Elektrownia opalana węglem
Elektrownia węglowa lub elektrownia węglowa to elektrownia cieplna , która spala węgiel w celu wytworzenia energii elektrycznej . Na całym świecie istnieje ponad 2400 elektrowni węglowych o łącznej mocy ponad 2000 gigawatów . Wytwarzają około jednej trzeciej światowej energii elektrycznej , ale powodują wiele chorób i najwięcej przedwczesnych zgonów, głównie z powodu zanieczyszczenia powietrza .
Elektrownia węglowa jest rodzajem elektrowni na paliwa kopalne . Węgiel jest zwykle sproszkowany , a następnie spalany w kotle pyłowym . Ciepło pieca przekształca wodę kotłową w parę , która jest następnie wykorzystywana do obracania turbin napędzających generatory . W ten sposób energia chemiczna zmagazynowana w węglu jest przekształcana kolejno w energię cieplną , mechaniczną iw końcu w energię elektryczną .
Elektrownie węglowe emitują rocznie ponad 10 Gt dwutlenku węgla , co stanowi około jednej piątej światowej emisji gazów cieplarnianych , a więc są największą pojedynczą przyczyną zmian klimatycznych . Ponad połowa światowej energii elektrycznej z węgla pochodzi z Chin. W 2020 r. całkowita liczba elektrowni zaczęła spadać, ponieważ są one wycofywane z eksploatacji w Europie i Ameryce, chociaż nadal budowane są w Azji, prawie wszystkie w Chinach. Niektóre pozostają rentowne, ponieważ koszty ponoszone przez inne osoby związane z wpływem przemysłu węglowego na zdrowie i środowisko nie są wliczane w koszty wytwarzania, ale istnieje ryzyko, że nowsze elektrownie mogą stać się aktywami osieroconymi . Sekretarz generalny ONZ powiedział, że kraje OECD powinny przestać wytwarzać energię elektryczną z węgla do 2030 r., a reszta świata do 2040 r.
Historia
Pierwsze elektrownie węglowe zostały zbudowane pod koniec XIX wieku i wykorzystywały silniki tłokowe do generowania prądu stałego . Turbiny parowe umożliwiły budowę znacznie większych elektrowni na początku XX wieku, a prąd przemienny był wykorzystywany do obsługi większych obszarów.
Transport i dostawa węgla
Węgiel jest dostarczany ciężarówką autostradową, koleją , barką , statkiem górniczym lub rurociągiem szlamu węglowego . Elektrownie są czasami budowane obok kopalni; zwłaszcza jeden węgiel górniczy, taki jak węgiel brunatny , który nie jest na tyle cenny, aby można go było transportować na duże odległości; więc może odbierać węgiel za pomocą przenośnika taśmowego lub masywnych ciężarówek z napędem spalinowo-elektrycznym . Duży pociąg węglowy zwany „pociągiem jednostkowym” może mieć długość 2 km i zawierać 130-140 wagonów z około 100 tonami węgla w każdym, co daje łączny ładunek ponad 10 000 ton. Duża elektrownia pod pełnym obciążeniem wymaga co najmniej jednej dostawy węgla tej wielkości dziennie. Rośliny mogą mieć od trzech do pięciu pociągów dziennie, zwłaszcza w „szczycie sezonu” podczas najgorętszego lata lub najzimniejszej zimy (w zależności od lokalnego klimatu), kiedy zużycie energii jest wysokie.
W nowoczesnych wyładowczach stosuje się obrotowe urządzenia wywrotowe, które eliminują problemy z zamarzaniem węgla w wagonach wywrotowych. Urządzenie rozładunkowe zawiera ramię pozycjonera pociągu, które ciągnie cały pociąg, aby ustawić każdy wagon nad zasobnikiem węgla. Wywrotka zaciska pojedynczy samochód na platformie, która obraca samochód do góry nogami, aby zrzucić węgiel. Sprzęgi obrotowe umożliwiają przeprowadzenie całej operacji, gdy samochody są jeszcze połączone ze sobą. Rozładunek pociągu trwa około trzech godzin.
Krótsze pociągi mogą korzystać z wagonów z „zrzutem powietrza”, który opiera się na ciśnieniu powietrza z silnika oraz „gorącej stopce” w każdym wagonie. Ta „gorąca stopka”, gdy zetknie się z „gorącą szyną” na stojaku rozładunkowym, wystrzeliwuje ładunek elektryczny przez urządzenie zrzutu powietrza i powoduje otwarcie drzwi na spodzie wagonu, wyrzucając węgiel przez otwór w kozioł. Rozładunek jednego z tych pociągów trwa od godziny do półtorej. Starsze urządzenia wyładowcze mogą nadal używać obsługiwanych ręcznie wagonów kolejowych z dolnym wysypiskiem i „wstrząsarki” przymocowanej do zrzutu węgla.
Collier (statek towarowy przewożący węgiel) może pomieścić 41 000 ton (40 000 długich ton) węgla, a jego rozładunek zajmuje kilka dni. Niektóre kopalnie posiadają własny sprzęt transportowy do rozładunku własnych bunkrów; inne zależą od wyposażenia zakładu. często wykorzystuje się barki płaskodenne . Barki są zwykle pozbawione napędu i muszą być przenoszone przez holowniki lub holowniki .
Do celów rozruchowych lub pomocniczych instalacja może wykorzystywać również olej opałowy. Olej opałowy może być dostarczany do zakładów rurociągiem , cysterną , cysterną samochodową lub ciężarówką. Ropa naftowa jest przechowywana w pionowych cylindrycznych stalowych zbiornikach o pojemności dochodzącej do 14 000 metrów sześciennych (90 000 baryłek). Cięższy nr . 5 „bunkier” i nie. 6 paliwa są zwykle podgrzewane parą przed pompowaniem w zimnym klimacie.
Operacja
Jako rodzaj elektrowni cieplnej , elektrownia węglowa przetwarza energię chemiczną zmagazynowaną w węglu kolejno na energię cieplną , mechaniczną i wreszcie elektryczną . Węgiel jest zwykle sproszkowany , a następnie spalany w kotle pyłowym . Ciepło ze spalania pyłu węglowego zamienia wodę kotłową w parę , która jest następnie wykorzystywana do obracania turbin napędzających generatory . W porównaniu z elektrociepłownią spalającą inne rodzaje paliw, wymagana jest obróbka paliwa specyficznego dla węgla i usuwanie popiołu.
Dla bloków o mocy powyżej 200 MW zapewniona jest redundancja kluczowych podzespołów poprzez zainstalowanie duplikatów wentylatorów nadmuchowych i indukowanych, podgrzewaczy powietrza i kolektorów popiołów lotnych. W przypadku niektórych jednostek o mocy około 60 MW zamiast tego można zastosować dwa kotły na jednostkę. Sto największych elektrowni węglowych ma moc od 3000 MW do 6700 MW.
Przetwarzanie paliwa
Węgiel jest przygotowywany do użycia przez kruszenie surowego węgla na kawałki mniejsze niż 5 cm. Węgiel jest następnie transportowany z placu składowego do wewnątrzzakładowych silosów za pomocą przenośników taśmowych z prędkością do 4000 ton na godzinę.
W zakładach spalających pył węglowy silosy podają węgiel do młynów węglowych, które pobierają większe kawałki o średnicy 5 cm, mielą je do konsystencji talku , sortują i mieszają z powietrzem do spalania pierwotnego, które transportuje węgiel do pieca kotłowego i podgrzewa węgiel w celu odpędzenia nadmiaru wilgoci. Elektrownia o mocy 500 MW e może mieć sześć takich młynów, z których pięć może dostarczać węgiel do pieca z szybkością 250 ton na godzinę przy pełnym obciążeniu.
W zakładach, które nie spalają pyłu węglowego, większe 5-centymetrowe kawałki mogą być bezpośrednio podawane do silosów, które następnie zasilają albo mechaniczne dystrybutory, które zrzucają węgiel na ruchomy ruszt, albo palniki cyklonowe, specyficzny rodzaj komory spalania, który może wydajnie spalać większe kawałki paliwa.
Działanie kotła
Elektrownie przeznaczone na węgiel brunatny są wykorzystywane w tak różnych miejscach, jak Niemcy, Wiktoria, Australia i Północna Dakota . Węgiel brunatny jest znacznie młodszą formą węgla niż węgiel kamienny. Ma niższą gęstość energii niż węgiel kamienny i wymaga znacznie większego pieca do uzyskania równoważnej mocy cieplnej. Takie węgle mogą zawierać do 70% wody i popiołu , dając niższe temperatury pieca i wymagające większych wentylatorów o ciągu indukcyjnym. Systemy opalania różnią się również od węgla kamiennego i zwykle pobierają gorący gaz z poziomu wylotu pieca i mieszają go z wchodzącym węglem w młynach wentylatorowych, które wtryskują mieszaninę pyłu węglowego i gorącego gazu do kotła.
Usuwanie popiołu
Popiół jest często składowany w zbiornikach popiołu . Chociaż stosowanie zbiorników popiołu w połączeniu z kontrolą zanieczyszczenia powietrza (taką jak płuczki mokre ) zmniejsza ilość zanieczyszczeń w powietrzu, konstrukcje te stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia otaczającego środowiska. Przedsiębiorstwa energetyczne często budowały stawy bez wykładzin , zwłaszcza w Stanach Zjednoczonych, dlatego chemikalia zawarte w popiele mogą przedostawać się do wód gruntowych i powierzchniowych.
Od lat 90. przedsiębiorstwa energetyczne w USA zaprojektowały wiele swoich nowych elektrowni z systemami transportu suchego popiołu. Suchy popiół jest składowany na składowiskach, które zazwyczaj obejmują wykładziny i systemy monitorowania wód gruntowych. Suchy popiół można również poddać recyklingowi na produkty takie jak beton, wypełnienia strukturalne do budowy dróg i zaczyn.
Zbiórka popiołu lotnego
Popiół lotny jest wychwytywany i usuwany ze spalin przez elektrofiltry lub filtry tkaninowe (lub czasami oba) umieszczone na wylocie z pieca i przed wentylatorem wyciągowym. Popiół lotny jest okresowo usuwany z koszy zbiorczych pod filtrami lub filtrami workowymi. Generalnie popiół lotny jest transportowany pneumatycznie do silosów magazynowych i składowany na miejscu w stawach popiołowych lub transportowany samochodami ciężarowymi lub wagonami na składowiska ,
Odbiór i utylizacja popiołu paleniskowego
W dolnej części pieca znajduje się lej do zbierania popiołu paleniskowego . Zbiornik ten jest wypełniony wodą w celu gaszenia popiołu i klinkieru spadającego z pieca. Uwzględniono ustalenia dotyczące rozdrabniania klinkieru i transportu rozdrobnionego klinkieru i popiołu paleniskowego do miejscowych zbiorników popiołu lub poza teren zakładu na składowiska odpadów. Odpopielarki służą do usuwania popiołu z kotłów na odpady komunalne.
Elastyczność
Dobrze zaprojektowana polityka energetyczna , prawo energetyczne i rynek energii elektrycznej mają kluczowe znaczenie dla elastyczności. Chociaż z technicznego punktu widzenia elastyczność niektórych elektrowni węglowych mogłaby zostać poprawiona, są one mniej zdolne do zapewnienia dyspozycyjnej generacji niż większość elektrowni gazowych . Najważniejszą elastycznością jest niskie obciążenie minimalne, jednak niektóre ulepszenia elastyczności mogą być droższe niż energia odnawialna z akumulatorami .
Wytwarzanie energii z węgla
Światowa produkcja energii elektrycznej w 2019 r. Według źródła (całkowita produkcja wyniosła 27 petawatogodzin )
Od 2020 roku dwie trzecie spalanego węgla ma służyć do wytwarzania energii elektrycznej. W 2020 roku największym źródłem energii elektrycznej był węgiel (34%). Ponad połowa produkcji węgla w 2020 roku pochodziła z Chin. Około 60% energii elektrycznej w Chinach, Indiach i Indonezji pochodzi z węgla.
W 2020 roku na całym świecie działało 2059 GW mocy węglowej, oddano do użytku 50 GW, a budowę rozpoczęto 25 GW (większość z tych trzech w Chinach); i 38 GW na emeryturze (głównie USA i UE).
Efektywność
Istnieją 4 główne typy elektrowni węglowych uszeregowanych według rosnącej wydajności: podkrytyczne, nadkrytyczne , ultranadkrytyczne i kogeneracyjne (zwane również kogeneracją lub kogeneracją). Układ podkrytyczny jest najmniej wydajnym typem, jednak ostatnie innowacje umożliwiły modernizację starszych zakładów podkrytycznych, aby osiągnąć lub nawet przekroczyć wydajność zakładów nadkrytycznych.
Zintegrowana konstrukcja cyklu gazyfikacji
Zintegrowany cykl gazyfikacji (IGCC) to technologia wytwarzania energii z węgla, która wykorzystuje wysokociśnieniowy gazyfikator do przekształcania węgla (lub innych paliw na bazie węgla) w gaz pod ciśnieniem — gaz syntezowy (gaz syntezowy). Konwersja węgla na gaz umożliwia zastosowanie generatora cyklu kombinowanego , zazwyczaj osiągając wysoką sprawność. Proces IGCC może również umożliwić usunięcie niektórych zanieczyszczeń z gazu syntezowego przed cyklem wytwarzania energii. Jednak technologia ta jest kosztowna w porównaniu z konwencjonalnymi elektrowniami węglowymi.
Emisja dwutlenku węgla
Ponieważ węgiel składa się głównie z węgla , elektrownie węglowe charakteryzują się wysoką intensywnością emisji dwutlenku węgla . Średnio elektrownie węglowe emitują znacznie więcej gazów cieplarnianych na jednostkę wytworzonej energii elektrycznej w porównaniu z innymi źródłami energii (patrz także emisje gazów cieplarnianych w całym cyklu życia źródeł energii ). W 2018 r. spalanie węgla w celu wytworzenia energii elektrycznej wyemitowało ponad 10 Gt CO 2 z 34 Gt ogółem ze spalania paliw (całkowita emisja gazów cieplarnianych w 2018 r. wyniosła 55 Gt CO 2 e).
Łagodzenie
Wycofanie
Od 2015 do 2020 r., chociaż produkcja węgla prawie nie spadła w wartościach bezwzględnych, część jej udziału w rynku przejęły energetyka wiatrowa i słoneczna. W 2020 roku tylko Chiny zwiększyły produkcję energii z węgla, a globalnie spadła ona o 4%. Sekretarz generalny ONZ powiedział, że kraje OECD powinny przestać wytwarzać energię elektryczną z węgla do 2030 r., a reszta świata do 2040 r., w przeciwnym razie ograniczenie globalnego ocieplenia do 1,5°C, celu porozumienia paryskiego, byłoby niezwykle trudne. Wycofanie się w Azji może być wyzwaniem finansowym, ponieważ tamtejsze zakłady są stosunkowo młode: w Chinach dodatkowe korzyści z zamknięcia zakładu różnią się znacznie w zależności od jego lokalizacji.
Współspalanie amoniaku
Amoniak ma wysoką gęstość wodoru i jest łatwy w obróbce. Może służyć do magazynowania bezemisyjnego paliwa w energetyce turbin gazowych i jako paliwo może znacznie ograniczyć emisję CO₂. W Japonii w czerwcu 2021 r. rozpoczęto pierwszy duży czteroletni projekt testowy mający na celu opracowanie technologii umożliwiającej współspalanie znacznych ilości amoniaku w wielkoskalowej komercyjnej elektrowni węglowej. Jednak niskoemisyjny wodór i amoniak są poszukiwane w zrównoważonej żegludze , która w przeciwieństwie do wytwarzania energii elektrycznej ma niewiele innych czystych opcji.
Konwersja
Niektóre elektrownie są przestawiane na spalanie gazu, biomasy lub odpadów, a konwersja na magazynowanie ciepła zostanie przetestowana w 2023 r.
Wychwytywanie węgla
W Chinach w 2020 r. rozważano modernizację niektórych istniejących elektrowni węglowych z wychwytywaniem i składowaniem dwutlenku węgla , ale jest to bardzo kosztowne, zmniejsza produkcję energii, aw przypadku niektórych elektrowni nie jest technicznie wykonalne.
Zanieczyszczenie
W niektórych krajach zanieczyszczenie jest w pewnym stopniu kontrolowane za pomocą najlepszych dostępnych technik , na przykład w UE poprzez dyrektywę w sprawie emisji przemysłowych . W Stanach Zjednoczonych elektrownie węglowe podlegają na poziomie krajowym kilku przepisom dotyczącym zanieczyszczenia powietrza, w tym norm dotyczących rtęci i toksyczności powietrza (MATS), wytycznym dotyczącym ścieków dotyczących zanieczyszczenia wody oraz przepisom dotyczącym odpadów stałych w ramach ustawy o ochronie zasobów i Ustawa o odbudowie (RCRA).
Elektrownie węglowe nadal zanieczyszczają środowisko w krajach o słabych regulacjach; takich jak Bałkany Zachodnie , Indie, Rosja i Republika Południowej Afryki; powodując ponad sto tysięcy przedwczesnych zgonów każdego roku.
Lokalne zanieczyszczenie powietrza
Uszczerbek na zdrowiu spowodowany pyłem zawieszonym , dwutlenkiem siarki i tlenkiem azotu występuje głównie w Azji i często jest spowodowany spalaniem węgla niskiej jakości, takiego jak węgiel brunatny , w zakładach pozbawionych nowoczesnego oczyszczania spalin . Wczesne zgony z powodu zanieczyszczenia powietrza oszacowano na 200 na GW-rok, jednak mogą one być wyższe w pobliżu elektrowni, w których skrubery nie są używane, lub niższe, jeśli znajdują się daleko od miast.
Zanieczyszczenie wody
Zanieczyszczenia, takie jak metale ciężkie, przedostające się do wód gruntowych ze zbiorników składowania popiołu węglowego lub składowisk odpadów bez wykładziny, zanieczyszczają wodę prawdopodobnie na dziesięciolecia lub stulecia. Zrzuty zanieczyszczeń ze stawów popiołów do rzek (lub innych zbiorników wód powierzchniowych) zazwyczaj obejmują arsen , ołów, rtęć , selen , chrom i kadm .
Emisje rtęci z elektrowni węglowych mogą opadać z powrotem na ziemię i wodę podczas deszczu, a następnie zostać przekształcone przez bakterie w metylortęć . Dzięki biomagnifikacji rtęć ta może następnie osiągnąć niebezpiecznie wysoki poziom w rybach. Ponad połowa rtęci atmosferycznej pochodzi z elektrowni węglowych.
Elektrownie węglowe emitują również dwutlenek siarki i azot . Emisje te prowadzą do kwaśnych deszczy , które mogą zrestrukturyzować sieci pokarmowe i doprowadzić do upadku populacji ryb i bezkręgowców .
Łagodzenie lokalnych zanieczyszczeń
Przewiduje się, że od 2018 r. lokalne zanieczyszczenie w Chinach, które mają zdecydowanie najwięcej elektrowni opalanych węglem, będzie dalej zmniejszane w latach 2020 i 2030, zwłaszcza jeśli małe i niskosprawne elektrownie zostaną wcześniej wycofane z eksploatacji.
Ekonomia
Dotacje
Elektrownie węglowe zwykle służą jako technologia obciążenia podstawowego , ponieważ mają wysokie współczynniki dostępności, a ich zwiększanie i zmniejszanie jest stosunkowo trudne i kosztowne. W związku z tym słabo radzą sobie na rynkach energii w czasie rzeczywistym , gdzie nie są w stanie reagować na zmiany lokalizacyjnej ceny krańcowej. W Stanach Zjednoczonych stało się to szczególnie widoczne w świetle pojawienia się taniego gazu ziemnego, który może służyć jako paliwo w dyspozycyjnych elektrowniach zastępujących rolę obciążenia podstawowego w sieci.
W 2020 roku przemysł węglowy otrzymał dotacje w wysokości 18 miliardów dolarów.
Finanse
Największymi sponsorami są chińskie banki w ramach Inicjatywy Pasa i Szlaku (BRI).
Współczynniki wydajności
W Indiach współczynniki wydajności są poniżej 60%. W 2020 roku elektrownie węglowe w Stanach Zjednoczonych miały ogólny współczynnik mocy na poziomie 40%; to znaczy działały z nieco mniej niż połową ich łącznej pojemności z tabliczki znamionowej.
Osierocone aktywa
Jeśli globalne ocieplenie zostanie ograniczone do znacznie poniżej 2°C, jak określono w porozumieniu paryskim , do 2050 r. prognozuje się, że aktywa osierocone elektrowni węglowych przekroczą 500 mld USD, głównie w Chinach. W 2020 r. think tank Carbon Tracker oszacował, że 39% elektrowni węglowych było już droższych niż nowe odnawialne źródła energii i magazynowanie , a do 2025 r. 73% będzie. Od 2020 r. Około połowa chińskich elektrowni węglowych traci pieniądze, a stare i małe elektrownie „nie mają nadziei na zysk”. Od 2021 r. Indie utrzymują działanie potencjalnych aktywów osieroconych, subsydiując je.
Polityka
W maju 2021 r. G7 zobowiązało się do zakończenia wsparcia dla elektrowni węglowych w ciągu roku.
Polityka energetyczna Chin wobec węgla i węgla w Chinach to najważniejsze czynniki dotyczące przyszłości elektrowni węglowych, bo w kraju jest ich tak dużo. Według jednej z analiz lokalni urzędnicy przeinwestowali w energię węglową w połowie 2010 roku, ponieważ rząd centralny gwarantował godziny pracy i ustalał wysoką cenę hurtową energii elektrycznej.
W demokracjach inwestycje w energetykę węglową przebiegają zgodnie ze środowiskową krzywą Kuznetsa . Polityka energetyczna Indii dotycząca węgla jest kwestią w polityce Indii .
Protesty
Protesty często odbywały się w miejscach wydobycia oraz w miejscach proponowanych nowych zakładów.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Elektrownia węglowa Edukacja energetyczna prowadzona przez Uniwersytet Calgary
- Jak działa elektrownia węglowa wideo autorstwa Tennessee Valley Authority
- Film o tym, jak działa elektrownia węglowa, wyprodukowany przez Ontario Power Generation
- Energia elektryczna z węgla przez Światowe Stowarzyszenie Węgla
- Światowe elektrownie węglowe zmapowane przez Carbon Brief
- End Coal przez różnych zwolenników ochrony środowiska, sprawiedliwości społecznej i zdrowia
- Energia węglowa według Międzynarodowej Agencji Energii
- Ekonomika węgla autorstwa Carbon Tracker
- Centrum Badań nad Energią i Czystym Powietrzem
| Kontrola władz : Biblioteki narodowe |
|---|
