Paroplynová elektrárna – princip funkce

Paroplynové elektrárny jsou ve srovnání s uhelnými výrazně šetrnější k životnímu prostředí, zapadají do moderní energetické koncepce snažící se eliminovat emise škodlivin do ovzduší a svojí flexibilitou jsou navíc velmi vhodným doplněním obnovitelných zdrojů energie, které zaujímají stále silnější postavení ve výrobě elektřiny.

Jak vlastně paroplynová elektrárna funguje a proč se v současnosti stále upřednostňuje výroba v uhelných elektrárnách právě na úkor paroplynových?

Princip funkce paroplynové elektrárny

Paroplynová elektrárna využívá tzv. paroplynového cyklu. Ve skutečnosti se jedná o dva oběhy vzájemně spojené spalinovým kotlem – plynový – Braytonův cyklus a parní – Clause-Rankinův cyklus (resp. Rankinův cyklus)

První část tvoří plynový oběh – Braytonův cyklus, v rámci kterého se nejprve ohřátý a pomocí kompresoru stlačený vzduch na hodnotu 1,2-3 MPa vhání společně s palivem do spalovací komory. Vyšší tlak zajišťuje vyšší účinnosti při spalování paliva. Vzniklé spaliny o teplotě 800-1450 ˚C dále proudí do plynové turbíny, ve které se jejich energie přemění na energii kinetickou a následně pomocí generátoru, připojeného na hřídel turbíny, na elektřinu. Po výstupu z turbíny mají spaliny teplotu 400-700 ˚C a před vstupem do prostoru kotle mohou být pro zvýšení účinnosti ještě příhřány.

Ve spalinovém kotli navazuje parní cyklus, který zajišťuje přeměnu tepelné energie na energii elektrickou. Jedná se o uzavřený oběh vody a páry, skládající se z několika na sebe navazujících termodynamických dějů. Celý cyklus je téměř dokonale popsán Clause-Rankinovým cyklem. Využívá se tepelné energie pro přeměnu vody v páru o vysoké teplotě a tlaku, která následně odevzdá svou energii lopatkám parní turbíny. Energie turbíny je poté ve formě mechanické energie hřídele přenesena do generátoru, kde je přeměněna na energii elektrickou. V případě paroplynového cyklu se k ohřevu vody v kotli využívá zbytkové, odpadní energie spalin vystupujících z plynové turbíny.

Spojení obou výše zmíněných cyklů je využito předností každého z nich, což umožňuje dosáhnout vyšší účinnosti (42-58 %) než při provozování cyklů jednotlivě (plynový 28-38 %, parní 28-42 %). Účinnost tepleného oběhu se zvyšuje s rostoucí střední teplotou přívodu tepla do oběhu a klesající střední teplotou odvodu tepla z oběhu. Ke zvýšení účinnosti dochází využitím vysokého přívodu tepla ve spalovací turbíně současně s nízkou teplotou odvodu tepla v turbíně parní.

Palivo

Paroplynová elektrárna může být navržena pro využití buď kapalného, nebo plynného paliva. Nejčastěji využívaným palivem je zemní plyn, méně často topný olej. Dále se může jednat o plyny získané zplyňováním uhlí, biomasy nebo z různých technologických procesů, těch je ovšem využíváno jen výjimečně. Ze zmíněných plynů má jistou perspektivu využití integrovaného zplyňování uhlí v paroplynových elektrárnách (IGCC – Integrated gasification combustion cycle), patřící k tzv. technologiím čistého uhlí.

Výhody a nevýhody paroplynových elektráren

Jednou z největších předností paroplynových elektráren je jejich flexibilita neboli schopnost spuštění do několika minut a regulace výkonu, díky kterým je tento zdroj schopen stabilizovat elektrizační soustavu a reagovat na změny způsobené měnící se spotřebou nebo nestálou výrobou obnovitelných zdrojů. To je dáno vlastnostmi plynové části oběhu.

Další výhodou je nízká produkce emisí na jednotku vyrobené energie, především díky používanému typu paliva, ale také díky využití kombinovaného oběhu, ve kterém je vstupní energie využita vícenásobně. Oproti uhelným elektrárnám neprodukují paroplynové žádný popílek a emise SO2 jsou nižší až o 70 %.

Předností je také doba výstavby, která se pohybuje v rozmezí 30-40 měsíců, což je podstatně méně než v případě uhelných nebo jaderných elektráren. Navíc se paroplynové elektrárny dnes dodávají v podstatě „na klíč“ s cenou pohybující se okolo 500 EUR/kWe. Výsledné náklady poté závisí na technických a ekonomických podmínkách instalace a uvádění do provozu a pohybují se zhruba okolo 1000 EUR/kWe. Nejnákladnější část elektrárny je spalovací turbína.

Oproti ostatním zdrojům na fosilní paliva mají paroplynové elektrárny nižší investiční náklady, kratší dobu realizace a vyšší tepelnou účinnost.

Nevýhodou je nutnost využití drahého ušlechtilého paliva, což je důvodem, proč se v dnešní době upřednostňuje výroba v levnějších uhelných elektrárnách i přes jejich výrazně vyšší negativní vliv na životní prostředí a paroplynové elektrárny plní funkci zálohy při poruše nebo výpadku některého z využívaných zdrojů.

Vývoj paroplynových elektráren

Rozvoj technologie paroplynových oběhů navázal na vývoj leteckých proudových motorů započatý ve 30. letech 20. století. Rozmach zaznamenaly od konce 80. let s rostoucími zjištěnými zásobami zemního plynu. V současné době je jejich rozvoj podnícen především snahou o eliminaci produkce škodlivých emisí do ovzduší , za posledních 5 let bylo vybudovány stovky nových paroplynových zdrojů a instalovaný výkon vzrostl ze 400 MWe na několik tisíc. Nejvíce aktivní jsou v tomto směru Spojené státy a Japonsko, v Evropě především Velká Británie, Itálie a Španělsko.

V České republice jsou v současné době v provozu 3 paroplynové elektrárny. Elektrárna Vřesová o instalovaném výkonu 2 x 220 MW, která jako palivo využívá energoplyn vzniklý zplyňováním uhlí. Dále elektrárna Alpiq Kladno, využívána především jako špičkový zdroj. Elektrárna je schopna spalovat zemní plyn i topný olej a je navržena tak, aby bylo možno kdykoliv přepínat mezi požadovanými palivy. Maximální výkon elektrárny je 60 MW. Elektrárna v Počeradech o výkonu 838 MW byla vyzkoušena a zkolaudována koncem minulého roku, kdy jí také byla udělena licence na výrobu elektřiny. V současné době je elektrárna v dvouletém záručním provozu a její nasazení do výroby se bude odvíjet podle aktuální situace na trhu s elektřinou. Plnit bude především funkci disponibilního zdroje, který bude nasazován v době příznivé cenové situace na trhu v souladu s projektovým zadáním. To platí především pro podzimní a zimní měsíce, v létě bude elektrárna zakonzervována se schopností být k dispozici v rámci jednoho až tří dnů.

Úvodní fotografie: SaMin SAmIN