Jak działają elektrociepłownie

W dzisiejszych czasach dostępność ciepła i energii elektrycznej dla potrzeb gospodarczych i bytowych, traktowana jest jako rzecz podstawowa i naturalna. Trudno sobie wyobrazić życie bez oświetlenia, radia, telewizji lub ciepła, wykorzystywanego do przygotowania ciepłej wody użytkowej lub utrzymania komfortu cieplnego w mieszkaniu czy też oświetlenia zewnętrznego ulic, oświetlenia hali produkcyjnej, sygnalizacji świetlnej i innych elektrycznych urządzeń zewnętrznych.

Proces produkcji energii elektrycznej i ciepła może się odbywać w źródłach rozdzielonych (osobno: prąd w elektrowni, a ciepło w ciepłowni) lub przez elektrociepłownię (produkcja ciepła i energii elektrycznej w jednym układzie technologicznym). Według definicji:

Ciepłownia – jej głównym zadaniem jest produkcja wody o wysokiej temperaturze (przez spalanie paliwa) na potrzeby np. miejskich systemów ciepłowniczych,. Konwencjonalne ciepłownie podobnie jak elektrownie spalają paliwa kopalne, np. węgiel kamienny, olej opałowy i inne, mogą również spalać biomasę, itp.

Elektrownia produkuje energię elektryczną przez spalanie paliw, np. węgla kamiennego lub brunatnego, oleju opałowego lub gazu. Coraz częstsze jest również spalanie biomasy.

Zasada działania elektrowni wygląda następująco:

Ilustracja

Do kotła doprowadzane jest paliwo i powietrze. W kotle następuje spalanie paliwa, czyli zamiana energii chemicznej paliwa na ciepło, które jest przejmowane przez wodę przepływającą przez kocioł w osobnym obiegu zamkniętym. W wyniku dostarczenia ciepła, woda odparowuje i zamienia się w parę o wysokim ciśnieniu. Następnie wyprodukowana para przepływa przez turbinę parową, w której rozpręża się wykonując pracę mechaniczną – obraca wał turbiny. Praca mechaniczna wałem napędowym przekazywana jest z turbiny do generatora (więcej o generatorach prądu można przeczytać tutaj), gdzie zamieniana jest na energię elektryczną, zaś para wylotowa z turbiny kierowana jest do schładzacza (inaczej skraplacza, który w elektrowni chłodzony jest np. wodą z rzeki). Tu odbierane jest ciepło od pary w wyniku czego następuje jej skroplenie (zamiana pary w wodę). Woda ze skraplacza jest kierowana do pompy, gdzie następuje jej sprężenie i cykl produkcji zaczyna się powtarzać.

Sprawność całkowita produkcji energii elektrycznej w elektrowni wynosi ok. 35%. Oznacza to, że 35% energii cieplnej zawartej w paliwie jest zamieniana na elektryczność zaś pozostałe 65% jest bezpowrotnie tracone do otoczenia. Z ekologicznego punktu widzenia jest to bardzo niekorzystne zjawisko, gdyż skutkuje to znacznym podwyższeniem temperatury środowiska naturalnego (np. rzeki z której pobierana jest woda do schładzania skraplacza), większą emisją zanieczyszczeń gazów do środowiska oraz zmianami w panującej tam naturalnej biosferze.

Rozdzieloną produkcję energii elektrycznej i ciepła wytwarzanych osobno w elektrowni i ciepłowni lepiej zastąpić tzw. produkcją skojarzoną (wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w jednym układzie technologicznym) realizowanym w elektrociepłowni.

Zasada działania elektrociepłowni jest prawie identyczna jak elektrowni. Jedyną różnicą jest sposób wykorzystania ciepła odbieranego od pary w skraplaczu. W przypadku elektrowni 65% ciepła dostarczonego w paliwie jest traktowane jako tzw. „ciepło odpadowe” i nie jest dalej wykorzystywane. W elektrociepłowni ciepło odebrane w skraplaczu jest przejmowane przez sieć ciepłowniczą i efektywnie wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej. Sprawność wykorzystania energii chemicznej w paliwie dla elektrociepłowni wynosi około 85%, z czego 35% przetwarzane jest na energię elektryczną a 50% na ciepło użytkowe. Straty w tym przypadku wynoszą ok. 15%.

Ilustracja

Produkcja energii elektrycznej oraz ciepła w jednym układzie technologicznym, czyli, tzw. „produkcja skojarzona” (kogeneracja), powoduje znacznie lepsze wykorzystanie paliwa, co znaczy mniejsze zanieczyszczenie środowiska naturalnego.

Efektywność wykorzystania paliwa bardzo dobrze przedstawia poniższy wykres. Żeby wytworzyć 50 jednostek energii cieplnej i 35 jednostek prądu zużywa się 100 jednostek energii z paliwa przy produkcji skojarzonej oraz 156 jednostek energii z paliwa przy produkcji rozdzielonej.

Ilustracja

Podsumowując produkcja skojarzona pozwala na znaczne zmniejszenie zużycia paliwa do uzyskania takiej samej ilości energii elektrycznej oraz energii cieplnej. Dzięki temu zmniejsza się emisja szkodliwych substancji, przez co kogeneracja przyczynia się do ochrony środowiska naturalnego.