En termisk kraftstasjon er en elektrisk kraftstasjon som opererer fra en varmekilde i henhold til prinsippet om termiske maskiner . Denne transformasjonen skjer enten direkte, for eksempel ved utvidelse av forbrenningsgassene, eller indirekte, via en vanndamp-syklus. Anleggene til kraftvarmeproduksjon bruker også en del av spillvarmen til andre bruksområder, for eksempel oppvarmingsnett .
Opprinnelsen til denne varmekilden avhenger av typen termisk kraftverk:
Termiske kraftverk er bygget rundt en termisk maskin som driver en generator som produserer elektrisk energi. Disse termiske motorene kan være forbrenning ( dampturbiner , dampmaskiner ) eller forbrenning ( dieselmotor , forbrenningsturbin ). En dampturbin og en forbrenningsturbin kan eksistere samtidig i et kraftverk med kombinert syklus for å forbedre total effektivitet . Utbyttet kan forbedres ytterligere ved en kraftvarmeproduksjon eller trigenerasjonsprosess .
Hjertet i en forbrenningsturbinmotor som antenner drivstoffet (gass, væske eller fast fluidisert ) forårsaker utvidelse av inntaksluften. I utvidelsen får dette turbinhjulene til å rotere, som igjen driver en koblet generator . Til slutt transformerer generatoren turbinens mekaniske energi til elektrisk energi .
Driften av et dampturbinkraftverk er lik, arbeidsfluidet er vanndamp i stedet for luft. Den varme kilden ( kjernefysisk fisjon , kull, forbrenning osv.) Varmer opp vann (direkte eller indirekte), som skifter fra flytende tilstand til damptilstand . Dampen som dermed produseres, slippes inn i turbinen, som driver en generator.
Ved utløpet av turbinen kondenseres dampen i en kondensator som tilføres fra en kald kilde ( sjøvann , ferskvann , osv.) Og finnes i flytende tilstand. Det kondensat som oppnås til slutt returneres til vanntilførselssystemet for en ny syklus fordampning.
Hovedkomponentene i et termisk kraftverk er:
Det forenklede driftsprinsippet er som følger:
I praksis er operasjonen litt mer kompleks fordi flere enheter leveres for å forbedre effektiviteten. For eksempel :
Den CHP er i fellesskap å produsere elektrisitet og varme for en industriell prosess eller fjernvarme , for å forbedre den totale effektiviteten av et varmekraftverk. For å gjøre dette gjenvinner varmevekslere en del av den dødelige energien fra de brente gassene eller fra kjølevannet for å forbedre effektiviteten til enheten.
Termiske kraftverk faller inn i flere kategorier, avhengig av arten til varmekilden:
I denne typen flammeverk brennes drivstoffet i en kjele , varmen som frigjøres, produserer trykkdamp som driver dampturbinen .
KullkraftverkKullfyrte kraftverk som er mest utbredt i verden, spesielt i land med store kullreserver ( India , Kina , USA , Tyskland , osv ).
De leverte fortsatt rundt 40% av den globale elektrisitetsproduksjonen i 2016, men kullkraftverkstarter falt med 62% i 2016 til 65 GW , og antall kunngjørte og lisensierte prosjekter falt. 48% mellom tidlig 2016 og tidlig 2017, til 569 GW . Imidlertid fortsatte den installerte kapasiteten å vokse i 2016, med 1.964 GW , eller + 3%; kraften til anlegg ferdigstilt i løpet av året er fortsatt tre ganger større enn kraften til lukkede anlegg, som likevel nådde et rekordnivå. Frosne prosjekter som avventer politiske eller økonomiske beslutninger nådde 607 GW .
For første gang falt den globale kapasiteten til kullkraftverk litt i første halvdel av 2020: -3 GW av en total flåte på 2047 GW , ifølge rapporten publisert av Global Energy Monitor. Stengningene utgjorde 21 GW , inkludert 8 GW i Europa og 5 GW i USA; åpningene nådde 18 GW , inkludert 11 GW i Kina og 1,8 GW i Japan. I løpet av de siste to tiårene har den globale kapasiteten vokst med en gjennomsnittlig hastighet på 25 GW per semester. Kina konsentrerer nesten halvparten av kraftprosjektene (over 250 GW ), etterfulgt av India (65 GW ), Tyrkia og Indonesia. Totalt er 190 GW kullkraftverk under bygging over hele verden, og ytterligere 332 GW er planlagt.
Noen titalls MW i midten XX th -tallet, økte sin enhet kapasitet raskt å nå overstige 1000 MW . Sammen med veksten av enhetseffekten, har effektiviteten blitt forbedret ved å øke trykket og temperaturen på dampen som brukes. Fra de vanlige verdier på 180 bar og 540 ° C, som ble påtruffet i 1970, overkritiske verdier på over 250 bar og 600 ° C, er nå nådd .
De har dermed klart å opprettholde en viss konkurranseevne sammenlignet med andre typer kraftverk.
Flere enheter reduserer forurensende utslipp. Støvet ( sotet ) i røykene fanges opp av elektrostatiske utfellere (eller i noen land, av posefiltre ), svoveloksider (SO 2, SO 3) er fanget i avsvovlingsenheter (FGDs på engelsk: " flue gas desulfurization " ) som gjør verdsettelsen av flyveaske mindre vanskelig for byggingeniør og nylig har det dukket opp utstyr som eliminerer nitrogenoksider (NOx) (SCR) på engelsk: " selective katalytisk reduksjon " ).
Den pågående utviklingen gjelder CO 2 -fangsti termiske kraftstasjoner. Det er faktisk produksjon av elektrisitet fra kull som er den viktigste utslipp av klimagasser i verden. Flere teknologier studeres parallelt:
Alle disse teknikkene har den ulempen at de bruker mye energi og derfor reduserer nettoutbyttet med rundt ti poeng .
I Frankrike utvinnes kull siden 2004 ikke lenger fra gruver, men importert kull brukes fortsatt til produksjon av termisk elektrisitet i toppperioder. I 2016, med 7,3 TWh , representerte den 1,4% av produsert elektrisitet i Frankrike og rundt 13% av elektrisitet av ikke-kjernefysisk termisk opprinnelse.
Miljø- og helseeffekterKullfyrte kraftverk er fremdeles de primære kilder av drivhusgasser , bakkenært ozon forløper-gasser og sot produksjon, særlig i Kina og USA. Ifølge en undersøkelse forårsaket kullkraftverk i de 20 viktigste landene i EU 23.000 for tidlige dødsfall i Europa i 2013, inkludert 1380 i Frankrike; Franske kullkraftverk sies å ha forårsaket 390 for tidlige dødsfall i Europa, inkludert 50 i Frankrike.
For eksempel, ifølge Environmental Protection Agency , er de ansvarlige for 28% nikkel , 62% arsen , 13% NOx , 77% syrer , 60% SO 2- baserte forsurende aerosoler. , 50% av kvikksølv og 22% av krom som finnes i luftmassene i USA (som deretter driver mot Europa over Atlanterhavet ). I disse industrielt avanserte landene har kullkraftverk , i forhold til medisinsk husholdningsavfall og husholdningsavfall , minst forbedret sin totale ytelse når det gjelder utslipp av kvikksølv i luften; deres utslipp per tonn brent kull har redusert med bare 10% i USA på 15 år (fra 1990 til 2005), mens kvikksølvutslipp fra medisinsk avfallsforbrenning i mellomtiden har redusert med 98% og de fra avfallsforbrenningsanlegg med 96%.
Kjøle- eller avløpsvannet kan inneholde klor- eller brombaserte biocider og er ofte også en kilde til oppvarming av overflatevann ( termisk forurensning , som kan påvirke liv og visse vannbalanser. Flyveaske fra kullforurenser, nedbryter monumenter og kan inneholde radionuklider som slippes ut i luften eller via rester.
Sentralt i aktiv kull i G7 kan koste verden $ 450 milliarder dollar per år innen utgangen av XXI th århundre, i henhold til NGO Oxfam . G7s bidrag til den globale oppvarmingen vil koste Afrika mer enn 43 milliarder dollar per år i 2080-årene og 84 milliarder dollar innen 2100. «Hvert kullkraftverk kan betraktes som et våpen for klimadestruksjon som intensiverer skiftende værforhold med katastrofale konsekvenser for avlinger, øker matvareprisene og til slutt øker antallet sultne mennesker ” .
Noen få land som er veldig avhengige av kull har startet en utgang fra denne energikilden, inkludert for eksempel Frankrike, Storbritannia, Italia og nylig Tyskland og Chile. Sistnevnte, som var å være vert slutten av 2019 den 25 th FN-konferansen om klimaendring (COP25), kunngjorde i april 2019 ikke lenger ønsker å bygge noen kullkraftverk, og i juni 2019 vil stenge i løpet av fem år, åtte av sine 28 kullkraftverk. Disse åtte anleggene representerer 20% av landets energikapasitet; deres nedleggelse vil redusere CO 2 -utslippelsektoren fra 30 Mt / år (millioner tonn per år) til 4 Mt / år ; kullkraftverk utgjør totalt 5 500 megawatt og produserer 40% av landets elektrisitet. Den chilenske energiplanen tar sikte på 100% elektrisitet fra fornybare kilder innen 2040. President Sebastián Piñera spesifiserte imidlertid at landet ville holde disse anleggene i ”strategisk reserve”.
Redusert forurensning kullkraftverkSirkulerende kjeler med fluidisert seng har blitt utviklet siden 1980. Deres mye lavere ildtemperatur ( 850 ° C ) reduserer dannelsen av nitrogenoksid (NO x ), og kalkstein som legges til sengen reagerer med nitrogenoksider . Produksjonen av damp er derfor mindre forurensende, og vi møter begrepet "rent kull" for å karakterisere dem. Imidlertid tillater deres nåværende størrelse (300 til 400 MW ) dem ikke å konkurrere med konvensjonelle kjeler med høy effekt.
Mer nylig har teknologien til høyeffektive kullkraftverk, kjent som "superkritisk", utviklet seg der vann blir utsatt for en temperatur og et trykk slik at det går direkte fra en væske til en gassform: gevinsteffektiviteten til denne operasjonen reduserer drivstoffkravene, og dermed utslipp til atmosfæren av CO 2relatert til forbrenning av kull. Jo mer temperaturen og trykket øker, jo mer er gevinsten når det gjelder effektivitet viktig, samt reduksjon av miljøpåvirkningen. Et anlegg sies å være ”superkritisk” når temperaturen overstiger 565 grader og trykket overstiger 250 bar. Over 300 barer og 585 ° C sies anlegget å være "super-superkritisk" og gjør det mulig å redusere drivstoffet som brukes med rundt 20%, og dermed med 20% karbonutslipp (CO 2), men også for å dele utslipp av nitrogenoksid (NO x ) med syv og svoveloksidutslipp (SO x ) med mer enn ti . For eksempel bestilte EDF og elektrikeren China Datang Corporation (CDT) i 2016 det første høyeffektive kullkraftverket som drives av EDF. Den anvendte teknologien gir en effektivitet på nesten 44% (sammenlignet med 35% for et konvensjonelt kullkraftverk), samt redusert miljøpåvirkning: 800 g / kWh CO 2 -utslippmot 900 g / kWh for et konvensjonelt kullkraftverk; 100 mg / Nm 3 av NO x og SO x utslipp , sammenlignet med henholdsvis 720 mg / Nm 3 og 1.300 mg / Nm 3 for et kullkraftverk uten røykgassbehandling.
Fremtiden for kullkraftverk i EuropaAndelen kull og brunkull i EUs elektrisitetsproduksjon falt med 21% mellom 1990 og 2014, eller 1% per år, ifølge tall fra European Environment Agency .
I 2016 ble 16 kullkraftverk stengt i Europa, inkludert den siste belgiske kraftstasjonen, noe som gjorde Belgia til det første landet i Europa som faset ut kull. Imidlertid er 293 kraftstasjoner fortsatt i drift, selv om nesten 80% ikke lenger er lønnsomme.
I 2017 har Frankrike fremdeles fire kullkraftverk, inkludert fem produksjonsenheter. Oppgivelsen av kull skal skje i 2022. Emmanuel Macron erklærer: "innen slutten av femårsperioden vil jeg ha stengt alt kull- avfyrte kraftstasjoner. " . Et interministerielt oppdrag er ansvarlig for å utarbeide denne fristen. Å legge fra seg kull vil imidlertid ikke være lett fordi disse fire termiske kraftstasjonene spiller en viktig rolle i å overvinne vintertoppene i Frankrike og sysselsetter mer enn tusen mennesker.
Eksperter fra Climate Analytics (in) påpeker at to land, Tyskland og Polen , har 51% av installert kapasitet og er ansvarlige for 54% av utslippene fra kullanlegg. "Det er en økende forskjell mellom medlemslandene i deres tilnærming til fremtiden for kull," bemerker de og beklager byggingen eller planene for kullkraftverk i noen land som Polen og Hellas .
De 3. november 2017, rundt tretti miljøforeninger lanserer kampanjen " Europe Beyond Coal " for å "akselerere utfasing av kull i hele EU" .
I 2019 produserte gasskraftverk for første gang i Europa mer strøm enn kullkraftverk.
I 2020 stenger Sverige og Østerrike sitt siste anlegg, foran prognosene. EDP , et portugisisk energiselskap, kunngjør sin utgang fra kull i 2021. Spania stenger 7 kraftverk ijuni 2020, halvannet år etter stenging av kullgruvene, for å unngå kostnadene ved tilpasning til europeiske regler, og fire av de åtte gjenværende kraftverkene har søkt om stengingstillatelse.
Nesten 40 kraftverk forventes å stenge de neste årene i Finland , Frankrike , Italia , Nederland , Portugal og Storbritannia , ettersom disse landene har valgt å fase ut kull senest i 2030.
Oljefyrte kraftstasjonerDenne typen anlegg brenner fyringsolje i en dampproduserende fyrkjele, som snur en turbin som driver en generator til å produsere elektrisitet.
Driften er ganske lik den som er beskrevet for kullkraftverk, og de viktigste forskjellene påvirker bare kjelen og dens tilleggsutstyr, disse er spesifikke for flytende drivstoff.
BensinkraftverkI noen naturgassproduserende land er det fortsatt gamle kraftstasjoner som ligner på oljefyrte kraftstasjoner , men bruker gass som drivstoff, i stedet for fyringsolje, for å produsere dampen til turbinen . Driften deres er identisk, men kjelen er spesielt dimensjonert for dette gassformige drivstoffet. Siden 1990-tallet og økningen av forbrenningsturbiner (i enkel eller kombinert syklus ) har denne typen kraftverk blitt knappe til fordel for kraftverk med forbrenningsturbiner, særlig på grunn av bedre effektivitet av disse turbinene i den kombinerte syklusen . Effektiviteten til den kombinerte gasssyklusen til Bouchain termiske kraftstasjon overstiger altså 62%.
BiomassekraftverkI Europa kjører allerede store kraftverk biomasse, noen av dem i 25 år i Skandinavia. Mer nylig, for termisk elektrisitetsproduksjon, erstatter kraftvarmeproduksjon av elektrisitet og varme gradvis rene kraftproduksjonsanlegg. Men i visse land, eller i visse regioner, får energioperatører problemer med denne konverteringen, spesielt på grunn av mangel på infrastruktur som er i stand til å gjenvinne varme fra kraftvarmeproduksjon, for eksempel fjernvarmenett. For å komme videre i energiovergangen til tross for dette, og mens de venter på å gradvis etablere disse infrastrukturene, velger operatører noen ganger å konvertere sine eksisterende termiske produksjonsmidler fra kull til biomasse. Dette var tilfelle på mange steder i Storbritannia, Polen, Nederland eller i regioner som Wallonia eller Provence. Planlagt for driftsperioder på rundt tjue år, tillater de, i denne overgangsperioden, på den ene siden å umiddelbart stoppe bruken av kull, og på den annen side å opprettholde produksjonskapasiteten mens du venter på strømforbruket er bedre kontrollert og annet mer effektivt enheter er på plass, for eksempel kraftvarmeproduksjon eller lagring av periodisk fornybar energi.
Blant de mest bemerkelsesverdige kraftverkene for biomasse er Drax kraftstasjon (4000 MW ) i Storbritannia og Provence termiske kraftstasjon (150 MW ) i Gardanne.
I Frankrike, 31. desember 2020, den installerte kapasiteten til anlegg i bioenergisektoren nådde 2171,5 MW , inkludert 680,3 MW (31,3%) av planter som bruker tre og annet fast biodrivstoff (+ 3,1%). Disse anleggene produserte 9,6 TWh i 2020, eller 2,0% av landets strømproduksjon, inkludert 2,5 TWh for faste biomasseanlegg (tre, etc. ).
I februar 2021 sendte 500 forskere et åpent brev til lederne i USA , EU , Japan og Korea for å advare dem om risikoen for at for mye utvikling av treenergisektoren kunne finne sted. Viser seg å være kontraproduktivt i kampen mot global oppvarming . Forskere oppfordrer regjeringer til å fjerne insentiver som kan oppmuntre drivved , enten det kommer fra deres egne skogressurser eller ikke.
En forbrenningsmotor (ICE) er en type forbrenningsmotor der den termiske energien som avgis av forbrenningen omdannes til mekanisk energi .
ForbrenningsturbinerDenne typen anlegg kan bruke gassformet drivstoff (naturgass, butan , propan , etc. ), men også væsker (fra de mest flyktige som nafta , alkohol, til de mest tyktflytende ( tunge eller gjenværende fyringsoljer eller til og med råolje ) , gjennom parafin eller fyringsolje ).
Den franske terminologien "gassturbin" eller TAG, som resulterer fra bokstavelig oversettelse av det angelsaksiske begrepet gassturbin , kan føre til forvirring. Navnet "forbrenningsturbin", eller TAC, mer nøyaktig, unngår denne tvetydigheten.
Det er to typer kraftverk.
Enkle sykluskraftverk Bestående av en forbrenningsturbin som kjører på flytende eller gassformet drivstoff som driver en generator. De brukes hovedsakelig som toppkraftverk for å sikre tilleggsproduksjon i tilfelle høy punktlig etterspørsel (peak hours). Kombinert syklus kraftverk Deres energieffektivitet forbedres ved tilsetning av en gjenvinningskjel . Dette utnytter den fornuftige restvarmen som finnes i røykene ved forbrenningsturbinens eksos, for å produsere damp som tilfører en dampturbin . Sistnevnte kan i sin tur enten kjøre en andre generator på en annen aksellinje (dette kalles en kombinert syklus "med separate aksellinjer"), eller installeres på samme aksellinje som forbrenningsturbinen. (Dette blir da referert til som en kombinert syklus med en enkelt aksel). Denne siste konfigurasjonen, tilgjengelig fra flere verdensprodusenter, oppnår en effektivitet på 60%. DieselmotorerNoen termiske kraftverk bruker dieselmotorer til å drive generatorene.
I Frankrike er dette tilfelle for områder som ikke er sammenkoblet med det kontinentale storbynettet (elsystemer på Korsika , Guadeloupe , Martinique, Réunion, Mayotte, Ny-Caledonia, etc. ).
I 2018, andelen av sektoren for kraft- og varmeproduksjon i CO 2 -utslipp relatert til energi var 41,7%.
I den europeiske union på 27, drivhusgasser for fremstilling av en kilowattime elektrisitet falt med 45% fra 1990 til 2018, fra 510 g CO 2eq / kWh ved 281 g CO 2eq / kWh i 2018. I følge opprinnelige estimater ville de nå 249 g CO 2eq / kWh i 2019. Utslippene er høye i land der kullsektoren fremdeles er viktig, som Tyskland (406 g / kWh ) eller enda mer Polen (789 g / kWh ) og Estland (900 g / kWh ). kWh ). Omvendt er de mye lavere i land som har utviklet atom- og / eller fornybar energi, som Frankrike (54 g / kWh ) eller Sverige (13 g / kWh ).
I Frankrike representerer elektrisitetsproduksjon rundt 4,8% av de totale CO 2 -utslippenei 2019. Andelen eksklusiv egenforbruk utgjorde 17,1 Mt CO 2i 2020 mot 18,7 Mt i 2019; deres viktigste kilde er naturgass (13,5 Mt ).