Produkcja energii elektrycznej

PRODUKCJA ENERGII
ELEKTRYCZNEJ
Publikacja współfinansowana
ze środków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
System elektroenergetyczny
Zadania
wytwarzanie
energii elektrycznej
przesył
energii elektrycznej
rozdział
do odbiorców
System elektroenergetyczny :
• umożliwia ekonomiczne gospodarowanie dostępną energią elektryczną
• pozwala zabezpieczyć się na wypadek awarii
części jego urządzeń
2
W skład systemu wchodzą:
1. zespół współpracujących ze sobą
elektrowni
2. sieci przesyłowe
3. sieci rozdzielcze
4. odbiorniki energii elektrycznej
3
Podstawowe źródła energii elektrycznej
na świecie
Energia elektryczna jest wytwarzana na drodze przemiany innych rodzajów
energii (chemiczna, cieplna, mechaniczna).
Źródła energii
konwencjonalne
(paliwa kopalne)
energia jądrowa
odnawialne źródła energii
(OZE)
4
5
6
7
Lp.
Elektrownia
Moc [MW]
Produkcja [TWh] w 2005 r.
1
Bełchatów
4430
29,5
2
Kozienice
2846
11,7
3
Turów
2106
13,5
4
Połaniec
1800
5,0
5
Rybnik
1775
10,1
6
Dolna Odra
1742
4,3
7
Opole
1532
8,3
8
Jaworzno III
1345
5,2
9
Pątnów
1200
6,7
10
Łaziska
1155
5,5
23962
8824
15738
119,0
54,9
64,1
Wszystkie elektrownie
w tym na węgiel brunatny
w tym na węgiel kamienny
dla porównania:
Całkowita produkcja energii w Polsce w
2008 r. (elektrownie węglowe +
pozostałe źródła)
154,6
(w tym eksport ok. 10 TWh)
8
Elektrownie cieplne
•
elektrownie konwencjonalne
stosowane paliwa:
- węgiel kamienny (w Polsce ok. 60 % wytwarzanej energii)
- węgiel brunatny (w Polsce ok. 35 % wytwarzanej energii)
- gaz ziemny
(w Polsce ok. 3 % wytwarzanej energii)
- ropa naftowa
•
elektrownie jądrowe
energia z rozszczepienia jąder atomów,
najczęściej uranu
9
Elektrownie konwencjonalne
Zależnie od paliwa, na energię elektryczną zamienia się
25-40 % energii chemicznej zawartej w paliwie.
strumień
energii
chemicznej
(paliwo)
energia
chemiczna
kocioł
parowy
moc
cieplna
(para)
energia
cieplna
turbina
parowa
moc
mechaniczna
moc elektryczna
prądnica
energia
kinetyczna
energia
elektryczna
10
Elektrownia węglowa
11
Schemat Elektrowni Bełchatów
12
 Turbina
turbogenerator: 3-fazowy,
o napięciu najczęściej
6,3 kV lub 10,5 kV
13
 Turbina
14
Turbozespół w Elektrowni Szczecin
15
Turbogeneratory w Elektrowni Bełchatów
16
Chłodnia kominowa
17
Elektrownia Bełchatów
18
Elektrownia Opole
19
20
21
22
Zagrożenie środowiska – pyły i gazy spalinowe
Przykładowy skład spalin z różnych paliw
23
Instalacja oczyszczania spalin
24
Elektrofiltr
Działanie polega na:
• ładowaniu elektrostatycznym
cząstek,
• wydzielaniu naładowanych
cząstek z pola elektrycznego,
• usuwaniu cząstek pyłu z
powierzchni wydzielania.
Elektrofiltry wykorzystują działanie
sił pola elektrycznego.
Proces odpylania odbywa się
w przestrzeni pomiędzy dwiema
elektrodami, przez którą
przepływa strumień odpylanego
gazu.
25
Odsiarczanie spalin - przekształcanie SO2 i SO3
w substancję łatwą do usunięcia ze spalin i z
instalacji.
Metody odsiarczania:
• suche
• półsuche
• mokre
stosowanie (lub nie)
roztworów wodnych
jako środowiska reakcji
90 % wszystkich IOS na świecie pracuje wg metody mokrej wapiennowapniakowej.
Stopień odsiarczenia
• metody mokre : 92-97 %
• suche, półsuche : 40-60 %
26
27
28
29
Elektrownie jądrowe
Źródło energii cieplnej: reakcje jądrowe
zachodzące w paliwach rozszczepialnych (izotopy
uranu, plutonu) umieszczonych w reaktorach
atomowych.
Na energię elektryczną ulega przekształceniu
ok. 40 % energii wyzwolonej z paliwa jądrowego.
Zaleta: brak zanieczyszczeń atmosfery.
Wady:
- po awarii  emisja substancji radioaktywnych,
- problem składowania odpadów.
30
zamknięty obwód
wodny pierwotny
obwód
wodny wtórny
31
32
Rdzeń reaktora jądrowego
33
Zbiornik
ciśnieniowy
reaktora elektrowni
jądrowej
34
Ile różnego paliwa trzeba zużyć, by uzyskać
taką samą ilość energii elektrycznej:
35
36
Składowanie odpadów
37
38
39
Inny przykład:
Obecnie we Francji pracuje 58 bloków atomowych, które wytwarzają prawie
80% energii zużywanej we Francji.
40
41
42
43
Odnawialne źródła energii
• woda,
• wiatr,
• energia słoneczna,
• biogaz,
• biopaliwa,
• biomasa,
• energia geotermalna.
44
Inne OZE
(obecnie produkcja energii marginalna)
• energia pływów morskich
już wykorzystywana we Francji, Anglii
• energia falowania morskiego
elektrownie:
pneumatyczne (wymuszanie ruchu powietrza)
mechaniczne (siła wyporu)
hydrauliczne (przelewanie szczytów fal)
indukcyjne (ruch pływaków)
• energia
kinetyczna prądów morskich
obecnie ich wykorzystanie jest małe, z powodu problemów
technicznych i obawy przed zaburzeniem naturalnej równowagi
45
Elektrownie wodne
Wykorzystanie energii potencjalnej wody przepływającej ze zbiornika
położonego wyżej do niższego lub wykorzystanie wody przepływającej rzeką.
Rodzaje elektrowni wodnych:
• przepływowe
naturalne spadki wody (np. rzeki)
• zbiornikowe
woda spiętrzana za pomocą zapór
• pompowe
sprawność: ok. 80 % energii potencjalnej wody
przekształcane na energię elektryczną.
budowane między dwoma zbiornikami wodnymi
o różnych poziomach lustra wody
46
Gdy jest duże
zapotrzebowanie na
energię elektryczną
(szczyt)  elektrownia
dostarcza energię
do systemu
elektroenergetycznego.
Gdy system ma
nadwyżkę mocy (noc) 
woda pompowana ze
zbiornika dolnego do
górnego.
Hydrogenerator pracuje jako generator
lub jako silnik
napędzający pompy.
47
Zapora Itaipu w Ameryce
Południowej na rzece Parane
na granicy Paragwaju i
Brazylii.
Elektrownia pokrywa pełne
zapotrzebowanie Paragwaju i
jedną trzecią potrzeb Brazylii.
48
Elektrownie wiatrowe
sprawność: ok. 20 % energii wiatru przekształcane na energię elektryczną.
• lokalizacja wybitnie korzystna
• lokalizacja korzystna
• lokalizacja dość korzystna
• lokalizacja niekorzystna
• lokalizacja wybitnie
niekorzystna
49
50
51
52
Elektrownie słoneczne
Dwa sposoby wykorzystania energii słonecznej:
• przekształcenie bezpośrednio w energię
elektryczną za pośrednictwem fotoogniw
sprawność: ok. 20 % energii promieniowania słonecznego przekształcane na
energię elektryczną
• system termiczny, w którym energia świetlna
zostaje przekształcona w energię cieplną,
wykorzystywaną do produkcji pary napędzającej
generatory
elektrownie z kolektorami słonecznymi (działanie podobne do soczewki
skupiającej światło)
53
Konwersja fotowoltaniczna
(fotoogniwa półprzewodnikowe)
54
Konwersja fototermiczna
55
Elektrownia słoneczna w technologii z centralną wieżą w Hiszpanii.
Składa się z 624 luster, każde o powierzchni 120 m2. Odbiornik ciepła
umieszczony na szczycie 100-metrowej wieży wytwarza parę o temp 250oC
i ciśnieniu 40 bar.
Szacuje się, że będzie generować ilość energii potrzebną dla 6000
gospodarstw i pozwoli na ograniczenie emisji CO2 o 18 tys. ton rocznie. 56
Piec słoneczny w Odeillo (płd Francja)
57
58
Kolektory słoneczne – podgrzewanie wody użytkowej
kolektor płaski
kolektor próżniowy
59
Plany „wizjonerskie”
12 europejskich korporacji chce zainwestować w gigantyczne elektrownie
słoneczne na Saharze.
Za kilkanaście lat dostarczałyby prąd do Europy.
• Do 2050 r. wydano by 400 mld euro. Elektrownie słoneczne, które powstałyby
w Maroku, Tunezji i Egipcie, zajęłyby 6 tys. km2 (czyli 2% obszaru Polski).
• Prąd z elektrowni, które rozprzestrzeniłyby się na całą zachodnią Afrykę i
60
Bliski Wschód, mógłby pokryć aż 15% europejskiego zapotrzebowania.
„Wieża Słońca” w Australii
Zbudowana będzie potężna wieża o wysokości 1 km na środku gigantycznej
szklarni w kształcie koła o średnicy 7 km. Lekko spadzisty dach umieszczony
kilka metrów nad ziemią zasłoni powierzchnię 3800 hektarów. Szklarnia będzie
otwarta, bez zewnętrznych ścian, co zapewni swobodny przepływ powietrza.
Słońce ogrzeje powietrze w szklarni do temperatury o 30-40oC wyższej niż na
zewnątrz. To spowoduje ruch powietrza do środka, w stronę betonowego
komina o średnicy 130 m, który samorzutnie zassie je do góry. Wiatr osiągnie
prędkość 50 km/h. Napędzać będzie 32 turbiny o mocy 6,5 MW każda.
Koszt - 350 mln $.
61
Biogaz
Biogaz jest produktem fermentacji beztlenowej ciekłych i stałych związków
pochodzenia organicznego, zawierających celulozę, białko, węglowodany,
skrobię.
Miejsca pozyskiwania biogazu:
- wysypiska odpadów
- oczyszczalnie ścieków
- biogazownie gminne i wiejskie
produkcja z odpadów rolnych (gnojowica, obornik, słoma)
oraz upraw energetycznych (np. kukurydza, buraki)
62
Biomasa
Do celów energetycznych wykorzystuje się spalanie biomasy (tzw. biopaliwa stałe)
:
• drewno odpadowe z leśnictwa, rolnictwa, budownictwa,
transportu kolejowego oraz przemysłu,
• słoma zbożowa, z roślin oleistych, strączkowych, siano,
• plony z plantacji roślin energetycznych (np. w Polsce
uprawiana szybko rosnąca wierzba wiciowa),
• odpady organiczne – osady ściekowe, osady w przemyśle
celulozowo-papierniczym, makulatura, odpady organiczne
z cukrowni, roszarni lnu, gorzelni, browarów itd.
63
Biopaliwa
Paliwa powstałe z przetwórstwa produktów organizmów żywych (roślinnych,
zwierzęcych, mikroorganizmów).
Biopaliwa ciekłe otrzymywane są w drodze fermentacji alkoholowej
węglowodanów do etanolu, fermentacji butylowej biomasy do butanolu lub z
estryfikowanych olejów roślinnych (np. olej rzepakowy).
Najbardziej znane rodzaje biopaliw:
• biodiesel,
• bioetanol,
• metanol,
• butanol.
64
Struktura paliw w energetyce zawodowej 2008 roku
65
Produkcja energii elektrycznej z OZE
w 2007 roku - struktura
Biomasa +
Biogaz
46%
Woda
44%
Wiatr
10%
66
67
68
Energia elektryczna z OZE w Polsce –
plan 2020
1.
Energetyka wiatrowa – oczekiwany bardzo duży
przyrost mocy zainstalowanej, w tym na morzu.
2.
Biomasa – układy kogeneracyjne
(biometanownie), wykorzystanie odpadów z
produkcji rolniczej i komunalnych, zwiększenie
wykorzystania „upraw energetycznych”.
3.
Biogaz – wykorzystanie biogazu uwalnianego ze
składowisk odpadów, z oczyszczalni ścieków.
69
4.
Energetyka wodna – rozwój przede wszystkim
w zakresie małej energetyki wodnej.
5.
Fotowoltanika – ze względu na koszty: tylko w
ograniczonym zakresie.
6.
Geotermia – w miarę rozwiązań
technologicznych.
7.
Budowa do 2020 roku biogazowni o łącznej mocy
elektrycznej nie mniej niż 3 GW (2 tys. instalacji).
70
Pozostała produkcja energii elektrycznej
• elektrociepłownie
zakłady przemysłowe wytwarzające w jednym procesie
technologicznym w sposób skojarzony energię elektryczną oraz ciepło
w postaci czynnika (najczęściej wody) o wysokiej temperaturze dla
miejskiej sieci ciepłowniczej lub przemysłu
• małe elektrownie napędzane silnikami spalinowymi
zasilanie niewielkich odbiorców lub zasilanie awaryjne (np. szpitali)
71
72
73
74
75
76
Plany rozwojowe energetyki w Polsce
1.
realizacja założeń pakietu klimatyczno-energetycznego
(do 2020 r.)
tzw. „cel 3x20” :
- zmniejszenie emisji CO2 o 20%,
- zwiększenie efektywności zużycia energii o 20%,
- zwiększenie do 20% udziału produkcji energii ze źródeł
odnawialnych.
2.
nowe inwestycje w gazownictwie i przemyśle naftowym
Wzrost zdolności wydobywczych ropy naftowej i gazu ziemnego,
inwestycje w infrastrukturę mające znaczenie zarówno dla
wypełniania białych plam w dostępie do gazu, jak i dla
podniesienia stanu bezpieczeństwa energetycznego państwa
(podziemne magazyny gazu, połączenia międzynarodowe,
gazoport w Świnoujściu).
77
3.
nowe inwestycje w źródła energii
Szacowane zapotrzebowanie na inwestycje w obszarze
wytwarzania energii do roku 2030 wynosi 1000 MW rocznie.
Oznacza to, że rocznie trzeba będzie inwestować ok. 1,5 mld euro
(w tym źródła odnawialne).
Harmonogram dla energetyki jądrowej zakłada, że najpóźniej pod
koniec 2013 roku zostanie zawarty kontrakt na budowę pierwszej
elektrowni jądrowej w Polsce, a sama budowa rozpocznie się
w 2016 roku. Koszt ok. 6-9 mld euro.
78
79
Najambitniejsze plany ma francuski gigant GDF Suez. Dziś ma
elektrownię 1800 MW w Połańcu, którą kupił od skarbu państwa w 2000 r.
Zamierza wybudować ponad 4000 MW, czyli tyle ile ma największa dziś
polska elektrownia w Bełchatowie. Francuzi stawiają po połowie na gaz i
na węgiel.
W sumie wszystkie firmy złożyły wnioski o przyłączenie do sieci ponad
22000 MW. Wybudowanie jednego megawata elektrowni kosztuje
1-1,5 mln euro.
Zgodnie z pakietem energetyczno-klimatycznym polskie elektrownie, w
których proces inwestycyjny zaczął się przed 1 stycznia 2008, dostaną aż
do 2020 r. część uprawnień do emisji CO2 za darmo.
80