Výroba elektřiny je proces získávání elektřiny z primárních energetických zdrojů . Charakteristickým rysem elektřiny je, že se nejedná o primární energii, volně přítomnou v přírodě ve významných množstvích a musí být vyrobena. Výroba elektřiny probíhá zpravidla pomocí generátorů v průmyslových podnicích, které se nazývají elektrárny .
V elektroenergetice je výroba elektřiny první fází dodávky elektřiny koncovým uživatelům, dalšími fázemi jsou přenos , distribuce , akumulace a rekuperace energie v přečerpávacích elektrárnách .
Základní princip výroby elektřiny objevil ve 20. a na počátku 30. let 19. století britský vědec Michael Faraday . Jeho metoda, která se používá dodnes, spočívá v tom, že v uzavřeném vodivém obvodu, když se tento obvod pohybuje mezi póly magnetu , vzniká elektrický proud.
S rozvojem technologie se následující schéma výroby elektřiny stalo ekonomicky životaschopným. Elektrické generátory instalované v elektrárně centrálně vyrábějí elektrickou energii ve formě střídavého proudu . Pomocí výkonových transformátorů se zvyšuje elektrické napětí generovaného střídavého proudu, což umožňuje jeho přenos po vodičích s nízkými ztrátami. V místě spotřeby elektrické energie je střídavé napětí redukováno snižovacími transformátory a přenášeno ke spotřebičům. Elektrifikace spolu s bessemerovským způsobem výroby oceli se stala základem druhé průmyslové revoluce . Hlavní vynálezy, které učinily elektřinu široce dostupnou a nepostradatelnou, byli Thomas Alva Edison a Nikola Tesla .
Výroba elektřiny v centrálních elektrárnách začala v roce 1882, kdy na stanici Pearl Street v New Yorku [1] poháněl parní stroj dynamo, které produkovalo stejnosměrný proud pro osvětlení Pearl Street . Nová technologie byla rychle přijata mnoha městy po celém světě, která rychle přeměnila své pouliční osvětlení na elektrickou energii. Krátce poté byly elektrické lampy široce používány ve veřejných budovách, továrnách a k napájení veřejné dopravy (tramvaje a vlaky). Od té doby se výroba elektrické energie ve světě neustále zvyšuje.
Hlavním způsobem výroby elektrické energie je její výroba elektrickým generátorem umístěným na stejné ose jako turbína a přeměňující kinetickou energii turbíny na elektřinu. Podle typu pracovní jednotky, která otáčí turbínou, se elektrárny dělí na hydraulické a tepelné (včetně jaderných).
Vodní energie je odvětví výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů , které využívá kinetickou energii proudění vody k výrobě elektřiny . Podniky na výrobu energie v této oblasti jsou vodní elektrárny (VVE), které jsou postaveny na řekách.
Při výstavbě vodní elektrárny pomocí přehrad na řekách je uměle vytvořen rozdíl hladin vodní plochy (proti proudu a po proudu ). Voda působením gravitace přetéká z horního do dolního toku speciálními potrubími, ve kterých jsou umístěny vodní turbíny, jejichž lopatky jsou roztáčeny proudem vody. Turbína otáčí koaxiálním rotorem elektrického generátoru.
Přečerpávací elektrárny (PSPP) jsou speciálním typem vodních elektráren. Nelze je považovat za čistou výrobní kapacitu, protože spotřebovávají téměř tolik elektřiny, kolik vyrobí, ale tyto stanice jsou velmi účinné při vytěžování sítě ve špičce.
Podniky tepelné energetiky jsou tepelné elektrárny (TPP), kde se tepelná energie spalování fosilních paliv přeměňuje na elektrickou energii. Tepelné elektrárny jsou dvou hlavních typů:
Kondenzační (CPP, pro které se v minulosti používala zkratka GRES - státní okresní elektrárna). Tepelná elektrárna se nazývá kondenzační elektrárna, která je určena výhradně k výrobě elektrické energie. Na IES teplo získané spalováním paliva ohřívá vodu v parogenerátorech a výsledná přehřátá vodní pára je přiváděna do parní turbíny , na stejné ose, na které je elektrický generátor . V turbíně se vnitřní energie páry přeměňuje na mechanickou energii, která v elektrickém generátoru vytváří elektrický proud dodávaný do elektrické sítě. Odpadní pára je odváděna do kondenzátoru. Odtud je zkondenzovaná voda čerpadly čerpána zpět do parogenerátoru.
Kogenerace (tepelné elektrárny, tepelné elektrárny). Tepelná elektrárna se nazývá tepelná elektrárna, ve které je část tepelné energie směrována na výrobu elektrické energie a část je dodávána k vytápění okolních obytných oblastí. Kombinovaná výroba tepla a elektřiny v kogeneračních jednotkách výrazně zlepšuje palivovou účinnost ve srovnání s oddělenou výrobou elektřiny v kondenzačních elektrárnách a teplem pro vytápění v domácích kotelnách.
Technologická schémata IES a CHP jsou podobná. Zásadní rozdíl mezi KVET a IES je v tom, že část páry vzniklé v kotli je využita pro potřeby zásobování teplem.
Jaderná energie využívá jadernou energii k výrobě energie a tepla . Jaderné elektrárny jsou jaderné elektrárny (JE). Princip výroby elektřiny v jaderných elektrárnách je stejný jako v tepelných elektrárnách. Pouze v tomto případě se tepelná energie neuvolňuje spalováním organického paliva, ale v důsledku jaderné reakce v jaderném reaktoru . Další schéma výroby elektřiny se zásadně neliší od tepelné elektrárny: parogenerátor přijímá teplo z reaktoru a vyrábí páru, která vstupuje do parní turbíny atd. Vzhledem k některým konstrukčním prvkům jaderných elektráren je nákladná. efektivní je používat pouze pro výrobu elektřiny, i když byly provedeny některé experimenty v jaderném ohřevu .
Alternativní elektroenergetika zahrnuje způsoby výroby elektřiny, které mají oproti „tradičním“ (uvedeným výše) řadu výhod, ale z různých důvodů nejsou široce využívány. Hlavní typy alternativní energie jsou:
Větrná energie je využití kinetické energie větru k výrobě elektřiny. Zajímavé je, že podle Betzova zákona nemůže být účinnost větrné turbíny vyšší než 59,3 %.
Sluneční energie (solární energie) je výroba elektrické energie z energie slunečního světla prostřednictvím fotoelektrického jevu . Solární panely přeměňují sluneční světlo přímo na elektřinu. Přestože je sluneční světlo zdarma a je ho dostatek, velká výroba elektřiny ze solárních elektráren je dražší než výroba elektřiny z elektrických generátorů. Je to dáno vysokou cenou solárních panelů, která však neustále klesá. Nyní jsou komerčně dostupné baterie s účinností konverze téměř 30 %. V experimentálních systémech byla prokázána více než 40% účinnost [2] . Donedávna byla fotovoltaická zařízení nejčastěji používána ve vesmírných orbitálních stanicích , v řídce osídlených oblastech, kde není k dispozici komerční elektrická síť, nebo jako doplňkový zdroj elektřiny pro jednotlivé domácnosti a firmy. Nedávné pokroky v efektivitě výroby a fotovoltaické technologii v kombinaci s dotacemi poháněnými ekologickými zájmy značně urychlily nasazení solárních panelů. Instalovaná kapacita roste o 40 % ročně díky růstu výroby elektřiny v Maroku [3] , Německu, Číně, Japonsku a USA. Společnými nevýhodami větrné a solární energie je potřeba vytvořit akumulační kapacity pro provoz v nočním (pro solární energii) nebo klidném (pro větrnou energii) čase.
Geotermální energie je průmyslová výroba energie, zejména elektřiny, z horkých pramenů, termální podzemní vody. Geotermální stanice jsou vlastně obyčejné tepelné elektrárny, kde se místo kotle nebo jaderného reaktoru jako zdroj tepla pro ohřev páry používají podzemní zdroje tepla z útrob Země. Nevýhodou těchto stanic je geografická omezení jejich použití: je cenově výhodné stavět geotermální stanice pouze v oblastech tektonické aktivity, tedy tam, kde jsou tyto přírodní zdroje tepla nejdostupnější.
Vodíková energie - využití vodíku jako energetického paliva má velkou perspektivu: vodík má velmi vysokou účinnost spalování, jeho zdroje jsou prakticky neomezené, spalování vodíku je absolutně ekologické (produktem spalování v kyslíkové atmosféře je destilovaná voda). Vodíková energie však zatím nemůže plně pokrýt potřeby lidstva kvůli vysokým nákladům na výrobu čistého vodíku a technickým problémům s jeho přepravou ve velkém množství.
Za zmínku také stojí takové alternativní typy vodní energie: energie přílivu a odlivu a vln . V těchto případech se k výrobě elektrické energie využívá přirozená kinetická energie mořských přílivů a větrných vln. Šíření těchto typů elektroenergetiky je brzděno nutností souběhu mnoha faktorů při projektování elektrárny: je potřeba pobřeží, na kterém by byly přílivy (a mořské vlny) dostatečně silné a stabilní.
K elektrochemické výrobě energie dochází přímou přeměnou energie chemické vazby na elektřinu, například v baterii . Elektrochemická výroba energie je důležitá v přenosných a mobilních aplikacích. V současnosti většina elektrochemické energie pochází z baterií [4] . Primární články, jako jsou konvenční zinko-uhlíkové baterie , fungují přímo jako zdroje energie, zatímco sekundární články (baterie) se používají k ukládání elektřiny , nikoli k její výrobě. Otevřené elektrochemické systémy, známé jako palivové články , lze použít k získávání energie z přírodních nebo syntetických paliv.
V místech, kde je hodně slané a sladké vody, je možné vytvořit osmotické elektrárny .
Výstavba elektroenergetických zařízení je velmi nákladná, jejich návratnost je dlouhá. Ekonomická efektivita konkrétního způsobu výroby elektřiny závisí na mnoha parametrech, především na poptávce po elektřině a na regionu. V závislosti na poměru těchto parametrů se liší i prodejní ceny neelektřiny, například cena elektřiny ve Venezuele je 3 centy za kWh a v Dánsku - 40 centů za kWh.
Volba typu elektrárny je také založena především na zohlednění místních potřeb elektřiny a kolísání poptávky. Všechny elektrické sítě mají navíc různé zátěže, ale elektrárny, které jsou připojeny k síti a fungují nepřetržitě, musí zajistit základní zátěž – denní minimální spotřebu. Základní zátěž mohou zajistit pouze velké tepelné a jaderné elektrárny, jejichž výkon lze v určitých mezích regulovat. Ve vodních elektrárnách je schopnost řídit výkon mnohem menší. .
Tepelné elektrárny se přednostně staví v oblastech s vysokou hustotou průmyslových spotřebitelů. Negativní dopad znečištění odpady lze minimalizovat, protože elektrárny jsou obvykle umístěny daleko od obytných oblastí. Pro tepelnou elektrárnu je zásadní druh spalovaného paliva. Uhlí je obvykle nejlevnější palivo pro tepelné elektrárny. Pokud ale cena zemního plynu klesne pod určitou hranici, stává se jeho využití pro výrobu elektřiny výhodnější než výroba elektřiny spalováním uhlí [6] .
Hlavní výhodou jaderných elektráren je velká kapacita každého energetického bloku při relativně malých rozměrech a vysoká šetrnost k životnímu prostředí při přísném dodržování všech provozních pravidel. Potenciální nebezpečí selhání jaderných elektráren je však velmi vysoké.
Vodní elektrárny se obvykle staví v odlehlých oblastech a jsou extrémně ekologické, ale jejich kapacita se velmi liší v závislosti na ročním období a nedokážou regulovat výkon do elektrické sítě v širokém rozsahu.
Náklady na výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů (s výjimkou vodní energie) v poslední době výrazně klesly. Náklady na elektřinu vyrobenou ze sluneční energie, větrné energie, přílivové energie jsou již v mnoha případech srovnatelné s náklady na elektřinu vyrobenou v tepelných elektrárnách. S ohledem na státní dotace je výstavba elektráren na obnovitelné zdroje ekonomicky proveditelná. Hlavní nevýhodou takových elektráren je však nekonzistentní charakter jejich práce a neschopnost regulovat jejich výkon.
V roce 2018 se výroba elektřiny v pobřežních větrných elektrárnách stala levnější než výroba elektřiny v jaderných elektrárnách [7] .
Rozdíly mezi zeměmi vyrábějícími elektřinu mají vliv na ochranu životního prostředí. Ve Francii se pouze 10 % elektřiny vyrábí z fosilních paliv, v USA toto číslo dosahuje 70 % a v Číně až 80 % [8] . Ekologická šetrnost výroby elektřiny závisí na typu elektrárny. Většina vědců souhlasí s tím, že emise znečišťujících látek a skleníkových plynů z výroby elektřiny na bázi fosilních paliv tvoří významnou část globálních emisí skleníkových plynů; ve Spojených státech tvoří výroba elektřiny téměř 40 % emisí, což je největší ze všech zdrojů. Emise z dopravy výrazně zaostávají a představují asi třetinu produkce oxidu uhličitého v USA [9] . Ve Spojených státech je spalování fosilních paliv k výrobě elektřiny zodpovědné za 65 % všech emisí oxidu siřičitého , hlavní složky kyselých dešťů [10] . Výroba elektřiny je čtvrtým největším kombinovaným zdrojem NOx , oxidu uhelnatého a pevných částic v USA [11] . V červenci 2011 parlament Spojeného království uvedl, že při výrobě jedné kilowatthodiny jsou „emise (oxidu uhličitého) z jaderné energie asi třikrát nižší než ze solárních elektráren, čtyřikrát nižší než ze spalování čistého uhlí a 36krát nižší než při spalování klasického uhlí“ [12] .