Fizika | Energetika » A villamos energia előállítása

A villamos energia előállítása A villamos energia előállítására, szállítására illetve elosztására alkalmas berendezések összességét villamosműnek nevezzük, amelynek fő alkotó részei az erőművek és a hálózatok. Az erőművek villamos energiát állítanak elő valamely primer energiahordozó felhasználásával, míg a hálózatok a villamos energia szállítását és elosztását végzik. A villamos erőművek Az erőművek energiaátalakító folyamatának sémája a 1.ábrán látható A kémiai energia hordozói fosszilis tüzelőanyagok (szén, földgáz, kőolaj) vagy nukleáris anyag. A hő a tüzelőanyagok elégetése vagy a nukleáris anyagok bomlása során keletkezik, amelynek hordozója nagynyomású, magas hőmérsékletű vízgőz. A gőzturbina olyan energiaátalakító, amely a vízgőz energiájának egy részét mozgási (forgási) energiává alakítja át. A generátorok mechanikai energiából állítanak elő villamos energiát.

Tehát a turbinával közös tengelyre szerelt generátor kapcsairól vehető le az energiaátalakítási folyamat végterméke, a villamos energia. A folyamat hatásfokát az határozza meg, hogy a kémiai reakciók során keletkező hő mekkora része hasznosul villamos energiaként. Bizonyos esetekben a rendelkezésre álló mechanikai energia közvetlen felhasználásával állíthatunk elő villamos energiát (vízerőművek, szélerőművek). Hőenergia kazán Mechanikai energia G tápszivattyú Kémiai energia Villamos energia veszteséghő kondenzátor 1.ábra Az erőművek energiaátalakítási folyamata Az erőműveket számos szempont alapján csoportosíthatjuk. A primer energiahordozó alapján megkülönböztetünk hő-, víz- és alternatív erőműveket. A hőerőművek lehetnek szén, szénhidrogén vagy atomerőművek, melyek közös jellemzője, hogy a primer energiahordozóból gőzt (gázt) állítanak elő. A vízerőművek a természetes vizek helyzeti

(mozgási) energiáját használják fel villamos energia előállítására. Ezekkel a továbbiakban részletesen foglalkozunk. Az alternatív erőművek a megújuló energiaforrásokat (nap-, szél-, geotermikus energia, mezőgazdasági és faipari hulladékok, biomassza, ár-apály) hasznosító erőművek. Hazánkban ezek szerepe elhanyagolható, mert földrajzi, természeti adottságaink - a jelenleg ismert eljárások alkalmazása mellett – nem teszik lehetővé a fenti energiaforrások számottevő mértékű felhasználását. Ezért ezekkel a továbbiakban nem foglalkozunk Ma már egyre kisebb jelentőségűek a belsőégésű motoros erőművek, melyeknél a generátor hajtógépe Diesel-motor (esetleg benzinmotor). Gazdaságosság szempontjából ma már nem versenyképesek a fentebb felsorolt típusokkal. Felhasználásuk energiaellátással nem rendelkező területeken (építkezések, tanyák) illetve váratlan áramkimaradás esetén (szükségáramforrásként) jöhet

szóba. Előnyeik: a gyors indíthatóság, az egyszerű kezelés és 1 szabályozás, a rugalmas üzemmenet. Ezek alapján csúcserőműként történő alkalmazásuk számításba jöhet. Az áramnem alapján megkülönböztethetünk egyenáramú és váltakozó áramú erőműveket. Utóbbiaknál a frekvencia 50 Hz (Európában) vagy 60 Hz (Amerikában) Rendeltetésük szerint közcélú és ipari erőművekről beszélhetünk. A közcélú villamos erőmű általános fogyasztói igények (ipar, mezőgazdaság, lakosság, közvilágítás stb.) villamosenergia szükségletének kielégítésére szolgál Az ipari erőmű saját célra termelő üzemi villamos erőmű, amely az üzembentartó villamosenergia igényét biztosítja. 1. táblázat Az erőművek csoportosítása Csoportosítási szempont Energiaforrás Erőműtípus Tüzelőanyagok Hőerőmű Folyóvíz, tárolt víz, Vízerőmű tengervíz Magenergia Atomerőmű Napsugárzás Naperőmű Levegőmozgás

Szélerőmű Hőerőgép-típus Gőzturbinás erőmű Gázturbinás erőmű Belsőégésű motoros erőmű Ellátási terület Országos (körzeti) erőmű Üzemi erőmű Rendeltetés Erőmű Villamosenergia-szolgáltatás Fűtőerőmű Fűtőmű Kapcsolt hő- és villamosenergia szolgáltatás Hőszolgáltatás Beépített < 50 MW kis erőmű teljesítmény: 50-500 MW középerőmű > 500 MW nagyerőmű Az üzemelés jellege szerint alap-, csúcs- és menetrend tartó erőművek léteznek. Az erőművek alapvető jellemzője a teljesítőképesség, azaz a szolgáltatható legnagyobb teljesítmény, amelyet az egyes blokkok teljesítményeinek összege határoz meg. Ez nem mindig állhat a fogyasztók rendelkezésére (pl. valamelyik blokk karbantartása esetén) Tehát az erőmű azzal a legnagyobb wattos teljesítménnyel jellemezhető, amelyet tartósan szolgáltatni tud: ez az erőmű rendelkezésre álló állandó teljesítőképessége. Az

alaperőműveket a fenti teljesítménnyel vesszük igénybe, ezért alapvető szempont az erőmű gazdaságossága. A fogyasztói igények előre tervezhető változó részét többnyire a menetrendtartó erőművek biztosítják. Ezek üzemére jellemző a menetrendi teljesítmény, az az előírt teljesítmény, amelyet az erőműnek meghatározott időpontban a generátorkapcsokon szolgáltatnia kell. Ez az erőmű teljesítőképességénél gyakran kisebb. 2 Az üzemben lévő berendezések ki nem használt teljesítménye a forgótartalék, amely teljesítmény-ingadozások felvételére vagy a frekvenciaszabályozásra használható. A hidegtartalék az a teljesítmény, amellyel az erőmű a hálózatra nem kapcsolt – de üzeminek nyilvánított - berendezések üzembe helyezésével igénybe vehető. A változó igények egy részének csúcsidőszakban történő kielégítésére szolgálnak a csúcserőművek, amelyek a rendszer ún. hidegtartalékát képezik A

csúcserőművekkel szemben alapvető elvárás a gyors indíthatóság. A gazdaságos működés nem lényeges szempont, mivel csak rövid ideig üzemelnek. Végül meg kell említenünk a fűtőerőműveket, amelyekben kapcsolt villamosenergiatermelés és hőtermelés is van, de alapfeladatuk a fogyasztói hőigények kiszolgálása. A gőzturbinás erőművek Ebben a pontban a fosszilis tüzelőanyagok (szén, földgáz, kőolaj) elégetésével gőzt előállító erőművek jellemzőit foglaljuk össze. A villamos energia termelése érdekében a hőerőművekben lejátszódó leglényegesebb folyamatokat két csoportra oszthatjuk: úm. fő technológiai folyamatokra és az azt kiegészítő folyamatokra. A fő technológiai folyamatok – amelyek az erőmű főberendezéseiben zajlanak – a következők: - a tüzelőanyag kémiai energiájának átalakítása hőenergiává (elégetési folyamat); - a hőenergia átadása a közvetítőközegnek; - a közvetítőközeg

hőenergiájának átalakítása mechanikai energiává; - a mechanikai energia átalakítása villamos energiává. A főbb kiegészítő folyamatok – amelyek segédberendezéseket igényelnek – a következők: - a tüzelőanyaggal kapcsolatosak (a tüzelőanyag beérkezése, tárolása és az erőműn belüli szállítása, az elégetés utáni salak, pernye gyűjtése és elszállítása); - a hűtővízzel kapcsolatosak (a víz kinyerése és bevezetése az erőműbe, visszahűtése vagy visszavezetése); - a pótvízzel kapcsolatosak (szűrés, vegyi előkészítés, bevitel a fő technológiai folyamatba). kémény füstgáztisztító kazán túlhevítő turbina G malom széntér szénporégető kondenzátor hűtőtorony előmelegítő tápszivattyú 2. ábra A szénerőművek működési sémája Azt az elvi (hő) kapcsolási vázlatot, amely a víz-gőz körfolyamatot vagy a gáz körfolyamatot tartalmazza, és magában foglalja mindazon berendezéseket,

amelyekben a 3 közvetítő közeg (vízgőz vagy gáz) valamilyen változáson megy keresztül az erőmű hősémájának nevezzük. A hősémában feltüntetjük a közvetítő közeg legfontosabb állapotjellemzőit is (nyomás, hőmérséklet) A nagyobb hőmérséklet és nyomás javítja a körfolyamat termikus hatásfokát, és így az erőmű gazdaságosságát. A szénerőművek üzemanyaga feketeszén, barnaszén vagy lignit. A szén előnye, hogy nagy mennyiségben áll rendelkezésre, egyszerűen és viszonylag olcsón szállítható illetve tárolható. A széntüzeléses hőerőművekben általában az olyan, viszonylag kis fűtőértékű szeneket tüzelik el, amelyeket az ipar más ágazatai ( pl. vegyipar) vagy a lakosság (fűtési célokra) már nem tud hasznosítani. A hazai széntüzeléses hőerőművekben használt ún energetikai barnaszenek fűtőértéke 10 00012 000 kJ/kg, az energetikai lignité 60006500 kJ/kg A szénerőművek működési sémája a 2.

ábrán látható A gőzturbina segítségével mechanikai munkát szolgáltató körfolyamat során a gőz előállításához szükséges hőt szénpor elégetésével biztosítjuk. A hasznosítható munkát a turbinába bevezetett gőz energiájának és a kilépő gőz energiájának a különbsége határozza meg. A túlhevítéssel nemcsak a termikus hatásfok javul, hanem csökkenti a lecsapódási veszteségeket, és így növeli a turbinalapát élettartamát. A kondenzátorban történik a munkát végzett, fáradt gőz lecsapatása, amivel a körfolyamat termikus hatásfoka javul. Ugyanis minél kisebb a kondenzátorban a nyomás és a hőmérséklet, annál kisebb a turbinából kilépő gőz energiája is. Ebből a szempontból a friss vízzel történő hűtés nyilvánvalóan kedvezőbb, mint a hűtőtornyos visszahűtés. A gőzmegcsapolással is javul a körfolyamat termikus hatásfoka, mert a tápvíznek a forráspontig történő előmelegítéséhez szükséges hőt

– a szén helyett – a már részben munkát végzett gőz energiájából fedezzük. Az így üzemelő turbina az ún kondenzációs turbina, amelynél a megcsapolt gőzt saját kondenzátumának melegítésére használjuk fel a körfolyamaton belül. Az elvételes kondenzációs turbinánál a gőz - a kondenzátum elő-melegítését követően - külső fogyasztók részére szolgáltat hőt. A széntüzelés során jelentős mennyiségű salak keletkezik, amelynek elhelyezéséről, kezeléséről gondoskodnunk kell. Továbbá szükség van a füstgáz tisztítására, a füstgázban lévő szennyezések (pernye, kéndioxid) leválasztására. turbinák kazán füstgázok tüzelőanyag G tűztér hőcserélő kondenzátor hűtőtorony ipari létesítmény lakóépületek 3. ábra A szénhidrogén tüzelésű fűtőerőmű hősémája A szénhidrogén erőművek felépítés és üzemmód szempontjából hasonlóak a széntüzelésűekhez. A fő különbség a kazán

tüzelőberendezésében és a környezetvédelmi berendezésekben van A szénhidrogén tüzelésű erőművek fűtőanyaga nehézkőolaj vagy földgáz A 3 ábra szerinti elrendezés egy fűtőerőmű hősémája, amely kapcsolt villamos energia és hő4 termelést valósit meg. A hőelvonás létrejöhet hőcserélő közbeiktatásával, de gőzelvétellel is Gőzelvételes erőműről beszélünk, ha a gőznek csak egy hányadát vezetjük a hőfogyasztókhoz, a többi része a turbinában expandál egészen a kondenzátornyomásig. Ugyanis a gőzt felhasználó ipari folyamatok jelentős része és a fűtés csak mérsékelt nyomású és hőmérsékletű gőzt igényel. Ha viszont a gőzt magasabb állapotjellemzőkkel állítjuk elő, akkor hőtartalmának egy része villamos energia előállítására használható fel. Sok esetben a két energiahordozó bármelyikével működhetnek, attól függően, hogy melyik áll rendelkezésre. A gáztüzelésű erőmű

környezetvédelmi szempontból nagyon tiszta, mert szilárd égésterméke nincs, a légtérbe csak széndioxidot és vízgőzt bocsát ki. Olajtüzelés esetén - az üzemanyag minőségének függvényében - gondoskodni kell a füstgáz tisztításáról. A szénhidrogén tüzelésű erőművek viszonylag széles tartományban képesek terhelés változtatására, ezért menetrendtartó erőművekként alkalmazhatók. A gőzturbinás erőművek energetikai alkalmazásáról összefoglalóan elmondhatjuk: - a kondenzációs erőművek (2.ábra), a villamosenergia-rendszer legfontosabb erőművei, amelyek teljes egészében a közcélú villamosenergia-ellátást szolgálják A villamos energiát olcsón termelő (legjobb hatásfokú, legkorszerűbb) kondenzációs erőművek alaperőműként (állandó jellegű alapterheléssel) üzemelnek, a közepes költségűek menetrend szerint követik a napi fogyasztói terhelésingadozásokat (cél a változó teljesítményigény

kielégítése), míg a nagy fajlagos költségűek csúcserőműként vehetők számításba. - az elvételes erőművek (3.ábra) egyaránt szolgálnak villamosenergia-fejlesztésre és hőfejlesztésre. Ezek az ún hőszolgáltató erőművek, amelyekben a fejlesztett villamos energia mennyiségét nem az együttműködő villamosenergia-rendszer követelményei, hanem a hőfogyasztók igényei (hőszolgáltatási igények) szabják meg. A hő- és a villamosenergiaszolgáltatás aránya nagymértékben befolyásolja a hőszolgáltató erőmű műszaki-gazdasági mutatóit. Fontos jellemzőjük, hogy az egyik szolgáltatás csupán a másik rovására javítható, ill. növelhető A hőszolgáltató erőmű alapvető típusai: - az ipari hőszolgáltató erőmű, amely ipari hőfogyasztó berendezéseket lát el hőenergiával; - a fűtőerőmű, amely fűtési hőigényt elégít ki (pl. városok, városrészek távfűtése) A magyar villamosenergia-rendszer hőerőműveiben a

felhasznált összes tüzelőanyag kb. háromnegyedét villamosenergia-termelésre fordítják, míg negyedét távhőszolgáltatásra. A gázturbinás erőművek A gázturbinás erőművek a 70-es években kezdtek tért hódítani. Lényeges (névadó) részük a kompresszorból, égéstérből és turbinából álló gázturbina, melynek működése a repülőgépek sugárhajtóműjének működésével egyezik meg A gázturbinás erőműben az előző pontban leírt főberendezések közül a kazán elmarad, helyét tehát a repülőgép hajtóműhöz hasonló gázturbina tölti be. A közvetítő közeg vízgőz helyett maga az égéstermék, a füstgáz. A legegyszerűbb gázturbinás erőműben a levegőt kompresszor nyomja az égéstérbe ahol a gáz elég és a keletkező nagynyomású füstgáz a turbinalapátokra jutva megforgatja a turbinát és a vele egy tengelyen lévő áramtermelő szinkron generátort. A turbina a generátoron kívül a légkompresszort is hajtja,

így a gázturbina indítását külön indítómotor végzi (4ábra) A kompresszor feladata, hogy az égéstérbe szállítsa az üzemanyag elégetéséhez, a gázturbina hajtásához szükséges nagymennyiségű levegőt. Az égéstérbe befecskendezett üzemanyag - amely lehet földgáz vagy különleges minőségű gázolaj - az odaszállított levegő 5 oxigénjével nagy légfelesleggel elég. Az égés során keletkezett forró füstgáz az égésnél fel nem használt levegővel keveredve nagynyomású gázelegyet alkot, amely - meghajtva a turbinát és a generátort - még mindig nagy energiatartalommal távozik. füstgáz gáz égéstér levegő indítómotor gázturbina légkompresszor generátor 4.ábra A gázturbina működési elve Ha a gázturbina füstgázát közvetlenül a szabadba engedjük, akkor nyílt ciklusú gázturbináról beszélünk. A turbinából kilépő füstgáz energiájával hőhasznosító kazánban gőzt termelhetünk, amely a

hagyományos hőerőművekhez hasonlóan gőzturbina és generátor segítségével további villamos energia előállítására használható. Ha a távozó füstgázzal gőz körfolyamatban további áramot vagy hőt termelünk, akkor ezt az erőművet kombinált ciklusú erőműnek nevezzük (5. ábra) fü s tgá z fö ld gá z é gé s té r le ve gő gá z tu rb in a h őh a s z no s ító ka z á n gő z lé gko m p res s z o r ge n e rá to r gő z tu rb in a s z ivatty ú tá p víz h ű tő víz ge n e rá to r ko n d e n zá to r 5. ábra A kombinált ciklusú erőmű hősémája A gázturbina számos előnnyel rendelkezik: könnyű szerkezetű, kis területigényű, készre gyártott elemekből gyorsan és olcsón telepíthető. Korszerű vezérléssel kis személyzettel üzembiztosan működtethető Nyílt ciklusú egységként rendkívül gyorsan indítható, és hamar eléri teljes terhelését. A villamos energia rendszerben alkalmas szekunder tartalékként

vagy csúcserőműként is. A környezetet kevéssé szennyezi, és korszerű zajcsillapítással ellátva csendes üzemű. A gázturbinás erőművek hatásfoka (30 % körül) alacsonyabb, mint a gőzturbinás erőműveké (35-45 ). Az erőmű hatásfokát alapvetően az határozza meg, hogy a gázturbina és a légkompresszor hatásfoka mekkora, hogy a turbinába beömlő gáz hőmérséklete milyen magas, hogy a turbinából kilépő gázok hőtartalmát milyen mértékben hasznosítják, azaz milyen a megvalósított körfolyamat. 6 E jellemzőknek megfelelően a következő hatásfokjavító megoldásokat alkalmazzák: – a szabadba távozó füstgázok hőjével működő hőcserélőt építenek be, amely a beszívott levegőt előmelegíti; – többfokozatú kompressziót és expanziót alkalmaznak, amelynek során a kompressziós fokozatok között hűtik, az expanziós fokozatok között pedig újrahevítik a hőhordozó közeget; – kombinált ciklust (gáz-gőz

körfolyamatot) alkalmaznak (5. ábra), amelyben a gázturbina távozó hőjét gőzerőműben hasznosítják. – A gázturbinás erőmű előnyei: - gyors üzemkészség, - a berendezés és a kezelés egyszerűsége, - a hűtővíz-ellátástól való teljes, vagy részleges függetlenség. A gázturbinás erőmű hátrányai: - a gőzerőművekénél rosszabb hatásfok, - szerkezeti okok következtében kisebb egységteljesítményű turbina. Alkalmazási területek: − a nagyobb egységteljesítményű gázturbinás erőműveket csúcserőműként alkalmazzák a villamosenergia-rendszerekben; − az együttműködő villamosenergia-rendszerben gyorsan indítható hideg tartalékként alkalmazzák; − sajátos erőművi alkalmazási területe a földalatti szénelgázosítás termékeivel üzemeltetett gázturbinás erőmű; − kohóüzemekben a hulladékenergiák (pl. kohógáz) felhasználása; − a gázturbina távozó hőenergiájának gőzerőműben történő

hasznosítása Kapcsolt energiatermeléssel (a villamos energia és a hőenergia egyidejű értékesítésével) nagyon jó hatásfokot lehet elérni az energiaátalakításban, ezért ez világszerte tapasztalt fejlesztési irány. A kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés már létezett Magyarországon az iparban a háború előtt is, de a távfűtés megindulásával mégiscsak az ötvenes években kezdődött ennek jelentős fejlesztése. Megjelentek a távfűtéses panelépületek a hozzájuk tartozó erőművi megoldásokkal Szinte minden magyar hőerőmű fokozatosan bekapcsolódott a helyi távhőrendszerek ellátásába A kilencvenes évek elején megjelent a gázturbinás technika a magyar kapcsolt energiatermelésben. Mind az ipari gőzszolgáltatáshoz (Dunamenti Erőmű), mind a forróvizes távfűtéshez (Kelenföldi Erőmű) gázturbinák épültek hőhasznosító kazánokkal. A vízerőművek A vízerőművek a folyók vízének helyzeti energiáját hasznosítják

(6.ábra) A tározós erőműnél a gáttal felduzzasztott víz turbinát forgat, a vele egy tengelyen lévő generátor áramot termel. A vízerőművek termelése változó, függ a folyó mindenkori vízhozamától illetve a tározó vízállásától. Megfelelő tározó kialakításakor a vízszint gyakorlatilag független a folyó pillanatnyi vízhozamától. Ekkor ezek a folyami erőművek alaperőműként használhatók. 7 A másik lehetséges megoldás az üzemvíz-csatornás kialakítás (7.ábra) Ekkor a folyó medrét vízlépcsővel elzárjuk, és az erőmű táplálása a felvíz-csatornán keresztül történik. A vízerőmű könnyen gyorsan indítható, ezért alkalmas tartalék erőműként. vízkivételi mű hajózsilip vízlépcső hallétra gát folyó folyó erőmű felvízcsatorna erőmű alvízcsatorna 7.ábra Üzemvízcsatornás vízerőmű 6.ábra Folyómederbe épített vízerőmű Megfelelő geológiai adottságok esetén – kifejezetten

energiatárolásra - szivattyús tározós vízerőműveket építenek (8.ábra) A magasan elhelyezkedő tározóba villamos szivattyúval vizet emelnek, amikor a hálózat fogyasztása alacsony (völgyidőszak), majd ezt – igény esetén – a turbinán át leengedve a víz helyzeti energiáját ismét villamos energia termelésére használják. Tehát ezek az erőfelső medence művek csúcserőműként működtethetők. Legtöbb esetben maga az áramot termelő turbina-generátor egység használható vízturbina szivattyúként is. G közös A vízerőművek építése költséges, nyomóvezeték alsó medence létesítésük gyakran – főként sík vidékeken – általános folyószabályozási munkálatokhoz vagy hajózási okból történő duzzasztáshoz (folyó) szivattyú kapcsolódik. A vízerőművek hatásfoka igen jó (75-85 %). A hazai villamosenergia termelésben a vízerőművek szerepe nem jelentős. 8.ábra Szivattyús-tározós vízerőmű Az atomerőművek

Korábbi tanulmányainkból ismert, hogy az atommagokat pozitív töltéssel bíró protonok és semleges neutronok alkotják. Az atommag tömege kisebb mint az őt alkotó protonok és neutronok tömegének összege, mivel az atommag kialakulásakor a tömeg egy része energiaként felszabadult. Tehát a nagy tömegszámú elemek atommagjai energia közlésével – pl. megfelelő energiájú neutronokkal - hasíthatók A magok hasadásakor két közepes atomsúlyú mag jön létre (hasadási termékek), és jelentős energia szabadul fel Ez részben hő, részben szabad neutronok formájában jelenik meg. A keletkezett neutronok meghatározott körülmények között újabb magok hasítására alkalmasak, s ezekből további neutronok válnak ki. Így jön létre a láncreakció, amelynek fenntartásához szabályozásra van szükség A természetben előforduló elemek közül – termikus neutronokkal – csak az urán 235 tömegszámú izotópja hasítható. 8 A hasadási

folyamat során tehát nagy mennyiségű energia szabadul fel, amely jelentős része hővé alakul. A szabályozott láncreakció fenntartásával fejlődő hő hasznosítására épített berendezések az atomreaktorok. 5 Az atomerőmű és a hagyományos hőerőmű között az a lényeges különbség, hogy a hőtermelés hűtőhutoa kazán helyett az ún. reaktorban megy végbe A közeg 1 közeg reaktorban keletkezett hőt közvetítő közeg (hűtőközeg) juttatja el a hőcserélőbe illetve a turbinába. 2 A nagyteljesítményű erőművekben a hete4 rogén termikus reaktorokat (9. ábra) alkalmazzák 3 Az üzemanyag (4) elhelyezésére szolgáló aktív hutozóna a reaktormag. A moderátor (3) az aktív zónát hűtőközeg körülvevő neutronlassító közeg, ugyanis csak a közeg lassú neutronok képesek maghasadást előidézni. Az aktív zónából kilépő neutronok visszaverésére 9. ábra A termikus reaktor felépítése szolgál a reflektor (2). A nukleáris folyamat

intenzitása, a láncreakciót fenntartó neutronok száma a szabályozó rudak (5) – melyek elnyelik a neutronokat - helyzetének változtatásával szabályozható. A reaktort a külső beton burkolat (1) zárja le. A termikus reaktorok két – jelenleg is használt – alapvető típusa a „gáz-grafitos” és a „vizes” reaktor. 1. Gáz-grafit (GGR) reaktorok A gáz-grafit reaktoros megoldás lényege, hogy a reaktor grafittal moderált és széndioxid gázzal hűtött. Üzemanyaga természetes urán A reaktor magja nagyméretű, grafitelemekből épített, többnyire hasáb, vagy kocka alakú test, amelynek csatornáiban vannak elhelyezve az üzemanyag-elemek. A hűtést és a reaktorban fejlődő hő kiszállítását az ugyanezen csatornákban áramló hűtőgáz végzi. A hűtőgáz hőjével a hőcserélőben termelnek gőzt. Elsősorban Angliában és Franciaországban terjedtek el Nem kellő biztonságúak, ma már elavultnak tekinthetők. 2. Forraló vizes (BWR)

reaktorok Ennél a típusnál a moderátort és a hűtőközeget egyaránt könnyűvíz szolgáltatja és a hűtéskor a nyomás alatt levő hűtővízből gőz (ill. hevített gőz) lesz A reaktorban fejlődő gőzt közvetlenül lehet a turbinába bevezetni, ami jobb termikus hatásfokot, egyszerűbb szerkezetet eredményez (a primer és a szekunder kör egyesítése révén a hőcserélő elhagyható) és olcsóbb létesítést tesz lehetővé. BWR-reaktorokat, elsősorban a Szovjetunióban és az USA-ban fejlesztettek ki. Az USA-ban kifejlesztett típusnál a moderátor a hűtőközeggel azonos, a szovjetunióbeli reaktoroké pedig grafit. 3. Nyomás alatti vízzel hűtött (PWR) reaktorok Ennél a típusnál a moderátor és a hűtőközeg egyaránt könnyűvíz. Üzemanyaga enyhe (2-4%) dúsítású urán, ill. uránoxid A reaktorban termelt hőmennyiséget a hűtőközeg víz formájában veszi fel (azért nyomott vizes, mert akkora nyomás alatt kell tartani, hogy a kb.

500°C-os víz ne forrjon), majd a hőcserélőn keresztül egy másik vízkörben (szekunder körben) gőzt termel, amelyet gőzturbinában hasznosítanak (10. ábra) 9 gőztartály atomreaktor túlhevítő gőzturbina G szekunder kör primer kör generátor tápszivattyú hűtőközeg szivattyú hálózat hűtővíz hőcserélő kondenzátor előmelegítők szivattyú 10. ábra A nyomottvizes atomerőmű hősémája A legfontosabb előnyök: - a hűtőközeg és a moderátor ugyanaz az anyag (brómos víz); a víz beszerzése és kezelése olcsó; a vízzel hűtött reaktor negatív hőfoktényezőjű lehet, ami azt jelenti, hogy nukleáris szabályozás nélkül is maga a hűtőközeg nem engedi meg a reaktor megszaladását; a nyomás alatti víz miatt a reaktorméret, és ezáltal a fajlagos beruházási költség is kicsi. Hátrányos tulajdonságai: - működéséhez dúsított üzemanyag szükséges (ui. a fűtőelemek előállítási költsége annál

kisebb, minél kisebb arányú dúsítást kell alkalmazni); termikus hatásfoka a többi reaktortípushoz képest valamivel kisebb (nagy, 400-500 MW egységeik azonban már versenyképesek); a gőzfejlesztéshez külön hőcserélőre van szükség; a viszonylag alacsony gőzjellemzők miatt a szokványostól eltérő turbinák szükségesek. Az Egyesült Államokban, Németországban, a Szovjetunióban alkalmazzák. A szovjet gyártású PWR-reaktorok VVER típusjelűek, és 210, 365, 440 és 1000 MW villamos teljesítményűek. Az üzemanyag dúsítási mértéke 2,8 - 4,4% A hazai Paksi Atomerőmű első, 1760 MW-os kiépítése 4 db WER-440 típusú reaktorral létesült. Jelenleg az egyes blokkok teljesítménye 470 – 480 MW Ez az erőmű adja – alaperőműként - a hazai villamos energia termelés közel felét (40 %). 4. Nehézvizes (HWR) reaktorok További termikus reaktorok a nehézvíz-moderátoros (HWR) reaktorok. E típusnál a moderátor nehézvíz (D2O) és a

hűtőközeg D2O, H2O vagy gáz Főleg olcsó villamos energiával rendelkező országok fejlesztik (Kanada, Svédország) a drága nehézvíz előállítás miatt. Megemlítendő, hogy itt a nyomottvizes-típusnál (PWR) a szekunder körben már könnyűvíz van Az eddig tárgyalt termikus reaktorok közös jellemzője, hogy kevesebb hasadó anyagot termelnek (U238-ból Pu239-et), mint amennyit fogyasztanak (U235-öt). Az atomerőmű üzemanyag igénye és ezzel együtt hulladéka töredéke a többi hőerőműének. Légköri szennyezőanyag kibocsátása gyakorlatilag nincs Szilárd (rádioaktív) hulladékait viszont speciális eljárással kell kezelni, tárolni Az atomerőmű létesítése beruházás10 igényes, de az üzemeltetési költsége alacsony, ezért nagy kihasználással, állandó terheléssel alaperőműként kell üzemeltetni. Az erőművek üzeme Az erőművekben mindig a fogyasztók pillanatnyi igényének megfelelő mennyiségű villamos energia

előállítására van szükség. A villamosenergia-ellátás alapvető feladata, hogy a fogyasztók számára megfelelő mennyiségű és minőségű villamos energiát szolgáltasson megfelelő biztonsággal úgy, hogy a termelési, szállítási és elosztási költségek minimálisak legyenek. A villamos energia minőségét a frekvencia és a feszültség jellemzői határozzák meg. A frekvencia a rendszer globális jellemzője, értéke a hálózat minden pontján azonos (Európában 50 Hz). A feszültség a hálózat helyi (lokális) jellemzője, mert effektív értéke – még az azonos feszültségszintű hálózatokban is – pontról-pontra változhat a terhelés pillanatnyi jellemzőitől függően. A névleges értéktől való eltérés mértékét előírások rögzítik Normál üzemi körülmények között, a feszültség-kimaradásokat MW figyelmen kívül hagyva, a tápfeszültség 10 7000 perces átlagos effektív értékei 95%-ának a hét 1989.XII13 bármely

időszakában az Un ±10% tartományban kell lennie. A feszültség megfelelő értéké6000 nek betartása mellett biztosítanunk kell a hullámalak színuszos jellegét, továbbá a háromfázisú rendszerekben a szimmetriát, és 5000 meg kell akadályoznunk - illetve korlátoznunk kell - a feszültségingadozásokat. 1989.VI14 A megfelelő biztonságon (rendel- 4000 kezésre álláson) azt értjük, hogy a villamos energia a fogyasztó vételezési pontjában a 3000 fogyasztó számára szükséges mennyiségben és folyamatosan rendelkezésre álljon. Tehát a villamos energia biztonságának, megbízhatóságának alapvető feltétele az erőművek és 2000 azokat a fogyasztói csomópontokkal összekötő hálózat rendelkezésre állása. Az (n-1) elv azt 1000 jelenti, hogy az ország villamosenergiarendszerének olyan állapotban kell lennie, óra hogy bármely elem (pl. vezeték, transz2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 formátor) meghibásodása, váratlan kiesése ne okozzon

zavart a fogyasztók ellátásában, ne 11. ábra A napi terhelési diagram veszélyeztesse a többi berendezés biztonságos üzemét. A termelési, szállítási és elosztási költségek együttes minimumára is törekednünk kell az energiaellátás költségeinek minimalizálásakor. Ez függ a források (erőművek) és egyéb hálózati elemek rendelkezésre állásától, azaz a biztonsági (pl. tartalékolási) és minőségi követelményektől is (l. fentebb) A megfelelő minőségű, biztonságú és gazdaságos energiaellátás kialakítása illetve biztosítása a rendszerirányítás feladata Ez azt jelenti, hogy a megfelelő minőségű villamos energiát ott és olyan mértékben kell biztosítani, ahol és ahogyan azt a fogyasztók pillanatnyi szükséglete megkívánja, és addig, ameddig a fogyasztók igénylik. A megfigyelések, tapasztalatok alapján megállapíthatjuk, hogy a fogyasztói igények tendenciaszerűen változnak a nap folyamán, naponként (pl.

munkanapokon nagyobb, pihenő11 napokon kisebb), és az év folyamán is (pl. nyáron kisebb, télen nagyobb) A 11 ábrán látható napi terhelési diagram egy adott nap során a tényleges terhelés alakulását ábrázolja az idő függvényében. Erre jellemző, hogy viszonylag rövid időtartamú a legnagyobb igény (csúcsterhelés) és a legkisebb igény (völgy-terhelés) is. Ezek határozzák meg azt a teljesítmény-tartományt, amelyen belül az erőművek működésének koordinálásával (esetleg nemzetközi kooperáció keretében) a fogyasztói igények kielégítését biztosítani kell. A diagramból megállapíthatjuk, hogy a nyári terhelés lényegesen kisebb a télinél. Ez jól látható az éves terhelési diagramból is (12. ábra), amely az esti csúcsidőszakban fellépő maximális terhelések alakulását ábrázolja az év folyamán. A villamosenergia-igény változása megfigyelhető hosszú távon is: évente néhány százalékkal növekszik az

adott ország gazdasági fejlettségétől, struktúrájától függően. Ez leolvasható az ábrából is, ahol négy év terhelésének alakulása látható. A fogyasztói igények tendenciaszerű változása teszi lehetővé a várható fogyasztás statisztikai alapokon történő előre becslését, ami alapját képezi a terhelési menetrendek készítésének. A napi változás a fogyasztók jellegétől, az ipari és háztartási fogyasztók arányától, az időjárástól és sok egyéb tényezőtől függ. A napi terhelési menetrend órás – esetleg még kisebb – bontásban tartalmazza a várható fogyasztói igényt. Ez felbontható egy állandó és egy változó igényre. Ennek megfelelően az állandó MW (alap) igény kielégítésére a legkisebb költség- 7000 gel termelő ún. alaperőművek szolgálnak Ezek az egész évben – a karbantartásokat kivéve – 1989 gyakorlatilag maximális terhelésen üzemelnek, 6000 ezáltal kihasználhatjuk jó hatásfokukat.

A 1984 változó terhelésű – ún. menetrendtartó – erőművekben olyan gépegységek üzemelnek, 5000 amelyek képesek a terhelés-változás rugalmas követésére. Ezért ezek szolgálnak a napon 1977 belüli terhelésingadozás követésére. Szükség 4000 esetén a csúcsigényt energia termelésével kell kielégíteni. Ezekben az ún csúcserőművekben 3000 gyorsan indítható gépek (pl. gázturbinák) 1970 állnak rendelkezésre a váratlanul jelentkező igények gyors kielégítésére. Ezek évente kevés 2000 ideig üzemelnek, ezért az alacsony beruházási költségek mellett az üzemelés költségei csak másodlagosak. 1000 A rendszer megbízható működése szempontjából alapvető kritérium, hogy a rendszerben üzemelő legnagyobb egység I III V VII IX XI hó váratlan kiesését is pótolni tudjuk rövid időn (10-15 perc) belül. Ennek egy részét a 12. ábra Az éves terhelési diagram gyakorlatilag azonnal igénybe vehető forgó tartalékból, míg a

hiányzó részét a gyorsan indítható gázturbinás erő-művekkel biztosítjuk. A magyar energiarendszer legnagyobb teljesítményű egységének (Paks egy blokkja 460 MW) kiesésekor a teljesítmény fele a forgó tartalékokból, a másik fele gázturbinás erőművekkel pótolható. A napi terhelési görbék illetve menetrendek értékei közül a csúcsterhelés a legfontosabb. Az erőművek gazdaságos üzeme érdekében törekednünk kell a terhelési 12 csúcsok csökkentésére. Ennek jellemző mérőszáma a csúcskihasználási óraszám, amely egy adott időszak össztermelésének (Wö) és legnagyobb csúcsterhelésének (Pcsmax) hányadosa: Wö t cs = . Pcs max Minél kisebb a csúcsterhelés és a minimális terhelés közötti különbség, annál nagyobb a csúcskihasználási óraszám, annál kevesebb erőművi többletteljesítményt kell igénybe venni a csúcsterhelés fedezésére. Ahhoz hogy elegendő tartalék legyen, szükség esetén nemzetközi

kooperáció keretében kell biztosítani a megfelelő tartalékokat. A csúcsigény csökkenthető bizonyos fogyasztók (pl. háztartási hőtárolós készülékek) csúcsból való kizárásával is A fogyasztók a feszültség-kimaradásra való érzékenységük alapján különböző biztonsági kategóriákba sorolhatók: A kategória: Az energiaszolgáltatás gyakorlatilag nem maradhat ki. A megengedett üzemszünet legfeljebb 0,5.5 s-on belül lehetséges, ellenkező esetben robbanás, súlyos baleset, közvetlen életveszély vagy hosszú idejű termeléskiesés következik be. /Vegyi üzem, repülőtéri irányítás, kórházi műtő, hírközlés stb/ B kategória: Az energiaszolgáltatás 5.15 percre maradhat ki Ellenkező esetben anyaghiba, selejt, az üzemszünet idejét lényegesen meghaladó, vagy nagy értékű termeléskiesés jöhet létre. /Pl kohóüzem, ívkemence, hengersorok stb/ C kategória: Az energiaszolgáltatás 2.4 órára kimaradhat, legfeljebb

ugyanannyi időtartamnak megfelelő termeléskiesés mellett. Itt csak pótolható termeléskiesés keletkezik. /Pl egyműszakos, az előző kategóriába nem tartozó üzem, textilgyár, hűtőház stb./ D kategória: Az energiaszolgáltatás hosszabb időre kimaradhat lényegtelen termeléskiesés mellett. /Pl segédüzemi munkahelyek, javítóműhelyek, igénytelen termelőfolyamatok/ A különböző kategóriába sorolt fogyasztók, fogyasztó-berendezések általában a tartalékok nagyságában, ill. a tartalék kiépítési mélységében különböznek egymástól 13