Tepelná elektrárna

Rozbalit box

Obsah boxu

Tepelná elektrárna je technologický celek, který vyrábí elektrickou energii přeměnou z tepelné energie. Tato tepelná energie se získává nejčastěji spalováním fosilních paliv (především uhlí a zemní plyn), ale také štěpením atomových jader v jaderných elektrárnách, využitím geotermální energie, spalováním biomasy nebo koncentrací sluneční energie. Základním principem je ohřev vody, vytvoření vysokotlaké páry, která následně roztáčí parní turbínu spojenou s elektrickým generátorem.

Tepelné elektrárny jsou klíčovým prvkem globální energetické infrastruktury a i v roce 2025 zajišťují většinu světové produkce elektřiny. Jejich význam spočívá ve schopnosti dodávat stabilní a regulovatelný výkon, nezávislý na povětrnostních podmínkách, což je činí základním kamenem stability elektrizační soustavy.

💡 Pro laiky: Jak funguje tepelná elektrárna

Představte si tepelnou elektrárnu jako obrovský tlakový hrnec napojený na větrník.

1. Ohřívání vody: V obrovském kotli se spaluje palivo, nejčastěji uhlí rozemleté na jemný prášek. Tím vzniká obrovské teplo, které ohřívá vodu v trubkách a mění ji na velmi horkou a stlačenou páru. Je to podobné, jako když doma vaříte vodu v konvici, ale v mnohem větším a pod obrovským tlakem.
2. Roztočení větrníku (turbíny): Horká pára se obrovskou rychlostí vhání do parní turbíny. Turbína je v podstatě velmi složitý a velký větrník s mnoha lopatkami. Pára do lopatek narazí a celou turbínu roztočí do vysokých otáček.
3. Výroba elektřiny (generátor): Turbína je pevně spojena s generátorem. Generátor si můžete představit jako obrovské dynamo na kolo. Jak se turbína točí, točí i generátorem, a ten přeměňuje pohybovou energii na elektrickou.
4. Chlazení a návrat vody: Poté, co pára vykonala svou práci v turbíně, je potřeba ji ochladit a znovu přeměnit na vodu, aby mohla celý cyklus opakovat. K tomu slouží velké chladicí věže, z nichž stoupá oblak zkondenzované vodní páry (není to kouř). Ochlazená voda se pak čerpadly vrací zpět do kotle.

Stručně řečeno: spálí se palivo → ohřeje se voda na páru → pára roztočí turbínu → turbína roztočí generátor → generátor vyrobí elektřinu.

⏳ Historie

Počátky tepelných elektráren sahají do období průmyslové revoluce v 18. a 19. století s vynálezem parního stroje. Klíčovým momentem byl vynález parní turbíny, kterou v roce 1884 představil Charles Algernon Parsons. Turbína brzy nahradila méně výkonné parní stroje a umožnila efektivnější výrobu elektřiny. První veřejné elektrárny začaly vznikat v 80. letech 19. století a využívaly pístové parní stroje k pohonu generátorů.

Ve 20. století se pára stala dominantním zdrojem pro výrobu elektrické energie, přičemž hlavním palivem bylo uhlí. Ve 30. a 40. letech se začala více využívat také ropa a zemní plyn. Po druhé světové válce se objevily jaderné elektrárny, které jsou v principu také tepelnými elektrárnami, kde teplo vzniká štěpením jader uranu. V průběhu 90. let 20. století prošly uhelné elektrárny v Česku rozsáhlou modernizací, která zahrnovala instalaci odlučovačů popílku a odsiřovacích zařízení, což vedlo k výraznému snížení emisí škodlivých látek.

⚙️ Princip fungování

Základní princip fungování tepelné elektrárny spočívá v sérii energetických přeměn. Celý proces lze popsat v několika krocích:

1. Přeměna chemické energie na tepelnou: V kotli dochází ke spalování paliva (např. uhlí, plynu, biomasy), čímž se uvolňuje chemická energie vázaná v palivu a přeměňuje se na tepelnou energii. U jaderných elektráren se tepelná energie získává z jaderného štěpení.
2. Přeměna tepelné energie na kinetickou energii páry: Získané teplo se používá k ohřevu chemicky upravené (demineralizované) vody ve výparníku, čímž vzniká sytá pára. Tato pára se dále v přehřívácích ohřívá na vysokou teplotu (až 550 °C) a tlak, čímž se zvyšuje její energetický obsah.
3. Přeměna kinetické energie páry na mechanickou energii: Přehřátá pára je vedena do parní turbíny, kde expanduje a při průchodu jejími lopatkami předává svou energii rotoru turbíny. Tím se tepelná a tlaková energie páry mění na mechanickou energii otáčivého pohybu.
4. Přeměna mechanické energie na elektrickou: Rotor turbíny je pevně spojen s rotorem elektrického generátoru (obvykle alternátor). Otáčivý pohyb se tak přenáší na generátor, který na principu elektromagnetické indukce přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii.
5. Kondenzace páry a chlazení: Po průchodu turbínou má pára již nízký tlak a teplotu. Je vedena do kondenzátoru, kde se ochlazuje chladicí vodou, dokud nezkondenzuje zpět na vodu. Vzniklý kondenzát je pak napájecími čerpadly dopraven zpět do kotle, čímž se uzavírá parovodní cyklus. Teplo odebrané v kondenzátoru se odvádí do okolí, nejčastěji pomocí chladicí věží nebo přímým chlazením říční vodou.

🏭 Typy tepelných elektráren

Tepelné elektrárny se dělí především podle druhu spalovaného paliva nebo zdroje tepla.

Podle zdroje energie

• Spalovací elektrárny: Využívají teplo z hoření paliv.
  • Uhelné elektrárny: Nejrozšířenější typ, spalují černé uhlí nebo hnědé uhlí. Jsou spolehlivým zdrojem, ale produkují vysoké emise CO₂ a dalších znečišťujících látek.
  • Plynové a paroplynové elektrárny: Spalují zemní plyn. Paroplynové elektrárny dosahují vysoké účinnosti (až přes 60 %) díky kombinaci plynové a parní turbíny. Mají nižší emise než uhelné elektrárny a jsou flexibilnější.
  • Elektrárny na biomasu: Spalují biomasu (dřevní štěpka, sláma) a jsou považovány za obnovitelný zdroj.
  • Ropné elektrárny: Spalují mazut nebo jiné ropné deriváty. Dnes jsou méně časté kvůli vysoké ceně paliva.
• Jaderné elektrárny: Teplo získávají z řízené štěpné reakce v jaderném reaktoru. Neprodukují skleníkové plyny, ale vzniká radioaktivní odpad.
• Geotermální elektrárny: Využívají teplo ze zemského nitra. Jejich výstavba je možná jen v geologicky aktivních oblastech.
• Sluneční tepelné elektrárny: Koncentrují sluneční záření pomocí zrcadel k ohřevu teplonosného média, které následně vyrábí páru.

Podle využití tepla

• Kondenzační elektrárny: Jejich hlavním účelem je výroba elektřiny. Veškerá pára po průchodu turbínou zkondenzuje. Jejich tepelná účinnost se pohybuje mezi 30 a 50 %.
• Teplárny (kogenerační jednotky): Vyrábějí současně elektřinu a teplo (kogenerace). Část páry se z turbíny odebírá a využívá se pro vytápění nebo dodávku teplé vody. Díky kombinované výrobě dosahují mnohem vyšší celkové účinnosti využití paliva (až 90 %).

⚡ Účinnost a ekonomika

Účinnost přeměny tepelné energie na elektrickou je klíčovým parametrem každé elektrárny. U moderních kondenzačních uhelných elektráren se pohybuje kolem 47–50 %. Paroplynové cykly dosahují účinnosti i přes 62 %. Účinnost závisí především na teplotě a tlaku páry vstupující do turbíny – čím vyšší jsou tyto parametry, tím vyšší je účinnost.

Z ekonomického hlediska patří tepelné elektrárny (zejména uhelné) k levnějším zdrojům energie z pohledu provozních nákladů, pokud se nezapočítají externí náklady spojené s dopady na životní prostředí. Investiční náklady na jejich výstavbu jsou nižší ve srovnání s jadernými nebo vodními elektrárnami. Globální trh s tepelnými elektrárnami byl v roce 2024 oceněn na 1,45 bilionu USD a očekává se jeho další růst, zejména v Asii, kde roste poptávka po elektřině.

🌍 Vliv na životní prostředí

Provoz tepelných elektráren, zejména těch spalujících fosilní paliva, představuje významnou zátěž pro životní prostředí.

• Emise skleníkových plynů: Spalováním fosilních paliv se uvolňuje velké množství oxidu uhličitého (CO₂), který je hlavním přispěvatelem ke globálnímu oteplování.
• Znečištění ovzduší: Elektrárny produkují oxidy síry (SOₓ) a oxidy dusíku (NOₓ), které způsobují kyselé deště a dýchací problémy. Dále emitují pevné částice (popílek), které jsou zdraví škodlivé. Moderní elektrárny jsou vybaveny filtry a odsiřovacími zařízeními, které tyto emise výrazně snižují.
• Spotřeba vody: Tepelné elektrárny potřebují velké množství vody pro chladicí okruhy, což může mít dopad na vodní zdroje v okolí.
• Odpad: Při spalování uhlí vzniká popel a struska, které je nutné skládkovat.

📊 Tepelné elektrárny ve světě a v ČR

Svět

V roce 2025 zůstávají tepelné elektrárny páteří globální výroby elektřiny. Největšími producenty jsou Čína, USA a Indie, kde stále dominuje výroba z uhlí. Celosvětově se však projevuje trend odklonu od uhlí ve prospěch zemního plynu a obnovitelných zdrojů. Region Asie a Tichomoří je největším trhem a očekává se zde nejvyšší růst poptávky.

Česká republika

V České republice měly tepelné elektrárny historicky dominantní postavení. V roce 2024 se uhelné elektrárny podílely na čisté výrobě elektřiny přibližně 40 %, což je srovnatelný podíl s jadernými elektrárnami. Podle dat ČSÚ za rok 2024 vyrobily tepelné elektrárny v ČR 36 291 GWh elektřiny. Výroba z uhlí však setrvale klesá; zatímco v roce 2022 to bylo přes 33 TWh, v roce 2024 už jen 23,7 TWh. Mezi nejvýznamnější tepelné elektrárny v ČR patří Počerady, Prunéřov, Tušimice, Chvaletice a Mělník.

🚀 Budoucnost a nové technologie

Budoucnost tepelné energetiky směřuje k vyšší účinnosti a minimalizaci dopadů na životní prostředí. V kontextu odklonu od uhlí, který se v EU očekává, se jako hlavní náhrada jeví zemní plyn a biomasa. Klíčovými trendy jsou:

• Vysoce účinné technologie: Vývoj nadkritických a ultra-nadkritických parních cyklů, které umožňují dosáhnout vyšší účinnosti spalování.
• Kogenerace a teplárenství: Větší důraz na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny pro maximální využití energie v palivu.
• Zachytávání a ukládání uhlíku (CCS): Technologie, které umožňují zachytit CO₂ ze spalin a uložit ho do podzemních úložišť, čímž se zabrání jeho úniku do atmosféry.
• Flexibilní provoz: Schopnost rychle měnit výkon pro vyrovnávání nestabilní výroby z obnovitelných zdrojů (vítr, slunce).
• Bezemisní zdroje: Dlouhodobou perspektivou je rozvoj jaderné fúze, která by mohla poskytnout čistý a téměř nevyčerpatelný zdroj energie.

V ČR se plánují masivní investice do modernizace teplárenství, přičemž se počítá s přechodem z uhlí na zemní plyn, biomasu a energetické využití odpadu (ZEVO).

Zdroje

VIDA! science centrum Energetiko.cz mendelova.cz Časopis Vesmír StreTech Wikipedie World ranking sites oEnergetice.cz Webzdarma средние-специальные-учебные-заведения.рф/wp-content/uploads/2021/01/ТEPLOVYE-ELEKTRICHESKIE-STANCII.pdf Prezentace TEPELNÁ ELEKTRÁRNA ČEZ Hybrid.cz Straits Research ReportLinker Mordor Intelligence Fortune Business Insights EnergyWeb Prezmania.cz Deník veřejné správy E-hospodářství Český statistický úřad Energieprolidi.cz Hnutí DUHA United Energy Evropa v datech ČT24 FREE for YOU elektrinaodsouseda.cz oEnergetice.cz Report 2024 Solární novinky