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OrizzontEnergia

Turbine a Gas (TG)

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COSA SONO E CAMPI D'IMPIEGO

Anche se a prima vista può non essere così evidente, in realtà l’uso delle turbine a gas è piuttosto diffuso in diversi campi: dagli aerei ai carri armati, fino alla produzione elettrica passando per gli elicotteri e le navi.

Turbine a gasIl principio di funzionamento concettualmente è simile a quello delle turbina a vaporeturbina a vapore
La turbina è il componente di una centrale termoelettrica dove l'energia termodinamica del vapore viene convertita in lavoro meccanico. Il vapore, infatti, esercita un lavoro sulle pareti dei condotti, man mano che diminuisce la sua pressione, cioè man mano che si espande. Questo lavoro, mette in rotazione un albero motore collegato ad un generatore elettrico.
: un fluido attraverso dei passaggi si espande, facendo in modo che parte della sua energiaenergia
Fisicamente parlando, l'energia è definita come la capacità di un corpo di compiere lavoro e le forme in cui essa può presentarsi sono molteplici a livello macroscopico o a livello atomico. L'unità di misura derivata del Sistema Internazionale è il joule (simbolo J)
di pressione e di movimento venga convertita in lavoro utile.

In senso stretto il termine turbina a gasturbina a gas
In senso stretto il termine turbina a gas indica la macchina in cui avviene l'espansione dei fumi derivanti dalla combustione di gas naturale. Essa è costituita da un compressore che comprime l' aria comburente, un combustore dove avviene la reazione chimica di combustione vera e propria ed un turbo espansore che è l'organo da cui si ricava lavoro utile. In senso più ampio, invece, il termine turbina a gas identifica l'intero impianto motore per la produzione di energia elettrica.
indica la macchina in cui avviene l’espansione di un gas (ma attenzione: il gas che viene fatto espandere è quello derivante dalla combustionecombustione
Processo chimico esotermico (ovvero che comporta sviluppo di calore) in cui il combustibile si combina con l'ossigeno presente nell'aria oppure appositamente separato (comburente). La reazione di combustione avviene previo innesco localizzato (accensione).
di gas naturalegas naturale
Idrocarburo che ha un'origine simile al petrolio, che si forma a partire dalla decomposizione anaerobica (cioè in assenza di ossigeno (O2) di microorganismi, attraverso processi biologici avvenuti nel corso delle ere geologiche. La composizione del gas naturale varia notevolmente a seconda del sito di formazione, ma in genere presenta un'alta percentuale di metano (dal 70 al 95 %), anidride carbonica (CO2CO2
Gas inodore, incolore e non infiammabile, la cui molecola è formato da un atomo di carbonio legato a due atomi di ossigeno. È uno dei gas più abbondanti nell'atmosfera, fondamentale nei processi vitali delle piante e degli animali (fotosintesi e respirazione).

), azoto (N2) e idrogeno solforato (H2S).
, non è il gas naturale in sé che espande), anziché del vapore come nel caso della turbina a vapore. In senso più ampio, invece, il termine turbina a gas identifica l’intero impianto motore per la produzione di energia elettricaenergia elettrica
Forma di energia ottenibile dalla trasformazione di altre forme di energia primaria (combustibili fossili o rinnovabili) attraverso tecnologie e processi di carattere termodinamico (ovvero che coinvolgono scambi di calore) che avvengono nelle centrali elettriche. La sua qualità principale sta nel fatto che è facilmente trasportabile e direttamente utilizzabile dai consumatori finali. Si misura in Wh (wattora), e corrisponde all'energia prodotta in 1 ora da una macchina che ha una potenza di 1 W.
.

Il gas naturale è il combustibile che più si presta all’utilizzo nelle turbina a gas perché la sua combustione è la più ‘pulita’ (non produce polveri e ossidi di zolfo) e quindi non crea problemi di erosione delle parti meccaniche della turbina stessa.

Le turbine a gas coprono un campo molto esteso di potenze (da 5 kWkW
Unità di misura della potenza equivalente a 1.000 Watt.
a 250 kW), con una massa dell’impianto che può andare dai pochi kilogrammi a centinaia di tonnellate. Esse nascono e si sviluppano a partire dagli anni ’40, nel settore aeronautico e sono diventate col tempo oggetto di numerosi sforzi di ricerca nel settore industriale. A partire dagli anni ’90, infatti, l’industria ha usufruito delle ricadute scientifiche e tecnologiche delle applicazioni di propulsione aeronautica e ha ‘attinto’ da essa per sviluppare sistemi stazionari (cioè fissi) di produzione di elettricità.

DESCRIZIONE DEI PROCESSI

Turbine a gasNegli impianti a turbina a gas un flusso d’aria compressa viene miscelata al gas naturale per fare avvenire una combustione: i gas combusti prodotti saranno poi fatti espandere in una turbina per ricavarne lavoro utile, trasformando la loro energia cineticaenergia cinetica
Energia di movimento, ovvero l'energia che un corpo possiede in virtù del fatto che si sta muovendo. La massa d'acqua di una cascata possiede energia cinetica, per esempio. Un corpo di massa M, infatti, muovendosi a velocità V, ha in sé la capacità di compiere un lavoro, ovvero di 'far muovere' qualcos'altro mentre cade o si muove. L'energia cinetica è data dall'espressione: Ec=1/2 x M x V2.
e di pressione in energia meccanicaenergia meccanica
Somma dell'energia potenziale e dell'energia cinetica che in un mondo ideale privo di attriti rimarrebbe costante. In realtà in tutti i processi fisici parte dell'energia meccanica viene dissipata dalle forze d'attrito, ma non scompare nel nulla: essa si trasforma nell'energia interna delle molecole che costituiscono i corpi tra cui c'è stato attrito ed è accompagnata da un aumento di temperatura. Facciamo l' esempio di un sasso che cade. Durante il moto dell'oggetto l'energia cinetica e l'energia potenziale assumono valori diversi istante per istante. In particolare, l'energia cinetica aumenta (perché cresce la velocità) e quella potenziale gravitazionale diminuisce (perché l'altezza diminuisce). Nonostante queste grandezze cambino continuamente, la loro somma rimane costante in assenza di attriti. Ma visto che gli attriti esistono, parte del l'energia meccanica viene dispersa e, alla fine, si ritrova sotto forma di calore del sasso e dell'aria che, sebbene in modo impercettibile, si sono portati ad una temperatura maggiore.
dell’alberoalbero
Organo meccanico attraverso cui si trasmette un moto rotatorio.
a cui è collegato il generatoregeneratore
Dispositivo che traforma l'energia meccanica in energia elettrica.
elettrico.

Il ciclo ideale che il fluido esegue nelle turbine a gas prende il nome di ciclo Brayton. Le fasi principali che avvengono in una turbina a gas sono:

COMPRESSIONE: all’interno di un compressorecompressore
Macchina operatrice che impartisce ad un gas in ingresso (per esempio aria o gas naturale) una certa quantità di moto tale da innalzarne la pressione fino al valore richiesto.
. Il compressore è una macchina che aspira aria e la ‘restituisce’ ad una pressione maggiore di quella che aveva all’inizio. All’uscita del compressore l’aria viene inviata in una camera di combustionecamera di combustione
È lo spazio all'interno di una caldaia o di un motore a combustione interna in cui ha luogo la combustione del combustibile. Qui, infatti, il combustibile alimentato si combina con aria comburente rilasciando un'enorme quantità di calore. In questo parte dell'impianto si sviluppano temperature e pressioni molto elevate.
dove avviene la miscelazione con il gas naturale e quindi la combustione .

COMBUSTIONE: all’interno di un combustore. Il combustore è un componente in cui viene bruciato il gas naturale e che provvede a fornire calore al ciclo. I combustori sono realizzati in metallo raffreddato lungo le pareti da un sottile strato d’aria per problemi di resistenza dei materiali all’alta temperatura

ESPANSIONE: all’interno di una turbina. La turbina (o meglio, il turboespansore) è una macchina in cui i gas combusti ad alta temperatura provenienti dalla sezione di combustione si espandono (cioè diminuiscono la loro pressione fino a quella atmosferica) producendo lavoro utile.

 

PRESTAZIONI

Turbine a gasIl rendimentorendimento
In termini generali il rendimento è il rapporto tra "quanto ottenuto" in un processo e "quanto speso" per fare avvenire lo stesso processo. In termodinamica rappresenta la capacità di un sistema di convertire l'input di calore in lavoro utile. Il rendimento è un numero puro (cioè non ha unità di misura) ed è sempre compreso tra 0 e 1. A seconda dei termini che vengono messi a confronto è possibile ottenere diverse tipologie di rendimento utili a definire la bontà di un processo o di una macchina (per esempio rendimento elettrico, rendimento termico, ecc..) ma il ragionamento alla base è sempre lo stesso.
di un impianto motore a turbina a gas reale dipende dalla temperatura all’ingresso della turbina (è il motivo per il quale questo componente è sottoposto a pesanti sollecitazioni termiche!). Aumentando tale temperatura da 900 a 1200 °C, il rendimento aumenta del 26 % e il lavoro netto prodotto del 71 %: molti sforzi della ricerca sono infatti concentrati sullo sviluppo di materiali con prestazioni sempre migliori da questo punto di vista.

Il successo delle turbina a gas, oltre alle elevate prestazioni ambientali, è anche strettamente legato alla possibilità di sfruttare il calore in uscita dal ciclo in virtù dell’elevata temperatura dei gas di scaricoscarico
Qualsiasi immissione di acque reflue in acque superficiali, sul suolo, nel sottosuolo e in rete fognaria, indipendentemente dalla loro natura inquinante, anche sottoposte a preventivo trattamento di depurazione. Sono esclusi i rilasci di acque previsti all'art. 114 (rilasci da diga).
provenienti dal turboespansore (circa 600 °C): il recupero di questo calore in modo utile per produrre energia meccanica (cicli combinati) ed energia termicaenergia termica
Calore.
(cogenerazionecogenerazione
Processo di produzione congiunta di energia elettrica e calore utile, in cascata, che può essere impiegato per scopi industriali (calore di processo) o per il teleriscaldamento. La cogenerazione comporta un sensibile risparmio di energia primaria rispetto alla produzione separata di elettricità a calore.
) porta a prestazioni più elevate di quelle ottenibili con gli impianti a vapore.

L’unica vera limitazione delle Turbine a gas è legata alle necessità di operare con combustibili puliti (e relativamente costosi), come il gas naturale.

Le turbine a gas sono normalmente impiegate per la produzione di energia elettrica di punta, ovvero durante le improvvise richieste di potenzapotenza
Grandezza data dal rapporto tra il lavoro (sviluppato o assorbito) e il tempo impiegato a compierlo. Indica la rapidità con cui una forza compie lavoro. Nel Sistema Internazionale si misura in watt (W).
elettrica sulla rete perché consentono una regolazione rapida ed efficace, ovvero è molto semplice far variare le condizioni di funzionamento di una TG per seguire e soddisfare le richieste di energia elettrica da parte degli utenti finali.

La TG è una macchina semplice e compatta in relazione alla potenza sviluppata, priva di componenti particolarmente ingombranti. A tale compattezza che ne ha decretato il grandissimo successo in campo aereonautico (la propulsione aeronautica è oggi appannaggio esclusivo delle turbine a gas) si aggiungono altri importanti vantaggi nel campo della generazione elettrica:

- Tempi di realizzazione dell'impianto molto inferiori rispetto alle centrali a vapore

- Non necessità di acqua di raffreddamento: ciò rende enormemente più libera la scelta del sito di installazione

- Costo di investimento limitato (dimensioni contenute sono sinonimo di modesto impiego di materiali costosi)


 

 

 

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