Výroba a rozvod elektrickej energie

Elektráreň je technické zariadenie a prípadne i komplex stavieb produkujúce elektrickú energiu premenou iného druhu energie. Elektrárne sú producenti energie pre distribučnú sieť. Podľa druhu primárnej energie a spôsobu premeny delíme elektrárne na:

• tepelné – teplo produkuje paru pre parnú turbínu (v minulosti i parný stroj) poháňajúcu generátor
• uhoľné – teplo sa získava spaľovaním uhlia
• plynové – teplo sa získava spaľovaním zemného plynu
• atómové – teplo sa získava štiepením atómových jadier (v budúcnosti možno i jadrovou fúziou)
• geotermálne – teplo pochádza zo zemského vnútra
• vodné – voda s vysokou energiou (kombinácia kinetickej a potenciálnej) roztáča vodnú turbínu poháňajúcu generátor
• riečne – využívajú spád rieky
• prílivové – využívajú zmeny výšky morskej hladiny počas prílivu a odlivu
• prečerpávacie – de facto neprodukujú energiu, slúžia ako úložisko energie medzi sedlovým a špičkovým odberom; elektrická energia sa ukladá ako potenciálna energia vody
• veterné – generátor poháňa vrtuľa roztáčaná prúdením vzduchu
• slnečné– pracujú na princípe fotoelektrického javu - priamej premeny svetla na elektrickú energiu. Slnečné žiarenie dopadajúce na polovodičový fotovoltický článok, vyrobený na báze kremíka produkuje jednosmerný elektrický prúd.

Význam elektrární

Elektrická energia je najjednoduchšie transportovateľný a transformovateľný druh energie. Stala sa preto hlavným energetickým vstupom domácností i priemyslu. Energetický potenciál je nerovnomerne rozdelený a často sa nenachádza na mieste najvyššej spotreby. Preto je ekonomicky výhodné budovať elektrárne s veľkými výkonmi vo vhodných lokalitách a prenášať energiu k spotrebiteľom.

Spotreba energie počas dňa kolíše, v noci je nižšia ako cez deň. Niektoré elektrárne (atómové, vodné bez akumulácie) majú nízke a pomerne stabilné prevádzkové náklady bez ohľadu na momentálny výkon. Je preto racionálne využívať ich naplno na pokrytie základnej spotreby (spotreba v sedle). Výstavba týchto zdrojov je však drahá, preto nie je ekonomické budovať ich na výkon schopný pokrývať špičkovú spotrebu.

Špičkovú energiu preto dodávajú elektrárne, ktorých prevádzka je drahšia (elektrárne na plyn), prípadne majú obmedzené množstvo vyrobenej energie v horizonte dní (vodné s akumulačnou nádržou), avšak dokážu rýchlo nabehnúť na požadovaný výkon (rádovo v desiatkach sekúnd).

Rozdiel medzi cenou vyrobenej energie v sedle a špičke využívajú prečerpávacie elektrárne, ktoré ukladajú prebytočnú energiu do potenciálnej energie vody a umožňujú lepšie využitie iných elektrární. Pri špičkovom odbere premieňajú energiu späť na elektrickú, takže nie je potrebné získavať energiu z drahých zdrojov (plynové elektrárne, nákup).

Ekologické problémy a alternatívne zdroje energie

Negatívne vplyvy bežne budovaných energetických zdrojov na životné prostredie – znečisťovanie prostredia, kyslé dažde, globálne otepľovanie, uvoľňovanie rádioaktivity, výrazné zmeny rázu krajiny, hrozba katastrofy veľkého rozsahu a iné – vedú k hľadaniu alternatívnych, najmä obnoviteľných zdrojov energie. Ich využitie je však zatiaľ marginálne a doterajšie skúsenosti naznačujú, že zatiaľ nemáme ekologicky čistý zdroj schopný plne nahradiť problematické elektrárne na fosílne palivá a dnešné atómové elektrárne využívajúce štiepenie ťažkých jadier.

Tepelné elektrárne spaľujúce fosílne palivá, najmä uhlie, produkujú vo veľkých množstvách emisie prachu, skleníkových (CO2) a životné prostredie poškodzujúcich plynov (SO2, NO a NO2). Tieto emisie tiež spôsobujú kyslé dažde a pravdepodobne tiež globálne otepľovanie, majú tiež negatívny vplyv na zdravie obyvateľstva v okolí elektrárne. V elektrárňach sa preto budujú odsírovacie zariadenia. Nezanedbateľné, avšak málo známe sú emisie rádioaktívnych prvkov obsiahnutých v uhlí a tým aj v produktoch horenia – uhoľná elektráreň vyvrhne do ovzdušia viac rádioaktivity na jednotku vyrobenej energie, než atómová elektráreň (s výnimkou vážnej nehody). Atómová energia

S atómovými elektrárňami sa spájajú riziká súvisiace s únikom rádioaktivity do prostredia a ekologická záťaž v podobe vyhoreného paliva a odstavených blokov. Napriek týmto skutočnostiam považuje väčšina odborníkov atómovú energiu za najčistejší zdroj. Pri bežnej prevádzke atómovej elektrárne je pôsobenie radiácie na človeka výrazne nižšie, ako pri iných bežne akceptovaných činnostiach, ako je röntgenové vyšetrenie či transoceánsky let. Prípadná nehoda však znamenať vystavenie radiácii pre rôzny počet ľudí (jednotky až tisíce) i v rôznej úrovni, vrátane smrteľných následkov. Najznámejšia katastrofa s ťažkými následkami pre človeka i prírodu bol výbuch reaktora Černobyľskej jadrovej elektrárne 26. 4. 1986. Avšak ani po vyše dvoch desaťročiach nedošlo k zhode v počte obetí či rozsahu následkov katastrofy, ktoré sú stále predmetom skúmania. Havária však mala i vážne psychologické následky vedúce k odmietavému postoju k ďalšiemu rozvoju energetického využívania atómovej energie, ktoré začína odznievať až v súčasnej dobe. Vyhorené palivo zostáva rádioaktívne mnoho rokov až tisícročí a je potrebné zabezpečiť jeho skladovanie tak, aby nedochádzalo k únikom radiácie do prostredia, inak môže znamenať vážnu záťaž pre životné prostredie. Na druhej strane, nové typy reaktorov umožňujú využiť časť energie, ktorá vo vyhorenom palive zostáva, a znížiť jeho rádioaktivitu.

Voda

Vodné elektrárne pri prevádzke produkujú škodliviny, znečistenie, emisie skleníkových a jedovatých plynov iba v zanedbateľnej miere a z tohto pohľadu nepredstavujú žiadnu ujmu životnému prostrediu. Avšak, vodné elektrárne tiež spôsobujú ekologickú záťaž najmä zatopením – a tým v podstate zničením – rozsiahlych častí ekosystému. Výstavba priehradných hrádzí sťažuje migráciu niektorých živočíšnych druhov, stabilizácia výšky hladiny rieky pod elektrárňou môže viesť k zániku spoločenstiev prispôsobených na pravidelné záplavy. Prípadné pretrhnutie hrádze môže mať katastrofálne následky pre človeka i prírodu na rozsiahlom území, s dôsledkami porovnateľnými s haváriou atómovej elektrárne.

Vietor

veterné elektrárne, podobne ako vodné, pri prevádzke produkujú len minimum škodlivín a znečistenia. Veterné farmy však výrazne menia vzhľad krajiny, predstavujú určité ohrozenie pre divo žijúce vtáky a spôsobujú hluk. Vážnosť týchto dopadov je predmetom diskusie.

Veterná energia nie je spoľahlivý zdroj – v distribučnej sieti musí existovať záložný zdroj energie pre prípad zníženého výkonu elektrárne vplyvom poveternostných podmienok (slabý vietor, bezvetrie). Tento zdroj najčastejšie spaľuje fosílne palivá, čím sa i veterné elektrárne stávajú sekundárnym producentom skleníkových a škodlivých plynov. Veterné farmy sú vďaka štátnej pomoci často budované i na miestach, kde by sa bez nej ekonomicky neoplatili. Štátna pomoc môže viesť i ku krajnej situácii, keď elektráreň za dobu svojej životnosti nevyrobí viac energie, ako bolo potrebné na jej výstavbu (ktorá opäť z časti pochádza zo spaľovania fosílnych palív). Hodnota energetickej návratnosti investície (EROI) sa pohybuje medzi 5 a 35, priemerne okolo 18. Veterné elektrárne nie sú schopné pokryť významnú časť spotreby energie, ani keby boli postavené na všetkých miestach, kde sa ich stavba energeticky oplatí.

Slnečná energia

Využitie slnečnej energie predpokladá pokrytie rozsiahleho územia slnečnými článkami, zrkadlami či iným zariadením; toto územie nemožno využiť iným spôsobom (s výnimkou inštalácie na strechy domov). Látky používané pri výrobe slnečných článkov môžu byť jedovaté, ekologickú záťaž tiež môžu predstavovať vyradené konštrukčné prvky elektrárne. Podobne, ako v prípade veterných elektrární, je slnečnú elektráreň zálohovať iným zdrojom energie.

Tepelné elektrárne

- v tepelnej elektrárni sa energia paliva (uhlie, horúca voda, plyn, urán) premieňa spaľovaním alebo reakciou na tepelnú energiu ( energiu pary), ktorá sa v parnej turbíne premení na mechanickú energiu. V generátore, ktorý je spojený s turbínou sa premieňa mech. energia na elektrickú energiu. Parné elektrárne rozdeľujeme na:

   a) parné kondenzačné
   b) teplárne

Prehriata (ostrá) para poháňa turbínu, ktorá je spojená s rotorom generátora 4. Para sa vyrába v kotly 1, a prehreje sa na vyššiu teplotu v prehrievači 2, a vstupuje do turbíny 3. Para, ktorá vykonala prácu v turbíne, vstupuje do kondenzátora 5, v ktorom je nízky tlak. Odpadová para vychádzajúca z turbíny sa tu kondenzuje na vodu. Podtlak v kondenzátore udržuje výveva 6. Čerpadlo 7, čerpá chladiacu vodu z rieky alebo z chladiacich veží. Čerpadlo 8 dopravuje kondenzovanú vodu naspäť do kotla. V kondenzátore vzniká veľká tepelná strata energie. Teplo odovzdané chladiacej vode sa predstavuje 45% až 60% celkovej tepelnej energie paliva.

Vodné elektrárne

Energia vody (rýchlosť, tlak) poháňa vodnú turbínu, ktorá je spojená s alternátorom- vyrába striedavé napätie. Najčastejšie sa využívajú dva typy turbíny: Kaplanová, Francissiho. Najpoužívanejším typom sú hrádzové, priehradové elektrárne, budujú sa na vodných tokoch, ktoré sa líšia veľkosťou a spádom . Podľa spádu rozdeľujeme:

• nízkotlakové
• strednotlakové
• vysokotlakové

Podľa spôsobu prevádzky:

• akumulačné,
• prietokové,
• prečerpávacia.