Tepelná elektrárna je elektrárna , která působí z tepelného zdroje, podle principu tepelných strojů . K této transformaci dochází buď přímo, expanzí spalin, nebo nepřímo například cyklem voda-pára. Zařízení na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny využívají také část odpadního tepla pro jiné aplikace, například pro vytápění .
Původ tohoto zdroje tepla závisí na typu tepelné elektrárny:
Tepelné elektrárny jsou postaveny na tepelném stroji pohánějícím alternátor vyrábějící elektrickou energii. Těmito tepelnými motory mohou být externí spalování ( parní turbíny , parní stroj ) nebo spalovací ( dieselový motor , spalovací turbína ). Parní turbína a spalovací turbína mohou v elektrárně s kombinovaným cyklem koexistovat, aby se zlepšila celková účinnost . Výtěžek lze dále zlepšit kogeneračním nebo trigeneračním procesem .
Srdce motoru spalovací turbíny , zapalování paliva (plyn, kapalina nebo pevná látka s fluidním ) způsobí expanzi nasávaného vzduchu. Při jeho expanzi to způsobí otáčení kol turbíny, což zase pohání spojený alternátor . Nakonec alternátor transformuje mechanickou energii turbíny na elektrickou energii .
Provoz elektrárny s parní turbínou je podobný, přičemž pracovní tekutinou je místo vzduchu vodní pára. Horký zdroj ( jaderné štěpení , uhlí, spalování atd.) Ohřívá vodu (přímo nebo nepřímo), která se mění z kapalného stavu do stavu páry . Takto vyrobená pára se přivádí do turbíny, která pohání alternátor.
Na výstupu z turbíny, pára se kondenzuje v kondenzátoru, dodávaného ze zdroje studené ( mořské vody, čerstvým říční vody , atd.), A nachází se v kapalném stavu. Získaný kondenzát se nakonec vrací do systému zásobování vodou pro nový odpařovací cyklus.
Hlavní součásti tepelné elektrárny jsou:
Zjednodušený princip fungování je následující:
V praxi je provoz trochu složitější, protože ke zvýšení účinnosti je k dispozici několik zařízení. Například :
CHP je společně výrobě elektřiny a tepla pro průmyslové procesy nebo dálkového vytápění , aby se zlepšila celková účinnost tepelné elektrárny. Za tímto účelem rekuperátory rekuperují část smrtelné energie ze spálených plynů nebo z chladicí vody, aby zlepšily účinnost sestavy.
Tepelné elektrárny spadají do několika kategorií v závislosti na povaze jejich zdroje tepla:
V tomto typu plamenárny se palivo spaluje v kotli , takto uvolněné teplo produkuje tlakovou páru, která pohání parní turbínu .
Uhelné elektrárnyUhelné elektrárny jsou nejrozšířenější na světě, a to zejména v zemích s velkými zásobami uhlí ( Indie , Čína , Spojené státy , Německo , atd ).
V roce 2016 stále poskytovali přibližně 40% celosvětové výroby elektřiny, ale spuštění uhelných elektráren pokleslo v roce 2016 o 62% na 65 GW a počet oznámených a licencovaných projektů poklesl. 48% mezi začátkem roku 2016 a počátkem roku 2017, na 569 GW . Instalovaná kapacita však v roce 2016 pokračovala v růstu s 1 964 GW , což je +3%; síla elektráren dokončených v průběhu roku je stále třikrát vyšší než u uzavřených elektráren, které přesto dosáhly rekordní úrovně. Zmrazené projekty čekající na politická nebo ekonomická rozhodnutí dosáhly 607 GW .
Poprvé se globální kapacity uhelných elektráren v první polovině roku 2020 mírně snížily: −3 GW z celkové flotily 2 047 GW , podle zprávy zveřejněné Global Energy Monitor. Uzávěry činily celkem 21 GW , z toho 8 GW v Evropě a 5 GW ve Spojených státech; otvory dosáhly 18 GW , z toho 11 GW v Číně a 1,8 GW v Japonsku. Během posledních dvou desetiletí celosvětová kapacita rostla průměrným tempem 25 GW za semestr. Čína koncentruje téměř polovinu projektů elektráren (přes 250 GW ), následovaná Indií (65 GW ), Tureckem a Indonésií. Na celém světě je ve výstavbě celkem 190 GW uhelných elektráren a plánuje se dalších 332 GW .
Několik desítek MW v polovině XX th století, jejich kapacita jednotky se rychle zvýšil až nyní vyšší než 1000 MW . Spolu s růstem jejich jednotkové energie se zlepšila jejich účinnost zvýšením tlaku a teploty použité páry. Od obvyklých hodnot 180 barů a 540 ° C , které se vyskytují v roce 1970, nadkritické hodnoty nad 250 barů a 600 ° C, je nyní dosaženo .
Dokázali tak udržet určitou konkurenceschopnost ve srovnání s jinými typy elektráren.
Několik zařízení snižuje své znečišťující emise. Prach ( saze ) obsažený v dýmech je zachycován elektrostatickými odlučovači (nebo v některých zemích vakuovými filtry ), oxidy síry (SO 2, SO 3) jsou uvězněni v odsiřovacích jednotkách (FGD v angličtině: „ odsiřování spalin “ ), díky nimž je hodnocení popílku pro stavebnictví méně obtížné a v poslední době se objevila zařízení, která eliminují oxidy dusíku (NOx) (SCR) v angličtině: „ selektivní katalytická redukce “ ).
Probíhající vývoj se týká zachycování CO 2v tepelných elektrárnách. Je to skutečně výroba elektřiny z uhlí, která je hlavním producentem skleníkových plynů na světě. Několik technologií je studováno paralelně:
Všechny tyto techniky mají tu nevýhodu, že spotřebovávají hodně energie, a proto snižují čistý výnos přibližně o deset bodů .
Ve Francii se od roku 2004 uhlí již těží z dolů, ale dovážené uhlí se stále používá pro výrobu tepelné elektřiny ve špičkách. V roce 2016 představoval s 7,3 TWh 1,4% elektřiny vyrobené ve Francii a přibližně 13% elektřiny nejaderného tepelného původu.
Dopady na životní prostředí a zdravíUhelné elektrárny zůstávají primárními zdroji emisí skleníkových plynů , prekurzorových plynů troposférického ozonu a produkce sazí, zejména v Číně a Spojených státech. Podle studie způsobily uhelné elektrárny ve 20 hlavních zemích Evropské unie v roce 2013 v Evropě předčasné úmrtí 23 000, z toho 1380 ve Francii; Francouzské uhelné elektrárny údajně způsobily 390 předčasných úmrtí v Evropě, z toho 50 ve Francii.
Například, v závislosti na Agentury pro ochranu životního prostředí , které jsou zodpovědné za 28% niklu , 62% z arsenu , 13% NOx , 77% kyselin , 60% z SO 2 na bázi kyselých aerosolů. , 50% rtuti a 22% chrómu nacházejících se ve vzdušných masách Spojených států (které se pak přesouvají do Evropy přes Atlantický oceán ). V těchto průmyslově vyspělých zemích mají uhelné elektrárny ve srovnání se spalovnami zdravotnického odpadu a odpadu z domácností nejméně zlepšení celkového výkonu, pokud jde o emise rtuti do ovzduší; jejich emise na tunu spáleného uhlí se ve Spojených státech za 15 let (od roku 1990 do roku 2005) snížily pouze o 10%, zatímco emise rtuti ze spaloven zdravotnického odpadu se mezitím snížily o 98% a emise ze spaloven odpadu o 96%.
Jejich chladicí nebo odpadní voda může obsahovat biocidy na bázi chloru nebo bromu a jsou také často zdrojem ohřevu povrchové vody ( tepelné znečištění , které může ovlivnit život a určité vodní bilance. Popílek ze znečišťování uhlí, degraduje památky a může obsahovat radionuklidy uvolňované do vzduchem nebo zbytky.
Centrální vůči aktivním uhlím v G7 může stát světu 450 miliard $ ročně na konci XXI th století, podle nevládní organizace Oxfam . Příspěvek G7 ke globálnímu oteplování bude stát samotnou Afriku do 80. let 20. století více než 43 miliard dolarů a do roku 2100 84 miliard dolarů. „Každá uhelná elektrárna může být považována za zbraň ničení podnebí, která s katastrofickými důsledky zintenzivňuje měnící se povětrnostní podmínky. důsledky pro plodiny, zvyšuje ceny potravin a v konečném důsledku zvyšuje počet hladových lidí “ .
Několik zemí, které jsou velmi závislé na uhlí, zahájily odchod z tohoto zdroje energie, například Francie, Spojené království, Itálie a v poslední době Německo a Chile. Ten, který byl na hostování do konce 2019 25. ročník konference OSN o změně klimatu (COP25), oznámil v dubnu 2019 již chcete stavět jakoukoli uhelné elektrárny, a v červnu 2019 bude ukončena v průběhu pěti let, osm z jeho 28 uhelné elektrárny. Těchto osm elektráren představuje 20% energetické kapacity země; jejich uzavření sníží emise CO 2odvětví elektřiny od 30 Mt / rok (miliony tun ročně) do 4 Mt / rok ; uhelné elektrárny mají celkem 5 500 megawattů a produkují 40% elektřiny v zemi. Chilský energetický plán se zaměřuje na 100% elektřinu z obnovitelných zdrojů do roku 2040. Prezident Sebastián Piñera však upřesnil, že země by tyto elektrárny udržovala ve „strategické rezervě“.
Snížené znečištění uhelné elektrárnyCirkulující fluidní kotle byly vyvinuty od roku 1980. Jejich mnohem nižší teplota nístěje ( 850 ° C ) snižuje tvorbu oxidu dusíku (NO x ) a vápenec přidávaný do jejich lože reaguje s oxidy dusíku. Výroba páry je tedy méně znečišťující a pro jejich charakter se setkáváme s pojmem „čisté uhlí“ . Jejich současná velikost (300 až 400 MW ) jim však neumožňuje konkurovat konvenčním vysoce výkonným kotlům.
V poslední době se vyvinula technologie vysoce účinných uhelných elektráren, známá jako „superkritická“, při nichž je voda vystavena takové teplotě a tlaku, že prochází přímo z kapalného do plynného stavu: zvyšuje účinnost tato operace snižuje požadavky na palivo, a tudíž emise CO 2 do ovzdušísouvisející se spalováním uhlí. Čím více se zvyšuje teplota a tlak, tím větší je přínos z hlediska účinnosti a snížení dopadu na životní prostředí. Rostlina je považována za „nadkritickou“, když teplota překročí 565 stupňů a tlak překročí 250 barů. Nad 300 barů a 585 ° C se říká, že je závod „ultra superkritický“ a umožňuje snížit spotřebu paliva přibližně o 20%, a tedy o 20% emise uhlíku (CO 2), ale také vydělit emise oxidů dusíku (NO x ) sedmi a emise oxidů síry (SO x ) o více než deset . Například EDF a elektrikář China Datang Corporation (CDT) uvedli v roce 2016 do provozu první vysoce účinnou uhelnou elektrárnu provozovanou společností EDF. Použitá technologie nabízí účinnost téměř 44% (ve srovnání s 35% u konvenční uhelné elektrárny) a snížený dopad na životní prostředí: emise CO 2 800 g / kWhproti 900 g / kWh pro konvenční uhelnou elektrárnu; 100 mg / Nm 3 emisí NO x a SO x ve srovnání s 720 mg / Nm 3 a 1300 mg / Nm 3 pro uhelnou elektrárnu bez čištění spalin.
Budoucnost uhelných elektráren v EvropěPodíl uhlí a hnědého uhlí na výrobě elektřiny v Evropské unii poklesl mezi lety 1990 a 2014 o 21%, což je podle údajů Evropské agentury pro životní prostředí 1% ročně .
V roce 2016 bylo v Evropě uzavřeno 16 uhelných elektráren , včetně poslední belgické elektrárny, čímž se Belgie stala první zemí v Evropě, která postupně ukončila uhlí. Nicméně, 293 elektrárny jsou stále v provozu, i když téměř 80% již není rentabilní.
V roce 2017 má Francie stále čtyři uhelné elektrárny, včetně pěti výrobních jednotek, k opuštění uhlí by mělo dojít v roce 2022. Emmanuel Macron prohlašuje: „Na konci pětiletého funkčního období uzavřu všechny tepelných elektráren spalujících. " . Za přípravu tohoto termínu je odpovědná meziresortní mise. Opuštění uhlí však nebude snadné, protože tyto čtyři tepelné elektrárny hrají hlavní roli při překonávání zimních vrcholů ve Francii a zaměstnávají více než tisíc lidí.
Odborníci z Climate Analytics (in) poukazují na to, že dvě země, Německo a Polsko , mají 51% instalovaného výkonu a jsou zodpovědné za 54% emisí z uhelných elektráren. „Mezi členskými státy narůstají rozdíly v přístupu k budoucnosti uhlí,“ stěžují si na stavbu nebo plány uhelných elektráren v některých zemích, jako je Polsko a Řecko .
The 3. listopadu 2017, přibližně třicet ekologických asociací zahajuje kampaň „ Evropa za uhlím “ s cílem „urychlit postupné ukončování uhlí v celé Evropské unii“ .
V roce 2019 poprvé v Evropě vyráběly plynové elektrárny více elektřiny než uhelné elektrárny.
V roce 2020 uzavírají Švédsko a Rakousko svůj poslední závod před svými prognózami. EDP , portugalská energetická společnost, oznámila svůj odchod z uhlí v roce 2021. Španělsko zavírají 7 elektráren včerven 2020, rok a půl po uzavření uhelných dolů, aby se zabránilo nákladům na jejich přizpůsobení evropským předpisům, a čtyři ze zbývajících osmi elektráren požádaly o povolení k uzavření.
Očekává se, že téměř 40 elektráren bude v nadcházejících letech uzavřeno ve Finsku , Francii , Itálii , Nizozemsku , Portugalsku a Spojeném království , protože tyto země se rozhodly vyřadit uhlí nejpozději do roku 2030.
Ropné elektrárnyTento typ zařízení spaluje topný olej v parním kotli, který otáčí turbínu, která pohání alternátor k výrobě elektřiny.
Jeho provoz je docela podobný tomu, který je popsán u uhelných elektráren, přičemž hlavní rozdíly ovlivňují pouze kotel a jeho příslušenství, které jsou specifické pro kapalné palivo.
Plynové elektrárnyV některých zemích produkujících zemní plyn stále existují staré elektrárny podobné elektrárnám spalujícím ropu , ale na výrobu páry pro turbínu se místo topného oleje používá plyn jako palivo . Jejich provoz je identický, ale kotel je speciálně dimenzován na toto plynné palivo. Od 90. let a vzestupu spalovacích turbín (v jednoduchém nebo kombinovaném cyklu ) se tento typ elektráren stal vzácným ve prospěch elektráren se spalovacími turbínami, zejména kvůli lepší účinnosti těchto turbín s kombinovaným cyklem . Účinnost kombinovaného plynového cyklu tepelné elektrárny Bouchain tak přesahuje 62%.
Elektrárny na biomasuV Evropě již velké elektrárny pracují na biomasu, některé z nich po 25 let ve Skandinávii. V poslední době se při výrobě tepelné elektřiny kogenerace elektřiny a tepla postupně nahrazují čistými výrobnami elektřiny. V některých zemích nebo v určitých regionech se však energetičtí provozovatelé setkávají s obtížemi při této přeměně, zejména kvůli nedostatku infrastruktury schopné využívat kogenerační teplo, jako jsou sítě dálkového vytápění. Za účelem dosažení pokroku v energetickém přechodu i přes to a do doby, než budou tyto infrastruktury postupně budovány, se provozovatelé někdy rozhodnou převést své stávající způsoby výroby tepla z uhlí na biomasu. Tak tomu bylo na mnoha místech ve Velké Británii, Polsku, Nizozemsku nebo v regionech jako Valonsko nebo Provence. Naplánované na provozní období kolem dvaceti let umožňují během tohoto přechodného období na jedné straně okamžitě zastavit používání uhlí a na druhé straně udržovat výrobní kapacity při čekání na spotřebu elektřiny je lépe kontrolováno a jiné efektivnější jsou zavedena zařízení, jako je kogenerace nebo skladování přerušované obnovitelné energie.
Mezi nejpozoruhodnější elektrárny na biomasu patří elektrárna Drax (4 000 MW ) ve Velké Británii a tepelná elektrárna Provence (150 MW ) v Gardanne.
Ve Francii, 31. prosince 2020, instalovaný výkon zařízení v bioenergetickém sektoru dosáhl 2 171,5 MW , z toho 680,3 MW (31,3%) zařízení využívajících dřevo a jiná pevná biopaliva (+ 3,1%). Tyto závody vyprodukovaly v roce 2020 9,6 TWh , neboli 2,0% výroby elektřiny v zemi, včetně 2,5 TWh pro závody na tuhou biomasu (dřevo atd. ).
V únoru 2021 zaslalo 500 vědců otevřený dopis vedoucím představitelům Spojených států , Evropské unie , Japonska a Koreje, aby je varovali před rizikem, že dojde k příliš velkému rozvoji odvětví dřevařské energie. Je v boji proti kontraproduktivní globální oteplování . Vědci vyzývají vlády, aby odstranily jakékoli pobídky, které by povzbuzovaly palivové dřevo , ať už pochází z vlastních lesních zdrojů či nikoli.
Spalovacího motoru (ICE) je typ spalovacího motoru, ve kterém je tepelná energie vydávané spalování se přemění na mechanickou energii .
Spalovací turbínyTento typ zařízení může použít plynná paliva (zemní plyn, butan , propan , atd. ), Ale také z kapaliny (nejvíce těkavé, jako je nafta , alkohol, aby co nejvíce viskózní ( těžké nebo zbytkové topné oleje, nebo i ropy ) , přes petrolej nebo topný olej ).
Francouzská terminologie „plynová turbína“ neboli TAG, která je výsledkem doslovného překladu anglosaského termínu plynová turbína , může vést ke zmatku. Název „spalovací turbína“, přesněji TAC, se této dvojznačnosti vyhýbá.
Existují dva typy elektráren.
Jednoduché cyklické elektrárny Skládá se ze spalovací turbíny běžící na kapalné nebo plynné palivo poháněné alternátorem. Používají se hlavně jako špičkové elektrárny, aby se zajistila další výroba v případě vysoké přesné poptávky (špičkové hodiny). Elektrárny s kombinovaným cyklem Jejich energetická účinnost se zvyšuje přidáním rekuperačního kotle . Toto využívá citelné zbytkové teplo obsažené ve výparech ve výfuku spalovací turbíny k výrobě páry dodávající parní turbínu . Ten může zase buď pohánět druhý alternátor na druhém vedení hřídele (toto se nazývá kombinovaný cyklus „se samostatnými vedeními hřídele“), nebo může být instalován na stejném vedení hřídele jako spalovací turbína. (Toto se pak označuje jako kombinovaný cyklus „jednohřídelové vedení“). Tato poslední konfigurace, dostupná od několika světových výrobců, dosahuje účinnosti 60%. Dieselové motoryNěkteré tepelné elektrárny používají k pohonu alternátorů dieselové motory .
Ve Francii to platí pro oblasti, které nejsou propojeny s kontinentální metropolitní sítí (elektrické systémy na Korsice , Guadeloupe , Martiniku, Réunionu, Mayotte, Nové Kaledonii atd. ).
V roce 2018 podíl odvětví výroby elektřiny a tepla na emisích CO 2 vztaženo k energii bylo 41,7%.
V Evropské unii s 27 členskými státy poklesly emise skleníkových plynů při výrobě jedné kilowatthodiny elektřiny mezi lety 1990 a 2018 o 45%, z 510 g CO 2eq / kWh při 281 g CO 2eq / kWh v roce 2018. Podle původních odhadů by dosáhly 249 g CO 2eq / kWh v roce 2019. Emise jsou vysoké v zemích, kde je uhlí stále důležité, jako je Německo (406 g / kWh ) nebo ještě více Polsko (789 g / kWh ) a Estonsko (900 g / kWh ). kWh ). Naopak jsou mnohem nižší v zemích, které vyvinuly jaderné a / nebo obnovitelné energie, jako je Francie (54 g / kWh ) nebo Švédsko (13 g / kWh ).
Ve Francii představuje výroba elektřiny přibližně 4,8% celkových emisí CO 2v roce 2019. Tento podíl, bez vlastní spotřeby, činil 17,1 Mt CO 2v roce 2020 oproti 18,7 milionu tun v roce 2019; jejich hlavním zdrojem je zemní plyn (13,5 Mt ).