Cieplna elektrownia jest elektrownia , która działa od ciepła źródła zgodnie z zasadą maszyn cieplnych . Ta przemiana odbywa się albo bezpośrednio, przez rozprężanie gazów spalinowych, albo pośrednio, na przykład w cyklu wodno-parowym. Instalacje do kogeneracji wykorzystują również część ciepła odpadowego do innych zastosowań, np . sieci ciepłowniczych .
Pochodzenie tego źródła ciepła zależy od rodzaju elektrociepłowni:
Elektrownie cieplne zbudowane są wokół maszyny cieplnej napędzającej alternator wytwarzający energię elektryczną. Te silniki cieplne może być spalanie zewnętrzne ( turbin parowych , silnik parowy ) lub spalania wewnętrznego ( silnik wysokoprężny , turbinę spalania ). Turbina parowa i turbina spalinowa mogą współistnieć w elektrowni o cyklu łączonym, aby poprawić ogólną sprawność . Wydajność można dodatkowo poprawić w procesie kogeneracji lub trigeneracji .
Serce spalinowego silnika turbinowego , zapalając paliwo (gazowe, płynne lub stałe fluidalne ) powoduje rozprężanie się powietrza dolotowego. Podczas jego rozszerzania powoduje to obracanie się kół turbiny, które z kolei napędzają sprzężony alternator . Na koniec alternator przekształca energię mechaniczną turbiny w energię elektryczną .
Zasada działania elektrowni z turbiną parową jest podobna, płynem roboczym jest para wodna, a nie powietrze. Gorący źródło ( rozszczepienie jądrowej , węgla, spalanie, itp) podgrzewa się wodę (bezpośrednio lub pośrednio), która zmienia się od stanu ciekłego do fazy gazowej stanu . Wytworzona w ten sposób para jest wpuszczana do turbiny, która napędza alternator.
Na wylocie turbiny, parę wodną skrapla się w skraplaczu dostarczanym przez źródło zimna ( morskiej wody świeżej rzeki wody , itd.) I znajduje się w stanie ciekłym. Otrzymany kondensat jest ostatecznie zwracany do systemu zaopatrzenia w wodę do nowego cyklu parowania.
Głównymi elementami elektrociepłowni są:
Uproszczona zasada działania jest następująca:
W praktyce operacja jest nieco bardziej skomplikowana, ponieważ przewidziano kilka urządzeń poprawiających wydajność. Na przykład :
CHP jest wspólnie wytwarzają energię elektryczną i cieplną w procesie przemysłowym lub ciepłowniczych , w celu poprawienia ogólnej sprawności elektrowni cieplnej. W tym celu wymienniki ciepła odzyskują część śmiertelnej energii ze spalonych gazów lub wody chłodzącej, aby poprawić wydajność zespołu.
Elektrownie cieplne dzielą się na kilka kategorii, w zależności od charakteru ich źródła ciepła:
W tego typu instalacji spalania paliwo spalane jest w kotle , a uwolnione w ten sposób ciepło wytwarza parę pod ciśnieniem, która napędza turbinę parową .
Elektrownie napędzane węglemWęglowe elektrownie są najbardziej rozpowszechnioną na świecie, zwłaszcza w krajach o dużych zasobów węgla ( Indie , Chiny , Stany Zjednoczone , Niemcy , itp ).
W 2016 r. nadal zapewniały one około 40% światowej produkcji energii elektrycznej, ale liczba uruchomień elektrowni węglowych spadła o 62% w 2016 r. do 65 GW , a liczba ogłoszonych i licencjonowanych projektów spadła o 48% w okresie od początku 2016 r. do początku 2017 r. do 569 GW . Jednak moc zainstalowana nadal rosła w 2016 r., osiągając 1964 GW , czyli + 3%; moc elektrowni ukończonych w ciągu roku jest nadal trzykrotnie większa niż elektrowni zamkniętych, które jednak osiągnęły rekordowy poziom. Zamrożone projekty oczekujące na decyzje polityczne lub gospodarcze osiągnęły 607 GW .
Po raz pierwszy globalne moce elektrowni węglowych nieznacznie spadły w pierwszej połowie 2020 r.: -3 GW z całkowitej floty 2047 GW , wynika z raportu opublikowanego przez Global Energy Monitor. Zamknięcia wyniosły łącznie 21 GW , w tym 8 GW w Europie i 5 GW w Stanach Zjednoczonych; otwarć osiągnął 18 GW , w tym 11 GW w Chinach i 1,8 GW w Japonii. W ciągu ostatnich dwóch dekad globalna moc rosła w średnim tempie 25 GW na semestr. Chiny skupiają blisko połowę projektów elektrowni (ponad 250 GW ), następnie Indie (65 GW ), Turcja i Indonezja. Na całym świecie w budowie jest łącznie 190 GW elektrowni węglowych, a planowane są dodatkowe 332 GW .
Kilkadziesiąt MW w połowie XX p wieku, ich wydajność urządzenia gwałtownie wzrosła przekracza teraz 1,000 MW . Wraz ze wzrostem ich mocy jednostkowej poprawiono ich sprawność poprzez zwiększenie ciśnienia i temperatury stosowanej pary. Ze zwykłych wartości 180 barów i 540 °C, które występowały w latach 70., obecnie osiągane są wartości nadkrytyczne ponad 250 barów i 600 °C .
Dzięki temu były w stanie utrzymać pewną konkurencyjność w porównaniu z innymi typami elektrowni.
Kilka urządzeń zmniejsza emisje zanieczyszczeń. Pył ( sadza ) zawarty w spalinach jest wychwytywany przez elektrofiltry (lub w niektórych krajach przez filtry workowe ), tlenki siarki (SO 2, SO 3) są uwięzione w instalacjach odsiarczania (odsiarczania spalin w języku angielskim: „ flue gas desulfurization ” ), co sprawia, że wycena popiołu lotnego jest mniej utrudniona dla budownictwa, a ostatnio pojawiły się urządzenia eliminujące tlenki azotu (NOx) (SCR) w języku angielskim: „ selektywne redukcja katalityczna ” .
Trwające zmiany dotyczą wychwytywania CO 2w elektrociepłowniach. To właśnie produkcja energii elektrycznej z węgla jest głównym emitentem gazów cieplarnianych na świecie. Kilka technologii jest badanych równolegle:
Wszystkie te techniki mają tę wadę, że zużywają dużo energii, a zatem zmniejszają wydajność netto o około dziesięć punktów .
We Francji od 2004 r. węgiel nie jest już wydobywany z kopalń, ale węgiel importowany jest nadal wykorzystywany do produkcji energii cieplnej w okresach szczytu. W 2016 r., przy 7,3 TWh , stanowił 1,4% energii elektrycznej wyprodukowanej we Francji i około 13% energii elektrycznej niejądrowego pochodzenia termicznego.
Wpływ na środowisko i zdrowieElektrownie węglowe pozostają głównym źródłem emisji gazów cieplarnianych , prekursorów troposferycznych gazów ozonowych i produkcji sadzy, szczególnie w Chinach i Stanach Zjednoczonych. Według badań elektrownie węglowe w 20 głównych krajach Unii Europejskiej spowodowały w 2013 r. 23 000 przedwczesnych zgonów w Europie, w tym 1380 we Francji; Mówi się, że francuskie elektrownie węglowe spowodowały 390 przedwczesnych zgonów w Europie, w tym 50 we Francji.
Na przykład według Agencji Ochrony Środowiska są one odpowiedzialne za 28% niklu , 62% arsenu , 13% NOx , 77% kwasów , 60% zakwaszających aerozoli na bazie SO 2 ., 50% rtęci i 22% chromu znajduje się w masach powietrza Stanów Zjednoczonych (które następnie dryfują w kierunku Europy nad Oceanem Atlantyckim ). W tych rozwiniętych przemysłowo krajach, w porównaniu ze spalarniami odpadów medycznych i domowych , elektrownie węglowe w najmniejszym stopniu poprawiły swoją ogólną wydajność pod względem emisji rtęci do powietrza; ich emisje na tonę spalonego węgla spadły tylko o 10% w Stanach Zjednoczonych w ciągu 15 lat (od 1990 do 2005 r.), podczas gdy emisje rtęci ze spalarni odpadów medycznych spadły w międzyczasie o 98%, a ze spalarni odpadów o 96%.
Ich chłodzenie lub ścieki mogą zawierać biocydy na bazie chloru lub bromu, a także często są źródłem ogrzewania wód powierzchniowych ( zanieczyszczeń termicznych , które mogą wpływać na życie i pewną równowagę wodną. Popiół lotny z zanieczyszczeń węglowych, degraduje zabytki i może zawierać radionuklidy uwalniane do powietrzem lub poprzez pozostałości.
Centralny do aktywnego węgla w G7 może kosztować świat $ 450 mld euro rocznie przez koniec XXI th wieku, według organizacji pozarządowej Oxfam . Wkład G7 w globalne ocieplenie będzie kosztował samą Afrykę ponad 43 miliardy dolarów rocznie do lat 80. XX wieku i 84 miliardy dolarów do roku 2100. „Każdą elektrownię węglową można uznać za broń niszczenia klimatu, która nasila zmieniające się warunki pogodowe z katastrofalnymi konsekwencje dla upraw, podnoszą ceny żywności i ostatecznie zwiększają liczbę głodujących” .
Kilka krajów bardzo uzależnionych od węgla rozpoczęło wyjście z tego źródła energii, m.in. Francja, Wielka Brytania, Włochy, a ostatnio Niemcy i Chile. Ten ostatni, który był gospodarzem koniec 2019 25 th Konferencji Narodów Zjednoczonych w sprawie Zmian Klimatu (COP25), ogłoszonego w kwietniu 2019 roku już nie chcą budować dowolną roślinę węgla, aw czerwcu 2019 roku blisko w ciągu pięciu lat, osiem z jego 28 elektrownie węglowe. Te osiem elektrowni odpowiada za 20% zdolności energetycznej kraju; ich zamknięcie zmniejszy emisję CO 2sektor elektroenergetyczny od 30 Mt/rok (mln ton/rok) do 4 Mt/rok ; elektrownie węglowe mają moc 5500 megawatów i wytwarzają 40% energii elektrycznej w kraju. Chilijski plan energetyczny zakłada 100% energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do 2040 roku. Prezydent Sebastián Piñera sprecyzował jednak, że kraj będzie utrzymywał te elektrownie w „rezerwie strategicznej”.
Zmniejszone zanieczyszczenie elektrowni węglowychCyrkulacyjne złoże fluidalne kotły zostały opracowane w 1980 roku na ich znacznie niższej temperaturze paleniska ( 850 ° C ) powoduje zmniejszenie powstawania tlenku azotu (NO x ), a kamień wapienny dodaje się do ich reaguje łóżko z azotu, tlenki. Siarkę. Produkcja pary jest zatem mniej zanieczyszczająca i spotykamy się z określeniem „czysty węgiel”, aby je scharakteryzować. Jednak ich obecna wielkość (od 300 do 400 MW ) nie pozwala im konkurować z konwencjonalnymi kotłami dużej mocy.
Niedawno rozwinęła się technologia wysokosprawnych elektrowni węglowych, znanych jako „nadkrytyczne”, w których woda jest poddawana działaniu temperatury i ciśnienia, które powodują przejście bezpośrednio ze stanu ciekłego do gazowego: zyskuje sprawność operacja ta zmniejsza zapotrzebowanie na paliwo, a co za tym idzie emisję do atmosfery CO 2związane ze spalaniem węgla. Im bardziej wzrasta temperatura i ciśnienie, tym większy jest wzrost wydajności, a także zmniejszenie wpływu na środowisko. O roślinie mówi się, że jest „nadkrytyczna”, gdy temperatura przekracza 565 stopni, a ciśnienie przekracza 250 barów. Powyżej 300 barów i 585 °C elektrownia jest określana jako „ultra-nadkrytyczna” i umożliwia zmniejszenie zużywanego paliwa o około 20%, a więc o 20% emisji dwutlenku węgla (CO 2 ).), ale także podzielić emisje tlenków azotu (NO x ) przez siedem i tlenku siarki (SO x ) przez więcej niż dziesięć . Na przykład EDF i elektryk China Datang Corporation (CDT) uruchomiły w 2016 roku pierwszą wysokosprawną elektrownię węglową obsługiwaną przez EDF. Zastosowana technologia oferuje sprawność blisko 44% (w porównaniu do 35% dla konwencjonalnej elektrowni węglowej), a także zmniejszony wpływ na środowisko: 800 g/kWh emisji CO 2wobec 900 g/kWh dla konwencjonalnej elektrowni węglowej; 100 mg/Nm 3 emisji NO x i SO x , w porównaniu do odpowiednio 720 mg/Nm 3 i 1300 mg/Nm 3 dla elektrowni węglowej bez oczyszczania spalin.
Przyszłość elektrowni węglowych w EuropieWedług danych Europejskiej Agencji Środowiska udział węgla kamiennego i brunatnego w produkcji energii elektrycznej w Unii Europejskiej spadł o 21% w latach 1990-2014, czyli o 1% rocznie .
W 2016 roku w Europie zamknięto 16 elektrowni węglowych, w tym ostatnią elektrownię belgijską, co uczyniło Belgię pierwszym krajem w Europie, który wycofał węgiel. Nadal jednak działają 293 elektrownie, chociaż prawie 80% nie jest już rentownych.
W 2017 roku Francja nadal ma cztery elektrownie węglowe, w tym pięć bloków produkcyjnych, rezygnacja z węgla powinna nastąpić w 2022 roku. Emmanuel Macron deklaruje: „do końca pięcioletniej kadencji zamknę wszystkie węgiel- elektrownie opalane” . Za przygotowanie tego terminu odpowiedzialna jest misja międzyresortowa. Jednak rezygnacja z węgla nie będzie łatwa, ponieważ te cztery elektrownie cieplne odgrywają ważną rolę w przezwyciężaniu zimowych szczytów we Francji i zatrudniają ponad tysiąc osób.
Eksperci Climate Analytics (in) zwracają uwagę, że dwa kraje, Niemcy i Polska , mają 51% mocy zainstalowanej i odpowiadają za 54% emisji z elektrowni węglowych. „Istnieje coraz większa dysproporcja między państwami członkowskimi w ich podejściu do przyszłości węgla” , zauważają, ubolewając nad budową lub planami elektrowni węglowych w niektórych krajach, takich jak Polska i Grecja .
3 listopada 2017 r., około trzydziestu stowarzyszeń ekologicznych rozpoczyna kampanię „ Europa poza węglem ” mającą na celu „przyspieszenie stopniowego wycofywania węgla w całej Unii Europejskiej” .
W 2019 roku po raz pierwszy w Europie elektrownie gazowe wyprodukowały więcej energii elektrycznej niż elektrownie węglowe.
W 2020 roku Szwecja i Austria zamykają swój ostatni zakład, wyprzedzając swoje prognozy. EDP , portugalska firma energetyczna, zapowiada odejście z węgla w 2021 r. Hiszpania zamyka 7 elektrowni wczerwiec 2020, półtora roku po zamknięciu kopalń, aby uniknąć kosztów dostosowania do przepisów europejskich, a cztery z ośmiu pozostałych elektrowni wystąpiły o zezwolenie na zamknięcie.
Oczekuje się, że w najbliższych latach zamknie się prawie 40 elektrowni w Finlandii , Francji , Włoszech , Holandii , Portugalii i Wielkiej Brytanii , ponieważ kraje te zdecydowały się na wycofanie węgla najpóźniej do 2030 roku.
Elektrownie olejoweTen typ zakładu spala olej opałowy w kotle wytwarzającym parę, który obraca turbinę napędzającą alternator do produkcji energii elektrycznej.
Jego działanie jest bardzo podobne do opisanego dla elektrowni węglowych, przy czym główne różnice dotyczą tylko kotła i jego urządzeń pomocniczych, które są specyficzne dla paliwa płynnego.
Elektrownie gazoweW niektórych krajach produkujących gaz ziemny nadal istnieją stare elektrownie podobne do elektrowni opalanych olejem , ale wykorzystujące gaz jako paliwo zamiast oleju opałowego do produkcji pary do turbiny . Ich działanie jest identyczne, ale kocioł jest specjalnie dobrany do tego paliwa gazowego. Od lat 90. XX wieku i pojawienia się turbin spalinowych (w cyklu prostym lub kombinowanym ) tego typu elektrownie stały się rzadkością na rzecz elektrowni z turbinami spalinowymi, w szczególności ze względu na lepszą sprawność tych turbin w cyklu skojarzonym . Sprawność połączonego cyklu gazowego elektrociepłowni Bouchain przekracza zatem 62%.
Elektrownie na biomasęW Europie na biomasę działają już duże elektrownie, niektóre z nich od 25 lat w Skandynawii. W ostatnim czasie, w przypadku produkcji energii cieplnej, kogeneracja energii elektrycznej i ciepła stopniowo wypiera zakłady produkujące czystą energię elektryczną. Jednak w niektórych krajach lub w niektórych regionach operatorzy energetyczni napotykają trudności w tej konwersji, w szczególności z powodu braku infrastruktury zdolnej do wykorzystania ciepła kogeneracyjnego, takiej jak sieci ciepłownicze. Aby mimo to posunąć się naprzód w transformacji energetycznej i czekając na stopniowe tworzenie tej infrastruktury, operatorzy czasami decydują się na przekształcenie istniejących środków produkcji cieplnej z węgla na biomasę. Tak było w przypadku wielu miejsc w Wielkiej Brytanii, Polsce, Holandii czy w regionach takich jak Walonia czy Prowansja. Rozplanowane na około dwudziestoletnie okresy eksploatacji pozwalają w tym okresie przejściowym z jednej strony na natychmiastowe zaprzestanie użytkowania węgla, a z drugiej strony na utrzymanie mocy produkcyjnych w czasie oczekiwania na lepsze kontrolowanie zużycia energii elektrycznej, a z drugiej na wydajniejsze wdrażane są urządzenia, takie jak kogeneracja lub magazynowanie przerywanej energii odnawialnej.
Wśród najbardziej godnych uwagi elektrowni na biomasę znajdują się elektrownia Drax (4000 MW ) w Wielkiej Brytanii oraz elektrownia cieplna w Prowansji (150 MW ) w Gardanne.
We Francji, 31 grudnia 2020 r., moc zainstalowana zakładów w sektorze bioenergii wyniosła 2171,5 MW , w tym 680,3 MW (31,3%) instalacji wykorzystujących drewno i inne biopaliwa stałe (+3,1%). Elektrownie te wyprodukowały 9,6 TWh w 2020 r., czyli 2,0% krajowej produkcji energii elektrycznej, w tym 2,5 TWh na biomasę stałą (drewno itp .).
W lutym 2021 roku 500 naukowców wysłało list otwarty do przywódców Stanów Zjednoczonych , Unii Europejskiej , Japonii i Korei, aby ostrzec ich przed ryzykiem, że może nastąpić zbyt duży rozwój energetyki drzewnej. globalne ocieplenie . Naukowcy zachęcają rządy do usunięcia wszelkich zachęt, które zachęcałyby do wykorzystania drewna opałowego , niezależnie od tego, czy pochodzi ono z ich własnych zasobów leśnych.
Silnik spalinowy (ICE) to rodzaj silnika spalinowego, w którym energia cieplna wydzielana przez spalanie jest zamieniana na energię mechaniczną .
Turbiny spalinoweInstalacja tego typu można stosować paliwa gazowe (gaz ziemny, butan , propan , itd. ), Lecz również ciecze (od najbardziej lotnych, takich jak ciężka benzyna , alkohol, na największą lepkość ( ciężkie lub pozostały opałowych, lub nawet surowy olej ) , poprzez naftę lub olej opałowy ).
Francuska terminologia „turbina gazowa” lub TAG, wynikająca z dosłownego tłumaczenia anglosaskiego terminu turbina gazowa , może wprowadzać w błąd. Nazwa „turbina spalinowa”, a dokładniej TAC, pozwala uniknąć tej dwuznaczności.
Istnieją dwa rodzaje elektrowni.
Elektrownie o cyklu prostym Składa się z turbiny spalinowej zasilanej paliwem płynnym lub gazowym napędzającej alternator. Stosowane są głównie jako elektrownie szczytowe, aby zapewnić dodatkową produkcję w przypadku dużego, punktualnego zapotrzebowania (godziny szczytu). Elektrownie w cyklu kombinowanym Ich efektywność energetyczną poprawia dodanie kotła odzysknicowego . Wykorzystuje to jawne ciepło resztkowe zawarte w spalinach na wylocie turbiny spalinowej do wytwarzania pary zasilającej turbinę parową . Ten ostatni może z kolei albo napędzać drugi alternator na drugiej linii wałów (jest to nazywany cyklem łączonym „z oddzielnymi liniami wałów”), albo być zainstalowany na tej samej linii wałów co turbina spalinowa. cykl kombinowany „pojedyncza linia wałów”). Ta ostatnia konfiguracja, dostępna u kilku światowych producentów, osiąga sprawność 60%. Silniki DieslaNiektóre elektrownie cieplne wykorzystują silniki wysokoprężne do napędzania alternatorów.
We Francji dotyczy to obszarów niepołączonych z kontynentalną siecią metropolitarną (systemy energetyczne na Korsyce , Gwadelupie , Martynice, Reunion, Majotcie, Nowej Kaledonii itp .).
W 2018 r. udział sektora wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w emisji CO 2 związane z energią wyniosło 41,7%.
W 27 krajach Unii Europejskiej emisje gazów cieplarnianych do produkcji jednej kilowatogodziny energii elektrycznej spadły o 45% w latach 1990-2018 z 510 g CO 2eq / kWh przy 281 g CO 2eq/kWh w 2018 r. Według wstępnych szacunków wyniosłyby 249 g CO 2eq/kWh w 2019 r. Emisje są wysokie w krajach, w których sektor węglowy jest nadal ważny, takich jak Niemcy (406 g/kWh ) czy jeszcze więcej Polska (789 g/kWh ) i Estonia (900 g/kWh ). I odwrotnie, są one znacznie niższe w krajach, które rozwinęły energię jądrową i/lub odnawialną, takich jak Francja (54 g/kWh ) czy Szwecja (13 g/kWh ).
We Francji, produkcja energii stanowi około 4,8% całkowitej CO 2 emisjiw 2019 r. Udział ten, wyłączając zużycie własne, wyniósł 17,1 Mt CO 2w 2020 r. wobec 18,7 mln ton w 2019 r.; ich głównym źródłem jest gaz ziemny (13,5 Mt ).