Elektrárny na fosilní paliva

To s sebou přináší řadu negativních vlivů. Jejich provoz se projevuje na životním prostředí negativně především poškozováním krajiny těžbou v případě uhelný elektráren, kde je spalováno především méně kvalitní hnědé uhlí těžené v povrchových dolech a v případě všech typů elektráren na fosilní paliva především vypouštění toxických škodlivin do ovzduší a produkcí CO₂, což je sám o sobě neškodný plyn běžně se vyskytující v atmosféře, ale jeho nebezpečí se ukrývá v tom, že jeho uvolňování do atmosféry ve stéle větším množství, se výrazně podílí na vzniku skleníkového efektu, který má pravděpodobně zásadní vliv na oteplování klimatu naší planety a z toho plynoucí jak ekologické tak i geopolitické a sociální problémy.

Podíváme-li se do historie, první stroje schopné měnit energii uloženou ve fosilních palivech se začali objevovat v 18. století. Tyto zařízení byli schopny měnit energii fosilních paliv na mechanickou energii a využívali se k pohonu stojů v manufakturách, dolech atp. Později s rozvojem poznávání v oblasti elektřiny a magnetismu v 19. Století se samozřejmě začali využívat i k pohonu generátorů elektrické energie. První, instalovaný, historicky doložený, parní stroj byl v Čechách využíván od roku 1823 v přádelně J.Kittla v Markvarticích.

Protože první parní stroje měli jen mizivou účinnost asi kolem 3%, byla tato zařízení i přes postupná vylepšení nahrazena na počátku 20. Století prvními parními turbínami, které mají mnohem vyšší účinnost a umožňují tedy získat mnohem více energie v poměru ke spotřebě paliva. Tyto turbíny jsou dnes základním prvkem elektráren jak na fosilní paliva, tak i elektráren jaderných.

Nyní se pokusme stručně podívat na jednotlivé druhy fosilních paliv, které se využívají k výrobě elektrické energie. Fosilní paliva můžeme rozdělit na pevná, kapalná a plynná. Mezi pevná řadíme především uhlí a také rašelinu. Mezi plynné patří zemní plyna a ke kapalným řadíme ropu a její deriváty.

Fosilní paliva vznikla v přírodě v zelených rostlinách z oxidu uhličitého a vody s přispěním slunečního záření. Z organických látek biomasy se tedy za příznivých podmínek, kdy se biomasa dostala geologickými pochody do zemských hloubek, kde byla bez přístupu vzduchu vystavena obrovským tlakům a teplotám, vytvořila během miliónů let fosilní paliva. Energie slunce tedy byla jako v obrovské konzervě po několikeré přeměně akumulována až do dnešních dnů. Otevření této obří konzervy dnes pravděpodobně způsobuje řadu změn v přírodních procesech Země a má za následek mnoho globálních ekologických problémů. Ale o tom ještě níže.

Fosilní paliva

Uhlí: Je pevná látka. Podle kvality ho můžeme rozdělit na uhlí hnědé, černé, antracit a lignit. Největší zásoby uhlí jsou dnes v Severní Americe, Evropě, Rusku, Číně, indii, JAR a Austrálii. Uhlí je z fosilních paliv největší množství. V roce 2006 celosvětově uhlí pokrývalo 23% primární spotřeby energie a 39% výroby energie elektrické. V 4eské republice je uloženo až 3791 miliónů tun hnědého uhlí a 2359 miliónů tun uhlí černého.

Nejmenší zásoby uhlí v Evropě mají Francie, Švédsko a Belgie a to je také důvodem proč se jejich energetika orientuje především na jadernou energetiku.

Ropa: Ropa je černá až žlutá kapalina s hmotnostním obsahem uhlíku 80-85%, vodíku 10-15% a se stopami síry, kyslíku apod. Jedná se složitou směs uhlovodíků. Největší zásoby ropy jsou na středním východě, v Americe, v Rusku, v Severním moři. Asie je dosud územím málo prozkoumaným. V České Republice se nacházejí malé zásoby na Jižní Moravě, ale ty rozhodně nejsou schopny pokrýt celkovou spotřebu v ČR a proto k nám musí být ropa dovážena. Surová ropa je v rafinériích zpracovávána na své deriváty a ty se pak teprve využívají jako palivo.

Zemní plyn: Zemní plyn je obsažen všude v zemi, vzniká hnilobnými procesy. Ve využitelném množství pro těžbu bývá obvykle stlačen nad ložisky ropy. V hloubkách 200- 3000 metrů bývá pod tlakem 3-5 MPa, v hloubkách do 8000 metrů pod tlakem až 50 MPa. Zemní plyn se podle kvality svého složení dělí do několika kategorií. Suchý- obsahuje téměř pouze metan (95-98%) a malé množství vyšších uhlovodíků. Vlhký- obsahuje kromě metanu větší množství vyšších uhlovodíků. Kyselý- má vyšší obsah sirovodíků H₂S, který se však na místě těžby musí odstranit. S vyšším obsahem meritů- má vyšší obsah dusíku a oxidu uhličitého, což způsobuje, že takovýto plyn má nižší výhřevnost.

Elektrárny na fosilní paliva můžeme rozdělit do několika typů podle druhu paliva, které se v nich k výrobě elektrické energie využívá. Jednotlivé typy se pokusíme popsat v následujících podkapitolách.

Uhelné elektrárny

Tento typ elektráren na fosilní paliva je jak u nás tak celosvětově nejrozšířenějším typem. Ke svému provozu využívají jako palivo především méně kvalitní hnědé uhlí.

Palivo je třeba před použitím nejdříve upravit, aby bylo možno využít co nejvíce z jeho energie. Proto se uhlí nejprve drtí a suší. Do práškových kotlů se poté vhání uhelný prach spolu s primárním vzduchem. Do roštových kotlů se uhlí sype na rošty. Spalováním uhlí se uvolňuje tepelná energie, kterou pak lze přeměnit na jinou, zde elektrickou. Práškové kotle jsou efektivnější. Zde se primární vzduch vhání turbodmychadlem do kotle pod tlakem do kotle, aby bylo více kyslíku pro rychlé spalování a uhelný prach se výří do celého objemu spalovacího prostoru. Sekundární vzduch podporuje hoření. Na rychlosti spalování závisí výkon kotle. Přiváděný vzduch se ohřívá odváděnými spalinami, aby zbytečně neochlazoval ohniště. Moderní kotle obsahují řadu speciálních čidel a celý proces spalování je řízen počítačem. Optimalizuje

se tlak, množství i směr přívodu vzduchu a paliva. Vzniklá pára se ještě přihřívá teplem odcházejících spalin. Pára je vedena na parní turbínu, se kterou je spojen generátor elektrické energie, která se přes trafostanice a rozvodny vede do rozvodné elektrické sítě. Pro efektivnější využití páry se turbíny se stavují do stupňů. Obvykle se jedná o dva až tři stupně. U typické turbíny se pára přivádí doprostřed na vysokotlaký stupeň. Jak pára expanduje a snižuje se její tlak, jde na další stupně s nižším tlakem. Obousměrná konstrukce zajišťuje kompenzaci síly ve směru rotace a snižuje namáhání ložisek. Pára, která předala svou energii v turbíně je vedena do kondenzátoru, kde se ochlazuje a vzniklá voda se žene zpět do kotle. Tato voda je opět před vstupem do kotle předehřívána odcházejícími spalinami. V chladícím okruhu se voda z kondenzátoru vede do chladící věže, kde se systémem sprch rozstřikuje a stéká do sběrného bazénu. Při tomto procesu se část vody nutně odpaří a musí být doplněna. Proto se všechny elektrárny s tímto systémem, tedy jak na fosilní paliva, tak jaderné staví v blízkosti vodních zdrojů. Hlavní problém těchto elektráren, co se ekologie týče, je ve spalinách. Nejde jen o emise CO₂ , ale v neposlední řadě o pevné částice a další toxické látky. Spaliny jsou tedy v dnešních moderních zařízeních cestou z kotle do ovzduší v několika stupních čištěny. Spaliny se zbavují především popílku a oxidů síry. Popílek je odlučován ve dvou stupních . První stupeň pracuje na principu cyklony a druhý na elektrostatickém zachytávání pevných částic. Technologie odsíření je poněkud složitější. Existují dva přístupy. Jeden vede ke vzniku kyseliny sýrové a není liš rozšířen. Při druhém způsobu odloučení síry je konečným produktem sádrovec. V některých elektrárnách, kde se spaluje uhlí s vyšším obsahem síry, se používá fluidní spalování. Fluidní spalování spočívá v tom, že spolu s palivem se do kotle přidávají další příměsi jako například CaO, CaCO_3, MgO nebo MgCO₃. Díky tomu vzniká v kotli fluidní vrstva roztavených vařících se příměsí na které se síra ihned váže a uniká jí jen asi 3-5%. Tento způsob spalování má také výhodu v tom, že oxidů dusíku uniká méně až o 75%. Účinnost těchto kotlů je až 95%. U nás jsou tyto kotle instalovány v elektrárnách Tisová, Poříčí, Hodonín, Ledvice. Dnešní moderní tepelné elektrárny obvykle pracují na principu kombinace paroplynové a plynové turbíny. Plynová turbína v tomto případě využívá energii odcházejících spalin a kromě generátoru elektrické energie pohání i kompresory přivádějící vzduch ke kotli.

Elektrárny spalující zemní plyn a ropné deriváty

V zemích, které mají dostatečné zásoby ropy nebo zemního plynu se k výrobě elektrické energie využívají tepelné elektrárny spalující kapalná nebo plynná paliva. V podstatě jde o podobný princip jako u výše popsaných tepelných elektráren, ale s tím rozdílem že kombinace paroplynové a plynové turbíny je opačná. Spaliny vzniklé hořením s teplotou 800-1200C se nejprve vedou do plynové turbíny a poté kdy jejich teplota klesne na 400-500C se využívají pro generaci páry v druhém paroplynovém cyklu.

Na závěr této podkapitoly je třeba uvést, že uhelná elektrárna o výkonu 1000MW zamoří atmosféru asi 10¹⁰Kg CO₂ ročně a navíc dalšími plyny jako jsou SO₂ nebo oxidy dusíku. Do ovzduší se také, i přes veškeré vybavení kvalitními odlučovači a odsířením, dostává popílek, který je často mírně radioaktivní. Z těchto důvodů jsou elektrárny na fosilní paliva a především uhelné elektrárny ve vyspělém světě spíše na ústupu. Jinak je tomu ovšem ve státech jako je Indie nebo Čína, které zažívají v současnosti velký průmyslový rozvoj a díky značným vlastním zásobám uhlí je pro ně výroba elektrické energie v tepelných elektrárnách z ekonomického hlediska velice výhodná. Pokud se ale na tento trend podíváme z hlediska ekologie, je to nebezpečné hazardování s osudem naší planety.

Situace uhelných elektráren se má v České Republice tak, že společnost ČEZ zahájila v roce 2005 projekt na přebudování některých elektráren na modernější technologie a u dalších plánuje postupné uzavírání provozů, hlavně díky nedostatku uhlí. V letech 2035-2050 postupně v závislosti na vyčerpání vhodných zásob uhlí dojde výraznému utlumení provozu tepelných elektráren v ČR. V nejbližší době hodlá ČEZ na přelomu let 2015 a 2016 zcela ukončit provoz Elektrárny Prunéřov I. Tato elektrárna by po roce 2015 bez zásadní rekonstrukce nevyhověla zpřísněným ekologickým parametrům podle nové legislativy. Navíc by pro ni na Dole Libouš, na potřebnou dobu provozu, nebyl dostatek uhlí. Dalším zařízením, které definitivně mezi léty 2015 a 2020 zastaví provoz (také především z důvodu nedostatku uhlí), je Elektrárna Mělník III. Podobný osud postihne i Elektrárnu Chvaletice, jejíž životnost je plánována jen do roku 2020. Tím pádem dnes vyvstává zásadní otázka jak tyto zdroje nahradit. Cesty je možno hledat jak ve výstavbě nových bloků jaderných elektráren, tak v dalším rozvoji využívání alternativních zdrojů elektrické energie, tak také v úsporách. Ve výsledku bude asi řešení kombinací všech tří výše zmíněných přístupů, protože k masivnímu nasazení větrných a fotovoltaických nebo geotermálních zdrojů u nás nejsou vhodné podmínky. Značně větší šanci na uplatnění má, ale nepochybně cesta úspor a hlavní tíha na zajištění dostatku elektrické energie u nás přejde na energetiku jadernou, o které se zmíníme v následující kapitole.

Zdroj: nadrevo.blogspot.com