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 minőség