E’ noto che per aumentare l’efficienza di conversione dell’energia termica in energia elettrica
occorre adottare un ciclo termodinamico che presenti il rapporto più alto possibile tra le temperature
massime e minime. Tuttavia gli impianti motori termici disponibili presentano tutti delle limitazioni
per quanto riguarda la temperatura minima o quella massima del ciclo. Infatti negli impianti a
vapore, per motivi tecnologici ed economici, la temperatura massima del ciclo è limitata a valori di
circa 550 °C, mentre negli impianti a combustione interna (MCI e TG) la temperatura di scarico è
quella di fine espansione ed è molto maggiore della temperatura ambiente.
Viene allora spontaneo combinare il ciclo termodinamico di Joule di una turbina a gas con il ciclo
Rankine di un impianto a vapore sfruttando in tal modo prima il calore prodotto dalla combustione
del combustibile alle temperature più alte consentite dai materiali di una TG e poi il calore dei gas
scaricati da questa a pressione atmosferica per generare vapore saturo o surriscaldato che
successivamente espande in una turbina a vapore a condensazione fino ad una pressione molto
bassa. In tal modo le temperature estreme di un ciclo combinato che così si realizza (fig.6.17) sono
la temperatura all’ingresso della turbina a gas (oltre 1000÷1200 °C) e la temperatura di
condensazione del vapore, che è molto vicina a quella ambiente e dipende dalla temperatura
dell’acqua di raffreddamento del condensatore disponibile.
Questo tipo di ciclo consente pertanto di realizzare oggi rendimenti superiori del 15÷20% rispetto a
quelli dei cicli a vapore più complessi, mentre l’incremento di potenza è all’incirca del 50% della
potenza erogata dalla turbina a gas semplice.
La ragione per la quale l’impianto con turbina a gas è quello più adatto alla combinazione con un
impianto a vapore risiede nel fatto che per la TG il calore Q2 rilasciato alla sorgente inferiore è
concentrato esclusivamente nei gas di scarico, mentre in un MCI tale calore è distribuito tra gas di
scarico, sistema di raffreddamento, olio lubrificante, ecc..
Tenendo conto degli alti valori di rendimento conseguiti dalle moderne turbine a gas per la
produzione di energia (anche superiori a 0,35), in un ciclo combinato gas-vapore ottimizzato
l’efficienza globale della conversione dell’energia potenziale chimica del combustibile in lavoro
meccanico spesso supera abbondantemente il 50%. Si può pertanto concludere che gli impianti
combinati rappresentano, allo stato attuale delle conoscenze, il sistema a più alto rendimento per
produrre energia elettrica o meccanica in impianti fissi a partire dalla combustione di combustibili
fossili. Spesso tale soluzione impiantistica viene adottata per aumentare la potenza ed il rendimento
di centrali a vapore già in esercizio e di concezione non recentissima (intervento di repowering): in
tal caso viene aggiunto un gruppo turbogas all’impianto già esistente con una modifica del
generatore di vapore che viene convertito per utilizzare i gas caldi scaricati dalla turbina a gas.
In un moderno impianto turbogas i gas di scarico vengono rilasciati a temperature generalmente
comprese fra 400 e 600 °C. Tali livelli di temperatura sono particolarmente adatti per la produzione
di vapore di caratteristiche idonee per essere utilizzato in una turbina a vapore. La fig.6.18 mostra lo
schema impiantistico semplificato di un impianto combinato gas-vapore. Si osservi il generatore di
vapore che è costituito da una caldaia a recupero attraverso la quale transitano i gas di scarico
dell’impianto turbogas.
fig.6.18
occorre adottare un ciclo termodinamico che presenti il rapporto più alto possibile tra le temperature
massime e minime. Tuttavia gli impianti motori termici disponibili presentano tutti delle limitazioni
per quanto riguarda la temperatura minima o quella massima del ciclo. Infatti negli impianti a
vapore, per motivi tecnologici ed economici, la temperatura massima del ciclo è limitata a valori di
circa 550 °C, mentre negli impianti a combustione interna (MCI e TG) la temperatura di scarico è
quella di fine espansione ed è molto maggiore della temperatura ambiente.
Viene allora spontaneo combinare il ciclo termodinamico di Joule di una turbina a gas con il ciclo
Rankine di un impianto a vapore sfruttando in tal modo prima il calore prodotto dalla combustione
del combustibile alle temperature più alte consentite dai materiali di una TG e poi il calore dei gas
scaricati da questa a pressione atmosferica per generare vapore saturo o surriscaldato che
successivamente espande in una turbina a vapore a condensazione fino ad una pressione molto
bassa. In tal modo le temperature estreme di un ciclo combinato che così si realizza (fig.6.17) sono
la temperatura all’ingresso della turbina a gas (oltre 1000÷1200 °C) e la temperatura di
condensazione del vapore, che è molto vicina a quella ambiente e dipende dalla temperatura
dell’acqua di raffreddamento del condensatore disponibile.
Questo tipo di ciclo consente pertanto di realizzare oggi rendimenti superiori del 15÷20% rispetto a
quelli dei cicli a vapore più complessi, mentre l’incremento di potenza è all’incirca del 50% della
potenza erogata dalla turbina a gas semplice.
La ragione per la quale l’impianto con turbina a gas è quello più adatto alla combinazione con un
impianto a vapore risiede nel fatto che per la TG il calore Q2 rilasciato alla sorgente inferiore è
concentrato esclusivamente nei gas di scarico, mentre in un MCI tale calore è distribuito tra gas di
scarico, sistema di raffreddamento, olio lubrificante, ecc..
Tenendo conto degli alti valori di rendimento conseguiti dalle moderne turbine a gas per la
produzione di energia (anche superiori a 0,35), in un ciclo combinato gas-vapore ottimizzato
l’efficienza globale della conversione dell’energia potenziale chimica del combustibile in lavoro
meccanico spesso supera abbondantemente il 50%. Si può pertanto concludere che gli impianti
combinati rappresentano, allo stato attuale delle conoscenze, il sistema a più alto rendimento per
produrre energia elettrica o meccanica in impianti fissi a partire dalla combustione di combustibili
fossili. Spesso tale soluzione impiantistica viene adottata per aumentare la potenza ed il rendimento
di centrali a vapore già in esercizio e di concezione non recentissima (intervento di repowering): in
tal caso viene aggiunto un gruppo turbogas all’impianto già esistente con una modifica del
generatore di vapore che viene convertito per utilizzare i gas caldi scaricati dalla turbina a gas.
In un moderno impianto turbogas i gas di scarico vengono rilasciati a temperature generalmente
comprese fra 400 e 600 °C. Tali livelli di temperatura sono particolarmente adatti per la produzione
di vapore di caratteristiche idonee per essere utilizzato in una turbina a vapore. La fig.6.18 mostra lo
schema impiantistico semplificato di un impianto combinato gas-vapore. Si osservi il generatore di
vapore che è costituito da una caldaia a recupero attraverso la quale transitano i gas di scarico
dell’impianto turbogas.
fig.6.18
