Una centrale termica è una centrale elettrica che funziona da una fonte di calore secondo il principio delle macchine termiche . Questa trasformazione avviene o direttamente, per espansione dei gas di combustione, o indirettamente, ad esempio attraverso un ciclo acqua-vapore. Gli impianti di cogenerazione utilizzano anche parte del calore di scarto per altre applicazioni, come le reti di riscaldamento .
L'origine di questa fonte di calore dipende dal tipo di centrale termica:
Le centrali termiche sono costruite attorno a una macchina termica che aziona un alternatore che produce energia elettrica. Queste macchine termiche possono essere a combustione esterna ( turbine a vapore , motore a vapore ) oa combustione interna ( motore diesel , turbina a combustione ). Una turbina a vapore e una turbina a combustione possono coesistere in una centrale elettrica a ciclo combinato per migliorare l' efficienza complessiva. La resa può essere ulteriormente migliorata mediante un processo di cogenerazione o trigenerazione .
Nel cuore di una turbina a combustione , l'accensione del combustibile (gassoso, liquido o solido fluidificato ) provoca l' espansione dell'aria in ingresso . Nella sua espansione, ciò fa ruotare le ruote della turbina, che a sua volta aziona un alternatore accoppiato. Infine, l'alternatore trasforma l' energia meccanica della turbina in energia elettrica .
Il funzionamento di una centrale elettrica a turbina a vapore è simile, il fluido di lavoro è vapore acqueo anziché aria. La sorgente calda ( fissione nucleare , carbone, incenerimento, ecc.) riscalda l'acqua (direttamente o indirettamente), che passa dallo stato liquido allo stato di vapore . Il vapore così prodotto viene immesso nella turbina, che aziona un alternatore.
All'uscita della turbina, il vapore viene condensato in un condensatore alimentato da una sorgente fredda ( acqua di mare , acqua dolce di fiume , ecc.) e si trova allo stato liquido. La condensa ottenuta viene infine restituita alla rete idrica per un nuovo ciclo di vaporizzazione.
I componenti principali di una centrale termica sono:
Il principio di funzionamento semplificato è il seguente:
In pratica, l'operazione è un po' più complessa perché sono previsti diversi accorgimenti per migliorare l'efficienza. Per esempio :
La cogenerazione consiste nel produrre congiuntamente elettricità e calore per un processo industriale o per il teleriscaldamento , al fine di migliorare l'efficienza complessiva di una centrale termica. Per fare ciò, gli scambiatori di calore recuperano parte dell'energia fatale dai gas combusti o dall'acqua di raffreddamento per migliorare l'efficienza dell'assieme.
Le centrali termiche si dividono in diverse categorie, a seconda della natura della loro fonte di calore:
In questo tipo di impianto a fiamma, il combustibile viene bruciato in una caldaia , il calore così rilasciato produce vapore in pressione, che aziona la turbina a vapore .
Centrali elettriche a carboneLe centrali a carbone sono le più diffuse al mondo, soprattutto nei paesi con grandi riserve di carbone ( India , Cina , Stati Uniti , Germania , ecc .).
Hanno ancora fornito circa il 40% della produzione globale di elettricità nel 2016, ma l'avvio di centrali elettriche a carbone è diminuito del 62% nel 2016 a 65 GW e il numero di progetti annunciati e autorizzati è diminuito del 48% tra l'inizio del 2016 e l'inizio del 2017, a 569. GW . Tuttavia, la capacità installata ha continuato a crescere nel 2016, con 1.964 GW , pari a + 3%; la potenza degli impianti completati nell'anno è ancora tre volte superiore a quella degli impianti chiusi, che hanno comunque raggiunto un livello record. I progetti congelati in attesa di decisioni politiche o economiche hanno raggiunto i 607 GW .
Per la prima volta, la capacità globale delle centrali elettriche a carbone è leggermente diminuita nella prima metà del 2020: -3 GW su una flotta totale di 2.047 GW , secondo il rapporto pubblicato da Global Energy Monitor. Le chiusure sono state pari a 21 GW , di cui 8 GW in Europa e 5 GW negli Stati Uniti; le aperture hanno raggiunto i 18 GW , di cui 11 GW in Cina e 1,8 GW in Giappone. Negli ultimi due decenni, la capacità globale è cresciuta a un tasso medio di 25 GW per semestre. La Cina concentra quasi la metà dei progetti di centrali elettriche (oltre 250 GW ), seguita da India (65 GW ), Turchia e Indonesia. Un totale di 190 GW di centrali elettriche a carbone sono in costruzione in tutto il mondo e sono previsti altri 332 GW .
A poche decine di MW a metà XX ° secolo, la loro capacità di unità è aumentato rapidamente ad oggi superano 1.000 MW . Insieme alla crescita della loro potenza unitaria, la loro efficienza è stata migliorata aumentando la pressione e la temperatura del vapore utilizzato. Dai consueti valori di 180 bar e 540 °C che si incontravano negli anni '70, si raggiungono ora valori supercritici di oltre 250 bar e 600 °C .
Hanno così potuto mantenere una certa competitività rispetto ad altri tipi di centrali elettriche.
Diversi dispositivi riducono le loro emissioni inquinanti. La polvere ( fuliggine ) contenuta nei fumi viene catturata da precipitatori elettrostatici (o in alcuni paesi da filtri a maniche ), ossidi di zolfo (SO 2, SO 3) sono intrappolati in unità di desolforazione (FGD in inglese: " fue gas desulfurization " ) che rendono meno difficile la valutazione delle ceneri volanti per l'ingegneria civile e più recentemente sono apparse apparecchiature che eliminano gli ossidi di azoto (NOx) (SCR) in inglese: " selective riduzione catalitica " ).
Sono attualmente in corso riguardano CO 2 di catturanelle centrali termiche. È infatti la produzione di elettricità dal carbone il principale emettitore di gas serra nel mondo. Diverse tecnologie sono studiate in parallelo:
Tutte queste tecniche hanno lo svantaggio di consumare molta energia e quindi di ridurre la resa netta di una decina di punti .
In Francia, dal 2004, il carbone non viene più estratto dalle miniere, ma il carbone importato viene ancora utilizzato per la produzione di elettricità termica nei periodi di punta. Nel 2016, con 7,3 TWh , ha rappresentato l'1,4% dell'elettricità prodotta in Francia e circa il 13% dell'elettricità di origine termica non nucleare.
Impatti ambientali e sulla saluteLe centrali elettriche a carbone rimangono le fonti primarie di emissioni di gas serra , gas precursori dell'ozono troposferico e produzione di fuliggine, in particolare in Cina e negli Stati Uniti. Secondo uno studio, le centrali elettriche a carbone nei 20 principali paesi dell'Unione Europea hanno causato 23.000 morti premature in Europa nel 2013, di cui 1.380 in Francia; Si dice che le centrali elettriche a carbone francesi abbiano causato 390 morti premature in Europa, di cui 50 in Francia.
Ad esempio, secondo l'Environmental Protection Agency , sono responsabili per il 28% di nichel , 62% di arsenico , 13% di NOx , 77% di acidi , 60% di SO 2- basato acidificanti aerosol. , il 50% del mercurio e il 22% del cromo presenti nelle masse d'aria degli Stati Uniti (che poi si spostano verso l' Europa attraverso l' Oceano Atlantico ). In questi paesi industrialmente avanzati, rispetto agli inceneritori di rifiuti sanitari e domestici , le centrali elettriche a carbone hanno meno migliorato le loro prestazioni complessive in termini di emissioni di mercurio nell'atmosfera ; le loro emissioni per tonnellata di carbone bruciato sono diminuite solo del 10% negli Stati Uniti in 15 anni (dal 1990 al 2005), mentre le emissioni di mercurio dagli inceneritori di rifiuti sanitari sono diminuite nel frattempo del 98% e quelle degli inceneritori di rifiuti del 96%.
Le loro acque di raffreddamento o di scarico possono contenere biocidi a base di cloro o bromo e sono spesso anche una fonte di riscaldamento delle acque superficiali ( inquinamento termico , che può influenzare la vita e determinati equilibri acquatici. Le ceneri volanti del carbone inquinano, degradano i monumenti e possono contenere radionuclidi rilasciati in l'aria o attraverso i residui.
Centrale al carbone attivo nel G7 può costare il mondo miliardi di $ 450 per l'anno entro la fine del XXI ° secolo, secondo l'ONG Oxfam . Il contributo del G7 al riscaldamento globale costerà alla sola Africa oltre 43 miliardi di dollari l'anno entro il 2080 e 84 miliardi di dollari entro il 2100. “Ogni centrale elettrica a carbone può essere considerata un'arma di distruzione del clima che intensifica le mutevoli condizioni meteorologiche con conseguenze per i raccolti, aumenta i prezzi dei generi alimentari e in definitiva aumenta il numero degli affamati” .
Alcuni paesi molto dipendenti dal carbone hanno avviato un'uscita da questa fonte di energia, tra cui ad esempio Francia, Regno Unito, Italia e più recentemente Germania e Cile. Quest'ultima, che doveva ospitare alla fine del 2019 la 25 ° Conferenza delle Nazioni Unite sui Cambiamenti Climatici (COP25), ha annunciato ad aprile 2019 di non voler più costruire nessuna centrale a carbone, e a giugno 2019 chiuderà entro cinque anni, otto delle sue 28 centrali a carbone. Questi otto impianti rappresentano il 20% della capacità energetica del Paese; la loro chiusura ridurrà le emissioni di CO 2il settore elettrico da 30 Mt/anno (milioni di tonnellate/anno) a 4 Mt/anno ; le centrali elettriche a carbone ammontano a 5.500 megawatt e producono il 40% dell'elettricità del paese. Il piano energetico cileno punta al 100% di elettricità da fonti rinnovabili entro il 2040. Il presidente Sebastián Piñera ha però specificato che il Paese manterrà questi impianti in "riserva strategica".
Centrali elettriche a carbone a ridotto inquinamentoLe caldaie a letto fluido circolante sono state sviluppate dal 1980. La loro temperatura del focolare molto più bassa ( 850 ° C ) diminuisce la formazione di ossido di azoto (NO x ), e il calcare aggiunto al loro letto reagisce con gli ossidi di azoto . La produzione di vapore è quindi meno inquinante e incontriamo il termine "carbone pulito" per caratterizzarli. Tuttavia, le loro attuali dimensioni (da 300 a 400 MW ) non consentono loro di competere con le caldaie convenzionali ad alta potenza.
Più recentemente si è sviluppata la tecnologia delle centrali elettriche a carbone ad alta efficienza, dette “supercritiche”, in cui l'acqua è sottoposta ad una temperatura e pressione tale da passare direttamente dallo stato liquido a quello gassoso: l'efficienza di questa operazione riduce fabbisogno di carburante, e quindi emissioni in atmosfera di CO 2legate alla combustione del carbone. Più la temperatura e la pressione aumentano, più è importante il guadagno in termini di efficienza, così come la riduzione dell'impatto ambientale. Un impianto si dice “supercritico” quando la temperatura supera i 565 gradi e la pressione supera i 250 bar. Al di sopra di 300 bar e 585 °C , l'impianto è definito "ultra-supercritico" e consente di ridurre il combustibile utilizzato di circa il 20%, e quindi del 20% le emissioni di carbonio (CO 2), ma anche dividere le emissioni di ossido di azoto (NO x ) per sette e le emissioni di ossido di zolfo (SO x ) per più di dieci . Ad esempio, EDF e l'elettricista China Datang Corporation (CDT) hanno commissionato nel 2016 la prima centrale elettrica a carbone ad alta efficienza gestita da EDF. La tecnologia utilizzata offre un'efficienza di quasi il 44% (rispetto al 35% di una centrale elettrica convenzionale a carbone), nonché un ridotto impatto sull'ambiente: 800 g/kWh di emissioni di CO 2contro 900 g/kWh per una centrale a carbone convenzionale; 100 mg/Nm 3 di emissioni di NO x e SO x , rispetto a 720 mg / Nm 3 e 1.300 mg / Nm 3 rispettivamente per una centrale a carbone senza trattamento dei fumi.
Il futuro delle centrali elettriche a carbone in EuropaLa quota di carbone e lignite nella produzione di elettricità dell'Unione europea è diminuita del 21% tra il 1990 e il 2014, o dell'1% all'anno, secondo i dati dell'Agenzia europea dell'ambiente .
Nel 2016, 16 centrali elettriche a carbone sono state chiuse in Europa, inclusa l'ultima centrale belga, rendendo il Belgio il primo paese in Europa a eliminare gradualmente il carbone. Tuttavia, 293 centrali sono ancora in funzione, anche se quasi l'80% non è più redditizio.
Nel 2017 la Francia ha ancora quattro centrali a carbone, di cui cinque unità di produzione, l'abbandono del carbone dovrebbe avvenire nel 2022. Emmanuel Macron dichiara: "entro la fine del quinquennio avrò chiuso tutti i centrali elettriche incendiate” . Una missione interministeriale è responsabile della preparazione di questa scadenza. Tuttavia, abbandonare il carbone non sarà facile perché queste quattro centrali termiche svolgono un ruolo importante nel superare i picchi invernali in Francia e danno lavoro a più di mille persone.
Gli esperti di Climate Analytics (in) sottolineano che due paesi, Germania e Polonia , hanno il 51% della capacità installata e sono responsabili del 54% delle emissioni delle centrali a carbone. "C'è una crescente disparità tra gli Stati membri nel loro approccio al futuro del carbone" , osservano, lamentando la costruzione o i piani di centrali elettriche a carbone in alcuni paesi come la Polonia e la Grecia .
Il 3 novembre 2017, una trentina di associazioni ambientaliste stanno lanciando la campagna “ Europe Beyond Coal ” per “accelerare l'eliminazione graduale del carbone in tutta l'Unione Europea” .
Nel 2019, per la prima volta in Europa, le centrali elettriche a gas hanno prodotto più elettricità delle centrali a carbone.
Nel 2020, Svezia e Austria stanno chiudendo il loro ultimo stabilimento, in anticipo sulle previsioni. EDP , una società energetica portoghese, annuncia la sua uscita dal carbone nel 2021. La Spagna chiude 7 centrali elettriche ingiugno 2020, un anno e mezzo dopo la chiusura delle miniere di carbone, per evitare i costi del loro adeguamento alle normative europee, e quattro delle otto centrali rimaste hanno chiesto l'autorizzazione alla chiusura.
Si prevede che circa 40 centrali elettriche verranno chiuse nei prossimi anni in Finlandia , Francia , Italia , Paesi Bassi , Portogallo e Regno Unito , poiché questi paesi hanno scelto di eliminare gradualmente il carbone entro il 2030.
Centrali elettriche a petrolioQuesto tipo di impianto brucia olio combustibile in una caldaia che produce vapore, che fa girare una turbina che aziona un alternatore per produrre elettricità.
Il suo funzionamento è del tutto simile a quello descritto per le centrali a carbone, le principali differenze riguardano solo la caldaia ed i suoi ausiliari, questi essendo specifici per un combustibile liquido.
Centrali elettriche a gasIn alcuni paesi produttori di gas naturale , esistono ancora vecchie centrali elettriche simili a centrali elettriche a petrolio , ma che utilizzano il gas come combustibile, al posto dell'olio combustibile, per produrre il vapore per la turbina . Il loro funzionamento è identico, ma la caldaia è dimensionata appositamente per questo combustibile gassoso. Dagli anni '90 e dall'avvento delle turbine a combustione (a ciclo semplice o combinato ), questo tipo di centrale è diventato scarso a favore delle centrali con turbine a combustione, in particolare a causa della migliore efficienza di queste turbine nel ciclo combinato . L'efficienza del ciclo combinato gas della centrale termica di Bouchain supera così il 62%.
Centrali a biomasseIn Europa, le grandi centrali elettriche funzionano già a biomassa, alcune delle quali da 25 anni in Scandinavia. Più recentemente, per la produzione di elettricità termica, la cogenerazione di elettricità e calore sta gradualmente sostituendo gli impianti di produzione di elettricità pura. Ma in alcuni Paesi, o in alcune regioni, gli operatori energetici incontrano difficoltà in questa riconversione, in particolare per la mancanza di infrastrutture in grado di sfruttare il calore della cogenerazione, come le reti di teleriscaldamento. Nonostante ciò, per progredire nella transizione energetica, e in attesa della graduale realizzazione di queste infrastrutture, gli operatori scelgono talvolta di convertire i propri mezzi di produzione termica esistenti da carbone a biomasse. Questo è stato il caso di molti siti nel Regno Unito, in Polonia, nei Paesi Bassi o in regioni come la Vallonia o la Provenza. Previsti per periodi di esercizio di circa vent'anni, consentono, durante questo periodo transitorio, da un lato di interrompere immediatamente l'uso del carbone, e dall'altro di mantenere le capacità produttive in attesa che il consumo di energia elettrica sia meglio controllato e dall'altro più efficiente vengono messi in atto dispositivi, come la cogenerazione o lo stoccaggio di energie rinnovabili intermittenti.
Tra le centrali a biomasse più importanti vi sono la centrale di Drax (4000 MW ) nel Regno Unito e la centrale termoelettrica Provence (150 MW ) a Gardanne.
In Francia, 31 dicembre 2020, la capacità installata degli impianti nel settore delle bioenergie ha raggiunto i 2.171,5 MW , di cui 680,3 MW (31,3%) di impianti a legna e altri biocombustibili solidi (+ 3,1%). Questi impianti hanno prodotto nel 2020 9,6 TWh , ovvero il 2,0% della produzione elettrica del Paese, di cui 2,5 TWh per gli impianti a biomasse solide (legno, ecc .).
Nel febbraio 2021, 500 scienziati hanno inviato una lettera aperta ai leader di Stati Uniti , Unione Europea , Giappone e Corea per avvertirli del rischio che si verificasse un eccessivo sviluppo del settore energetico del legno. riscaldamento globale . Gli scienziati stanno incoraggiando i governi a rimuovere qualsiasi incentivo che incoraggerebbe la legna da ardere , che provenga o meno dalle proprie risorse forestali.
Un motore a combustione interna (ICE) è un tipo di motore a combustione in cui l' energia termica sprigionata dalla combustione viene convertita in energia meccanica .
Turbine a combustioneQuesto tipo di impianto può utilizzare combustibili gassosi (gas naturale, butano , propano , ecc. ), ma anche liquidi (dai più volatili come nafta , alcool, ai più viscosi ( oli combustibili pesanti o residui , o anche petrolio greggio ) , tramite cherosene o gasolio ).
La terminologia francese "turbina a gas" o TAG, derivante dalla traduzione letterale del termine anglosassone turbina a gas , può creare confusione. Il nome “turbina a combustione”, o più esattamente TAC, evita questa ambiguità.
Ci sono due tipi di centrali elettriche.
Centrali a ciclo semplice Costituito da una turbina a combustione funzionante a combustibile liquido o gassoso che aziona un alternatore. Sono principalmente utilizzati come centrali di punta, per garantire una produzione aggiuntiva in caso di forte domanda puntuale (ore di punta). Centrali a ciclo combinato La loro efficienza energetica è migliorata dall'aggiunta di una caldaia a recupero . Questa sfrutta il calore residuo sensibile , contenuto nei fumi allo scarico della turbina a combustione, per produrre vapore alimentando una turbina a vapore . Quest'ultimo può a sua volta azionare un secondo alternatore su una seconda linea d'albero (questo è chiamato ciclo combinato "con linee d'albero separate"), o essere installato sulla stessa linea d'albero della turbina a combustione (questo è quindi indicato come un ciclo combinato “linea monoalbero”). Quest'ultima configurazione, disponibile da diversi produttori mondiali, raggiunge un'efficienza del 60%. Motori dieselAlcune centrali termiche utilizzano motori diesel per azionare gli alternatori.
In Francia è il caso delle aree non interconnesse alla rete metropolitana continentale (sistemi elettrici in Corsica , Guadalupa , Martinica, Reunion, Mayotte, Nuova Caledonia, ecc .).
Nel 2018, la quota del settore della produzione di energia elettrica e calore nelle emissioni di CO 2 relativa all'energia è stata del 41,7%.
Nell'Unione Europea dei 27, le emissioni di gas serra per la produzione di un kilowattora di elettricità sono diminuite del 45% tra il 1990 e il 2018, da 510 g CO 2eq / kWh a 281 g CO 2eq/kWh nel 2018. Secondo le prime stime, arriverebbero a 249 g CO 2eq/kWh nel 2019. Le emissioni sono elevate nei paesi dove l'industria del carbone è ancora importante, come la Germania (406 g/kWh ) o ancor più la Polonia (789 g/kWh ) e l'Estonia (900 g/ kWh ) .kWh ). Al contrario, sono molto più bassi nei paesi che hanno sviluppato energie nucleari e/o rinnovabili, come la Francia (54 g/kWh ) o la Svezia (13 g/kWh ).
In Francia, la produzione di energia elettrica rappresenta circa il 4,8% delle emissioni totali di CO 2nel 2019. Tale quota, escludendo l'autoconsumo, è stata pari a 17,1 Mt di CO 2nel 2020 contro i 18,7 Mt del 2019; la loro principale fonte è il gas naturale (13,5 Mt ).