O centrală termică este o centrală electrică care funcționează dintr-o sursă de căldură conform principiului mașinilor termice . Această transformare are loc fie direct, prin expansiunea gazelor de ardere, fie indirect, printr-un ciclu apă-abur, de exemplu. Facilitățile de cogenerare folosesc, de asemenea, o parte din căldura reziduală pentru alte aplicații, cum ar fi rețelele de încălzire .
Originea acestei surse de căldură depinde de tipul centralei termice:
Centralele termice sunt construite în jurul unei mașini termice care acționează un alternator care produce energie electrică. Aceste mașini termice pot fi cu combustie externă ( turbine cu abur , motor cu abur ) sau cu combustie internă ( motor diesel , turbină cu combustie ). O turbină cu abur și o turbină cu ardere pot coexista într-o centrală electrică cu ciclu combinat pentru a îmbunătăți eficiența generală. Randamentul poate fi îmbunătățit în continuare printr-un proces de cogenerare sau trigenerare .
Inima unui motor cu turbină cu ardere , care aprinde combustibilul (gaz, lichid sau solid fluidizat ) determină expansiunea aerului de admisie. În expansiunea sa, acest lucru determină rotirea roților turbinei, care, la rândul său, acționează un alternator cuplat. În cele din urmă, alternatorul transformă energia mecanică a turbinei în energie electrică .
Funcționarea unei centrale cu turbină cu abur este similară, fluidul de lucru fiind vapori de apă în loc de aer. Sursa fierbinte ( fisiune nucleară , cărbune, incinerare ...) căldurile apa (direct sau indirect), care se schimbă de la starea lichidă la vapori de stat . Aburul astfel produs este admis în turbină, care acționează un alternator.
La ieșirea turbinei, aburul este condensat într - un condensator furnizat de o sursă rece ( mare de apă, dulce râu de apă , etc.) și se găsește în stare lichidă. Condensatul obținut este în final a revenit la sistemul de alimentare cu apă pentru un nou ciclu de vaporizare.
Principalele componente ale unei centrale termice sunt:
Principiul de funcționare simplificat este următorul:
În practică, funcționarea este puțin mai complexă, deoarece sunt furnizate mai multe dispozitive pentru a îmbunătăți eficiența. De exemplu :
CHP este de a produce energie electrică și termică în comun pentru un proces industrial sau de termoficare , în scopul de a îmbunătăți eficiența generală a unei centrale termice. Pentru a face acest lucru, schimbătoarele de căldură recuperează o parte din energia fatală din gazele arse sau din apa de răcire pentru a îmbunătăți eficiența ansamblului.
Centralele termice se încadrează în mai multe categorii, în funcție de natura sursei lor de căldură:
În acest tip de instalație cu flacără, combustibilul este ars într-un cazan , căldura astfel eliberată produce abur sub presiune, care acționează turbina cu abur .
Centrale electrice pe cărbuneCentralele electrice pe bază de cărbune sunt cele mai răspândite în lume, în special în țările cu rezerve de cărbune mari ( India , China , Statele Unite ale Americii , Germania , etc. ).
În 2016, acestea furnizau în jur de 40% din producția globală de energie electrică, dar centrele electrice pe cărbune au început să scadă cu 62% în 2016 la 65 GW , iar numărul proiectelor anunțate și autorizate a scăzut. 48% între începutul anului 2016 și începutul anului 2017, la 569 GW . Cu toate acestea, capacitatea instalată a continuat să crească în 2016, cu 1.964 GW , sau + 3%; puterea centralelor finalizate în cursul anului este încă de trei ori mai mare decât cea a centralelor închise, care au atins totuși un nivel record. Proiectele înghețate care așteaptă decizii politice sau economice au atins 607 GW .
Pentru prima dată, capacitățile globale ale centralelor electrice pe cărbune au scăzut ușor în prima jumătate a anului 2020: −3 GW dintr-o flotă totală de 2.047 GW , potrivit raportului publicat de Global Energy Monitor. Închiderile au totalizat 21 GW , inclusiv 8 GW în Europa și 5 GW în Statele Unite; deschiderile au atins 18 GW , inclusiv 11 GW în China și 1,8 GW în Japonia. În ultimele două decenii, capacitatea globală a crescut cu o rată medie de 25 GW pe semestru. China concentrează aproape jumătate din proiectele centralei electrice (peste 250 GW ), urmată de India (65 GW ), Turcia și Indonezia. Un total de 190 GW de centrale electrice pe cărbune sunt în construcție la nivel mondial și sunt planificate 332 GW suplimentare.
Câteva zeci de MW la mijlocul anilor XX - lea secol, capacitatea lor de unitate a crescut rapid să depășească acum 1.000 MW . Odată cu creșterea puterii lor unitare, eficiența lor a fost îmbunătățită prin creșterea presiunii și temperaturii aburului utilizat. Din valorile obișnuite de 180 de bare și 540 ° C care au fost întâlnite în anii 1970, valorile supercritice de peste 250 de bare și 600 ° C sunt acum atinse .
Astfel au reușit să mențină o anumită competitivitate în comparație cu alte tipuri de centrale electrice.
Mai multe dispozitive își reduc emisiile poluante. Praful ( funinginea ) conținut în vapori este captat de precipitatori electrostatici (sau în unele țări, de filtre de sac ), de oxizi de sulf (SO 2, SO 3) sunt prinși în unități de desulfurare (FGDs în engleză: " desulfurization gaze arse " ) care fac recuperarea cenușii zburătoare mai puțin dificilă pentru inginerie civilă și mai recent au apărut echipamente care elimină oxizii de azot (NOx) (SCR în engleză: " catalizator selectiv reducere " ).
Dezvoltările în curs se referă la captarea CO 2în centralele termice. Într-adevăr, producția de energie electrică din cărbune este principalul emitent de gaze cu efect de seră din lume. Mai multe tehnologii sunt studiate în paralel:
Toate aceste tehnici au dezavantajul de a consuma multă energie și, prin urmare, de a reduce randamentul net cu aproximativ zece puncte .
În Franța, din 2004, cărbunele nu mai este extras din mine, dar cărbunele importat este încă utilizat pentru producerea de energie termică în perioadele de vârf. În 2016, cu 7,3 TWh , a reprezentat 1,4% din energia electrică produsă în Franța și aproximativ 13% din energia electrică de origine non-nucleară termică.
Impactul asupra mediului și sănătățiiCentralele electrice pe cărbune rămân sursele principale de emisii de gaze cu efect de seră , gaze precursoare ale ozonului troposferic și producția de funingine, în special în China și Statele Unite. Potrivit unui studiu, centralele electrice pe cărbune din principalele 20 de țări ale Uniunii Europene au provocat 23.000 de decese premature în Europa în 2013, inclusiv 1.380 în Franța; Se spune că centrele electrice franceze pe cărbune au cauzat 390 de decese premature în Europa, inclusiv 50 în Franța.
De exemplu, conform Agenției pentru Protecția Mediului , acestea sunt responsabile pentru 28% din nichel , 62% din arsenic , 13% din NOx , 77% din acizi , 60% din aerosoli acidifianți pe bază de SO 2 ., 50% din mercur și 22% din crom găsit în masele de aer din Statele Unite (care apoi se îndreaptă spre Europa peste Oceanul Atlantic ). În aceste țări avansate industrial, în comparație cu incineratoarele de deșeuri medicale și menajere , centralele pe cărbune au cel mai puțin îmbunătățit performanța lor generală în ceea ce privește emisiile de mercur în aer; emisiile lor pe tonă de cărbune ars au scăzut cu doar 10% în Statele Unite în 15 ani (din 1990 până în 2005), în timp ce emisiile de mercur de la incineratoarele de deșeuri medicale au scăzut între timp cu 98%, iar cele ale incineratoarelor de deșeuri cu 96%.
Apele lor de răcire sau reziduale pot conține biocide pe bază de clor sau brom și sunt adesea o sursă de încălzire a apei de suprafață ( poluare termică , care poate afecta viața și anumite echilibre acvatice. Cenușa zburătoare din cărbuni poluează, degradează monumentele și poate conține radionuclizi eliberați în aerul sau prin reziduuri.
Central la cărbune activ în G7 poate costa lume 450 miliarde $ pe an , până la sfârșitul anului al XXI - lea secol, potrivit ONG - ului Oxfam . Contribuția G7 la încălzirea globală va costa doar Africa mai mult de 43 de miliarde de dolari pe an până în anii 2080 și 84 de miliarde de dolari până în 2100. „Fiecare centrală electrică pe cărbune poate fi considerată o armă de distrugere a climei care intensifică schimbarea condițiilor meteorologice cu dezastruoase consecințe pentru culturi, creșterea prețurilor la produsele alimentare și în cele din urmă crește numărul de persoane care suferă de foame“ .
Câteva țări care sunt foarte dependente de cărbune au inițiat o ieșire din această sursă de energie, inclusiv, de exemplu, Franța, Regatul Unit, Italia și mai recent Germania și Chile. Acesta din urmă, care urma să găzduiască la sfârșitul anului 2019 cea de-a 25- a Conferință a ONU privind schimbările climatice (COP25), a anunțat în aprilie 2019 că nu mai vrea să construiască nicio uzină de cărbune și, în iunie 2019, va închide în termen de cinci ani, opt din cele 28 centrale electrice pe cărbune. Aceste opt centrale reprezintă 20% din capacitatea energetică a țării; închiderea acestora va reduce emisiile de CO 2sectorul electricității de la 30 Mt / an (milioane de tone pe an) la 4 Mt / an ; centralele termice pe cărbune totalizează 5.500 de megawați și produc 40% din energia electrică a țării. Planul energetic chilian vizează 100% electricitate din surse regenerabile până în 2040. Cu toate acestea, președintele Sebastián Piñera a precizat că țara va păstra aceste centrale în „rezerva strategică”.
Reducerea poluării centralelor electrice pe cărbuneCazanele cu pat fluidizat circulant au fost dezvoltate din 1980. Temperatura lor de focar mult mai scăzută ( 850 ° C ) scade formarea oxidului de azot (NO x ), iar calcarul adăugat în patul lor reacționează cu oxizii de azot . Prin urmare, producția de abur este mai puțin poluantă și întâlnim termenul „cărbune curat” pentru a le caracteriza. Cu toate acestea, dimensiunea lor actuală (300 până la 400 MW ) nu le permite să concureze cu cazanele convenționale de mare putere.
Mai recent, s-a dezvoltat tehnologia centralelor electrice pe cărbune de înaltă eficiență, cunoscută sub numele de „supercritică”, în care apa este supusă unei temperaturi și presiuni astfel încât să treacă direct de la un lichid la o stare gazoasă: câștigă eficiența din această operațiune reduce necesarul de combustibil și, prin urmare, emisiile în atmosferă de CO 2legat de arderea cărbunelui. Cu cât temperatura și presiunea cresc, cu atât este mai important câștigul din punct de vedere al eficienței, precum și reducerea impactului asupra mediului. Se spune că o plantă este „supercritică” atunci când temperatura depășește 565 de grade și presiunea depășește 250 de bari. Peste 300 de bare și 585 ° C , se spune că instalația este „ultra-supercritică” și face posibilă reducerea combustibilului utilizat cu aproximativ 20% și, prin urmare, cu 20% emisiile de carbon (CO 2), dar și împărțirea emisiilor de oxid de azot (NO x ) la șapte și a emisiilor de oxid de sulf (SO x ) cu mai mult de zece . De exemplu, EDF și electricianul China Datang Corporation (CDT) au comandat în 2016 prima centrală electrică pe cărbune de înaltă eficiență operată de EDF. Tehnologia utilizată oferă o eficiență de aproape 44% (comparativ cu 35% pentru o centrală convențională pe cărbune), precum și un impact redus asupra mediului: 800 g / kWh de emisii de CO 2contra 900 g / kWh pentru o centrală electrică convențională pe cărbune; 100 mg / Nm 3 de emisii de NO x și SO x , comparativ cu 720 mg / Nm 3 și, respectiv, 1.300 mg / Nm 3 pentru o centrală electrică pe cărbune fără tratarea gazelor arse.
Viitorul centralelor electrice pe cărbune din EuropaPonderea cărbunelui și lignitului în producția de energie electrică a Uniunii Europene a scăzut cu 21% între 1990 și 2014, sau 1% pe an, conform cifrelor Agenției Europene de Mediu .
În 2016, 16 centrale electrice pe cărbune au fost închise în Europa, inclusiv ultima centrală belgiană, ceea ce face din Belgia prima țară din Europa care elimină treptat cărbunele. Cu toate acestea, 293 de centrale electrice sunt încă în funcțiune, deși aproape 80% nu mai sunt profitabile.
În 2017, Franța are încă patru centrale electrice pe cărbune, inclusiv cinci unități de producție, abandonarea cărbunelui ar trebui să aibă loc în 2022. Emmanuel Macron declară: „până la sfârșitul mandatului de cinci ani, voi fi închis tot cărbunele- centrale electrice concediate. " . O misiune interministerială este responsabilă pentru pregătirea acestui termen. Cu toate acestea, abandonarea cărbunelui nu va fi ușoară, deoarece aceste patru centrale termice joacă un rol major în depășirea vârfurilor de iarnă din Franța și angajează mai mult de o mie de oameni.
Experții de la Climate Analytics (în) subliniază că două țări, Germania și Polonia , au 51% din capacitatea instalată și sunt responsabili pentru 54% din emisiile provenite de la centralele de cărbune. „Există o diferență tot mai mare între statele membre în abordarea lor cu privire la viitorul cărbunelui” , observă aceștia, lamentând construcția sau planurile de centrale electrice pe cărbune în unele țări precum Polonia și Grecia .
3 noiembrie 2017, aproximativ treizeci de asociații de mediu lansează campania „ Europa dincolo de cărbune ” pentru „accelerarea eliminării treptate a cărbunelui în întreaga Uniune Europeană” .
În 2019, pentru prima dată în Europa, centralele pe gaz au produs mai multă energie electrică decât centralele pe cărbune.
În 2020, Suedia și Austria își închid ultima fabrică, înaintea previziunilor lor. EDP , o companie portugheză de energie, își anunță ieșirea din cărbune în 2021. Spania închide 7 centrale electrice îniunie 2020, la un an și jumătate după închiderea minelor de cărbune, pentru a evita costurile adaptării lor la reglementările europene, iar patru din cele opt centrale electrice rămase au solicitat o autorizație de închidere.
Aproape 40 de centrale electrice sunt așteptate să se închidă în următorii ani în Finlanda , Franța , Italia , Țările de Jos , Portugalia și Regatul Unit , întrucât aceste țări au ales să elimine cărbunele până cel târziu în 2030.
Centrale electrice pe bază de petrolAcest tip de instalație arde păcură într-un cazan care produce abur, care transformă o turbină care acționează un alternator pentru a produce electricitate.
Funcționarea sa este destul de similară cu cea descrisă pentru centralele electrice pe cărbune, diferențele principale afectând doar cazanul și auxiliarii acestuia, acestea fiind specifice pentru un combustibil lichid.
Centrale electrice pe gazÎn unele țări producătoare de gaze naturale , există încă centrale electrice vechi, similare centralelor electrice pe bază de petrol , dar folosind gaz ca combustibil, în loc de combustibil, pentru a produce aburul pentru turbină . Funcționarea lor este identică, dar cazanul este dimensionat special pentru acest combustibil gazos. Începând cu anii 1990 și creșterea turbinelor de ardere (în ciclu simplu sau combinat ), acest tip de centrală electrică a devenit redusă în favoarea centralelor cu turbine de ardere, în special datorită eficienței mai bune a acestor turbine cu ciclu combinat . Eficiența ciclului combinat de gaz al centralei termice Bouchain depășește astfel 62%.
Centrale electrice cu biomasăÎn Europa, centralele electrice la scară largă funcționează deja pe biomasă, unele dintre ele de 25 de ani în Scandinavia. Mai recent, pentru producția de electricitate termică, cogenerarea de energie electrică și căldură înlocuiește treptat instalațiile pure de producere a energiei electrice. Dar în anumite țări sau în anumite regiuni, operatorii energetici întâmpină dificultăți în această conversie, în special din cauza lipsei de infrastructură capabilă să exploateze căldura de cogenerare, cum ar fi rețelele de termoficare. În ciuda acestui fapt, pentru a avansa în tranziția energetică și, în așteptarea înființării treptate a acestor infrastructuri, operatorii aleg uneori să-și convertească mijloacele de producție termică existente de la cărbune la biomasă. Acesta a fost cazul în multe site-uri din Regatul Unit, Polonia, Olanda sau în regiuni precum Valonia sau Provence. Programate pentru perioade de funcționare de aproximativ douăzeci de ani, acestea permit, în această perioadă de tranziție, pe de o parte să oprească imediat utilizarea cărbunelui și, pe de altă parte, să mențină capacitățile de producție în timp ce se așteaptă consumul de energie electrică, este mai bine controlat și altele mai eficiente sunt puse la dispoziție dispozitive, cum ar fi cogenerarea sau stocarea energiilor regenerabile intermitente.
Printre cele mai notabile centrale cu biomasă se numără centrala electrică Drax (4000 MW ) din Regatul Unit și centrala termică Provence (150 MW ) din Gardanne.
În Franța, 31 decembrie 2020, capacitatea instalată a centralelor din sectorul bioenergetic a ajuns la 2.171,5 MW , inclusiv 680,3 MW (31,3%) de centrale care utilizează lemn și alți biocombustibili solizi (+ 3,1%). Aceste centrale au produs 9,6 TWh în 2020, sau 2,0% din producția de energie electrică a țării, inclusiv 2,5 TWh pentru instalațiile de biomasă solidă (lemn etc. ).
În februarie 2021, 500 de oameni de știință au trimis o scrisoare deschisă liderilor Statelor Unite , Uniunii Europene , Japoniei și Coreei pentru a-i avertiza asupra riscului că ar putea avea loc o dezvoltare prea mare a sectorului energetic al lemnului. Se dovedește contraproductiv în lupta împotriva încălzirea globală . Oamenii de știință încurajează guvernele să elimine orice stimulente care ar încuraja lemnul de foc , indiferent dacă provine sau nu din propriile resurse forestiere.
Un motor cu ardere internă (ICE) este un tip de motor cu ardere în care energia termică emanată prin ardere este transformată în energie mecanică .
Turbine cu combustieAcest tip de instalație poate utiliza combustibili gazoși (gaz natural, butan , propan , etc. ), dar și lichide (de cele mai volatile , cum ar fi nafta , alcool, la cel mai vâscos ( grele sau reziduale uleiuri combustibile , chiar și țiței ), prin kerosen sau ulei de încălzire ).
Terminologia franceză „turbină cu gaz” sau TAG, rezultată din traducerea literală a termenului anglo-saxon turbină cu gaz , poate duce la confuzie. Numele „turbină cu combustie”, sau TAC, mai exact, evită această ambiguitate.
Există două tipuri de centrale electrice.
Centrale electrice cu ciclu simplu Constând dintr-o turbină de ardere care funcționează pe combustibil lichid sau gazos care conduce un alternator. Sunt utilizate în principal ca centrale electrice de vârf, pentru a asigura producția suplimentară în caz de cerere punctuală ridicată (ore de vârf). Centrale electrice cu ciclu combinat Eficiența lor energetică este îmbunătățită prin adăugarea unui cazan de recuperare . Aceasta exploatează căldura reziduală sensibilă , conținută în fumul de la evacuarea turbinei de ardere, pentru a produce abur care furnizează o turbină cu abur . Acesta din urmă poate, la rândul său, să acționeze un al doilea alternator pe o a doua linie de arbore (aceasta se numește ciclu combinat „cu linii de arbore separate”), sau să fie instalat pe aceeași linie de arbore ca și turbina de ardere (aceasta este denumită apoi un ciclu combinat „linie cu un singur arbore”). Această ultimă configurație, disponibilă de la mai mulți producători mondiali, atinge o eficiență de 60%. Motoare dieselUnele centrale termice utilizează motoare diesel pentru a conduce alternatoarele.
În Franța, acesta este cazul zonelor care nu sunt interconectate la rețeaua metropolitană continentală (sisteme de electricitate în Corsica , Guadelupa , Martinica, Reunion, Mayotte, Noua Caledonie etc. ).
În 2018, ponderea sectorului producției de energie electrică și termică în emisiile de CO 2 raportat la energie a fost de 41,7%.
În Uniunea Europeană din 27, emisiile de gaze cu efect de seră pentru producerea unui kilowatt oră de electricitate au scăzut cu 45% între 1990 și 2018, de la 510 g CO 2echivalent / kWh la 281 g CO 2echivalent / kWh în 2018. Conform estimărilor inițiale, acestea ar ajunge la 249 g CO 2echivalent / kWh în 2019. Emisiile sunt mari în țările în care sectorul cărbunelui este încă important, precum Germania (406 g / kWh ) sau chiar mai mult Polonia (789 g / kWh ) și Estonia (900 g / kWh ). kWh ). În schimb, acestea sunt mult mai scăzute în țările care au dezvoltat energii nucleare și / sau regenerabile, precum Franța (54 g / kWh ) sau Suedia (13 g / kWh ).
În Franța, producția de electricitate reprezintă aproximativ 4,8% din totalul emisiilor de CO 2în 2019. Această cotă, excluzând autoconsumul, s-a ridicat la 17,1 Mt de CO 2în 2020 contra 18,7 Mt în 2019; principala lor sursă este gazul natural (13,5 Mt ).