Lämpövoimalaitos on sähköinen voimalaitos , joka toimii peräisin lämmön lähteen mukaan periaatetta lämpö- koneita . Tämä muutos tapahtuu joko suoraan laajentamalla palokaasuja tai epäsuorasti esimerkiksi vesi-höyrykierron avulla. Tilat yhteistuotannon käyttöön myös osa hukkalämpö muihin sovelluksiin, kuten lämpöverkkojen .
Tämän lämmönlähteen alkuperä riippuu lämpövoimalan tyypistä:
Lämpövoimaloissa on rakennettu noin terminen koneen ajo generaattori tuottaa sähköenergiaa. Nämä lämpökoneet voivat olla ulkoinen palaminen ( höyryturbiinit , höyrykone ) tai polttomoottorit ( dieselmoottori , polttoturbiini ). Höyryturbiinin ja kaasuturbiinin voi lähekkäin kombi- voimalaitoksen parantaa yleistä tehokkuutta . Saantoa voidaan edelleen parantaa yhteistuotanto- tai trigeneraatioprosessilla .
Sydän kaasuturbiinin moottori , polttoaineen sytyttämiseen (kaasu, neste tai kiinteä aine leijutetaan ) aiheuttaa laajeneminen imuilman. Laajennuksessaan tämä saa turbiinipyörät pyörimään, mikä puolestaan ajaa kytkettyä laturia . Lopuksi laturi muuttaa turbiinin mekaanisen energian sähköenergiaksi .
Höyryturbiinivoimalaitoksen toiminta on samanlaista, jolloin käyttöaine on vesihöyryä ilman sijasta. Kuuma lähde ( ydinfission , hiili, poltto, jne.) Kuumentaa vettä (suoraan tai epäsuorasti), joka muuttuu päässä nestemäisessä tilassa , että höyry tilaan . Näin muodostunut höyry päästetään turbiiniin, joka käyttää vaihtovirtageneraattoria.
Ulostulossa turbiinin, höyry kondensoidaan on lauhduttimessa jota syötetään kylmä lähde ( merelle , makean joki vesi , jne.), Ja sitä esiintyy nestemäisessä tilassa. Saatu kondensaatti palautetaan lopulta vesihuoltojärjestelmään uutta höyrystysjaksoa varten.
Lämpövoimalan pääkomponentit ovat:
Yksinkertaistettu toimintaperiaate on seuraava:
Käytännössä toiminta on hieman monimutkaisempi, koska tehokkuuden parantamiseksi on tarjolla useita laitteita. Esimerkiksi :
CHP on yhdessä tuottaa sähköä ja lämpöä varten teollisen prosessin tai kaukolämmön , jotta voidaan parantaa yleistä tehokkuutta lämpövoimalaitoksen. Tätä varten lämmönvaihtimet palauttavat osan kohtalokkaasta energiasta palaneista kaasuista tai jäähdytysvedestä kokoonpanon tehokkuuden parantamiseksi.
Lämpövoimalaitokset jaetaan useisiin luokkiin niiden lämmönlähteen luonteesta riippuen:
Tämän tyyppisessä liekkilaitoksessa polttoaine poltetaan kattilassa , jolloin vapautuva lämpö tuottaa paineistettua höyryä, joka ajaa höyryturbiinia .
HiilivoimalatHiilivoimaloiden kasvit ovat yleisin maailmassa, erityisesti maissa, joissa suurten hiilivarantoja ( Intia , Kiina , Yhdysvallat , Saksa , jne ).
Ne tuottivat edelleen noin 40% maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta vuonna 2016, mutta kivihiilivoimalaitosten käynnistys laski 62% vuonna 2016 65 GW: iin , ja ilmoitettujen ja lisensoitujen hankkeiden määrä laski. 48% vuoden 2016 alkupuolelta vuoden 2017 alkuun 569: een GW . Asennettu kapasiteetti jatkoi kuitenkin kasvuaan vuonna 2016, 1964 GW eli + 3%; vuoden aikana valmistuneiden laitosten teho on edelleen kolme kertaa suurempi kuin suljettujen laitosten teho, joka kuitenkin saavutti ennätystason. Jäädytetyt hankkeet, jotka odottavat poliittisia tai taloudellisia päätöksiä, saavuttivat 607 GW .
Hiilivoimalaitosten maailmanlaajuinen kapasiteetti laski ensimmäistä kertaa hieman vuoden 2020 ensimmäisellä puoliskolla: −3 GW 2047 GW: n kokonaislaivastosta Global Energy Monitorin julkaiseman raportin mukaan. Lopetukset olivat yhteensä 21 GW , joista 8 GW Euroopassa ja 5 GW Yhdysvalloissa; aukot olivat 18 GW , joista 11 GW Kiinassa ja 1,8 GW Japanissa. Kahden viime vuosikymmenen aikana maailmanlaajuinen kapasiteetti on kasvanut keskimäärin 25 GW lukukaudessa. Kiina keskittää lähes puolet voimalaitoshankkeista (yli 250 GW ), seuraavaksi Intia (65 GW ), Turkki ja Indonesia. Hiilivoimalaitoksia on rakenteilla maailmanlaajuisesti 190 GW ja 332 GW on suunniteltu lisää.
Muutamia kymmeniä megawattia puolivälissä XX : nnen vuosisadan oman yksikön kapasiteetti kasvoi nopeasti nyt yli 1000 MW . Yhden yksikön tehon kasvun ohella niiden tehokkuutta on parannettu nostamalla käytetyn höyryn painetta ja lämpötilaa. Tavallista arvot 180 baaria ja 540 ° C: ssa , joka ilmeni vuonna 1970, ylikriittinen arvot yli 250 baaria ja 600 ° C: ssa on nyt saavutettu .
Ne ovat siten kyenneet säilyttämään tietyn kilpailukyvyn muihin tyyppisiin voimalaitoksiin verrattuna .
Useat laitteet vähentävät saastuttavia päästöjään. Höyryissä oleva pöly ( noki ) siepataan sähköstaattisilla suodattimilla (tai joissakin maissa pussisuodattimilla ), rikkioksidilla (SO 2), SO 3) ovat loukussa rikinpoistoyksiköissä (FGD: t englanniksi: " savukaasujen rikinpoisto " ), jotka tekevät lentotuhkan talteenoton vähemmän hankalaksi maa- ja vesirakennustekniikassa, ja viime aikoina on ilmestynyt laitteita, jotka poistavat typpioksidit (NOx) (SCR) englanniksi: " valikoiva katalyyttinen pelkistys " ).
Jatkuva kehitys huolenaihe CO 2 talteenottolämpövoimaloissa. Sähköntuotanto hiilestä on todellakin kasvihuonekaasupäästöjä maailmassa. Useita tekniikoita tutkitaan rinnakkain:
Kaikkien näiden tekniikoiden haittana on, että ne kuluttavat paljon energiaa ja vähentävät siten nettotuottoa noin kymmenellä prosentilla .
Ranskassa hiiltä ei enää oteta kaivoksista vuodesta 2004, mutta tuontihiiltä käytetään silti lämpösähkön tuottamiseen ruuhka-aikoina. Vuonna 2016 se oli 7,3 TWh: lla 1,4 prosenttia Ranskassa tuotetusta sähköstä ja noin 13 prosenttia muusta kuin ydinvoimalasta peräisin olevasta sähköstä.
Ympäristö- ja terveysvaikutuksetHiilivoimaloita voimalaitosten pysyvät primäärienergian kasvihuone- kaasupäästöjä , alailmakehän otsonia muodostavia kaasuja ja nokea tuotanto, erityisesti Kiinassa ja Yhdysvalloissa. Tutkimuksen mukaan kivihiilivoimalat Euroopan unionin 20 tärkeimmässä maassa aiheuttivat vuonna 2013 Euroopassa 23 000 ennenaikaista kuolemaa, mukaan lukien 1380 Ranskassa; Ranskan hiilivoimaloiden sanotaan aiheuttaneen 390 ennenaikaista kuolemaa Euroopassa, joista 50 Ranskassa.
Esimerkiksi ympäristönsuojeluviraston mukaan niiden osuus on 28% nikkelistä , 62% arseenista , 13% NOx: sta , 77% hapoista , 60% SO 2- pohjaisista happamoitavista aerosoleista. , 50% elohopeasta ja 22% kromista, joka löytyy Yhdysvaltojen ilmamassasta (joka sitten ajautuu kohti Eurooppaa Atlantin valtameren yli ). Näissä teollisesti edistyneissä maissa lääketieteen ja kotitalousjätteen polttolaitoksiin verrattuna hiilivoimalaitokset ovat parantaneet vähiten niiden yleistä suorituskykyä ilman elohopeapäästöjen suhteen ; niiden päästöt polttotonnia kohti ovat laskeneet Yhdysvalloissa vain 10 prosenttia 15 vuoden aikana (vuodesta 1990 vuoteen 2005), kun taas lääketieteellisen jätteen polttolaitosten elohopeapäästöt ovat vähentyneet 98 prosenttia ja jätteenpolttolaitokset 96 prosenttia.
Niiden jäähdytys tai jäteveden voi sisältää klooria tai bromia, joka perustuu biosidien ja ovat usein myös lähde pinta veden lämmitys ( lämmön aiheuttama saastuminen , joka voi vaikuttaa elämään ja tiettyjen vedessä tasapainoa. Lentotuhka , hiilen saastuttaa, hajoavat monumentteja ja voivat sisältää radionuklideja vapautuu ilmassa tai jäämien kautta.
Keski aktiiviseen hiilen G7 voi maksaa maailman $ 450 miljardiin euroon vuodessa vuoteen loppuun mennessä XXI : nnen vuosisadan kansalaisjärjestön mukaan Oxfam . G7: n vaikutusta ilmaston lämpenemiseen maksaa pelkästään Afrikassa yli $ 43 miljardia euroa vuodessa vuoteen 2080-luvulla ja $ 84 miljardia vuoteen 2100 mennessä ”Jokainen hiilivoimalan kasvi voidaan pitää aseena ilmastonmuutoksen tuhon voimistuu vaihtelevissa sääolosuhteissa tuhoisin seurauksia viljelykasveille, nostaa elintarvikkeiden hintoja ja viime kädessä lisää nälkäisten määrää ” .
Muutama kivihiilestä hyvin riippuvainen maa on aloittanut poistumisen tästä energialähteestä, esimerkiksi Ranska, Iso-Britannia, Italia ja viime aikoina Saksa ja Chile. Jälkimmäinen, joka oli isäntä loppuun 2019 25 : nnen YK ilmastokokouksessa (COP25), ilmoitti huhtikuussa 2019 enää halua rakentaa mitään kivihiilen kasvi, ja kesäkuussa 2019 suljetaan viiden vuoden kuluessa, kahdeksan sen 28 hiilivoimalat. Nämä kahdeksan laitosta edustavat 20 prosenttia maan energiakapasiteetista; niiden sulkeminen vähentää CO 2 -päästöjäsähköala 30 miljoonasta tonnista vuodessa (miljoonaa tonnia vuodessa) 4 miljoonaan tonniin vuodessa ; kivihiilivoimalat ovat yhteensä 5500 megawattia ja tuottavat 40% maan sähköstä. Chilen energiasuunnitelman tavoitteena on tuottaa kokonaan uusiutuvista lähteistä peräisin olevaa sähköä vuoteen 2040 mennessä. Presidentti Sebastián Piñera tarkensi kuitenkin, että maa pitää nämä laitokset "strategisessa varannossa".
Vähentynyt pilaantuminen hiilivoimaloissaKiertävä leijukerros kattilat on kehitetty vuodesta 1980 lähtien Niiden paljon pienempi tulisija lämpötila ( 850 ° C ) pienenee muodostumisen typpioksidin (NO x ), ja kalkkikiveä lisättiin sängyssä reagoi typen oksideja. Rikki. Siksi höyryn tuotanto on vähemmän saastuttavaa, ja me karakterisoimme termin "puhdas hiili" . Nykyinen koko (300–400 MW ) ei kuitenkaan salli heidän kilpailla perinteisten suuritehoisten kattiloiden kanssa.
Viime aikoina on kehitetty "ylikriittisiksi" tunnettujen korkean hyötysuhteen kivihiilivoimalaitosten tekniikka, jossa vedelle altistetaan lämpötila ja paine siten, että se siirtyy suoraan nestemäisestä kaasumaiseen tilaan: tämän hyötysuhde paranee toiminta vähentää polttoaineen vaatimukset, ja näin ollen ilmakehään CO 2liittyvät hiilen palamiseen. Mitä enemmän lämpötila ja paine nousee, sitä suurempi hyötysuhde kasvaa ja ympäristövaikutukset vähenevät. Laitoksen sanotaan olevan "ylikriittinen", kun lämpötila ylittää 565 astetta ja paine ylittää 250 baaria. Yli 300 baarin ja 585 ° C: n lämpötilan laitoksen sanotaan olevan "erittäin ylikriittinen" ja sen avulla voidaan vähentää käytettyä polttoainetta noin 20% ja siten 20%: n hiilipäästöillä (CO 2), mutta myös jakaa typpioksidipäästöt (NO x ) seitsemällä ja rikkioksidipäästöt (SO x ) yli kymmenellä . Esimerkiksi EDF ja sähköasentaja China Datang Corporation (CDT) tilasivat vuonna 2016 ensimmäisen EDF: n ylläpitämän tehokkaan hiilivoimalan. Käytetty tekniikka tarjoaa hyötysuhde on lähes 44% (verrattuna 35% tavanomaisen hiilivoimalan asema), samoin kuin vähemmän vaikutuksia ympäristöön: 800 g / kWh CO 2 -päästöjäverrattuna 900 g / kWh tavanomaiseen hiilivoimalaan; 100 mg / Nm 3 NO x : n ja SO x -päästöjä , verrattuna 720 mg / Nm 3 ja 1300 mg / Nm 3 vastaavasti varten hiili-voimalaitoksen ilman savukaasujen käsittelyyn.
Hiilivoimaloiden tulevaisuus EuroopassaOsuus kivihiilen ja ruskohiilen että Euroopan unionin sähköntuotannosta väheni 21% vuodesta 1990 vuoteen 2014, eli 1% vuodessa, mukaan lukujen Euroopan ympäristökeskuksen .
Vuonna 2016 Euroopassa suljettiin 16 kivihiiltä käyttävää voimalaitosta , mukaan lukien viimeinen Belgian voimala, mikä teki Belgiasta ensimmäisenä maana Euroopassa kivihiilen käytöstä. Kuitenkin 293 voimalaitokset ovat edelleen toiminnassa, vaikka lähes 80% ei enää kannattavaa.
Vuonna 2017 Ranskalla on edelleen neljä kivihiiltä käyttävää voimalaitosta, mukaan lukien viisi tuotantoyksikköä. Kivihiilestä luovuttamisen pitäisi tapahtua vuonna 2022. Emmanuel Macron julistaa: "Olen viiden vuoden kauden loppuun mennessä sulkenut kaikki potkut voimalat " . Ministeriöiden välinen operaatio on vastuussa tämän määräajan valmistelusta. Kivihiilestä luopuminen ei kuitenkaan ole helppoa, koska näillä neljällä lämpövoimalalla on tärkeä rooli Ranskan talvihuippujen voittamisessa ja ne työllistävät yli tuhat ihmistä.
Climate Analyticsin asiantuntijat (in) huomauttavat, että kahdella maalla, Saksalla ja Puolalla , on 51% asennetusta kapasiteetista ja niiden osuus hiilivoimalaitosten päästöistä on 54%. "Jäsenvaltioiden välillä on kasvava erilainen lähestymistapa kivihiilen tulevaisuuteen", he huomauttavat valittaen kivihiilivoimalaitosten rakentamista tai suunnitelmia joissakin maissa, kuten Puolassa ja Kreikassa .
3. marraskuuta 2017Noin kolmekymmentä ympäristöjärjestöä käynnistää " Euroopan hiilen ulkopuolella " -kampanjan "nopeuttamaan kivihiilen asteittaista lopettamista kaikkialla Euroopan unionissa" .
Vuonna 2019 ensimmäistä kertaa Euroopassa kaasuvoimalat tuottivat enemmän sähköä kuin hiilivoimalat.
Vuonna 2020 Ruotsi ja Itävalta sulkevat viimeisen tehtaansa ennusteitaan edeltäen. EDP , portugalilainen energiayhtiö, ilmoittaa poistuvansa hiilestä vuonna 2021. Espanja sulkee 7 voimalaitosta vuonnakesäkuu 2020, puolitoista vuotta hiilikaivosten sulkemisen jälkeen, jotta vältetään niiden mukauttamisesta eurooppalaisiin määräyksiin aiheutuvat kustannukset, ja neljä kahdeksasta jäljellä olevasta voimalaitoksesta on hakenut sulkemislupaa.
Lähes 40 voimalat odotetaan toteutuvan lähivuosina Suomessa , Ranskassa , Italiassa , Alankomaissa , Portugalissa ja Yhdistyneessä kuningaskunnassa , koska nämä maat ovat päättäneet luopua kivihiilen 2030 mennessä.
Öljykäyttöiset voimalaitoksetTämän tyyppinen laitos polttaa polttoöljyä höyryä tuottavassa kattilassa, joka kääntää turbiinia, joka käyttää vaihtovirtageneraattoria tuottamaan sähköä.
Sen toiminta on melko samanlainen kuin kivihiilivoimalaitoksilla kuvattu, pääasialliset erot vaikuttavat vain kattilaan ja sen apulaitteisiin, jotka ovat ominaisia nestemäiselle polttoaineelle.
KaasuvoimalatJoissakin maakaasua tuottavissa maissa on edelleen vanhoja voimalaitoksia, jotka muistuttavat öljykäyttöisiä voimalaitoksia , mutta turbiinin höyryn tuottamiseen käytetään polttoaineena kaasua polttoöljyn sijasta . Niiden toiminta on identtinen, mutta kattila on erikokoinen tätä kaasumaista polttoainetta varten. 1990-luvulta lähtien ja polttoturbiinien noususta (yksinkertaisessa tai yhdistetyssä syklissä ) tämän tyyppinen voimalaitos on tullut niukaksi polttoturbiinia käyttävien voimalaitosten hyväksi, erityisesti näiden turbiinien paremman hyötysuhteen vuoksi yhdistetyssä syklissä . Bouchainin lämpövoimalan yhdistetyn kaasukierron hyötysuhde ylittää siten 62%.
BiomassavoimalatEuroopassa suuret voimalaitokset käyttävät jo biomassaa, jotkut niistä 25 vuoden ajan Skandinaviassa. Viime aikoina lämpösähköntuotannossa sähkön ja lämmön yhteistuotanto korvaa vähitellen puhtaat sähköntuotantolaitokset. Joissakin maissa tai tietyillä alueilla energiaoperaattoreilla on kuitenkin vaikeuksia tässä muunnoksessa, erityisesti yhteistuotantolämmön hyödyntämiseen tarvittavan infrastruktuurin, kuten kaukolämpöverkkojen, puuttuessa. Energia-siirtymässä eteenpäin siirtymisestä huolimatta ja odottaessaan näiden infrastruktuurien asteittaista perustamista operaattorit päättävät joskus muuttaa nykyiset lämpötuotantonsa hiilestä biomassaksi. Näin kävi monissa paikoissa Yhdistyneessä kuningaskunnassa, Puolassa, Alankomaissa tai alueilla kuten Vallonia tai Provence. Noin kaksikymmentä vuotta kestäviksi toiminta-aikoiksi suunnitellut ne mahdollistavat siirtymäkauden aikana toisaalta lopettaa välittömästi kivihiilen käytön ja toisaalta ylläpitää tuotantokapasiteettia odottaessaan sähkönkulutusta paremmin hallittua ja muuta tehokkaampaa laitteita, kuten yhteistuotantoa tai ajoittaisten uusiutuvien energialähteiden varastointia.
Merkittävimpiä biomassavoimaloita ovat Drax-voimala (4000 MW ) Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja Provencen lämpövoimalat (150 MW ) Gardannessa.
Ranskassa, 31. joulukuuta 2020, bioenergiasektorin laitosten asennuskapasiteetti oli 2 171,5 MW , mukaan lukien 680,3 MW (31,3%) puuta ja muita kiinteitä biopolttoaineita käyttäviä laitoksia (+ 3,1%). Nämä laitokset tuottivat 9,6 TWh vuonna 2020 eli 2,0% maan sähköntuotannosta, mukaan lukien 2,5 TWh kiinteille biomassalaitoksille (puu jne. ).
Helmikuussa 2021 500 tutkijaa lähetti avoimen kirjeen Yhdysvaltojen , Euroopan unionin , Japanin ja Korean johtajille varoittamaan heitä vaarasta, että puuenergia-alan kehitys voi tapahtua liikaa. Osoittautuu haitalliseksi torjunnassa. ilmaston lämpeneminen . Tutkijat kannustavat hallituksia poistamaan kaikki kannustimet, jotka kannustaisivat polttopuuta , riippumatta siitä, tuleeko se heidän omasta metsävarastaan.
Polttomoottori (ICE) on eräänlainen polttomoottori, jossa lämpöenergia antaa pois palamisen muunnetaan mekaaniseksi energiaksi .
PolttoturbiinitTämän tyyppinen kasvi voi käyttää kaasumaisten polttoaineiden (maakaasu, butaani , propaani , jne. ), Mutta myös nesteitä (kaikkein haihtuvia, kuten teollisuusbensiini , alkoholi, kaikkein viskoosi ( raskas tai jäljellä polttoöljyjen , jopa raakaöljy ), kerosiinin tai lämmitysöljyn kautta ).
Ranskalainen terminologia "kaasuturbiini" tai TAG, joka johtuu anglosaksisen termin kaasuturbiini kirjaimellisesta käännöksestä , voi johtaa sekaannukseen. Nimi ”polttoturbiini” tai TAC tarkemmin välttää tämän epäselvyyden.
Voimalaitoksia on kahdenlaisia.
Yksinkertaiset syklivoimalaitokset Koostuu polttoturbiinista, joka käy nestemäistä tai kaasumaista polttoainetta vaihtovirtageneraattoria käytettäessä. Niitä käytetään pääasiassa huippuvoimalaitoksina lisätuotannon varmistamiseksi korkean täsmällisen kysynnän (ruuhka-aikoina) tapauksessa. Yhdistetyn syklin voimalaitokset Niiden energiatehokkuutta parannetaan lisäämällä talteenottokattila . Tässä hyödynnetään järkevä jäljellä lämpöä , sisältyvät savukaasujen poisto kaasuturbiinin, ja tuottaa höyryä syötetään höyry- turbiini . Viimeksi mainittu voi puolestaan joko käyttää toista vaihtovirtageneraattoria toisella akselilinjalla (tätä kutsutaan yhdistetyksi sykliksi "erillisillä akselilinjoilla"), tai asentaa samalle akselilinjalle kuin polttoturbiini. ”yhden akselin linjan” yhdistetty sykli). Tämä viimeinen kokoonpano, saatavana useilta maailman valmistajilta, saavuttaa 60%: n hyötysuhteen. DieselmoottoritJotkut lämpövoimalat käyttävät dieselmoottoreita vaihtovirtageneraattoreiden käyttämiseen.
Ranskassa tämä pätee alueisiin, joita ei ole yhdistetty mantereen suurkaupunkiverkkoon ( Korsikan , Guadeloupen , Martiniquen, Reunionin, Mayotten, Uuden-Kaledonian jne . Sähköjärjestelmät ).
Vuonna 2018 osuus sähkön ja lämmön tuotannossa alan CO 2 päästöt energiaan liittyvä osuus oli 41,7%.
Euroopan unionissa 27, kasvihuone kaasupäästöjä tuotantoa varten yhden kilowattituntia sähköä laski 45% vuosien 1990 ja 2018, 510 g CO 2eq / kWh 281 g CO 2: llaeq / kWh vuonna 2018. Alustavien arvioiden mukaan ne saavuttavat 249 g CO 2eq / kWh vuonna 2019. Päästöt ovat korkeita maissa, joissa hiilialalla on edelleen merkitystä, kuten Saksassa (406 g / kWh ) tai jopa enemmän Puolassa (789 g / kWh ) ja Virossa (900 g / kWh ). kWh ). Päinvastoin, ne ovat paljon alhaisemmat maissa, joissa on kehitetty ydin- ja / tai uusiutuvia energialähteitä, kuten Ranskassa (54 g / kWh ) tai Ruotsissa (13 g / kWh ).
Ranskassa, sähkön tuotanto vastaa noin 4,8% koko CO 2 -päästöjävuonna 2019. Tämä osake ilman omaan kulutukseen, oli 17,1 Mt CO 2vuonna 2020 verrattuna 18,7 miljoonaan tonniin vuonna 2019; niiden päälähde on maakaasu (13,5 Mt ).