תחנת כוח מבוססת דלק מאובנים

תחנת כוח מבוססת דלק מאובנים היא תחנת כוח ששורפת דלק מאובנים כדוגמת פחם, גז טבעי או נפט במטרה לייצר חשמל. תחנות כוח מבוססות דלק מאובנים מתוכננות בקנה מידה גדול לצורך פעילות רציפה. במדינות רבות, תחנות כאלה מספקות את מרבית האנרגיה. בתחנות כוח מבוססות דלק מאובנים יש מכונות הממירות את אנרגיית החום מהבעירה לאנרגיה מכנית, אשר מפעילה את הגנרטור החשמלי. הרכיב המרכזי במערכות אלה יכול להיות טורבינת קיטור, טורבינת גז או מנוע בעירה פנימית בתחנות כוח קטנות. 
תוצרי הלוואי בהפעלת תחנות כוח שכאלה, חייבים להלקח בחשבון כאשר מתכננים ומפעילים את תחנת הכוח. פסולת אנרגיית חום, שנשארת בעקבות היעילות המוגבלת של מנוע קרנו, מעגל רנקין או מעגל דיזל, משוחררת ישירות לאטמוספירה או לאגם/נהר, או באופן לא ישיר לאטמוספירה באמצעות מגדלי קירור כאשר מי נהר או אגם משמשים באמצעי קירור. גזי הפליטה כתוצאה מהבעירה של דלקי המאובנים משוחררים לאוויר. הגזים מכילים פחמן דו-חמצני, אדי מים, וחומרים נוספים כמו תחמוצות חנקן, כספית, שאריות של מתכות אחרות, ובתחנות כוח פחמיות, אפר פחם. פסולת אפר פחם מוצקה מדודי החימום חייבת להיות מסולקת גם כן. חלק מאפר הפחם ניתן למחזר לטובת חומרי בנייה.
תחנות כוח מבוססות דלק מאובנים הן פולטות גזי פחמן דו-חמצני גדולות, מדובר בגז חממה אשר לפי חלק מהמדענים הוא תורם להתחממות עולמית. ליצירת יחידת אנרגיית חשמל אחת, שריפת פחם חום מייצרת כמות כמעט כפולה של פחמן דו-חמצני, מאשר שריפת גז טבעי. לכידת ואחסון פחמן דו-חמצני לא אפשרית כיום.

מושגים בסיסיים

בתחנת כוח מבוססת דלק מאובנים, האנרגיה הכימית הנמצאת בתוך דלק המאובנים כמו פחם, גז טבעי או פצלי שמן בשילוב החמצן שבאוויר מומרים לאנרגיה תרמית, אנרגיה מכנית ולבסוף לאנרגיה חשמלית. כל סוג דלק מאובנים מצריך עיצוב תחנת כוח באופן שונה. יחידות מרובות לייצור אנרגיה יכולות להבנות באתר אחד לניצול יעיל יותר של שימושי קרקע, משאבי טבע וכוח אדם. רוב תחנות הכוח התרמיות בעולם משתמשות בדלק מאובנים, הן עולות בכמותן על תחנות כוח המשתמשות באנרגיה גרעינית, אנרגיה גאותרמית או אנרגיה סולארית.

חום לאנרגיה מכנית

החוק השני של התרמודינמיקה מגדיר כי כל מערכת סגורה יכולה להמיר רק חלק קטן של החום הנוצר במהלך בעירה לעבודה מכנית. שאר החום, הנקרא פסולת חום, חייב להיות משוחרר לסביבה קרה יותר במהלך המחזור. חלק קטן של חום משתחרר לאמצעי קירור חייב להיות שווה או גדול מהיחס של טמפרטורות מוחלטות של מערכת הקירור (סביבה) ומקור החום (תנור בעירה). העלאת טמפרטורת התנור משפרת את היעילות אבל מסרבלת את העיצוב, בעיקר על ידי הבחירה של הסגסוגות המשמשות לבנייה, מה שהופך את התנור יקר יותר. פסולת החום אינה יכולה להיות מומרת לאנרגיה מכנית מבלי מערכת קירור קרה עוד יותר. עם זאת, ניתן להשתמש בה במפעלי קוגנרציה לחימום מבנים, לייצור מים חמים, או לחמם חומרים בקנה מידה תעשייתי, כמו בחלק מבתי הזיקוק ומפעלים כימיים בתהליכי סינתזה.
יעילות תרמית אופיינית עבור גנרטורים חשמליים בהיקף תעשייתי היא סביב 33% בפחם ושמן, ו-56-60% לתחנות גז בשימוש בטורבינת גז במחזור משולב, תחנות כוח מתוכננות ליעילות שיא כאשר הן עובדות בתפוקה מלאה, מאשר שהן פועלות בעוצמה נמוכה יותר (לדוגמה: טמפרטורות נמוכות מדי).
טמפרטורת הקיטור החם. שימוש ביעילות המתועדת והיעילות האידיאלית של מנוע קרנו ניתן להעריך את טמפרטורת המנוע. הערכה זו היא מינימום טמפרטורת החום/קיטור שאנו משמיטים הפסדים אחרים. לדוגמה, הטמפרטורה האפקטיבית של מי קירור יכולה להיות גבוה יותר משמעותית. בהנחה שהטמפטורה הקרה    היא 10°C או 280K אזי   שווה: 
 
 
 
 
טמפרטורה זו היא ככל הנראה נמוכה בהרבה מטמפרטורת הקיטור בפועל בשל מספר הפסדים.

פחם

פחם הוא דלק המאובנים הנפוץ ביותר על פני כדור הארץ. הוא דלק זול יחסית, והוא זמין לכרייה בכמויות גדולות במקומות שנחשבים יציבים יחסית מבחינה פוליטית כמו סין, הודו וארצות הברית. בשונה מגז טבעי ונפט אשר מרוכזים בעיקר במפרץ הפרסי שפחות יציב פוליטית. פחם אינו יכול להחליף ישירות גז טבעי או נפט ברוב השימושים, נפט משמש לרוב לתחבורה וגז טבעי שלא משמש ליצירת חשמל משמש לחימום מבנים, כמחמם מים מיידי וחימום תעשייתי. 
נכון ל-2009, תחנת הכוח הפחמית הגדולה ביותר היא תחנת הכוח טאיצ'ונג שבטאיוואן. תחנת הכוח הפחמית היעילה ביותר נמצאת בדנמרק.

הובלת הדלק והפצתו

פחם מועבר על ידי משאיות, תחבורה מסילתית, ארבה, ספינות פחם או צינורות פחם. חלק מתחנות הכוח נבנו ליד מכרות פחם והן מובילות את הפחם באמצעות מסוע. רכבת פחם גדולה יכולה להיות באורך 2 קילומטר, ולהכיל בין 130 ל-140 קרונות מסע עם 100 טון פחם בכל קרון, ובסך הכל יותר מ-15,000 טונות. תחנת כוח גדולה נזקקת למשלוח פחם בכמות כזאת כל יום. תחנות כוח יכולות לקבל 3 עד 5 רכבות כאלה ביום בעיקר בעונות השיא, במהלך ימי הקיץ החמים ביותר וימי החורף הקרים, כאשר צריכת האנרגיה גבוהה. 
ספינת פחם יכולה להכיל 40,000 טונות של פחם ויקח מספר ימים לפרוק אותה. להובלת פחם בנהרות ואגמים, משתמשים באסדות שטוחות הנקראות ארבה (דוברה). לרוב הן לא מונעות לבד ונדרשת גוררת.
למטרות עזר תחנת הכוח יכולה להשתמש גם במזוט, מזוט יכול להיות מועבר באמצעות צינור, מכלית או משאית. המזוט מאוחסן במיכלים בעלי קיבולת של 90,000 חביות.

עיבוד הדלק

הפחם עובר תהליך הכנה לשימוש על ריסוק הפחם לגודל של 5 ס"מ. לאחר מכן הפחם מובל מאזור האחסון לתחנת הכוח עצמה על ידי מסוע בקצב של עד 4,000 טון בשעה.

קיטור-חשמל

רוב החשמל המופק מדלק מאובנים מיוצר בתחנות כוח תרמיות. מנועי הקיטור יצאו משימוש במהירות לאחר הכנסת טורבינת הקיטור הראשונה ב-1906.

תחנות כוח מבוססות טורבינת גז

סוג אחד של תחנות כוח דלק מאובנים משתמשות בטורבינות גז בשילוב מערכת ליצירת קיטור באמצעות חום. התהליך נקרא בתחנות הכוח מחזור משולב, מכיוון שהוא משלב בין מעגל ברייטון למעגל רנקין. היעילות התרמית של תחנות כוח מסוג זה הגיעה לשיא של דרגת חום של 5,690 BTU בתחנת כוח בוויילס.
הטורבינות ממולאות בגז טבעי או סינגז. בעוד זמן ההקמה של תחנת כוח מופעלת בגז היא מהירה (תחנת כוח המייצרת 1,000 מגה-ואט מוקמת תוך 18 חודשים מרגע התחלת הבנייה), היעילות הכלכלית של תחנות אלה מושפעת רבות מחוסר היציבות של מחירי הדלק, לרוב הגז הטבעי. תחנות הכוח בעלות מחזור משולב מתוכננות במגוון רחב של תצורות בהתאם למספר טורבינות הגז ואחריהן טורבינת הקיטור. לדוגמה, למתקן בעל מחזור משלוב יש 3 טורבינות גז המחוברות לטורבינת קיטור אחת.
תחנות כוח בעלי טורבינות גז מחזור פשוט או מחזור פתוח, ללא מעגל קיטור, מוקמות לפעמים כגיבוי בשעות עומס; היעילות האנרגטית שלהן נמוכה בהרבה. עלות ההפעלה הגבוהה לשעה מקוזזת על ידי עלות ההקמה הנמוכה והכוונה להפעיל יחידות כאלה רק כמה מאות שעות בשנה. 

המעבר לגז טבעי

בשנות ה-90 החל המרוץ לגז ובמהלכו הוקמו כ-30 תחנות כוח מבוססות גז בבריטניה בעקבות מרבצי גז רבים בים הצפוני. על פי התחזית משנת 2012 של מנהל המידע של מחלקת האנרגיה בארצות הברית, תיפסק קיבולת של 27 גיג'ה-ואט מ-175 תחנות כוח פחמיות בארצות הברית. הגז הטבעי הראה גידול משמעותי בשליש במהלך 2011. חלק מתחנות הכוח הפחמיות הפסיקו לשרוף פחם והסבו את תחנת הכוח לשימוש בגז טבעי. נתח השוק של ייצור חשמל באמצעות פחם צנח ל-36%. גז טבעי היווה 81% מייצור החשמל החדש בארצות הברית בין השנים 2000-2010. שריפת פחם מייצרת כמעט פי שניים פחמן ד-חמצני מאשר שריפת גז טבעי. כתוצאה משינוי תמהיל הדלקים בארצות הברית, והפחתת השימוש בפחם במקביל לעליית השימוש בגז הטבעי, צנחה פליטת הפחמן הדו-חמצני. מדידת הפחמן הדו-חמצני ברבעון הראשון של 2012, הייתה הנמוכה ביותר משנת 1992. שחרור מתאן שנמצא בגז הטבעי לאטמוספירה, יכול להיות משפיע יותר ב-10 עד 20 כגז חממה מפחמן דו-חמצני. קיימות יותר מ-100 תחנות כוח בגז טבעי המייצרות בין 100 מגה-ואט ל-5,600 מגה-טאט. הפופולריות של תחנות כוח בגז טבעי עולה, ונכון לשנת 2014, תחנות אלה מהוות 22% מסך ייצור החשמל בעולם.

השפעות סביבתיות

דרישות החשמל של העולם צפויות לעלות ב-60% עד שנת 2030. בשנת 2007 היו 50,000 תחנות כוח פחמיות פעילות ומספרן צפוי לעלות. ב-2004, סוכנות האנרגיה הבינלאומית העריכה כי דלק המאובנים יהיה אחראי ל-85% מסך משק האנרגיה עד שנת 2030.
ארגונים בינלאומיים כמו סוכנות האנרגיה הבינלאומית, מודאגים מההשפעות הסביבתיות של שריפת דלק מאובנים, ופחם במיוחד. שריפת פחם תורמת במיוחד לגשם חומצי וזיהום אוויר וקושרה גם להתחממות עולמית. בעקבות המרכיבים הכימיים של הפחם, קיים קושי בהסרת המזהמים מהדלק המוצק לפני שריפתו. תחנות כוח פחמיות חדשות מזהמות פחות מהתחנות הישנות הודות לטכנולוגיה שמסננת את העשן הנפלט. יחד עם זאת רמות הזיהום עדיין גבוהות מהממוצע ביחס לתחנות כוח מבוססות גז טבעי. 
גשם חומצי נגרם כתוצאה מהפליטה של תחמוצות חנקן וגופרית דו-חמצנית. הגזים האלה לא חומציים במיוחד בפני עצמם, אך כאשר הם מגיעים לאטמוספירה הם יוצרים מרכיבים חומציים כמו חומצה גופריתית, חומצה חנקתית וחומצה גופרתית שחוזרים בצורת גשם, ומכאן המונח גשם חומצי. באירופה וארצות הברית יש חוקים להגבלת הפליטה אשר גרמו להפחתת הפליטה לאחר השיא בשנות ה-60.

פחמן דו-חמצני

ייצור חשמל מבוסס דלק פחמן אחראי לחלק גדול מפליטת הפחמן הדו-חמצני בעולם, ול-34% מפליטת הפחמן הדו-חמצני מעשה אדם בארצות הברית. בארצות הברית, 70% מייצור החשמל נעשה בעזרת שריפת דלק מאובנים.
מכל דלקי המאובנים, פחם מכיל כמות גדולה ביותר של פחמן בהשוואה לגז טבעי, ובכך גורם לפליטה גדולה יותר של פחמן דו-חמצני ליחידת ייצור חשמל. בשנת 2010, פחם תרם ל-81% מפליטת הפחמן הדו-חמצני, ובערך 45% מייצור החשמל בארצות הברית.
הפנל הבין-ממשלתי לשינוי האקלים מציין כי פחמן דו-חמצני הוא גז חממה והשכמויות ההולכות וגדלות שלו באטמוספירה יגרמו בסבירות גבוהה לעליית הטמפרטורה הממוצעת בקנה מידה עולמי.
ניתן להפחית את הפליטה בעזרת תהליך יעיל יותר ובעירה בטמפרטורות גבוהות יותר. לכידה ואחסון של פחמן מתחנת כוח פחמית היא אפשרות נוספת, אך הטכנולוגיה עדיין בשלבי פיתוח.

חלקיקים

בעיה נוספת בשריפת פחם היא פליטת חומר חלקיקי שיש לו השפעה חמורה על בריאות הציבור. תחנות כוח מסירות את החלקיקים מגזי הפליטה באמצעות מסנן או משקע אלקטרוסטטי. כמה תחנות כוח חדשות משתמשות בתהליך אחר, ובמהלך המחזור המשולב נוצר סינגז כתוצאה מהתגובה בין פחם למים. הסינגז מעובד להסרת רוב המזהמים ואז נעשה בו שימוש להפעלת טורבינות גז. רמת הזיהום של תחנות כוח כאלה נמוכה משמעותית מתחנות כוח פחמיות מסורתיות.
חומר חלקיקי מתחנות כוח פחמיות יכול להיות מזיק ובעל השפעות שליליות על הבריאות. מחקרים הראו שחשיפה לחלקיקים מקושרת לתמותה בעקבות מחלות בדרכי הנשימה ומחלות לב. חומר חלקיקי יכול לחדור דרך דרכי הנשימה לריאות, ויכול לגרום לבעיות אסתמה, מחלת ריאות חסימתית כרונית.
הסוגים השונים של החלקיקים, תלוים במרכיבים הכימיים ובגודל. הצורה העיקרית של חלקיקים מתחנות כוח פחמיות היא אפר פחם, אך גופרית וחנקה מהווים גם הם חלקיקים רבים מתחנות כוח כאלה.
הגודל והמרכיב הכימי משפיעים על הפגיעה בבריאות האדם. למרבה הצער הרבה לא ידוע לגבי השפעת והנזק של החלקיקים על האדם.

זיהום מים ואוויר על ידי אפר פחם

מחקר שפורסם ב-2010 בעזרת מועדון סיירה וארגונים נוספים, מצא שאפר פחם המיוצר על ידי תחנות כוח פחמיות ב-21 אתרים ברחבי ארצות הברית, זיהם את מי התהום עם מרכיבים רעילים. הזיהום הכיל בין השאר ארסן ועופרת.