Uhelné kondenzační elektrárny

Uhelné elektrárny jsou v současné době hojně využívaným zdrojem elektrické energie i přes svůj nepříznivý vliv na globální změnu klimatu vlivem vypouštěných emisí do ovzduší. Jsou stále hlavním zdrojem výroby elektřiny například i v Německu, které prosazuje v energetice směr postupného přechodu od výroby energie z fosilních paliv k čisté výrobě v obnovitelných zdrojích a prezentuje se jako země bojující proti globálnímu oteplování.

Důvodem pro stálé využívání uhelných elektráren je fakt, že jsou oproti obnovitelným zdrojům schopny dodávat energii vždy když je potřeba a navíc cena za jednotku generované elektřiny je nižší, než například u paroplynových elektráren, které vypouští do ovzduší více než o polovinu emisí méně.

Princip funkce uhelné kondenzační elektrárny

Zjednodušené schéma uhelné kondenzační elektrárny je na následujícím obrázku.

Nejprve je v povrchových či hlubinných dolech vytěženo uhlí, které na následně transportuje do elektrárny. V případě, že je důl vzdálen od elektrárny do několika kilometrů, využívají se k dopravě uhlí pásové dopravníky. Na větší vzdálenosti se uhlí převáží po železnici případně loďmi, záleží na dostupnosti jednotlivých druhů dopravy v dané lokalitě a jejich ekonomické výhodnosti.

Uhlí se poté uskladní na uhelných skládkách přímo u elektrárny. Velikost skládky je u elektráren v těsné blízkosti dolů zhruba taková, aby byla schopna zásobovat elektrárnu na sedm dní nepřetržitého provozu. Zatímco u ostatních elektráren jsou skládky tzv. dlouhodobé, které umožní provoz elektrárně po dobu až dvou měsíců.

Před spálením se uhlí upraví na požadované parametry, tedy zbaví se kamenů a nadrtí se na uhelných prach a pásovými dopravníky je převezeno do kotelny. Tam se uhlí rozemele na nejjemnější frakci a následně se vyfukuje spolu s předehřátým vzduchem prostřednictvím hořáků do spalovací komory kotle.

Zde začíná klasický termodynamický – Clause-Rankinův cyklus (resp. Rankinův cyklus)

Teplo uvolněné spalováním uhlí se předá v parogenerátoru pracovnímu médiu – vodě, dojde ke změně jejího skupenství, transformuje se na vodní páru. Následně se v přehřívači ohřeje pára na teplotu okolo 530 °C a zvýší se její  tlak až 16 MPa. V blocích pracujících s nadkritickými parametry páry je pak teplota ještě vyšší cca 600 °C a tlak dosahuje hodnot až 28 MPa.

Tato pára následně expanduje na turbíně (předá ji svou energii), která je mechanicky spojena s generátorem. Lopatky turbíny se pohybují rychlostí 3 000 nebo 1 500 otáček za sekundu v závislosti na počtu pólových dvojic (podrobněji zde), čímž je dosaženo požadované síťové frekvence 50 Hz.

Po vykonání práce putuje pára do kondenzátoru, kde kondenzuje na vodu s teplotou kolem 30 °C a tlakem 3 kPa.  Tato voda se ještě před uzavřením cyklu, tedy opětovným vstupem do parogenerátoru, ohřívá v regeneračních ohřívácích napájecí vody. Ohřátí se provádí pomocí tepelného výměníku pára/voda tím, že se odebere část horké páry z turbíny, která svou kondenzací ve výměníku zvýší teplotu napájecí vody. Tím se zvyšuje účinnost celého procesu výroby elektrické energie v kondenzačních elektrárnách.

Celková účinnost je u starších klasických bloků okolo 30 %, u dnešních nejmodernějších nadkritický bloků je možné dosahovat účinnosti přesahující 40 %.

Palivo

Využívá se různých druhů uhlí od hnědého s výhřevností 10 MJ/kg až po černé uhlí s výhřevností 24 MJ/kg. Pro české elektrárny se využívá především hnědého uhlí ze Sokolovské a Mostecké pánve v případě hnědého uhlí, zdrojem černého uhlí je potom Ostravsko-karvinská pánev.

Funkce kondenzačních elektráren v elektrizační soustavě

Kondenzační elektrárny vykrývají tzv. základní zatížení, nejsou totiž pružným a rychle regulovatelným zdrojem. To především díky vysoké tepelné kapacitě kotle, kdy není možné rychle snižovat nebo zvyšovat teplotu a tím tak měnit objem páry v systému. Regulace je možná změnou buzení rotoru, čemuž ale musí odpovídat adekvátní změna v množství páry na straně pohonu . Tento typ elektrárny tedy pracuje nejefektivněji při stabilním zatížení.

Pokud jde o kondenzační uhelné elektrárny, ty hrají obecně v současnosti velice významnou úlohu v české, evropské i celosvětové energetice. Tyto elektrárny využívají k výrobě elektřiny spalování uhlí, tedy fosilního paliva. Při energetickém využití uhlí vznikají škodlivé emise a samotná těžba této suroviny negativně ovlivňuje životní prostředí. Z těchto důvodů se ve všech státech, kde je brán v úvahu vliv člověka na životní prostředí,  počítá s postupným odstavováním uhelných elektráren a snižováním jejich podílu v energetickém mixu jednotlivých zemí (více zde). V příští dekádě budou však stále uhelné kondenzační elektrárny důležitým zdrojem pro vykrývání základního zatížení v elektrizační soustavě, protože nyní neexistují jiné výrobní kapacity, které by je dokázaly nahradit a umožnily tak jejich odstavení.