Prąd w gniazdku skądś płynie. Oczywiście, że z elektrowni. A w jaki sposób lub z jakich źródeł elektrownia produkuje prąd? Dziś rzucam trochę światła na rodzaje elektrowni, z których produkujemy lub będziemy produkować prąd. I to nie tylko w Polsce.
Spis treści:
- Podział elektrowni
- Elektrownie konwencjonalne (lub inaczej elektrownie cieplne)
- Elektrownie niekonwencjonalne
- Podsumowanie
Podział elektrowni
Energia elektryczna, którą wykorzystujemy na co dzień, wytwarzana jest przeważnie w elektrowniach. Mamy jeszcze oczywiście system prosumencki, w którym odbiorca końcowy jest również producentem prądu, głównie na swój użytek. Jednakże na potrzeby tego artykułu skupię się na elektrowniach wytwarzających energię elektryczną na większą skalę.
Energię elektryczną czerpać można z wielu źródeł, o czym zresztą pisałam w kilku innych materiałach. Do tej pory jednak nie przedstawiłam zbiorczego zestawienia różnych typów elektrowni. Każdy z pewnością potrafi wymienić kilka typów elektrowni. Być może jednak nie każdy będzie potrafił prawidłowo je zaszeregować. Bo wbrew pozorom podział wcale nie jest taki oczywisty. Kryteria podziału również mogą być różne. Zdecydowałam się omówić poszczególne rodzaje elektrowni z wykorzystaniem najczęściej spotykanego podziału, czyli na elektrownie konwencjonalne i elektrownie niekonwencjonalne. Przejdźmy więc do szczegółów.
UWAGA! W artykule wskazuję typy elektrowni oraz omawiam ich najważniejsze cechy. Nie omawiam natomiast szczegółowo każdego z rodzajów. Większość z tych elektrowni doczeka lub doczekało się już omówienia – patrz artykuły: Jak działa fotowoltaika, czyli się robi prąd ze słońca, Jak działa turbina wiatrowa.
Elektrownie konwencjonalne (lub inaczej elektrownie cieplne)
Jak sama nazwa wskazuje, kluczowym elementem w tym typie elektrowni jest ciepło. To właśnie z ciepła produkowana jest energia elektryczna. W skrócie paliwa lub surowce są spalane w specjalnie przeznaczonych do tego zbiornikach, tzw. komorach spalania. Spaliny lub para wodna z podgrzanej wody trafiają na turbiny, których praca generuje energię elektryczną. Niezależnie od rodzaju zastosowanego paliwa, elektrownia cieplna bazuje na jednym z układów: parowym (z turbinami parowymi), gazowym (z turbinami gazowymi), gazowo-parowym lub spalinowym (z silnikiem tłokowym).
Elektrownie węglowe
Paliwem spalanym w tym typie elektrowni jest węgiel kamienny lub węgiel brunatny. Zaliczana jest do elektrowni parowych, ponieważ uzyskana w procesie spalania para wodna napędza turbinę parową. Głównymi podzespołami są: kocioł parowy, turbina parowa, skraplacz oraz pompa zasilająca. Chcąc zwiększyć sprawność układu, stosuje się dodatkowe komponenty w postaci przegrzewacza wtórnego i podgrzewacza regeneracyjnego.
Niestety spalanie węgla, jaki i innych paliw kopalnych powoduje uwolnienie do atmosfery gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń. Są to głównie dwutlenek węgla (około 95 kg na GJ energii), dwutlenek siarki, tlenki azotu, tlenek węgla, pyły PM10 i PM2,5 oraz metale ciężkie, takie jak kadm i rtęć. Ponadto pył powstały w efekcie spalania zanieczyszcza glebę i wodę, do których przeniknął. Badania w USA wykazały, że przebadany pył zawierał m.in. arszenik i ołów.
Drugim zagrożeniem dla środowiska jest proces wydobycia węgla (kopalnie odkrywkowe i głębinowe).
Dodatkowym problemem energetyki węglowej jest jej mała elastyczność. Odpowiada za to długi czas rozruchu, wynoszący około 8 godzi oraz czas wygaszania. Powoduje to problemy we współpracy z innymi źródłami energii, głównie OZE. W takim wypadku dochodzi do sytuacji, z jaką mierzymy się w Polsce coraz częściej, czyli z marnowaniem energii pochodzącej z OZE. Po prostu w pewnych momentach doby lub tygodnia występuje zjawisko nadprodukcji prądu i następują m.in. masowe wyłączenia farm PV lub wiatrowych.
Polska energetyka w dalszym ciągu bazuje głównie na elektrowniach węglowych. Z danych Polskich Sieci Elektroenergetycznych (PSE) wynika, że w kwietniu 2024 roku moc zainstalowana tego typu elektrowni wynosiła 32 652 MW.
Elektrownie gazowe
Jak nietrudno zgadnąć paliwem w tym wypadku jest gaz ziemny. Elektrownia składa się z 7 głównych komponentów: komory spalania, turbiny gazowej, wytwornicy pary, turbiny parowej, skraplacza, generatora oraz chłodni. Mamy tu więc do czynienia z układem gazowo-parowym.
Olbrzymim plusem w stosunku do elektrowni węglowych jest brak powstawania poprodukcyjnych odpadów stałych. Ponadto mniejsza jest również ilość emitowanego dwutlenku węgla i tlenków azotu. W porównaniu z elektrownią węglową elektrownia gazowa charakteryzuje się wyższą sprawnością (średnio o około 20%), a także większą elastycznością – czas rozruchu wynosi około 1 godziny.
Jednak żeby nie było tak różowo, należy wspomnieć o metanie, głównym składniku gazu ziemnego. W związku z tym wydobycie, transport oraz spalanie gazu ziemnego obarczone jest emisją do środowiska tego związku chemicznego. I teraz najważniejsze w tej kwestii – metan ma, jako gaz cieplarniany, nawet 86 razy większy wpływ na klimat niż dwutlenek węgla. Dlatego mówienie, że budowanie elektrowni gazowych jest krokiem milowym pomiędzy elektrowniami węglowymi a systemem czystej energii opartej na OZE, jest kłamstwem. Więcej na ten temat przeczytasz w artykule SMOGLAB.
Elektrownie jądrowe, in. elektrownie atomowe
Ciepło powstaje tu nie w efekcie spalania paliwa lecz w reakcji łańcuchowej rozszczepienia jąder pierwiastków promieniotwórczych. Pierwiastkami radioaktywnymi wykorzystywanymi w elektrowniach są najczęściej uran, pluton oraz tor. Proces rozszczepiania jąder atomowych w reaktorze generuje olbrzymie ilości ciepła. Bez wdawania się szczegóły całego procesu powiem tylko, że ciepło to ogrzewa wodę, której pary napędzają turbinę parową połączoną z generatorem. I właśnie w tym miejscu następuje produkcja energii elektrycznej. Elektrownie jądrowe muszą być budowane w pobliżu zbiorników wodnych: jezior i rzek, z których woda (słodka, pitna woda) służy do chłodzenia rdzeni.
Wewnątrz elektrowni znajdują się rozdzielone obiegi: pierwotny i wtórny. Docelowo ma to ograniczyć potencjalne skażenie w przypadku awarii. Awaria i wynikające z niej skażenie są również jedną z największych obaw podnoszonych w odniesieniu do elektrowni jądrowych. Sytuacje takie nie zdarzają się często. Niemniej najbardziej znane i obarczone największym wpływem na ludzi i środowisko były dwie awarie: katastrofa w Czarnobylu w 1986 roku oraz katastrofa w Fukushimie w 2011 roku.
Oprócz awarii i uszkodzenia elektrownie atomowe mają dodatkowe minusy. Pierwszym jest podejście do pozostałości poprodukcyjnych, które nadal są promieniotwórcze i których przedostanie się do środowiska doprowadzi do skażenia m.in. wody i gleby. Drugim problemem jest pozyskanie materiałów promieniotwórczych. Okazuje się również, że przez lata pracy w pobliżu elementów radioaktywnych, elementy konstrukcyjne również stają się napromieniowane, w efekcie czego nie mogą być utylizowane w konwencjonalny sposób.
Co do zasady elektrownie jądrowe uznaje się za czyste, ponieważ w czasie eksploatacji nie generują wpływu na środowisko. Charakteryzują się również dużą wydajnością.
Inne elektrownie cieplne
Jeśli chodzi o wytwarzanie energii elektrycznej z ciepła, to możemy jeszcze wyróżnić inne elektrownie bazujące na takiej przemianie. Są to np. elektrownie na biogaz, spalające odpady komunalne lub biomasę oraz elektrownie heliotermiczne. Jednak ze względu na odnawialny charakter czynnika lub źródeł, elektrownie takie zaliczane są częściej do niekonwencjonalnych.
Elektrownie niekonwencjonalne
Do elektrowni niekonwencjonalnych zaliczamy takie, które bazują na odnawialnych źródłach energii. Energia elektryczna generowana jest tu różny sposób, np. przemiany energetyczne, zjawiska fizyczne, napędzanie turbin i wiele więcej. Mam również świadomość, że chęć produkowania energii z coraz bardziej czystych źródeł doprowadzi i już prowadzi do powstawania nowych typów elektrowni i sposobów pozyskiwania prądu.
Elektrownie słoneczne
Elektrownie słoneczne wykorzystują niewyczerpalne (z punktu widzenia ludzkiej populacji) źródło energii jakim jest słońce. Wyróżniamy dwa typy elektrowni, które pełnią różne zadania i które znajdą zastosowania w odmiennych środowiskach. Wśród zalet energetyki słonecznej wyróżnić możemy:
- brak niekorzystnego wpływu na środowisko,
- małe wymagania odnośnie do eksploatacji i nadzoru.
Z kolei do wad zaliczymy:
- niestabilność i zmienność w zależności od pory dnia i roku,
- niezbędny duży obszar do instalacji elektrowni,
- wysokie koszty produkcji.
Fotowoltaiczne
Elektrownie fotowoltaiczne są najbardziej rozpowszechnioną formą wykorzystania słońca do produkcji energii. Kluczową rolę odgrywa tu zjawisko fotoelektryczne, polegające na oddziaływaniu światła na strukturę materiału budującego ogniwo fotowoltaiczne. Szerzej o tym zjawisku piszę w artykule Jak się robi prąd ze słońca [link]. Ogniwo fotowoltaiczne to najmniejszy element całej konstrukcji. Z ogniw buduje się moduły i panele fotowoltaiczne. Najczęściej wykorzystywanym materiałem jest krzem w postaci mono lub polikryształu, jednak spotkamy również tellur, kadm, miedź. Wszystko zależy od generacji ogniwa. O różnych rodzajach ogniw i paneli PV przeczytasz w artykule: Rodzaje ogniw i paneli fotowoltaicznych [link]. Prąd generowany z paneli jest prądem stałym (DC), dlatego przed przesłaniem go do sieci jest od zmieniany na przemienny (AC) za pomocą falownika.
Zaletą tej technologii jest możliwość instalowania mniejszych wielkościowo instalacji na dachu lub na ograniczonym terenie. Dzięki temu znajduje zastosowanie w energetyce prosumenckiej.
Heliotermiczne
Elektrownia taka bazuje na skupieniu odbitego światła na małej powierzchni i wykorzystaniu go do generowania ciepła. Główny element stanowią lustra lub soczewki skupiające oraz system śledzenia obracający instalację w kierunku słońca. Wyróżniamy cztery rodzaje systemów heliotermicznych:
- układy paraboliczne,
- wieże solarne,
- odbłyśniki Fresnela,
- układ oparty o silnik Stirlinga.
Elektrownie wiatrowe
Elektrownie wiatrowe wykorzystują energię wiatru do produkcji energii elektrycznej. Zasada działania opiera się na przemianach energetycznych. Wiatr niosący energię kinetyczną trafia na łopaty turbiny wprawiając je w ruch i zmieniając się tym samym w energię mechaniczną. Łopaty połączone są z generatorem, który w efekcie ich obrotu wytwarza energię elektryczną. Obecnie wyróżniamy turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu i pionowej osi obrotu. Te pierwsze są najczęściej stosowane. Przeważnie mają trzy łopaty. Jeśli chcesz wiedzieć, czemu łopat nie jest więcej lub mniej, to przeczytaj artykuł Rodzaje turbin wiatrowych [link].
Według danych PSE w czerwcu 2024 w Polsce moc zainstalowana w farmach wiatrowych wynosiła 10 276 MW.
Geotermiczne
Elektrownia geotermiczna wykorzystuje ciepło wnętrza Ziemi do produkcji prądu. Nośnikiem ciepła może być gorąca woda, magma, gorące skały. Ilość ciepła możliwego do uzyskania uzależniona jest od lokalizacji geograficznej oraz od głębokości pod powierzchnią Ziemi. Generalnie im głębiej, tym temperatura jest wyższa. Można wykorzystać wodę już o temperaturze nieprzekraczającej 100°C, jednak najlepsze rezultaty daje woda powyżej 120°C. Elektrownie te znajdziemy na całym globie, jednak najlepsze warunki do lokalizacji występują przeważnie w miejscach styku płyt tektonicznych lub w pobliżu obszarów aktywnych wulkanicznie. W Europie do krajów takich należą Islandia i Włochy. W tym pierwszym kraju prawie 100% energii pozyskiwana jest właśnie ze złóż geotermalnych.
Wodne
Elektrownie wodne wykorzystują wodę do produkcji energii elektrycznej. W zależności od miejsca budowy lub instalacji oraz sposobu wykorzystania wody wyróżniamy kilka podtypów elektrowni wodnych.
Zaporowe (konwencjonalne)
Kluczowym elementem konstrukcyjnym tej elektrowni jest zbiornik wody (najczęściej sztuczny), odgrodzony od rzeki tamą. Daje to możliwość regulacji wytwarzanej energii poprzez zrzut odpowiedniej ilości wody z górnego zbiornika. Zasada działania jest prosta. Woda ze zbiornika spuszczana jest do rzeki poprzez system turbin. Turbiny pod wpływem wody obracają się, a sprzężone z nimi generatory wytwarzają energię elektryczną. Im więcej wody spuszcza się do rzeki, tym produkcja energii większa.
Wadą tego typu elektrowni jest silne wpływanie na środowisko i krajobraz – często konieczne jest zalanie dużych połaci lądu w celu zbudowania zbiornika. Zmianie ulega lokalny ekosystem.
Przepływowe
W tym przypadku elektrownia zlokalizowana jest na rzece, w poprzek jej nurtu. Nie ma potrzeby sztucznego spiętrzania wody. Produkcja energii elektrycznej jest wynikiem przepływu wody przez turbiny sprzężone z prądnicami. Lokalizacja tych elektrowni to zwykle rzeki na nizinach o dużym przepływie albo rzeki w górach charakteryzujące się dużym spadkiem. Płynącej wody nie da się zatrzymać, więc energia jest tu produkowana w sposób ciągły. Ilość energii uzależniona jest z kolei od ilości przepływającej wody, która może być różna w różnych porach roku.
Szczytowo – pompowe
Elektrownia szczytowo-pompowa zbudowana jest z dwóch zbiorników. Jeden położony jest wyżej niż drugi. Kiedy zapotrzebowanie na energię w systemie elektroenergetycznym jest małe, wykorzystuje się ją do wpompowania wody z dolnego zbiornika do górnego. Z kolei kiedy zapotrzebowanie jest duże, zrzuca się wodę z górnego zbiornika do dolnego. Spływająca woda napędza turbinę i wytwarzany jest prąd.
Możesz się zastanawiać, po co inwestować energię elektryczną w pompowanie wody, żeby ją później odzyskać w momencie zapotrzebowania. Bilans wyjdzie na zero. Otóż nie do końca. Elektrownia szczytowo-pompowa może służyć jako swoisty magazyn energii, jednak nie w sposób bezpośredni, jaki ma to miejsce w akumulatorach. Kiedy w systemie jest nadmiar energii, to zamiast wyłączać moce wytwórcze np. z OZE, jak ma to ostatnio coraz częściej miejsce w Polsce, wykorzystuje się ją do wpompowania wody. Czyli nadmiar energii elektrycznej magazynowany jest w wodzie i jej potencjale do przyszłego wytworzenia prądu. Na pewno elektrownia szczytowo-pompowa stanowi idealny bufor stabilizujący system elektroenergetyczny.
Pływowe
Bazują na zjawisku przypływów i odpływów. Ruch wody porusza turbiną prądotwórczą generującą energię elektryczną. Moc elektrowni zmienia się w trakcie doby wraz z ruchami wody. Zmienność ta jest jednak dość przewidywalna, co stanowi zaletę tego rozwiązania.
Inne elektrownie wodne
Obecnie wykorzystuje się również inne rodzaje elektrowni wodnych. Są to:
- maremotoryczne – wykorzystują fale lub prądy morskie do produkcji energii elektrycznej,
- maretermiczne (oceanotermiczne) – energia generowana jest w wyniku zjawiska różnicy temperatur pomiędzy zimną wodą głębionową, a ciepłą wodą powierzchniową. Najlepsza lokalizacja dla tej elektrowni to okolice równika, a więc miejsca gdzie warstwa wody powierzchniowej jest najcieplejsza.
Elektrownie na biomasę
Biomasa to inaczej materia organiczna. Elektrownie na biomasę mogą wykorzystywać szereg zjawisk i procesów, jednak ich wspólnym elementem jest wykorzystywanie surowców odnawialnych. Znajdziemy tutaj więc:
- spalanie drewna, odpadów z przemysłu drzewnego lub rolniczego,
- spalanie śmieci,
- spalanie biogazu powstałego w wyniku fermentacji odpadów biologicznych,
- wytwarzanie oleju opałowego z roślin oleistych.
Mimo, że spalanie biomasy powoduje emisję m.in. dwutlenku węgla, to przyjmuje się zasadę, że w trakcie wzrostu rośliny pobrała ona tyle samo lub więcej CO2 niż powstało w wyniku jej spalania.
Podsumowanie
Od wyboru do koloru. Teraz już wiesz, jakie są różne rodzaje elektrowni. Teraz możesz poczuć, że informacje tu zawarte poruszyły jedynie fragment tego zagadnienia. I masz całkowitą rację – to był jedynie wierzchołek góry lodowej. Jednak w artykule tej objętości nie dałoby się zawrzeć wiadomości na temat wszystkich prezentowanych typów elektrowni. Do tego niezbędne są osobne artykuły. Część z nich już powstała, część dopiero powstanie. Dlatego zachęcam Cię do zapoznania się z dotychczasowymi materiałami i śledzenia bloga w oczekiwaniu na kolejne artykuły z tego cyklu.