Tepelná elektrárna

Na počátku vývoje tepelných elektráren stál roku 1884 vynález parní turbíny, jenž učinil irský technik Charles Algernon Parsons. Turbína, která nejdříve sloužila jako součást pohonné jednotky lodí, našla brzy uplatnění také v elektrárnách, kde nahradila méně výkonné parní stroje. Jejím úkolem je přeměna tepelné energie vodní páry na energii mechanickou a její rotační pohyb vyrábí v napojeném alternátoru energii elektrickou.

Výchozím zařízením každé tepelné elektrárny je spalovací kotel. V něm se spalováním vhodného paliva vyrábí teplo, které se v prvním kroku předává do uzavřeného vodního okruhu za účelem výroby vodní páry. Ta se pod tlakem vhání na turbínové lopatky a nastává druhý krok, tepelná energie se mění na otáčivý pohyb turbíny, která je přímo propojena na elektromagnet generátoru. Vlastní výroba elektrického proudu už byla popsána výše. Poté, co pára vykoná potřebnou práci, přechází do kondenzátoru, kde se opět mění na kapalinu a celý cyklus začíná znovu.

Pojďme se podívat podrobně na jednotlivé části. Tepelná elektrárna může spalovat různé materiály, nejčastěji je to lignit, hnědé uhlí, černé uhlí, biomasa, ropné produkty a zemní plyn. Pevná paliva musí být před spálením upravena do vhodné zrnitosti, což zabezpečují uhelné mlýny. Způsob spalování závisí na technické konstrukci kotle. Ke starším typům kotlů patří roštové nebo práškové, mívají různou konstrukci a relativně nižší účinnost. V nich se spaluje uhlí při teplotách 1400-1600 °C. Při této technologii vzniká kromě oxidu uhličitého také velké množství oxidů síry i jiných emisí a z hledisky ochrany životního prostředí patří k největším znečišťovatelům. Mnohem modernější technologií je spalování ve fluidních kotlích, kde se pracuje s provozní teplotou 850 °C a účinnost kotlů je vyšší. Do spalovacího procesu se vedle paliva přidává mletý vápenec, který eliminuje oxidy síry a vzniká tzv. energosádrovec. Ten má další průmyslové využití, zejména ve stavebnictví. Snižují se i obsahy oxidů dusíku a jiných škodlivin v plynném stavu.

Během spalování uhlí vzniká také pevný odpad – větší část je tvořena popelem a škvárou, menší část popílkem zachyceným na elektroodlučovačích. Tento materiál je ukládán v odkalištích, v některých případech se používají jako druhotná surovina při výrobě omítek a betonů.

Výroba páry probíhá z demineralizované vody v několika krocích. V kotli se voda ohřívá při tlaku 15 MPa a pára, kterou pouštíme na lopatky turbíny, má kolem 550 °C. Po předání energie pára kondenzuje, voda se ochladí v chladicích věžích a vrací se zpátky k ohřevu do kotle. Zbytkové teplo se často využívá k vytápění bytových jednotek. Příkladem je elektrárna Opatovice, která dodává horkou vodu do tepláren v Hradci Králové, Pardubicích a Chrudimi.

V posledních době se často hovoří o paroplynových elektrárnách, Německo na jejich provozu v kombinaci s obnovitelnými zdroji staví svoji energetickou budoucnost. Technologicky se jedná o tepelnou elektrárnu, kde se jako palivo používá zemní plyn nebo topný olej. Teplý stlačený vzduch se společně s palivem vhání do spalovací komory a vzniklé teplo spalin vyrábí v uzavřeném okruhu páru, která pak roztáčí turbínu propojenou s generátorem elektrické energie.

K velkým výhodám paroplynových elektráren patří výrazně nižší emise skleníkových plynů, absence pevných odpadů, relativně nízké náklady na výstavbu a jejich flexibilita v přenosové soustavě. Jejich schopnost rychlého spuštění a odstavení je vhodným doplňkem k obnovitelným zdrojům energie. K nevýhodám patří jejich závislost na fosilních palivech (zemní plyn, ropa).

V každé tepelné elektrárně musíme vyrobit potřebné teplo spalováním fosilních paliv nebo biomasy. Jednotlivé suroviny mají různou cenu, různou formu dopravy a jejich spálením produkujeme různé množství skleníkových plynů.

Nejšetrnější k životnímu prostředí je spalování biomasy. Produkujeme sice CO2, ale rostliny ho do svých těl zabudovaly v předchozích letech, takže nenavyšujeme podíl uhlíku v současném uhlíkovém cyklu. Využít lze různý dřevní odpad, rychle rostoucí dřeviny nebo slámu. Často je to materiál z blízkého okolí elektrárny, nepřidáváme tedy zátěž z dopravy. Většinou se však toto palivo využívá u elektráren menšího výkonu nebo tepláren.

Naopak nejhorší variantou pro životní prostředí je spalování lignitu a hnědého uhlí. Jejich výhřevnost je v porovnání s ostatními palivy nízká a zároveň jejich spalováním produkujeme nejvíce škodlivých látek. Zásoby hnědého uhlí jsou v celosvětovém měřítku značné, určitě na mnoho desítek let. Zejména v Evropě je velký tlak na ukončení provozu uhelných elektráren, takže lze předpokládat postupný pokles těžby uhlí. V ČR máme zásoby hnědého uhlí uložené v sokolovské a mostecké pánvi, kde probíhá intenzivní těžba. Tomu také odpovídá výrazné poškození okolní krajiny. Asi jedinou výhodou jeho využívání je krátký transport do místních elektráren.

Jen o trochu lepší parametry z pohledu spalování a vzniku škodlivin má černé uhlí. Vykazuje vyšší výhřevnost, takže je jeho spotřeba nižší, ale na trhu se prodává za vyšší ceny než uhlí hnědé. U nás končí jeho těžba na Karvinsku, velkým producentem je sousední Polsko.

Zemní plyn je dnes velmi žádaným palivem do paroplynových elektráren, které mají v energetických koncepcích některých států nahradit standardní tepelné elektrárny. Emise škodlivin jsou zde asi o polovinu nižší v porovnání s uhlím, doprava na místo spotřeby se provádí plynovody, které nezatěžují prostředí jako jiné způsoby nákladní dopravy. Do světového obchodu s plynem (ale i s jinými surovinami) dnes vstupuje geopolitický rozměr. V Evropě je v současnosti velká snaha o získání nezávislosti na ruské produkci zemního plynu (psáno na jaře 2022).

Palivem pro paroplynové elektrárny může být i ropa, přesněji některé její produkty jako jsou lehké topné oleje. Jejich doprava je také možná pomocí produktovodů, i když riziko havárie a úniku vždycky existuje. Jejich spalováním vznikají rovněž škodlivé emise, ale v menším množství než je tomu u uhlí.

Každá tepelná elektrárna představuje zátěž pro životní prostředí a je zdrojem skleníkových plynů. Velikost této zátěže závisí na použitém palivu, výkonu zařízení a stáří použité technologie. Pokud bychom měli začít něčím pozitivním, tak tepelné elektrárny nám poskytují opravdu velký a stabilní výkon a jejich provoz není závislý na počasí. Tím však výčet pozitivních přínosů končí.

Negativní vliv na životní prostředí začíná u tepelných elektráren už při získávání paliva. Asi nejmenší zátěž představuje těžba zemního plynu, mnohem větší rizika poškození prostředí vznikají při těžbě ropy, zvláště na mořských šelfech. Těžba uhlí, ať je povrchová nebo hlubinná, je pak spojena se zvýšenou prašností, hlukem a vznikem odpadu při těžbě i úpravě. Velkokapacitní těžba uhlí silně postihuje okolní krajinu výraznými změnami reliéfu, mění mikroklima a narušuje vodní režimu povrchových i podzemních vod.

Vytěžený materiál musí být dopraven do elektrárny, což u plynu a ropy zajistí produktovody uložené do země. Uhlí se někde přepravuje na krátkou vzdálenost mezi těžbou a elektrárnou na dopravníkovém pásu, často jsou to ale stovky kilometrů vlakem nebo nákladní silniční dopravou.

Vlastní proces výroby elektřiny jsme již popsali, je spojen se spalováním určitého paliva. Tady vzniká nejvíce škodlivých látek u spalování uhlí. To obsahuje podle kvality 40-90 % uhlíku, který se spálením mění na oxid uhličitý. Kromě toho je zastoupena voda a anorganická příměs v podobě zbytků hornin a minerálů. Nezanedbatelný může být podíl sulfidů, jejichž spálením vznikají oxidy síry, ale mohou to být i jiné prvky, které našemu zdraví rozhodně neprospívají – uran, arzén, chrom, nikl nebo rtuť.

Pojďme se podívat na emise, které nás dnes zajímají nejvíce a to jsou skleníkové plyny. Produkce skleníkových plynů tepelnou elektrárnou závisí na druhu a kvalitě spalovaného paliva a technologii spalování. Průměrná uhelná elektrárna vyprodukuje spálením jedné tuny uhlí přibližně 4,8 tuny CO2, 6 kg oxidů síry, 11 kg oxidů dusíku a 220 kg strusky a popílku. Spálením jedné tuny topného oleje vznikne 3,1 tuny CO2, 20 kg oxidů síry a 6 kg oxidů dusíku. Zdaleka nejlépe pak vychází spalování zemního plynu, u kterého z jedné tuny vznikne 2,3 tuny CO2, prakticky žádné oxidy síry a asi 4 kg oxidů dusíku. V absolutním množství pak dojdeme k mnohem vyšším hodnotám, protože průměrná uhelná elektrárna spálí ročně kolem 2 milionů tun uhlí.

Vrátíme-li se zpět ke zmiňovaným paroplynovým elektrárnám, tak jejich přínosem je nejen snížení emisí oxidu uhličitého asi o polovinu, ale také významná redukce emisí oxidů síry a dusíku.

V roce 2020 jsme v České republice vyrobili 81,4 GWh elektrické energie. Různé typy tepelných elektráren se na tomto množství podílely asi 55 %. Je to poměrně vysoký podíl, navíc většina našich tepelných elektráren spaluje uhlí, takže z hlediska produkce CO2 si naše energetika nevede právě nejlépe. Dodejme ale, že změna energetického mixu je dlouhodobá a hlavně nákladná záležitost.

Tepelné uhelné elektrárny v ČR používají nejčastěji energetické bloky o výkonu kolem 200–250 MW. Liší se většinou počtem těchto bloků. Nejvíce zařízení najdeme pod Krušnými horami, kde se využívá blízká těžba hnědého uhlí. Jsou to například elektrárny Tušimice, Počerady, Ledvice nebo Prunéřov. U Trutnova je v provozu elektrárna Poříčí, na severní Moravě je to elektrárna Dětmarovice a na jižní Moravě je provozována elektrárna Hodonín.

V naší republice jsou rovněž provozovány paroplynové elektrárny, k největším patří Vřesová, Kladno a Počerady.