizzato per vaporizzare una determinata quantità d’acqua utilizzando un apposito apparecchio detto scambiatore di calore. Le fasi successive del processo sono analoghe a quelle delle centrali termoelettriche. Esistono vari tipi di reattore nucleare, basati su strutture e refrigeranti diversi. Una serie di barre di materiale, con elevata capacità di cattura neutronica, permette di controllare la velocità di reazione e può, in caso di emergenza, determinare lo spegnimento completo del reattore, mentre uno “schermo biologico” di calcestruzzo, con spessore di parecchi metri, circonda il reattore per proteggere gli operatori dalle emissioni fortemente radioattive del nocciolo.


C. Centrale idroelettrica


Le centrali idroelettriche sono state il primo genere di impianti a essere progettati per la produzione di energia elettrica a livello industriale. L’energia può provenire dal flusso di un corso d’acqua (centrali ad acqua fluente) o dal salto che l’acqua, accumulata in un bacino naturale o artificiale, compie per giungere alla centrale (centrale a serbatoio). In entrambi i casi, prima di arrivare alla centrale vera e propria, l’acqua viene fatta passare attraverso una diga di sbarramento, che crea un salto di diverse dimensioni a seconda delle condizioni ambientali: anche la turbina, il motore che effettua la conversione dell’energia idraulica in meccanica, dipende dal tipo di installazione. Per le centrali ad acqua fluente, il salto è generalmente piccolo (da pochi metri a una cinquantina), perché si sfrutta soprattutto la grossa portata del fiume, che può giungere fino a centinaia di m3 al secondo: le turbine idrauliche sono del tipo a elica, o di Kaplan. Le centrali a grande salto (da alcune centinaia di metri fino a un chilometro) sorgono nelle zone montane, dove sfruttano cascate naturali con piccole portate d’acqua: utilizzano perciò turbine ad azione, o Pelton. Se il dislivello d’acqua è più contenuto, da una decina a qualche centinaio di metri, la centrale è detta a medio salto: situate anch’esse in zone montane, utilizzano turbine a reazione, o Francis. Numerose installazioni sono comuni alle centrali idroelettriche, per convogliare e controllare il movimento dell’acqua: sono canali di presa, condotte forzate, camere di carico e di scarico, e apparecchi di controllo della rapidità di flusso e della portata idrica.



Categorie:O01- Storia della Tecnica - History of Technology

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