Una centrale elettrica è un impianto industriale dedicato alla produzione di energia elettrica tramite la trasformazione di una fonte di energia primaria. La macchina dedicata alla conversione dell'energia è solitamente un generatore elettrico costituito da un alternatore mosso da una turbina, ad eccezione degli impianti fotovoltaici che convertono direttamente l'energia solare in energia elettrica senza l'impiego di turbine. Per la gestione dell'impianto nella centrale è presente la strumentazione di controllo e il trasformatore necessario alla trasmissione dell'energia elettrica in alta o altissima tensione.
Una centrale elettrica è classificata in base alla fonte energetica primaria trasformata: si hanno quindi centrali termoelettriche, centrali idroelettriche, centrali nucleari, centrali solari, centrali eoliche e centrali geotermoelettriche.
Centrali termoelettriche
La centrale termoelettrica è la tipologia di centrale più diffusa. Il funzionamento si basa su un elemento combustibile che viene bruciato in modo da sviluppare calore.
Nelle centrali termoelettriche a vapore, il combustibile (olio combustibile, carbone, gas naturale, biogas, idrogeno, biomassa o combustibile derivato da rifiuti) viene bruciato in una caldaia nella quale circola acqua ad alta pressione (purificata e filtrata per non danneggiare gli impianti). Il calore trasforma l'acqua in vapore che raggiunge temperature elevate. Il vapore viene quindi convogliato verso le turbine a vapore nelle quali il vapore si espande convertendo il proprio contenuto entalpico in energia meccanica. Collegati all'albero in rotazione di tali turbine vi sono gli alternatori i quali convertono l'energia meccanica di rotazione in energia elettrica.
Nelle centrali termoelettriche turbogas, il combustibile (gas naturale, biogas, idrogeno o olio combustibile) viene bruciato invece in aria in una camera di combustione e sono quindi i gas prodotti dalla combustione che vengono convogliati alle turbine a gas. Queste, come nel caso precedente, trascinano gli alternatori che convertono l'energia meccanica di rotazione in energia elettrica.
Nelle centrali termoelettriche a ciclo combinato, che accoppiano le due precedenti tipologie, sono presenti gruppi di generazione turbogas e gruppi di generazione a vapore. I gas di scarico uscenti dalle turbine a gas sono ancora estremamente caldi: questi vengono a loro volta utilizzati per evaporare acqua tramite scambiatori di calore ed il vapore così ottenuto è convogliato nelle turbine a vapore. Si ottiene quindi energia elettrica prodotta da entrambi i gruppi di turbine. Questo genere di centrali termoelettriche ha un rendimento elettrico maggiore delle precedenti poiché si riesce a convertire in maniera migliore il contenuto energetico del combustibile.
Vantaggi Generalmente le centrali termoelettriche erogano grandi potenze, dell'ordine delle centinaia o migliaia di MW e costituiscono la spina dorsale del sistema di produzione dell'energia elettrica, perché raggiungono il massimo rendimento in regime di produzione costante; di solito, quindi, vengono tenute in funzione per lunghi periodi di tempo, costituendo la base della generazione nazionale. Anche se alcuni impianti termoelettrici sono in grado di utilizzare diversi tipi di combustibile, questo si ottiene a spese del rendimento termodinamico e quindi dei costi operativi: per questo, in generale, si costruiscono centrali termoelettriche in grado di bruciare con la massima efficienza un particolare combustibile, e si riadattano gli impianti in caso diventi necessario bruciare un combustibile diverso. Inoltre essendo il loro regime di funzionamento dipendente di variabili facilmente controllabili come la portata di combustibile, esse esercitano un ruolo implicito di regolazione della frequenza di rete, che impianti rinnovabili non possono fornire a causa della variabilità dei fenomeni che le regolano (irraggiamento solare, vento, precipitazioni). La regolazione della frequenza risulta fondamentale per scongiurare blackout.
Svantaggi I residui della combustione dei combustibili generano una quantità elevata di prodotti inquinanti come i fumi, il particolato fine, gli ossidi di zolfo e azoto e gli idrocarburi aromatici, che possono essere dispersi nell'ambiente. I progressi tecnologici degli ultimi anni hanno fatto sì che molte misure per l'abbattimento di tali prodotti fossero attivate nelle centrali (pretrattamento del combustibile, abbattimento delle polveri, desolforatori, etc.) riducendo queste emissioni. Nei paesi meno sviluppati questo tipo di impianti sono spesso molto dannosi, poiché a causa del loro alto costo di costruzione, le strutture di depurazione dei fumi non vengono costruite e ciò le rende delle pericolose fonti di inquinamento.
Centrali idroelettriche
Le centrali idroelettriche, insieme alle centrali termoelettriche sono state le prime tipologie di centrali messe in uso. Il principio di funzionamento di queste si basa sull'utilizzo dell'energia cinetica dell'acqua, al fine di produrre corrente elettrica.
Le centrali idroelettriche si suddividono in due tipologie: ad acqua fluente; a caduta (o bacino);
Le prime sfruttano l'energia cinetica delle acque fluviali, convogliate tramite canali di derivazione in particolari turbine idrauliche messe in rotazione dal flusso dell'acqua. Collegate all'albero rotante delle turbine vi sono gli alternatori che trasformano l'energia meccanica di rotazione in energia elettrica. Le centrali idroelettriche ad acqua fluente non hanno un bacino di accumulo e pertanto la loro generazione elettrica è soggetta alle variazioni di portata del corso d'acqua su cui insistono.
Le seconde invece possiedono un bacino di accumulo (un invaso, naturale o artificiale creato tramite dighe) e sfruttano l'energia potenziale di notevoli masse d'acqua poste ad altezza maggiore rispetto a quella di scarico. L'energia potenziale dell'acqua viene trasformata in energia cinetica facendo confluire l'acqua in condotte forzate. L'acqua viene poi fatta confluire come nel caso precedente in turbine collegate ad alternatori producendo così energia elettrica. La presenza del bacino di accumulo permette un regime di funzionamento più regolare rispetto alle centrali ad acqua fluente.
L'impatto ambientale delle centrali idroelettriche è minore di quello delle centrali termoelettriche, per via dell'assenza di fumi, e riguarda soprattutto il diverso regime delle acque da esse sfruttate: l'estrazione di energia cinetica rallenta il corso d'acqua, aumentando la velocità di sedimentazione; nel caso di centrali a caduta è necessario mettere in conto le opere idrauliche necessarie (dighe e condotte). La parte maggiore dell'impatto ambientale si verifica durante la costruzione, a causa degli sbancamenti e delle grandi opere necessarie per realizzare gli invasi ed il sistema di condotte forzate. Le centrali idroelettriche possono avere potenze che vanno da alcuni MW (centrali fluviali) alle decine o centinaia di MW per le grandi centrali a caduta.
Vantaggi Il principale vantaggio delle centrali idroelettriche è che, una volta costruite, offrono energia a costi molto competitivi e non richiedono combustibili o materie prime; sono una fonte di energia totalmente rinnovabile e di fatto illimitata. Inoltre, con una manovra chiamata pompaggio (che consiste nel ripompare l'acqua dai bacini inferiori negli invasi durante le ore notturne, quando la richiesta di energia è minore) si può accumulare energia prodotta dalle altre centrali della rete, per restituirla di giorno nelle ore in cui la domanda di energia raggiunge il massimo. Un ulteriore vantaggio è legato al fatto che la variazione della produzione di energia può avvenire in maniera molto più rapida rispetto ad una centrale termoelettrica o nucleare, variando la quantità di acqua che viene convogliata alla turbina. Il loro impiego è, infatti, generalmente massimo durante le ore di maggiore consumo energetico.
Svantaggi Soprattutto le centrali a caduta, che richiedono un intervento edilizio di enormi proporzioni per la realizzazione di laghi artificiali per fungere da invasi, hanno un impatto ambientale di grandi proporzioni, sia nella fase costruttiva delle opere, sia a posteriori nell'impatto visivo ed estetico. Inoltre, il fatto di alterare la portata e la distribuzione delle acque fluviali porta ad un cambiamento del microclima locale, per la maggiore umidità ed evaporazione portata dal lago che funge anche da serbatoio di calore, livellando le temperature fra giorno e notte. Questo porta in genere a variazioni nella flora e fauna locale; nel caso di bacini montani, si può avere un impatto anche su eventuali ghiacciai nelle vicinanze. Altro svantaggio è dovuto alla naturale sedimentazione, che tende a riempire lentamente l'invaso, e richiede dragaggi periodici: il terriccio di risulta può essere usato a fini edilizi, per riporti e terrapieni.
Centrali nucleari
Il funzionamento delle centrali nucleari a fissione è analogo a quello delle centrali termoelettriche a vapore. La sola differenza sta nel tipo di combustibile e di processo tecnologico che viene utilizzato per fornire calore all'acqua in caldaia in modo da produrre il vapore da inviare alla turbina. Invece dell'impiego di combustibili fossili, nelle centrali nucleari il calore viene ottenuto da un processo controllato di fissione nucleare a catena all'interno del reattore nucleare a fissione.
Vantaggi Questa tipologia di centrali produce un'elevatissima potenza per metro quadrato occupato dall'impianto e con un costo del kWh prodotto, se si esclude il costo di smaltimento scorie, più o meno uguale a quello delle centrali a carbone, rappresentando quindi una valida soluzione alla dipendenza dai combustibili fossili.
Non hanno inoltre alcuna emissione di anidride carbonica diretta in quanto in esse non avviene nessun fenomeno di combustione chimica anche se, nel suo complesso, la filiera di produzione dell'uranio e di smaltimento delle scorie determina una produzione di CO2 non del tutto trascurabile.
Svantaggi Le rigide norme di sicurezza rendono la costruzione di queste centrali costosa e lenta, anche per la variabilità nel tempo delle stesse norme.
Una rottura dei sistemi di contenimento e di refrigerazione della centrale, potrebbe portare alla dispersione nell'ambiente di materiale radioattivo: tale rischio, praticamente assente per le centrali più recenti, è ancora in minima parte presente per le centrali più vecchie tuttora operative nel mondo.
Lo smaltimento delle scorie radioattive e lo smantellamento della centrale stessa al termine del suo ciclo vitale (circa 40-60 anni) è un problema che non ha ancora trovato una soluzione univoca: la Finlandia e la Svezia, ad esempio, hanno individuato siti sicuri per lo smaltimento delle scorie nei rispettivi territori, grazie alla presenza di zone geologicamente stabili mentre altre nazioni seguono per ora strade diverse (come il riprocessamento del combustibile nucleare esausto e il suo successivo riutilizzo sotto forma di MOX).
Centrali geotermoelettriche
Il funzionamento delle centrali geotermoelettriche è anch'esso analogo a quello delle centrali termoelettriche a vapore, con la differenza che il vapore non è prodotto da caldaie ma proviene direttamente dai vapori geotermici contenuti nel sottosuolo (energia geotermica). Non esiste dunque, in questo tipo di centrali, alcun processo di combustione.
Vantaggi Una volta costruite le tali centrali sono estremamente pulite in quanto sfruttano un riscaldamento termico del tutto naturale e non hanno, quindi, scorie o residui atmosferici (a parte gli stessi gas provenienti dal sottosuolo). Non è richiesto alcun combustibile per la generazione di energia elettrica tra tutte le centrali
Svantaggi