L'influenza delle stagioni sull'efficienza degli impianti energetici
Avvocato Atomico
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Due settimane fa abbiamo parlato del perché le centrali nucleari abbiano un calo dell’efficienza nei mesi caldi e umidi (https://telegra.ph/Caldo-03-26), oggi cercheremo di capire quale sia l’influenza del clima su tutti gli altri impianti per la produzione di energia elettrica.
Partiamo dai combustibili fossili
Il carbone viene bruciato in grosse caldaie le cui pareti sono tappezzate di tubi in cui scorre l’acqua. Quest’ultima assorbe il calore generato dalla combustione e dopo essere stata vaporizzata viene mandata alla turbina. La parte dell’impianto dedicata alla condensazione del vapore è del tutto analoga a quella di un reattore nucleare e quindi valgono le stesse considerazioni che abbiamo fatto la volta scorsa riguardo alla torre evaporativa.
Le centrali che utilizzano i derivati del petrolio per produrre energia elettrica sono sempre più rare a causa dell’elevata domanda di idrocarburi liquidi dovuta al settore dei trasporti, ma in ogni caso la struttura dell’impianto è molto simile a quella delle centrali a carbone e del tutto uguale per quanto riguarda la parte di rimozione del calore.
Le cose sono un po’ diverse per il gas; esistono sostanzialmente due tipologie di impianti, quelli a ciclo Brayton e quelli a ciclo combinato. Nei primi si prende l’aria dall’ambiente, la si comprime in un compressore e la si manda nella camera di combustione insieme al gas naturale per la combustione; successivamente i fumi caldi vengono scaricati nell’atmosfera dopo essere usciti dalla turbina. Si tratta dunque di un ciclo aperto senza condensazione del vapore né impianto di raffreddamento, che quindi risente di meno delle condizioni climatiche. Ma temperature ambientali troppo elevate possono determinare cali di rendimento anche per questo tipo di impianti: in particolare, se l'aria prelevata dall'ambiente è più calda, il suo volume specifico sarà maggiore (a causa della ben nota equazione di stato dei gas pV = nRT), e questo significa che il compressore dovrà fare più fatica (=spendere più energia) per comprimerla (per questo a volte si usa l'intercooler).
Per quanto riguarda invece gli impianti a ciclo combinato, che sono ad oggi le macchine termiche più efficienti costruite dall’uomo, funzionano essenzialmente con un ciclo Brayton, in cui però i fumi in uscita dalla turbina vengono usati per produrre vapore ed energia aggiuntiva. La condensazione del vapore può richiedere l’utilizzo delle torri evaporative, esattamente come per gli impianti a carbone. Gli aumenti della temperatura atmosferica in questo caso influiscono dunque su due fronti, in entrata e in uscita; tuttavia si tratta comunque di cali di rendimento limitati a pochi punti percentuali.
E per quanto riguarda le rinnovabili?
Gli impianti a biomassa e geotermici hanno la necessità di condensare il vapore in uscita dalla turbina e di conseguenza, se viene usata una torre evaporativa, presentano le stesse problematiche degli impianti nucleari, a carbone, a petrolio e a ciclo combinato. La riduzione del rendimento è particolarmente sentita negli impianti geotermici, dal momento che la temperatura del vapore all'ingresso in turbina per questi ultimi è generalmente bassa, e il rendimento non è molto elevato in generale.
Anche le centrali idroelettriche risentono del cambiamento stagionale, infatti la portata di un fiume (soprattutto di quelli più piccoli) può variare notevolmente nell’arco dell’anno, e la turbina diminuisce la propria efficienza se la portata in ingresso cala rispetto al valore ottimale. In certe condizioni è addirittura necessario fermare la produzione di energia elettrica se la quantità d’acqua è insufficiente. Questo si somma ovviamente al fatto che con meno acqua a disposizione vi sarà in generale meno energia cinetica da convertire in energia elettrica (dopotutto nella formula dell'energia cinetica compare la massa).
Il rendimento delle turbine eoliche è invece più o meno sempre costante – nel senso che la percentuale di energia cinetica convertita in energia elettrica è sempre la stessa. L'energia prodotta invece dipende da quanto vento c'è: il 30% di poco è pur sempre pochissimo, ma questo va a influire sul Capacity Factor delle turbine eoliche, non sulla loro efficienza.
La tecnologia del solare termodinamico richiede che il vapore venga fatto condensare all’uscita dalla turbina e quindi da questo punto di vista è del tutto analoga ad un impianto nucleare: https://telegra.ph/Caldo-03-26.
Le cose sono molto diverse per i pannelli fotovoltaici. Qui le condizioni climatiche influiscono notevolmente sull’efficienza: esiste infatti una temperatura esterna ottimale, che è di circa 20°C, per la quale le prestazioni delle celle fotovoltaiche sono massime. Se si scende troppo sotto o si sale troppo sopra il rendimento inizia a calare sensibilmente: in pratica un pannello solare lavora bene se non fa né troppo caldo né troppo freddo; l'efficienza è inoltre più alta quando il pannello riceve la radiazione solare in modo diretto, e dunque quando non vi sono nuvole.
Le condizioni atmosferiche, dunque, influenzano sia il rendimento di un pannello solare sia il suo Capacity Factor: in presenza di nuvole calano sia la quantità di energia disponibile per unità di tempo (e dunque la potenza) sia il fattore di conversione dell'energia luminosa in energia elettrica.
Nelle schede tecniche dei pannelli fotovoltaici viene riportato il rendimento STC (Standard Test Conditions) che è relativo alle condizioni ottimali (e poco realistiche) di funzionamento e poi viene riportato il rendimento NOCT (Nominal Operating Test Conditions) che è ovviamente più basso ed è relativo a condizioni di funzionamento più plausibili. In più, viene anche riportato il calo dell’efficienza al variare della temperatura del pannello, segnando per esempio una diminuzione del 0,33% del rendimento per ogni grado in più o in meno che si ha rispetto al valore di riferimento. In definitiva, la condizione di miglior funzionamento di un pannello fotovoltaico si ha verso maggio-giugno in giornate soleggiate, allontanandosi da questo periodo il rendimento cala o per un eccesso o per una riduzione della temperatura operativa.
Per completezza, si riportano i valori tipici dei rendimenti elettrici di tutti gli impianti energetici:
- Impianto nucleare: 30-35%
- Impianto nucleare di quarta generazione: 40%
- Impianto a carbone: 40-45%
- Impianto a petrolio: 40-45%
- Impianto a gas a ciclo Brayton: 40%
- Impianto a gas a ciclo combinato: 55-65%
- Impianto a biomasse: 20-35%
- Impianto geotermico: 20-25%
- Impianto idroelettrico: 70-80% (il valore è molto elevato perché non è un impianto termico)
- Turbina eolica: 30-40%
- Solare termodinamico: 25-35%
- Pannello fotovoltaico: 15-25%
-Fulvio