elektrownia
 
Encyklopedia PWN
elektrownia,
zakład przemysłowy lub zespół urządzeń wytwarzających energię elektryczną z różnych form energii pierwotnej (nie przetworzonej);
elektrownia oddająca na zewnątrz, na potrzeby odbiorców, także duże ilości ciepła nosi nazwę elektrociepłowni. Głównymi wielkościami charakteryzującymi elektrownie są: moc (elektryczna i cieplna) zainstalowana, będąca sumą mocy znamionowych generatorów elektrowni, moc osiągalna — maksymalna moc, którą elektrownia może wytwarzać w sposób ciągły w określonym czasie oraz moc dyspozycyjna, wynikająca z mocy osiągalnej i przejściowych ubytków mocy wywołanych remontami planowymi i awaryjnymi, zakłóceniami w pracy elektrowni oraz zmianami poboru ciepła przez odbiorców zewnętrznych. Istotnymi parametrami elektrowni są także: zużycie energii elektrycznej na potrzeby własne, czyli przez urządzenia pomocnicze elektrowni (np. do napędu pomp, wentylatorów, młynów); jednostkowe (na jednostkę produkowanej energii elektrycznej) zużycie paliwa umownego; czas wykorzystania mocy zainstalowanej elektrowni, wyrażony w godzinach i wynikający z podzielenia produkcji brutto energii elektrycznej przez moc zainstalowaną.
Podział elektrowni na typy wiąże się z klasyfikacją metod wytwarzania energii elektrycznej; ze względu na postać energii pierwotnej elektrownie dzieli się na: cieplne — klasyczne (zwane zwykle cieplnymi), cieplne — jądrowe (zwane jądrowymi), wodne i in., w których jako energia pierwotna występuje m.in.: ciepło wnętrza Ziemi (elektrownie geotermiczne), energia promieniowania słonecznego (elektrownie słoneczne), energia kinetyczna wiatru (elektrownie wiatrowe). Elektrownie oraz elektrociepłownie pracujące w systemie elektroenergetycznym mogą być zawodowe lub przemysłowe. Elektrownie zawodowe są to elektrownie dostarczające energii elektrycznej do ogólnej sieci elektroenergetycznej, a za jej pośrednictwem na potrzeby wszystkich odbiorców; elektrociepłownie zawodowe pokrywają ponadto zapotrzebowanie ciepła w rejonowych systemach ciepłowniczych. Elektrownie i elektrociepłownie przemysłowe są zlokalizowane w dużych zakładach przemysłowych i pokrywają głównie ich potrzeby energetyczne, współpracując, w razie potrzeby i możliwości, z krajowym systemem elektroenergetycznym. Ze względu na czas wykorzystania mocy zainstalowanej w ciągu roku rozróżnia się elektrownie podstawowe (powyżej 4000 h), podszczytowe (2000–4000 h) i elektrownie szczytowe (poniżej 2000 h); elektrownie podstawowe pracują w zasadzie w ruchu ciągłym, obniżając swą moc jedynie w okresach tzw. dolin obciążenia systemu elektroenergetycznego, natomiast elektrownie szczytowe są uruchamiane lub w pełni obciążane tylko w okresie szczytowego obciążenia w ciągu doby.
Charakterystyczną cechą współczesnych elektrowni jest ich struktura blokowa; elektrownie składają się z bloków energetycznych, tj. zespołów urządzeń energetycznych służących do przetwarzania energii i pracujących w zasadzie niezależnie od takich samych sąsiednich zespołów. Moce bloków energetycznych wynoszą do: 1300 MW w elektrowniach cieplnych parowych, 1500 MW — w elektrowniach jądrowych, 700 MW — w elektrowniach wodnych. O rozwoju poszczególnych typów elektrowni w danym kraju decydują zasoby nośników energii pierwotnej, możliwości finansowania bardziej kapitałochłonnych rodzajów elektrowni (np. elektrownie wodne i jądrowe), charakter obciążenia systemu elektroenergetycznego i jego zmienność dobowa i sezonowa oraz względy ochrony środowiska.
Elektrownia cieplna. W takiej elektrowni energia pierwotna występuje w formie chemicznej i jest uwalniana poprzez spalanie paliw kopalnych (węgla), substancji organicznych, odpadów przemysłowych lub komunalnych. Rozróżnia się elektrownie cieplne parowe (z turbinami parowymi), gazowe (z turbinami gazowymi), parowo-gazowe (w których ciepło gazów odlotowych opuszczających turbinę gazową jest wykorzystywane w obiegu parowo-wodnym) oraz spalinowe (z silnikami Diesla). Na blok energetyczny elektrowni cieplnej składają się: urządzenia do wytwarzania ciepła (kocioł parowy, silnik Diesla), generator synchroniczny, transformator oraz urządzenia pomocnicze pracujące na potrzeby bloku (młyny, pompy, wentylatory). W elektrowni cieplnej parowej w palenisku kotła parowego następuje przemiana energii chemicznej (której nośnikiem jest paliwo, najczęściej węgiel kamienny lub brunatnego, paliwa ciekłe lub gaz) w ciepło gazów spalinowych, przekazywane za pośrednictwem ogrzewanej powierzchni wodzie i powstającej parze wodnej; para z kotła płynie do turbiny parowej, gdzie ciepło wysokoprężnej, przegrzanej pary wodnej zostaje przekształcone w energię kinetyczną mas wirujących turbiny i bezpośrednio z nią sprzężonego generatora (prądnicy elektrycznej); w generatorze następuje zamiana energii kinetycznej na elektryczną; rozprężona w turbinie para dopływa do skraplacza (kondensatora), w którym skrapla się, oddając ciepło (jest to ciepło odpadowe) wodzie chłodzącej; wodę chłodzącą ze skraplacza schładza się w układzie otwartym (np. odprowadzając do rzeki) albo w zamkniętym (np. w chłodni kominowej). Obiegiem porównawczym dla obiegów rzeczywistych realizowanych w elektrowniach kondensacyjnych (czyli elektrowniach parowych, w których para po wyjściu z turbiny skrapla się w skraplaczu-kondensatorze) jest obieg Rankine’a. W celu zwiększenia sprawności elektrowni stosuje się m.in. międzystopniowe przegrzewanie pary oraz regenerację ciepła polegającą na pobieraniu z upustów turbiny pary wykorzystywanej do podgrzewania wody zasilającej kocioł. Elektrownie cieplne produkują ponad 60% światowej energii elektrycznej. Energia elektryczna z paliw konwencjonalnych może być też otrzymywana w elektrowniach magnetohydrodynamicznych (magnetogazodynamicznych), w których energię elektryczną otrzymuje się w generatorach magnetohydrodynamicznych. Elektrownie te mogą być budowane z generatorami magnetohydrodynamicznymi pracującymi jako niezależne jednostki (sprawność 15–20%) lub w połączeniu z blokami parowymi (sprawność 50–60%). Największa na świecie elektrownia cieplna (parowa) to elektrownia Berezowska (Rosja) o mocy 6,4 GW.
Elektrownia jądrowa. W elektrowni jądrowej ciepło potrzebne do ogrzania czynnika roboczego jest wydzielane w wyniku łańcuchowej reakcji rozszczepienia jąder pierwiastków ciężkich (izotopów rozszczepialnych) w reaktorze jądrowym. Najczęściej są stosowane reaktory wodne ciśnieniowe (ok. 55% mocy czynnych elektrowni jądrowych) oraz reaktory z wrzącą wodą (ok. 20,6%). Sprawność elektrowni jądrowych wynosi 30–42%. W elektrowni jądrowej z reaktorami wodnymi ciśnieniowymi nośnikami energii pierwotnej są substancje roszczepialne zawarte w paliwie jądrowym, ciepło powstające w procesie rozszczepienia jąder jest odbierane przez chłodziwo wodne i przekazywane parze wodnej w wytwornicy pary, para napędza turbinę parową sprzężoną z generatorem. Elektrownie jądrowe produkują ok. 18% światowej energii elektrycznej (z tym, że np. we Francji ponad 75%); największe elektrownie jądrowe to: Fukushima (Japonia) — 9 GW (10 bloków z reaktorami BWR — reaktorami z wrzacą wodą, Bruce (Kanada) — 7 GW, Gravelines (Francja) — 5,5 GW.
Elektrownia wodna (hydroelektownia) przetwarza energię wód na energię elektryczną przy wykorzystaniu turbiny wodnej sprzęgniętej z generatorem energii elektrycznej. Sprawność elektrowni wodnych wynosi średnio 80–90% (jest zdecydowanie wyższa niż sprawność innych elektrowni). Rozróżnia się elektrownie zbiornikowe, przepływowe, pompowe i pływowe. W elektrowniach wodnych zbiornikowych energia potencjalna wody z górnego zbiornika służy, w czasie przepływu wody przez turbinę wodną, do uzyskania energii kinetycznej mas wirujących turbiny. Elektrownie zbiornikowe mogą magazynować wodę (retencyjny zbiornik wodny) i gospodarować jej przepływem w ramach doby, tygodnia, miesiąca lub dłuższego okresu. W elektrowni przepływowej wykorzystuje się energię przepływających wód przy stosunkowo niewielkim (rzędu kilkunastu metrów) spiętrzeniu, bez możliwości magazynowania wody i regulowania jej odpływu zależnie od potrzeb produkcji energii elektrycznej; elektrownie przepływowe pracują jako elektrownie podstawowe. W elektrowni pompowej w okresach małego zapotrzebowania mocy energia elektryczna z systemu elektroenergetycznego jest wykorzystywana do przepompowywania wody z dolnego zbiornika do górnego; w okresach maksymalnego zapotrzebowania mocy woda z górnego zbiornika jest przepuszczana przez turbinę wodną sprzęgniętą z generatorem. Elektrownia pływowa jest elektrownią wodną wykorzystującą zjawisko pływów morskich lub oceanicznych dzięki różnicy poziomów i przepływowi wody między akwenem otwartym i odpowiednio utworzonym zbiornikiem; na świecie największa elektrownia tego typu znajduje się we Francji u ujścia rzeki Rance (moc 240 MW). Elektrownie wodne produkują ok. 20% światowej energii elektrycznej; największe elektrownie wodne to: Itaipu (Brazylia i Paragwaj, elektrownia zbiornikowa) — 12,6 GW oraz Guri (Wenezuela, elektrownia zbiornikowa) — 10,3 GW.
Elektrownia słoneczna (helioelektrownia) przetwarza energię promieniowania słonecznego na energię elektryczną; są stosowane 2 metody: pośrednia (heliotermiczna), polegająca na przemianie energii promieniowania słonecznego absorbowanego przez kolektor słoneczny na energię czynnika termodynamicznego elektrowni parowej (elektrownie heliotermiczne mogą być wieżowe lub zdecentralizowane; największą elektrownią wieżową jest elektrownia Barstow o mocy 10 MW — Kalifornia, USA), oraz bezpośrednia (helioelektryczna), polegająca na bezpośredniej przemianie energii pierwotnej na energię elektryczną za pomocą przetworników fotoelektrycznych (fotoogniw, ogniw słonecznych), termoelektrycznych i termoemisyjnych; największa elektrownia słoneczna helioelektryczna ma moc 6,5 MW (na pustyni Carrisa Plain w Kalifornii).
Elektrownia wiatrowa wytwarza energię elektryczną z energii wiatru za pomocą silnika wiatrowego sprzężonego z generatorem elektrycznym; sprawność elektrowni wiatrowej nie przekracza 40% (w perspektywie może wzrosnąć); moc największych elektrowni wiatrowych wynosi: w USA — 4 MW (w budowie 7,5 MW), w Niemczech i Szwecji — 3 MW, w Danii — 2 MW. W Polsce moce istniejących elektrowni wiatrowych nie przekraczają 200 kW.
Elektrownia maretermiczna (oceanotermiczna) wykorzystuje różnicę temperatur między ciepłymi warstwami powierzchniowymi a zimnymi warstwami głębinowymi morza jako źródło ciepła przetwarzanego w energię elektryczną; elektrownie maretermiczne pracują m.in. w Japonii (10 MW) i na Hawajach (40 MW).
Elektrownia maremotoryczna (falowo-wodna) wytwarza energię elektryczną z energii fal lub prądów morskich i oceanicznych; elektrownie tego typu pracują m.in. w Rosji nad Morzem Białym i w USA na Alasce.
Elektrownia geotermiczna (geoelektrownia) wytwarza energię elektryczną z energii geotermicznej (ciepło wnętrza Ziemi). Elektrownie geotermiczne pracują już w wielu krajach świata; największe to — The Geysers Fields w USA (908 MW), Larderello we Włoszech (420 MW), Wairakei w Nowej Zelandii (293 MW); sprawność elektrowni geotermicznej jest niewielka — 20–25%.
Historia. Pierwsze elektrownie powstały pod koniec XIX w. (1882 — Nowy Jork, 1883 — Mediolan i Petersburg, 1884 — Berlin) jako lokalne elektrownie wytwarzające prąd stały o napięciu 110 V, 220 V i rzadziej 500 V, wyposażone w tłokowe maszyny parowe i rusztowe kotły płomienicowe lub bateryjne, z ręcznym narzutem paliwa. Dalszy etap rozwoju elektrowni wiąże się z zastosowaniem prądu przemiennego w układzie trójfazowym (1891 — M. Doliwo-Dobrowolski). Po II wojnie światowej postępowała centralizacja i wzrost mocy elektrowni i bloków energetycznych, wzrost parametrów pary, łączenie elektrowni do pracy równoległej w systemie elektroenergetycznym; w latach 50. i 60. rozpoczął się rozwój elektrowni jądrowych; budowane obecnie elektrownie są wysoce zautomatyzowane (wykorzystanie sterowania komputerowego).
Bibliografia
D. Laudyn, M. Pawlik, F. strzelczyk Elektrownie, Warszawa 1990;
J. Paska Elektrownie jądrowe, Warszawa 1990.
Ilustracje
Elektrownia cieplna parowa rys. J. Babicki/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Elektrownia jądrowa z reaktorem wodnym ciśnieniowymwyk. Studio BAMA/Archiwum Ilustracji WN PWN SA © Wydawnictwo Naukowe PWN
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia