3.2 ELEKTRÁRNE

Elektrárne sú energetické zariadenia používané na premenu rôznych druhov energie na elektrickú energiu. Podľa prvotného zdroja energie sa rozlišujú tepelné, vodné, veterné a slnečné elektrárne.  Tepelné elektrárne sa ďalej delia podľa toho, aký zdroj energie (paliva) premieňajú na elektrickú energiu – fosílne a jadrové palivá, geotermálnu energiu alebo biomasu.

V prvých kapitolách sú vysvetlené princípy výroby elektrickej energie a tepla v tepelných a jadrových elektrárňach. V ďalšej kapitole je objasnený princíp využívania tepla zeme a spôsob výroby elektrickej energie v geotermálnych elektrárňach. Zužitkovanie energie biomasy je ukázané na príkladoch jej termochemickej a biochemickej premeny pre ďalšie použitie v bioplynových elektrárňach. Vodné elektrárne sú rozdelené podľa spôsobu využitia hydroenergetického potenciálu a použitého typu vodnej turbíny. Na praktických príkladoch sú opísané vodné elektrárne na Slovensku.

Na záver sú vysvetlené priame a nepriame premeny slnečnej energie, ktoré tiež súvisia s využívaním veternej energie.

Obsah kapitoly 3.2

3.2.1		Tepelné  elektrárne
3.2.1.1		Klasické elektrárne
3.2.1.1.1		Kondenzačné elektrárne
3.2.1.1.2		Teplárne
3.2.1.1.3		Elektrárne so spaľovacími turbínami
3.2.1.1.4		Paroplynové elektrárne
3.2.1.1.5		Kogeneračné elektrárne
3.2.1.1.6		Otázky ku kapitole 3.2.1.1
3.2.1.2		Jadrové elektrárne
3.2.1.2.1		Princíp uvoľňovania jadrovej energie
3.2.1.2.2		Jadrové palivo a palivový cyklus
3.2.1.2.3		Jadrové reaktory
3.2.1.2.4		Otázky ku kapitole 3.2.1.2
3.2.1.3		Geotermálne elektrárne
3.2.1.3.1		Otázky ku kapitole 3.2.1.3
3.2.1.4		Bioelektrárne
3.2.1.4.1		Energia biomasy
3.2.1.4.2		Výroba elektrickej energie z biopaliva
3.2.1.4.3		Význam energetického využitia biomasy
3.2.1.4.4		Otázky ku kapitole 3.2.1.4
3.2.2		Vodné elektrárne
3.2.2.1		Vodné turbíny
3.2.2.2		Priehradové vodné elektrárne
3.2.2.3		Haťové vodné elektrárne
3.2.2.4		Derivačné vodné elektrárne
3.2.2.5		Prečerpávacie vodné elektrárne
3.2.2.6		Prílivové elektrárne
3.2.2.7		Elektrárne využívajúce energiu vĺn
3.2.2.8		Malé vodné elektrárne
3.2.2.9		Otázky ku kapitole 3.2.2
3.2.3		Veterné elektrárne
3.2.3.1		Výkon veterných elektrární
3.2.3.2		Možnosti uplatnenia veterných elektrární
3.2.3.3		Otázky ku kapitole 3.2.3
3.2.4		Slnečné elektrárne
3.2.4.1		Priame premeny slnečnej energie
3.2.4.1.1		Fotické premeny
3.2.4.1.2		Elektrické premeny
3.2.4.1.3		Tepelné premeny
3.2.4.2		Nepriame premeny slnečnej energie
3.2.4.2.1		Mechanické premeny
3.2.4.2.2		Organické premeny
3.2.4.3		Využitie slnečnej energie
3.2.4.4		Otázky ku kapitole 3.2.4

3.2.1 TEPELNÉ ELEKTRÁRNE

Podľa použitého zdroja energie sa tepelné elektrárne rozdeľujú na:

• Klasické – sú zariadenia, v ktorých sa uskutočňuje premena chemicky viazanej energie tuhých, kvapalných alebo plynných palív (uhlie, vykurovací olej, mazut, plyn) na tepelnú energiu a následne na elektrickú energiu alebo na priemyselne využiteľné teplo. Na Slovensku sa v nich vyrába asi 22 % elektrickej energie.

Fosílne palivo  Teplo  Para  Turbína  Generátor  Elektrická energia

• Jadrové – sú zariadenia, v ktorých sa pomocou štiepenia atómových jadier štiepneho materiálu (urán 235) získava tepelná energia, ktorá sa ďalej postupne premieňa až na elektrickú. Na Slovensku sa v nich vyrába asi 53 % elektrickej energie.

Jadrové palivo  Teplo  Para  Turbína  Generátor  Elektrická energia

• Geotermálne – využívajú teplo zeme, ktoré sa prostredníctvom vody dostáva na povrch zeme, kde sa využíva ako tepelná energia pre ďalšie použitie. Na Slovensku sa tento systém zatiaľ na výrobu elektrickej energie nevyužíva, pričom existujú potenciálne oblasti na jej použitie.

• Bioelektrárne – palivom týchto elektrární je hmota zámerne produkovaná na energetické účely (rýchlorastúce dreviny, rastliny, odpady z priemyslu, poľnohospodárstva a domácností). Jej nevýhodou je však veľký obsah vody v surovom stave. Dôležité je tu najmä ekologické hľadisko, pretože sa jedná tiež o biologický spôsob zneškodňovania odpadov.

Základy teórie tepelnej energetiky

Celý systém výroby elektrickej energie je založený na princípe premeny tepelnej energie na mechanickú prácu. Tepelný obeh je sústava niekoľkých za sebou nasledujúcich termodynamických zmien, po ktorých sa pracovná látka vráti do pôvodného stavu z termodynamického hľadiska. Pre pochopenie uvádzame na obr. 3.2.1.1 idealizovaný Carnotov obeh. Skladá sa z dvoch izoterm a z dvoch izoentrop. Izoterma reprezentuje konštantnú teplotu T a izoentropa konštantnú entropiu S (konštantný tepelný obsah).

1-2 adiabatická kompresia (vzrastá teplota pri stálej entropii, zvyšuje sa vnútorná energia pri stálej entropii),

2-3 izotermická expanzia (vzrastá entropia pri stálej teplote),

3-4 adiabatická expanzia (klesá teplota pri stálej entropii, odovzdáva energiu prostredníctvom práce),

4-1 izotermická kompresia (klesá entropia pri stálej teplote).

Obr. 3.2.1.1. Carnotov obeh v T-S diagrame

Entropia S je funkciou stavu sústavy a jej prírastok pri vratnom deji je rovný podielu privedeného tepla a príslušnej absolútnej teploty. Naopak počas odovzdávania tepla je entropia meradlom zníženia energie. Jednotkou entropie je J·K^-1.

.

Pre množstvo privedeného tepla q1 platí

,

pre odovzdané teplo

,

pričom plocha uzavretá krivkou udáva prácu vykonanú týmto obehom

.

Termická účinnosť sa rovná podielu vykonanej práce a privedenej energie

,

je teda závislá iba od absolútnych teplôt.

V skutočnosti však namiesto izotermickej kompresie pary (4 -1 na obr. 3.2.1.1) realizujeme úplnú kondenzáciu a do kotla čerpáme kvapalinu. Príkon napájacieho čerpadla je totiž neporovnateľne menší ako príkon kompresorov. Takýto obeh s úplnou kondenzáciou sa nazýva Rankin-Clausiov, obr. 3.2.1.2.

Obr. 3.2.1.2. Rankin-Clausiov obeh v T-S diagrame klasický a s prihrievaním

Klasický tepelný obeh parnej elektrárne (obr. 3.2.1.2) sa začína v kotle (K), kde sa napájacia voda (a) ohreje na bod varu (1), potom z nej vzniká postupne mokrá (2) a sýta para (3) a ďalším prívodom tepla v prehrievači pary vzniká prehriata para (4), ktorá sa privádza do turbíny (T). Tam expanduje a odovzdá časť svojej energie turbínovým lopatkám. Z turbíny odchádza para (5) do kondenzátora, v ktorom sa odoberá teplo v takej miere, že para kondenzuje na kvapalný kondenzát. Ten je z kondenzátora odoberaný (b) a stláčaný čerpadlom na vyšší tlak a tvorí napájaciu vodu (a). Čerpadlo je v skutočnosti z praktických dôvodov delené na dve konštrukčné časti radené za sebou, kondenzačné a napájacie čerpadlo.

Tepelný obeh s prihrievaním pary je v spodnej časti obr. 3.2.1.2. Začína rovnako ako klasický obeh napájacou vodou, pokračuje ohrevom a vznikom mokrej a sýtej pary. Rozdiel je v tom, že para, ktorá sa privádza do vysokotlakej časti turbíny (V), v nej len čiastočne expanduje. Odchádzajúca para z vysokotlakej časti turbíny (5) sa vracia do kotla (K), kde sa znovu prihreje (6) a jej expanzia sa dokončí v nízkotlakej časti turbíny (N). Po expanzii para odchádza do kondenzátora (7), v ktorom kondenzuje. Obeh pokračuje vznikom kondenzátu, jeho odoberaním, stláčaním a tvorbou napájacej vody.

Privádzanie tepla do kotla prebieha pri konštantnom tlaku a množstvo tepla privedeného vode a pare je určené plochou a-1-2-3-4-5-b-a (resp. a-1-2-3-4-5-6-7-b-a) v T-S diagrame. Množstvo tepla, ktoré je potrebné odobrať expandovanej pare v kondenzátore na jej kondenzáciu, je znázornené plochou a-1-5-b-a (resp. a-1-7-b-a). Užitočná práca, ktorú vykoná v turbíne para bez prihrievania je daná plochou 1-2-3-4-5-1 a ktorú vykoná v turbíne para s prihrievaním je daná plochou 1-2-3-4-5-6-7. Z obr. 3.2.1.2 je zrejmé, že plocha diagramu v spodnej časti je väčšia rovnako ako teoretická účinnosť tepelného obehu s prihrievaním pary. Uvedené priebehy sú idealizované, v skutočnosti vznikajú straty trením a straty pri expanzii.

Teoretická účinnosť bez prihrievania pary je daná vzťahom

.

Typy tepelných turbín

Turbína je hnací rotačný lopatkový stroj, ktorý umožňuje transformáciu tepelnej, tlakovej alebo potenciálnej energie na energiu mechanickú prostredníctvom lopatiek umiestnených na rotujúcom hriadeli a obtekaných pracovným médiom. Podľa pracovného média sa turbíny delia na vodné (využívajúce potenciálnu energiu vody) a tepelné (využívajú tepelnú a tlakovú energiu pary alebo plynu).

Tepelné turbíny sa delia podľa niekoľkých kritérií:

a) použitá pracovná látka

• Plynové turbíny, ktorých pracovnou látkou je plyn vznikajúci spaľovaním plynného alebo kvapalného paliva v spaľovacej komore. Vstupná teplota spalín je 900 až 1400 °C, výstupná 450 až 600 °C, účinnosť výroby je 28 až 38 %.

• Parné turbíny na prehriatu paru. Vstupná teplota pary je 400 až 650 °C. Celková účinnosť výroby elektrickej energie vrátane kotla je 28 až 45 %.

• Parné turbíny na sýtu (mokrú) paru. Vstupná teplota pary je 240 až 270 °C. Používajú sa prevažne v jadrových elektrárňach.

b) princíp funkcie

• Rovnotlaková turbína. V rovnotlakovej (akčnej) turbíne sa mení tlak na pohybovú energiu len v pevných – rozvádzacích lopatkách, v ktorých para expanduje a usmerňuje sa na lopatky obežného kolesa, ktoré sa takto uvádza do pohybu. Tlak pred a za obežnými lopatkami je rovnaký – preto sa nazýva rovnotlaková (obr. 3.2.1.3a). Rýchlosť pary je veľmi veľká a rotor by mal vysoké otáčky. Turbína musí mať preto viac tlakových stupňov. Každý stupeň je vytvorený jedným kolesom rozvádzacím a jedným obežným. Lopatky rozvádzacieho kolesa sú zabudované do statorovej skrine, lopatky obežného kolesa do telesa rotora. Rozmery kolies a lopatiek sa zväčšujú ako klesá tlak a teplota pary od vstupu pary do turbíny až k jej výstupu.

• Pretlaková turbína. V pretlakovej (reakčnej) turbíne sa tlak pary mení na pohybovú energiu v pevných aj obežných lopatkách (obr. 3.2.1.3b). Para pri prechode rozvádzacím kolesom čiastočne expanduje, získava rýchlosť, usmerňuje sa na lopatky obežného kolesa, kde nastáva celková expanzia. Tlak za lopatkami obežného kolesa je menší než pred nimi – preto sa nazýva pretlaková.

Kvôli tepelnej dilatácii sa teleso parných turbín rozdeľuje na dve až tri časti – stupne. Nízkotlaková (pretlaková) má najväčšie rozmery, ale najmenší výkon a u vysokotlakovej (rovnotlakovej) je to naopak. Para pri prestupe z jednej do druhej časti sa ešte prihrieva, aby nebola mokrá. Aby sa obmedzili axiálne tlaky na ložiská turbíny, delí sa táto do dvoch telies s opačným postupom pary. Pri znižovaní tlaku však rastie merný objem pary na výstupe z turbíny, čo si vyžaduje dlhšie lopatky turbíny. Znižovaním tlaku sa zvyšuje vlhkosť pary a rastie nebezpečenstvo erózie obežných lopatiek.

 

a)	b)

Obr. 3.2.1.3. Zmena rýchlosti a tlaku pary v rovnotlakovej (a) a pretlakovej (b) turbíne

Obr. 3.2.1.4. Rotor jednotelesovej viacstupňovej parnej turbíny

c) počet telies

• jednotelesové turbíny sú určené pre menšie výkony (obr. 3.2.1.4),

• viactelesové turbíny majú vysokotlakovú a nízkotlakovú časť, prípadne aj stredotlakovú pre väčšie výkony (obr. 3.2.1.5b) a tak umožňujú lepšie využitie energie pary.

d) počet stupňov

• jednostupňové turbíny sú určené pre menšie výkony,

• viacstupňové turbíny majú pre väčšie výkony až 20 stupňov v jednom telese (obr. 3.2.1.4).

 e) tlak výstupnej pary

• Protitlakové turbíny. Para v nich expanduje iba na určitý pomerne vysoký tlak (0,11 až 0,6 MPa) a je ďalej použitá na technologické účely. Odberov pary môže byť viac, pre rozličné tlaky a účely. Tieto turbíny sa používajú najmä v teplárňach. Para sa ďalej využíva na vykurovanie, prípravu teplej úžitkovej vody alebo technologické účely.

• Kondenzačné turbíny. Para v nich expanduje v poslednom tlakovom stupni až do vákua na podtlak asi 0,02 − 0,08 MPa, pričom má teplotu cca 30 − 40 °C. Z turbíny sa vedie para do kondenzátora, kde sa pôsobením chladiacej vody zráža (kondenzuje) na vodu (kondenzát), čím sa v uzavretom kondenzátorovom priestore dosahuje spomínaný podtlak. Podtlak v kondenzátore sa udržuje na predpísanej hodnote odsávaním vzduchu vývevou. Tieto turbíny sa používajú v klasických elektrárňach.

f) odber pary z turbíny

• Neregulované odbery. Tlak pary kolíše podľa zaťaženia turbíny. Para sa odoberá na niekoľkých miestach z turbíny a ohrieva napájaciu vodu kotla, čím sa zväčšuje účinnosť tepelného obehu, obr. 3.2.1.5a.

• Regulované odbery. Para sa odoberá jedným alebo maximálne troma odbermi (s vhodným redukčným ventilom, ktorý udržuje tlak v nízkotlakovej časti turbíny na konštantnej hodnote), ktorými sa dodáva teplo spotrebiteľom, obr. 3.2.1.5b. Odber pary sa reguluje podľa požiadaviek spotreby.

Obr. 3.2.1.5. Turbína s neregulovanými (a) regulovaným odberom (b)

1 – regeneračné ohrievače napájacej vody, 2 – spotrebiče tepla, 3 – para, 4 – napájacia voda,

T – jednotelesová turbína, V – vysokotlaková časť turbíny, N – nízkotlaková časť turbíny.

g) prúdenie pracovnej látky

• Axiálne turbíny sú dnes najpoužívanejšie. Para v nich prúdi rovnobežne s osou hriadeľa.

• Radiálne turbíny sa dnes už prakticky nepoužívajú. Para v nich prúdi kolmo na os hriadeľa.

• Centripetálne turbíny sa používajú pre malé turbíny. Para v nich vstupuje do turbíny radiálne a vystupuje axiálne.

3.2.1.1 KLASICKÉ ELEKTRÁRNE

Pre návrh elektrárne sú dôležité otázky paliva a vody. Pre všeobecné posúdenie sa predpokladá 1 kg paliva na 1 kW.h, 4 kg pary na 1 kW.h a 60 kg chladiacej vody na 1 kg pary. Rozhoduje sa medzi umiestnením pri zdroji palív, vody alebo v mieste spotreby elektrickej energie.

Klasické elektrárne tiež nazývame tepelné energetické výrobne a zaraďujeme medzi ne:

3.2.1.1.1 KONDENZAČNÉ ELEKTRÁRNE

Kondenzačné elektrárne sú elektrárne, ktorých hlavným produktom výroby je elektrická energia. V týchto elektrárňach sa používajú pre pohon generátorov kondenzačné turbíny alebo odberové kondenzačné turbíny. Na obr. 3.2.1.1.1 až 3.2.1.1.3 sú uvedené zjednodušené schémy technologických okruhov kondenzačných elektrární.

Obr. 3.2.1.1.1. Okruh s kondenzačnou turbínou

Obr. 3.2.1.1.2. Okruh s kondenzačnou turbínou s prihrievaním pary

Obr. 3.2.1.1.3. Okruh s odberovou kondenzačnou turbínou

Výpočet účinnosti kondenzačnej elektrárne

Teplota pary na vstupe do turbíny T₁ = 500 °C = 500 +273,15 = 773,15 K.

Teplota pary na výstupe z turbíny T₂ = 40 °C = 40 +273,15 = 313,15 K.

Termická účinnosť turbíny

Mechanická účinnosť turbíny η_m = 0,85.

Celková účinnosť turbíny η_T = η_th . η_m = 0,59 . 0,85 = 0,51.

Výsledná účinnosť tepelnej elektrárne η = η_K . η_T . η_G = 0,88 . 0,51 . 0,88 = 0,39.

η_K = 0,88    η_T = 0,51    η_G = 0,88

Celková účinnosť elektrárne na svorkách generátora dosahuje cca 40 %. Pri uvažovaní vlastnej spotreby je to okolo 35 %. Najväčší podiel strát je v kondenzačnom obehu, keďže asi 50 % strát tvorí teplo odvedené chladiacou vodou z kondenzátora. Je to veľké množstvo odpadového tepla, ale s nízkou teplotou, len málo prevyšujúcou teplotu okolia, takže ho nemožno bežne využiť. Celková energetická bilancia klasickej elektrárne je uvedená na obr. 3.2.1.1.4. Väčšina tepla sa odvedie chladiacou vodou ako odpadové teplo.

Obr. 3.2.1.1.4. Celková energetická bilancia klasickej elektrárne

Možnosti zvyšovania účinnosti kondenzačných elektrární

Snahou je zväčšiť plochu Rankin-Clausiovho obehu určeného bodmi 1-2-3-4-5-1. To je možné buď zväčšením množstva privedeného tepla alebo zmenšením množstva odpadového tepla. Toto je možné niekoľkými spôsobmi:

a) znížením tlaku v kondenzátore

Zmenšenie množstva odvedeného tepla sa dosiahne znížením tlaku v kondenzátore (bežný tlak je 4 − 5 kPa). Je to možné dosiahnuť niekoľkými spôsobmi:

• znížením teploty chladiacej vody – najvýhodnejšie,

• zväčšením prietoku chladiacej vody – potreba výkonných čerpadiel znamená zväčšenie vlastnej spotreby,

• zväčšením teplovýmennej plochy v kondenzátore – zvyšuje investičné náklady.

b) zvyšovaním parametrov vstupnej pary do turbíny

Zvyšovaním tlaku a teploty pary vstupujúcej do turbíny sa zväčšuje užitočná plocha v T-S diagrame, teda aj účinnosť.

• zvyšovanie tlaku – je obmedzené pevnostnými požiadavkami materiálov. Pre kotly s prirodzenou cirkuláciou je to maximálne 17 MPa, pre kotly prietlačné do 24 MPa.

• zvyšovanie teploty – zmenšuje sa ním vlhkosť pary na konci expanzie. Horná hranica je určená materiálovými vlastnosťami turbíny. Pre feriticko-perlitickú oceľ môže byť teplota pary 535 °C, pre vysokolegovanú austenitickú oceľ aj vyššia. U nás sa používa pre bloky 110 a 220 MW 535 až 545 °C. Pre blok 500 MW bola zvolená teplota 545 °C.

c) regeneráciou tepla

   Regenerácia spočíva v tom, že v kotle sa neohrieva voda od stavu 1 v T-S diagrame, ale napájaciu vodu prihrejeme parou odoberanou z turbíny, tým sa zvýši teplota, pri ktorej privádzame teplo do obehu, čím sa zvýši jeho účinnosť. Ohrievačov (2) môže byť viac, 8 až 10 sériovo, obr. 3.2.1.1.5. Pri postupnom znižujúcom sa tlaku v jednotlivých stupňoch turbíny vzrastá objem pary. Odber pary na regeneráciu pomáha aj tomu, aby sa pri rovnakom výkone mohli zmenšiť rozmery posledného stupňa.

Obr. 3.2.1.1.5. Prihrievanie napájacej vody

d) prihrievaním pary

   Para, ktorá prešla prvým stupňom turbíny, sa znovu vedie do kotla, do zvláštneho prihrievača obr. 3.2.1.1.6. Tu sa pri stálom tlaku zvyšuje jej teplo približne na pôvodnú hodnotu, ale už pri nižšom tlaku. Zmenšuje sa tým tiež vlhkosť pary na konci expanzie. Účinnosť sa tak zvýši o cca 6 %. Niekedy sa používa aj dvojité prehrievanie pri rôznych tlakoch. Toto však zvýši účinnosť len o 1 až 2 %.

Obr. 3.2.1.1.6. Prihrievanie pary

Hlavné časti kondenzačnej elektrárne

1. Skládka uhlia

   Tvorí zásobu paliva. Denná spotreba veľkých elektrární je 2 až 3 vlaky uhlia. Uhlie je z vagónov vykladané pomocou rotačných (obr. 3.2.1.1.7) alebo čelných (obr. 3.2.1.1.8) výklopníkov a ukladané na skládku uhlia. Skládka je dimenzovaná na niekoľko dní až týždňov. Výška skládky je obmedzená na niekoľko metrov, podľa druhu uhlia a spôsobu ukladania, pretože hrozí nebezpečie samovznietenia uhlia.

2. Zauhľovacie zariadenie

   Uhlie sa zo skládky dopravuje šikmými dopravnými pásmi s automatickým vážením uhlia a odstraňovaním kovových predmetov elektromagnetmi do bunkrov, t. j. vo výške umiestnených zásobníkov surového paliva. Tieto zásobníky obsahujú palivo na niekoľko hodín prevádzky.

   Z bunkrov padá uhlie vlastnou váhou cez sušičky do mlynov, kde sa rozomelie na prášok. Sušičky sú vyhrievané dymovými plynmi. Mlyny môžu byť ventilátorové, krúžkové, guľové alebo kladivkové. Množstvo uhlia, ktoré sa dopravuje zo zásobníkov do mlynov, sa reguluje podávačmi. Pomleté uhlie sa následne spaľuje v kotle.

Obr. 3.2.1.1.7. Rotačný výklopník

Obr. 3.2.1.1.8. Čelný výklopník

3. Kotolňa

   Kotol je zariadenie pre výrobu technicky využiteľného tepla viazaného na vhodnú tekutinu. Parné kotly vyrábajú paru s rôznym tlakom a teplotou pre pohon strojov, vykurovanie alebo na rôzne technologické procesy. Horúcovodné kotly dodávajú vodu s teplotou vhodnou pre vykurovanie alebo niektoré špeciálne technologické procesy.

   Teplo sa spravidla získava priamym spaľovaním paliva, menej často sa využíva odpadové teplo (výfuk spaľovacích motorov, spaliny z turbíny alebo pece). Výnimočne sa vyskytujú kotly elektrické. V kotloch prúdi voda v rúrkach, okolo ktorých je žiarový priestor (v lokomotívach to bolo opačne, plamene prúdili žiarovými rúrkami, okolo ktorých bola voda).

   V moderných kotloch sú strmé rúrky s prirodzeným obehom vody (predné varné, zadné spádové). V hornej časti sa spájajú v bubne s vodou.

Podľa druhu paliva sa delia na kotly s palivom:

• pevným,

• kvapalným,

• plynným.

Podľa spôsobu spaľovania sa delia na kotly:

• roštové,

• práškové,

• fluidné,

• granulačné,

• výtavné,

• cyklónové.

Podľa množstva a obehu vody ich delíme na kotly:

• s prirodzenou cirkuláciou,

• s nútenou cirkuláciou obehovým čerpadlom,

• prietlačné, nemajú bubon a v rúrkach sa postupne voda ohrieva na bod varu, odparuje a vznikajúca para sa prehrieva. Umožňujú rýchle spúšťanie a odstavovanie, ale majú malú akumulačnú schopnosť.

   Pre veľké výkony nad 75 t.h^-1 sa používajú výhradne práškové kotly. V spodnej časti sú horáky pracujúce na rovnakom princípe ako karburátor v aute. Dýzou sa privádza práškové palivo, ktoré je strhávané prúdom vzduchu prúdiacim vo vonkajšom plášti.

   Žiarový priestor je obmurovaný šamotovými tehlami a je v ňom teplota 1000 až 1700 °C podľa typu kotla. Doba rozkurovania kotla je z teplého stavu 1,5 až 2 h, zo studeného stavu 2,5 až 4 h. Kotol chladne cca 24 hodín. Spotreba tepla pre nábeh zo studeného stavu je 1000 až 4000 GJ (1 t hnedého energetického uhlia = 10 až 12 GJ), t. j. pre 110 MW blok je spotreba paliva pri nábehu cca 230 t paliva.

4. Strojovňa

   Sú v nej inštalované parné turbíny a alternátory. V turbíne sa tlak pary mení na rýchlosť. Pohybová energia pary sa prejavuje tlakom na lopatky obežného kolesa, ktoré uvádza do pohybu. V alternátore sa mení mechanická energia na elektrickú. U nás sa používajú dvojpólové alebo štvorpólové turboalternátory. Ich výstupné napätie je 6,3 kV, 10,5 kV alebo 15,75 kV.

5. Vodné hospodárstvo

   Vodné hospodárstvo slúži na zabezpečenie napájacej, prídavnej, chladiacej a technickej vody.

6. Rozvodňa

   Slúži na vyvedenie výkonu z elektrárne a zabezpečenie vlastnej spotreby elektrickej energie. Záskokové zdroje slúžia najmä pri nabiehaní a dobehu elektrárne.

HLAVNÉ TECHNOLOGICKÉ OKRUHY KONDENZAČNEJ ELEKTRÁRNE

A. OKRUH PALIVA A TUHÉHO ODPADU

PALIVO

Základné znaky kvality paliva sú obsah vody (%), obsah popola (%) a výhrevnosť (J.kg-1). Palivom v klasickej elektrárni môže byť:

Zloženie uhlia

a) horľavina, ktorá obsahuje teplotvorné prvky:

b) balast, ktorý obsahuje popolovinu a vodu a tým znižuje výhrevnosť paliva.

2. Produkty z ropy: výhrevnosť 41 000 až 46 000 kJkg^-1, zloženie:

uhlík 85 %, vodík 13 %, síra 1 %, kyslík 0,8 %, ostatné 0,2 %.

a) mazut − destilačný zvyšok ťažkých uhľovodíkov z ropy, ktorý má bod vznietenia 140 °C, pred použitím je ho potrebné zohriať na teplotu blízku bodu vznietenia, aby sa dobre rozprašoval a horel,

b) ľahký vykurovací olej − kvapalné uhľovodíky z ropy, ktorý má bod vznietenia 40 °C, pred použitím je ho potrebné zohriať na teplotu blízku bodu vznietenia, aby sa dobre rozprašoval a horel.

3. Zemný plyn: výhrevnosť 33 500 kJ.kg^-1, zloženie:

a) suchý     − metán 84 %, etán 7 %, dusík 8 %, oxid uhličitý 1 % (nálezisko nesúvisí s ropou),

b) mokrý    − vyskytuje sa spolu s ropným náleziskom,

− metán 37 %, etán 32 %, propán 21 %, bután 6 %, pentán 2 % a hexán 2 %.

TUHÝ ODPAD

Pri spaľovaní tuhých palív vzniká tuhý odpad vo forme:

• škvary v granulačných a roštových ohništiach,

• trosky v práškových výtavných ohništiach,

• popola ako časť tuhých zbytkov,

• popolčeka, ktorý sa vynáša spalinami z kotla.

Tento odpad sa odstraňuje po zemi na zložisko ako zbytky z kotla a odprašovacieho zariadenia, alebo uniká vzduchom cez komín do ovzdušia ako popolček s plynnými spalinami.

B. OKRUH VZDUCHU A SPALÍN

Vzduch, ktorý strháva palivo do kotla, sa volá primárny vzduch. Okrem toho sa ešte privádza horúci sekundárny vzduch, ktorým sa reguluje horenie paliva tak, aby mohlo dokonale zhorieť.

Spaliny sa po vyčistení odvádzajú do ovzdušia cez komín. Komín má dve funkcie. Vyvoláva statický podtlak a rozptyľuje spaliny – dymové plyny. Teplota dymových plynov v komíne je u moderných kotlov okolo 200 °C a preto sa veľmi neuplatňuje statický podtlak. Tento musí byť podporovaný dymovými ventilátormi. Výška komína je od 50 do 200 m.

Dymové plyny majú najväčší vplyv na životné prostredie. Preto sa pred rozptýlením cez komín odlučuje:

C. OKRUH NAPÁJACEJ VODY A PARY

Napájacia a prídavná voda

Para vyrobená v kotle expanduje v turbíne a zráža sa v kondenzátore opäť na vodu. Táto voda sa kondenzačným čerpadlom dopravuje do zásobníkov napájacej vody. Straty pary predstavujú 3 – 5 percentné úbytky. Pri teplárenskej prevádzke sa do zásobníkov vody privádzajú po úprave aj vratné kondenzáty. Vzniknuté straty sa dopĺňajú z mechanicky a chemicky upravenej demineralizovanej vody (DEMI voda).

Zo zásobníkov sa dopravuje voda cez nízkotlakové ohrievače do napájacej nádrže, kde sa zároveň odplynuje. Z nej berie vodu napájacie čerpadlo, ktoré tlačí vodu cez vysokotlakový ohrievač do kotla a prekonáva kotlový tlak a hydraulické odpory potrubia.

Para

Výstupná para z kotlového bubna sa vedie do parojemu. Pretože táto para je mokrá (sýta) a obsahuje kvapôčky strhnutej vody, privádza sa do prehrievačov, kde sa vysúša. Do turbíny ide suchá para (ostrá) s teplotou 500 – 560 °C pri tlaku 9 – 15 MPa. Z hornej hladiny bubna sa odoberajú koncentrované soli − odluh. Zo spodnej časti kotla sa odvádzajú kaly − odkalovanie.

D. OKRUH CHLADIACEJ VODY

Chladiaca voda

Účelom chladiaceho zariadenia je odviesť do okolia kondenzačné teplo odoberané výstupnej pare. Kondenzácia pary nastáva pri teplotách blízkych okolitej teplote. Chladiaca voda je potrebná aj pre chladenie oleja a ďalších zariadení. Na 1 kg pary potrebujeme asi 60 kg chladiacej vody. Pre výkon elektrárne P je potrebný objemový prietok chladiacej vody.

Pre výkon 100 MW to je 6,7 m³.s^-1. Toto množstvo musíme odobrať z vodného zdroja, upraviť a oteplené vrátiť naspäť, alebo chladíme vodu v chladiacich vežiach.

Okruh chladiacej vody môže byť otvorený – prietočný, alebo uzavretý – cirkulačný.

1. Prietočné chladenie. Je to najúčinnejší, najjednoduchší a najlacnejší chladiaci systém. Kondenzačné teplo sa odvádza riečnou vodou, ktorá je len mechanicky zbavená nečistôt. Nevýhodou sú relatívne vysoké poplatky za použitie vody a teplotné limity ohriatia vody v rieke.

2. Cirkulačné chladenie. Chladiaca voda pomocou obehového čerpadla cirkuluje medzi kondenzátorom turbíny a chladičom (chladiacou vežou), v ktorom sa teplo odovzdáva do vzduchu. Chladiace veže môžu byť mokré s prirodzeným alebo umelým ťahom, suché a hybridné.

   • V mokrých sa voda s teplotou  okolo 30 °C  rozstrekuje, časť sa odparí a tým sa zvyšok ochladí na  cca 10 – 15 °C. Vzniknuté vodné pary sa prirodzeným alebo umelým vzdušným ťahom strhávajú hore a vychádzajú vo forme mokrej hmly vrchom chladiacich veží. Takto vzniknuté asi 3 % straty vody sa dopĺňajú z umelých nádrží so zásobami chladiacej vody.

   • V suchých chladiacich vežiach je rebrovaný trubkový výmenník. Straty vody sú obmedzené na minimum, pretože nevzniká mokrá hmla. Nedosahujú sa však tak nízke teploty ako v mokrých vežiach.

3. Vzduchové chladenie. Výstupná para je priamo chladená v sústave radiátorov, v ktorých kondenzuje. Radiátory sú pomocou ventilátorov ofukované vzduchom. Nevýhodou sú veľké rozmery chladiča.

Technická voda

Používa sa na hydraulickú dopravu trosky a popolčeka na vzdialené zložisko. Chemicky sa neupravuje, filtruje sa len od mechanických prímesí. Sieť protipožiarneho vodného potrubia sa obvykle spája so sieťou úžitkovej a pitnej vody.

Zabezpečenie napájacej, chladiacej a technickej vody je uvedené na obr. 3.2.1.1.9.

Obr. 3.2.1.1.9. Zabezpečenie napájacej, chladiacej a technickej vody

E. OKRUH ELEKTRICKEJ ENERGIE

• alternátor,

• budič,

• blokový transformátor,

• rozvodne a rozvádzače,

• pohony,

• čerpadlá,

• ventilátory.

Elektrická energia je z elektrárne vyvedená cez výstupnú rozvodňu do elektrizačnej sústavy. Pre zabezpečenie vlastnej spotreby elektrárne je elektrická energia odoberaná z terciáru blokového transformátora. Záskokové zdroje sú napájané z nezávislého zdroja elektrickej energie.

Schéma tepelnej elektrárne je prevzatá z: http://www.seas.sk/encyklopedia/elektrina-sposob-vyroby/tepelna-elektraren/ .

Koncepcia kondenzačnej elektrárne

Podľa vnútorného usporiadania delíme klasické elektrárne na blokové (obr. 3.2.1.1.10) a s parným prepojením (parnou zbernicou) (obr. 3.2.1.1.11). V starších elektrárňach s malými strojmi (do 50 MW), ale aj v niektorých novších, sa používa zbernicové usporiadanie výrobných jednotiek. V čisto kondenzačných elektrárňach sa používa len blokové usporiadanie. Často sú elektrárne dvojpalivové na kvapalné alebo plynné palivá.

Obr. 3.2.1.1.10. Blokové usporiadanie elektrárne

Obr. 3.2.1.1.11. Usporiadanie elektrárne s parným prepojením

FLUIDNÉ SPAĽOVANIE

Spaľovanie častíc paliva vo vírivej, alebo pseudokvapalnej vrstve sa nazýva fluidné spaľovanie. Fyzikálne je táto vrstva prechodom medzi nepohyblivou vrstvou a úletovým mrakom častíc. Základom fluidného javu je vznášanie sa častíc tuhej látky pôsobením pretekajúceho fluidného média. Týmto médiom môže byť kvapalina alebo plyn.

Prvé pokusy urobili vo Francúzsku v päťdesiatych rokoch minulého storočia a ich fluidné ohniská sa označujú názvom Ignifluid. Sú vhodné na spaľovanie čiernych a antracitických uholných prachov. Ohnisko Lurgi je vhodné na spaľovanie nízkovýhrevných tuhých palív. U nás sa používali fluidné ohniská s názvom Duklafluid, ktoré sú vhodné na spaľovanie uholných a tekutých odpadov.

Fluidné kotly sa postupne začali rozširovať. Sú ekologicky veľmi výhodné, dovoľujú používanie nekvalitných palív (s nízkou výhrevnosťou a vysokou popolnatosťou) a znižujú podiel exhalátov.

Oxidačný proces sa realizuje vo fluidnej vrstve (cca 3 až 4 m), ktorá je pri spaľovaní pevných palív vytvorená z častíc žeravého popola a paliva. Palivo má zrnitosť menšiu ako 10 mm. Rýchlosť prúdenia média je cca 1m. s^-1.

Rozoznávame fluidné spaľovanie:

• so škvarujúcou vrstvou, keď uholnú drvinu nadnáša vháňaný vzduch na pásovom rošte tak, aby sa vo fluidnej vrstve dosahovali čo najvyššie teploty, pričom sa jednotlivé čiastočky paliva a popola spájajú do väčších kúskov. Tie klesajú na povrch roštu, kde dohorievajú a plynulo sa na pásovom rošte vynášajú. Asi polovica spaľovacieho vzduchu tvorí primárny (fluidizačný) vzduch a druhá polovica sa privádza do priestoru ohniska nad fluidizačnú vrstvu. Takto vznikne ďalšie ohnisko spaľovania, v ktorom sa dokonale spália horľavé plyny ako aj najjemnejšie častice úletu z fluidnej vrstvy.

• s neškvarujúcou vrstvou, kde sa môžu spaľovať pevné aj tekuté palivá. Jednostupňový spaľovací proces sa reguluje tak, aby teplota vo fluidnej vrstve neprekročila 1000 °C. Teplota sa obmedzuje chladením fluidnej vrstvy teplovýmennými plochami. Nízkou spaľovacou teplotou je obmedzený vznik oxidov dusíka. Ďalšou výhodou je možnosť súčasného odsírenia spalín s vysokou účinnosťou pridávaním vápenca do fluidnej vrstvy. Dĺžka pobytu nedohorených zŕn paliva v reakčnej vrstve je desiatky minút bez prerušenia procesu horenia a odsírovania.

Pri spaľovaní uhlia vo fluidnej vrstve sa do spaľovacieho priestoru pridávajú vhodné absorbenty (jemne mletý vápenec CaCO₃ alebo dolomit s MgCO₃). Výsledkom reakcie absorbenta s SO₂, vznikajúcom v procese spaľovania, je tuhý odpad CaSO₄ a CaSO₃, ktorý sa potom zachytáva v odlučovači popolčeka (až 99 %).

Prvé horenie paliva v silne redukčnej atmosfére s jeho tepelným rozpadom (splynovanie) je vo fluidnom kotle. Po splynovaní paliva vo fluidnom kotle môže nasledovať:

1. očistenie spalín a potom ich privádzanie do plynovej turbíny. Po expanzii sú ešte vychladené v ohrievači vzduchu kotla a potom po prechode textilným filtrom sú vedené do komína.

2. pridanie sekundárneho vzduchu a výsledky „splyňovania vo fluidnej vrstve“ dohorievajú v klasickom kotle. Prehriata para sa vyrába v tlakovom systéme kotla a ide z prehrievača do parnej turbíny.

Výhody fluidného spaľovania:

• možnosť hospodárneho spaľovania palív v širokom rozsahu ich výhrevnosti a kvality,

• možnosť súčasného spaľovania viacerých druhov palív,

• nízka energetická náročnosť prípravy paliva pred spaľovaním,

• regulačný rozsah 25 až 100 %, prispôsobenie sa náhlym zmenám,

• možnosť krátkodobých odstávok (nad 10 h), udržanie kotla v teplej rezerve na veľmi dlhú dobu,

• možnosť odsírenia (50 až 90 %),

• minimálna tvorba NO_X,

• možnosť inovácie starších blokov pridaním fluidného kotla (len asi 15 % nákladov výmeny celého kotla), odsírenia a denitrifikácie.

3.2.1.1.2 TEPLÁRNE

V teplárňach je hlavným produktom výroby teplo v pare alebo v horúcej vode a elektrická energia. Podstatným znakom teplární je, že vyrábajú teplo a elektrickú energiu kombinovaným spôsobom, obvykle tak, že para s vysokými parametrami prechádza najprv turbínou, v ktorej sa časť energie pary premení na elektrickú energiu. Čiastočne znehodnotená protitlaková para vystupujúca z turbíny sa používa ešte na technologické účely alebo kúrenie. V parných kotloch vyrobená para má vyššie parametre (teploty a tlaku) ako je potrebné pre technológiu, a preto je predtým vedená do protitlakových turbín, prípadne do kondenzačných odberových turbín. Schéma parnej teplárne je rovnaká ako parnej elektrárne. Rozdiely sú pri odberoch pary.

V protitlakových turbínach je expanzia pary ukončená pri vyššom tlaku a para je vedená k spotrebiteľom, obr. 3.2.1.1.12. Pri tomto spôsobe bude množstvo vyrobenej elektrickej energie priamo závislé od množstva dodaného tepla, pretože turbína a spotrebič pary sú pripojené do série. Pre krátkodobé krytie zvýšenej spotreby tepla, alebo dodávku pary pri odstavenej turbíne je tepláreň vybavená redukčnou stanicou, v ktorej je vstupná para redukovaná (zníženie tlaku škrtením) a ochladzovaná (injektážou napájacej vody) na rovnaké parametre ako má výstupná para z turbíny. Kondenzovaná (vratná) voda zo spotrebičov je cez odplyňovač vedená naspäť do napájacej nádrže.

Obr. 3.2.1.1.12. Tepláreň s protitlakovou turbínou

Pri kondenzačných odberových turbínach je umožnené nezávislejšie krytie dodávky elektrickej energie od dodávky tepla, obr. 3.2.1.1.13. Para na vykurovanie sa odoberá buď z medziodberu turbíny alebo z prepojenia medzi vysokotlakovou a nízkotlakovou časťou turbíny. Ďalej para v kondenzačnej turbíne expanduje až na parametre pred vstupom do kondenzátora. Vratná voda zo spotrebičov je cez odplyňovač vedená naspäť do napájacej nádrže.

Obr. 3.2.1.1.13. Tepláreň s kondenzačnou odberovou turbínou

Výhrevňa sa nazýva výrobňa, v ktorej sa vyrába len konzumné teplo priamo v kotloch na to určených. Základná schéma výhrevne je na obr. 3.2.1.1.14.

Obr. 3.2.1.1.14. Základná schéma výhrevne

Celková energetická bilancia teplárne je uvedená na obr. 3.2.1.1.15. Väčšina tepla sa odvedie chladiacou vodou. V teplárňach je privedené teplo využité lepšie ako v kondenzačných elektrárňach.

Obr. 3.2.1.1.15. Celková energetická bilancia teplárne

3.2.1.1.3 ELEKTRÁRNE SO SPAĽOVACÍMI TURBÍNAMI

Uplatňujú sa najmä ako špičkové zdroje elektrickej energie. Majú pre to vhodné vlastnosti:

• rýchle nabiehanie a odstavovanie cca 1 – 20 minút,

• nízku spotrebu vody,

• nie je potrebná úprava paliva,

• kompaktné usporiadanie sústrojenstva,

• účinnosť 25 – 30 %.

Pracovnou látkou plynových turbín používaných v elektroenergetike sú spaliny plynných alebo kvapalných palív. Ako palivo sa používa plyn, nafta, ľahký vykurovací olej a mazut.

Nevýhody plynových turbín sú:

• nutnosť používania drahých palív,

• veľká kompresná práca, ktorá predstavuje až 2/3 vyrobenej mechanickej energie turbínou,

• veľká náročnosť na výrobu a použité materiály,

• vysoká teplota výfukových plynov, čo znižuje tepelnú účinnosť obehu, pokiaľ nie sú tieto plyny využité.

Na spoločnom hriadeli je generátor, spaľovacia turbína, vzduchový kompresor a pomocný elektromotor pre nabiehanie celého zariadenia, obr. 3.2.1.1.16, ktorý je prevzatý z [113]. Kompresor (K) stláča vzduch nasávaný cez predradený filter. Vzduch, ktorý sa stlačením zohreje asi na 300 °C, sa privedie do spaľovacieho systému (S). Časť z neho sa použije ako spaľovací vzduch, ďalšia sa použije ako chladiaci vzduch (pre spaľovaciu komoru a lopatky) a sekundárny vzduch. V spaľovacích komorách (6 – 18) horí palivo za podpory stlačeného vzduchu. Zmes splodín z horenia pomiešaná so sekundárnym vzduchom sa ochladí na menovitú teplotu plynu (1000 – 1200 °C) a vstupuje do turbíny (T), kde expanduje, mení tepelnú energiu na mechanickú energiu a odvádza sa do okolia. Takéto usporiadanie sa nazýva otvorený cyklus. Účinnosť takejto elektrárne je 30 – 40 %.

Obr. 3.2.1.1.16. Otvorený cyklus - jednohriadeľové usporiadanie

Účinnosť sa môže ešte zväčšiť tým, že sa použije výmenník tepla medzi výfukovými plynmi a stlačeným vzduchom pred vstupom do spaľovacej komory (SK). Tento výmenník je však väčší ako kompletné sústrojenstvo celej plynovej turbíny, obr. 3.2.1.1.17, ktorý je prevzatý z [113].

Obr. 3.2.1.1.17. Zvýšenie účinnosti otvoreného cyklu

Niekedy je výhodné rozdeliť plynovú turbínu na časť poháňajúcu kompresor (GT) a na pohon turbíny (HT). Obidve časti majú rozdielne otáčky, takže je možné regulovať prietok vzduchu pri menších výkonoch a otáčky generátora zostávajú konštantné.

Konštrukcia plynových turbín je odvodená od osvedčených prúdových leteckých motorov, obr. 3.2.1.1.18. Z leteckého motora sa preberá kompresor, plynová turbína a spaľovacie komory. K nim sa na spoločný hriadeľ pripojí nízkotlaková časť kompresora a turbíny. Medzi obe časti kompresora sa radí chladič vzduchu. To umožňuje získať chladnejší vzduch na chladenie turbíny, takže je možné zvýšiť spaľovaciu teplotu na 1400 až 1480 °C. Tým sa podstatne zvyšuje výkon a účinnosť turbíny (až na 47 %). Používali sa v elektroenergetike ako špičkové elektrárne.

Obr. 3.2.1.1.18. Príklad realizácie plynovej spaľovacej turbíny

V prípade používania paliva, ktoré zanecháva veľké množstvo popolčeka a síry (sírnaté mazuty), sa používa uzavretý cyklus pracovnej látky - vzduchu, CO₂ alebo hélia tak, aby spaliny neprišli do styku s turbínou. Palivo sa spaľuje v kotle, v ktorého trubkách sa zohrieva vzduch a stlačený sa vedie do vzduchovej turbíny, kde expanduje na tlak vyšší než atmosférický. Z výstupu turbíny sa cez regeneračný výmenník, vodný chladič a kompresor vracia vzduch späť do kotla. Nevýhodou je veľký vzduchový kotol s pomocnými zariadeniami a komínom a veľká spotreba chladiacej vody. Dajú sa však použiť väčšie tlaky vzduchu a zariadenie tak vychádza menšie.

3.2.1.1.4 PAROPLYNOVÉ ELEKTRÁRNE

Svojimi parametrami dosiahli klasické elektrárne maximálnu účinnosť, ktorá sa bez zmeny koncepcie nedá prekročiť. Zvyšovanie parametrov pary je neúmerne investične náročné. Jedným z riešení zmeny koncepcie elektrárne je spojenie výhod parnej a spaľovacej turbíny. Týmto spojením sa dosiahnu dobré dynamické vlastnosti a účinnosť aj pri veľkom kolísaní zaťaženia.

Idealizovaný termodynamický obeh spaľovacej turbíny s prívodom tepla pri konštantnom tlaku je Braytonov obeh. Je zložený z dvoch izobar a dvoch izoentróp. Účinnosť tepelných obehov je tým vyššia, čím je vyššia stredná teplota, pri ktorej privádzame teplo do okruhu a čím je nižšia stredná teplota, pri ktorej teplo z okruhu odvádzame. Opatrenia na zlepšenie účinnosti obehov sú preto orientované na tieto aspekty.

Ak porovnáme teploty v °C, pri ktorých prebieha tepelný obeh v plynových a parných turbínach, vidíme, že by bolo vhodné tieto obehy spojiť [113]. T - S diagram takejto spolupráce je na obr. 3.2.1.1.19, ktorý je prevzatý z [113].

Obr. 3.2.1.1.19. T - S diagram paroplynového obehu

V skutočnosti musíme počítať s účinnosťou kompresora a turbíny. Účinnosť paroplynového obehu je tým vyššia, čím sú lepšie „spojené“ plochy obidvoch obehov, teda čím je menší teplotný spád, pri ktorom sa odvádza teplo z plynového obehu do parného.

Pretože plyny vychádzajúce z plynovej turbíny (qp) majú teplotu okolo 500 °C, môžu sa ďalej využiť v regeneračnom výmenníku na výrobu tepla, alebo v pripojenom spalinovom kotle na ohrev a odpar vody. Táto para sa použije na ďalšiu výrobu elektrickej energie za pomoci parnej turbíny. Účinnosť takejto elektrárne je 50 – 58 %. Paroplynový cyklus je teda kombinácia obehu plynovej (spaľovacej) a parnej turbíny.

V prípade použitia viacerých plynových turbín (každá so svojím vlastným elektrickým generátorom) a jednej parnej turbíny, obr. 3.2.1.1.20 (tiež s vlastným generátorom) hovoríme o multihriadeľovom (viachriadeľovom) usporiadaní.

3.2.1.1.20. Paroplynový cyklus – dvojhriadeľové usporiadanie

Tam, kde je možný odber technologickej pary, je výhodné použiť protitlakovú parnú turbínu a paroplynový cyklus (PPC) prevádzkovať v teplárenskej prevádzke, obr. 3.2.1.1.21.

Obr. 3.2.1.1.21. Paroplynový cyklus v teplárenskej prevádzke – dvojhriadeľové usporiadanie

Ak je plynová turbína a parná turbína na spoločnom hriadeli (spolu s elektrickým generátorom), hovoríme o jednohriadeľovom usporiadaní, obr. 3.2.1.1.22. Toto usporiadanie prináša výhody najmä pri úspore niektorých zariadení, taktiež účinnosť jednohriadeľového paroplynového cyklu je vyššia ako u multihradeľového usporiadania rovnakého výkonu. Vyššia účinnosť sa prejaví najmä pri zariadeniach vyšších výkonov, keď sa podieľajú na regulácií činného výkonu v elektrizačnej sústave a je z nich odoberaný nižší ako menovitý výkon.

Obr. 3.2.1.1.22. Paroplynový cyklus - jednohriadeľové usporiadanie

Paroplynové zariadenia spaľujú najčastejšie zemný plyn, v obmedzenej miere aj kvalitné kvapalné palivá. Existuje však aj možnosť ekonomicky a ekologicky prijateľného využitia uhlia (najväčšie svetové zásoby primárnej energie) a to najmä:

• PPC s tlakovým fluidným spaľovaním,

• integrované PPC zariadenia so splynovaním uhlia.

Využitie plynovej turbíny v tepelnej elektrárni je možné:

a) pre nové zariadenia ako kombinovaný cyklus

Výfukové plyny zo spaľovacej turbíny, asi 540 – 600 °C teplé, sú privádzané do spalinového kotla. Pretože tento plyn má ešte veľký podiel kyslíka, môže byť spalinový kotol vybavený prídavným horením (vykurovanie kotla), čo umožňuje zvýšiť výrobu pary. Pri nevykurovanom kotle (výmenníku) je maximálne množstvo pary možné využiť na výrobu elektrickej energie v kondenzačnom parnom turbogenerátore s výkonom rovným približne polovici výkonu spaľovacej turbíny. Preto sa používa viac plynových turbín na jeden blok. Má to tiež výhodu jednoduchej regulácie, odstavovaním turbín, pri poklese zaťaženia. Turbíny, ktoré zostávajú v činnosti, tak môžu pracovať v oblasti svojej najväčšej účinnosti. Jednotkový výkon môžu mať až viac ako 350 MW. Ako praktickú aplikáciu paroplynového cyklu u nás je možné uviesť prevádzkovanú elektráreň v Bratislave.

b) pre zvýšenie účinnosti a pre obnovu starých parných elektrární

Existujúcu účinnosť je možné zvýšiť, ak sa pripojí paralelne k pôvodnému kotlu plynová turbína a spalinový kotol. Para z tohto spalinového kotla je dodatočne napojená k pare z pôvodného kotla parnej turbíny. Pretože pôvodný kotol a parná turbína sú spolu zladené, bola by pri dodatočnom napojení pary hltnosť parnej turbíny príliš nízka. Preto musí byť redukovaný parný výkon pôvodného kotla, čo ale nemá negatívny vplyv, pretože účinnosť kotla výrazne klesá až pri malých zaťaženiach (menej ako 40 %). Toto zapojenie dovoľuje modernizovať existujúce elektrárenské bloky, ktoré nezodpovedajú nárokom na účinnosť (80 − 90 % pri systéme centralizovaného zásobovania teplom).

Technické riešenia PPC v súčasnosti zahŕňajú:

a) PPC s veľkým prebytkom vzduchu v spalinách

Spaľovacia turbína je použitá ako zdroj oxidačnej látky pre spaľovanie v klasickom parnom kotle (spaliny obsahujú ešte 15 až 16 % kyslíka). V kotle sa spaľuje plynné alebo kvapalné palivo, prípadne aj uhlie - to je významné pri rekonštrukciách teplární.

b) PPC s malým prebytkom vzduchu, bez prikurovania v parnej časti

Môžu to byť zariadenia s jedno- alebo viactlakovým parným okruhom, prípadne ešte s prihrievaním v parnom okruhu. Vzhľadom na výkony plynových spaľovacích turbín sa tieto PPC dodávajú s dvomi, tromi alebo štyrmi plynovými turbínami a jednou parnou turbínou. Tak je možné dosiahnuť výkon PPC bloku až 900 MW a viac. Najväčší svetoví výrobcovia takýchto blokov sú GE, ABB, Siemens, GEC-Alsthom a ďalší.

c) PPC s miernym prikurovaním v parnej časti

Tento typ PPC má význam najmä v teplárenstve.

3.2.1.1.5 KOGENERAČNÉ ELEKTRÁRNE

Týmto názvom označujeme zariadenia na kombinovanú výrobu tepla a elektrickej energie, poháňané väčšinou piestovými spaľovacími motormi od výkonu 12 kW do 5 MW, alebo spaľovacími turbínami pre výkony nad 500 kW.

Kogenerácia je kombinovaná výroba elektriny a tepla na báze plynu. Celý systém pracuje tak, že najprv použijeme plyn v plynovom motore (alebo turbíne) na výrobu elektrickej energie a následne využijeme vzniknuté teplo spalín a z chladenia motora. Slovo kogenerácia sme prebrali z anglického názvu Cogeneration, pričom v angličtine toto pomenovanie znamená výrobu elektriny a tepla na báze spaľovacích motorov a turbín, ktoré spaľujú plynné palivá.

Prioritne sa ako palivo používa zemný plyn (ZP). Alternatívou ZP môže byť tiež bioplyn, drevný plyn, koksárenský plyn, propán-bután a pod. Použitie plynu pre kogeneráciu je dôležité z ekologického hľadiska. Práve nízke znečisťovanie životného prostredia emisiami je dôležitým znakom kogenerácie.

Na výrobu tepla sa využíva energia, ktorá sa v pracovnom obehu spaľovacieho motora alebo turbíny už nedá využiť. Jedná sa teda o zužitkovanie energie zo spalín a z chladiacich okruhov. Účinnosť výroby elektrickej energie sa tým prakticky nemení, ale z ekonomického hľadiska je žiaduce čo najväčšie využívanie odpadového tepla, čím sa radikálne zvyšuje účinnosť celej sústavy.

Kogeneračné systémy sú výhodné v tých oblastiach, kde sa vyžaduje elektrická energia a zároveň určité množstvo tepla na technologické procesy alebo vykurovanie.

Kogeneračné systémy so spaľovacími motormi sú schopné zohriať vodu maximálne na 120 °C a preto môžu byť použité len na horúcovodné systémy, obr. 3.2.1.28. Ak je potrebný parný rozvod, je nutné použiť spaľovaciu turbínu, pretože teplota spalín väčšia ako 500 °C umožňuje výrobu pary.

Spaliny vystupujúce zo spaľovacej turbíny majú ešte veľký prebytok vzduchu a preto je ich možné ďalej zohrievať (pomocou prídavných horákov) a tým zvýšiť tepelný výkon kotla. Medzi spaľovacou turbínou a spalinovým kotlom býva často zaradený obtok do komína, ktorý umožňuje samostatnú prevádzku spaľovacej turbíny, alebo môže slúžiť na reguláciu množstva spalín do kotla a tým i tepla.

Emisie škodlivín v spalinách sú nízke a vývojom spaľovacích komôr turbíny sa ešte znižuje obsah NO_x a CO_x. Hladina hluku sa potlačuje inštaláciou tlmičov hluku v saní vzduchu a výfuku spalín.

Zo 100 % energie obsiahnutej v palive sa zužitkuje 30 až 35 % na elektrickú energiu a 50 až 55 % na teplo, 10 až 20 % sú straty chladiacou vodou a olejom, chladením výfukových plynov a kompresora. Ako palivo sa môže použiť nafta, benzín, zemný plyn, svietiplyn, propán-bután alebo bioplyn. Návratnosť investícií je 3 až 5 rokov, životnosť minimálne 10 rokov. Je to najefektívnejší spôsob využitia kvalitných plynných palív.

Obr. 3.2.1.28. Schéma kogeneračnej jednotky

Elektrická energia sa buď priamo spotrebováva u prevádzkovateľa (ak je zdroj blízko spotreby), alebo je dodávaná do verejnej elektrickej siete. Jednotka môže pracovať v režime náhradného zdroja elektrickej energie pri výpadku centrálneho zdroja, alebo v režime špičkového zdroja elektrickej energie. Okrem bežného využitia (teplo pre vykurovanie či na technologické účely) je možné jednotku použiť ako chladiaci systém prostredníctvom absorpčného chladiaceho zariadenia, ktoré využíva vysokogradientné odpadové teplo motorov (tzv. trigenerácia). Výhodné je nasadenie týchto jednotiek v papierňach, chemických závodoch, rafinériách, mliekarniach, mraziarňach, pivovaroch, plaveckých štadiónoch, nemocniciach, hoteloch a pod.

Aby sa mohla kogeneračná jednotka využívať čo najdlhší čas, inštaluje sa iba na 50 až 60 % maximálneho požadovaného tepelného výkonu. Na zvyšok sa používa špičkový kotol. Prevádzka špičkového kotla počas vykurovacej sezóny však predstavuje len asi 6 % celkovej prevádzkovej doby.

Obr. 3.2.1.27. Energetická bilancia kogenerácie

3.2.1.1.6 OTÁZKY KU KAPITOLE 3.2.1.1

1.    Aké zdroje energie používajú tepelné elektrárne?

2.    Čo je podstatou Rankin-Clausiovho cyklu?

3.    Podľa akých kritérií sa delia tepelné turbíny?

4.    Aké tepelné energetické výrobne sa zaraďujú medzi klasické elektrárne?

5.    Aké sú možnosti zvyšovania účinnosti kondenzačných elektrární?

6.    Aké sú hlavné technologické okruhy kondenzačnej elektrárne?

7.    Čo je podstatou fluidného spaľovania paliva?

8.    Aké turbíny sú používané v teplárňach?

9.    Aké sú možnosti zväčšenia účinnosti elektrárne so spaľovacou turbínou?

10.    Aké je využitie plynových turbín v tepelnej elektrárni?

11.    Ako pracuje systém kogeneračnej elektrárne?

3.2.1.2 JADROVÉ ELEKTRÁRNE

Jadrové elektrárne (JE) sa líšia od klasických tepelných elektrární len v spôsobe prvej premeny energie z jadrovej na tepelnú, pre ktorú miesto kotla využívajú jadrový reaktor, v ktorom prebieha štiepenie atómov niektorých ťažkých prvkov (urán, plutónium) za súčasného uvoľňovania veľkého množstva tepla. Ďalšie premeny sú zhodné s tepelnými elektrárňami na fosílne palivá.

Tepelná energia v jadrových elektrárňach môže vznikať:

• štiepnou reakciou, t. j. štiepením atómov ťažkých prvkov (urán, plutónium),

• termonukleárnou reakciou, t. j. syntézou ľahkých prvkov pri veľmi vysokej teplote (priemyslovo zatiaľ nezvládnuté).

Prvé využitie jadrovej energie na výrobu elektrickej energie sa experimentálne uskutočnilo 20. 12. 1951 v Národom reaktorovom laboratóriu ARCO (USA – štát Idaho), prvá pokusná jadrová elektráreň bola spustená v Obninsku pri Moskve 27. 6. 1954. Najväčšia jadrová elektráreň na svete s desiatimi reaktormi s čistým elektrickým výkonom 8 814 MW je Fukushima v Japonsku.

Podľa publikácie „Vyhliadky svetovej energetiky, IEA 2006“ v súčasnosti 31 krajín na celom svete prevádzkuje 443 komerčných jadrových energetických reaktorov s celkovým výkonom cez 368 GW elektrických. Dodávajú 15 % svetovej elektrickej energie. Okrem toho 56 krajín prevádzkuje celkovo 284 výskumných rektorov na vedecké účely. Ďalších 220 jadrových reaktorov poháňa vojenské a námorné plavidlá. Na celom svete je vo výstavbe 28 jadrových energetických reaktorov a pevne je naplánovaná výstavba ďalších 35 reaktorov s výkonom ekvivalentným príslušne 6 % a 10 % existujúcich kapacít.

V Európskej únii bolo v roku 2006 v 15 členských štátoch v prevádzke celkovo 152 jadrových reaktorov. Priemerný vek jadrových elektrární sa blíži k 25 rokom. Vo Francúzsku, ktoré má najväčší počet (59) jadrových reaktorov zabezpečujúcich takmer 80 % jeho výroby energie, a v Litve iba s jednou JE, ktorá však vyrába 70 % elektrickej energie, je priemerný vek jadrových elektrární okolo 20 rokov. V Spojenom kráľovstve je v prevádzke 23 JE s priemerným vekom blížiacim sa k 30 rokom, zatiaľ čo v Nemecku sa priemerný vek jeho 17 prevádzkovaných JE rovná 25 rokom.

V Československu bola prvá jadrová elektráreň spustená 24. 10. 1972 v Jaslovských Bohuniciach pri Trnave a v auguste 1985 bola začatá prevádzka v jadrovej elektrárni Dukovany. V roku 2007 sú v Českej republike v Dukovanoch prevádzkované 4 reaktory typu PWR s celkovým elektrickým výkonom  1760 MW a v Temelíne 2 reaktory s celkovým elektrickým výkonom 2000 MW.

Na Slovensku sú v roku 2007 prevádzkované 3 reaktory typu PWR s celkovým elektrickým výkonom  1320 MW v Jaslovských Bohuniciach a 2 reaktory s výkonom 880 MW v Mochovciach.

3.2.1.2.1 PRINCÍP UVOĽŇOVANIA JADROVEJ ENERGIE

V jadrovom reaktore dochádza ku štiepeniu jadier atómov ťažkých prvkov, prevažne uránu a plutónia. Prírodný urán je zložený z troch druhov izotopov. Pre štiepenie je pritom vhodný len jeden z nich − urán 235 (²³⁵U), ktorého obsah v prírodnom uráne je len 0,712 %. Preto sa pre väčšinu typov reaktorov musí obsah uránu 235 umelo zvyšovať. Tento proces sa nazýva obohacovanie uránu (cca na 3,5 %). Ďalší typ je urán 234 (²³⁴U), ktorého je len 0,006 % a jeho vplyv sa môže  prakticky  zanedbať. Uránu 238 (²³⁸U)  je 99,282 %, ten však nie je vhodný na štiepenie pomalými neutrónmi.

Štiepenie je vyvolané zrážkou letiaceho neutrónu s jadrom atómu. Z miesta štiepenia sa veľkou rýchlosťou rozletia dva odštiepky (atómové jadrá ľahších prvkov) a dva, alebo tri voľné neutróny. Tieto sa využívajú pre štiepenie ďalších jadier a tie znovu uvoľnia neutróny schopné ďalšieho štiepenia. Tak vzniká lavínovitý, samovoľne sa udržujúci dej - reťazová reakcia.

Aby tento dej nastal, musí byť urán excitovaný (vybudený) na vyššiu energiu. Na rozštiepenie jadra uránu 235 je potrebná excitačná energia 0,93 pJ (5,8 MeV). Rýchle neutróny, ktoré vznikajú pri štiepnom procese, majú energiu 0,47 pJ (2 – 3 MeV). Zmenšením ich kinetickej energie, moderátorom, dôjde k zmenšeniu rýchlosti a tým aj energie na 4.10^-9pJ (0,025 eV). Takéto neutróny sa nazývajú pomaléalebo tepelné neutróny.

V štiepnej reakcii vzniká hmotnostný úbytok cca 3,55.10^-28 kg na jedno rozštiepené jadro ²³⁵U. Priemernému hmotnostnému úbytku je podľa Einsteina ekvivalentná energia

,

ΔE = ΔM.c² = 3,55.10^-28.(0,3 .10⁹)² = 31,95 .10^-12J = 31,95 pJ (200 MeV),

 

	kde je	M	hmotnosť pôvodného jadra,
		M1 a M2	hmotnosti štiepnych produktov,
		c	rýchlosť svetla vo vákuu,
		ΔM	hmotnostný úbytok.

Táto energia je rozložená na jednotlivé nositele podľa tab. 3.2.1.2.1.

Tab. 3.2.1.2.1. Rozloženie kinetickej energie štiepenia uránu 235

V jednom kg ²³⁵U je približne 2,564.10²⁴ atómov. Ak sa všetky rozštiepia, uvoľní sa energia

ΔE = 2,564 .10²⁴. 31,95.10^-12 = 81,92.10¹² J . kg^-1 = 82 TJ . kg^-1

Spálením 1 kg čierneho uhlia získame cca 30 MJ, t. j. približne 2,7 .10⁶ menej ako z uránu.

Zabrzdením odštiepkov v okolitom materiáli (premenou ich kinetickej energie cca 195 MeV na tepelnú energiu) sa uvoľní teplo, ktoré potom prestupuje z palivových článkov do chladiva, ktoré prúdi reaktorom.

Prírodný urán obsahuje aj urán 238, ktorý zachytí časť neutrónov bez toho, aby došlo k štiepeniu

.

Výsledný produkt plutónium 239 je cenné jadrové palivo a polotovar pre výrobu jadrových zbraní.

Obr. 3.2.1.2.1. Štiepenie jadra atómu uránu 235

Pravdepodobnosť, že dôjde k rozštiepeniu ďalšieho jadra je tým väčšia, čím je menšia rýchlosť neutrónov. Preto sú v reaktore materiály slúžiace na spomaľovanie (moderovanie) rýchlych neutrónov. Výnimku tvoria tzv. rýchle reaktory, u ktorých dochádza ku štiepeniu priamo nespomalenými neutrónmi.

Moderátor je látka, ktorá účinne spomaľuje neutróny, ale ich výrazne nepohlcuje. V reaktore obklopuje palivové články a regulačné tyče. Používa sa grafit, ťažká voda alebo voda.

V roku 1942 uskutočnil prvú štiepnu reakciu E. Fermi. Prišiel na to, že nutná podmienka pre udržanie reťazovej reakcie je, aby každé rozštiepené jadro poskytlo aspoň jeden neutrón pre ďalšie štiepenie. Táto podmienka sa dá vyjadriť multiplikačným koeficientom

,

kde n_K  je počet neutrónov jednej generácie,

ak  k_ef < 1 reakcia zaniká,     k_ef = 1 je ustálený stav,     k_ef > 1 atómový výbuch.

Ovládanie reakcie – vyvoláme stav k_ef > 1 a po dosiahnutí žiadanej hladiny neutrónov udržujeme približne k_ef =1 riadiacimi tyčami z kadmia alebo borovej ocele. Podľa funkcie ich rozdeľujeme na tyče havarijné, kompenzačné a regulačné.

Spomalené neutróny sú buď pohltené, alebo spôsobia rozštiepenie ďalšieho jadra atómu. Pomocou regulačných tyčí z berýlia alebo iných materiálov pohlcujúcich neutróny (absorbátorov) sa tak reguluje množstvo voľných neutrónov v reaktore a tým aj celý proces jadrového štiepenia. Žiadaný výkon sa teda udržuje vyťahovaním riadiacich tyčí z reaktora, alebo zmenou hustoty a množstva kyseliny bóritej v moderátore. Musí byť vytvorená zásoba reaktivity paliva tak, aby nedošlo ku stavu, keď budú všetky tyče vytiahnuté. Počiatočná zásoba reaktivity sa skladá zo zásoby na reguláciu a na vyhorenie paliva. Druhý spôsob udržiavania reaktivity je plynulá výmena vyhoreného paliva.

Odstavenie reaktora sa vykoná spustením regulačných tyčí a zvýšením koncentrácie bóru do primárneho okruhu.

Otrava reaktora štiepnymi produktmi

Štiepne produkty ovplyvňujú neutrónovú bilanciu reaktora. Niektoré sú stabilné alebo s dlhým polčasom rozpadu a spôsobujú zatroskovanie reaktora. Ich typickým predstaviteľom je izotop ¹⁴⁹Sm (samarium). Ďalší  ¹³⁵Xe (xenón) má polčas rozpadu 13,4 h a 5125-krát väčší účinný prierez absorbcie než ²³⁵U. Xenón vzniká rozpadom ¹³⁵I (jód) a zaniká jednak rozpadom na ¹³⁵Cs (cézium) a jednak absorpciou tepelných neutrónov. Xenón v ustálenom stave spôsobuje stacionárnu otravu reaktora (úbytok reaktivity). Dochádza k rovnováhe medzi vznikajúcimi a zanikajúcimi izotopmi ¹³⁵Xe z dôvodu rozpadu a vyhorenia.

Stacionárna otrava trvalo, ale v malej miere pôsobí na reaktivitu (ρ). Pri náhlom odstavovaní reaktora stúpa koncentrácia ¹³⁵Xe, pretože nie sú zachytávané neutróny a cca po 11 hodinách dosiahne maximum. Potom pomaly klesá  a po 30 až 50 hodinách dosahuje hodnoty pred odstavením reaktora. Tento stav sa nazýva jódová jama (obr. 3.2.1.22) a je v prevádzke nežiaduci, pretože porucha sa často opraví rýchlejšie ako za 30 hodín.

Obr. 3.2.1.2.2. Jódová jama

V prevádzke sa necháva určitá zásoba reaktivity ρ_j na jódovú jamu, táto zásoba však znižuje vyhorenie paliva. Ak sa po odstavení reaktora odstráni porucha v čase menšom než t, môže sa znova nabehnúť na plný výkon. Napr. v reaktore atómovej elektrárne A1 v Jaslovských Bohuniciach to bolo 45 min.

Reaktivitaje definovaná vzťahom ρ = k_ef - 1 ,  kde k_ef je multiplikačný koeficient. Ak ρ > 0, tak je nadbytok neutrónov a reakcia môže prebiehať, ak  ρ < 0, je nedostatok neutrónov, pretože sú pohlcované.

3.2.1.2.2 JADROVÉ PALIVO A PALIVOVÝ CYKLUS

Jadrové palivo môže byť buď z prírodného uránu alebo obohatené t. j. so zväčšeným podielom ²³⁵U. Tvorí ho kovový urán – oxid uraničitý, alebo karbidy uránu. Zložitý technologický proces zaobchádzania s jadrovým palivom sa nazýva palivový cyklus a delí sa na prednú časť, použitie paliva v jadrových elektrárňach a zadnú časť palivového cyklu.

A. Predná časť palivového cyklu

• ťažba a úprava uránovej rudy

Uránová ruda sa ťaží v baniach (napr. Jáchymovský smolinec), obsah uránu v nej je rôzny od 0,01 do 3 % a preto sa musí pre použitie v jadrovej elektrárni obohacovať.

• spracovanie rudy

Cieľom spracovania rudy je získanie uránového koncentrátu tzv. žltého koláča s obsahom uránu aspoň 65 %. Ruda sa drví, melie na jemný prášok, lúhuje, prepiera, extrahuje, zráža a suší na  žltý koláč.

• rafinácia, konverzia a obohacovanie uránu

V tomto procese sa premieňajú uránové zlúčeniny obsiahnuté v žltom koláči na prchavý hexafluorid uránu (UF₆). Túto difúziu pre jej mimoriadnu energetickú náročnosť vykonávajú priemyselne len najvyspelejšie štáty sveta.

• výroba paliva

Obohatený hexafluorid uránu sa mení na kovový oxid uraničitý (UO₂). Ten sa lisuje do tvaru tabliet, ktoré sú hermeticky uzavreté v nerezovej alebo zirkónovej trubke odolnej proti korózii aj pri vysokých teplotách a nazývajú sa palivový prútik. Zväzok palivových prútikov tvorí palivovú kazetu. Kazety sa rozmiestňujú podľa predpísanej geometrie a vytvárajú aktívnu zónu reaktora.

• preprava paliva 

Do elektrárne sa prepravuje palivo v zvláštnych železničných vozňoch, v ktorých sú umiestnené kontajnery  zo špeciálneho materiálu obsahujúce kazety s čerstvým palivom.

B. Využitie paliva v reaktore

Teplo vznikajúce po štiepení odvádza chladiace médium. V priebehu vyhorievania  sa palivo po stránke konštrukčnej a štrukturálnej takmer nemení. Dochádza však k izotopickým zmenám. Ubúda pôvodný štiepny materiál ²³⁵U z ²³⁸U a vznikajú nové štiepne izotopy plutónia, ktoré sa podieľajú na uvoľňovaní energie. Vznikajú však tiež produkty štiepenia – trosky s rôznym polčasom rozpadu, ktoré sa vyznačujú silnou absorpciou neutrónov.

Palivo umiestnené bližšie k stredu aktívnej zóny vyhorieva intenzívnejšie a preto sa po uplynutí určitej doby (kampane) časť paliva prekladá. Menej vyhorené palivo sa umiestni do stredu aktívnej zóny, vyhorené články sa nahradia čerstvými. Tento cyklus sa opakuje v našich reaktoroch po cca 300 dňoch.

C. Zadná časť palivového cyklu

• dočasné uskladnenie vyhoreného paliva

Po skončení optimálnej doby horenia je palivo vymenené. Nahromadí sa v ňom toľko štiepnych produktov, že sa prakticky stane absorbérom neutrónov. Zavážacím strojom sa cez transportný kanál pod 3 – 6 m vrstvou vody vykoná preprava do bazénu vyhoreného paliva umiestneného vedľa reaktora, kde zostáva 3 roky. Chladiace zariadenie udržuje teplotu vody medzi 40 – 50 °C.

Po uplynutí potrebnej doby skladovania v bazéne sa palivo preváža do medziskladu vyhoreného paliva. Nachádza sa mimo budovy reaktora a slúži na dlhodobé skladovanie paliva na obdobie približne 50 rokov. Do roku 1991 sa vyhorené palivo z reaktorov v Jaslovských Bohuniciach odvážalo do Ruska. V mokrých medziskladoch sa palivové články skladujú v bazénoch naplnených vodou, uložené v roštoch alebo v puzdrách prepravných kontajnerov. V suchých medziskladoch sa palivové články ukladajú do oceľových alebo betónových kontajnerov chladených vzduchom.

• preprava vyhoreného paliva 

Vyhorené palivo sa prepravuje v kontajneroch, ktoré sú odolné proti poškodeniu (pád z 9 m na pevnú plochu, pád z 1 m na tyč z masívnej mäkkej ocele s priemerom 15 cm, oheň s teplotou 800 °C po dobu 30 min., ponorenie 15 m do vody po dobu 8 h).

• prepracovanie vyhoreného paliva

V palive je však ešte 80 – 90 % uránu 238 a novovzniknutého plutónia 239. Je to po odstránení štiepnych produktov základ pre výrobu nového jadrového paliva (uzavretý cyklus).

• definitívne uloženie vyhoreného paliva

V hlbinných úložiskách je ho možné skladovať viac ako 300 rokov. U nás takýto sklad nie je. Skúma sa možnosť zrýchľovania rozpadu aktívnych prvkov pomocou urýchľovačov – transmutácia. Rádioizotop plutónia 239, hlavná čast obohateného paliva s polčasom rozpadu 24 400 rokov (množstvo času, počas ktorého sa žiarenie zníži na polovicu), je nebezpečný štvrť milióna rokov. A ako sa rozpadá, stáva sa uránom 235, ktorý má svoj vlastný polčas rozpadu 710 000 rokov.

3.2.1.2.3 JADROVÉ REAKTORY

Druhy reaktorov

Teoreticky je možné rôznou kombináciou základných súčastí kombinovať takmer neobmedzený počet typov reaktorov, pozri tab. 3.2.1.2.2.

Tab. 3.2.1.2.2. Základné súčasti reaktorov

Reaktory rozdeľujemee

A. Podľa účelu na:

• výskumné,

• energetické,

• špeciálne.

B. Podľa energie štiepnych neutrónov na:

• pomalé, kde v tepelných reaktoroch dochádza k štiepeniu pomalými neutrónmi s energiou menšou než 0,5 eV,

• rýchle, kde v množivých reaktoroch dochádza k štiepeniu nespomalenými neutrónmi s energiou 0,1 až 10 eV. V reaktore nesmie byť moderátor, chladivo je sodík, palivom je silne obohatený urán 233 alebo plutónium 239. Vyžadujú vysoké investičné a prevádzkové náklady (kvalitnú oceľ, tekutý sodík).

C. Podľa rozloženia paliva na:

• homogénne, v ktorých palivo, moderátor prípadne aj chladivo tvoria homogénnu zmes. Môže to byť ťažká alebo ľahká voda s rozpustenými soľami alebo suspenziami nerozpustných zlúčenín uránu, roztopených solí uránu a ľahkých prvkov, alebo roztoku uránu v tekutých kovoch. Výhoda je, že nemusia byť vyrábané palivové články, nevýhoda je vysoký stupeň korózie a zlé regulačné vlastnosti. Použitie pre výskumné účely, v energetike sa nepoužívajú.

• heterogénne, v ktorých palivové články (výmenné za prevádzky alebo s prerušením) sú rozmiestnené v technologických kanáloch, ktorými prúdi chladivo. Sú používané na energetické účely.

D. Podľa konštrukcie aktívnej zóny na:

• kanálové, s tlakovými technologickými kanálmi, v ktorých prúdi chladivo. Nádoba reaktora nie je namáhaná pracovným tlakom chladiva,

• nádobové, s tlakovou nádobou, ktorá nesie celý pracovný tlak chladiva.

E. Podľa použitého moderátora t. j. spôsobu znižovania energie neutrónov na:

• ľahkovodné, napr. typ VVER, v ktorých musí byť palivo obohatené,

• ťažkovodné, napr. typ A1 (Slovensko), CANDU (Kanada), moderované sú ťažkou vodou, ako palivo sa dá použiť prírodný urán,

• grafitové, napr. typ RBMK, výmena paliva je možná za prevádzky, nie je potrebná tlaková nádoba, ale len betónová nádrž s kovovým obalom.

F. Podľa použitého chladiva na:

• chladené vodou,

• chladené plynom (oxid uhličitý, hélium),

• chladené tekutým kovom (kovový sodík).

G. Podľa tlaku chladiva na:

• tlakové, ktoré majú aktívnu zónu vo vnútri tlakovej nádoby. Majú dominantné postavenie v jadrovej energetike.

• varné, vyrábajú paru priamo v aktívnej zóne, kde je aj separátor vlhkosti. Nie sú potrebné parogenerátory a cirkulačné čerpadlá. Sú ekonomicky výhodné. Jednoducho sa môže vytvoriť ochranná obálka – kontajnment.

H. Podľa systému  použitého  pri  premene  jadrovej energie na tepelnú na:

• jednookruhové, majú varný reaktor a rádioaktivita je v celej strojovni, para vyrobená v jadrovom reaktore sa  privádza priamo do turbíny, obr. 3.2.1.2.3.

Obr. 3.2.1.2.3. Jednookruhová jadrová elektráreň

• dvojokruhové, u ktorých je rádioaktívny len primárny okruh. Teplo z reaktora sa odvádza teplonosnou látkou (chladivom) primárnym okruhom do výmenníka tepla (parného generátora), kde vzniká para, ktorá sa sekundárnym okruhom privádza do turbíny, obr. 3.2.1.2.4 .

Obr. 3.2.1.2.4. Dvojokruhová jadrová elektráreň

• trojokruhové, sú v experimentálnom štádiu a využívajú sa najmä pre tzv. "množivé reaktory", ktoré si sami vyrábajú (množia) palivo. Medzi primárny okruh chladenia reaktora tekutým kovom (Na) a konečným terciárnym parným okruhom (H₂O) je vložený ešte ďalší − sekundárny olejový sprostredkujúci okruh, ktorý zabraňuje možnej nebezpečnej reakcii kovového sodíka s vodou. Rádioaktívny  je len primárny okruh, obr. 3.2.1.2.5.

Obr. 3.2.1.2.5. Trojokruhová jadrová elektráreň

Obr. 3.2.1.2.6. Ochranná obálka - kontajnment

Označenie jednotlivých typov reaktorov

(prvý údaj v zátvorke predstavuje počet rektorov; druhý percento vzhľadom na celkový počet reaktorov na svete v roku 2005)

Príklady

Schéma jadrovej elektrárne je prevzatá z: http://www.seas.sk/_cms_/_files/822/schema_jadrova.htm.

Primárny okruh

Štiepnou reakciou jadrového paliva sa v aktívnej zóne reaktora uvoľňuje tepelná energia. Odvedenie tepla z reaktora zabezpečuje chladiaca voda, ktorá prúdi okolo palivových článkov prostredníctvom cirkulačných slučiek pripojených na reaktor. Chladiaca voda vstupuje do reaktora a prechádza aktívnou zónou reaktora, jej teplota sa zvýši. Postupuje cez hlavné uzatváracie armatúry do parogenerátorov, kde odovzdá svoju tepelnú energiu sekundárnej vode a ochladená je čerpaná hlavným cirkulačným čerpadlom späť do reaktora.

Na jednu z cirkulačných slučiek je pripojený kompenzátor objemu, ktorý slúži na udržanie stáleho tlaku v primárnom okruhu. V prípade neprípustného tlaku v primárnom okruhu je kompenzátor vybavený poisťovacími ventilmi a barbotážnou nádržou.

Sekundárny okruh

Sekundárna voda, prechádzajúca parogenerátorom sa mení na sýtu paru. Sýta para je potrubím vedená na vysokotlakový diel turbíny. Pri prechode turbínou para chladne a zvyšuje svoju vlhkosť. Preto prechádza cez separátor, v ktorom sa zbaví vlhkosti. Zo separátora para postupuje do nízkotlakových dielov turbíny. V kondenzátoroch para skondenzuje.

Kondenzát sa čerpadlami dopravuje cez nízkotlakové ohrievače do napájacej nádrže. Z napájacích nádrží je kondenzát napájacími čerpadlami čerpaný do parogenerátorov.

Na spoločnom hriadeli spolu s rotormi turbíny je umiestnený generátor.

Okruh chladiacej vody

Umožňuje kondenzáciu pary v kondenzátoroch. V rúrkach kondenzátora sa chladiaca voda zohreje odoberaním tepla kondenzujúcej pare. Oteplená voda je vedená do chladiacej veže, kde ochladzovanie prebieha prostredníctvom vzduchu prúdiaceho zo spodnej časti veže do hornej komínovým efektom. Prúd vzduchu unáša so sebou vodnú paru a drobné kvapôčky vody. Čerpadlá chladiacej vody čerpajú ochladenú vodu z bazénov pod chladiacimi vežami do kondenzátorov.

Teplota chladiacej vody je závislá na poveternostných podmienkach.

3.2.1.3 GEOTERMÁLNE ELEKTRÁRNE

Geotermálna energia

Slovo „geotermálna“ pochádza z gréčtiny. „Geos“ znamená „zem“ a „thermal“ znamená „teplo“. Už starí Rimania využívali zemské teplo v termálnych kúpeľoch. Od roku 1898 sa využívajú teplé pramene na Islande na vykurovanie skleníkov, od r. 1928 na vykurovanie mesta Reykjavik. V r. 1912 bolo prvýkrát využité teplo zeme vo forme pary na pohon generátora s výkonom 250 kW (Larderello -Taliansko). Krajiny s najväčším inštalovaným výkonom geotermálnej energie sú USA, Japonsko, Filipíny, Taliansko, Island a Mexiko.

 Súčasnou technikou vrtných súprav je prístupná asi desaťkilometrová hĺbka pod povrchom. V tejto hĺbke je teplota asi 200 °C. Naakumulované teplo je asi 6.10²⁶ J. Ochladením 1 km² hornín z teploty 200 °C na teplotu 100 °C by sa uvoľnila energia, ktorá by postačila na pohon elektrárne s výkonom 30 MW na dobu 30 rokov. Tomuto využitiu stoja v ceste technické, geologické a ekonomické problémy.

 Zásoby geotermálnych vôd rozdeľujeme na obnovované a neobnovované zásoby. Pri obnovovaných sa ťažba realizuje cez jeden vrt a ochladená voda je vypustená do vodných tokov. Neobnovované zásoby vody sa musia pravidelne dopĺňať, preto okrem ťažobného vrtu sa musí navŕtať aj tzv. reinjektážny vrt, cez ktorý je geotermálna voda po odovzdaní tepla vo výmenníku spolu so škodlivými plynmi a soľami zatláčaná späť do podzemia. Je to spôsob, ktorý plne zodpovedá dnešným environmentálnym kritériám.

Na Slovensku je tepelno-energetický potenciál geotermálnych vôd stanovený na 5538 MWt. Naše geotermálne vody majú nižšiu teplotu 45 až 130 ºC, preto sú vhodné prakticky iba na vykurovanie. Len pri 40-percentnom využití tohto potenciálu by bolo možné získať tepelný výkon až 2200 MWt. Geotermálne vody sa využívajú spolu v 36 lokalitách a skutočne využívaný inštalovaný výkon predstavuje asi 131 MWt. Treba však brať do úvahy, že ide o zdroj energie, ktorý nie je koncentrovaný, ale pomerne nepravidelne rozložený na celom území Slovenska. Nevýhoda je tiež vysoká mineralizácia (zanášanie potrubí) a nemožnosť vypúšťať ochladenú vodu do tokov kvôli ich otepleniu. Je to však možné riešiť vracaním druhým vrtom naspäť. Využívajú sa vrty s účinnosťou cca 20 %, ale len na získanie nízkopotenciálnej tepelnej energie. Výroba elektrickej energie preto u nás nie je možná z dôvodu zanášania potrubia minerálmi a problému teplej vratnej vody.

Geotermálne elektrárne

Elektrickú energiu je možné vyrobiť premenou geotermálnej energie v elektrárňach:

• hydrotermálnych, pomocou geotermálne nahriatej spodnej vode alebo pare,

• cirkulačných, prostredníctvom výmenníkov tepla.

V súčasnosti je na výrobu elektrickej energie zo zemného tepla inštalovaný celkový výkon 6 000 MW (Kalifornia, Nový Zéland, Taliansko). Na výrobu tepla sa využíva 11 000 MW. V Parížskej kotline sa zemným teplom zásobuje asi 200 000 bytov. Využíva sa tiež na niekoľkých miestach v Nemecku.

V hĺbke 5 km sa všade v zemskej kôre nachádzajú "horúce suché horniny“ (Hot Dry Rock - HDR). Tieto predstavujú ohromný energetický potenciál. Metóda získavania tepla je založená na vyvŕtaní dvoch vrtov do nepriepustných hornín s vysokou teplotou (150 až 200 ºC). Vrty sa spoja a následne sa do jedného z nich vtláča voda, ktorá sa zohreje a druhým vrtom sa vracia naspäť na povrch. Na Slovensku sa tento systém zatiaľ nevyužíva, pričom existujú asi štyri potenciálne oblasti na takéto použitie.

Geotermálne elektrárne využívajú tepelnú energiu geotermálnej vody, resp. geotermálnej pary na výrobu elektrickej energie. Z ekonomického hľadiska je výroba elektrickej energie najvýhodnejšia pri teplote geotermálneho zdroja vyššej ako 180 °C. Na základe skupenstva a teploty využívaného geotermálneho tepla existuje niekoľko druhov geotermálnych elektrární. Základné typy sú tieto:

• s prehriatou parou, kde para vychádzajúca z vrtu spolu s vodou po separácii poháňa parnú turbínu s generátorom, alebo je para z vrtu zavedená do parogenerátora (výmenník tepla), kde vyrába paru z povrchovej vody, ktorá následne poháňa parnú turbínu spojenú s elektrickým generátorom. Voda vychádzajúca zo separátora je odvádzaná do riek, alebo (oveľa častejšie a účinnejšie) vrátená cez reinjektážny vrt späť do podzemia. Tým sa súčasne vyvarujeme znečisteniu životného prostredia, zmenší sa pokles tlaku v podzemí a zároveň sa zníži jeho vyprázdňovanie,

• s horúcou vodou, keď geotermálna voda s vysokým tlakom a teplotou sa v expandéri premení na mokrú paru, ktorá poháňa parnú turbínu s generátorom,

• s binárnym cyklom, keď geotermálna voda s teplotou nad cca 130 °C vo výmenníku zohreje kvapalinu s nízkym bodom varu (čpavok, izobután), ktorej para poháňa expanznú turbínu spojenú s elektrickým generátorom.

Schéma geotermálnej elektrárne je prevzatá z: http://www.seas.sk/encyklopedia/elektrina-sposob-vyroby/geotermalna-elektraren/.

3.2.1.3.1 OTÁZKY KU KAPITOLE 3.2.1.3

1.    Akou premenou geotermálnej energie je možné vyrobiť elektrickú energiu?

2.    Aké typy geotermálnych elektrárni poznáte?

3.    Aké sú nevýhody geotermálnych elektrární?

3.2.1.4 BIOELEKTRÁRNE

Výroba elektrickej energie v bioelektrárňach je podobná ako v tepelných elektrárňach pri spaľovaní fosílnych palív, ale s podstatne nižšími hodnotami emisií oxidu uhličitého (CO₂). Palivom je biomasa alebo biopalivo.

Biomasa

Biomasa je organická hmota zámerne produkovaná na energetické účely. Predstavuje najväčší potenciál obnoviteľnej energie. Tvoria ju materiály rastlinného a živočíšneho pôvodu, vhodné pre energetické využitie. Biomasa sa považuje z hľadiska emisií CO₂ za neutrálne palivo, pretože pri jej spaľovaní sa uvoľní iba toľko CO₂, koľko rastlina počas svojho rastu prijala. Podľa zdroja vzniku existuje:

• Fytomasa je biomasa rastlinného pôvodu, ako je napr. obilná a repková slama, konope a pod.

• Dendromasa je biomasa z drevnatých a kríkových rastlín využiteľná na energetické účely. Produkuje sa v lesnom hospodárstve, drevospracujúcom a celulózovo-papierenskom priemysle, v menšej miere v poľnohospodárstve a komunálnej sfére. V súčasnosti sa na energetické účely využívajú zdroje palivového dreva, drevný odpad z prevádzok na mechanické opracovanie dreva a štiepky ťažbových a manipulačných odpadov, odpady z drevospracujúceho priemyslu, odrezky, stružliny, piliny. Pre energetické účely sa tiež využívajú zámerne pestované rýchlorastúce dreviny (vŕba, topoľ) a vodné rastliny.

• Živočíšna biomasa pochádza zo živočíšnych exkrementov a mestských a priemyselných biologických odpadov.

• Tuhý spáliteľný odpad z priemyslu, poľnohospodárstva a domácností.

• Skládkový plyn zo skládok odpadov a čistiarenských kalov.

Biopalivo

Z biomasy sa vyrábajú ušľachtilé palivá pre výrobu elektrickej energie. Sú to najmä:

a) tuhé palivá:

Drevné štiepky, pelety a brikety − vyrábajú sa z lesných odpadov a z odpadov drevospracujúcich podnikov (konáre, stružliny, piliny) a sú vhodným palivom pre automatizované kotly v domácnostiach.

b) plynné produkty:

Drevoplyn − získava sa pyrolytickým splyňovaním (tepelným rozkladom) drevných odpadov, slúži ako palivo do plynových motorov a kogeneračných jednotiek. Tvorí ho prevažne oxid uhoľnatý (CO).

Bioplyn − vyrába sa anaeróbnou fermentáciou organického odpadu. Zostatok po fermentácii je výborné ekologicky nezávadné hnojivo. Niektoré čističky odpadových vôd (B. Bystrica, Žilina) využívajú vzniknutý kalový plyn na výrobu elektrickej energie. Prevažne ho tvorí metán.

c) tekuté biopalivá:

Bionafta − vyrába sa najmä zo semien repky olejnatej a je plnohodnotnou náhradou motorovej nafty s výhrevnosťou až 39 MJ.kg^-1 .

Bioalkohol (etanol) − získava sa alkoholovým kvasením a destiláciou vodného roztoku cukornatých rastlín (cukrová repa, zemiaky a pod.) a používa sa ako prímes do motorového benzínu (výhrevnosť 22 až 25 MJ.m^-3).

3.2.1.4.1 ENERGIA BIOMASY

Premena biomasy na energiu prebieha dvoma základnými spôsobmi, premenou termochemickou a biochemickou.

Termochemické premeny

1. Priame spaľovanie – už od nepamäti sa používa „primitívne spaľovanie“ biomasy, neskoršie bolo zdokonalené a je podobné spaľovaniu fosílnych palív (upravené drevo ako polená, štiepky, brikety, pelety alebo ako slama a vylisovaný olej).

2. Pyrolýza – biomasa sa zohrieva bez prístupu vzduchu a tým sa uvoľňuje zmes horľavých plynov alebo kvapalín (bioolej, decht). Vzniká napr. aj drevené uhlie, ktoré má väčšiu výhrevnosť ako vstupné palivo.

3. Splyňovanie – splyňovanie biomasy prebieha pri obmedzenom prístupe vzduchu pri procese nedokonalého horenia. Vznikajú horľavé plyny zložené z metánu, oxidu uhoľnatého a vodíka. Tento „drevoplyn“ sa priamo spaľuje alebo používa ako palivo pre pohon motorov.

Biochemické premeny

Biochemické premeny sa uskutočňujú fermentáciou. Fermentácia je kvasenie rastlín s obsahom cukru a škrobu enzýmami. Enzým spôsobuje alebo urýchľuje biochemické procesy, pri ktorých nastáva premena slnečného žiarenia na chemickú energiu prostredníctvom fotosyntézy. Výsledným produktom je etanol alebo metanol, ktoré sú kvalitným palivom.

1. Alkoholové kvasenie – spočíva vo fermentácii rastlinných látok obsahujúcich škrob, cukry a buničinu pomocou kvasiniek alebo baktérií, pričom vzniká etanol. Fermentuje sa najmä obilie, cukrová repa, cukrová trstina, zemiaky, kukurica, ovocie. Uvedený postup je základom výroby liehu v liehovaroch. Etanol možno používať ako palivo, alebo ako prísadu do paliva pre spaľovacie motory.

2. Metánové kvasenie – anaeróbna fermentácia (kvasenie bez prístupu vzduchu). Je to proces kvasenia, pri ktorom anaeróbne baktérie rozkladajú bez prístupu vzduchu vyššie uhľovodíky na metán a oxid uhličitý. Táto zmes plynov sa nazýva bioplyn.

Bioplyn sa vyrába vo fermentoroch, čo sú rozmerné uzavreté železobetónové, smaltované alebo plastové nádrže. Pri fermentácii biologického odpadu (živočíšnych odpadov alebo mestských a priemyselných biologických odpadov) dochádza pôsobením baktérií ku kvaseniu a rozkladu mastných kyselín a alkoholov. Konečným produktom fermentácie je plyn obsahujúci približne 55 – 65 % metánu, 30 – 35 % oxidu uhličitého, 1 – 3 % vodíka, sírovodík a čpavok. Proces prebieha pri teplote 37 – 45 °C. Merná energia bioplynu je 20 – 26 MJ.m^-3 v závislosti na obsahu metánu. Jedna dojnica vyprodukuje kal na výrobu cca 1,7 m³ bioplynu denne.

3.2.1.4.2 VÝROBA ELEKTRICKEJ ENERGIE Z BIOPALIVA

Podľa druhu použitého biopaliva a zariadenia na premenu bioenergie na elektrickú energiu, existuje viac spôsobov výroby elektrickej energie:

• parný kotol na pevné, resp. plynné biopalivo s parnou turbínou a generátorom,

• spaľovacia turbína s generátorom, poháňaná bioplynom zo živočíšnych exkrementov alebo na drevný plyn,

• piestový motor s generátorom, poháňaný bioplynom, bionaftou, etanolom alebo drevným plynom,

• elektrochemický palivový článok napájaný bioplynom, alebo kvapalným biopalivom.

Pre dosiahnutie maximálneho využitia energie v palive sú uvedené zdroje realizované prevažne ako kombinovaná výroba tepla a elektrickej energie − kogeneračné jednotky. Energetický význam tejto produkcie elektrickej energie je relatívne malý. Podstatne väčší význam má dnes ako ekologický spôsob zneškodňovania odpadov. Z 1m³ bioplynu sa vyrobí až 1,6 kWh elektrickej energie a asi 3,5 kWh tepelnej energie. Nevýhodou je veľký obsah vody v surovom stave. Bioplyn by sa tiež mohol po vyčistení a zrovnomernení obsahu metánu dodávať do plynárenskej siete. Prognóza u nás je pokrytie cca 15 % spotreby plynu.

Schéma elektrárne na biomasu je prevzatá z: http://www.seas.sk/encyklopedia/elektrina-sposob-vyroby/elektraren-na-biomasu/

Bioplynové elektrárne

Väčšinou bioelektrárne pracujú do rozvodnej siete. Vyrábajú spravidla však menej energie ako je vlastná spotreba prevádzkovateľa (poľnohospodársky podnik). Majú ale svoje nezastupiteľné miesto pri riešení zálohového napájania.

Bioplynové elektrárne mávajú výkon rádovo 100 kW. Výrobné sústrojenstvo tvorí bioplynový motor a elektrický generátor.

Bioplynový motor je obvykle vysokotlakový vznetový piestový motor, často upravovaný z vznetového naftového motora. Motor býva vybavený elektrickými ovládacími prvkami, reguláciou otáčok a signalizáciou. Elektrický generátor je väčšinou synchrónny s regulátorom napätia, činného a jalového výkonu. Má tiež ochrany proti preťaženiu a spätnú wattovú ochranu, meracie, fázovacie a registračné prístroje. Miesto synchrónneho sa môže použiť aj asynchrónny generátor, ktorý je jednoduchší a lacnejší. Elektrická výzbroj sa zjednoduší o fázovacie a ochranné prístroje.

Energetická bilancia

V bioplynovej elektrárni sa asi tretina energie obsiahnutej v bioplyne premieňa na elektrickú energiu. Pre zlepšenie energetickej bilancie je treba využiť aj energiu výfukových plynov a chladiacej vody. Udáva sa, že teoretická účinnosť bioelektrárne je asi 83 %, pričom 31 % pripadá na vyrobenú elektrickú energiu a 52 % na vyrobené teplo.

Energetickú bilanciu bioplynovej elektrárne môžeme vyjadriť vzťahom

,

Tepelná energia sa získava z chladiaceho okruhu bioplynového motora a z výfukových plynov, pričom získané teplo stačí len na ohrev teplej vody. Tepelná schéma je na obr. 3.2.1.4.1.

Obr. 3.2.1.4.1. Tepelná schéma bioplynovej elektrárne

Príklad použitia

Plynový vznetový motor 142 kW, 1000 otáčok za minútu, 6 valcov, 2714 cm³.

Generátor synchrónny P= 128 kW, S = 160 kVA, U = 400 V, I = 231 A.

Celková merná spotreba bioplynu 0,244 m³.kW.h^-1.

Merná spotreba na výrobu elektrickej energie 0,627 m³.kW.h^-1

Účinnosť 73,7 %.

3.2.1.4.3 VÝZNAM ENERGETICKÉHO VYUŽITIA BIOMASY

Hlavné výhody využitia biomasy v energetike sú:

• možnosť paralelnej výroby elektrickej energie a tepla miestneho významu,

• obnoviteľnosť (nevyčerpateľnosť) zdroja energie, na rozdiel od fosílnych palív,

• z hľadiska produkcie tzv. skleníkových plynov, najmä CO₂, sa považuje biomasa za neutrálne palivo (CO₂ sa síce pri spaľovaní uvoľňuje, ale približne rovnaké množstvo CO₂ je fotosyntézou pri raste biomasy z atmosféry spotrebované),

• väčšinou zanedbateľný obsah síry v palive,

• zvyšuje nezávislosť na dovoze primárnych energetických zdrojov,

• substrát, ktorý zostane po skončení fermentácie, je hodnotným prirodzeným hnojivom,

• pestovanie biomasy zlepšuje sociálne pomery vidieka a prispieva k ochrane životného prostredia.

Hlavné nevýhody využitia biomasy sú:

• pomerne vysoké investičné náklady na vybudovanie výrobného zariadenia,

• cena biomasy častokrát vplyvom spracovania a dopravy prevyšuje cenu fosílnych palív,

• spoľahlivosť dodávky biomasy do energetickej výrobne môže byť nižšia ako u ostatných palív,

• pestovanie biomasy znižuje plochy pre poľnohospodársku výrobu potravín, napr. repka olejnatá sa nemôže sadiť na rovnakom mieste v krátkych intervaloch po sebe,

• sezónnosť pestovania energetických rastlín vyžaduje skladovanie v pomerne veľkom rozsahu, pokiaľ nie sú skladované voľne na mieste výskytu,

• menšia účinnosť a nižší výkon dostupných zariadení na energetické využitie biomasy v porovnaní so zariadeniami na fosílne palivá,

• nebezpečie úniku škodlivých látok pri niektorých technológiách (prach, NO_x, pevné a kvapalné odpady).

3.2.1.4.4 OTÁZKY KU KAPITOLE 3.2.1.4

1.    Aký druh hmoty je biomasa a aké ma formy?

2.    Akým spôsobom prebieha premena biomasy na energiu?

3.    Uveďte hlavné výhody a nevýhody využitia biomasy v energetike!