O centrala electrica pe carbune este o centrala termica care arde carbune pentru a genera electricitate. Centralele electrice pe carbune genereaza o treime din electricitatea lumii, dar provoaca sute de mii de decese timpurii in fiecare an, in principal din cauza poluarii aerului.
O centrala electrica pe carbune este un tip de centrala electrica cu combustibil fosil. Carbunele este de obicei pulverizat si apoi ars intr-un cazan. Caldura cuptorului converteste apa cazanului in abur, care este apoi folosit pentru a roti turbinele care alimenteaza generatoarele. Astfel, energia chimica stocata in carbune este convertita succesiv in energie termica, energie mecanica si, in cele din urma, energie electrica.
Centralele electrice pe carbune emit peste 10 Gt de dioxid de carbon in fiecare an, aproximativ o cincime din emisiile mondiale de gaze cu efect de sera, deci reprezinta principala cauza a schimbarilor climatice. In 2020, numarul total de centrale pe carbuni a inceput sa scada deoarece acestea sunt in curs de retragere in Europa si America, in ciuda faptului ca sunt inca construite in Asia, aproape toate finantate de China.
Unele dintre acestea raman profitabile, deoarece costurile din cauza impactului asupra sanatatii si asupra mediului al industriei carbunelui nu sunt incluse in costurile de productie, dar exista riscul ca instalatiile mai noi sa devina active blocate. Secretarul general al ONU a declarat ca tarile OECD ar trebui sa nu mai produca electricitate din carbune pana in 2030, iar restul lumii pana in 2040.
Componentele unei centrale electrice pe carbune
Ca orice tip de centrala termica, o centrala termica pe carbune transforma succesiv energia chimica stocata in carbune in energie termica, energie mecanica si, in cele din urma, energie electrica. Carbunele este de obicei pulverizat si apoi ars intr-un cazan pe carbune pulverizat. Caldura din carbunele pulverizat care arde transforma apa cazanului in abur, care este apoi folosit pentru a fila turbine care alimenteaza generatoarele. In comparatie cu o centrala termica care arde alte tipuri de combustibil, este necesara prelucrarea specifica a carbunelui si eliminarea cenusii.
Pentru unitatile de peste 200 MW capacitate, redundanta componentelor cheie este asigurata prin instalarea duplicatelor ventilatoarelor de tiraj fortat si indus, preincalzitoarelor de aer si colectoarelor de cenusa. Pe unele unitati de aproximativ 60 MW, pot fi furnizate in schimb doua cazane per unitate.
Procesarea combustibilului
Carbunele este pregatit pentru utilizare prin zdrobirea carbunelui brut in bucati mai mici de 5 cm. Carbunele este apoi transportat din santierul de depozitare in silozurile de depozitare din fabrica de catre benzi transportoare la viteze de pana la 4.000 de tone pe ora.
In centralele care ard carbune pulverizat, silozurile alimenteaza carbune catre pulverizatoare (fabrici de carbune) care iau bucatile mai mari de 5 cm, le macina pana la consistenta pudrei de talc, le sorteaza si le amesteca cu aerul de ardere primar, care transporta carbunele catre cuptorul cazanului si preincalzeste carbunele, pentru a elimina excesul de umiditate. O instalatie de 500 MWe poate avea sase astfel de pulverizatoare, dintre care cinci pot furniza carbune la cuptor la 250 de tone pe ora in sarcina maxima.
In instalatiile care nu ard carbune pulverizat, piesele mai mari de 5 cm pot fi alimentate direct in silozuri, care apoi alimenteaza fie distribuitoare mecanice care lasa carbunele pe un gratar calator, fie se folosesc arzatoarele cu ciclon, un tip specific de combustibil care poate arde eficient bucati mai mari de combustibil fosil.
Functionarea cazanului
Centralele proiectate pentru lignit (carbune brun) sunt utilizate in locatii la fel de variate precum Germania, Australia si Dakota de Nord (SUA). Lignitul este o forma mult mai tanara de carbune decat carbunele negru. Are o densitate energetica mai mica decat cea a carbunelui negru si necesita un cuptor mult mai mare pentru o putere de caldura echivalenta.
Astfel de carbuni pot contine pana la 70% apa si cenusa, producand temperaturi mai scazute ale cuptorului si necesitand ventilatoare mai mari cu tiraj indus. Sistemele de ardere difera, de asemenea, de carbunele negru si aspira de obicei gazul fierbinte de la nivelul iesirii cuptorului si il amesteca cu carbunele primit in fabricile de tip ventilator care injecteaza amestecul de carbune pulverizat si gaz fierbinte in cazan.
Eliminarea cenusii
Cenusa este adesea depozitata in iazuri de cenusa. Desi utilizarea iazurilor de cenusa in combinatie cu controlul poluarii aerului scade cantitatea de poluanti din aer, structurile prezinta riscuri grave pentru sanatate si pentru mediul inconjurator. Companiile de utilitati electrice au construit adesea iazurile fara captuseli, in special in Statele Unite, si, prin urmare, substantele chimice din cenusa au prezentat scurgeri in apele subterane si in apele de suprafata.
Incepand cu anii ’90, serviciile electrice din SUA au proiectat multe dintre noile lor fabrici cu sisteme de manipulare a cenusii uscate. Cenusa uscata este aruncata in gropile de gunoi, care includ de obicei captuseli si sisteme de monitorizare a apelor subterane. Cenusa uscata poate fi, de asemenea, reciclata in produse cum ar fi betonul, umpluturile structurale pentru constructia drumurilor si chitul.
Poluare
In unele tari, poluarea este controlata de cele mai bune tehnici disponibile, de exemplu, cele din UE prin directivele privind emisiile industriale. In Statele Unite, centralele pe carbune sunt guvernate la nivel national de mai multe reglementari privind poluarea aerului, inclusiv reglementarile privind standardele de mercur si toxice ale aerului (MATS), de ghidurile privind efluentii pentru poluarea apei si de reglementari in temeiul Legii privind conservarea si recuperarea resurselor (RCRA).
Centralele electrice pe carbune continua sa polueze in tari usor reglementate, cum ar fi tarile din Balcanii de Vest, India, Rusia si Africa de Sud, provocand sute de mii de decese timpurii in fiecare an.
Poluarea locala a aerului
Deteriorarea sanatatii cauzata de particule, dioxid de sulf si oxid de azot apare in principal in Asia si se datoreaza adesea arderii carbunelui de calitate scazuta, cum ar fi lignitul, la centralele care nu au un tratament modern al gazelor arse.
Poluarea apei
Poluantii, cum ar fi metalele grele, care se scurg in apele subterane din iazurile de depozitare a cenusii de carbune sau depozitele de deseuri polueaza apa, posibil timp de decenii sau secole. Descarcarile de poluanti din iazurile de cenusa in rauri (sau alte corpuri de apa de suprafata) includ de obicei arsenic, plumb, mercur, seleniu, crom si cadmiu.
Emisiile de mercur de la centralele termice pe carbune pot cadea inapoi pe uscat si in apa (prin ploaie) iar apoi pot fi transformate in metilmercur de catre bacterii. Prin biomagnificare, acest mercur poate atinge apoi niveluri periculos de ridicate in pesti. Mai mult de jumatate din mercurul atmosferic provine din centrale electrice pe carbune.
Centralele electrice pe carbune emit, de asemenea, dioxid de sulf si azot. Aceste emisii duc la ploi acide, care pot restructura retelele alimentare si pot duce la distrugerea populatiilor de pesti si nevertebrate.
Transportul si livrarea carbunelui
Carbunele este livrat cu autocamioane, pe cai ferate, slepuri, nave colier sau conducte de carbune. Centralele electrice sunt uneori construite langa o mina, in special cele ce folosesc un carbune minier cum ar fi lignitul, care nu este suficient de valoros pentru a fi transportat pe distante lungi; deci poate primi carbune cu banda transportoare sau camioane masive cu motor diesel-electric.
Un tren mare de carbune numit „tren unic” poate avea o lungime de 2 km, continand 130-140 de vagoane cu aproximativ 100 de tone de carbune in fiecare, pentru o incarcare totala de peste 10000 de tone. O instalatie mare sub sarcina maxima necesita cel putin o livrare de carbune de aceasta dimensiune in fiecare zi.
Centralele pot primi pana la trei pana la cinci trenuri pe zi, in special in „sezonul de varf” in timpul celei mai fierbinti veri sau cele mai reci luni de iarna (in functie de climatul local) cand consumul de energie este ridicat.
Descarcatoarele moderne folosesc dispozitive de descarcare rotativa, care elimina problemele legate de inghetarea carbunelui in autovehiculele de descarcare. Descarcatorul include un brat de pozitionare a trenului care trage intregul tren pentru a pozitiona fiecare vagon peste un buncar de carbune. Autobasculantul fixeaza o masina individuala pe o platforma care roteste masina cu capul in jos pentru a arunca carbunele.
Cuplajele pivotante permit ca intreaga operatiune sa aiba loc in timp ce masinile sunt inca cuplate. Descarcarea unui tren dureaza aproximativ trei ore.
Pentru pornire sau in scopuri auxiliare, instalatia poate folosi si pacura. Pacura poate fi livrata centralelor prin conducte, cisterne, vagoane cisterne sau camioane. Uleiul este depozitat in rezervoare verticale cilindrice din otel, cu capacitati de pana la 14.000 metri cubi (90.000 bbl).
Eficienta
Exista 4 tipuri principale de centrale electrice pe carbune in ordine crescanda, in functie de gradul de eficienta, iar acestea sunt: subcritice, supercritice, ultra-supercritice si de cogenerare. Subcriticul este tipul cel mai putin eficient, cu toate acestea, inovatiile recente au permis modernizarea centralelor subcritice mai vechi pentru a satisface sau chiar a depasi eficienta plantelor supercritice.
Economie
Subventii
Centralele electrice pe carbune tind sa serveasca drept tehnologie de baza, deoarece au factori de disponibilitate ridicata si sunt relativ dificil si costisitoare de operat. Ca atare, au performante slabe pe pietele energiei in timp real, unde nu sunt in masura sa raspunda la schimbarile din pretul marginal localizat. In Statele Unite, acest lucru a fost valabil mai ales in lumina aparitiei gazului natural ieftin, care poate servi drept combustibil in anumite tipuri de centralele electrice.
Numai guvernele G20 subventioneaza carbunele cu cel putin 63,9 miliarde USD pe an, din care aproape trei sferturi sunt destinate energiei pe carbune.