Energie - Mit welchen Technologien produzieren wir Strom? | Wissenschaft 2020

Anonim

Strom ist eine sekundäre Energiequelle : Bis wir in der Lage sind, Blitze einzufangen und direkt zu nutzen, müssen wir sie weiterhin durch Verbrennen von Brennstoffen oder durch Nutzung von Wasser, Wind oder Sonne produzieren. Es ist auch eine bestimmte Art von Energie. Was hier gemeint ist, sollten wir als elektrokinetisch bezeichnen : Es ist die Energie, die ein elektrischer Strom (die Bewegung von Elektronen entlang eines Kabels), der von einem Stromgenerator oder durch elektrochemische Reaktionen in einer Batterie entlang eines Stromkreises erzeugt wird, an einen Stromkreis abgeben kann Elektromotor, ein Widerstand, ein MP3-Player, um sie zum Laufen zu bringen. Mit Ausnahme von Batterien kann sich kein Strom ansammeln. Um den Bedürfnissen eines Landes gerecht zu werden, muss es bei Bedarf und in der benötigten Menge hergestellt werden. Dies schränkt die Verbreitung einiger Technologien wie der Photovoltaik ein.

Strom gibt die Zahlen

Wie viele Stunden arbeitet ein Kraftwerk? Wie messen wir die Energie und Leistung unserer Kraftwerke? Was ist der Nutzungsfaktor?

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Um den Generator in Betrieb zu setzen, ist der "Motor" des Kraftwerks und um einen Motor von einem anderen zu unterscheiden, verwenden wir zwei Faktoren: die Art des Kraftstoffs und die Leistung (kWatt, Megawatt usw.). Treibstoff und Energie helfen uns, Technologien zu beschreiben: Auf den folgenden Seiten fassen wir die wichtigsten Technologien zusammen, die wir zur industriellen Stromerzeugung und zur Bestandsaufnahme der Forschung verwenden.

Die thermoelektrischen Kraftwerke sind die weltweit am weitesten verbreiteten und ebenso verbreitet sind drei Brennstoffe, die hauptsächlich als Wärmequelle dienen: Kohle (die weltweit am häufigsten verwendete), Öl und Erdgas (heute die in Italien am häufigsten verwendete). Das erste Kohlekraftwerk in Europa ist das englische (1882), das zweite italienische (1883) in Mailand, nur einen Steinwurf vom Dom entfernt. Die Vorteile von Kohle und bald auch Öl waren zu dieser Zeit Überfluss und Wirtschaftlichkeit: Vorteile, die sich lange Zeit auf der Suche nach Alternativen die Beine zerschnitten haben. Ein Jahrhundert später war Kohle immer noch die am häufigsten vorkommende Primärenergiequelle (und ist es immer noch), aber das wirtschaftliche Szenario für alle fossilen Brennstoffe veränderte sich und im Laufe der Zeit wurde klar, welchen Schaden sie für die Umwelt anrichten können Umwelt, in der wir leben. VOR- UND NACHTEILE Heutzutage sind die Vorteile der traditionellen thermoelektrischen Technologie typisch für eine ausgereifte Technologie und umfassen zahlreiche konsolidierte "Varianten" - die Turbogaskraftwerke, den kombinierten Zyklus und andere -, mit denen der Kraftstoff bestenfalls genutzt und weniger umweltverschmutzt und erreicht werden kann Leistungen in der Größenordnung von GigaWatt (GW) kontinuierlich und über längere Zeiträume zu liefern. Die Nachteile sind im Wesentlichen drei: Dieselbe Energiequelle, die nicht erneuerbar ist, sondern zur Neige geht; die Variabilität des Kraftstoffpreises, die sich auf den Energiepreis auswirkt; die Verschmutzung durch die Verbrennung von Öl, Kohle und in geringerem Maße von Erdgas (Methan), die sich sowohl lokal (Smog und Staub) als auch planetarisch (globale Erwärmung und Klimawandel) auf die Umwelt auswirkt. GUTE TECHNOLOGIE, BESSERE UMWELT Zu den interessantesten Technologien gehört eine sehr effiziente Entwicklung der Gasanlage: Es handelt sich um den kombinierten Zyklus (GuD, Combined Cycle Gas Turbine). Die Rückgewinnung ist das Konzept hinter dieser Lösung: Kurz gesagt, das glühende Gemisch aus Luft und Gas (bei 500 bis 600 ° C), das die Gasturbine in Rotation versetzt, sodass das erste System noch genügend Energie für den Betrieb enthält eine Dampfturbine. Es gibt nicht nur einen Typ eines kombinierten Kreislaufs, sondern im Allgemeinen liegt der Gesamtwirkungsgrad für alle Varianten bei über 50% im Vergleich zu 30-35% bei herkömmlichen Dampfturbinen. Durch diesen Wirkungsgrad können sowohl Verbrauch als auch Emissionen gegenüber herkömmlichen Systemen reduziert werden. Es gibt auch Systeme, die noch höhere Ausbeuten erzielen (80-85%), zum Beispiel die sogenannte Kraft - Wärme - Kopplung, bei der ein gemeinsamer Verbrennungsmotor - zum Beispiel der eines Autos - direkt auf einen Stromgenerator und die Abgase angewendet wird Sie werden zum Erhitzen von Wasser für sanitäre Zwecke oder zum Erhitzen verwendet. Die Größe dieser Lösungen ist jedoch begrenzt und reicht von einigen Kilowatt bis zu einem Dutzend Megawatt, die für die lokale Produktion geeignet sind (kleine Industrien, Eigentumswohnungen). Derzeit sind sie rar. SCHLECHTE TECHNOLOGIE ... Für die Umwelt ist Gas das "geringere Übel" unter den fossilen Brennstoffen, trotz der Fortschritte bei den Vorbehandlungstechnologien - von der zurückgewonnenen Kohle bis zum entschwefelten Gasöl - und der NOx-Abscheidung (Stickoxide und deren Gemische) ) und CO2. Tatsächlich entstehen bei der Verbrennung von Methangas keine Staub- und Schwefelverbindungen (die für sauren Regen verantwortlich sind) und es entstehen nur geringe CO- und NOx-Emissionen. Die Vorbehandlung von Kraftstoffen und die Minderung von Emissionen sind jedoch kostspielige Lösungen, und selbst unter den Industrieländern gibt es diejenigen, die sich aufgrund der Auswirkungen auf die Energiepreise und die Wettbewerbsfähigkeit der Industrie dagegen aussprechen, sie in großem Umfang zu übernehmen: die Vereinigten Staaten Dies ist vielleicht der auffälligste Fall, aber die Liste derer, die von den Kyoto- Abkommen zur Reduzierung von Treibhausgasen (THG, Treibhausgas) auch nur teilweise abweichen möchten, ist lang und umfasst Australien, Neuseeland, Italien und viele andere . Die asiatischen Riesen, China und Indien sowie die aufstrebenden Volkswirtschaften haben dagegen kein Problem: Kohle, Öl und kostengünstige (und daher umweltschädlichere) Technologien sind die wichtigsten Optionen, um ihre wirtschaftliche Entwicklung zu unterstützen.

Eine besondere Art von "thermoelektrischer" Energie ist die Geothermie : In diesem Fall ist es die Erde, die als Wärmequelle fungiert. Dabei handelt es sich um den Rest der Planetenformation, der durch die Kernreaktionen gespeist wird , die in ihr mit dem Zerfall von Uran, Thorium, Kalium und Schwefel stattfinden andere Isotope. Die Wärmeenergie der Erde ist sehr hoch und konstant, aber nur teilweise erreichbar und nutzbar. Im Allgemeinen steigt die Temperatur von der Oberfläche nach innen alle 100 Meter um etwa 3 ° C (30 ° C / km), ein bescheidener Wert, der für ein Kraftwerk nicht von Nutzen ist. KONVENTIONELLES GEO Es gibt jedoch "privilegierte" Gebiete, in denen die Temperaturen im Untergrund zwischen 5 und 15 km bis zu 20-mal höher sein können: Sie befinden sich in der Nähe von Subduktionszonen, Brüchen der Erdkruste oder fließenden magmatischen Massen oder Durchkontaktierungen der Kühlung. Es ist keine übliche Bedingung auf neuem Land, und es ist nicht einmal eine ausreichende Bedingung: Es ist auch ein "geothermisches Reservoir" erforderlich, dh Hochtemperaturwasser oder überhitzter Dampf. Aus dem Untergrund entnommen, um die Turbine eines Kraftwerks zu betreiben, muss das Fluid dann in sein natürliches Reservoir zurückgeführt werden, um sowohl das geologische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten als auch weiterhin das Vektorfluid zu haben, das die Wärme an die Oberfläche bringt. NICHT KONVENTIONELLES GEO Bei idealen Temperaturbedingungen und stattdessen (oder wenn dies nicht ausreicht) kann die Vektorflüssigkeit durch Einpumpen von Tiefenwasser, das dann mit der gewünschten Temperatur und dem gewünschten Druck extrahiert wird, behoben werden. Dies ist das Enhanced Geothermal System (EGS), eine Technologie, die verspricht, die Nutzung großer geothermischer "Felder" ansonsten unbrauchbar zu machen. Es handelt sich jedoch um eine neuere Technologie, die eher demonstrativ als produktiv ist: Es werden Studien und Versuche durchgeführt (USA, Italien, Schweiz, Frankreich, Deutschland, Österreich), aber für die großtechnische Stromerzeugung müssen wir wahrscheinlich weitere 10-15 Jahre warten . PRO UND CONT Die Nutzung von Geothermie zur Stromerzeugung ist ein weiterer italienischer Rekord: 1905 ging in Larderello (Toskana) das erste Geothermiekraftwerk der Welt in Betrieb. Der eingebaute Motor hat eine Leistung von ... 20 kW! Heute, über ein Jahrhundert später, liegt Italien mit einer installierten Leistung von rund 800 MW an fünfter Stelle der Welt in einem von den USA angeführten Ranking mit 2.700 MW. Das sind keine nennenswerten Mengen ... warum? Die "Wärme" der Erde ist eine unerschöpfliche und freie Ressource. Aufgrund der schlechten Leistung der Technologie (5-25%, je nach Anlagentyp) und der Kosten für die Kontrolle und Verringerung der Quecksilber- und Schwefelwasserstoffemissionen in der Atmosphäre aus den Türmen von hat sich die konventionelle Geothermie jedoch nie verbessert Kühlung. Darüber hinaus sind die Zweifel hinsichtlich möglicher Kollateralprobleme, die von Erdrutsch-Erdbeben, Kontamination bis hin zur Verringerung des Volumens oberflächlicher Grundwasserleiter herrühren, noch nicht vollständig ausgeräumt. Hinzu kommt, dass die Wirtschaftlichkeit fossiler Brennstoffe im letzten Jahrhundert weder Investitionen zur Verbesserung der Technologie begünstigte (eine Konstante für alle alternativen Technologien), noch die Suche nach leicht ausnutzbaren Erdwärmetaschen anregte. Eine Situation, die sich ändern soll, aber zu welchen Zeiten?

Der Beitrag der thermodynamischen Sonne zur Stromerzeugung ist lächerlich: Ende 2008 wurden weltweit Anlagen mit einer Gesamtleistung von 1.000 MW installiert und in Betrieb genommen, deren Entwicklung (Projektbeginn) auf 6-7.000 veranschlagt werden soll MW bis 2011. Es ist jedoch auch die vielversprechendste solare Alternative zu fossilen Brennstoffen, da es die Speicherung von Wärme in Abwesenheit der Sonne ermöglicht. Dabei unterscheidet es sich deutlich von der Photovoltaik, die auf der Ebene der Mikroinstallationen weiter verbreitet ist, sich jedoch nicht für die großflächige Stromerzeugung eignet.

Wie viel kostet Energie?

In Italien schwanken die durchschnittlichen Kosten für die Energieerzeugung zwischen 66 und 75 Euro / MWh, bei großer Wasserkraft zwischen 50 Euro / MWh und maximal 100 Euro / MWh (Quelle: Enea 2010).

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In Europa steht Spanien an der Spitze der Forschung, wo Ende 2008 drei Anlagen mit einer Gesamtleistung von 63 MW in Betrieb waren und weitere sieben mit einer Gesamtleistung von 390 MW im Bau sind. Ein sehr "erfreulicher" Rekord, da die Erzeuger Anreize von bis zu 180 Euro / MWh genießen können, verglichen mit durchschnittlichen Produktionskosten von 290 Euro / MWh und 540 Euro, wie im Fall der Speicherthermodynamik des Archimedes-Projekts kurz vor der Fertigstellung in Italien. Archimede ist eine 5-MW-Pilotanlage, die in die kombinierte Turbogasanlage in Priolo Gargallo, Sizilien, integriert ist . Die geringe Größe des Solarkraftwerks ist durch die Tatsache gerechtfertigt, dass es sich um ein Forschungsprojekt handelt, während die Integration in ein bestehendes Kraftwerk die Nutzung des Turbinensystems des letzteren ermöglicht, ohne dass neue Ad-hoc-Systeme gebaut werden müssen. Die archimedische Anlage ist vom Typ mit Linearkonzentratoren. Bei den Konzentratoren handelt es sich um 54 in Reihe geschaltete Parabolkollektoren, die in 18 Reihen angeordnet sind und dem Sonnenstand folgen: Die Anlage hat eine Fläche von etwa 30 Hektar (300.000 Quadratmeter, entsprechend 0, 3 Quadratkilometern). Direkte Sonnenstrahlung wird auf eine "Empfangsröhre" konzentriert, die sich im Fokus der Parabel befindet. In der Röhre zirkuliert eine Mischung geschmolzener Salze, die nach dem Erhitzen in einem Lagersystem gelagert werden, das bei Abwesenheit der Sonne eine Betriebsdauer von bis zu 16 Stunden ermöglicht.

WASSERKRAFT Die Nettostromerzeugung aus einer Wasserquelle in Italien betrug 2009 52.843 GWh, rund 19% der nationalen Stromerzeugung und ungefähr 81% der Erzeugung aus erneuerbaren Quellen (Wasser, Geothermie, Wind, Photovoltaik). . Als Anlagentypen sprechen wir von großen Wasserkraftwerken (große Stauseen und Staudämme), kleinen Wasserkraftwerken (von 3 bis 10 MW) und Kleinstwasserkraftwerken (unter 3 MW). Ohne die witterungsbedingten Schwankungen von einem Jahr zum anderen und ohne die Hindernisse, die sich aus landschaftlichen Einschränkungen für die Nutzung bekannter, aber nicht genutzter Ressourcen ergeben, besteht für den großen Wasserkraftwerksbetrieb keine Aussicht auf weitere Entwicklung: Die Technologie ist ausgereift und zuverlässig Nutzbare Ressourcen werden bereits genutzt. Im Gegenteil, aufgrund der möglichen vollständigen Anwendung der sogenannten Minimum Vital Outflow (DMV) -Regeln, die den Mindestwasserdurchfluss festlegen, der stromabwärts eines Reservoirs oder eines Staudamms abgegeben werden muss, könnte es in den nächsten Jahren zu einer Verringerung der Produktion kommen einen ausreichenden Fluss garantieren, um den Fluss und sein Ökosystem am Leben zu erhalten. Die teilweise abweichende Verwendung von Wasser hat unter anderem stark zur Erhöhung der Verschmutzung des italienischen Wassersystems beigetragen, und jetzt sind die Regionen aufgefordert, Abhilfe zu schaffen. Für die anderen Wasserkraftarten (Mini und Mikro) gibt es breite Entwicklungsmöglichkeiten, jedoch auf lokaler Ebene (Gemeinden, kleine Unternehmen, isolierte Gebiete ...) wie für die Photovoltaik. Diese Tatsache mindert nicht die Bedeutung dieser Lösungen, die zusammengenommen und im Hinblick auf ein verteiltes Energienetz immer wirtschaftlich wettbewerbsfähig gegenüber anderen erneuerbaren sind und zur Verringerung des Bedarfs an fossilen Brennstoffen beitragen können.

WIND Dies ist die Technologie, die sich in den letzten Jahren am meisten entwickelt hat. Auch für die Windenergie macht der Unterschied zwischen einer Anlage und einer anderen die Größe aus: Es gibt die "kleine", die für den lokalen Einsatz typisch ist, die "mittlere" mit Leistungen von 250 bis 1.000 kW und die "große" mit Leistungen von 1 bis 3 MW und Rotoren mit einem Durchmesser von bis zu 100 Metern, die auf Masten mit einer Höhe von bis zu 105 Metern montiert sind. Eine weitere Unterscheidung besteht zwischen On-Shore- ( On-Shore- ) und Off-Shore-Off-Shore- Kraftwerken : Dieser letzte Typ hat die vielversprechendsten Entwicklungen erfahren, da eine große Anzahl von Schaufeln mit irrelevanter Auswirkung auf die Landschaft implantiert werden kann . Das größte Kraftwerk der Welt dieses Typs ist Englisch: Es wurde nur wenige Kilometer von der Nordseeküste entfernt errichtet und besteht aus 80 Windkraftanlagen mit einer Gesamtleistung von 160 MW Strom. Die Generatoren nehmen eine Fläche von 27 Quadratkilometern ein, praktisch die Hälfte einer Stadt wie Pavia .

LEISTUNGS- ODER KAPAZITÄTSFAKTOR?Leistung ist für Windkraft nicht das richtige Wort. Bei diesen Anlagen zählt stattdessen die "Herstellbarkeit", die von der verwendeten Technologie, der Auslegung der einzelnen Windkraftanlagen und den Windeigenschaften (anemologisch) des Standorts abhängt. Der Kapazitätsfaktor ist die Beziehung zwischen der Energie, die von einem einzelnen Blade (oder einer Zentrale) an einem bestimmten Ort und für einen bestimmten Zeitraum erzeugt wird, und der Energie, die dasselbe Blade (oder dieselbe Zentrale) erzeugt hätte, wenn sie darin funktioniert hätte Ort und für diese Zeit mit seiner maximalen Kapazität. Der Einfachheit halber haben wir im Text "Ertrag" anstelle von "Kapazitätsfaktor" verwendet.

In Italien, wo die Windkraft 30% nicht überschreitet, ist Enea an zwei Offshore-Pilotprojekten beteiligt . Der erste ist ebenfalls ein Weltrekord: Die Installation (2007) einer "schwimmenden" Windkraftanlage im Otranto-Kanal, 20 km von der Küste entfernt. Nach der Installation einer 70-kW-Maschine (zur Erfassung von Versuchsdaten) folgt ein 2-3-MW-Generator. Die zweite betrifft die Wiederverwendung einer stillgelegten Bohrplattform 22 km von der Küste Siziliens entfernt, auf der eine einzelne Windkraftanlage mit einer Leistung von 4, 5 MW (ebenfalls ein Prototyp) installiert werden soll.