Tutto quello che c’è da sapere sull’energia termoelettrica

In Italia, il sistema elettrico nazionale si basa sull’energia termoelettrica, che copre quasi due terzi della domanda di elettricità totale. Negli ultimi anni sono stati fatti notevoli progressi e, oggi, le centrali in cui viene prodotta energia termoelettrica sono molto più efficienti di un tempo, per cercare di ridurre al minimo il loro impatto ambientale.

Affinché diventi concretamente possibile limitare le emissioni di gas serra e l’uso di combustibili fossili, di cui si fa ampio uso nelle centrali termoelettriche, è necessario investire e incentivare ulteriormente l’utilizzo di fonti più sostenibili, come biomasse e bioenergie.

Questa è la strada per contribuire alla transizione verso un sistema energetico pulito.

Che cos’è l’energia termoelettrica?

Partiamo dalla definizione di energia termica, che è una forma di energia elettrica prodotta attraverso il calore generato da fonti termiche, come il carbone, il gas naturale, il petrolio, il nucleare e anche le fonti rinnovabili, tra cui le biomasse e il solare termico.

Il processo, che ha origine dall’energia chimica di un combustibile, attraversa diverse fasi:

1. Combustione della fonte energetica, che comporta la bruciatura del combustibile per generare calore, convertendo così l’energia chimica in energia termica.
2. Utilizzo del calore per azionare una turbina, che converte l’energia termica in energia meccanica attraverso una turbina
3. Generazione di elettricità attraverso un alternatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica mediante l’induzione di un campo magnetico.

A questo punto, l’energia elettrica generata può essere utilizzata per alimentare le reti elettriche e soddisfare le esigenze di consumo private e industriali.

Quali sono le fonti energetiche di una centrale termoelettrica?

Tra le varie tipologie di centrali termoelettriche, le due varianti principali sono la centrale a vapore e la centrale turbogas. La prima utilizza combustibili fossili per generare vapore ad alta pressione e temperatura, che viene poi utilizzato per azionare una turbina collegata a un generatore elettrico. La seconda soluzione, invece, sfrutta la combustione di gas naturale o di altri combustibili per far funzionare una turbina a gas, che a sua volta alimenta un generatore elettrico.

Le principali fonti energetiche primarie, quindi, sono:

• Carbone: La centrale termoelettrica a carbone è la più comune, in cui la combustione del carbone attraverso turbine e generatori dà origine al calore che viene convertito in energia elettrica.
• Gas naturale: La centrale termoelettrica a gas, invece, è considerata più efficiente e meno inquinante, perché utilizza la combustione del gas naturale per dare il via al processo che trasforma il calore in energia. Da molti anni, in Italia, sono diffuse le tecnologie a ciclo combinato che sfruttano come fonte primaria il metano.
• Petrolio: Alcuni impianti utilizzano il petrolio come fonte energetica (la cosiddetta centrale petrolifera). È la soluzione meno diffusa a causa dei costi e dell’impatto ambientale negativo che ne deriva.
• Nucleare: Le centrali nucleari sfruttano l’energia rilasciata dalla fissione nucleare, hanno una produzione di energia costante e ridotte emissioni di gas serra, ma sono meno sicure e comportano la gestione di rifiuti radioattivi.
• Fonti rinnovabili: La produzione di energia elettrica da queste fonti (come biomasse e biogas) offre vantaggi in termini di sostenibilità ambientale, ma può avere limitazioni legate alla disponibilità delle risorse.

Come funziona una centrale termoelettrica?

Una centrale termoelettrica funziona secondo un ciclo continuo e ripetitivo, garantendo la produzione costante di energia elettrica. Può variare nella configurazione e nei tipi di combustibili utilizzati, ma il principio di base del suo funzionamento rimane lo stesso.

Ad avviare il processo di produzione di energia dell’impianto termoelettrico è l’introduzione del combustibile in un bruciatore situato sotto una caldaia. La combustione genera calore che riscalda l’acqua presente nei tubi a serpentina della caldaia. Grazie all’alta temperatura raggiunta (circa 540 °C), l’acqua si trasforma in vapore surriscaldato.

Il vapore ad alta pressione viene quindi convogliato verso una turbina collegata a un generatore chiamato alternatore. La forza del vapore fa ruotare le pale della turbina, trasformando l’energia termica in energia meccanica, che a sua volta viene convertita in energia elettrica dall’alternatore.

Dopo aver compiuto il lavoro nella turbina, il vapore esausto viene inviato a un condensatore, dove viene raffreddato tramite il contatto con tubi contenenti acqua fredda, spesso prelevata da corsi d’acqua vicini. Il raffreddamento provoca la condensazione del vapore in acqua, che viene poi riportata nel circuito della caldaia per essere riutilizzata nel processo.

Lo schema di una centrale termoelettrica e i principali componenti

Abbiamo visto come funzionano le centrali termoelettriche, ora proviamo a capire quali sono i diversi componenti che lavorano insieme per convertire il calore generato dai combustibili fossili in energia elettrica.

• Bruciatore: È il primo componente in cui il combustibile fossile viene bruciato per generare calore.
• Caldaia centrale: Il calore prodotto dal bruciatore passa all’interno della caldaia, l’acqua viene riscaldata e trasformata in vapore.
• Turbina Termoelettrica: Il vapore ad alta pressione entra nella turbina passando dalla caldaia, che è collegata a un albero rotante.
• Generatore: L’energia meccanica prodotta dalla turbina viene trasferita al generatore, costituito da un filo di rame avvolto attorno a un nucleo di ferro, che converte l’energia meccanica in elettrica.
• Trasformatore: A questo punto l’energia passa ai trasformatori, che aumentano la tensione dell’elettricità per facilitare la trasmissione attraverso le linee elettriche.
• Condensatore: Il vapore esausto dalla turbina viene convogliato nel condensatore, dove viene raffreddato tramite il contatto con acqua fredda. Il vapore condensato torna nel circuito della caldaia.

Le centrali a ciclo combinato

Cosa sono e come funzionano, invece, le cosiddette centrali a ciclo combinato? Sono impianti termoelettrici più innovativi in grado di sfruttare in modo efficiente sia il calore che l’energia prodotta durante la generazione di elettricità. Questi impianti combinano due cicli termodinamici: uno a vapore e uno a gas.

Nel primo, l’energia elettrica viene prodotta mediante la combustione del gas naturale. Nel secondo ciclo, invece, si sfrutta il calore residuo presente nei gas di scarico provenienti dalla turbina, trasformandolo in energia elettrica aggiuntiva.

Un vantaggio significativo degli impianti a ciclo combinato è l’efficienza termica. Significa che un maggior quantitativo di energia viene convertito in elettricità, riducendo le perdite e ottimizzando l’uso dei combustibili.

Impianti di cogenerazione

Per migliorare l’efficienza complessiva dell’utilizzo di energia, sono particolarmente interessanti gli impianti di cogenerazione, che producono contemporaneamente energia elettrica e calore utilizzabile a partire da una fonte primaria, riducendo gli sprechi tipici dei sistemi di produzione separata di elettricità e calore.

L’obiettivo è di utilizzare il calore residuo generato durante la produzione di energia elettrica per scopi termici, come il riscaldamento degli edifici o la produzione di acqua calda sanitaria. Come per le centrali termiche, gli impianti di cogenerazione possono essere alimentati da diverse fonti di energia, tra cui gas, olio combustibile, biomasse o biogas.

I vantaggi degli impianti di cogenerazione sono molteplici:

✓ permettono di ridurre i consumi energetici
✓ diminuiscono le emissioni di gas serra e altri inquinanti atmosferici
✓ offrono un’opportunità di recupero di energia termica altrimenti dispersa

Energia termoelettrica: vantaggi e svantaggi

Sfruttando il calore generato dalla combustione di combustibili fossili, le centrali termoelettriche producono elettricità in maniera efficiente e affidabile. Tuttavia, come ogni forma di produzione energetica, anche la centrale termoelettrica presenta vantaggi e svantaggi che vanno considerati nell’ambito della transizione verso un sistema energetico più sostenibile.

Ecco una lista dei pro e contro quando si parla di centrale termoelettrica:

L’impatto ambientale dell’energia termoelettrica

Concludiamo questo approfondimento andando più nel dettaglio sui risvolti legati all’impatto ambientale di questa forma di produzione energetica:

1. Gas serra: La combustione dei combustibili fossili, come il petrolio, il carbone e il gas naturale, produce grandi quantità di anidride carbonica (CO2) e altri gas serra che contribuiscono al cambiamento climatico e all’aumento della temperatura globale, con conseguenti impatti negativi sull’ambiente, come l’innalzamento del livello del mare, i cambiamenti climatici estremi e l’acidificazione degli oceani.
2. Inquinamento atmosferico: Le centrali termoelettriche emettono anche sostanze inquinanti come ossidi di azoto (NOx), zolfo (SOx) e particolato, che sono causa di gravi problemi di salute, come malattie respiratorie, ma anche dello smog e del deterioramento della qualità dell’aria.
3. Consumo di acqua: Le centrali termoelettriche richiedono grandi quantità di acqua per il processo di raffreddamento. L’acqua prelevata da fiumi, laghi o oceani viene spesso restituita ad una temperatura più elevata, causando un impatto negativo sugli ecosistemi acquatici e sulla vita marina.
4. Ecosistema: L’estrazione, il trasporto e la lavorazione dei combustibili fossili necessari per alimentare le centrali termoelettriche possono causare danni all’ambiente, tra cui la distruzione di habitat naturali, l’inquinamento delle acque e la perdita di biodiversità.
5. Esaurimento delle risorse: L’utilizzo continuo dei combustibili fossili come fonte primaria per la produzione di energia termoelettrica può portare alla diminuzione delle riserve disponibili e all’esaurimento delle risorse nel lungo termine, sollevando preoccupazioni sulla sicurezza dell’approvvigionamento energetico e la necessità di diversificare le fonti di energia.

È fondamentale affrontare l’impatto ambientale dell’energia termoelettrica attraverso la ricerca e lo sviluppo di soluzioni energetiche più sostenibili. Le fonti rinnovabili, come l’energia solare, l’eolico e l’idroelettrico, offrono alternative che possono contribuire a mitigare gli effetti negativi sull’ambiente e adottare un approccio più sostenibile alla produzione di energia.

La storia dell’energia eolica ha radici antiche, ma è solo nel XX secolo che si sono sviluppati i primi impianti eolici come li conosciamo e li vediamo oggi. Un importante punto di svolta è stata l’invenzione della turbina eolica di Blyth, il primo impianto eolico moderno al mondo.
Questa pionieristica turbina eolica si trova nella città britannica di Blyth ed è stata costruita nel 1951 da una struttura di acciaio alta circa 30 metri e dotata di tre pale, in grado di produrre fino a 100 kilowatt di energia elettrica.
Ha rappresentato un importante passo avanti nell’utilizzo dell’energia eolica per la produzione di elettricità su larga scala e ha dimostrato la fattibilità tecnica e l’efficacia dell’eolico come fonte di energia rinnovabile.

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