O centrală electrică este un amplasament industrial destinat producției de energie electrică . Centralele electrice furnizează energie electrică, prin rețeaua electrică , consumatorilor , persoanelor fizice sau industriașilor aflați departe de centrală. Producția de energie electrică este asigurată acolo prin conversia în energie electrică a unei energii primare care poate fi fie mecanică (forța vântului, forța apei râurilor, maree ...), fie chimică (reacțiile redox cu combustibili, fosil sau nu, cum ar fi biomasa ), fie nucleară sau solară .
Aceste energii primare pot fi regenerabile (biomasă etc. ) sau constituie resurse cu rezerve limitate (combustibili fosili etc. ).
Cu excepția centralelor fotovoltaice , electricitatea este generată de un alternator acționat de o turbină sau, pentru anumite sisteme insulare sau izolate, de un motor cu ardere internă (grup diesel cu o putere cuprinsă între câțiva MW și câteva zeci de MW).
Mecanice / electrice Eficiența conversiei a alternatoare este de aproximativ 98%. Majoritatea pierderilor apar deci în conversia termico-mecanică a mașinilor termice . Cogenerarea îmbunătățește eficiența globală a instalației prin sporirea energiei termice reziduale .
Sunt disponibile mai multe tehnologii de turbine în funcție de fluidul utilizat pentru a le acționa:
Dintre energiile primare transformate în energie electrică în centrale, se face distincția între așa-numitele energii „ regenerabile ” ( biomasă , energie solară , hidraulică și eoliană ) și cele de origine fosilă sau nucleară .
Combustibili fosili Ele sunt, și astăzi, energiile primare cele mai utilizate în lume pentru generarea de electricitate . Se folosește în principal cărbune, dar găsim și centrale electrice de petrol și gaze naturale, care sunt arse fie în cazane , fie în turbine cu ardere ( turbine cu gaz ), fie chiar în motoarele diesel care acționează un alternator . Alți combustibili Biomasei și a deșeurilor ( de gunoi) pot fi arse în cuptoare speciale, dar acești combustibili sunt folosite mai degrabă în rețelele de încălzire . Energie nucleară Provine din fisiunea uraniului, a cărei căldură este utilizată pentru a genera vapori de apă care antrenează o turbină cu abur . Energie geotermală Această căldură provine din adâncurile pământului sau din anumite locuri, cum ar fi Islanda. Energie solara Este utilizat fie în instalații termodinamice , unde vaporii de apă care urmează să fie turbinați sunt produși în cazane solare, fie în instalații fotovoltaice formate dintr-o multitudine de panouri . Energie hidraulică În centralele hidroelectrice , forța curentului râurilor ( centrale electrice de curgere ), a cascadei ( baraje , stâlpi ) sau a mareelor ( centrale de maree ) este utilizată pentru a conduce turbina care acționează alternatorul. Energie eoliana Forța vântului face posibilă acționarea directă a unui alternator.În 1878, în Europa, a fost construită o centrală hidraulică de 7 kW în St. Moritz .
Prima centrală electrică din America, Pearl Street Station , a intrat în funcțiune pe4 septembrie 1882de Thomas Edison în partea de jos a Manhattan-ului , care rulează iluminat electric pentru birourile New York Times și alte clădiri din jurul Wall Street . Centrala electrică care furnizează numai curent continuu poate alimenta eficient doar o mică zonă geografică. Primul generator, numit „Jumbo”, este mult mai puțin eficient decât cel de astăzi: are un randament de 3 până la 4 % din energia cărbunelui utilizat. Câțiva ani mai târziu, însă, Edison a văzut interesul cogenerării prin utilizarea excesului de căldură produsă de generatorul electric pentru încălzirea clădirilor.
La începutul XX - lea secol, toate centralele electrice moderne folosesc mașini de supraincalzire mai multe extinderi, compus , în general , și cu o capacitate de 1.000 la 10.000 de cai . De la 1.500 la 2.000 de cai putere, expansiunea triplă, uneori expansiunea cvadruplă, este utilizată într-un număr destul de mare de cazuri. Amplasarea centralelor electrice este aleasă în funcție de proximitatea căilor ferate care furnizează combustibil și de apropierea cursului de apă, necesară pentru alimentarea cazanelor și pentru răcirea condensatorului . Mărimea mașinilor și greutatea ridicată a diferitelor componente ale acestora devin o adevărată neplăcere pentru centralele mari, situate în locații adesea mici și unde terenul este scump. Aceasta este ceea ce duce treptat la utilizarea turbinelor cu abur . În primul rând, cele două sisteme coexistă.
Invenția turbinei moderne cu abur în 1884 de către Sir Charles Parsons a pus la dispoziție energie electrică ieftină și abundentă și a revoluționat transportul maritim și marina. Are prioritate față de motorul cu aburi , care este detronat. Primul model este conectat la o dinamă care generează electricitate de 7,5 kW ( 10 CP ). Demonstrația completă a eficienței turbinei este realizată în Erbelfeld , Germania, cu o unitate de 1000 kW . Licența sa a fost brevetată, iar turbina a fost îmbunătățită la scurt timp de George Westinghouse . Puterea turbinelor Parsons se dovedește, de asemenea, scalabilă pe scară largă. Parsons are satisfacția de a vedea invenția sa adoptată de toate centralele majore din lume, iar dimensiunea generatoarelor a crescut de la prima, de la 7,5 kW la unități cu o capacitate de 50.000 kW . În timpul vieții lui Parson, capacitatea de producție a unei unități este înmulțită cu aproximativ 10.000. Baza teoretică și științifică deja foarte elaborată explică evoluția turbinei, spre deosebire de ceea ce s-a întâmplat pentru mașina cu aburi.
Revenirea la scară , un proces invers de tip salient (evidențiat de Thomas Parke Hughes ), este forța motrice a inovației din anii 1890. Producția și transportul de energie electrică necesită mobilizarea unor cantități mari și în creștere. bun stocabil. Există avantaje evidente în concentrarea energiei electrice. Miza de afaceri a Niagara Falls Power Company pe râul Niagara , finanțată de oameni de afaceri notabili precum JP Morgan , John Jacob Astor IV , Lord Rothschild și WK Vanderbilt , este de a prezice că puterea produsă nu va fi utilizată doar pentru iluminarea orașului. din Buffalo , dar și pentru a furniza energie electromotoare industriilor care s-au instalat în apropierea uzinei. Comisia internațională de la Niagara din 1891, comandată de Edward Dean Adams și prezidată de Lord Kelvin , dobândită în curent alternativ, a impus Westinghouse ca unic interlocutor. Buffalo a fost alimentat cu curent alternativ în 1896, iar în Niagara Falls , cum ar fi Alcoa, au fost stabilite unități electro-metalurgice și electrochimice . Numărul motoarelor electrice a fost de 16.900 în 1899 și 388.000 în 1909, jumătate dintre ele funcționând pe curent alternativ .
La șase ani după primul Edison central, lucrările la AC de la Nikola Tesla transportau curentul electric la o distanță mult mai mare decât curentul continuu prin generator și transformator și liniile de alimentare , deci pentru a limita numărul de centrale electrice necesare, dar și pentru a reduceți pierderile de linie ohmică în timp ce utilizați mai puțin cupru decât cu o linie de joasă tensiune.
În Franța, unitățile de producție EDF între 1950 și 1970 au continuat să crească în putere: 125 MW pentru unitățile comandate în 1955; 250 MW pentru unitățile puse în funcțiune în 1961; 250 MW pentru unitățile puse în funcțiune în 1968; 700 MW (termic convențional) și 900 MW (nuclear termic) pentru unitățile în construcție în 1972. Condensatorul pentru o unitate termică de 700 MW fiind proiectat pentru un debit de 17 m 3 / s , cel al unei centrale nucleare de 900 MW , pentru un debit de 40 m 3 / s (circuit deschis), numai râurile mari (Rinul, Rhône, Sena și Loire) sau coastele maritime pot găzdui centrale electrice cu circuit deschis de mare putere (c 'adică fără agent frigorific atmosferic).
Natura extrem de centralizată a producției și dependența de rețeaua electrică THT îi fac vulnerabili la orice incident .
Combustibili fosili primariPrincipalele dezavantaje ale surselor de energie fosilă sunt că acestea sunt epuizabile, produc dioxid de carbon , unul dintre principalele gaze cu efect de seră și provoacă poluarea aerului (în special poluarea cu acid).
Un 2008 Raportul AEM , pe baza unei comparații între centralele electrice ale UE-25 , care au pus în aplicare „bunele practici“ și altele, arată că există încă un potențial semnificativ de reducere a emisiilor. De SO 2și NO x, dacă toate plantele au folosit cele mai bune tehnici disponibile (BAT).
Un studiu este planificat pentru UE Cu privire la efectul aplicării directivei LCP (ro) și la noile valori limită de emisie (ELV) care vizează reducerea cu 70% a SO 2și NO x( Directiva IPPC ). Alte studii se concentrează asupra posibilității de captare a CO 2 produs și depozitați-l în subteran (în vechile câmpuri de hidrocarburi epuizate sau în acvifere saline), dar aceste soluții sunt încă în stadiul experimental și consumă energie.
Aceste centrale electrice induc dependență de producătorii de resurse (gaz, petrol, cărbune etc.).
Producția de energie este independentă de condițiile meteorologice, sursa de energie poate fi (într-o anumită măsură) ușor stocată și puterea unitară a centralelor poate fi foarte mare.
Acestea permit realizarea cogenerării atunci când o nevoie semnificativă de căldură (aglomerări, industrii chimice, sere etc.) este situată în apropierea centralei termice.
Căldura centrală includ:
Cu excepția centralelor electrice cu turbine de ardere și a celor cu motoare cu ardere internă, centralele termice utilizează un ciclu de abur.
Principiul ciclului de aburÎntr-un generator de abur (numit și cazan), apa sub presiune este vaporizată și supraîncălzită. Apoi este admisă într-o turbină cu aburi, unde este relaxată. În timpul acestei expansiuni, energia conținută în abur este transformată în energie mecanică și acționează rotorul rotorului turbinei cuplat la alternator în rotație. Vaporii dilatați sunt apoi admiși într-un condensator unde apa se găsește în faza lichidă. Această apă este apoi returnată la cazan folosind pompe pentru alimente și începe din nou pentru un nou ciclu.
În practică și pentru a îmbunătăți eficiența termodinamică, turbina cu aburi este alcătuită din 2 (sau chiar 3) corpuri: la ieșirea primului corp (numit HP, pentru presiune ridicată) aburul este returnat la cazan unde este re- supraîncălzit înainte pentru a alimenta al doilea corp (MP: presiune medie).
Centrale termice convenționaleCele mai comune centrale electrice sunt formate dintr-un cazan și o turbină cu abur ( ciclul Rankine ). Combustibilul lor este cel mai adesea cărbune, dar există și cazane care utilizează biomasă , gaze naturale , petrol , păcură sau deșeuri municipale.
Majoritatea centralelor electrice pe cărbune sunt de tip „cărbune pulverizat”, unde cărbunele este redus la o pulbere foarte fină în concasoare și injectat în vatra cuptorului. Cele mai recente plante au un ciclu de abur supercritic , care permite o eficiență de peste 45%.
Unele centrale electrice recente pe cărbune includ cazane cu pat fluidizat în circulație. Principiul cazanului cu pat fluidizat circulant este de a arde cărbune fin măcinate cu adaos de agregate de calcar sau nisip în suspensie în aer, la o temperatură de la 800 până la la 900 ° C . Patul circulă în buclă până la arderea completă a cărbunelui. Temperatura moderată împiedică formarea de oxizi de azot și prezența calcarului permite desulfurarea vaporilor. Se face distincția între cazanele cu pat fluidizat atmosferic și cazanele cu pat fluidizat sub presiune.
Centrul nuclearCentralele nucleare folosesc și cicluri de conversie termodinamică: în reactorul nuclear , energia obținută ca urmare a reacției de fisiune a uraniului și plutoniului este sursa de căldură utilizată. Un circuit primar răcește reactorul și transferă căldura degajată către un generator de abur (cazan) care produce vapori de apă care alimentează turbina cu abur, ca într-o centrală termică convențională. În prezent, centralele nucleare produc aproximativ 15% din electricitatea lumii. Nu emit dioxid de carbon (CO 2) spre deosebire de centralele electrice cu flacără convenționale, dar acestea generează deșeuri radioactive , care trebuie conținute , iar riscul de accident, ca în orice afacere, nu poate fi exclus. Probabilitatea producerii unui astfel de accident la centralele electrice moderne este supusă dezbaterii .
Centrale solare termodinamice PrincipiuExistă trei tipuri principale de centrale solare termodinamice :
Solar Planta turn termice concentrate energiei solare prin intermediul unor șiruri de oglinzi aranjate într - un arc de cerc care se confruntă calea Soarelui , care reflecta razele solare , la un singur punct, focalizarea . Pentru ca focalizarea să nu schimbe poziția în timpul evoluției stelei, oglinzile sunt reglabile și controlate de un sistem centralizat. În acest șemineu, un cazan care conține un lichid servește drept colector de energie.
Cele parabolice plante oglindă utilizarile curbate oglinzi cu care se confruntă sud (în emisfera nordică ), care se concentrează radiația pe un tub umplut cu un fluid de transfer termic , care , astfel , se încălzește. Acest fluid este, în general, un ulei, săruri topite sau apă care, supraîncălzită de energie solară termică , este transportată către o turbină cu abur .
Semineu solar foloseste solare de energie pentru a încălzi aerul conținut într - o seră uriașă. Aerul încălzit, mai ușor, se ridică într-un coș de fum unde pune în mișcare turbine.
Obstacole, defecte sau dezavantajeProblema esențială a acestui tip de centrală este că energia solară este într-o cantitate relativ mică într-un anumit punct de pe Pământ ( constanta solară de 340 W / m 2 în medie) și că folosește doar căldură radiată ( radiații infraroșii ). Densitatea puterii este redusă, dar mult mai mare decât cea a fotovoltaicii.
În plus, producția este intermitentă (zi / noapte și intermitentă sezonieră) și local imprevizibilă pe termen mediu (pericol meteorologic). Pentru a reduce intermitența zi / noapte sau chiar a permite producția 24 de ore pe zi, cele mai moderne centrale electrice (cum ar fi Andasol în Spania) sunt echipate cu rezervoare pentru stocarea sărurilor topite fierbinți. Depozitarea căldurii se poate face și prin materiale cu capacitate calorică ridicată, cum ar fi roci de tip vulcanic aduse la temperaturi foarte ridicate.
Centrale geotermale PrincipiuPământul este compus dintr-o crustă, așezată pe o manta de rocă topită. Principiul energiei geotermale constă în săparea unei găuri în această crustă, trimiterea unui fluid de transfer de căldură pe fund folosind o conductă și recuperarea acestui fluid încălzit care se ridică printr-o altă conductă. Această căldură transformă turbinele care acționează alternatoare . Această energie este folosită în mod obișnuit în Islanda, unde este ușor de utilizat.
Obstacole, defecte sau dezavantajePrin urmare, investitorii părăsesc geologii pentru moment pentru a căuta zone cu caracteristici favorabile înainte de a începe acest tip de proiect.
Turbina cu gaz ciclu simplu sunt ieftine pentru a construi, cu atât mai mult , au avantajul de a începe foarte repede (spre deosebire de termocentralele convenționale cu abur , care au o anumită inerție). Cu toate acestea, eficiența lor scăzută (în cel mai bun caz 35%, fără a-și evalua căldura reziduală) limitează utilizarea lor pentru producerea de energie electrică, cu excepția cazului de rezervă în timpul vârfurilor cererii sau la scară foarte mică, sau chiar în țările producătoare de petrol. sau gaz.
Ciclu combinatCiclul combinat constă în recuperarea energiei termice a gazelor foarte fierbinți la evacuare a turbinei de ardere (acum mai mare de 600 ° C ), pentru a produce, într - un cazan recuperator, vapori de apă utilizată pentru alimentarea unui combustibil cu abur grup turbo-alternator. . Această soluție permite o creștere semnificativă a eficienței energetice generale a instalației, ajungând la 50 până la 60% . În general, acest tip de instalație cuprinde doi alternatori, unul acționat de turbina de ardere, celălalt de turbina cu abur. Această soluție face posibilă, de la oprirea completă, pornirea rapidă a turbinei de ardere, turbina cu abur având un timp de pornire mai lung; acest aranjament are dezavantajul de a fi mai voluminos decât soluția cu un singur alternator în care cele două turbine sunt montate pe aceeași linie de arbori. Puterea turbinei cu abur fiind de aproximativ 50% din puterea turbinei de ardere, constructorii de centrale electrice au instalat două turbine de ardere pe unele locații, fiecare acționând un alternator și o turbină cu abur alimentată de cele două cazane și conducând un al treilea alternator identic celorlalți doi.
CogenerareÎn cazul unei turbine cu abur care acționează un generator de electricitate, cogenerarea (sau trigenerarea ) nu crește eficiența electrică, ci pur și simplu trimite gazele fierbinți la ieșirea turbinei către un proces industrial care consumă căldură. Sau un cazan de recuperare care produce abur. utilizat într-un proces industrial. Eficiența obținută este o eficiență generală: eficiență electrică plus eficiență de transfer de căldură Scopul principal este adesea procesul industrial, producția de energie electrică fiind supusă nevoii de căldură.
Unele centrale electrice utilizează motoare diesel pentru a conduce alternatoarele. Acesta este cazul în special cu centralele electrice Vazzio și Lucciana din Corsica .
Centrale electrice temporare, constând în instalarea de generatoare industriale și sincronizate, pot fi instalate în câteva săptămâni sau chiar în câteva zile pentru a suplini ocazional lipsurile de resurse de producție sau întreruperile liniilor de curent.
Hidroenergetic a fost mult timp o soluție utilizată în producerea de energie (numită și hidro ), care utilizează energia regenerabilă.
La constricția malurilor unui curs de apă se ridică un baraj care creează un rezervor de apă. La poalele acestui baraj, sau chiar mai jos, folosind penstock , sunt instalate turbine conectate la alternatoare . Turbinele sunt alimentate cu apă sub presiune printr-un sistem de țevi și regulatoare de debit.
Există diferite tipuri de centrale hidroelectrice, în special micro-centrale , instalate pe râuri în capul bazinului, unele cu un puternic impact ecologic.
Există, de asemenea, centrale hidroelectrice cu stocare pompată care permit acumularea de energie din alte situri de producție inflexibile (cum ar fi centralele nucleare) sau intermitente (producția eoliană sau solară) atunci când consumul este redus, pentru a fi restabilit în timpul consumului maxim.
Apa din mări și oceane poate fi folosită și pentru a genera electricitate.
Există patru forme principale de energie marină:
Într-o centrală eoliană , energia electrică este produsă direct de generatoarele eoliene . Aceste mașini constau dintr-un catarg, pe care este instalat un generator electric acționat de o elice , sunt poziționate în mod ideal pe corpuri de apă sau pe dealuri cu vânt. Alternatorul transformă această energie mecanică în energie electrică.
Principalele defecte ale turbinelor eoliene sunt:
Această metodă de producere a energiei electrice cu energie solară utilizează raze de lumină de la soare, care sunt transformate direct într-un curent electric de către celule bazate pe siliciu sau alt material cu proprietăți de conversie a luminii / electricității. Fiecare celulă furnizează o tensiune scăzută, celulele sunt asamblate în panouri.
Acest sistem, deși are o eficiență redusă, este foarte simplu de implementat și deosebit de ușor. Inventat pentru nevoile sateliților militari artificiali, acesta este acum utilizat pe scară largă pentru producția de electricitate locală sau la bord. Acest mijloc poate fi utilizat ca mijloc de producție la nivel individual. Într-o casă unifamilială, 20 m 2 de panouri produc pe tot parcursul unui an ceea ce consumă o gospodărie de patru persoane. Acestea sunt recomandate în construcția așa-numitelor case „autonome” sau „pasive”.
Din panourile solare plasate la bordul navelor, vehiculelor terestre, sateliților și navelor spațiale, susținute de o baterie de stocare . Acești acumulatori furnizează energie în perioadele de producție redusă sau redusă a panourilor și stochează excesul de electricitate în perioadele de producție ridicată.
Există proiecte de centrale solare în spațiu. Dar pe lângă problema transportului de energie electrică pe pământ, ar fi mai întâi necesar să transportăm și să asamblăm mii de tone de echipamente pe orbită, ca să nu mai vorbim de problemele de întreținere cauzate de un astfel de sistem.
Într-o casă unifamilială, există 2 preocupări:
„Această nouă centrală diesel de 220 MW va fi echipată cu 12 motoare de 18,3 MW . "