Come si produce energia elettrica in una centrale termica (CHP)

Le centrali termiche sono suddivise in stazioni:

• in base al tipo di motore di propulsione: turbina a vapore, turbina a gas, con motori a combustione interna;

• per tipo di combustibile — con combustibile organico solido (carbone, legna da ardere, torba), combustibile liquido (petrolio, benzina, cherosene, gasolio), funzionante a gas.

Nelle centrali termiche, l'energia del combustibile bruciato viene convertita in energia termica, che viene utilizzata per riscaldare l'acqua nella caldaia e generare vapore. L'energia del vapore aziona una turbina a vapore collegata a un generatore.

Gli impianti termoelettrici in cui il vapore viene interamente utilizzato per la produzione di energia elettrica sono detti impianti a condensazione (CES). Potenti IES si trovano vicino alle aree di produzione del carburante, lontane dai consumatori di elettricità, quindi l'elettricità viene trasmessa ad alta tensione (220 - 750 kV). Le centrali elettriche sono costruite in blocchi.

Le centrali elettriche di cogenerazione o le centrali combinate di calore ed elettricità (CHP) sono ampiamente utilizzate nelle città.In queste centrali, il vapore parzialmente esaurito nella turbina viene utilizzato per le esigenze tecnologiche, oltre che per il riscaldamento e l'acqua calda nei servizi residenziali e comunali. La produzione simultanea di energia elettrica e calore riduce i costi di fornitura di energia elettrica e calore rispetto alla produzione separata di energia elettrica e calore.

Le centrali termoelettriche utilizzano il calore generato dalla combustione di combustibili fossili come petrolio, gas, carbone o olio combustibile per produrre grandi quantità di vapore ad alta pressione dall'acqua. Come potete vedere, il vapore qui, nonostante funga da refrigerante dall'era dei motori a vapore, è ancora perfettamente in grado di far girare un generatore a turbina.

Il vapore della caldaia viene inviato ad una turbina, con un albero collegato ad un generatore di corrente alternata trifase. L'energia meccanica della rotazione della turbina viene convertita in energia elettrica del generatore e trasmessa alle utenze alla tensione del generatore o alla tensione elevata tramite trasformatori elevati.

La pressione del vapore immesso nella turbina è di circa 23,5 MPa, mentre la sua temperatura può raggiungere i 560 °C. E l'acqua viene utilizzata in una centrale termica proprio perché riscaldata dal combustibile organico fossile tipico di tali impianti, le cui riserve sono nelle profondità del nostro pianeta sono ancora piuttosto grandi, sebbene diano un enorme svantaggio sotto forma di emissioni nocive che inquinano l'ambiente.

Quindi il rotore rotante della turbina è collegato qui all'armatura di un generatore a turbina di enorme potenza (diversi megawatt) che alla fine genera elettricità in questa centrale termica.

In termini di efficienza energetica, le centrali termiche sono generalmente tali che su di esse viene effettuata la conversione del calore in energia elettrica con un rendimento di circa il 40%, mentre una quantità molto elevata di calore nel peggiore dei casi viene semplicemente immessa nell'ambiente e nel peggiore dei casi, nel migliore dei casi, viene immediatamente fornito al riscaldamento e all'acqua calda, l'approvvigionamento idrico alle utenze vicine. Pertanto, se il calore rilasciato in una centrale elettrica viene immediatamente utilizzato per la fornitura di calore, l'efficienza di tale impianto raggiunge generalmente l'80% e la stazione viene chiamata centrale termica ed elettrica combinata o TPP.

La turbina generatore più comune di una centrale termica contiene sul suo albero una pluralità di ruote con pale distanziate in due gruppi distinti. Il vapore alla pressione più alta, quello che viene scaricato dalla caldaia, entra immediatamente nel percorso di flusso del gruppo elettrogeno, dove fa girare la prima serie di giranti a palette. Inoltre, lo stesso vapore viene ulteriormente riscaldato in un riscaldatore a vapore, dopodiché entra nel secondo gruppo di ruote funzionanti a una pressione di vapore inferiore.

Di conseguenza, la turbina, collegata direttamente al rotore del generatore, compie 50 giri al secondo (il campo magnetico dell'armatura, che attraversa l'avvolgimento dello statore del generatore, ruota anch'esso alla frequenza corrispondente). Per evitare il surriscaldamento del generatore durante il funzionamento, la stazione dispone di un sistema di raffreddamento del generatore che ne impedisce il surriscaldamento.

All'interno della caldaia di una centrale termica è installato un bruciatore sul quale viene bruciato il combustibile formando una fiamma ad alta temperatura. Ad esempio, la polvere di carbone può essere bruciata con l'ossigeno.La fiamma copre un'ampia area di un tubo con una configurazione complessa attraversata dall'acqua che, una volta riscaldata, diventa vapore che fuoriesce all'esterno ad alta pressione.

Il vapore acqueo che fuoriesce ad alta pressione viene alimentato alle pale della turbina, trasferendovi la sua energia meccanica. La turbina ruota e l'energia meccanica viene convertita in energia elettrica. Superando il sistema delle pale della turbina, il vapore viene indirizzato al condensatore, dove, cadendo sui tubi con acqua fredda, si condensa, cioè ridiventa liquido - acqua. Tale centrale termica è chiamata centrale elettrica a condensazione (CES).

Gli impianti di cogenerazione (CHP), a differenza degli impianti a condensazione (CES), contengono un sistema per estrarre il calore dal vapore dopo che è passato attraverso la turbina e ha già contribuito alla produzione di energia elettrica.

Il vapore viene prelevato con parametri diversi, che dipendono dal tipo di particolare turbina, e viene regolata anche la quantità di vapore prelevato dalla turbina. Il vapore impiegato per generare calore viene condensato nelle caldaie di rete, dove cede la sua energia all'acqua di rete, e l'acqua viene pompata alle caldaie di punta e ai punti di riscaldamento. Inoltre, l'acqua viene fornita all'impianto di riscaldamento.

Se necessario, l'estrazione di calore dal vapore nella centrale termica può essere completamente disattivata, quindi la centrale di cogenerazione diventerà un semplice IES. Pertanto, la centrale termica è in grado di funzionare in una delle due modalità: in modalità termica, quando la priorità è la produzione di calore, o in modalità elettrica, quando la priorità è l'elettricità, ad esempio in estate.