A villamosenergia-termelés az a folyamat, amikor primer energiaforrásokból villamos energiát nyernek . A villamos energia sajátossága, hogy nem primer energia, jelentős mennyiségben szabadon jelen van a természetben, és elő kell állítani. A villamos energia előállítása általában ipari vállalkozások generátorai segítségével történik , amelyeket erőműveknek neveznek .
A villamosenergia-iparban a villamosenergia - termelés az első szakasza a villamos energia végfelhasználókhoz történő eljuttatásának, a többi szakasz az energia átvitele , elosztása , felhalmozása és hasznosítása a szivattyús tározós erőművekben .
A villamosenergia-termelés alapelvét az 1820-as években és az 1830-as évek elején fedezte fel Michael Faraday brit tudós . Ma is alkalmazott módszere az, hogy egy zárt vezetőkörben, amikor ez az áramkör egy mágnes pólusai között mozog , elektromos áram keletkezik.
A technológia fejlődésével az alábbi villamosenergia-termelési séma vált gazdaságilag életképessé. Az erőműbe telepített elektromos generátorok központilag állítanak elő elektromos energiát váltakozó áram formájában . Erőátviteli transzformátorok segítségével megnövelik a generált váltakozó áram elektromos feszültségét, ami lehetővé teszi az alacsony veszteségű vezetékeken történő továbbítását. Az elektromos energia fogyasztási pontján a váltakozó feszültséget lecsökkentő transzformátorok csökkentik, és a fogyasztókhoz továbbítják. A villamosítás a bessemeri acélgyártási módszerrel együtt a második ipari forradalom alapja lett . A fő találmányok, amelyek az elektromosságot széles körben elérhetővé és nélkülözhetetlenné tették, Thomas Alva Edison és Nikola Tesla voltak .
A központi erőművek villamosenergia-termelése 1882-ben kezdődött, amikor a New York-i Pearl Street állomáson [1] egy gőzgép egy dinamót hajtott, amely egyenáramot termelt a Pearl Street megvilágítására . Az új technológiát gyorsan átvette a világ számos városa, amelyek gyorsan átalakították az utcai lámpákat elektromos energiává. Röviddel ezután az elektromos lámpákat széles körben használták középületekben, gyárakban és a tömegközlekedés (villamosok és vonatok) meghajtására. Azóta a világ villamosenergia-termelése folyamatosan növekszik.
Az elektromos energia előállításának fő módja a turbinával azonos tengelyen elhelyezkedő elektromos generátorral történő előállítás, amely a turbina mozgási energiáját elektromos árammá alakítja . A turbinát forgató munkaegység típusától függően az erőműveket hidraulikus és termikus (beleértve a nukleáris) erőműveket is felosztják.
A vízenergia a megújuló forrásból történő villamosenergia-termelés olyan ága, amely a víz áramlásának kinetikai energiáját használja fel elektromos áram előállítására . Az energiatermelő vállalkozások ezen a területen vízi erőművek (HP-k), amelyek folyókra épülnek.
A vízi erőmű építése során a folyókon gátak segítségével mesterségesen hoznak létre különbséget a vízfelület szintjében (fel- és lefelé ). A víz a gravitáció hatására speciális vezetékeken keresztül áramlik át a felvízből az alsóba, amelyekben vízturbinák találhatók, amelyek lapátjait a víz áramlása pörgeti. A turbina forgatja az elektromos generátor koaxiális forgórészét.
A szivattyús tárolós erőművek (PSPP) a vízerőművek egy speciális típusa . Nem tekinthetők puszta termelőkapacitásnak, hiszen majdnem annyi áramot fogyasztanak, mint amennyit termelnek, de az ilyen állomások csúcsidőben nagyon hatékonyan tehermentesítik a hálózatot.
A hőenergia-ipar vállalkozásai hőerőművek (TPP), ahol a fosszilis tüzelőanyagok elégetése során keletkező hőenergiát elektromos energiává alakítják. A hőerőműveknek két fő típusa van:
Kondenzáció (CPP-k, amelyekre a múltban a GRES rövidítést használták - az állami körzeti erőmű). A hőerőművet kondenzációs erőműnek nevezzük, amelyet kizárólag elektromos energia előállítására terveztek. Az IES-nél az üzemanyag elégetésével nyert hő felmelegíti a vizet a gőzfejlesztőkben , és a keletkező túlhevített vízgőzt egy gőzturbinába táplálják , amely ugyanazon a tengelyen van, mint amelyen egy elektromos generátor található . A turbinában a gőz belső energiája mechanikai energiává alakul, ami egy elektromos generátorban az elektromos hálózatba betáplált elektromos áramot hoz létre. A kipufogó gőz a kondenzátorba kerül. Innen a kondenzvizet szivattyúk szivattyúzzák vissza a gőzfejlesztőbe.
Kapcsolt energiatermelés (hőerőművek, hőerőművek). A hőerőművet hőerőműnek nevezzük, amelyben a hőenergia egy részét villamos energia előállítására, egy részét pedig a környező lakóterületek fűtésére szolgáltatják. A kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés a CHP-erőművekben jelentősen javítja a tüzelőanyag-hatékonyságot a kondenzációs erőművek külön villamosenergia-termeléséhez, illetve a fűtési hőtermeléshez a háztartási kazántelepeken.
Az IES és a CHP technológiai sémája hasonló. Az alapvető különbség a CHP és az IES között, hogy a kazánban keletkező gőz egy részét hőellátási szükségletekre használják fel.
Az atomenergia nukleáris energiát használ energia és hő előállítására . Az atomerőművek atomerőművek (Atomerőművek). Az atomerőművek villamosenergia-termelésének elve ugyanaz, mint a hőerőművekben. Csak ebben az esetben a hőenergia nem szerves tüzelőanyag elégetésével szabadul fel, hanem egy atomreaktorban végbemenő nukleáris reakció eredményeként . A villamosenergia-termelés további sémája alapvetően nem különbözik a hőerőműtől: a gőzfejlesztő hőt kap a reaktorból és gőzt termel, amely belép a gőzturbinába stb. Az atomerőművek egyes tervezési sajátosságai miatt költséges. csak villamosenergia-termelésre volt hatékony, bár néhány kísérletet végeztek az atomfűtéssel kapcsolatban.
Az alternatív villamosenergia-ipar olyan villamosenergia-termelési módszereket foglal magában, amelyek számos előnnyel rendelkeznek a (fent említett) „hagyományos” módszerekkel szemben, de különböző okok miatt nem terjedtek el széles körben. Az alternatív energia fő típusai a következők:
A szélenergia a szél kinetikus energiájának felhasználása elektromos áram előállítására. Érdekes módon a Betz-törvény szerint egy szélturbina hatásfoka nem lehet több 59,3%-nál
A napenergia (napenergia) elektromos energia előállítása a napfény energiájából a fotoelektromos hatás révén . A napelemek a napfényt közvetlenül elektromos árammá alakítják. Bár a napfény ingyenes és bőséges, a naperőművekből történő nagyüzemi villamosenergia-termelés drágább, mint az elektromos generátorokkal történő villamosenergia-termelés. Ennek oka a napelemek magas költsége, amely azonban folyamatosan csökken. A közel 30%-os konverziós hatásfokkal rendelkező akkumulátorok már kaphatók a kereskedelemben. Kísérleti rendszerekben több mint 40%-os hatékonyságot mutattak ki [2] . Egészen a közelmúltig a fotovoltaikus eszközöket leggyakrabban űrpályás állomásokon , ritkán lakott területeken használták, ahol nem áll rendelkezésre kereskedelmi hálózat, vagy kiegészítő villamosenergia-forrásként az egyéni otthonok és vállalkozások számára. A gyártási hatékonyság és a fotovoltaikus technológia közelmúltbeli fejlődése, valamint a környezetvédelmi megfontolások által vezérelt támogatások nagymértékben felgyorsították a napelemek elterjedését. A beépített kapacitás évente 40%-kal növekszik a villamosenergia-termelés növekedése miatt Marokkóban [3] , Németországban, Kínában, Japánban és az USA-ban. A szél- és napenergia közös hátránya, hogy tárolókapacitást kell teremteni az éjszakai (napenergia) vagy a nyugodt (szélenergia) működéshez.
A geotermikus energia hőforrásokból, termál talajvízből származó energia, különösen villamos energia ipari előállítása. Valójában a geotermikus állomások közönséges hőerőművek, ahol kazán vagy atomreaktor helyett a Föld belsejéből származó föld alatti hőforrásokat használják hőforrásként a gőz melegítésére. Az ilyen állomások hátránya az alkalmazásuk földrajzi korlátai: költséghatékony a geotermikus állomások építése csak a tektonikus aktivitású régiókban, vagyis ott, ahol ezek a természetes hőforrások a legjobban elérhetőek.
Hidrogénenergia - a hidrogén energetikai tüzelőanyagként való felhasználása nagy kilátásokat rejt magában: a hidrogén nagyon magas égési hatásfokkal rendelkezik, erőforrása gyakorlatilag korlátlan, a hidrogénégetés abszolút környezetbarát (az oxigén atmoszférában történő égés terméke desztillált víz). A hidrogénenergia azonban még nem tudja maradéktalanul kielégíteni az emberiség igényeit a tiszta hidrogén előállításának magas költsége és a nagy mennyiségben történő szállítás műszaki problémái miatt.
Érdemes megjegyezni az ilyen alternatív vízenergia-típusokat is: árapály- és hullámenergia . Ezekben az esetekben a tenger árapály, illetve a szélhullámok természetes kinetikus energiáját használják fel elektromos energia előállítására. Az ilyen típusú villamosenergia-ipar elterjedését nehezíti, hogy egy erőmű tervezésénél sok tényező egybeesésére van szükség: olyan partszakaszra van szükség, amelyen az árapály (illetve a tengeri hullámok) kellően erős és stabil lenne.
Az elektrokémiai energiatermelés a kémiai kötések energiájának elektromos árammá történő közvetlen átalakításával történik, például akkumulátorban . Az elektrokémiai energiatermelés fontos a hordozható és mobil alkalmazásokban. Jelenleg az elektrokémiai energia nagy része akkumulátorokból származik [4] . Az elsődleges cellák, mint például a hagyományos cink-szén akkumulátorok , közvetlenül energiaforrásként működnek, míg a másodlagos cellák (elemek) az elektromos energia tárolására szolgálnak , nem pedig annak előállítására. Nyílt elektrokémiai rendszerek, úgynevezett üzemanyagcellák , felhasználhatók energia kinyerésére természetes vagy szintetikus üzemanyagokból.
Olyan helyeken, ahol sok só és édesvíz van, lehetőség van ozmotikus erőművek létrehozására .
A villamos erőművek építése igen költséges, megtérülési idejük hosszú. Egy adott villamosenergia-termelési mód gazdaságossága számos paramétertől függ, elsősorban a villamosenergia-igénytől és a régiótól. E paraméterek arányától függően a nem elektromos értékesítési árak is változnak, például Venezuelában az áram ára 3 cent/kWh, Dániában pedig 40 cent/kWh.
Az erőmű típusának megválasztása is elsősorban a helyi villamosenergia-szükségletek és a kereslet ingadozásainak figyelembevételén alapul. Emellett minden elektromos hálózat eltérő terhelésű, de a hálózatra kapcsolt, folyamatosan üzemelő erőműveknek biztosítaniuk kell az alapterhelést - a napi minimális fogyasztást. Az alapterhelést csak nagy hő- és atomerőművek tudják biztosítani, amelyek teljesítménye bizonyos határok között szabályozható. A vízerőművekben a teljesítmény szabályozási képessége sokkal kisebb. .
A hőerőműveket lehetőleg olyan területeken építsék, ahol nagy az ipari fogyasztók sűrűsége. A hulladékszennyezés negatív hatása minimalizálható, mivel az erőművek általában távol helyezkednek el a lakóterületektől. Az elégetett tüzelőanyag típusa elengedhetetlen egy hőerőműhöz. A szén általában a legolcsóbb tüzelőanyag a hőerőművek számára. De ha a földgáz ára egy bizonyos határ alá esik, akkor villamosenergia-termelésre való felhasználása előnyösebb lesz, mint a széntüzelésből történő villamosenergia-termelés [6] .
Az atomerőművek fő előnye az egyes erőművek nagy kapacitása, viszonylag kis mérettel és magas környezetbarátsággal, az összes működési szabály szigorú betartásával. Az atomerőművek meghibásodásának potenciális veszélyei azonban nagyon magasak.
A vízerőművek általában távoli területekre épülnek, és rendkívül környezetbarátak, de teljesítményük évszakonként erősen változó, és nem tudják széles körben szabályozni az elektromos hálózatra leadott teljesítményt.
A megújuló forrásokból előállított villamos energia (a vízenergia kivételével) költsége az utóbbi időben jelentősen csökkent. A napenergiából, szélenergiából, árapály-energiából előállított villamos energia költsége sok esetben már összemérhető a hőerőművekben megtermelt áram költségével. Az állami támogatások figyelembevételével a megújuló forrásból működő erőművek építése gazdaságosan megvalósítható. Az ilyen erőművek fő hátránya azonban munkájuk következetlensége és teljesítményük szabályozásának képtelensége.
2018-ban olcsóbb lett a tengeri szélerőművek villamosenergia-termelése, mint az atomerőművekben [7] .
A villamos energiát termelő országok közötti különbségek hatással vannak a környezetvédelmi szempontokra. Franciaországban a villamos energia mindössze 10%-át állítják elő fosszilis tüzelőanyagokból, az USA-ban ez az arány eléri a 70%-ot, Kínában pedig akár a 80%-ot [8] . A villamosenergia-termelés környezetbarát jellege az erőmű típusától függ. A legtöbb tudós egyetért abban, hogy a fosszilis tüzelőanyag-alapú villamosenergia-termelésből származó szennyező- és üvegházhatású gázok kibocsátása a globális üvegházhatású gázok kibocsátásának jelentős részét teszi ki; az Egyesült Államokban a villamosenergia-termelés a kibocsátás közel 40%-át teszi ki, ami a legnagyobb a források közül. A közlekedésből származó kibocsátás messze elmarad, az Egyesült Államok szén-dioxid-termelésének körülbelül egyharmadát teszik ki [9] . Az Egyesült Államokban a fosszilis tüzelőanyagok villamosenergia-termelés céljából történő elégetése a felelős a savas esők fő összetevőjének, a kén-dioxid -kibocsátás 65%-áért [10] . A villamosenergia-termelés a negyedik legnagyobb kombinált NOx , szén-monoxid és szilárd részecskék forrása az Egyesült Államokban [11] . 2011 júliusában az Egyesült Királyság parlamentje kijelentette, hogy egy kilowattóra termelése során „az atomenergia (szén-dioxid) kibocsátása körülbelül háromszor alacsonyabb, mint a naperőműveké, négyszer kisebb, mint a tiszta szén elégetése, és 36-szor alacsonyabb, mint a hagyományos szén elégetésekor” [12] .