Definizione
Per centrale elettrica si intende un impianto industriale dedicato alla produzione di energia elettrica. Il nome deriva dal sostantivo più antico di officina elettrica, peraltro di significato più ampio e generico, utilizzato anche per impianti più propriamente definibili come cabina elettrica.
La definizione di centrale elettrica corrisponde meglio a quella anglosassone di electric power plant; nell’uso corrente il termine viene talvolta, e impropriamente, utilizzato per indicare la sede di impianti elettrici di vario tipo, in analogia con centrale termica, centrale telefonica, centrale allarmi, centrale antincendio ecc.
Generalità
L’elemento caratterizzante di una centrale sono le fonti energetiche utilizzate e i processi o i cicli di trasformazione che in essa avvengono. Può essere impiegato combustibile nucleare, con trasformazione intermedia in vapore; gas naturale; vapore geotermico; vento; biomassa; gasolio per fornire l’energia meccanica necessaria a porre in rotazione un generatore elettrico ad esso accoppiato. Il motore primo assume in questi casi il nome di turbina idraulica, turbina a vapore, turbina a gas, rotore eolico, motore endotermico. Solo nel caso della trasformazione diretta in elettrica dell’energia fornita dalla radiazione solare (sistemi fotovoltaici) la centrale di produzione non richiede il passaggio intermedio per l’energia meccanica e il sistema è interamente di tipo statico, privo di parti in movimento (salvo l’eventuale sistema di movimentazione dei pannelli per l’inseguimento solare in modo da ottimizzarne la resa).
Il sistema di generazione elettrica fornisce la potenza elettrica da immettere in rete con caratteristiche compatibili con la rete stessa, solitamente il sistema trifase di tensioni alternate. Le centrali elettriche assumono denominazioni specifiche quali: centrale idroelettrica, centrale termoelettrica, centrale geotermoelettrica, centrale termonucleare, centrale solare, centrale eolica (talvolta indicata anche come fattoria del vento quando si è in presenza di un complesso unitario che comprende una molteplicità di generatori eolici).
La produzione di energia elettrica a bocca di centrale è quasi esclusivamente in corrente alternata trifase a frequenza industriale (50 o 60 Hz), con tensioni comprese tra 400 V e 20 kV a seconda della potenza installata. Fanno eccezioni le centrali fotovoltaiche, i cui pannelli forniscono tensioni continue, convertite però sul posto in alternate grazie a dispositivi statici invertitori.
Le potenze sono variabilissime in ragione delle tipologie di impianto e delle risorse disponibili: da pochi kW di piccoli impianti idroelettrici o fotovoltaici fino a 1600–2000 MW e oltre di grandi impianti termoelettrici, nucleotermoelettrici e grandi derivazioni idroelettriche.
L’allacciamento alla rete elettrica di trasmissione richiede, almeno per potenze elevate, l’interposizione tra la centrale e la rete di una stazione (o cabina) di trasformazione che eleva la tensione al livello di quella di rete (130, 220, 400 kV). Sviluppi recenti nelle centrali elettriche riguardano le centrali a gas a ciclo combinato nelle quali si utilizza il gas di scarico della turbina per un ciclo tradizionale con turbina a vapore, potendo in tal modo elevare il rendimento complessivo della centrale anche fino al 60%; le centrali termonucleari di terza e quarta generazione, particolarmente affidabili e a elevato rendimento; le miniturbine idrauliche; i generatori eolici privi di moltiplicatore di velocità, più silenziosi ed efficienti; i termovalorizzatori, che consentono l’utilizzo dei rifiuti con un ciclo termoelettrico anche se di non elevato rendimento; le centrali solari termiche a concentrazione che sfruttano l’energia solare senza uso di pannelli fotovoltaici; i pannelli fotovoltaici in silicio amorfo.
Grandi sforzi sono in corso per realizzare la prima centrale termonucleare a fusione anziché a fissione che consentirebbe di superare il problema cruciale della sicurezza e delle scorie nucleari: il progetto internazionale ITER in corso a Cadarache (Francia) rappresenta un passo decisivo in questa direzione. Tra le centrali si possono considerare anche i sistemi di cogenerazione (produzione combinata di energia e elettrica e calore) utilizzati anche per sistemi di teleriscaldamento, e i sistemi diesel-elettrici utilizzati quali sistemi di riserva in impieghi sensibili (ospedali, caserme, banche, centri nevralgici importanti per le telecomunicazioni, processi industriali, critici ecc.).
Alcune tipologie di centrali sono poco note e diffuse a causa di obiettivi limiti legati ai pochi siti ambientali disponibili, o a tecnologie non ancora mature o limiti dimensionali che le rendono inadatte per grandi potenze:
- le centrali maremotrici, che sfruttano il movimento del mare dovuto alle maree;
- le centrali talassotermiche, che sfruttano la differenza termica dei diversi strati dell’oceano;
- le centrali a osmosi, che utilizzano un particolare processo basato sulla diversa salinità dell’acqua in prossimità della foce dei fiumi;
- le celle a combustibile che combinando opportunamente idrogeno e ossigeno forniscono una produzione combinata di energia elettrica e calore (l’idrogeno non è però una vera e propria risorsa energetica ma solo un vettore energetico provenendo a sua volta da processi chimici che consentono di ricavarlo dal gas naturale o da processi elettrochimici).
Il problema principale per le centrali di grossa taglia è l’individuazione di adatti siti di localizzazione che consentano da un lato il comodo e conveniente approvvigionamento di combustibile e dall’altro, per le centrali di tipo termoelettrico e termonucleare, la presenza di grandi quantità d’acqua di raffreddamento. In particolare per le centrali nucleari è anche richiesta la rigorosa garanzia di sicurezza idrogeologica e sismica del sito.
La liberalizzazione dei mercati dell’energia elettrica e la politica degli incentivi hanno dato impulso alle cosiddette smart grid, cioè a una vasta diffusione sul territorio di piccole unità di produzione di energia elettrica, essenzialmente di fonte eolica, fotovoltaica, idraulica, con funzioni integratici del fabbisogno dell’utenza diffusa o anche con superi di produzione da immettere in rete. Sviluppi in questa direzione avvengono anche nel settore delle piccole centrali di cogenerazione, azionate a gas metano, in grado di fornire ad unità abitative o a piccole unità produttive sia energia elettrica che calore (in qualche caso, grazie all’uso di sistemi ad assorbimento, anche la refrigerazione nel periodo estivo). La diffusione della microgenerazione distribuita richiede la revisione dell’impostazione tradizionale della rete di trasporto e distribuzione dell’energia elettrica: il controllo della tensione e della frequenza, attualmente garantiti essenzialmente dalle grandi centrali elettriche, dovrà assumere una fisionomia distribuita grazie a un raffinato utilizzo delle più moderne tecnologie informatiche e di telecomunicazione.
Anche la sicurezza e l’affidabilità del sistema, e quindi la filosofia delle protezioni, dovranno subire una radicale innovazione riuscendo molto più difficile il governo dei flussi di potenza immessi e transitanti sulle reti grazie alla presenza di una molteplicità di soggetti, un tempo solo utilizzatori di energia elettrica ma, nel nuovo scenario che si va delineando, anche (o solo) produttori di energia elettrica.
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