Výroba elektřiny - Electricity generation - Wikipedia

Turbogenerátor

Schéma elektrického systému, systém výroby v červené barvě

Výroba elektřiny je proces generování elektrická energie ze zdrojů primární energie. Pro utility v elektroenergetický průmysl, je to fáze před jejím dodávka (přenos, rozdělení atd.) koncovým uživatelům nebo jejich úložný prostor (například pomocí přečerpávací stanice metoda).

Elektřina není v přírodě volně dostupná, musí se tedy „vyrábět“ (tj. Transformovat jiné formy energie na elektřinu). Výroba probíhá v elektrárny (nazývané také „elektrárny“). Elektřina se v elektrárně nejčastěji vyrábí pomocí elektromechanické generátory, primárně poháněn tepelné motory poháněn spalování nebo jaderné štěpení ale také jinými prostředky, jako je Kinetická energie tekoucí vody a větru. Mezi další zdroje energie patří sluneční energie fotovoltaika a geotermální energie.

Dějiny

Výroba elektřiny ve světě, 1980–2013

Dynama a motor instalovány v Edison General Electric Company, New York 1895

Základní principy výroby elektřiny objevil britský vědec ve 20. a 30. letech 20. století Michael Faraday. Jeho metoda, která se dodnes používá, spočívá v tom, že se elektřina generuje pohybem smyčky drátu, nebo Faradayův disk, mezi póly a magnet. Centrální elektrárny se staly ekonomicky praktické s rozvojem střídavý proud (AC) přenos energie pomocí napájení transformátory k přenosu energie při vysokém napětí a při nízkých ztrátách.

Komerční výroba elektřiny byla zahájena v roce 1873^{[Citace je zapotřebí ]} se spojením dynama s hydraulickou turbínou. Mechanická výroba elektrické energie začala Druhá průmyslová revoluce a umožnilo několik vynálezů využívajících elektřinu, přičemž hlavní přispěvatelé byli Thomas Alva Edison a Nikola Tesla. Dříve byl jediným způsobem, jak vyrábět elektřinu, chemické reakce nebo použití bateriových článků, a jediné praktické využití elektřiny bylo pro telegrafovat.

Výroba elektřiny v centrálních elektrárnách začala v roce 1882, kdy a Parní motor jízda na dynamu při Stanice Pearl Street vyrobil a Stejnosměrný proud které zapnulo veřejné osvětlení Pearl Street, New York. Nová technologie byla rychle přijata mnoha městy po celém světě, která přizpůsobila své pouliční osvětlení na plyn na elektřinu. Brzy poté bude elektrické osvětlení použito ve veřejných budovách, v podnicích a k napájení veřejné dopravy, jako jsou tramvaje a vlaky.

První elektrárny používaly vodní energii nebo uhlí.^[1] Dnes se používají různé zdroje energie, jako např uhlí, jaderný, zemní plyn, hydroelektrický, vítr, a olej, stejně jako solární energie, energie přílivu a odlivu, a geotermální Zdroje.

Metody generování

Existuje několik základních metod pro převod jiných forem energie na elektrickou energii. Využití v měřítku je dosaženo rotujícími elektrickými generátory nebo fotovoltaické systémy. Malý podíl elektrické energie distribuované veřejnými službami poskytuje baterie. Mezi další formy výroby elektřiny používané ve specializovaných aplikacích patří triboelektrický jev, piezoelektrický jev, termoelektrický jev, a betavoltaics.

Generátory

Větrné turbíny obvykle zajišťují elektrickou výrobu ve spojení s jinými způsoby výroby energie.

Elektrické generátory přeměnit Kinetická energie do elektřiny. Toto je nejpoužívanější forma pro výrobu elektřiny a je založen na Faradayův zákon. Je to vidět experimentálně otáčením magnetu v uzavřených smyčkách vodivého materiálu (např. Měděného drátu). Téměř veškerá komerční výroba elektrické energie se provádí pomocí elektromagnetické indukce mechanická energie vynutí generátor otáčet:

Elektrochemie

Velké přehrady, jako např Hooverova přehrada, může poskytnout velké množství hydroelektrický Napájení; má 2,07 GW schopnost.

Elektrochemie je přímá transformace chemická energie do elektřiny, jako v a baterie. Elektrochemická výroba elektřiny je důležitá v přenosných a mobilních aplikacích. V současné době většina elektrochemické energie pochází z baterií.^[3] Primární buňky, jako je běžné zinko-uhlíkové baterie, fungují přímo jako zdroje energie, ale sekundární buňky (tj. dobíjecí baterie) úložný prostor spíše než systémy primární generace. Otevřené elektrochemické systémy, známé jako palivové články, lze použít k extrakci energie z přírodních paliv nebo ze syntetických paliv. Osmotická síla je možnost na místech, kde dochází ke splynutí soli a sladké vody.

Fotovoltaický efekt

The fotovoltaický efekt je přeměna světla na elektrickou energii, jako v solární články. Fotovoltaické panely převést sluneční světlo přímo na stejnosměrný proud. Výkonové měniče v případě potřeby to pak může převést na střídavý proud. I když je sluneční světlo zdarma a hojné, solární energie výroba elektřiny je stále obvykle dražší než velká mechanicky generovaná energie kvůli ceně panelů. Nízkoúčinné křemíkové solární články snižovaly náklady a multijunkční články s téměř 30% účinností přeměny jsou nyní komerčně dostupné. V experimentálních systémech byla prokázána účinnost přes 40%.^[4] Až donedávna se fotovoltaika nejčastěji používala na odlehlých místech, kde není přístup k komerční elektrické síti, nebo jako doplňkový zdroj elektřiny pro jednotlivé domácnosti a podniky. Nedávný pokrok v oblasti efektivity výroby a fotovoltaické technologie v kombinaci s dotacemi vyvolanými obavami o životní prostředí dramaticky urychlil nasazení solárních panelů. Instalovaná kapacita roste o 40% ročně, což je způsobeno nárůstem v Německu, Japonsku, Spojených státech, Číně a Indii.

Ekonomika

Výběr režimů výroby elektřiny a jejich ekonomická životaschopnost se liší podle poptávky a regionu. Ekonomika se po celém světě značně liší, což má za následek rozšířené prodejní ceny rezidenčních nemovitostí, např. cena na Islandu je 5,54 centů za kWh, zatímco v některých ostrovních zemích je to 40 centů za kWh. Vodní elektrárny, jaderné elektrárny, tepelné elektrárny a obnovitelné zdroje mají své vlastní klady a zápory a výběr je založen na místním požadavku na energii a kolísání poptávky. Všechny energetické sítě mají různé zátěže, ale denní minimum je základní zátěž, kterou často dodávají rostliny, které běží nepřetržitě. Jádro, uhlí, ropa, plyn a některé vodní elektrárny mohou dodávat základní zatížení. Pokud jsou stavební náklady na zemní plyn nižší než 10 USD za MWh, je výroba elektřiny ze zemního plynu levnější než výroba energie spalováním uhlí.^[5]

Termální energie může být ekonomický v oblastech s vysokou hustotou průmyslu, protože vysoké poptávky nelze uspokojit místními obnovitelnými zdroji. Účinek lokalizovaného znečištění je také minimalizován, protože průmyslová odvětví se obvykle nacházejí mimo obytné oblasti. Tyto elektrárny vydrží také změny v zatížení a spotřebě přidáním více jednotek nebo dočasným snížením výroby některých jednotek. Jaderné elektrárny mohou z jedné jednotky vyprodukovat obrovské množství energie. Nicméně, katastrofy v Japonsku vyvolaly obavy ohledně bezpečnosti jaderné energie a kapitálové náklady jaderných elektráren jsou velmi vysoké. Hydroelektrárny se nacházejí v oblastech, kde lze potenciální energii z padající vody využít pro pohybující se turbíny a výrobu energie. Nemusí to být ekonomicky životaschopný jediný zdroj výroby, kde je omezena schopnost zadržovat tok vody a zátěž se během ročního výrobního cyklu příliš liší.

Díky technologickému pokroku a hromadné výrobě došlo u obnovitelných zdrojů jiných než vodní (sluneční energie, větrná energie, přílivová energie atd.) Ke snížení výrobních nákladů a energie je nyní v mnoha případech stejně drahá nebo méně nákladná než fosilní paliva.^[6] Mnoho vlád po celém světě poskytuje dotace na vyrovnání vyšších nákladů na jakoukoli novou výrobu energie a na provedení instalace obnovitelná energie systémy ekonomicky proveditelné.

Výrobní zařízení

Velký generátor s odstraněným rotorem

Elektrické generátory byly známy v jednoduchých formách z objevu elektromagnetická indukce ve 30. letech 20. století. Obecně určitá forma hnacího stroje, jako je motor nebo turbíny popsané výše, pohání rotující magnetické pole kolem stacionárních cívek drátu, čímž mění mechanickou energii na elektřinu.^[7] Jedinou komerční výrobou elektřiny, která nepoužívá generátor, je solární PV.

Turbíny

Velké přehrady jako např Přehrada Tři soutěsky v Číně může poskytnout velké množství hydroelektrický Napájení; má 22,5 GW schopnost.

Téměř veškerá komerční elektrická energie na Zemi je generována a turbína poháněné větrem, vodou, párou nebo spalovacím plynem. Turbína pohání generátor, čímž transformuje svou mechanickou energii na elektrickou pomocí elektromagnetické indukce. Existuje mnoho různých metod vývoje mechanické energie, včetně tepelné motory, vodní, větrná a přílivová energie. Většina elektrické energie je poháněna tepelné motory. Spalování fosilní paliva dodává těmto motorům většinu energie, se značným podílem od jaderné štěpení a některé z obnovitelné zdroje. Moderní parní turbína (vynalezl Sir Charles Parsons v roce 1884) v současné době generuje přibližně 80% elektrická energie ve světě využívající různé zdroje tepla. Mezi typy turbín patří:

• Pára
  • Voda se vaří uhlí shořel v tepelná elektrárna. Asi 41% veškeré elektřiny se vyrábí tímto způsobem.^[8]
  • Jaderné štěpení teplo vytvořené v a nukleární reaktor vytváří páru. Tímto způsobem se vyrábí méně než 15% elektřiny.
  • Obnovitelná energie. Pára je generována biomasa, solární tepelná energie nebo geotermální energie.
• Zemní plyn: turbíny jsou poháněny přímo plyny produkovanými spalováním. Kombinovaný cyklus jsou poháněny jak párou, tak zemním plynem. Generují energii spalováním zemního plynu v a plynová turbína a zbytkové teplo využívejte k výrobě páry. Nejméně 20% světové elektřiny vyrábí zemní plyn.
• Vodní energii zachycuje a vodní turbína z pohybu vody - z padající vody, přílivu a odlivu nebo oceánských tepelných proudů (viz přeměna oceánské tepelné energie ). V současné době vodní elektrárny poskytují přibližně 16% světové elektřiny.
• The větrný mlýn bylo velmi brzy větrná turbína. V solární stoupající věž vítr je uměle vyráběn. Před rokem 2010 byla z větru vyrobena méně než 2% světové elektřiny.

Ačkoli turbíny jsou nejběžnější v komerční výrobě energie, menší generátory mohou být poháněny benzín nebo dieselové motory. Mohou být použity pro generování záloh nebo jako hlavní zdroj energie v izolovaných vesnicích.

Výroba

Tato část musí být aktualizováno. Aktualizujte prosím tento článek, aby odrážel nedávné události nebo nově dostupné informace. (Březen 2015)

Celková celosvětová hrubá výroba elektřiny v roce 2016 činila 25 082 TWh. Zdroji elektřiny byly uhlí a rašelina 38,3%, zemní plyn 23,1%, vodní 16,6%, jaderná energie 10,4%, ropa 3,7%, solární / větrná / geotermální / přílivová / jiná 5,6%, biomasa a odpad 2,3%.^[9]

zdroj dat IEA / OECD

Energetický tok elektrárny

Celková spotřeba energie ve všech elektrárnách na výrobu elektřiny byla 51 158 terawatthodin (4,398,768 kilotony ropného ekvivalentu ), což bylo 36% z celkové částky pro primární zdroje energie (TPES) v roce 2008. Elektrický výkon (brutto) činil 20 185 TWh (1 735 579 ktoe), účinnost 39% a zůstatek 61% bylo vyrobeno teplo. Malá část tepla, 1 688 TWh (145 141 ktoe) nebo asi 3% celkového vstupního tepla, byla využita v kogeneračních teplárnách a elektrárnách. Interní spotřeba elektrické energie a ztráty při přenosu energie činily 3 369 TWh (289 681 ktoe). Množství dodané konečnému spotřebiteli bylo 16 809 TWh (1 445 285 ktoe), což bylo 33% z celkové energie spotřebované v elektrárnách a teplu a energii kogenerace (CHP) rostliny.^[10]

Historické výsledky výroby elektřiny

Všimněte si, že svislé osy těchto dvou grafů nejsou ve stejném měřítku.

^{[Citace je zapotřebí ][Citace je zapotřebí ]}

Produkce podle země

USA jsou již dlouho největším výrobcem a spotřebitelem elektřiny, s globálním podílem v roce 2005 minimálně 25%, za nímž následuje Čína, Japonsko, Rusko a Indie. V roce 2011 předběhla Čína Spojené státy, aby se stala největším výrobcem elektřiny.

Seznam zemí se zdrojem elektřiny 2005

Tato část musí být aktualizováno. Aktualizujte prosím tento článek, aby odrážel nedávné události nebo nově dostupné informace. (Prosince 2019)

Datovým zdrojem hodnot (vyrobená elektrická energie) je IEA / OECD.^[11]Uvedené země jsou top 20 podle počtu obyvatel nebo top 20 podle HDP (PPP) a Saúdská Arábie na základě CIA World Factbook 2009.^[12]

Solární PV * je Fotovoltaika Bio jiné * = 198 TWh (biomasa) + 69 TWh (odpad) + 4 TWh (ostatní)

Problémy životního prostředí

Rozdíly mezi zeměmi vyrábějícími elektrickou energii ovlivňují obavy o životní prostředí. Ve Francii se pouze 10% elektřiny vyrábí z fosilních paliv, USA jsou vyšší o 70% a Čína o 80%.^[11] Čistota elektřiny závisí na jejím zdroji. Většina vědců souhlasí s tím, že emise znečišťujících látek a skleníkových plynů z výroby elektřiny z fosilních paliv tvoří významnou část světových emisí skleníkových plynů; ve Spojených státech představuje výroba elektřiny téměř 40% emisí, což je největší ze všech zdrojů. Emise z dopravy jsou těsně za sebou a přispívají přibližně jednou třetinou k produkci USA oxid uhličitý.^[13]Ve Spojených státech je spalování fosilních paliv pro výrobu elektrické energie zodpovědné za 65% všech emisí oxid siřičitý, hlavní složka kyselého deště.^[14] Výroba elektřiny je čtvrtým nejvyšším kombinovaným zdrojem NOx, kysličník uhelnatý, a částice ve Spojených státech.^[15]V červenci 2011 předložil britský parlament návrh, že „úrovně (uhlíkových) emisí z jaderné energie byly přibližně třikrát nižší kilowatthodina než solární energie, čtyřikrát nižší než čisté uhlí a 36krát nižší než konvenční uhlí “.^[16]

Viz také

Reference