Kraftverk

Et kraftverk (eller en kraftstasjon) er et industrianlegg for produksjon av elektrisk energi En hovedkomponent i nesten alle kraftverk er en generator (én eller flere enheter), som er en roterende maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi ved å skape relativ bevegelse mellom et magnetisk felt og en elektrisk leder. Energikilder som utnyttes til å drive generatorene varierer mye. Dette avhenger først og fremst av hvilke drivstoff som er lett tilgjengelig, billig nok og på hvilke typer teknologi som landet eller kraftprodusentene har tilgang til.
De fleste kraftverk i verden brenner fossilt brensel som kull, olje og naturgass for å generere elektrisitet, og kjernekraft har også en viss utbredelse. Elektrisk kraftproduksjon representerer derfor en betydelig kilde til forurensning og utslipp av klimagasser. Det er en økende bruk av renere fornybare kilder som for eksempel solenergi, vind, bølger og vannkraft. Av disse er det vannkraft som er etablert teknologi, mens spesielt bølgekraft er på forsøksstadiet. Noen av verdens største kraftverk er vannkraftstasjoner.
Ordet kraftverk er misvisende fordi ordet kraft brukes i fysikken for å beskrive en påvirkning som endrer et objekts bevegelse eller form. I et kraftverk skjer energiomforming der elektrisitet dannes og da er for eksempel energiverk et mer passende uttrykk. Eller sakt på en annen måte så leverer et kraftverk energi og ikke kraft. Det samme kan sies om ordet elektriskkraft (i betydningen elektrisk energi eller effekt), kraftforsyning, kraftkilder og flere andre innarbeidede uttrykk der ordet kraft brukes på en måte som strider mot ordets innhold i dag. Imidlertid er ordet energiverk blitt en vanlig betegnelse på et distribusjonsverk, altså den instansen som selger elektrisk energi til sluttbrukere. Energiverkene vil ofte ikke ha egene kraftverk, slik at det vil oppstå misforståelser også om dette ordet brukes.
Kraftverk og elektrisitetsforsyning har fått en slik betydning som gjør at de fleste moderne samfunn får så store problemer at det truer liv og helse om produksjonen stopper bare en kort tid. Det er derfor utallige systemer i et kraftverke og i resten av kraftsystemet for å sikre stabil produksjon og overføring. Alle lands myndigheter har organer for å lage lover og regler for at de nødvendige tiltak blir utført og overholdt. I Norge er det Norges vassdrags- og energidirektorat som har dette ansvaret, mens Statnett har mye av det daglige drift- og systemansvaret for det nasjonale sentralnettet der mange av kraftverkene er tilknyttet.

Historie

I tidligere tider har vannkraft, vindkraft, samt muskelkraft fra mennesker og dyr blitt brukt til å drive maskiner som pumper, sager, møller, kverner og mange andre innretninger. Utover på 1800-tallet ble dampmaskinen tatt i bruk for å drive maskiner i fabrikkene som vokste opp under den industrielle revolusjon. I fabrikkene ble energien fra dampmaskiner eller vannturbiner overført via akslinger og reimdrift til spinnemaskiner, vevstoler, verktøymaskiner og mange andre av datidens nye oppfinnelser. En åpenbar ulempe med overføring av energi på denne måten var den store begrensningen for hvor store avstander en virksomhet kunne anlegges fra energikilden. På slutten av 1800-tallet ble det oppfunnet dynamoer eller generatorer som kunne bruke elektrisitet for overføring av energi over lengre avstander. Elektrisiteten hadde også den store fordelen ved at energi nå kunne konverteres over til mange forskjellige former som lys, varme og kinetisk energi, samt en rekke elektrokjemiske prosesser som ble utviklet og som kunne fremstille nye stoffer og materialer. Elektrisitet ble allerede helt i begynnelsen fremstilt i en egen bygning for formålet som på norsk fikk navnet kraftverk eller kraftstasjon.
Den første offentlige kraftstasjonen i verden regnes for å være var Edison Electric Light Station, bygget i London på Holborn Viaduct, som startet driften i januar 1882. Dette var et initiativ fra Thomas Edison som ble organisert og ledet av hans partner, Edward Hibberd Johnson. En dampkjele produserte dam og drev en dampmaskin på 125 hestekrefter som igjen drev en generator på 27 tonn som ble kalt Jumbo, etter den berømte elefanten. Dette kraftverket levert strøm til bygninger i området via kabler gjennom kulverter, slik at en ikke behøvde å grave opp veiene. Abonnentene  inkluderte blant annet City Temple og Old Bailey. En annen viktig kunde var telegrafen i hovedpostkontoret, men dette kunne ikke nås via kulverter. Johnson laget da et arrangert med en opphengt forsyningskabel, via Holborn Tavern og Newgate.
I september 1882 ble Pearl Street Station satt i drift av Thomas Edison i New York for å gi elektrisk belysning til bygninger i nedre deler av Manhattan i New York. Stasjonen var i drift inntil den ble ødelagt av brann i 1890. I kraftstasjonen ble det benyttet en dampmaskinen for å drive likestrøms generatorer. På grunn av at distribusjon av likestrøm gir uforholdsmessig stort spenningsfall var forsyningsområdet lite. Den såkalte strømkrigen ble til slutt vunnet til fordel for vekselstrøm for distribusjon og bruk av elektrisk kraft, selv om noen likestrømsystemer var i bruk til langt utover på 1900-tallet. Likestrømsystemer med en aksjonsradius på rundt én kilometer måtte nødvendigvis være av mindre skala. Andre ulemper er at de hadde mindre effektivt drivstofforbruk, og mer arbeidskrevende å drive og vedlikeholde enn de mye større sentrale vekselstrømsanleggene.
Norges aller første vannkraftverk ble satt i drift samme høst som kraftverket i Pearl Street, og ble bygget av Senjens Nikkelverk i Hamn på Senja. Anlegget var på 6,5 kW og energien ble kun brukt til belysning.
Vekselstrømssystemer brukte et stort utvalg av frekvenser avhengig av typen av last: Belysning med bruk av høyere frekvenser, og elektrisk jernbane og store motorlaster der lavere frekvenser ble valgt. Økonomien i konseptet med en sentral kraftstasjon forbedret seg kraftig når enhetlig lys- og kraftsystemer som opererte på en felles frekvens, ble utviklet. Det samme kraftverket som matet til store industriformål i løpet av dagen, kunne mate jernbanesystemer i rushtiden og deretter forsyne private husholdninger som først og fremst trengte belysning på kvelden. På denne måten ble systemets  brukstid forbedre og samtidig ble kostnadene for energiproduksjon redusert. Mange unntak eksistert, noen kraftstasjoner ble dedikert til drift av maskiner eller lys med en bestemt frekvens. I Norge er Hakavik kraftverk et eksempel. Roterende frekvensomformere var spesielt vanlig for å mate elektriske jernbanesystemer fra kraftsystemer for alminnelig kraftforsyning. I Sverige, Tyskland, Sveits, Østerrike og Norge er dette standard også i dag.
I løpet av de første tiårene av 1900-tallet ble de sentrale dampdrevne kraftstasjonene stadig større ved hjelp av høyere damptrykk for å gi større effektivitet. Samtidig ble mange kraftstasjoner koblet sammen for å forbedre påliteligheten og kostnader, dette kalles samkjøring. Høy spenning og vekselstrømoverføringer gjør at vannkraft ble en attraktiv energikilde ved fjerne fossefall kan levere elektrisk kraft til byene.
Utviklingen av dampturbiner for bruk i kraftstasjonene på begynnelsen av 1900-tallet gjorde det mulig med en stor utvidelse av produksjonskapasitet. 
Generatorer ble ikke lenger begrenset av kraftoverføring med reimdrift eller den relativt langsomme hastighet av stempelmaskiner, og aggregatene kunne vokse til enorme størrelser. For eksempel Sebastian Ziani de Ferranti planlagt det som ville ha vært den største stempeldampmaskinen noensinne bygget til en foreslått ny kraftstasjon, men forkastet planene når en turbin ble tilgjengelig i ønsket størrelse. Å bygge kraftsystemer med sentraliserte kraftstasjoner krevde kombinasjon av ingeniørkunst og finansielle skarpsindighet. Pionerene som bygde store kraftstasjoner er George Westinghouse og Samuel Insull i USA, Ferranti og Charles Hesterman Merz i Storbritannia, og mange andre.

Teknisk oppbygning

I nesten alle kraftverk er det som nevnt én eller flere turbiner, som er en roterende maskin (ofte en dampturbin, gassturbin, vannturbin eller vindmølle) som driver en generator. En damp eller gassturbin blir kalt en varmekraftmaskin, som forteller at det er varmeenergi som omformes. De to enhetene generator og turbin blir ofte benevnt aggregat. Generatoren omdanner kinetisk energi til elektrisk energi ved å skape relativ bevegelse mellom et magnetfelt og en elektrisk leder. I dagens kraftsystemer er disse trefase vekselstrøms synkrongeneratorer som leverer elektrisitet ut på et stort kraftnett. I kraftnettet er frekvensen enten 50 (typisk i Europa og Russland) eller 60 Hz (typisk i Amerika), og dette har direkte betydning for omdreiningstallet til generatorene. Ofte har kraftnettet en spenning som mye høyere enn den spenningen en praktisk generator kan ha, derfor står det transformatorer mellom generatorene og kraftnettet slik at kraftstasjonene kan levere ut den ønskede spenning.

Energiomvandling i et varmekraftverk

De fleste kraftverk i verden brenner fossilt brensel som for eksempel kull, olje og naturgass, samt at kjernekraft har også en viss utbredelse. Typisk brukes disse energikildene til å produsere damp under høyt trykk i dampkjeler som driver turbinene, disse kalles derfor for dampkraftverk. En moderne dampkjel er ofte en såkalt vannrørskjele der et meget omfattende rørsystem med vann blir oppvarmet når drivstoffet forbrennes. I moderne kraftverk er det ønskelig å produserer damp i en form som kalles superkritisk væske, som er en tilstand som inntrer når trykket er over 22,1 MPa og temperatur på over 374 °C. Grunnen til at dette svært høye trykke og temperaturen tilstrebes for dampproduksjon er forbedring av virkningsgraden. Ifølge Carnotprosessen vil det skje en bedre termisk energioverføring om temperaturforskjellen mellom energikilden (forbrenningsprosessen) og energiopptakeren (vannet i kjelen) er minst mulig.
Turbinene i et dampkraftverk er av typen dampturbin og består av en aksling påmontert hjul med skovler som drives rundt av kraften (og dermed momentet) som dampen med høyt trykk skaper. En sier at varmeenergien i damp blir omvandlet til kinetisk energi (rotasjon), og en kaller derfor en dampturbin for en varmekraftmaskin.

Virkningsgrad

Ikke all termisk energi kan omdannes til mekanisk energi, i henhold til termodynamikkens andre lov. Derfor er det alltid varme som tapes til omgivelsene ved termisk energiomforming. Virkningsgraden i en dampturbin er begrenset av den maksimale damptemperatur som kan oppnås, og er ikke direkte avhengig av det drivstoffet som brukes. For de samme forholde hva gjelder dampkjele og dampturbin, vil et kull-, kjerne- og gasskraftverk alle ha den samme teoretiske virkningsgraden. Et varmekraftverk som leverer konstant effekt, kalt grunnlast, vil ha større virkningsgrad enn et som brukes for midlertidig høyt effektbehov, kalt topplast. Dampturbiner oppnår generelt høyere virkningsgrad når de blir kjørt for full kapasitet.
Virkningsgraden for en dampturbin er typisk noe under 50 %, noe som vil si at halvparten av dampens energi ikke kan nyttiggjøres i turbinen. I tillegg til dette energitapet er det flere andre ledd i et dampkraftverk som gjør at virkningsgraden blir enda lavere. I USA har U. S. Department of Energy et program med en visjon om å øke den totale termiske virkningsgraden i alle landets kullfyrte dampkraftverk fra 32,5 til 36 % innen 2020.

Damp og vann i en lukket krets

Som sakt vil bare en del av dampens energi nyttiggjøres i dampturbinen, og dampen har høy temperatur ut fra turbinen. Etter at dampen forlater turbinen går den videre til en kondenser, som er en type varmeveksler der dampen blir kondensert til vann og ført tilbake til dampkjelen. Dette betyr at vannet som er arbeidsmedium i et dampkraftverk går i en lukket sløyfe. Kondenseren får tilført kjølevann, som er vann med en betydeligere lavere temperatur enn dampen. Kjølevann må kontinuerlig tilføres og kan komme fra en nærliggende elv. Om det ikke er mulig benyttes kjøletårn der kjølevannet avgir sin varme til luften. Dette skjer ved at det vannet risler nedover i en motgående luftstrøm. Kjøletårnet er sylindrisk og kan være rundt hundre meter høyt, og ved at det oppstår skorsteinseffekt vil store luftmengder danne en kraftig luftstrøm. Energien fra et varmekraftverk som forsvinner som via kjølevannet kalles spillvarme og om denne ikke kan brukes går mye energi tapt. For øvrig brukes et annet og mer generelt begrep fra fysikken om dette tapet, nemmelig anergi.

Bruk av spillvarme fra et varmekraftverk

Mye av spillvarmen fra et termisk kraftverk består som nevnt av av kjølevann med høy temperatur. Denne energien kan utnyttes som fjernvarme i for eksempel en nærliggende by. På denne måten kan den totale virkningsgraden økes en hel del. Om denne muligheten ikke eksisterer blir kjølevannet som nevnt ført over til det ytre miljøet enten vil vann (nærliggende elv) eller luft (kjøletårn). Ofte vil en kunne velge mellom disse tre måtene for å få vekk overskuddsvarmen fra ett og samme kraftverk. Dette fordi behovet for fjernvarme kan variere sterkt gjennom året, dessuten kan det være restriksjoner på hvor mye oppvarming som tillates av vassdrag.
Foruten bruk av spillvarme for prosess- eller fjernvarme, er en måte å forbedre den generelle virkningsgraden i et kraftverk å kombinere to forskjellige termodynamiske sykluser. Oftest blir avgassene fra en gassturbin benyttet for å generere damp som igjen driver en dampturbin. Kombinasjonen av en første og andre syklus gir høyere samlet virkningsgrad enn hver av disse syklusene kan oppnå hver for seg. Hvis denne spillvarme kan anvendes som nyttig varme, for industriprosesser eller fjernvarme, er kraftverket referert til som en kraftvarmeverk eller i engelsk språkbruk CHP (combined heat-and-power) kraftverk. I land der fjernvarme er vanlig, er det ikke uvanlig med stasjoner som kun produserer varmeenergi, disse kalles varmeverk. En  type kraftverk i Midtøsten bruker spillvarme til avsalting vann.

Karbondioksid

Kraftproduksjon ved hjelp av fossilt brensel står for en stor andel av karbondioksid (CO2) utslippene på verdensbasis. I USA skjer 68 % av kraftproduksjon ved forbrenning av fossilt brensel. I 2012 var kraftsektoren den største kilden til klimagassutslipp i USA, med om lag 32 % av totalen. Av de fossile brensler er kull mye mer karbonintensiv enn olje eller naturgass, noe som resulterer i større volumer av utslipp av karbondioksid per enhet generert elektrisitet. Selv om kull står for ca. 75 % av CO₂-utslippene fra kraftsektoren, representerer det bare ca. 39 % av elektrisitetsproduksjonen i USA.
Utslippene kan reduseres gjennom mer effektiv og høyere forbrenningstamperetur og gjennom mer effektiv produksjon av elektrisitet i syklusen. Karbonfangst og -lagring (engelsk forkortet CCS) av utslipp fra kullfyrte kraftverk er et annet alternativ, men teknologien er fortsatt under utvikling og vil øke kostnadene for fossilbasert produksjon av elektrisitet. Konseptet med CCS kan ikke være økonomisk levedyktig med mindre prisen på utslipp CO₂ til atmosfæren stiger.

Atomkraftverk

Atomkraftverkene er de mest kontroversielle, og motsetningene er meget store mellom tilhengere og motstandere. Tilhengerne mener at det er en den eneste forurensningsfrie energikilden som i stor skala kan erstatte fossile brensler. Dessuten mener de at risikoen ved håndtering og lagring av fallet er liten, samt at driftsikkerheten generelt er stor. Motstanderne sier at kjernekraft utgjør en trussel mot mennesker og miljø. Disse truslene inkluderer helserisiko og miljøskade fra urangruver, prosessering og transport, samtidig eksisterer risikoen for spredning av materiale for bruk i atomvåpen. Sabotasje er en annen risiko, i tillegg til det uløste problemet med radioaktivt avfall

Elektrisk kraft fra fornybar energi

Andelen fornybar energi i den total kraftproduksjonen, vil i henhold til IEA sitt middel-scenario, stige fra 20 % i 2011 til 31 % i 2035. Det betyr at fornybar energi vil stå for nesten halvparten av veksten i den global kraftproduksjonen. Kina vil stå for den absolutte største økningen av  produksjon fra fornybare energikilder, mer enn økningen i EU, USA og Japan til sammen.

Vannkraft

Vannkraft er den største enkeltkilden til fornybar elektrisk kraftproduksjon i dag, noe som utgjør 16 % av verdens kraftproduksjon. IEA forventer at både vannkraftkapasitet og årlig energiproduksjon  innen 2050 skal omtrent dobbelt seg fra dagens nivå.

Energiomvandling i et vannkraftverk

I et vannkraftverk er det også generatorer og turbiner, men en vannturbin har svært mye større virkningsgrad enn en damp- eller gassturbin. Det er her snakk om virkningsgrader opp mot 95 %. Et vannkraftverk utnytter den potensielle energien som vann i en dam eller reservoar på et høyere nivå enn havet har. Fra dammen ledes vannet inn i en trykktunnel i fjell (eller i mange tilfeller et rør nedgravd eller lagt på utsiden av fjell) ned mot kraftverkets turbiner som driver generatorene. Etter at vannet forlater turbinene ledes det tilbake til vassdraget eller direkte ut i havet. I mange tilfeller er det snakk om at flere dammer og elver forsyner vann til en og samme kraftstasjon. Tunnelene mellom disse og kraftstasjonen kan være mange kilometer lange og ha et tverrsnitt mye større enn en vegtunnel. En dam gir reguleringsmuligheter, det vil si at vann kan samles opp og benyttes på en tid av døgnet eller året når energibehovet er stort. Dermed kan produksjonen i større eller mindre grad gjøres uavhengig av nedbøren. I elvekraftverk finnes  ikke denne muligheten til å samle opp vann, og kraftverkets produksjon blir da helt bestemt av elvens vannføring. Dette er altså av typen definert som ikke-forutsigbar kraft.
Høydeforskjellen mellom nivået der vannet fra turbinene slippes ut og vannspeilet i dammen til kraftverket kalles fallhøyden. Utnyttbar effekt er direkte proporsjonal med produktet av vannstrømning (kraftverkets slukeevne) og fallhøyde. Energiproduksjonen per år blir tilsvarende lik det totale vannvolumet med oppfanget nedbør multiplisert med fallhøyden. Det kan være mange vannkraftverk nedover i vassdraget slik at vannet blir utnyttet flere ganger. For hvert nivå nedover i vassdraget vil gjerne nedbørfeltet øke, dermed kan stadig mer vann fanges opp og utnyttes helt  til elven når havet.

Utbredelse

Vannkraft blir produsert i 159 land, med Kina som den største vannkraftprodusent med en produksjon på 694 TWh i 2010, som representerer rundt 14,8 % av den totale elektriske kraftproduksjonen i landet. Brasil er på andreplass med en produksjon i 2010 på 403 TWh som utgjorde 80,2 % av landets totale kraftproduksjon. Norge produserer godt over 90 % av sin elektriske kraft med vannkraft, men i Albania, Kongo, Mosambik, Nepal, Paraguay, Tadsjikistan og Zambia kommer nær 100 % av all elektrisk energiproduksjon fra vannkraft. Verdens totale installerte ytelse for produksjon av vannkraft er 1 [TW] i 2010, og dette tallet stiger med 2,5 % per år.

Pumpekraftverk

Et pumpekraftverk er en netto forbruker av energi, men kan brukes til å jevne ut topper og bunner i samlet etterspørsel etter elektrisk kraft. Pumpekraftverk bruker vanligvis til å «akkumulere» elektrisitet i løpet av perioder med kraftoverskudd, altså i lavlastperioder. Energi brukes til å pumpe vann fra et lavere reservoar eller dam, til en øvre reservoar. Fordi elektrisiteten som forbrukes til dette arbeidet skjer i lavlastperider er denne energien typisk billigere enn strøm i topplastperioder. Årsaken er at  grunnlastkraftverkene, som er typisk kullfyrte eller kjernekraftverk, ikke kan slås på og av raskt. Disse må derfor være i drift selv når etterspørselen er lav. I løpet av de timene toppbelastning varer og kraftprisen er høy, blir vannet som allerede er pumpet til det høyere reservoaret sluppet tilbake til pumpekraftverkets vannturbiner. Dermed blir det produserer kraft når behovet er stort og prisen høy. I motsetning til kullkraftverk, som kan ta mer i størrelsesorden 24  timer for å starte opp fra kald tilstand, kan et pumpekraftverket produsere energi i løpet av svært  kortere tid.
For å møte en hurtig voksende etterspørsel, eller motsatt en hurtig fallende etterspørsel, er et pumpekraftverk nyttige, spesielt i termiske baserte kraftsystemer. Også andre konsepter er brukt for samme formålet som trykkluft drevne kraftverk og mindre gasskraftverk.

Solenergi

Et kraftverk med solceller skiller seg fra andre kraftverk ved at det dannes elektrisitet direkte uten generatorer. En kaller dette for den fotoelektrisk effekt. Elektrisiteten som dannes er likestrøm og for at denne skal bli nyttiggjort i kraftsystemet blir den vekselrettet, det vil si omvandlet ved hjelp av halvledere (semikonduktorer) til vekselspenning.
Solvarmekraftverk er en annen type solenergikraftverk. Disse bruker ofte hundrevis eller tusenvis av parabolske speil for å samle sollys og reflektere dette mot et sentralt tårn. Her blir rør som inneholder et arbeidsmedium som for eksempel olje, varmet opp til høy temperatur. Den oppvarmede olje blir så brukt til å koke vann til damp, som brukes til å drive en turbin som driver en generator.

Vind

Vindmøller kan brukes til å generere elektrisitet i områder med sterk og jevn vind. Vanligvis på landjorden, men også offshore. Mange ulike konstruksjoner har blitt utprøvd, men nesten alle moderne turbiner som blir produsert i dag bruker en rotor med tre blader. Nettilknyttede vindturbiner som bygges nå er mye større enn de enhetene som ble installert på 1970-tallet, de produsere også strøm billigere og sikrere enn tidligere modeller. Med større turbiner (i størrelsesorden 1 MW) beveger bladene seg saktere enn i eldre og mindre enheter, noe som gjør turbinene mindre visuelt forstyrrende og ikke så farlig for fugler.

Havenergi

Havenergi refererer til energi båret av havets bølger, tidevann, saltholdighet, havstrømmer eller havets termisk energi. Bevegelsen av vann i verdenshavene skaper et stort lager av kinetisk energi. Denne energien kan utnyttes til elektrisk kraftproduksjon. Offshore vindkraft er ikke en form for havenergi, det er etter definisjonen en form for vindkraft, selv om vindturbinen er plassert over vann.
Ikke bare har havene en enorm mengde energi, de ligger også i nærheten av områder med store befolkningskonsentrasjoner. Havenergi har potensial til å gi en betydelig mengde ny fornybar energi rundt om i verden.

Osmose eller Saltkraft

Saltkraf er energi som utvinnes når ferskvann og saltvann adskilles med en membran. I et saltkraftverk brukes osmose til å transportere ferskvann gjennom en membran, i et dobbelt kammer atskilt av membranen. Saltvannet i det ene kammeret trekker ferskvann gjennom membranen og trykket på saltvannssiden øker. Trykket gir saltvannet større potensiell energi, som kan brukes til å drive en vannturbin som produserer strøm. Denne metoden ble spesielt undersøkt av Statkraft, som har beregnet at opp til 25 TWh/år vil være tilgjengelig fra denne prosessen i Norge. Statkraft har bygget verdens første prototyp for saltkraftverk på Oslofjorden som ble åpnet 24. november 2009, men har i 2014 gitt opp dette prosjektet.

Biomasse

Energi fra biomasse kan produseres ved forbrenning av avfall fra dødt organisk materiale. Varmen fra forbrenningen utnyttes til å produsere damp til å drive en dampturbin.
Bioenergi kan også bli behandlet gjennom en rekke forskjellige temperaturer og trykk i gassifisering-, pyrolyse- eller torrefiering-reaksjoner. Avhengig av det ønskede sluttproduktet, kan disse reaksjoner skape flere energitette mellomprodukter (som syngass, pellets, biocoal), disse kan deretter mates inn i en tilhørende varmekraftmaskin (gassturbin eller stempelmotor) for å produsere elektrisitet med et mye lavere utslippsnivå sammenlignet med åpen forbrenning.

Miljøpåvirkning

Fornybare energikilder forbruker ikke jordens ressurser og vil i prinsippet heller ikke ha skadelig utslipp. De fleste fornybare energikilder er derfor ikke omfattet av motstand og kontroverser som de andre konvensjonelle energikildene. Ut fra et globalt miljøperspektiv blir de sett på som løsningen for utfordringene med klimaendringer og stadig økende energibehov. Fra et klassisk miljøperspektiv vil det blant annet kunne påpekes inngrep i sårbare naturmiljøer ved etablering av alle typer installasjoner, også kraftverk med fornybare kilder.
For eksempel er det i Norge og flere andre land kontroverser om vindmøller. Motstandere hevder at de er visuelt og støymessigste plagsomme. Andre problemer er at de kan være en fare for fugler og dyr. Forskning tyder imidlertid på at en del av disse risikoene og ulempene kan være overdrevet.
Den fornybare energikilden som utvilsomt har store miljømessige konsekvenser er vannkraft. Store vannkraftverk vil ha reguleringsdammer som legger arealer under vann, samtidig som de endrer vannføringen i elver. Store dammer kan legge beslag på habitat for dyr og planter, eller ødelegge dyrkbar mark, samt at bostedsområder blir borte. Endret vannføring, eller tørrlegging av elver, får betydning for blant annet fiske i elver, eller byr på interessekonflikter mellom de land som elven renner gjennom.

Utfordringer i land med stort innslag av en type kraftstasjoner

Som beskrevet ovenfor er kull-, gass-, olje- og kjernekraftverk anlegg som kan utnytte en energikilde som det vil være konstant tilgang på. Dette i motsetning til for eksempel vind-, sol- og vannkraft som kan variere mye og som ikke er forutsigbar. Planleggingen av størrelsen på de forskjellige typene av kraftverk og deres rolle i kraftsystemet vil derfor være svært ulik.
Et termisk kraftverk planlegges med hensyn på å forsyne tilstrekkelig effekt til de forbrukerne som er tilknyttet kraftsystemet. Derfor kaller en disse for effektdimensjonert kraftverk. Derimot vil et vind-, sol- og vannkraftverk være dimensjonert for å kunne utnytte så mye som mulig av gjennomsnittlig tilgjengelig energi på stedet. En sier at disse er energidimensjonerte. Spesielle utfordringer oppstår i kraftsystemer, som gjerne er nasjonale, der det er stor grad av ensidighet av noen av disse typene av kraftverk. Her følger noen eksempler på dette.

Utfordringer i Frankrike med mye kjernekraft

I Frankrike ble det i 2013 produsert 406 TWh elektrisk kraft, og de siste årene har rundt 75 % av denne kommet fra atomkraftverk. Dette er verdens høyeste andel av kjernekraft i elektrisitetsproduksjonen. I Frankrike er det konstruert lastfølgende kjernekraftverk, og det er ikke uvanlig at kraftverkene stenges ned i helgene når forbruket er lite. Dette betyr at kjernekraftverkene har lav  utnyttelsesgrad (lav brukstid), noe som ikke er noen idel driftsform for atomkraftverk rent økonomisk. I Frankrike er elektrisk oppvarming vanlig. Om lag en tredel av eksisterende og tre fjerdedeler av nye boliger oppvarmes ved hjelp av elektrisitet, noe som er lønnsomt for husholdningene på grunn av at differensierte tariffer tilbys. Dermed fines det intensiver for å få forbrukerne til å benytte energi fra atomkraftverkene i lavlastperioder. Frankrike er Europas største eksportør av elektrisk kraft, men ved plutselig stort kraftbehov greier ikke kjernekraftverkene produsere energi hurtig nok. Dermed snur den elektriske kraftflyten og landet må isteden importere elektrisitet. I en plutselig kuldeperiode øker elektrisitetsbehovet dramatisk og tvinger landet til å importere av full kapasitet fra sine naboland. I februar 2012 kom en plutselig kuldeperiode der Tyskland måtte komme til unnsetning ved å eksportere store kraftmengder

Utfordringer i Tyskland med mye vind- og solkraft

Tyskland hadde den 18. april 2013 rundt midt på dagen en produksjon på 35,9 Gwh fra sol- og vindkraft, dette var den høyeste produksjonen fra disse kildene noen gang. Samtidig var over 50 % av den elektriske kraftproduksjonen dekket opp fra disse kildene. I Tyskland har en besluttet å stenge alle atomkraftverkenr og satse stort på fornybar energi. Sol og vindkraft er som nevnt av natur uberegnelige energikilder. Endringene i kraftproduksjonene fra disse kildene kan skje hurtig. I Tyskland debatteres det hvordan energibehovet skal kunne dekkes opp når behovet er stort samtidig med at det er overskyet og lite vind. Kraftbransjen selv frykter at en kan få kollaps i strømforsyningen når atomkraftverkene, kullkraftverkene og gasskraftverkene stenges ned, og den uregulerbare sol- og vindkraften tar over. Hurtig regulerbar vannkraft fra Norge ansees som en gunstig løsning på dette problemet, og det diskuteres på ministernivå å bygge kabler mellom Norge og Tyskland for å hurtig kunne utveksle effekt.

Utfordringer i Norge med mye vannkraft

I Norge er et eksempel på et tredje spesielt energisystem der innslaget av vannkraftproduksjon praktisk talt er enerådende. Samtidig kan variasjonen i nedbøren variere mye fra år til år, både innenfor en region og for hele lande som helhet. Det er derfor nødvendig med store magasiner for å lagre vann som kan komme til nytte i et år med liten nedbør. Blåsjø og Storglomvatnet er Norges største vannreservoarer og de skal bidra til å avhjelpe energibehovet i år med liten nedbør, såkalt tørårssikring med flerårsmagasiner. Faller det lite nedbør (snøfattig vinter og en tørr vår og sommer) som etterfølges av en kald vinter kan rasjonering bli siste utvei, det vil si at visse forbrukere må redusere eller innstille sin virksomhet. I slike situasjoner må husholdningenes behov for elektrisk oppvarming prioriteres. Andre tiltak for å bøte på store årlige variasjoner er kraftoverføring mellom regioner med ulik nedbør og forbruk. Et annet tiltak er kraftoverføring fra naboland (Sverige og Danmark) som har termiske kraftverk med mulighet for økt produksjon og eksport.

Samkjøring

I elektrisitetsforsyningens barndom måtte en og samme kraftstasjon forsyne forbrukerne med strøm også i perioder av døgnet med lite behov. Da blir virkningsgraden liten og driften uøkonomisk. Ved utvidelse av kraftsystemet kan en heller stenge av noen kraftverk når forbruket er lite, slik at de gjenværende kraftverkene produserer elektrisk kraft med ytelse nærmere nominell effekt som gir best virkningsgrad. Et annet eksempel er ulempe som oppstår om et vassdrag skal utnyttes for lokal kraftforsyning. Da må ytelsen i kraftverket være tilpasset det maksimale effektbehovet i byen eller tettstedet. Om denne ytelsen er liten i forhold til vår og høstflommen vil vannet renne forbi kraftstasjonen ubrukt. Samtidig vil det kunne bli knapphet på elektrisk kraft ved liten vannføring. Dermed vil et vannkraftverk for lokal produksjon kunne bli både lite økonomisk optimalt og ikke kunne gi sikker forsyning.
I regelen er alle kraftverk innenfor et stort område koblet sammen via kraftnettet, og dette nettet kan ha en utbredelse som inkluderer mange land. Denne måten å kjøre kraftverk sammen på kalles samkjøring og er et samarbeid som gir store fordeler. Ved feil og stans i et kraftverk vil ikke forbrukere i et stort område bli påvirket, fordi de andre kraftverkene tar på seg den produksjonen som falt ut. Siden denne lastoverføringen skjer må skje hurtig, kan en ikke vente på at nye kraftverk skal starte. Isteden må kraftverkene i drift kjøres noe under full ytelse, slik at de hurtig kan ta over og fordele et plutselig lastbehov mellom seg. Dette kalles gjerne for roterende reserve. En annen fordel er som nevnt over at med stort innslag av en type kraftverk, kan en ha samarbeid over store områder eller mellom flere land, for å forsyne ved toppbelastning eller hurtige variasjoner. Totalt sett fører samkjøring til bedre utnyttelse og bedre økonomisk drift av kraftverkene, samt at det gir større leveringssikkerhet.

Statikk og frekvenskontroll

I et kraftsystem må det til enhver tid vare eksakt like stor produksjon av effekt som forbruk. Det er turbinregulatorene på hver enkelt aggregat som sørger for dette. Denne måler turtallet og regulerer pådraget (mengden damp inn på en dampturbin eller vann inn på en vannturbin) for å gi tilnærmet konstant turtall. Turtallet er via generatoren direkte proporsjonalt med frekvensen, slik at om en generator for en dampturbin er konstruert for 3000 rpm (omdreininger i minuttet) vil frekvensen være nøyaktig 50 Hz (i USA 60 Hz). Alle kraftverkene tilknyttet kraftnettet vil kunne måle eksakt samme frekvens og dermed også turtall.
For å få alle aggregatene til å dele belastningen mellom seg er regulatorene innstilt for å gi et såkalt stasjonært avvik, eller som en sier at de har karakteristikk som en P-regulator (proporsjonal-regulator). Dette vil ikke si at regulatoren oppfører seg som en P-regulator transient, altså i et reguleringsforløp, men etter at et innsvingningsforløp er over. At regulatoren gir et stasjonært avvik vil si at det skal være en spesiell sammenheng mellom frekvensen og effekten, og denne er slik at frekvensen er litt større når aggregatet går i tomgang enn ved full belastning. Sammenhengen mellom effekt og frekvens for et kraftverk kalles regulerstyrke med benevnelsen MW/Hz.
Med en slik type regulator vil enhver turbinregulator regulere opp pådraget når frekvensen faller og motsatt ved økende frekvens. Ved at alle aggregater blir regulert på denne måten blir systemet stabilt, og pådragsreguleringen skjer hurtig i alle kraftverk. I Skandinavia varierer frekvensen typisk mellom 49,90-50,10 Hz. Nedenfor er det en ekstern lenke til en nettside tilhørende statnett som til enhver tid viser hvordan nettfrekvensen varierer.
Stigningstallet for linjen som beskriver sammenhengen mellom effekt og frekvensen (regulerstyrken) er ikke like i alle kraftstasjonene. Hvor bratt kurven faller er avhengig av kraftverkets type og karakteristika. Et grunnlastkraftverk ønsker en skal ha liten følsomhet for lastendringer, dermed har denne en regulerstyrke som er liten (lite stigningstall). Derimot må et topplastverk reagere hurtig på lastendringer, og slike kraftverk får en stor regulerstyrke. Denne typen regulering kalles primærregulering, den skjer hurtig og automatisk. Allikevel tar det en liten tid før den trer i funksjon, da er den roterende reserven som forklart i forrige avsnitt avgjørende. I tillegg til primærreguleringen finnes det enda to til reguleringer.

Primær- sekundær og tertiærregulering

At det finnes roterende reserve og mulighet for å regulere pådraget i kraftverkene noe opp eller ned kalles for kraftsystemets primærreserver. Med planlegging av driften av kraftverkene (som antall kraftverk i drift og pådrag) på den ene siden og forbruket (som husholdninger, industri, eksport og import) på denne annen side, søker en å unngå at denne skal brukes. Imidlertid skjer uønskede hendelser som uforutsette værendringer (husholdningene bruker mer eller mindre energi til oppvarming en prognosen tilsa), utfall av kraftverk eller kraftlinjer. Dessuten kan ikke forbruket eksakt estimeres på forhånd.
Etter at primærreguleringen har sørget for likevekt mellom produksjon og forbruk vil det oppstå et frekvensavvik, altså at frekvensen er kommet utenfor det ønskede intervallet på 49,00-50,10 Hz. Imidlertid er det et krav at frekvensen skal være så nært 50 Hz som mulig. En annen ting er at en del av primærreserven er aktivert og lagt beslag på. Om det skjer en ny uforutsett hendelse vil kanskje frekvensen kommer enda lengre unna 50 Hz, eller at det ikke er nok margin til å forsyne den samlede belastningen. Produksjonen blir regulert opp eller ned slik at frekvensen kommer nærmest mulig 50 Hz, for å gjøre dette blir kraftverkenes statikk justert noe opp eller ned. Stigningstallet er allikevel det samme (statikken blir altså parallellforskjøvet). Denne typen regulering kalles sekunderregulering. Responsen på sekundærreguleringen skal være ca. 120-210 sekunder i Skandinavia.
Sekundærreguleringen er automatisk og i likehet med primærreguleringen representerer den en reserve, kalt sekunderreserven. Denne står også til rådighet for uforutsette endringer. I Skandinavia brukes den for å utjevne frekvensavvik og holde 50 Hz mest mulig konstant, mens den i resten av Europa også brukes for å håndtere avvik i effektflyten mellom landene.
I tillegg til primær- og sekundærreguleringen som skal utjevne frekvensforskjeller automatisk har en i tillegg tertiærregulering som er manuell. Når denne aktiveres sier en at primær- og sekunderreserver frigjøres og blir klargjort for en nye uforutsette hendelser. Et annet formål med tertiærregulering er å utjevne såkalte flaskehalser i kraftsystemet, med dette menes svake deler av overføringsnettet der begrenset effekt kan overføres. At det finnes tertiærregulering vil si at det finnes reserver i kraftproduksjonssystemt som kan aktiveres. Dette kan for eksempel være kraftstasjoner som ikke er i drift, men som på kort varsel kan startes for kortere eller lengre tid. Dette kalles tertiærreserver og omtales som regulerkraft. Denne energien omsettes i et Nordisk regulerkraftmarked. I Norge er det krav om en tertiærreserve på 1200 MW for å kunne frigjøre primær- og sekunderreserver, mens det er en ytterligere tertiærreserve for å håndtere flaskehalser i kraftnettet på 800 MW. Responstiden for å kunne aktivere tertiærreserver er opptil 15 minutter i Norge.

Spenningsregulator

På samme måte som frekvensen og effektproduksjonen i kraftsystemet reguleres i kraftverkene må også spenningen reguleres. Spenningen reguleres ved hjelp av generatorene og i utgangspunktet må også den være mest mulig konstant. Til enhver generator tilhører det en spenningsregulator som kontinuerlig regulerer spenningen. (Unntak finnes for småkraftverk som ikke behøver spenningsregulator.) Spenningsregulatorene i alle sammenkoblede kraftverk har en statikk og fungerer på omentrent samme måte som turbinregulatorene. For turbinregulatoren var det frekvensen i kraftsystemet som var felles referanse for regulatorene, og for spenningsregulatoren er det spenningen som er felles.