Energetyka · symulacja i gra
Zanim w gniazdku pojawi się 230 V, energia przechodzi długą drogę: z paliwa w ciepło, z ciepła w ruch turbiny, z ruchu w prąd — a potem setki kilometrów drutem. Prześledź tę drogę, a potem sam pokieruj siecią całej Polski przez dobę.
Wybierz rodzaj i typ elektrowni — jest ich 20. Świecące kropki to porcje energii: kolor mówi, w jakiej jest postaci, a ich gęstość — ile jej płynie. Kropki, które odpływają na boki, to straty. Najedź na element, żeby poznać szczegóły. 1–6 szybki wybór · ↑/↓ moc · Spacja pauza
Na wykresie jest prognoza zapotrzebowania całej Polski na jedną dobę. Ustawiaj moc elektrowni tak, żeby produkcja w każdej chwili równała się zużyciu. Gdy prądu brakuje, generatory zwalniają i częstotliwość spada; gdy jest go za dużo — rośnie. Poza 49,0–51,0 Hz grozi odłączanie odbiorców, a poza 47,5–51,5 Hz bloki same się wyłączają: blackout.
Sieć jest zbilansowana. Za chwilę zapotrzebowanie zacznie się zmieniać — patrz na przerywaną linię prognozy i przesuwaj suwaki źródeł z wyprzedzeniem, bo węgiel, atom i geotermia zmieniają moc powoli.
* Miks produkcji w Polsce, dane przybliżone (ok. 2024 r.), średnio ok. 600–700 g CO₂/kWh.
| Źródło | Moc w grze | Zmiana mocy | CO₂ z komina g/kWh | CO₂ w cyklu życia* g/kWh | Koszt zmienny zł/MWh |
|---|
Emisja bezpośrednia to CO₂ z komina podczas pracy (węgiel: mieszanka kamiennego i brunatnego). Cykl życia* to mediany z raportu IPCC (2014): budowa, wydobycie paliwa, praca i rozbiórka. Koszt zmienny to orientacyjnie paliwo i uprawnienia do emisji (przyjęto ok. 300 zł za tonę CO₂), bez kosztu budowy. Wszystkie liczby są przybliżone i zaokrąglone.
Przesyłamy moc z elektrowni do miasta. Ta sama moc to może być duży prąd przy niskim napięciu albo mały prąd przy wysokim (P = U·I). Przewód grzeje się tym bardziej, im większy płynie prąd — i to z kwadratem: Pstraty = I²·R.
Produkcja energii elektrycznej w Polsce według źródeł, w ciągu roku. dane przybliżone
Liczby różnią się nieco między źródłami i z roku na rok — udział węgla szybko spada, a słońca i wiatru rośnie. Pasek „Twoja doba” pokazuje miks z gry w sekcji 02.
Fizyka, która stoi za każdym gniazdkiem — w dziewięciu krokach.
W elektrowni węglowej energia chemiczna paliwa zamienia się w ciepło, ciepło w energię pary, para obraca turbinę (energia mechaniczna), a generator zamienia ruch w energię elektryczną. Na każdym etapie część energii ucieka jako ciepło. Miarą jest sprawność:
η = PużytecznaPdostarczonaBloki węglowe mają zwykle 35–46 %, gazowo-parowe ok. 55–62 %, jądrowe ok. 33–37 %, a wodne nawet ok. 90 %.
Żaden silnik cieplny nie zamieni całego ciepła w pracę. Górną granicę wyznacza różnica temperatur pary i wody chłodzącej (sprawność Carnota, temperatury w kelwinach):
ηmax = 1 − TzimnaTgorącapara 600 °C = 873 K, skraplacz 30 °C = 303 K → ηmax ≈ 65 %Prawdziwe turbiny mają tarcie i wiry, więc osiągają mniej. Ciepło odpadowe można wykorzystać: elektrociepłownie ogrzewają nim miasta.
W generatorze wiruje elektromagnes, a w nieruchomych uzwojeniach wokół niego indukuje się napięcie przemienne — to indukcja elektromagnetyczna odkryta przez Faradaya. Częstotliwość zależy od obrotów:
f = p · n60p — liczba par biegunów, n — obroty na minutęDla p = 1 i 3000 obr/min wychodzi dokładnie 50 Hz. W elektrowniach jądrowych turbina często kręci się 1500 obr/min, a generator ma dwie pary biegunów.
W każdej sekundzie elektrownie muszą wytwarzać tyle, ile zużywamy. Gdy brakuje mocy, energię oddają wirujące turbiny i generatory — zwalniają, a częstotliwość spada. W uproszczeniu (H — stała bezwładności, S — moc wirujących maszyn):
2HSf0 · dfdt = Pwytw − PzużPo sekundach bloki same dodają mocy (regulacja pierwotna), a po minutach regulacja wtórna przywraca 50 Hz — w grze to Ty nią jesteś. Panele i wiatraki łączą się przez falowniki i nie dodają bezwładności.
Straty w przewodzie rosną z kwadratem prądu. Dla linii trójfazowej:
I = P√3 · U, Pstraty = 3·I²·R = P²·RU² R = ρ · LSρ — opór właściwy, L — długość, S — przekrój przewodu10 razy wyższe napięcie to 10 razy mniejszy prąd i aż 100 razy mniejsze straty. Transformator zmienia napięcie prawie bez strat — dlatego sieć ma wiele poziomów: 400 kV, 110 kV, 15 kV, 230 V.
Każda elektrownia parowa musi gdzieś oddać ciepło ze skraplacza. Najzimniejsza jest woda z rzeki lub morza (obieg otwarty) — daje najwyższą sprawność, ale potrzeba jej ok. 100–200 m³ na każdą MWh. Chłodnia mokra zużywa ok. 2–3 m³/MWh, bo woda paruje. Chłodnica sucha prawie nie zużywa wody, ale obniża sprawność o 1–3 punkty.
Biały obłok nad chłodnią to para wodna, a nie dym — dym uchodzi kominem, i to tylko z elektrowni spalających paliwo.
Każdy reaktor potrzebuje paliwa, chłodziwa, które odbiera ciepło, i zwykle moderatora, który spowalnia neutrony (woda, ciężka woda albo grafit). Reaktory prędkie moderatora nie mają.
Od tego wyboru zależy, czy potrzebne jest wzbogacanie uranu, ile jest obiegów i jak gorąca jest para. Ale dalej każda elektrownia jądrowa ma turbinę, generator i skraplacz — jak węglowa.
Elektrownie sterowalne (węgiel, gaz, atom, woda ze zbiornikiem, geotermia, biomasa) dają moc na żądanie. Wiatr, słońce i elektrownie przepływowe zależą od pogody i rzeki, a pływy — od Księżyca.
Dlatego sieć z dużą ilością OZE potrzebuje magazynów, szybkich bloków gazowych i dobrych prognoz. Współczynnik wykorzystania mocy mówi, jaką część roku elektrownia pracowałaby, gdyby zawsze działała na pełnej mocy.
Strona sama wykryje, kiedy się uda. Postęp zapisuje się w tej przeglądarce.