Et termisk kraftværk er et elektrisk kraftværk, der fungerer fra en varmekilde i henhold til princippet om termiske maskiner . Denne transformation finder sted enten direkte ved f.eks. Udvidelse af forbrændingsgasserne eller indirekte via en vand-dampcyklus. Anlæggene til kraftvarmeproduktion bruger også en del af spildvarmen til andre applikationer, såsom varmenet .
Oprindelsen til denne varmekilde afhænger af typen af termisk kraftværk:
Termiske kraftværker er bygget op omkring en termisk maskine, der driver en generator, der producerer elektrisk energi. Disse termiske motorer kan være ekstern forbrænding ( dampturbiner , dampmaskiner ) eller intern forbrænding ( dieselmotor , forbrændingsturbine ). En dampturbine og en forbrændingsturbine kan eksistere sammen i et kraftværk med kombineret cyklus for at forbedre den samlede effektivitet . Udbyttet kan forbedres yderligere ved en kraftvarmeproduktion eller trigenerationsproces .
Hjertet i en forbrændingsturbinemotor , der antænder brændstoffet (gas, væske eller fast fluidiseret ) forårsager udvidelse af indsugningsluften. I sin udvidelse får dette turbinehjulene til at rotere, hvilket igen driver en koblet generator . Endelig omdanner generatoren turbinens mekaniske energi til elektrisk energi .
Driften af et dampturbinekraftværk er ens, idet arbejdsfluidet er vanddamp i stedet for luft. Den varme kilde ( nuklear fission , kul, forbrænding osv.) Opvarmer vand (direkte eller indirekte), der skifter fra flydende tilstand til damptilstand . Dampen, der således produceres, føres ind i turbinen, som driver en generator.
Ved udløbet fra turbinen, bliver dampen kondenseres i en kondensator leveret af en kold kilde ( hav vand, frisk flod vand , etc.) og findes i den flydende tilstand. Det opnåede kondensat returneres endelig til vandforsyningssystemet til en ny fordampningscyklus.
Hovedkomponenterne i et termisk kraftværk er:
Det forenklede driftsprincip er som følger:
I praksis er operationen lidt mere kompleks, fordi der findes flere enheder for at forbedre effektiviteten. For eksempel :
Den CHP er i fællesskab at producere elektricitet og varme til en industriel proces eller fjernvarme , for at forbedre den samlede effektivitet af et termisk kraftværk. For at gøre dette genvinder varmevekslere en del af den fatale energi fra de brændte gasser eller fra kølevand for at forbedre effektiviteten af enheden.
Termiske kraftværker falder i flere kategorier afhængigt af arten af deres varmekilde:
I denne type flammeanlæg brændes brændstoffet i en kedel , hvorved den frigivne varme producerer trykdamp, der driver dampturbinen .
Kulfyrede kraftværkerKulfyrede kraftværker er den mest udbredte i verden, især i lande med store kulreserver ( Indien , Kina , USA , Tyskland , osv ).
De leverede stadig omkring 40% af den globale elproduktion i 2016, men kulfyrede kraftværksstarter faldt 62% i 2016 til 65 GW , og antallet af annoncerede og licenserede projekter faldt. 48% mellem begyndelsen af 2016 og begyndelsen af 2017 til 569 GW . Imidlertid fortsatte den installerede kapacitet med at vokse i 2016 med 1.964 GW eller + 3%; kraften i anlæg, der er afsluttet i løbet af året, er stadig tre gange større end lukkede anlæg, som alligevel nåede et rekordniveau. Frosne projekter, der afventer politiske eller økonomiske beslutninger, nåede 607 GW .
For første gang faldt den globale kapacitet for kulfyrede kraftværker lidt i første halvdel af 2020: -3 GW ud af en samlet flåde på 2.047 GW , ifølge rapporten offentliggjort af Global Energy Monitor. Lukningerne udgjorde i alt 21 GW , inklusive 8 GW i Europa og 5 GW i USA; åbningerne nåede 18 GW , herunder 11 GW i Kina og 1,8 GW i Japan. I løbet af de sidste to årtier er den globale kapacitet vokset med en gennemsnitlig hastighed på 25 GW pr. Semester. Kina koncentrerer næsten halvdelen af kraftværksprojekterne (over 250 GW ) efterfulgt af Indien (65 GW ), Tyrkiet og Indonesien. I alt 190 GW kulfyrede kraftværker er under opførelse over hele verden, og der planlægges yderligere 332 GW .
Et par snese MW i midten XX th århundrede, deres enhed kapacitet steg hurtigt til nu overstige 1.000 MW . Sammen med væksten i deres enhedseffekt er deres effektivitet blevet forbedret ved at øge tryk og temperatur på den anvendte damp. Fra de sædvanlige værdier på 180 barer og 540 ° C , der blev stødt i 1970'erne, superkritiske værdier på over 250 barer og 600 ° C er nu nået .
De har således været i stand til at opretholde en vis konkurrenceevne sammenlignet med andre typer kraftværker.
Flere enheder reducerer deres forurenende emissioner. Støvet ( sod ), der er indeholdt i dampene, opsamles af elektrostatiske udfældere (eller i nogle lande med posefiltre ), svovloxider (SO 2, SO 3) er fanget i afsvovlingsenheder (FGD'er på engelsk: " røggasafsvovling " ), hvilket gør værdiansættelsen af flyveaske mindre vanskelig for civilingeniør, og for nylig er der opstået udstyr, der eliminerer nitrogenoxider (NOx) (SCR) på engelsk: " selektiv katalytisk reduktion " ).
Den løbende udvikling vedrører CO 2 -fangsti termiske kraftværker. Det er faktisk produktionen af elektricitet fra kul, der er den største udleder af drivhusgasser i verden. Flere teknologier undersøges parallelt:
Alle disse teknikker har den ulempe, at de bruger meget energi og derfor reducerer nettoudbyttet med omkring ti point .
I Frankrig udvindes der siden 2004 ikke længere kul fra miner, men importeret kul bruges stadig til produktion af termisk elektricitet i spidsbelastningsperioder. I 2016 repræsenterede det med 7,3 TWh 1,4% af den producerede elektricitet i Frankrig og omkring 13% af elektriciteten af ikke-nuklear termisk oprindelse.
Miljø- og sundhedsmæssige påvirkningerKulfyrede kraftværker er fortsat de primære kilder til udledningen af drivhusgasser , troposfæriske ozonprækursorer gasser og sod produktion især i Kina og USA. Ifølge en undersøgelse forårsagede kulfyrede kraftværker i de 20 vigtigste EU-lande 23.000 for tidlige dødsfald i Europa i 2013, herunder 1.380 i Frankrig; Franske kulfyrede kraftværker siges at have forårsaget 390 for tidlige dødsfald i Europa, herunder 50 i Frankrig.
For eksempel er de ifølge Environmental Protection Agency ansvarlige for 28% nikkel , 62% arsen , 13% NOx , 77% syrer , 60% SO 2- baserede forsurende aerosoler. , 50% af kviksølvet og 22% af det chrom, der findes i De Forenede Staters luftmasser (som derefter driver mod Europa over Atlanterhavet ). I disse industrielt avancerede lande har kulfyrede kraftværker sammenlignet med forbrændingsanlæg til medicinsk og husholdningsaffald mindst forbedret deres samlede præstationer med hensyn til kviksølvemissioner til luften; deres emissioner pr. ton forbrændt kul er kun faldet med 10% i USA på 15 år (fra 1990 til 2005), mens kviksølvemissioner fra forbrændingsanlæg til medicinsk affald i mellemtiden er faldet med 98% og for affaldsforbrændingsanlæg med 96%.
Deres køle- eller spildevand kan indeholde klor- eller brombaserede biocider og er også ofte en kilde til opvarmning af overfladevand ( termisk forurening , som kan påvirke liv og visse vandbalancer. Flyveaske fra kulforurener, nedbryder monumenter og kan indeholde radionuklider frigivet i luften eller via rester.
Centralt for aktiv kul i G7 kan koste verden 450 $ milliarder om året ved udgangen af det XXI th århundrede, i henhold til ngo Oxfam . G7's bidrag til den globale opvarmning vil koste Afrika mere end 43 milliarder dollars om året i 2080'erne og 84 milliarder dollars inden 2100. “Hvert kulfyret kraftværk kan betragtes som et våben for klimadestruktion, der intensiverer skiftende vejrforhold med katastrofale konsekvenser for afgrøder, øger fødevarepriserne og i sidste ende øger antallet af sultne mennesker ” .
Et par lande, der er meget afhængige af kul, har indledt en udgang fra denne energikilde, herunder for eksempel Frankrig, Det Forenede Kongerige, Italien og for nylig Tyskland og Chile. Sidstnævnte, som var at være vært for enden af 2019 25 th FN-konferencen om klimaændringer (COP25), annoncerede i april 2019 ikke længere ønsker at bygge noget kulkraftværk, og i juni 2019 vil lukke inden for fem år, otte af dens 28 kulfyrede kraftværker. Disse otte anlæg udgør 20% af landets energikapacitet; deres lukning vil reducere CO 2 -emissionerneelsektoren fra 30 Mt / år (millioner tons om året) til 4 Mt / år ; kulfyrede kraftværker udgør i alt 5.500 megawatt og producerer 40% af landets elektricitet. Den chilenske energiplan sigter mod 100% elektricitet fra vedvarende kilder inden 2040. Præsident Sebastián Piñera specificerede dog, at landet ville holde disse anlæg i ”strategisk reserve”.
Reduceret forurening med kulkraftværkerCirkulerende kedler med fluidiseret leje er blevet udviklet siden 1980. Deres meget lavere ildtemperatur ( 850 ° C ) nedsætter dannelsen af nitrogenoxid (NO x ), og kalksten tilsat deres seng reagerer med nitrogenoxider . Dampproduktionen er derfor mindre forurenende, og vi møder udtrykket "rent kul" for at karakterisere dem. Imidlertid tillader deres nuværende størrelse (300 til 400 MW ) dem ikke at konkurrere med konventionelle kedler med høj effekt.
For nylig har teknologien til højeffektive kulfyrede kraftværker, kendt som “superkritisk”, udviklet sig, hvor vand udsættes for en temperatur og et tryk, således at det passerer direkte fra en væske til en gasformig tilstand: gevinsteffektiviteten af denne operation reducerer brændstofbehovet og dermed emissioner til atmosfæren af CO 2relateret til forbrænding af kul. Jo mere temperaturen og trykket stiger, jo større er gevinsten med hensyn til effektivitet samt reduktion af miljøpåvirkningen. En plante siges at være ”superkritisk”, når temperaturen overstiger 565 grader, og trykket overstiger 250 bar. Over 300 bar og 585 ° C siges anlægget at være "ultra-superkritisk" og gør det muligt at reducere det anvendte brændstof med omkring 20% og derfor med 20% kulstofemissioner (CO 2), men også at dele nitrogenoxidemissioner (NO x ) med syv og svovloxidemissioner (SO x ) med mere end ti . For eksempel bestilte EDF og elektrikeren China Datang Corporation (CDT) i 2016 det første højeffektive kulfyrede kraftværk, der drives af EDF. Den anvendte teknologi tilbyder en effektivitet på næsten 44% (sammenlignet med 35% for et konventionelt kulfyret kraftværk) samt en reduceret miljøpåvirkning: 800 g / kWh CO 2 -emissionermod 900 g / kWh for et konventionelt kulfyret kraftværk; 100 mg / Nm 3 af NO x- og SO x- emissioner sammenlignet med henholdsvis 720 mg / Nm 3 og 1.300 mg / Nm 3 for et kulfyret kraftværk uden røggasbehandling.
Fremtiden for kulfyrede kraftværker i EuropaAndelen af kul og brunkul i Den Europæiske Unions elproduktion faldt med 21% mellem 1990 og 2014 eller 1% om året, ifølge tal fra Det Europæiske Miljøagentur .
I 2016 blev 16 kulfyrede kraftværker lukket i Europa, inklusive det sidste belgiske kraftværk, hvilket gjorde Belgien til det første land i Europa til at udfase kul. Imidlertid er 293 kraftværker stadig i drift, selvom næsten 80% ikke længere er rentable.
I 2017 har Frankrig stadig fire kulfyrede kraftværker, inklusive fem produktionsenheder, opgaven med kul skal ske i 2022. Emmanuel Macron erklærer: "inden udgangen af femårsperioden vil jeg have lukket alt kul- fyrede kraftværker. " . En interministeriel mission er ansvarlig for at forberede denne frist. Opgivelse af kul vil imidlertid ikke være let, fordi disse fire termiske kraftværker spiller en vigtig rolle i at overvinde vintertoppene i Frankrig og beskæftiger mere end tusind mennesker.
Eksperter fra Climate Analytics (in) påpeger, at to lande, Tyskland og Polen , har 51% af den installerede kapacitet og er ansvarlige for 54% af emissionerne fra kulanlæg. ”Der er en voksende forskel mellem medlemslandene i deres tilgang til kulens fremtid,” bemærker de og beklager opførelsen eller planerne for kulfyrede kraftværker i nogle lande som Polen og Grækenland .
Det 3. november 2017omkring 30 miljøforeninger lancerer " Europa ud over kul " -kampagnen for at "fremskynde udfasningen af kul i hele Den Europæiske Union" .
I 2019 producerede gasfyrede kraftværker for første gang i Europa mere elektricitet end kulfyrede kraftværker.
I 2020 lukker Sverige og Østrig deres sidste anlæg forud for deres prognoser. EDP , et portugisisk energiselskab, annoncerer sin udgang fra kul i 2021. Spanien lukker 7 kraftværker ijuni 2020et og et halvt år efter lukningen af kulminerne for at undgå omkostningerne ved deres tilpasning til europæiske regler, og fire af de resterende otte kraftværker har ansøgt om lukningstilladelse.
Næsten 40 kraftværker forventes at lukke i de kommende år i Finland , Frankrig , Italien , Holland , Portugal og Det Forenede Kongerige , da disse lande har valgt at udfase kul senest i 2030.
Oliefyrede kraftværkerDenne type anlæg forbrænder brændselsolie i en dampproducerende kedel, der drejer en turbine, der driver en generator til at producere elektricitet.
Driften ligner den, der er beskrevet for kulfyrede kraftværker, hvor de største forskelle kun påvirker kedlen og dens hjælpestoffer, idet disse er specifikke for et flydende brændstof.
Gasfyrede kraftværkerI nogle naturgasproducerende lande er der stadig gamle kraftværker, der ligner oliefyrede kraftværker , men bruger gas som brændstof i stedet for brændselsolie til at producere dampen til turbinen . Deres drift er identisk, men kedlen er specielt dimensioneret til dette gasformige brændstof. Siden 1990'erne og stigningen af forbrændingsturbiner (i en simpel eller kombineret cyklus ) er denne type kraftværk blevet knappe til fordel for kraftværker med forbrændingsturbiner, især på grund af bedre effektivitet af disse kombinerede cyklusturbiner . Effektiviteten af den kombinerede gascyklus i Bouchain termiske kraftværk overstiger således 62%.
BiomassekraftværkerI Europa kører allerede store kraftværker biomasse, nogle af dem i 25 år i Skandinavien. For nylig erstatter kraftvarmeproduktion af el og varme til termisk elproduktion gradvist rene elproduktionsanlæg. Men i visse lande eller i visse regioner støder energioperatører på vanskeligheder ved denne konvertering, især på grund af den manglende infrastruktur, der kan genvinde varme fra kraftvarmeproduktion, såsom fjernvarmenet. For at gøre fremskridt i energiomstillingen på trods af dette, og mens de afventer en gradvis etablering af disse infrastrukturer, vælger operatører undertiden at konvertere deres eksisterende termiske produktionsmidler fra kul til biomasse. Dette var tilfældet på mange steder i Storbritannien, Polen, Holland eller i regioner som Wallonien eller Provence. Planlagt til driftsperioder på omkring tyve år tillader de i denne overgangsperiode på den ene side straks at stoppe brugen af kul og på den anden side at opretholde produktionskapaciteten, mens man venter på, at elforbruget er bedre kontrolleret og andet mere effektivt enheder er på plads, såsom kraftvarmeproduktion eller lagring af intermitterende vedvarende energi.
Blandt de mest bemærkelsesværdige biomassekraftværker er Drax-kraftværket (4000 MW ) i Det Forenede Kongerige og Provence termiske kraftværk (150 MW ) i Gardanne.
I Frankrig, 31. december 2020, nåede den installerede kapacitet af anlæg i bioenergisektoren 2.171,5 MW , inklusive 680,3 MW (31,3%) af planter, der bruger træ og andre faste biobrændstoffer (+ 3,1%). Disse anlæg producerede 9,6 TWh i 2020 eller 2,0% af landets elproduktion, inklusive 2,5 TWh til faste biomasseanlæg (træ osv. ).
I februar 2021 sendte 500 forskere et åbent brev til lederne for De Forenede Stater , Den Europæiske Union , Japan og Korea for at advare dem om risikoen for, at for meget udvikling af træenergisektoren ville finde sted. Viser sig at være kontraproduktivt i kampen mod global opvarmning . Forskere opfordrer regeringer til at fjerne incitamenter, der kan tilskynde brændetømmer , uanset om det kommer fra deres egne skovressourcer eller ej.
En forbrændingsmotor (ICE) er en type forbrændingsmotor, hvor den termiske energi, der afgives ved forbrænding , omdannes til mekanisk energi .
ForbrændingsturbinerDenne type anlæg kan anvende gasformigt brændsel (naturgas, butan , propan , etc. ), men også væsker (fra den mest volatile såsom naphtha , alkohol, til den mest tyktflydende ( tunge eller resterende brændselsolier, eller endda råolie ) gennem petroleum eller fyringsolie ).
Den franske terminologi "gasturbine" eller TAG, der er resultatet af den bogstavelige oversættelse af det angelsaksiske udtryk gasturbine , kan føre til forvirring. Navnet “forbrændingsturbine” eller TAC, mere præcist, undgår denne tvetydighed.
Der er to typer kraftværker.
Enkle cykluskraftværker Bestående af en forbrændingsturbine, der kører på flydende eller gasformigt brændstof, der driver en generator. De bruges hovedsageligt som peak-kraftværker for at sikre yderligere produktion i tilfælde af høj punktlig efterspørgsel (peak hours). Combined cycle power planter Deres energieffektivitet forbedres ved tilføjelse af en genopretningskedel . Dette udnytter den fornuftige restvarme, der er indeholdt i dampene ved forbrændingsturbinens udstødning, til at producere damp, der forsyner en dampturbine . Sidstnævnte kan til gengæld enten køre en anden generator på en anden akselinie (dette kaldes en kombineret cyklus "med separate akselinier") eller installeres på samme akselinie som forbrændingsturbinen. (Dette kaldes derefter en kombineret cyklus med "en akselledning"). Denne sidste konfiguration, der er tilgængelig fra flere verdensproducenter, opnår en effektivitet på 60%. DieselmotorerNogle termiske kraftværker bruger dieselmotorer til at drive generatorerne.
I Frankrig er dette tilfældet for områder, der ikke er sammenkoblet med det kontinentale hovedstadsnet (elsystemer på Korsika , Guadeloupe , Martinique, Réunion, Mayotte, Ny Kaledonien osv. ).
I 2018 var andelen af el- og varmeproduktionssektoren i CO 2 -emissioner relateret til energi var 41,7%.
I EU på 27 faldt drivhusgasemissioner til produktion af en kilowatt time el med 45% mellem 1990 og 2018 fra 510 g CO 2eq / kWh ved 281 g CO 2eq / kWh i 2018. Ifølge de oprindelige skøn ville de nå 249 g CO 2eq / kWh i 2019. Emissionerne er høje i lande, hvor kulsektoren stadig er vigtig, såsom Tyskland (406 g / kWh ) eller endnu mere Polen (789 g / kWh ) og Estland (900 g / kWh ). kWh ). Omvendt er de meget lavere i lande, der har udviklet nuklear og / eller vedvarende energi, såsom Frankrig (54 g / kWh ) eller Sverige (13 g / kWh ).
I Frankrig udgør elproduktionen omkring 4,8% af den samlede CO 2 -emissioni 2019. Denne andel eksklusive egenforbrug udgjorde 17,1 Mt CO 2i 2020 mod 18,7 Mt i 2019; deres vigtigste kilde er naturgas (13,5 Mt ).