Centrale termoelettrica a ciclo combinato

Una centrale termoelettrica a ciclo combinato è una centrale elettrica in cui sono presenti due cicli termodinamici in serie, aumentando così il rendimento termodinamico rispetto ad entrambi i cicli isolati

Il primo ciclo ha come fluido generalmente aria, che percorre un Ciclo di Brayton-Joule, composto da due trasformazioni adiabatiche e da due trasformazioni isobariche, ed è eguale al ciclo presente nelle centrali con turbina a gas con ciclo semplice. Generalmente questo è un ciclo aperto e non chiuso, essendo il fluido aria di facile reperibilità.

Il secondo ciclo ha come fluido acqua, che percorre un ciclo di Rankine caratterizzato dal cambiamento di stato: dapprima esso si trova allo stato liquido e nel generatore di vapore a recupero passa poi allo stato di vapore acqueo. Il ciclo è pertanto composto da due trasformazioni adiabatiche e da due isobariche (in corrispondenza del cambiamento di stato le isobariche risultano anche isotermiche). Generalmente questo è un ciclo chiuso e non aperto, essendo l'acqua depurata di non facile reperibilità.

Il funzionamento di una centrale a ciclo combinato può essere fisicamente interpretato come l'accoppiamento di due centrali più semplici: una centrale a gas e una centrale a vapore tradizionali. In una centrale a gas, il fluido operativo (aria) opera a temperature molto elevate, e nella sezione di "scarico" a camino verso l'esterno i prodotti della combustione emessi hanno un contenuto termico ancora considerevole, e sono quindi ulteriormente sfruttabili. In una centrale a ciclo combinato i gas di scarico, dopo essere passati in una turbina a gas ed aver prodotto quindi lavoro meccanico, vengono convogliati all'interno di uno scambiatore di calore e utilizzati per effettuare la fase di riscaldamento (e quindi evaporazione) dell'acqua all'interno del ciclo di una classica centrale a vapore, che opera usualmente a temperature inferiori rispetto ad un ciclo a gas. Il vapore ottenuto da tale ciclo viene poi espanso in una successiva turbina a vapore producendo lavoro meccanico. Proprio questa differenza di temperature caratteristiche tra i due cicli termodinamici consente il riutilizzo del calore di scarico del ciclo a gas come calore di evaporazione a favore del ciclo a vapore.

Impianti di questo tipo sono detti unfired, e cioè con caldaia a recupero senza bruciatori ausiliari (postcombustore); in questo caso si ha una netta prevalenza della potenza della turbina a gas rispetto a quella della turbina a vapore. C'è la variante di tipo fired (con postcombustore), in cui i gas di scarico della turbina sono usati come comburente nei bruciatori della caldaia, che genera vapore di caratteristiche simili a quelle dei grossi impianti a vapore.

Il vantaggio di questo tipo di tecnologia è il minor consumo di metano a parità di energia prodotta, in quanto solo la fase di riscaldamento del ciclo a gas viene effettuata per mezzo della combustione di Gas naturale (o altri combustibili), mentre la parallela fase di evaporazione nel ciclo a vapore avviene per mezzo del recupero del calore disponibile nei gas di scarico della centrale a gas. Impiegando una minor quantità di combustibile aumenta quindi il rendimento dell'impianto e cioè il rapporto tra lavoro ottenuto ed energia consumata. Per una centrale termoelettrica tradizionale, il rendimento è intorno al 40% mentre in una centrale a ciclo combinato il rendimento tocca punte del 60%.