D’altra parte la domanda di carbone non deriva esclusivamente dal settore della

Introduzione

Fino a pochi anni fa il dibattito al centro della questione energetica mondiale verteva sul contrasto tra la crescente domanda mondiale di energia ed il progressivo esaurimento delle risorse fossili, che hanno sostenuto lo sviluppo economico della società negli ultimi due secoli. Oggi l’interesse della comunità scientifica sembra invece rivolgersi verso l’influenza delle attività antropiche sul fenomeno del riscaldamento globale che si manifesta nei sempre più rapidi mutamenti delle condizioni climatiche. Inoltre una valutazione dello scenario energetico mondiale per i prossimi decenni non può prescindere dalla constatazione che l’attuale incremento demografico interessa principalmente le aree caratterizzate dai maggiori tassi di sviluppo, come Cina, India e Sud-Est Asiatico; anche se rallenterà il ritmo della crescita economica, questi paesi, aspirando al miglioramento delle condizioni di benessere, si aggiungeranno ai maggiori consumatori mondiali di risorse, oggi rappresentati dai paesi industrializzati. Obiettivo irrinunciabile per ciascuna nazione sarà quindi la sicurezza degli approvvigionamenti, più facilmente garantibile con la diversificazione delle fonti primarie e della dislocazione geopolitica di tali forniture. La politica energetica di ogni paese (purtroppo in Italia non ancora considerata una priorità dalle Istituzioni) si troverà quindi di fronte a problemi su scala globale, e dovrà inserirsi in un disegno strategico di livello internazionale che individui un idoneo modello di sviluppo compatibile con l’equilibrio tra società e ambiente.

In tale contesto l’utilizzo del carbone è stato notevolmente riconsiderato essenzialmente per motivi di carattere economico e geopolitico. È noto a tutti infatti che i prezzi del petrolio e del gas naturale stanno ultimamente crescendo in maniera piuttosto preoccupante e che risultano determinati principalmente da una complessa serie di fattori geopolitici. Si dà ormai per certo che, nel giro di poche decine d’anni, il progressivo esaurimento dei giacimenti possa portare ad un aumento dei prezzi non più controllabile, determinato dalle sempre maggiori difficoltà tecnologiche nell’estrazione e da fenomeni di natura speculativa.

D’altra parte la domanda di carbone non deriva esclusivamente dal settore della

generazione termoelettrica, ma una quota consistente dell’attuale produzione mondiale è

destinata all’industria siderurgica, e non viene utilizzata quindi come combustibile bensì

come materiale ricco di carbonio per la produzione di acciaio. A causa dell’incessante

sviluppo dei suddetti paesi, la domanda di carbone sarà destinata a crescere in entrambi i

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settori con inevitabili ricadute sui prezzi dei mercati internazionali. Inoltre lo sfruttamento di un combustibile solido pone problemi intrinseci di maggior rilevanza rispetto all’utilizzo del petrolio e del gas naturale. Innanzitutto lo sfruttamento intensivo dei giacimenti di carbone presenta difficoltà sia di ordine tecnologico, legate all’estrazione del materiale da profondità anche notevoli, sia per quanto riguarda la sicurezza delle condizioni di lavoro nelle miniere (questione accentuata nei paesi in via di sviluppo). I problemi riguardano anche il trasporto su lunghe distanze, lo stoccaggio e la movimentazione all’interno dei siti industriali, essenzialmente per limitare la dispersione nelle zone limitrofe di materiale particolato.

Per quanto riguarda la generazione termoelettrica da carbone, si aggiungono i problemi relativi alle infrastrutture necessarie per la gestione di milioni di tonnellate all’anno di materiali solidi, che restringono il numero dei siti idonei alla costruzione di centrali di grande taglia. Un altro problema di natura tecnologica riguarda l’alimentazione in camera di combustione, che necessita di un preventivo trattamento del combustibile che deve essere essiccato e finemente macinato, operazioni comunque dispendiose dal punto di vista energetico. A partire dagli anni ’70, tuttavia, il dibattito sull’accettabilità sociale delle centrali a carbone si è concentrato sulle emissioni di macro e microinquinanti, che provengono in massima parte dai precursori contenuti nel combustibile di partenza; la conseguente adozione di sistemi di trattamento dei fumi ha, d’altra parte, aumentato il consumo delle risorse in ingresso e la produzione di residui solo parzialmente riutilizzabili, rendendo più difficoltoso l’inserimento delle centrali in un contesto territoriale. La gestione di ingenti quantità di materiali solidi è aggravata dalla tendenza a costruire oggigiorno gruppi di taglia unitaria sempre maggiore, ormai fino ai 1000 MW, sia per ragioni dettate dalla ricerca di maggiori efficienze sia da considerazioni legate all’economia di scala.

Un’altra critica mossa agli impianti a carbone riguarda il basso rendimento di conversione, soprattutto se paragonato alle moderne centrali a ciclo combinato. La scarsa efficienza del parco termoelettrico a carbone, in Italia pari a circa il 34% nel 2002, è imputabile all’elevata età media degli impianti che presentano parametri conservativi del ciclo a vapore.

La riconsiderazione del carbone come fonte energetica nel medio termine passa dunque attraverso la soluzione, quantomeno parziale, delle numerose problematiche appena accennate. Oggi infatti il carbone è posto al centro di numerosi progetti di ricerca internazionali per lo sviluppo di una generazione termoelettrica a minore impatto ambientale; tali sistemi rientrano nella categoria delle cosiddette “Clean Coal

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Technologies”, ovvero di quelle tecnologie che consentono di estrarre, trattare ed utilizzare il carbone in maniera efficiente e con emissioni limitate. Le vie possibili per lo sviluppo di una generazione competitiva e a minor impatto ambientale non dovrebbero quindi prescindere da misure specifiche per il controllo degli inquinanti, dall’aumento dell’efficienza termodinamica attraverso soluzioni impiantistiche innovative (limitando il consumo di risorse), e dalla cattura ed il sequestro della CO

in configurazioni integrate.

Tra tali tecnologie, quelle che rivestono il ruolo principale nel settore della generazione elettrica possono essere suddivise in quattro grandi categorie: gli impianti a vapore (ultra)supercritici a polverino (USC), i processi di combustione in letto fluido (FBC), i processi basati sulla gassificazione (IGCC), infine gli impianti a ciclo combinato a combustione esterna (EFCC). Il panorama della ricerca oggi risulta d’altro canto talmente vario e complesso, che non sono stati ancora proposti né fissati degli obiettivi comuni da adottare come punti di partenza per lo studio delle soluzioni impiantistiche con le migliori prospettive.

Risulta dunque opportuno per una prima valutazione individuare una classificazione organica delle configurazioni impiantistiche allo studio; il presente lavoro si prefigge quindi lo scopo di fornire un quadro esauriente delle tecnologie di conversione convenzionali ed avanzate basandosi su un’analisi critica delle numerose informazioni reperite in letteratura. Individuate le soluzioni che permettono il miglior compromesso tra prestazioni termodinamiche ed ambientali, la seconda parte della tesi ne indaga i limiti relativamente ad efficienza e flessibilità attraverso un approccio di ottimizzazione termodinamica. Nella parte finale si valuta un approccio alternativo di ottimizzazione per elaborare criteri integrati di valutazione che, oltre alle caratteristiche termodinamiche ed economiche, facciano rientrare le questioni ambientali nell’analisi dei sistemi di conversione del carbone.

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