Despre centralele termice se tot vorbește în ultimul timp, în special în Europa, pentru că reprezintă o sursă importantă de poluare. Cât încă mai sunt „în viață”, să vorbim despre principiul său de funcționare, care a transformat practic societatea umană.
O centrală termică clasică este, în esență, o mașină uriașă de transformare a energiei. Ea convertește energia chimică a unui combustibil în energie termică, apoi în energie mecanică și, în final, în energie electrică.
Lanțul energetic fundamental este, cum se poate observa și-n imaginea de mai sus, acesta: combustibil → căldură → abur → mișcare → electricitate.
Această idee simplă stă la baza majorității producției moderne de energie electrică de pe planetă, inclusiv în centralele pe cărbune, gaz natural, păcură și chiar în centralele nucleare. Diferența dintre ele nu constă în generatorul electric, ci în sursa de căldură.
Arderea combustibilului și producerea căldurii
Procesul începe într-un cazan industrial uriaș. Aici este ars combustibilul: cărbune, gaz natural, păcură sau biomasă. Prin ardere se eliberează energie chimică sub formă de căldură.
Flacăra nu încălzește direct turbinele sau generatorul. Ea încălzește apă aflată într-un sistem de țevi rezistente la temperaturi și presiuni foarte mari. Apa are un rol esențial deoarece poate transporta cantități enorme de energie termică.
Într-o centrală modernă, temperatura aburului poate depăși 500 °C, iar presiunile pot ajunge la zeci sau chiar sute de atmosfere.
Transformarea apei în abur
Pe măsură ce apa este încălzită, ea se transformă în abur sub presiune. Această etapă este crucială. Aburul nu este doar „vapori fierbinți”, ci un fluid energetic capabil să transporte o cantitate imensă de energie și să exercite forțe foarte mari asupra paletelor turbinei.
În practică, centrala funcționează ca o versiune gigantică și extrem de sofisticată a unei oale sub presiune. Aburul este dirijat prin conducte groase către turbina cu abur.
Turbina: transformarea energiei termice în energie mecanică
Turbina este unul dintre cele mai impresionante dispozitive industriale construite vreodată. Ea conține mai multe rânduri de palete metalice montate pe un arbore central. Când aburul de mare presiune lovește aceste palete, turbina începe să se rotească cu viteze foarte mari. Astfel, energia internă a aburului se transformă în energie mecanică de rotație.
Principiul este asemănător cu cel al unei mori de vânt sau al unei elice puse în mișcare de un jet de aer, doar că aici fluidul este abur fierbinte aflat sub presiune foarte mare.
În multe centrale, turbina se rotește cu 3000 rotații pe minut pentru producerea curentului alternativ la 50 Hz, standardul european.
Generatorul electric și inducția electromagnetică
Arborele turbinei este conectat direct la generatorul electric. Aici apare partea fundamentală a producției de electricitate: inducția electromagnetică, descoperită de Michael Faraday în secolul al XIX-lea.
Generatorul conține două componente principale: rotorul, adică partea care se rotește, și statorul, partea fixă.
Rotorul conține electromagneți sau magneți puternici. Când el se rotește, câmpul magnetic din jurul său se schimbă permanent.
În jurul rotorului există bobine fixe de sârmă conductoare, aflate în stator. Conform legii inducției electromagnetice, un câmp magnetic variabil induce tensiune electrică într-un conductor.
Acesta este momentul în care apare efectiv curentul electric.
Legea fundamentală este 𝓔=−ΦB / dt, unde 𝓔 este tensiunea electrică indusă, ΦB reprezintă fluxul magnetic; variația în timp a câmpului magnetic produce electricitate.
Acesta este unul dintre cele mai importante principii din întreaga tehnologie modernă. Aproape toate centralele electrice mari din lume funcționează pe această bază.
De ce curent alternativ?
Generatorul produce curent alternativ, deoarece polaritatea câmpului magnetic se schimbă continuu în timpul rotației rotorului.
Rezultatul este o tensiune sinusoidală: u(t) = Umax · sin(ωt). Aceasta spune că tensiunea electrică nu este constantă, ci variază continuu în timp, urcând și coborând într-o formă sinusoidală, unde u(t) = tensiunea electrică la momentul t (este valoarea instantanee a tensiunii), Umax = tensiunea maximă (vârful sinusului. Este cea mai mare valoare pozitivă atinsă de tensiune), sin = funcția sinus (produce forma ondulatorie caracteristică), ω (omega) = pulsația unghiulară (arată cât de rapid oscilează tensiunea), iar t = timpul.
Tensiunea alternativă nu stă fixă la 230 V. Și uite un lucru interesant: în fapt, tensiunea alternativă variază permanent între +/- 325 V! Adică: 0 → +325 V → 0 → −325 V → 0 → …
Probabil știi că tensiunea din rețeaua națională este de 230 V. De unde diferența? Fără a intra în prea multe detalii tehnice, răspunsul este: pentru că cei 230 V reprezintă valoarea eficace (RMS), nu valoarea maximă. Rezultă din formula: Uef = Umax/√2. Iar acest ciclu între maximele de tensiune se repetă de 50 ori pe secundă; de aceea spunem că avem o rețea curent cu o frecvență de 50 Hz.
Curentul alternativ are avantajul enorm că poate fi transformat ușor la tensiuni foarte mari cu ajutorul transformatoarelor, ceea ce reduce pierderile la transportul pe distanțe lungi. De aceea liniile electrice de înaltă tensiune funcționează la sute de kilovolți.
Ce se întâmplă cu aburul după turbină?
După ce trece prin turbină, aburul și-a pierdut mare parte din energie. El este răcit într-un condensator și transformat din nou în apă. Apa este apoi pompată înapoi în cazan, iar ciclul reîncepe. Acest proces circular poartă numele de ciclu Rankine și reprezintă baza funcționării majorității centralelor termice moderne.
Randamentul unei centrale termice
O centrală termică nu poate transforma toată căldura în electricitate. O parte importantă a energiei se pierde sub formă de căldură reziduală. Acesta este motivul pentru care centralele au turnuri de răcire uriașe sau folosesc cantități enorme de apă pentru răcire.
Randamentul tipic: centrale vechi pe cărbune: 30–35%; centrale moderne pe gaz în ciclu combinat: 55–62%. Restul energiei se pierde inevitabil, conform principiilor termodinamicii.
Diferența față de o hidrocentrală
Într-o hidrocentrală nu există cazan, abur sau combustibil. Acolo energia vine din apa aflată la înălțime. Căderea apei pune direct în mișcare turbina.
Lanțul energetic devine: energie gravitațională → mișcare → electricitate.
Avantajele sunt următoarele: randament foarte mare, adesea peste 90%; fără ardere; fără emisii directe de CO₂. Dar există și limitări importante: dependență de relief și debitul râurilor; impact asupra ecosistemelor; necesitatea construirii de baraje uriașe.
Interesant este că generatorul electric final este aproape același. Diferența majoră este doar metoda prin care se rotește turbina.
Diferența față de o centrală nucleară
O centrală nucleară seamănă surprinzător de mult cu o centrală termică, căci și aici există apă, abur, turbină și generator. Diferența fundamentală este sursa căldurii. În locul arderii combustibilului, căldura este produsă prin fisiune nucleară. Nucleele atomilor de uraniu se sparg, eliberând cantități enorme de energie. Practic, la o centrală termică avem: ardere chimică → căldură, iar la o centrală nucleară: fisiune nucleară → căldură. În rest, procesul este aproape identic.
Acesta este un aspect care surprinde adesea publicul: centralele nucleare sunt, din multe puncte de vedere, tot centrale termice, doar că folosesc o altă sursă de încălzire.
De ce centralele termice domină încă lumea
Deși energia regenerabilă crește rapid, centralele termice rămân esențiale, pentru că acestea pot produce energie continuu, pot regla rapid producția, infrastructura există deja și pot susține stabilitatea rețelei electrice. Mai ales centralele pe gaz natural au devenit importante, deoarece pot compensa variațiile energiei eoliene și solare.
Totuși, problema majoră rămâne emisia de dioxid de carbon și contribuția la schimbările climatice. Din acest motiv, multe țări încearcă să reducă treptat utilizarea cărbunelui și să dezvolte alternative mai curate.
În esență, o centrală electrică este o mașină care învârte un magnet lângă niște bobine. Din această idee simplă derivă, printre altele, iluminatul orașelor, industria modernă, trenurile electrice, calculatoarele și aproape întreaga infrastructură tehnologică a civilizației contemporane.
Indiferent că vorbim despre cărbune, apă, gaz, fisiune nucleară sau chiar turbine eoliene, în spatele aproape tuturor se află aceeași idee fundamentală descoperită de Faraday: un câmp magnetic variabil poate produce electricitate.
Sursa originală imaginii: TheWhiteBox
