Elektroenergetyka
wykład 45h (15+30) e
ćwiczenia 30h (15+15)
Dr inż. Janusz Buchta, Instytut Elektroenergetyki
Akwarium II klatka, II piętro
tel. 25-91
1. Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń.
2. Egzamin pisemny
- test (2 części)
- w teście zawarte są zadania, które oprócz zakreślenia
odpowiedzi wymagajÄ… podania rozwiÄ…zania
LITERATURA
[1] Pawlik M., Sobczyk F., Wawszczak A.:  Przemiany energetyczne , skrypt PA
,
A
ódz
1991.
[2] Pawlik M., Strzelczyk F.:  Elektrownie , WNT 2008 (wyd. 5 zmienione).
Literatura dodatkowa
[3] Matla R., Bernatek M.:  Przemiany energetyczne , skrypt Politechniki Warszawskiej,
Warszawa, 1980.
[4] Staniszewski A.:  Zarys elektrowni , skrypt Politechniki Warszawskiej, Warszawa,
1980.
[5] Marecki J.:  Podstawy przemian energetycznych . WNT, Warszawa, 1995.
[6] Paska J., Staniszewski A.:  Podstawy elektroenergetyki . Skrypt Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 1994.
[7] Szafran R.:  Podstawy procesów energetycznych . Skrypt Politechniki Wrocławskiej,
Wrocław 1989.
[8] Chmielniak T., Uruski J.:  Siłownie cieplne . Skrypt Politechniki Śląskiej, Gliwice,
1987.
[9] Paska J.:  Wytwarzanie energii elektrycznej , Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, Warszawa 2005.
[10] Górzyński J., Urbaniec K.:  Wytwarzanie i użytkowanie energii w przemyśle .
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.
[11] Chmielniak T.:  Technologie energetyczne . Wydawnictwo Politechniki ÅšlÄ…skiej,
Gliwice 2004.
1. Wiadomości wstępne
System (podsystem) elektroenergetyczny jest częścią systemu
energetycznego kraju. W jego skład wchodzą ponadto:
system ciepłowniczy, system gazoenergetyczny, system
zaopatrzenia w paliwa ciekłe, system zaopatrzenia w
paliwa stałe.
System elektroenergetyczny (SEE) jest to zbiór urządzeń
przeznaczonych do wytwarzania, przesyłu i rozdziału
energii elektrycznej, połączonych ze sobą funkcjonalnie
dla realizacji procesu ciągłej dostawy energii elektrycznej
odbiorcom.
G 400 kV
WN
G 220 kV
WN
110 kV
G
WN
G
15 kV
SN
6 kV
0,4 kV
nN
Najogólniej rzecz ujmując SEE to: elektrownie, sieci i odbiorcy.
WN  wysokie napięcie, SN  średnie napięcie, nN  niskie napięcie
Sektor elektroenergetyczny tworzÄ… :
- przedsiębiorstwa wytwórcze (podsektor wytwarzania - PW )
- przedsiębiorstwo przesyłowe PSE S.A. (podsektor przesyłu)
- przedsiębiorstwa dystrybucyjne (podsektor dystrybucji)
Elektrownią nazywa się zakład przemysłowy wytwarzający energię
elektryczną na skalę przemysłową, tzn. w ilościach mających znaczenie
dla odbiorców przemysłowych i komunalno-bytowych.
ElektrowniÄ… cieplnÄ… nazywa siÄ™ elektrowniÄ™ wykorzystujÄ…cÄ… energiÄ™
paliw organicznych (konwencjonalnych) lub jÄ…drowych.
Elektrownie cieplne składają się z zespołów blokowych, czyli tzw.
bloków, który tworzą: kocioł (reaktor jądrowy), turbina, generator,
transformator blokowy.
Elektrociepłownią nazywa się zakład wytwarzający równocześnie
energię elektryczną i cieplną w układzie skojarzonym, przy czym co
najmniej 10% energii cieplnej z wydajności instalowanych kotłów musi
być oddawane na zewnątrz układu cieplnego elektrociepłowni.
1.1 Klasyfikacja elektrowni
a) Administracyjna
Agencja Rynku Energii (ARE S.A.) podaje następujący podział
elektrowni krajowych :
- elektrownie zawodowe (PW) - podsektor wytwarzania
- elektrownie zawodowe niezależne
- elektrownie przemysłowe
Elektrownie zawodowe  podległe niegdyś administracyjnie
agendom rządowym, a obecnie niezależne przedsiębiorstwa
wytwórcze (S.A.)
Elektrownie zawodowe sÄ… to obiekty (elektrownie i
elektrociepłownie), które sprzedaż energii elektrycznej realizują
w przeważającej części z wykorzystaniem sieci
elektroenergetycznych przedsiębiorstw sieciowych (elektrownie
zaliczane tradycyjnie do elektroenergetyki zawodowej).
Elektrownie zawodowe niezależne obejmują dwie grupy elektrowni:
- elektrociepłownie, które energię elektryczną dostarczają w
większości jednemu odbiorcy finalnemu (elektrociepłownie powstałe
w wyniku restrukturyzacji przedsiębiorstw przemysłowych i
wydzielaniu ich jako odrębnych jednostek)
- małe elektrownie wodne oraz wykorzystujące inne z
ródła
odnawialne działające poza strukturami przedsiębiorstw sieciowych i
wytwórczych sektora.
Elektrownie przemysłowe są częścią zakładów przemysłowych a
energia wytworzona jest zużywana głównie na potrzeby
macierzystego zakładu przemysłowego.
b) Klasyfikacja elektrowni ze względu na z
ródło energii
pierwotnej
Elektrownie
Cieplne Wodne SÅ‚oneczne Wiatrowe Geotermiczne
Parowe Spalinowe Gazowe Gazowo-parowe śródlądowe morskie
jądrowe konwencjonalne przepływowe zbiornikowe pompowe pływowe energia fal
1.2. Postacie i nośniki energii
Masa i energia  dwie podstawowe wielkości charakteryzujące materię. Są ze
sobą ściśle związane. Związek ten wyraża równanie zachowania masy i energii
podane przez Einsteina:
E = mc2
Wynika stąd, że z
ródłem energii jest zmniejszenie (defekt) masy.
Znane sÄ… trzy sposoby wyzwalania energii zawartej w materii:
1. Reakcja chemiczna  zmiana elektronowych wiązań atomowych, należą do
nich reakcje egzotermicznego lub elektrochemicznego spalania, które są
z
ródłem energii cieplnej i elektrycznej, a pośredni także mechanicznej.
Wykorzystuje siÄ™ w ten sposób 5Å"10-9 % energii zawartej w materii.
2. Reakcja jądrowe  poprzez zmianę związku między nukleonami ciężkich
jÄ…der w reakcji rozszczepienia (0,09% energii) lub reakcji syntezy (0,65%) jÄ…der
lekkich.
3. Reakcja anihilacji  poprzez anihilacjÄ™ materii z antymateriÄ….
1 i 2 sposób są niedoskonałe.
Sposób 3 pozwala całkowicie uwolnić energię zawartą w materii (100%).
Ze wzoru Einsteina wynika, że
1 g materii a" 90 TJ energii (90Å"1012 J)
Dla wyobrażenia, roczna produkcja energii elektrycznej w Polsce wynosi ok.
150 TWÅ"h.
Taką ilość energii można wyzwolić poprzez anihilację 6 kg materii.
UwzglÄ™dniajÄ…c sprawność elektrowni cieplnych (·=0,4) w tego typu
elektrowniach należałoby zanihilować 15 kg materii lub spalić 67 mln ton
węgla o wartości opałowej 20MJ/kg.
Przemiany energetyczne polegajÄ… na przetwarzaniu energii z jednej
postaci na inną lub na zmianie parametrów nośnika energii. Możliwa jest
transformacja energii (zmiana parametrów nośnika) lub jej konwersja
(zmiana nośnika).
Przykład transformacji:
- przemiana energii elektrycznej w transformatorze  następuje zmiana
parametru nośnika energii (prądu przemiennego), którym jest napięcie.
- przemiana w wymienniku ciepła, w którym ciepło dostarczane jest w
wodzie o wyższej temperaturze, a oddawane wodzie o niższej temperaturze
Najczęściej mamy do czynienia z konwersją energii, czyli zmianą rodzaju
nośnika energii.
Przykłady konwersji energii:
- w kotle parowym zachodzi przemiana energii chemicznej paliwa w energiÄ™
cieplną spalin, a następnie w energię cieplną pary wodnej.
- w turbozespole parowym (turbina + generator) następuje przemiana energii
cieplnej pary w energiÄ™ mechanicznÄ…, oddawanÄ… na wale turbiny, a potem
przemiana energii mechanicznej w elektrycznÄ…, oddawanÄ… na zaciskach
prÄ…dnicy.
Podstawowym prawem przyrody jest zasada zachowania energii. Z tego
powodu nazywanie procesu zachodzącego w układzie technologicznym
elektrowni  wytwarzaniem energii elektrycznej jest pewną nieścisłością.
Ściślej biorąc w elektrowni nie zachodzi wytwarzanie ale przetwarzanie energii
w łańcuchu powiązanych ze sobą szeregowo przemian energetycznych.
Postacie energii:
- energia mechaniczna,
- energia elektryczna,
- energia cieplna,
- energia chemiczna,
- energia elektromagnetyczna,
- energia jÄ…drowa.
Energia mechaniczna  energia kinetyczna (ruchu
postępowego i obrotowego) i energia potencjalna ciężkości
danego ciała
mv2 IÉ2
E = mgh + +
2 2
Ocenia się, że w skali globalnej ponad 75% dostarczonej
odbiorcom energii elektrycznej przetwarzanej jest na energiÄ™
mechanicznÄ…
Energia elektryczna  energia prÄ…du elektrycznego
T
E =
+"ui dt
0
Szlachetna postać energii (uporządkowana forma ruchu
ładunków), łatwa w przesyle na duże odległości, łatwa
do przetwarzania na inne rodzaje energii z dużą
sprawnością.
EnergiÄ™ elektrycznÄ… pozyskuje siÄ™ poprzez przetwarzanie
innych rodzajów energii, a przede wszystkim energii
chemicznej paliw kopalnych. Proces ten realizowany w
elektrowniach cieplnych kondensacyjnych ze sprawnością
około 40%. Czynnik ten ogranicza stosowanie energii
elektrycznej do celów innych niż oświetlenie i napęd.
Energia cieplna - energia nieuporzÄ…dkowanego ruchu i i
wzajemnego oddziaływania mikrocząstek tworzących dane
ciało.Zależy od temperatury i w mniejszym stopniu od ciśnienia
substancji.
Przyjęto, że miarą ciepła jest entalpia  funkcja stanu
zdefiniowana w dalszej części wykładu
E = I = mi
gdzie
I  entalpia substancji,
i  entalpia właściwa substancji zależna od temperatury i ciśnienia,
m  masa substancji.
Zdegradowana postać energii  nieuporządkowany ruch
mikrocząstek. Ograniczona sprawność przetwarzania na inne
postacie energii (II zasada termodynamiki).
Energia chemiczna  energia wiązań elektronowych,
wyzwalana w trakcie przebudowy powłok elektronowych
atomów i drobin przy ich wzajemnym oddziaływaniu w
czasie reakcji chemicznych.
W przypadku przemian energetycznych najczęściej ma
miejsce proces spalania paliw. Wówczas ilość energii
chemicznej paliwa oblicza siÄ™ wg wzoru:
E = mB·W
gdzie:
mB  masa paliwa,
W  wartość opałowa paliwa.
Energia elektromagnetyczna  energia fotonów pola
elektromagnetycznego np. promieniowanie świetlne,
promieniowanie cieplne.
Energia jądrowa  energia wiązania nukleonów w
jÄ…drze atomowym.
Jednostki energii
Podstawową jednostką energii układu SI jest dżul (J).
W fizyce jądrowej dla określenia energii cząstek
elementarnych stosuje siÄ™ elektronowolt (eV ).
W elektroenergetyce jako jednostkÄ™ energii elektrycznej
stosuje siÄ™ watogodzinÄ™ (W·h).
W opracowaniach statystycznych stosuje siÄ™ dodatkowe
jednostki: tonÄ™ paliwa umownego (tpu) oraz tonÄ™ oleju
ekwiwalentnego (toe).
tpu  tona paliwa umownego 
tona węgla o wartości opałowej 29,3 MJ/kg (7000 kcal/kg)
toe  tona oleju ekwiwalentnego (ton of oil equivalent) 
tona paliwa ciekłego (ropy naftowej) o wartości opałowej 42 MJ/kg
Przeliczanie jednostek energii
J eV W·h tpu toe
J 1 6,24·1018 0,278·10-3 34,12·10-12 23,8·10-12
eV 1,602·10-19 1 44,48·10-24 5,47·10-30 3,81·10-30
W·h 3600 22,47·1021 1 0,123·10-6 85,7·10-9
tpu 29,3·109 0,183·1030 8,14·106 1 0,698
toe 42·109 0,262·1030 11,66·106 1,433 1
Przemiany energii
Przemiany energetyczne odbywajÄ… siÄ™ w przetwornikach energii.
Ważniejsze przetworniki energii.
Mechaniczna Elektryczna Ciepło Chemiczna Elektro- Jądrowa
magnetyczna
Turbina wodna, Prądnica Pompa ciepła,
Mechaniczna
silnik wiatrowy chłodziarka
Silnik Transformator Grzejnik Elektrolizer, Lampa
Elektryczna
elektryczny elektryczny akumulator fluorescencyjna,
wyładowcza
Turbina parowa, Generator MHD Wymiennik Procesy Żarówka,
Ciepło
gazowa, silnik ciepła endotermiczne promiennik
spalinowy
Mięsnie ludzi i Ogniwo Komora spalania Reakcje Przetworniki
Chemiczna
zwierząt paliwowe, kotła parowego i chemiczne luminescencyjne
akumulator turbiny gazowej
Bateria Kolektor Fotosynteza
Elektro-
słoneczna, słoneczny
magnetyczna
fotokomórka
Reaktor jÄ…drowy
JÄ…drowa
Przetwarzanie energii może odbywać się wg:
- prostego łańcucha (przetwarzanie bezpośrednie jednej
postaci energii w drugÄ…)
- złożonego łańcucha (występują pośrednie postacie energii)
Sprawność przemian energii
E1 E2
"E
Sprawność energetyczna - stosunek energii oddawanej E2 do
energii doprowadzonej E1. W przypadku przetwornika prostego,
w którym występują straty energii
"E=E1-E2
E2 E2 E1 - "E "E
Sprawność energetyczna:
·E = = = =1-
E1 E2 + "E E1 E1
Sprawność energetyczna jest sprawnością średnią w jakimś okresie
czasu.
Sprawność szeregowego łańcucha n przetworników
E1 ·1 ·2 ·n En
Zarówno dla sprawności chwilowej jak i energetycznej zachodzi
zależność (przykładowo dla sprawności chwilowej):
En
· = = ·1 Å"·2 Å"....·n
E1
En.chem.paliwa En.elektryczna
En.cieplna En.mechan.
K T G
Rys. A
ańcuch (złożony) przemian energetycznych w elektrowni
cieplnej
K- kocioł, T  turbina parowa, G - generator
W tym przykładzie energia chemiczna paliwa jest energią pierwotną, zaś
pozostałe postaci energii  są postaciami energii wtórnej.
En.jÄ…drowa En.elektryczna
En.cieplna En.mechan.
R T G
Rys. A
ańcuch przemian energetycznych w elektrowni jądrowej
R  reaktor jÄ…drowy
Energia pierwotna  energia pod jakąkolwiek postacią, która nie podlegała
jeszcze przemianie ani w wyniku konwersji, ani w wyniku transformacji.
Energia wtórna  energia otrzymywana w różnych postaciach w wyniku
przemian energii pierwotnej lub innej energii wtórnej.
Podział zasobów energii pierwotnej
Zasoby energii pierwotnej
Odnawialne Nieodnawialne
energia wód energia biomasy
paliwa organiczne paliwa jÄ…drowe (tor, uran)
energia geotermiczna energia słoneczna
stałe ciekłe
(w.kam, w.brun) (ropa naftowa)
energia wiatru
gazowe
(gaz ziemny)
1.3. Åšwiatowe zasoby energii pierwotnej
Oceny światowych zasobów energii pierwotnej były wielokrotnie dokonywane
przez różne instytucje i organizacje międzynarodowe. Do najbardziej wiarygodnych
należą oceny opracowywane przez Światową Radę Energetyczną WEC (World
Energy Council), która co 3 lata publikuje obszerne materiały statystyczne.
Zasoby podaje się w jednostkach naturalnych (t, m3), a następnie przelicza się na
jednostki energii (GJ i wielokrotności) lub odpowiednie równoważniki energetyczne
(tpu, toe).
inne
11,4%
węgiel
energia wód
22,6%
2,2%
energia jÄ…drowa
6,7%
gaz ziemny
20,8%
ropa
36,3%
Produkcja energii pierwotnej na świecie wg WEC (2000 r.)
odnawialne i inne
1,6%
energia wód
17,1%
węgiel
39,1%
energia jÄ…drowa
16,9%
ropa
gaz ziemny
7,9%
17,4%
Udział poszczególnych paliw w produkcji energii
elektrycznej na świecie wg WEC (2000 r.)
Prognoza zapotrzebowania na energię pierwotną na świecie do
2050 roku
(wg IEA  International Energy Agency)
Zasoby podawane przez WEC dzielÄ… siÄ™ na zasoby pewne (nadajÄ…ce siÄ™ do
wykorzystania) i prawdopodobne zasoby całkowite.
Oceny zasobów zmieniają się w czasie ponieważ:
 zmienia się technika poszukiwań geologicznych,
 zmieniają się koszty dopuszczalne na jednostkę wydobywanego nośnika.
Do ocen zasobów należy podchodzić bardzo ostrożnie.
Przykładowo: zasoby prawdopodobne ropy naftowej w ciągu ostatnich 9 lat
wzrosły o 35%, gazu ziemnego o ponad 50%, a odpowiednio zasoby tych
paliw  o 20% i 40%.
Tab. Krajowe i światowe rezerwy zasoby energii pierwotnej
Nośnik Jedno Polska Świat
energii stka
pierwotnej Zasoby Zasoby Zasoby Zasoby
pewne prawdop. pewne prawdop.
Węgiel EJ 755 4440 19600 224000
kamienny % 88,2 93,8 43,9 72,1
Węgiel EJ 87 250 2800 16000
brunatny % 10,2 5,3 6,3 5,2
Ropa EJ 0,1 10 6300 15000
naftowa % 0 0,2 14,1 4,8
Gaz EJ 4,2 25 4700 11000
ziemny % 0,5 0,5 10,5 3,5
Energia EJ 9,4 11,2 5600 12600
wód % 1,1 0,2 12,6 4,1
Uran EJ - - 5600 32000
% - - 12,6 10,3
1 EJ = 1018 J
" Duży udział paliw stałych w zasobach pewnych (50%) i prawdopodobnych
(75%)
W Polsce paliwa stałe mają jeszcze bardziej dominującą rolę (98-99%)
Węgiel (kamienny) w najbliższych kilkudziesięciu latach stanowił będzie
jedno z najważniejszych z
ródeł energii pierwotnej dla ludzkości. Obecnie
udział węgla w całkowitym zużyciu energii pierwotnej wynosi ok.27% i od
lat utrzymuje siÄ™ na nie zmienionym poziomie.
Zasoby węgla równomiernie rozlokowane są na całym świecie.
Stosunek zasobów do rocznego zużycia węgla wynosi 240 lat.
" Zasoby ropy naftowej (ok. 70% zasobów w krajach arabskich) na świecie
ulegajÄ… wyczerpaniu.
Stosunek zasobów do rocznego zużycia ropy (przewidywanego do roku
2020) wynosi 40 lat.
" Stosunek zasobów do rocznego gazu ziemnego (przewidywanego do roku
2020) wynosi 60 lat. Największe złoża znajdują się na Bliskim Wschodzie
(30% zasobów) i w byłym ZSRR (40% zasobów).
" Zasoby wodne Polski są niewielkie, ale też nieznaczne jest ich
wykorzystanie (ok. 12%). PrzeszkodÄ… sÄ… niekorzystne warunki do budowy
hydroelektrowni w Polsce.
" Polska posiada stosunkowo bogate zasoby energii pierwotnej tyle, że z
dominującą przewagą paliw stałych.
1.4. Charakterystyka KSE
Krótka historia energetyki w Polsce
Koniec XIX w.  niewielkie generatory (po kilkadziesiÄ…t kW) wykorzystywane w
przemyśle
Pierwsze elektrownie miejskie:
1904  El. Powiśle (Warszawa)  2 MW
1907  El. A
ódz
 2,1 MW
W 1995 roku KSE został przyłączony do systemu energetycznego
krajów Europy Zachodniej UCTE
2000 r.  połączenie kablem podmorskim prądu stałego ze Szwecją
Statystyka KSE (2005)
Moc zainstalowana
Ogółem 35 404 MW
elektrownie zawodowe 32 655 MW
el. cieplne w. kam 22 581 MW
el. cieplne w. brun 9 216 MW
el. na gaz ziemny 561 MW
inne paliwa 640 MW
el. wodne 2 146 MW
w tym el. szczytowo-pompowe 1 330 MW
w tym el. przepływowe 816 MW
elektrownie przemysłowe 2 522 MW
el. niezależne 151 MW
wodne 64 MW
wiatrowe 62 MW
biogaz 24 MW
biomasa 1 MW
Produkcja energii elektrycznej w 2005 roku
Ogółem 156,9 TWh
Elektrownie zawodowe
cieplne 144,9 TWh
na węgiel kam. 92,1 TWh
na węgiel brunatny 54,9 TWh
gaz i inne paliwa 5,9 TWh
wodne 3,8 TWh
Elektrownie przemysłowe 8,0 TWh
Elektrownie wiatrowe 0,14 TWh
Moc zainstalowana
w KSE
Produkcja energii
elektrycznej w Polsce w
latach 1950-2004
Bilans energii
elektrycznej w 2004 roku
Elektrownie cieplne zawodowe
Liczba bloków 120 MW 24
Liczba bloków 200 MW 62
Liczba bloków 360 MW 16
Liczba bloków 500 MW 2
Śr. sprawność wytwarzania energii elektrycznej w el. cieplnych (netto) 35,8%
Maksymalna sprawność wytw. en. elektrycznej w el. cieplnych (brutto) 39,9%
Wskaz
nik zużycia własnego cieplnych elektrowni zawodowych 7,3%
Liczba zawodowych elektrowni cieplnych 77
Åšrednia moc elektrowni cieplnej 396 MW
Liczba elektrowni wodnych 130
Åšrednia moc elektrowni wodnej 16,8 MW
Liczba elektrowni przemysłowych 153
Średnia moc elektrowni przemysłowej 16,5 MW
Największe krajowe elektrownie
- Węgiel brunatny
Bełchatów 4440 MW
Turów 2088 MW
PAK 2688 MW
Pątnów 1600 MW
Adamów 600 MW
Konin 488 MW
- Węgiel kamienny
Kozienice 2820 MW
Dolna Odra 1600 MW
Połaniec 1600 MW
Rybnik 1775 MW
Jaworzno 3 1345 MW
Opole 1492 MW
A
aziska 1155 MW
A
agisza 840 MW
Siersza 786 MW
Ostrołęka 647 MW
Wodne
Żarnowiec 680 MW
Porąbka-Żar 500 MW
Elektrownie szczytowo-pompowe
Żydowo 150 MW
Solina 200 MW
Włocławek 160 MW
Dychów 79 MW
Rożnów 70 MW
Tresna 34 MW
Koronowo 26 MW
ELEKTROCIEPA
OWNIE
EC Warszawa 812 MWe 5485 MWt
EC A
ódz
502,5 MWe 3231 MWt
EC Kraków 460 MWe 1457 MWt
Zużycie energii na głowę mieszkańca
Polska ok. 4113 kWÅ"h/a
Inne kraje Europy Zachodniej o zbliżonym klimacie
(Francja, Niemcy, Wielka Brytania) 6000-8000 kWÅ"h/a
USA i Kanada 14000-17000 kWÅ"h/a
Etiopia 24 kWÅ"h/a
Wnioski dotyczÄ…ce KSE:
- utrwalona w ciągu dziesiątków lat monokultura węglowa (97%
produkcji energii elektrycznej) - niska dywersyfikacja
(zróżnicowanie) bazy paliwowej
- mały udział odnawialnych z
ródeł energii
- lokalizacja mocy zainstalowanych w południowej i środkowej
Polsce
Struktura produkcji energii elektrycznej w wybranych krajach (2002)
Elektrownie Elektrownie Elektrownie Elektrownie Elektrownie
cieplne - cieplne  cieplne  wodne jÄ…drowe
Kraj Inne
węgiel ropa naftowa gaz ziemny
Norwegia 99,3 %
(28 GW)
Francja 4,5 % 4,2 % 11,8 % 78,0 %
(112 GW)
Niemcy 51,0 % 9,5 % 4,9 % 28,8 %
(120 GW)
Cypr 100 %
(1 GW)
Szwajcaria - 1,3 % 55,4 % 40,9 %
(17 GW)
USA 51,0 % 2,5 % 17,7 % 6,4 % 20,0 %
(930 GW)
1.5. Rola elektrowni w systemie elektroenergetycznym
Elektrownie współpracują w systemie równolegle i wobec niemożności
magazynowania energii elektrycznej muszą dostosowywać swoje obciążenie do
charakterystycznych zmian zapotrzebowania na moc w systemie
elektroenergetycznym w ciÄ…gu doby.
Zmiany obciążenia w SEE mogą być regularne lub przypadkowe. Rozróżnia
się zmienność dobową, tygodniową, roczną i wieloletnią.
Zmiany te nakładają się na siebie.
Dobowy przebieg obciążenia w KSE odznacza się znaczną zmiennością.
Wyróżnia się 4 podstawowe strefy czasowe:
- szczyt ranny(przedpołudniowy),
- dolinę popołudniową,
- szczyt wieczorny (popołudniowy),
- dolinÄ™ nocnÄ….
1
P
0,8
0,6
0,4
0,2
t
0
0 4 8 12 16 20 24
Rys. Typowy kształt dobowego wykresu obciążenia systemu elektroenergetycznego
Elektrownie współpracujące w ramach SEE muszą dostosować produkcję
energii do aktualnego zapotrzebowania, które stale się zmienia.
Pociąga to za sobą, wynikający z udziału w pokrywaniu dobowych
obciążeń systemu, podział elektrowni na:
podstawowe, podszczytowe, szczytowe.
1
P
3
0,8
2
0,6
1
0,4
0,2
0
0 4 8 12 16 20 24
t
Rys. Rozdział zadań między elektrownie
1  elektrownie podstawowe, 2- elektrownie podszczytowe, 3  elektrownie szczytowe
W zależności od jednostkowych kosztów wytwarzania energii elektrycznej w
poszczególnych elektrowniach, jest dokonywany rozdział zadań produkcyjnych między
nimi.
Dobowe zapotrzebowanie na moc dla dnia o maksymalnym i minimalnym
zapotrzebowaniu w szczycie wieczornym
Maksymalne zapotrzebowanie na moc w 2004 roku 23 108 MW wystąpiło 23
grudnia, w szczycie wieczornym .
Zapotrzebowanie minimalne w dniach roboczych wystapiło 28 czerwca i
wyniosło 16 158 MW.
Największe dobowe różnice w poziomie zapotrzebowania na moc przypadają
na okres zimowy i dochodzÄ… do 7100 MW, natomiast w okresie letnim sÄ…
najmniejsze (ok. 5100 MW).
Średnie miesięczne zapotrzebowanie na moc w szczytach wieczornych
Elektrownie podstawowe  pracują z prawie niezmiennym obciążeniem przez
większość dni w roku. Jako elektrownie podstawowe pracują nowoczesne
elektrownie parowe o małym jednostkowym koszcie paliwa, elektrownie
jądrowe i elektrownie o wymuszonym obciążeniu (elektrociepłownie w sezonie
zimowym, wodne elektrownie przemysłowe). Są to elektrownie najbardziej
ekonomiczne o najniższych kosztach wytwarzania energii elektrycznej.
Elektrownie podszczytowe i szczytowe pokrywają składową zmienną
obciążenia dobowego.
Elektrownie podszczytowe - zmieniają dość znacznie obciążenie w
dolinach obciążenia systemu, pracują w zasadzie w ruchu ciagłym
obniżając generowaną moc w okresach mniejszego zapotrzebowania.
Należą do nich starsze elektrownie parowe (mniej ekonomiczne) oraz
elektrownie wodne ze zbiornikiem o krótkim czasie napełniania.
Elektrownie szczytowe  pracujÄ… w ruchu przerywanym lub
dorywczym, uruchamiane tylko w okresie szczytowego obciążenia każdej
doby. Należą do nich elektrownie wodne pompowe i zbiornikowe,
elektrownie gazowe. Charakteryzuje je krótki czas rozruchu.
Szybkość zmian obciążenia elektrowni krajowych wynosi:
- elektrownia cieplna  blok 200 MW  1,9 MW/min
- elektrownia wodna  hydrozespół szczytowo-pompowy
179 MW  23,2 MW/min
Czas użytkowania mocy zainstalowanej [h/a]
T
P(t)dt
+"
Ar 0
TPi = =
Pi Pi
Ar  energia wyprodukowana przez elektrowniÄ™ w ciÄ…gu roku,
Pi  moc zainstalowana elektrowni.
T = 24 h × 365 dni = 8760 h/a
Czasu TPi nie należy utożsamiać z rzeczywistym czasem pracy urządzeń. Czas Tpi jest to czas pracy
hipotetycznej elektrowni, która pracując z obciążeniem równym mocy zainstalowanej
wyprodukowała taką samą ilość energii elektrycznej Ar.
Przykład:
Teoretyczny przypadek pracy elektrowni przez okrągły rok (8760 h) z mocą równą
połowie mocy zainstalowanej.
Ar = 0,5Pi Å"8760 h
Tpi = Ar/Pi = (0,5Pi Å"8760 h)/Pi = 4380 h/a
1
P
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
t
0
0 4380 8760
1
P
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
t
0
0 4380 8760
Elektrownie podstawowe Tpi > 5000 h/a
Elektrownie podszczytowe 5000 h/a > Tpi > 2000 h/a
Elektrownie szczytowe Tpi < 2000 h/a
Czas wykorzystania mocy zainstalowanej krajowych elektrowni blokowych (2000 r)
Elektrownia Tpi [h/a]
Bełchatów 6315
A
aziska I (120) 5876
Opole 5402
Pątnów 5305
Adamów 5217
Jaworzno 5217
A
aziska II (200) 5182
Konin 5024
Połaniec 4550
A
agisza 4462
Turów 4453
Kraków A
ęg 4339
Rybnik 4321
Siekierki 4189
Dolna Odra 3785
Siersza 3583
Kozienice (200) 3496
Stalowa Wola 3487
Ostrołęka 3381
Kozienice 500 1967
Pojęcie mocy elektrowni nie jest jednoznaczne.
Wyróżnia się moc: zainstalowaną, osiągalną i dyspozycyjną.
Moc zainstalowana Pi  suma mocy znamionowych (odczytanych z tabliczek
znamionowych generatorów) turbozespołów wchodzących w skład elektrowni.
Moc osiągalna Pos  potwierdzona testami największa moc trwała jednostki
wytwórczej lub elektrowni przy znamionowych warunkach pracy. W przypadku
elektrowni cieplnej moc taka musi być utrzymywana przez przynajmniej 15 h,
przy dobrym stanie urządzeń, w przeciętnych warunkach pracy.
Wartość mocy Pos wynika z mocy zainstalowanej i trwałych ubytków (zaniżeń)
mocy spowodowanych błędami konstrukcyjnymi, materiałowymi, montażowymi
itp.
Moc dyspozycyjna Pd  maksymalna moc, która może być oddana w ustalonym
czasie w rzeczywistych warunkach pracy. Określana jest w godzinach
wieczornego szczytu obciążenia.
Wartość mocy Pd uzyskuje się odejmując od mocy osiągalnej zmienne ubytki
mocy, czyli okresowe obniżenia mocy.
Moc niedyspozycyjna  zmienne ubytki mocy  różnica między mocą
osiągalną a dyspozycyjną. Ubytki te mogą być spowodowane remontami
(kapitalne, średnie, bieżące), awariami, niekorzystnymi warunkami
eksploatacji (np. niska jakość paliwa, niski poziom wody w rzece).
Moc zapotrzebowana  moc, którą chcą pobrać odbiorcy, jest ona zmienne w
czasie. Można określić: obciążenie szczytowe (w ciągu doby, miesiąca, roku),
obciążenie średnie, obciążenie minimalne.
Bilans mocy elektrowni:
moc dyspozycyjna  rezerwa mocy = obciążenie elektrowni
Bilans mocy SEE:
moc osiÄ…galna  ubytki mocy + moc dodatkowa  rezerwa mocy =
zapotrzebowanie odbiorców
moc dodatkowa - może pochodzić z przeciążenia ponad moc osiągalną
elektrowni, z salda wymiany z zagranicÄ…
Pi
Trwałe ubytki mocy
np. wady układu technologicznego
Pos
Zmienne ubytki mocy
np. awaria, gorsza jakość paliwa, niski poziom wody w rzece
Pd
Rezerwa
np. wirujÄ…ca
Pobc