En kraftstasjon er et industriområde beregnet på produksjon av elektrisitet . Kraftstasjoner leverer strøm, gjennom strømnettet , til forbrukere , enkeltpersoner eller industrimenn langt fra kraftstasjonen. Produksjonen av elektrisitet sikres der ved konvertering til elektrisk energi av en primærenergi som kan være enten mekanisk (vindkraft, kraft av elvenes vann, tidevann ...) eller kjemisk (reaksjoner av redoks med drivstoff, fossilt eller ikke, for eksempel biomasse ), enten kjernefysisk eller sol .
Disse primære energiene kan være fornybare (biomasse osv. ) Eller utgjøre ressurser med begrensede reserver (fossilt brensel osv. ).
Med unntak av solcelleanlegg , genereres elektrisitet av en generator drevet av en turbin eller, for visse øyer eller isolerte systemer, av en forbrenningsmotor (dieselgruppe med en effekt som spenner fra noen få MW til flere titalls MW).
Den mekaniske / elektriske konverteringseffektiviteten til generatorene er omtrent 98%. De fleste tapene oppstår derfor ved termisk-mekanisk konvertering av termiske maskiner . Den kraftvarme forbedrer den samlede effektiviteten av installasjonen ved å styrke den resterende termisk energi .
Flere turbinteknologier er tilgjengelige, avhengig av væsken som brukes til å drive dem:
Blant de primære energiene omgjort til elektrisk energi i kraftstasjoner skilles det mellom såkalte " fornybare " energier ( biomasse , solenergi , hydraulikk og vindkraft ) og de med fossil eller kjernefysisk opprinnelse .
Fossile drivstoff De er, fremdeles i dag, de primære energiene som brukes mest i verden for produksjon av elektrisitet . Det er hovedsakelig kull som brukes, men vi finner også olje- og naturgasskraftverk, som blir brent enten i kjeler eller i forbrenningsturbiner ( gassturbiner ), eller til og med i dieselmotorer som driver en generator . Andre drivstoff Den biomasse og avfall (søppel) kan brennes i spesielle ovner, men disse drivstoffene er heller anvendt i oppvarmingsnettverk . Kjernekraft Den kommer fra fisjon av uran, hvis varme brukes til å generere vanndamp som driver en dampturbin . Geotermisk energi Denne varmen kommer fra jordens dyp eller fra bestemte steder som Island. Solenergi Den brukes enten i termodynamiske planter , der vanndampen som skal turbineres produseres i solkjeler, eller i solcelleanlegg som består av et mangfold av paneler . Hydraulisk energi Ved vannkraftverk , styrken av den strøm av elver (run-of-elv kraftverk ), foss ( demninger , trykkrør ) eller tidevann ( tidevannsanlegg er) brukes til å drive turbinen som driver generatoren.. Vindkraft Vindens kraft gjør det mulig å kjøre en generator direkte.I 1878 ble det i Europa bygget et 7 kW hydraulisk kraftverk i St. Moritz .
Den første kraftstasjonen i USA, Pearl Street Station , gikk i drift den4. september 1882av Thomas Edison på nedre Manhattan , som driver elektrisk belysning for New York Times- kontorene og andre bygninger rundt Wall Street . Kraftstasjonen som leverer bare likestrøm, kan effektivt levere bare et lite geografisk område. Den første generatoren, kalt "Jumbo", er mye mindre effektiv enn i dag: den har et utbytte på 3 til 4 % av energien til kullet som brukes. Noen år senere så Edison imidlertid interessen for kraftvarmeproduksjon ved å bruke overflødig varme produsert av den elektriske generatoren til å varme opp bygninger.
Tidlig XX th århundre, alle moderne kraftverk bruke maskiner overoppheting flere utvidelser, forbindelsen generelt og med en kapasitet på 1000 til 10.000 hester . Fra 1500 til 2000 hestekrefter brukes den tredobbelte utvidelsen, noen ganger den firdoble utvidelsen, i et ganske stort antall tilfeller. Plassering av kraftverk er valgt i nærheten av jernbanen som leverer drivstoff og nærheten til vassdraget, som er nødvendig for tilførsel av kjeler og for kjøling av kondensatoren . Størrelsen på maskinene og den høye vekten til de forskjellige komponentene deres blir en skikkelig plage for store kraftverk, som ofte er små steder og hvor land er dyrt. Det er dette som gradvis fører til bruk av dampturbiner . For det første eksisterer de to systemene sammen.
Oppfinnelsen av den moderne dampturbinen i 1884 av Sir Charles Parsons gjorde billig og rikelig med strøm tilgjengelig, og revolusjonerte skipsfarten og marinen. Den har forrang fremfor dampmotoren , som blir tronet. Den første modellen er koblet til en dynamo som genererer 7,5 kW ( 10 hk ) strøm. Den komplette demonstrasjonen av turbinens effektivitet utføres i Erbelfeld , Tyskland, med en 1000 kW enhet . Lisensen hans ble patentert, og turbinen ble forbedret kort tid etter av George Westinghouse . Kraften til Parsons turbiner viser seg også skalerbar i stor skala. Parsons har tilfredsheten med å se oppfinnelsen hans adoptert av alle større kraftverk i verden, og størrelsen på generatorene har vokst siden den første, fra 7,5 kW til enheter med 50000 kW kapasitet. I løpet av Parsons levetid multipliseres produksjonskapasiteten til en enhet med rundt 10 000. Det allerede meget forseggjorte teoretiske og vitenskapelige grunnlaget forklarer utviklingen av turbinen, i motsetning til hva som skjedde for dampmotoren.
Tilbake til målestokk , en omvendt fremtredende prosess (fremhevet av Thomas Parke Hughes ), er drivkraften bak innovasjon fra 1890-årene. Produksjon og transport av elektrisitet krever mobilisering av store og økende mengder kapital for ellers å gi en ikke- lagringsbar god. Det er åpenbare fordeler med å konsentrere elektrisk kraft. Niagara Falls Power Companys forretningsinnsats på Niagara River , finansiert av bemerkelsesverdige forretningsmenn som JP Morgan , John Jacob Astor IV , Lord Rothschild og WK Vanderbilt , er å forutsi at den nåværende produserte ikke bare vil bli brukt til ' belysning av byen av Buffalo , men også for å gi elektromotivkraft til næringer som etablerer seg i nærheten av anlegget. Den internasjonale Niagara-kommisjonen i 1891, ledet av Edward Dean Adams og ledet av Lord Kelvin , anskaffet i vekselstrøm, påla Westinghouse som eneste samtalepartner. Buffalo fikk vekselstrøm i 1896, og elektrometallurgiske og elektrokjemiske virksomheter ble virkelig etablert i Niagara Falls , som Alcoa . Antallet elektriske motorer var 16.900 i 1899, og 388.000 i 1909, hvorav halvparten kjørte på vekselstrøm .
Seks år etter den første sentrale Edison, arbeidet med AC på Nikola Tesla pleide å føre elektrisk strøm til mye større avstand enn likestrøm gjennom generator og transformator og kraftledninger , for å begrense antall nødvendige kraftstasjoner, men også til reduser ohmsk ledningstap mens du bruker mindre kobber enn med en lavspent ledning
I Frankrike fortsatte EDF- produksjonsenheter å øke kraften: 125 MW for enheter bestilt i 1955; 250 MW for enheter bestilt i 1961; 250 MW for enheter bestilt i 1968; 700 MW (konvensjonell termisk) og 900 MW (atomvarme) for enhetene under bygging i 1972. Kondensatoren for en termisk enhet på 700 MW er konstruert for en strøm på 17 m 3 / s , den for et atomkraftverk på 900 MW , for en strømningshastighet på 40 m 3 / s (åpen krets), er det bare store elver (Rhinen, Rhône, Seine og Loire) eller sjøkysten som har plass til kraftverk med åpen kraftkrets (c ' dvs. uten atmosfærisk kjølemiddel).
Produksjonens høysentraliserte natur og avhengighet av THT-strømnettet gjør dem sårbare for enhver hendelse .
Primære fossile brenslerDe viktigste ulempene med fossile energikilder er at de er exhaustible, produserer karbondioksyd , en av de viktigste drivhusgassene, og føre luft forurensing (syreforurensning spesielt).
En EØS-rapport fra 2008 , basert på en sammenligning mellom kraftverk EU-25 som har implementert 'god praksis' og andre, viser at det fortsatt er betydelig potensial for å redusere utslipp. Av SO 2og NO x, hvis alle planter brukte beste tilgjengelige teknikker (BAT).
Det er planlagt en studie for EU På effekten av anvendelsen av direktivet LCP (in) og nye utslippsgrenseverdier (ELV) som er beregnet på 70% reduksjon i SO 2og NO x( IPPC-direktivet ). Andre studier fokuserer på muligheten for å fange CO 2 produktet og lagre det under bakken (i gamle utarmede hydrokarbonfelt eller i saltvannsanlegg), men disse løsningene er fremdeles på forsøksstadiet og forbruker energi.
Disse kraftstasjonene induserer avhengighet av produsenter av ressurser (gass, olje, kull, etc.).
Energiproduksjon er uavhengig av værforhold, energikilden kan (til en viss grad) lett lagres og anleggskraften til anleggene kan være veldig høy.
De gjør at kraftvarmeproduksjon kan utføres når et betydelig behov for varme (tettsteder, kjemisk industri, drivhus, etc.) ligger i nærheten av termisk kraftstasjon.
Den sentrale varmen inkluderer:
Med unntak av kraftverk med forbrenningsturbiner og de med forbrenningsmotorer, bruker termiske kraftverk en dampsyklus.
Prinsipp for dampsyklusenI en dampgenerator (også kalt en kjele) fordampes og overopphetes trykkvann. Deretter blir hun lagt inn i en dampturbin hvor hun er avslappet. Under denne utvidelsen omdannes energien i dampen til mekanisk energi og driver rotoren til turbinen koblet til dynamoen i rotasjon. Den ekspanderte dampen føres deretter inn i en kondensator der vannet finnes i væskefasen. Dette vannet blir deretter returnert til kjelen ved hjelp av matpumper og starter på nytt for en ny syklus.
I praksis og for å forbedre den termodynamiske effektiviteten består dampturbinen av 2 (eller til og med 3) legemer: ved utløpet av det første legemet (kalt HP, for høyt trykk) blir dampen returnert til kjelen der den blir overopphetet før for å forsyne den andre kroppen (MP: middels trykk).
Konvensjonelle termiske kraftstasjonerDe vanligste kraftverkene består av en kjele og en dampturbin ( Rankine-syklus ). Drivstoffet deres er oftest kull, men det er også kjeler som bruker biomasse , naturgass , petroleum , fyringsolje eller kommunalt avfall .
De fleste kullkraftverk er av typen "pulverisert kull", hvor kullet reduseres til et veldig fint pulver i knusere og injiseres i ovnen. De siste anleggene har en superkritisk dampsyklus , som gir en effektivitet som overstiger 45%.
Noen nylige kullkraftverk inkluderer sirkulerende fluidiserte kjeler . Prinsippet for kjelen sirkulerende hvirvelsjikt er å brenne kull finknust med tillegg av aggregater kalksten eller sand i suspensjon i luft, ved en temperatur på 800- til 900 ° C . Sengen sirkulerer i en løkke til fullstendig forbrenning av kullet. Den moderate temperaturen forhindrer dannelsen av nitrogenoksider, og tilstedeværelsen av kalkstein tillater avsvovling av røykene. Det skilles mellom atmosfæriske kjeler med fluidisert seng og kjeler med fluidisert seng under trykk.
Nukleært senterKjernekraftverk bruker også termodynamiske konverteringssykluser: i atomreaktoren er energien oppnådd som et resultat av reaksjonen av fisjon av uran og plutonium kilden til den brukte varmen . En primær krets avkjøler reaktoren og overfører varmen som frigjøres til en dampgenerator (kjele) som produserer vanndampen som tilfører dampturbinen, som i et konvensjonelt termisk kraftverk. For tiden produserer atomkraftverk rundt 15% av verdens elektrisitet. De avgir ikke karbondioksid (CO 2) i motsetning til konvensjonelle flammekraftverk, men de genererer radioaktivt avfall , som må være inneholdt , og risikoen for ulykker, som i enhver virksomhet, kan ikke utelukkes. Sannsynligheten for at en slik ulykke inntreffer på moderne kraftverk er gjenstand for debatt .
Termodynamiske solenergianlegg PrinsippDet er tre hovedtyper av termodynamisk solkraftverk :
Den solvarme tårnet plante konsentrerer solenergi ved hjelp av rekker av speil som er anordnet i en bue av en sirkel som vender mot banen til Sun , som reflektere solstrålene ved et enkelt punkt, er fokus . For at fokuset ikke endrer posisjon under stjernens utvikling, kan speilene justeres og styres av et sentralisert system. I denne peisen fungerer en kjele som inneholder en væske som energisamler.
Det parabolske speilplanten bruker buede speil mot sør (på den nordlige halvkule ), som konsentrerer strålingen på et rør fylt med varmeoverføringsvæske , som dermed varmes opp. Denne væsken er vanligvis en olje, smeltede salter eller vann som, overopphetet av termisk solenergi , føres til en dampturbin .
Den solenergi peis bruker solenergi energi til å varme opp luften i et stort drivhus. Den oppvarmede luften, lettere, stiger i en skorstein der den setter i gang turbiner.
Hindringer, feil eller ulemperDet vesentlige problem med denne type av kraftverket er at solenergi er i forholdsvis liten mengde i et gitt punkt på jorden ( solkonstanten på 340 W / m 2 i gjennomsnitt), og at den bare bruker utstrålt varme. ( Infrarød stråling ). Effekttettheten er lav, men mye høyere enn for solceller.
I tillegg er produksjonen intermitterende (daglig dag / natt og sesongmessig intermittens) og lokalt uforutsigbar på mellomlang sikt (meteorologisk fare). For å redusere dag / natt intermittens, eller til og med tillate produksjon 24 timer i døgnet, er de mest moderne kraftstasjonene (som Andasol i Spania) utstyrt med tanker for lagring av varm smeltet salt. Varmelagringen kan også gjøres gjennom materialer med høy brennende kapasitet, for eksempel bergarter av vulkansk type som blir brakt til veldig høy temperatur.
Geotermiske kraftverk PrinsippJorden er sammensatt av en skorpe, plassert på en kappe av smeltet stein. Prinsippet med geotermisk energi består i å grave et hull i denne skorpen, sende en varmeoverføringsvæske til bunnen ved hjelp av et rør og gjenvinne denne oppvarmede væsken som stiger gjennom et annet rør. Denne varmen snur turbiner som driver generatorer . Denne energien er vanlig bruk på Island der den er enkel å bruke.
Hindringer, feil eller ulemperInvestorer forlater derfor geologer for øyeblikket for å lete etter områder med gunstige egenskaper før de starter denne typen prosjekter.
Den gassturbin enkel syklus er rimelig å bygge, jo mer de har den fordel å starte meget raskt (i motsetning til konvensjonelle dampkraftverk som har en viss treghet). Imidlertid begrenser deres lave effektivitet (i beste fall 35%, uten å verdsette restvarmen) bruken av dem til produksjon av elektrisitet, bortsett fra som en sikkerhetskopi under høyeste etterspørsel eller i svært liten skala, eller til og med i oljeproduserende land. eller gass.
Kombinert syklusDen kombinerte syklusen består i å gjenvinne den termiske energien til de veldig varme gassene ved eksos fra forbrenningsturbinen (nå over 600 ° C ), for å produsere, i en gjenvinningskjele, vanndamp som brukes til å levere drivstoff. . Denne løsningen tillater en betydelig økning i anleggets samlede energieffektivitet og når 50 til 60% . Generelt omfatter denne typen anlegg to generatorer, den ene drives av forbrenningsturbinen, den andre av dampturbinen. Denne løsningen gjør det mulig fra fullstendig stopp å raskt starte forbrenningsturbinen, idet dampturbinen har en lengre starttid; denne ordningen har den ulempen at den er mer klumpete enn løsningen med en enkelt generator der de to turbinene er montert på samme linje av sjakter. Dampturbinens kraft er omtrent 50% av forbrenningsturbinens kraft, kraftverksbyggere har installert to forbrenningsturbiner på noen steder, hver som driver en dynamo, og en dampturbin drevet av de to kjelene og driver en tredje dynamo identisk til de to andre.
KraftvarmeproduksjonNår det gjelder en dampturbin som driver en elektrisitetsgenerator, øker ikke kraftvarme (eller trigenerasjon ) den elektriske effektiviteten, men sender bare de varme gassene ved utløpet av turbinen til en industriell prosess som forbruker varme. Eller en gjenvinningskjel som produserer damp brukt i en industriell prosess. Effektiviteten som oppnås er en samlet effektivitet: elektrisk effektivitet pluss varmeoverføringseffektivitet. Hovedmålet er ofte den industrielle prosessen, hvor produksjonen av elektrisitet er underlagt behovet for varme.
Noen kraftverk bruker dieselmotorer til å kjøre generatorene. Dette er spesielt tilfelle med kraftverkene Vazzio og Lucciana på Korsika .
Midlertidige kraftverk, som består av installasjon av industrielle og synkroniserte generatorer, kan settes opp om noen få uker eller til og med noen få dager for av og til å kompensere for mangel på produksjonsressurser eller kutt på ledninger.
Den vannkraft har lenge vært en oppløsning som anvendes i kraftgenerering (også kalt hydro ), som bruker fornybar energi.
Ved en innsnevring av bredden av et vassdrag blir det oppført en demning som skaper et vannmagasin. Ved foten av denne dammen, eller til og med lavere, ved bruk av penstock , er det installert turbiner koblet til generatorer . Turbinene leveres med trykkvann gjennom et rørsystem og strømningsregulatorer.
Det er forskjellige typer vannkraftverk, spesielt mikrokraftverk , installert på elver på toppen av bassenget, noen med sterk økologisk innvirkning.
Det er også vannkraftanlegg med pumpelagring som gjør det mulig å akkumulere energi fra andre ufleksible produksjonssteder (for eksempel kjernekraftverk) eller intermitterende (vind- eller solproduksjon) når forbruket er lavt, for gjenoppretting under toppforbruk.
Vann fra hav og hav kan også brukes til å generere elektrisitet.
Fire hovedformer av marin energi eksisterer:
I et vindkraftanlegg , er den elektriske energi som produseres direkte ved vindgeneratorer . Disse maskinene består av en mast, som er installert på en elektrisk generator drevet av en propell , de er ideelt plassert på vannmasser eller blåsende åser. Generatoren forvandler denne mekaniske energien til elektrisk energi.
De viktigste feilene i vindturbiner er:
Denne metoden for å produsere elektrisitet med solenergi bruker lysstråler fra solen, som transformeres direkte til en elektrisk strøm av celler basert på silisium eller annet materiale med lys / elektrisitetsomdannelsesegenskaper. Hver celle som leverer en lav spenning, blir cellene samlet i paneler.
Selv om dette systemet er av lav effektivitet, er det veldig enkelt å implementere og spesielt lett. Oppfunnet for behovene til kunstige militære satellitter, blir den nå mye brukt til lokal eller ombordproduksjon. Dette middelet kan brukes som et produksjonsmiddel på individnivå. I et enfamiliehus produserer 20 m 2 paneler i løpet av et år det en husholdning på fire personer bruker. De anbefales i byggingen av såkalte "autonome" eller "passive" hus.
Av solcellepaneler plassert ombord på skip, landbiler, satellitter og romfartøy, støttet av et lagringsbatteri . Disse akkumulatorene gir energi i tider med ingen eller lav produksjon av panelene og lagrer overflødig strøm i tider med høy produksjon.
Solkraftanleggsprosjekter i rommet eksisterer. Men i tillegg til problemet med å transportere strøm på jorden, ville det først være nødvendig å transportere og montere tusenvis av tonn utstyr i bane, for ikke å nevne vedlikeholdsproblemene forårsaket av et slikt system.
I et enebolig er det to bekymringer:
“Dette nye dieselkraftverket på 220 MW vil bli utstyrt med 12 motorer på 18,3 MW . "