Vodní a tepelné elektrárny - Moderní tepelná elektrárna

Cesta k vyšší účinnosti

Od konce 18. století až dodnes výzkum, vývoj a provoz usilovaly o dosažení vysoké účinnosti využití uhlí při výrobě páry s vysokým tlakem a teplotou a následně při přeměně tepelné energie v parním stroji nebo turbíně na mechanickou a v generátoru na elektrickou energii. Zásadním problémem je účinnost transformačního procesu, tj. poměru mezi získanou energií a energetickým obsahem paliva. Výsledkem vývoje je očekávání čisté účinnosti energetického obsahu uhlí nad hranicí 50 %. Cílem vývoje je také na nejmenší dosažitelnou hodnotu snížit měrnou spotřebu paliva. Současný trend vývoje tepelných elektráren spalujících fosilní paliva se zaměřuje především na hledání lepších a účinnějších metod spalování. V centru zájmu vědců je i jaderná energetika, která v současné době prožívá bouřlivý technický rozvoj.

Perspektivy kogenerace

Cestu k lepšímu využití paliva nabízí kombinovaná výroba elektřiny a tepla - kogenerace. Spadá do ní i využití zemního plynu, topného oleje, biomasy a bioplynu apod. Jde především o jednotky, využívané v místě spotřeby. Vyšší účinnost přeměny a navíc snížení emisí a škodlivin, které uhelné technologie provázejí, představuje paroplynová kogenerace. Dosavadní způsob odstraňování síry, dusíkatých zplodin a prachu až na samém konci spalovacího procesu v klasických uhelných elektrárnách (odsíření, DENO_x apod.) nejsou perspektivním řešením. Proto se hledá spalovací proces, který by zvládl využití jakéhokoliv druhu uhlí a který by ho spálil bez škodlivých emisí a vyprodukoval využitelné teplo buď pro plynovou turbínu, nebo pro zařízení ke zvýšení parametrů páry. Nejslibnější technologií je zplyňování uhlí. Přeměna uhlí na horký spalitelný plyn neutralizuje škodlivé emise už se stupni spalování a vyčistí produkt tak, aby mohl být spálen v elektrárně s plynovou turbínou a kombinovaným cyklem aniž by znečistil ovzduší či byl jednou z příčin "skleníkového efektu".

Integrace tlakového zplyňování uhlí a paroplynového cyklu

Pravděpodobně nejvýhodnější způsob využití energetického uhlí dnes představuje integrace tlakového zplyňování uhlí a paroplynového cyklu. Jde o paroplynový cyklus, zaručující nejvyšší možnou účinnost přeměny. Místo zemního plynu využívá horkých plynů unikajících pod tlakem z uhelných zplyňovacích reaktorů. Z plynů jsou nejdříve odloučeny prachové částice, dále je plyn odsířen a zbaven dalších škodlivin. Po vyčištění jde do spalovací turbíny a vyrábí elektrickou energii. Odpadní teplo plynů, kombinované s teplem z reaktoru, je využito k výrobě vysokotlaké páry pro parní turbosoustrojí.

Účinnost takového cyklu může dosahovat až více než 55 %. Oproti konvenčním tepelným elektrárnám tato technologie snižuje spotřebu vody, produkuje méně tuhých odpadů než prášková topeniště nebo atmosférické fluidní kotle, odpady lze využít v zemědělství a stavebnictví, úroveň emisí SO₂, NO_x a CO₂ je až o čtvrtinu nižší než u nejmodernějších práškových ohnišť a o řád nižší než u zastaralých kondenzačních elektráren.

Snaha o snížení emisí a zvýšení účinnosti použitím nejvyšších možných teplot spalování vede i k vývoji systémů využívajících uhlí dvoufázově: v první fázi je uhlí zplyněno a energie je využita ve vysokoteplotních spalovacích turbínách, ve druhé je koksový zbytek ze zplyňovacího procesu spalován v samostatném fluidním ohništi a teplo je zužitkováno v konvenčním parním oběhu. Kombinují se i oběhy spalující uhlí a zemní plyn.

Zplyňování uhlí

Mezinárodní programy čistého využití uhlí se staly pod názvem Clean Coal Technology samostatným oborem. Opírají se o zplyňovací reaktory a využití horkého plynu v paroplynovém cyklu. Ke zplyňován ní uhlí dochází pod tlakem obvykle v jeho kontaktu s kyslíkem nebo parou. Vzniká plyn s velkým obsahem CO a H2. z mnoha variant se v současné době realizují při základní technologie: zplyňování v sesuvném loži, fluidní zplyňování a hořákové zplyňování./p>

Trendy vývoje

Parní turbíny: zavedením nadkritických parametrů páry (tlak 22,1 MPa, teplota 600 °C) se zvýší účinnost nad 40 % a vyvíjené monokrystalické slitiny umožní jít až do oblasti ultrakritické páry s teplotou 700 °C, kdy by účinnost mohla špičkově dosáhnout až 50 %.

Fluidní spalování: přechod z atmosférických na tlaková fluidní ohniště v kombinaci s paroplynovým cyklem dává naději zvýšit účinnost cyklu také až na 50 %.

Plynové turbíny: při spalování zemního plynu lze očekávat do třiceti let zvýšení účinnosti až na 47 % (pokud materiál lopatek a chlazení umožní jít na vstupní teplotu 1300 °C), resp. na 50 % (pokud žáruvzdorné keramické slitiny odolají po dobu rozumné životnosti teplotě 1500 °C).

Tyto komponenty v integrovaném zplyňovacím cyklu zvýší účinnost na 50 %.

Přímé přeměny chemické energie paliva v elektřinu odehrávající se ve vysokoteplotních palivových článcích mohou v kombinaci se zplyňovacím cyklem zvýšit celkovou účinnost přeměny na 50 %.

Vynikající účinnost by mohly mít elektrárny vybavené již čtyřicet let vyvíjenými magnetohydrodynamickými generátory. Intenzivně hořící uhelný prach nebo plyn doplněný ionizačními přísadami při průchodu magnetickým polem rozdělí svoje částice podle náboje. Z elektrod uložených kolmo na směr proudu a magnetického pole lze pak odebírat stejnosměrný elektrický proud. Využitím tepla spalin v nadkritickém parním cyklu by pak bylo možné dosáhnout celkové účinnosti až 60 %.

Řízení energetické soustavy

Řízení provozu celé energetické soustavy s mnoha zdroji, které jsou propojeny sítí elektrických vedení má na starost celostátní dispečink Délka všech linek byla v roce 2009 5 483 km, z toho 63 % představují linky o napětí 400 kV a 35 % linky vedení 220 kV. Zbytek jsou linky 100 kV (data za rok 2010 viz http://www.ceps.cz/doc/soubory/20100514/CEPS_Vyrocni_zprava_%202009.pdf).

Vzhledem k tomu, že elektřinu nelze skladovat, musí být její výroba v každém okamžiku v rovnováze se spotřebou. Schopnost regulovat soustavu je vyšší, je-li možné vzájemné propojení v rámci větších sítí. Česká republika se proto spolu s Polskem, Maďarskem a Slovenskem (sdružení Centrel) propojila v roce 1995 se západoevropskou elektrizační soustavou UCPTE (dnes UCTE). Vzájemným propojením se snižují ztráty elektrické energie ve vedení, lze si elektrickou energii vyměňovat a vypomáhat si tak navzájem při poruchách nebo náhlých změnách spotřeby a je také možné si vybrat nejlevnější elektřinu, kterou soustavy nabízejí.

V souvislosti s liberalizací evropského vnitřního trhu s elektřinou velmi vzrůstá význam přeshraničních obchodů. Nařízení č. 1228/2003 Evropského parlamentu a rady o podmínkách pro přístup k síti pro přeshraniční výměny elektřiny je zaměřeno na stanovení spravedlivých pravidel pro tyto výměny, čímž podporuje konkurenci na vnitřním trhu s elektřinou. Toto nařízení zahrnuje ustanovení kompenzačního mechanizmu pro přeshraniční toky a soubor sladěných principů přeshraničních poplatků a lokací (přidělení) dosažitelné kapacity propojení mezi národními přenosovými systémy.

nahoru