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Centrale a carbone

tipo di centrale elettrica a vapore
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Una centrale a carbone è una centrale termoelettrica che brucia carbone per generare energia elettrica. A livello globale sono presenti oltre 2400 centrali a carbone per un totale di oltre 2000 GW di capacità installata.[1] Il carbone consente di generare circa un terzo dell'energia elettrica prodotta a livello mondiale,[2] ma è causa di molte malattie e morti precoci dovute principalmente all'inquinamento atmosferico.[3][4][5]

La centrale a carbone di Neurath in Germania

In una centrale di questo tipo generalmente il carbone viene prima polverizzato e in seguito bruciato in un'apposita caldaia. Il calore della fornace converte l'acqua bollente in vapore, che viene quindi utilizzato per mettere in moto una turbina collegata all'alternatore di un generatore elettrico. In questo modo l'energia chimica del carbone è convertita prima in energia termica, in energia meccanica e quindi in energia elettrica.

Le centrali a carbone emettono ogni anno oltre 10 Gt di anidride carbonica,[6] costituendo circa un quinto delle emissioni di gas serra a livello globale sono prese singolarmente, la prima causa del cambiamento climatico.[7] Oltre la metà dell'energia prodotta dalle centrali a carbone è localizzata in Cina.[8] A partire dal 2020 la quantità di centrali a carbone ha iniziato una progressiva diminuzione,[9][10] grazie alle dismissioni avvenute in Europa e America,[11][12] ma nonostante vengano ancora costruite in Asia.[13] Il segretario generale dell'ONU ha detto che i paesi OCSE dovrebbero chiudere le centrali a carbone entro il 2030 e il resto del mondo entro il 2040.[14]

Descrizione

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Components of a coal-fired power station
 
Coal power plant wastestreams

Trasporto del carbone

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Il trasporto del carbone verso le centrali avviene tramite camion, treni, navi cargo o carbodotto.[15] Spesso le centrali sono realizzate nei pressi delle miniere (specialmente quelle alimentate a lignite) a causa della bassa densità energetica del carbone, che si traduce in alti costi di trasporto. Per questo motivo molte di queste lo ricevono attraverso grandi autocarri o lunghi nastri trasportatori alla capacità di trasportare 4000 t/h. A un treno dedicato al trasporto del carbone può essere lungo anche 2 km, essere formato da 130-140 vagoni contenti circa 100 t di carbone ciascuno. Questa enorme quantità di carbone è generalmente consumata da un grande impianto in un giorno, e nei giorni di massima richiesta alcuni impianti possono ricevere dai tre a cinque treni al giorno. Nel caso del trasporto navale, una nave cargo può contenere 40000 t di carbone, che una volta scaricato può essere trasportato verso la centrale tramite treni o chiatte fluviali.

Combustione del carbone

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Per poter essere impiegato il carbone deve essere prima sbriciolato in pezzi lunghi circa 5 cm. Nella maggior parte delle centrali il carbone viene poi finemente polverizzato e preriscaldato al fine di eliminare l'umidità residua. La tipologia di fornace installata nella centrale varia in funzione della tipologia di carbone impiegato. Gli impianti alimentati a polvere di lignite, un carbone molto umido e di bassa densità energetica, dispongono di fornaci di dimensioni maggiori rispetto alle centrali alimentate ad antracite e dotate di ampie ventole di tiraggio. All'interno della fornace la polvere di lignite è poi iniettata insieme a gas caldi provenienti dall'uscita della fornace e quindi bruciata Gli impianti che non polverizzano il carbone lo bruciano in specifiche fornaci a cliclone.

Raccolta delle ceneri

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La cenere volante contenuta nei gas di scarico di una centrale a carbone è catturata e rimossa attraverso precipitatori elettrostatici o filtri a maniche posti all'uscita della fornace e prima dei ventilatori a tiraggio indotto. La cenere raccolta viene poi rimossa da tramogge e pneumaticamente trasportata in silos o bacini di stoccaggio. La cenere che si accumula sul fondo della fornace invece viene rimossa da tramogge contenenti acqua necessarie a ridurne la temperatura e poi convogliata in bacini di raccolta.

Prestazioni

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Potenza e rendimento

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Le centrali a carbone di maggiore dimensione hanno una potenza compresa tra i 3,0 GW e i 6,7 GW. In funzione del rendimento le centrali a carbone si suddividono in sottocritiche, supercritiche.[16] Le centrali sottocritiche hanno un rendimento inferiore rispetto alle supercritiche, ma tramite interventi di rinnovamento queste possono raggiungere un'efficienza analoga a quella degli impianti supercritici.[17] Un'efficienza ancora maggiore è poi ottenuta dalle centrali a carbone a gassificazione, in questi impianti il carbone viene trasformato in gas di sintesi consentendo così la cogenerazione e l'impiego di generatori a ciclo combinato. Questa tecnologia inoltre diminuisce la quantità di fumi inquinanti, ma risulta essere economicamente svantaggiosa rispetto alle centrali che bruciano direttamente il combustibile.

Flessibilità e fattore di capacità

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La flessibilità delle centrali a carbone è bassa se rapportata alle centrali a gas, il loro avvio infatti è lento e particolarmente costoso. Non riuscendo a inseguire il carico questi impianti sono impiegati principalmente per soddisfare il carico di base. Per questa ragione il fattore di capacità è generalmente alto e compreso tra il 40% e il 60%.[18][19]

Sostenibilità economica

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Gli impianti a carbone sono molto costosi da mantenere,[20][21] pertanto ricevono spesso sussidi statali, nel 2020 a livello globale l'industria del carbone ha ricevuto 18 miliardi di dollari di sussidi.[2] A causa del cambiamento climatico inoltre le centrali a carbone hanno un valore in costante declino.[22]

Diffusione

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Mappa che mostra la percentuale di energia elettrica proveniente dal carbone per ogni stato

Nel 2020 ben il 34% dell'energia elettrica a livello globale è stata generata dalla combustione del carbone, rendendola così la sorgente più diffusa,[23] in particolare oltre la metà di questa energia è stata prodotta dalla Cina.[23] Il carbone copre il 60% della domanda di elettricità di Cina, India e Indonesia.[2] I due terzi del carbone estratto sono impiegati per generare elettricità.[9] Nel 2020 erano installati 2059 GW di potenza elettrica generata dal carbone.[24]

Impatto ambientale

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Emissioni di anidride carbonica

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L'emissione di anidride carbonica da parte delle centrali a carbone è estremamente elevata se confrontata a quella delle altre centrali elettriche. Nel 2018 la combustione del carbone per la produzione di energia elettrica ha emesso oltre 10 Gt di anidride carbonica,[25] circa un terzo delle 34 Gt emesse dalla combustione dei combustibili fossili e circa un quinto rispetto alle 55 Gt di emissioni complessive.[26][27]

Per ridurre le emissioni di anidride carbonica di una centrale a carbone è possibile bruciare il carbone con ammoniaca ottenuta da fonti a zero emissioni.[28] Un progetto di questo tipo è iniziato in Giappone nel giugno 2021 per rendere questa tecnologia utilizzabile su scala commerciale.[29][30][31] Per diminuire le emissioni è anche possibile abbinare alle centrali costosi impianti di cattura dell'anidride carbonica, che però riducono l'energia elettrica immessa in rete dalla centrale risultando così un'opzione finanziariamente non sostenibile.[9][32][33] Le centrali a carbone inoltre possono essere convertite per bruciare biomasse o rifiuti.[34] Per contrastare il cambiamento climatico la produzione di energia elettrica da carbone è a livello globale in costante diminuzione.[2][23][35]

Inquinamento atmosferico

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Tasso di mortalità del carbone per terawattora rispetto alle altre fonti energetiche

Le centrali a carbone hanno pesanti effetti sull'inquinamento atmosferico emettendo particolato, anidride solforosa, ossidi di azoto e mercurio.[36] Le morti premature dovuti alle centrali a carbone sono stimate in 200 per gigawatt all'anno, e potrebbero essere anche superiori nei centri abitati nei pressi delle centrali.[37] L'anidride solforosa emessa è causa delle piogge acide,[38][39] e oltre la metà del mercurio presente in atmosfera è dovuto alla combustione del carbone.[40]

Inquinamento idrico

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Nonostante i bacini di raccolta delle ceneri riducano l'inquinamento atmosferico è possibile che questi provochino inquinamento idrico e ambientale.[41] In questi bacini si raccolgono infatti pericolosi metalli pesanti quali: arsenico, stagno, mercurio, selenio, cromo e cadmio.[42] Questi inquinanti è possibile che sfuggano dai bacini di raccolta contaminando le falde acquifere o bacini idrici di superficie per decine o centinaia di anni.[43] Il mercurio in particolare può essere convertito dai batteri in metilmercurio ed entrare nella catena alimentare, raggiungendo livelli allarmanti nei pesci.[44][45] Per limitare questo problema è possibile riutilizzare le ceneri all'interno di materiali edilizi.[46]

Note

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  1. ^ (EN) Too many new coal-fired plants planned for 1.5C climate goal, report concludes, su the Guardian, 26 aprile 2022. URL consultato il 26 dicembre 2022.
  2. ^ a b c d (EN) Fatih Birol e David Malpass, It's critical to tackle coal emissions – Analysis, su iea.org, International Energy Agency. URL consultato il 9 ottobre 2021.
  3. ^ How safe is nuclear energy?, in The Economist, ISSN 0013-0613 (WC · ACNP). URL consultato il 26 dicembre 2022.
  4. ^ (EN) Maureen Cropper, Ryna Cui, Sarath Guttikunda, Nate Hultman, Puja Jawahar, Yongjoon Park, Xinlu Yao e Xiao-Peng Song, The mortality impacts of current and planned coal-fired power plants in India, in Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 118, n. 5, 2 febbraio 2021, Bibcode:2021PNAS..11817936C, DOI:10.1073/pnas.2017936118, ISSN 0027-8424 (WC · ACNP), PMC 7865184, PMID 33495332.
  5. ^ (EN) Killed by coal: Air pollution deaths in Jakarta 'may double' by 2030, su The Jakarta Post. URL consultato l'8 aprile 2022.
  6. ^ (EN) CO2 emissions – Global Energy Review 2021 – Analysis, su IEA. URL consultato il 7 luglio 2021.
  7. ^ (EN) It's critical to tackle coal emissions – Analysis, su IEA. URL consultato il 9 ottobre 2021.
  8. ^ China generated over half world's coal-fired power in 2020: study, in Reuters, 28 marzo 2021. URL consultato il 14 settembre 2021.
    «China generated 53% of the world's total coal-fired power in 2020, nine percentage points more that five years earlier»
  9. ^ a b c The dirtiest fossil fuel is on the back foot, in The Economist, 3 dicembre 2020, ISSN 0013-0613 (WC · ACNP). URL consultato il 12 dicembre 2020.
  10. ^ Adam Morton, More coal power generation closed than opened around the world this year, research finds, in The Guardian, 3 agosto 2020, ISSN 0261-3077 (WC · ACNP). URL consultato il 4 agosto 2020.
  11. ^ Ben Piven, EU power sector emissions drop as coal collapses across Europe, su aljazeera.com, Al Jazeera. URL consultato il 21 marzo 2020.
  12. ^ David Roberts, 4 astonishing signs of coal's declining economic viability, su Vox, 14 marzo 2020. URL consultato il 21 marzo 2020.
  13. ^ (EN) China pledges to stop building new coal energy plants abroad, in BBC News, 22 settembre 2021. URL consultato il 22 settembre 2021.
  14. ^ The dirtiest fossil fuel is on the back foot, in The Economist, 3 dicembre 2020, ISSN 0013-0613 (WC · ACNP).
  15. ^ Carbodotto, in Treccani.it – Vocabolario Treccani on line, Roma, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
  16. ^ Coal, su iea.org. URL consultato il 5 luglio 2019.
  17. ^ (EN) Sonal Patel, Xuzhou 3 Shows the Future of Subcritical Coal Power Is Sublime, su POWER Magazine, 3 agosto 2020. URL consultato il 4 agosto 2020.
  18. ^ Boom and Bust 2021 (PDF), su globalenergymonitor.org (archiviato dall'url originale il 6 aprile 2021).
  19. ^ Electric Power Monthly, US Department of Energy, settembre 2021.
  20. ^ How to Retire Early: Making accelerated coal phaseout feasible and just, Carbon Tracker, giugno 2020.
  21. ^ The Path Ahead for China's Coal Power Industry, su hellenicshippingnews.com. URL consultato il 23 gennaio 2020.
  22. ^ Deger Saygin, Jasper Rigter, Ben Caldecott, Nicholas Wagner e Dolf Gielen, Power sector asset stranding effects of climate policies, in Energy Sources, Part B: Economics, Planning, and Policy, vol. 14, n. 4, 31 maggio 2019, pp. 99–124, DOI:10.1080/15567249.2019.1618421.
  23. ^ a b c (EN) Global Electricity Review 2021 - Global Trends, su Ember, 28 marzo 2021. URL consultato il 7 luglio 2021 (archiviato dall'url originale il 28 marzo 2021).
  24. ^ Boom and Bust 2021: TRACKING THE GLOBAL COAL PLANT PIPELINE (PDF), su Global Energy Monitor (archiviato dall'url originale il 6 aprile 2021).
  25. ^ Emissions, su iea.org. URL consultato il 4 luglio 2019 (archiviato dall'url originale il 12 agosto 2019).
  26. ^ BP Statistical Review of World Energy 2019 (PDF), su bp.com.
  27. ^ (EN) U. N. Environment, Emissions Gap Report 2019, su UNEP - UN Environment Programme, 19 novembre 2019. URL consultato il 22 gennaio 2020.
  28. ^ NAGATANI Genichiro, ISHII Hiroki, ITO Takamasa, OHNO Emi e OKUMA Yoshitomo, Development of Co-Firing Method of Pulverized Coal and Ammonia to Reduce Greenhouse Gas Emissions (PDF), su IHI Corporation, gennaio 2021. URL consultato l'8 novembre 2021 (archiviato dall'url originale il 21 ottobre 2021).
  29. ^ Darrell Proctor, Project Will Burn Ammonia with Coal to Cut Emissions, su Power Magazine, 24 maggio 2020. URL consultato l'8 novembre 2021.
  30. ^ JERA and IHI to Start a Demonstration Project Related to Ammonia Co-firing at a Large-Scale Commercial Coal-Fired Power Plant, su JERA, 24 maggio 2020. URL consultato il 13 novembre 2021.
  31. ^ Japan Inc. ups its game in offshore wind power, su IHS Markit, 28 settembre 2021. URL consultato il 7 dicembre 2021.
  32. ^ China's New Growth Pathway: From the 14th Five-Year Plan to Carbon Neutrality (PDF), Energy Foundation China, dicembre 2020 (archiviato dall'url originale il 16 aprile 2021).
  33. ^ Post-Combustion Capture Retrofit: Evolving Current Infrastructure for Cleaner Energy | UKCCS Research Centre, su ukccsrc.ac.uk. URL consultato il 4 luglio 2019 (archiviato dall'url originale il 4 luglio 2019).
  34. ^ (EN) Uskmouth Power Station Conversion Project Updata and EPP Contract Award [collegamento interrotto], su SIMEC Atlantis Energy, 5 novembre 2018. URL consultato il 4 luglio 2019.
  35. ^ (EN) Pu Wang, Cheng-Kuan Lin, Yi Wang, Dachuan Liu, Dunjiang Song e Tong Wu, Location-specific co-benefits of carbon emissions reduction from coal-fired power plants in China, in Nature Communications, vol. 12, n. 1, 29 novembre 2021, pp. 6948, Bibcode:2021NatCo..12.6948W, DOI:10.1038/s41467-021-27252-1, ISSN 2041-1723 (WC · ACNP), PMC 8629986, PMID 34845194.
  36. ^ Ori Schipper, The global impact of coal power, su ETH Zurich, 18 febbraio 2019.
  37. ^ Zeke Hausfather, Coal in China: Estimating Deaths per GW-year, su Berkeley Earth, Berkeley, CA, 18 novembre 2016. URL consultato il 1º febbraio 2020.
  38. ^ Acid Rain, su IISD Experimental Lakes Area, 4 aprile 2016. URL consultato il 7 luglio 2020.
  39. ^ (EN) IISD Experimental Lakes Area: The world's living freshwater laboratory, su BioLab Business Magazine, 12 febbraio 2020. URL consultato il 7 luglio 2020.
  40. ^ (EN) When a lake is better than a lab, su Canadian Geographic, 8 agosto 2018. URL consultato il 7 luglio 2020.
  41. ^ Camille Erickson, Mixing water, Powder River Basin coal ash dangerous to human health, new research finds, in Casper Star-Tribune, Casper, WY, 7 ottobre 2019.
  42. ^ Steam Electric Power Generating Effluent Guidelines—2015 Final Rule, su epa.gov, EPA, 6 novembre 2019.
  43. ^ Oliver Milman, Most US coal plants are contaminating groundwater with toxins, analysis finds, in The Guardian, 4 marzo 2019, ISSN 0261-3077 (WC · ACNP).
  44. ^ Mercury Experiment to Assess Atmospheric Loading in Canada and the United States (METAALICUS), su IISD Experimental Lakes Area, 15 maggio 2015. URL consultato il 7 luglio 2020.
  45. ^ Researching Atmospheric Mercury and Freshwater Fish, su IISD Experimental Lakes Area, 2 aprile 2016. URL consultato il 7 luglio 2020 (archiviato dall'url originale l'8 luglio 2020).
  46. ^ Allan N. Scott e Michael D. A. Thomas, Evaluation of Fly Ash From Co-Combustion of Coal and Petroleum Coke for Use in Concrete, in ACI Materials rivista, vol. 104, n. 1, Farmington Hills, MI, American Concrete Institute, gennaio–February 2007, pp. 62–70, DOI:10.14359/18496.

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