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Centrale termoelettrica

Una centrale termoelettrica è un impianto che trasforma energia termica (calore) in energia elettrica. Il calore può essere già presente in natura (energia geotermica), derivare come scarto da un'altro processo industriale, oppure prodotto nell'impianto stesso. Di solito il calore viene trasformato prima in energia cinetica (meccanica) e poi, tramite opportune apparecchiature, in energia elettrica. L'intero processo è quindi caratterizzato da varie trasformazioni. Molte centrali termoelettriche oggi lavorano con turbine a vapore, ma ci sono anche centrali in cui sono utilizzate turbine a gas o motori diesel (per esempio in gruppi d'emergenza).

Funzionamento
Il funzionamento delle centrali termoelettriche è il seguente:

1.	Da una fonte si estrae calore e questo è trasferito al mezzo di lavoro (per esempio acqua che diventa vapore);
2.	Una parte del calore, normalmente piccola, è trasformata in lavoro meccanico, di solito nel moto rotativo di una turbina;
3.	la turbina aziona un alternatore che genera la corrente elettrica

La maggior parte del calore è dispersa nell'ambiente oppure condotta in un impianto di raffreddamento per evitare il surriscaldamento delle apparecchiature.

Fonti di calore
Nella maggior parte delle centrali termoelettriche il calore è ottenuto dalla combustione di combustibili fossili (carbone, gasolio, gas naturale) o dal calore prodotto da reazioni nucleari (centrali nucleari). Fonti naturali possono essere l'energia geotermica o la radiazione solare.

Rendimento
Secondo le leggi della termodinamica non tutta l'energia termica immessa in un sistema può essere trasformata in energia utile. Il rendimento di una macchina termica è quindi limitato. Se il calore prodotto non è utilizzato anche per altri scopi, il rendimento delle centrali termoelettriche ammonta oggi al 30 - 40%, cioè solo il 30% dell'energia iniziale (energia primaria) è trasformato in corrente elettrica, mentre il 70% si perde! Questo scarso rendimento è il risultato delle tre trasformazioni (ciascuna delle quali ha un rendimento inferiore al 100%) necessarie se il calore è prodotto tramite combustione.

	Energia chimica > energia termica: rendimento max. del 90%
	Energia termica > energia meccanica: rendimento circa del 40%
	Energia meccanica > energia elettrica: rendimento max. del 90%

Evoluzione del rendimento
La produzione di energia elettrica in centrali termoelettriche ebbe inizio alla fine del secolo XIX. Il rendimento dei primi impianti non superava l'1%, cioè per produrre 1 kWh elettrico occorrevano 12,3 kg di carbone (equivalente ad una emissione di 27 kg di CO2/kWh). Grazie all'intensa ricerca e allo sviluppo, il rendimento aumentò notevolmente. Verso il 1910 il rendimento era già salito al 5% e, nel 1920, al 20%. Le nuove centrali costruite a partire dal 1950 avevano un rendimento del 30% circa, ma quello medio delle centrali in funzione non superava il 17%. La necessità di utilizzare torri di raffreddamento e, più tardi, l'uso di impianti di desolforazione, comportava un temporaneo calo del rendimento, perché anche questi impianti consumano energia. Il progressivo sviluppo tecnologico ha portato, verso la metà degli anni 80, ad un rendimento medio delle nuove centrali del 38% e a valori massimi del 43%. Nella seconda metà degli anni 90, una centrale danese ha raggiunto persino il record mondiale con un rendimento del 47%. Il rendimento medio mondiale delle centrali termoelettriche a carbone ammonta attualmente al 31%. Esiste pertanto ancora un notevole potenziale di miglioramento e quindi di risparmio di energia primaria e di abbattimento delle emissioni CO2.

Raffreddamento
Molte centrali termoelettriche utilizzano per il raffreddamento le acque dei fiumi. Questo tipo di raffreddamento comporta un riscaldamento delle acque a valle delle centrali. Le normative stabiliscono le temperature massime che le acque fluviali possono raggiungere. Queste disposizioni possono comportare la disattivazione delle centrali (sopratutto quelle nucleari) in estate quando la temperatura delle acque è già elevata. Un altro sistema è l'utilizzo di torri di raffreddamento. Le opportunità di riscaldare quartieri residenziali e serre con il calore di scarto sono limitate, perché il calore è richiesto solo in inverno e i siti delle centrali si trovano normalmente lontano dai potenziali utilizzatori.

Lo sviluppo tecnologico mira all'introduzione di turbine a gas e a vapore che possono aumentare il rendimento delle centrali a carbone fino al 55%.

Impatti ambientali
Il maggiore impatto ambientale delle centrali termoelettriche è dato dalle emissioni di CO2 e di particolato.

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