โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิล

โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิล (อังกฤษ: fossil-fuel power station) เป็นโรงงานผลิตไฟฟ้าที่เผาเชื้อเพลิงฟอสซิลเช่นถ่านหิน, ก๊าซธรรมชาติหรือปิโตรเลียมในการผลิตไฟฟ้า โรงไฟฟ้​​าเชื้อเพลิงฟอสซิลจะได้รับการออกแบบในขนาดที่ใหญ่สำหรับการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง ในหลายประเทศ โรงงานดังกล่าวผลิตส่วนใหญ่ของพลังงานไฟฟ้าที่ใช้ในประเทศ โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิลมีเครื่องจักรในการแปลงพลังงานความร้อนจากการเผาไหม้เป็นพลังงานกลซึ่งจะถูกนำไปเดินเครื่องกำเนิดไฟฟ้าต่อไป ตัวผลิตหลักอาจจะเป็นกังหันไอน้ำ, กังหันก๊าซหรือสำหรับโรงงานขนาดเล็กเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบ (อังกฤษ: reciprocating internal combustion engine) โรงงานทั้งหมดนี้ใช้พลังงานที่สกัดได้จากการขยายตัวของก๊าซ แบบอบไอน้ำหรือก๊าซเผาไหม้ แต่ก็มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบ Magnetohydrodynamic generator (MHD) ไม่กี่ตัวที่สามารถผลิตไฟฟ้าโดยการแปลงพลังงานของก๊าซร้อนที่กำลังเคลื่อนที่ให้เป็นไฟฟ้าได้โดยตรง
ผลพลอยได้จากการดำเนินงานโรงไฟฟ้​​าความร้อนจะต้องมีการพิจารณาถึงการออกแบบและการดำเนินงานของพวกมันด้วย พลังงานความร้อนที่สูญเสียซึ่งจะยังคงเกิดจากการที่มีประสิทธิภาพที่จำกัดของวัฏจักรพลังงานของ Carnot cycle, Rankine cycle, หรือ Diesel cycle จะถูกปล่อยออกโดยตรงสู่ชั้นบรรยากาศหรือแม่น้ำ/ทะเลสาบ หรือโดยอ้อมสู่บรรยากาศโดยใช้หอระบายความร้อนด้วยน้ำจากแม่น้ำหรือทะเลสาบมาใช้เป็นสื่อกลางระบายความร้อน ก๊าซไอเสียจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงฟอสซิลจะถูกปล่อยออกสู่อากาศ ก๊าซนี้ประกอบด้วยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไอน้ำ พร้อมกับสารอื่น ๆ เช่นไนโตรเจนออกไซด์ (NOₓ) ซัลเฟอร์ออกไซด์ (SOₓ) ปรอท, ร่องรอยของโลหะอื่น ๆ , และเถ้าลอยสำหรับโรงไฟฟ้าถ่านหิน เถ้าขยะแข็งจากหม้อไอน้ำถ่านหินก็จะต้องกำจัดออกเช่นกัน เถ้าถ่านหินบางส่วนสามารถนำมารีไซเคิลเป็นวัสดุก่อสร้างได้
โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิลเป็นตัวปล่อยที่สำคัญของ CO₂ ซึ่งเป็นก๊าซเรือนกระจกตามความเห็นเป็นฉันทามติขององค์กรทางวิทยาศาสตร์ ว่ามันเป็นผู้มีส่วนร่วมในการสร้างภาวะโลกร้อน เมื่อคิดพลังงานไฟฟ้าที่ผลิตได้หน่วยต่อหน่วย ถ่านหินสีน้ำตาลจะปล่อย CO₂ ออกมาเกือบสองเท่าของ CO₂ จากก๊าซธรรมชาติ และถ่านหินสีดำปล่อย CO₂ ออกมาค่อนข้างน้อยกว่าถ่านหินน้ำตาล การดักจับและการเก็บคาร์บอนที่ปล่อยออกมายังทำไม่ได้ในปัจจุบัน

แนวคิดพื้นฐาน

ในโรงไฟฟ้​​าพลังงานฟอสซิล พลังงานเคมีที่เก็บไว้ในเชื้อเพลิงฟอสซิลเช่นถ่านหิน น้ำมันเตา ก๊าซธรรมชาติ หรือหินน้ำมันและออกซิเจนในอากาศจะถูกแปลงอย่างต่อเนื่องให้เป็นพลังงานความร้อนจากนั้นก็เป็นพลังงานกลและพลังงานไฟฟ้าในที่สุด แต่ละโรงไฟฟ้​​าพลังงานฟอสซิลมีระบบที่ซับซ้อนและได้รับการออกแบบตามคำสั่ง ค่าใช้จ่ายในการก่อสร้างณ ปี 2004 อยู่ที่ US$ 1,300 ต่อกิโลวัตต์ หรือ $ 650 ล้าน สำหรับขนาด 500 MWe การสร้างหลายหน่วยผลิตไฟฟ้าในโรงงานเดียวกันจะเป็นการใช้ที่ดิน, ทรัพยากรธรรมชาติและแรงงานอย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่วนใหญ่ของโรงไฟฟ้าพลังความร้อนในโลกจะใช้เชื้อเพลิงจากฟอสซิลมากกว่าความร้อนจากนิวเคลียร์, ความร้อนใต้พิภพ, ชีวมวล, หรือจากแสงอาทิตย์

จากพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่า closed-loop cycle ใดๆเท่านั้นที่สามารถแปลงบางส่วนของความร้อนที่ผลิตระหว่างการเผาไหม้ให้เป็นงานเชิงกลได้ ส่วนที่เหลือของความร้อน(ที่เรียกว่าความร้อนสูญเสีย)จะต้องถูกปล่อยออกมาในสภาพแวดล้อมที่เย็นกว่าในช่วงย้อนกลับของวงจร ส่วนของความร้อนที่ปล่อยออกสู่ตัวกลางที่เย็นกว่าต้องเท่ากับหรือมากกว่าสัดส่วนระหว่างอุณหภูมิสมบูรณ์ (อังกฤษ: absolute temperature) ของระบบระบายความร้อน (สิ่งแวดล้อม) กับแหล่งความร้อน (เตาเผาไหม้). การเพิ่มอุณหภูมิของเตาเผาช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ แต่ทำให้การออกแบบมีความซับซ้อน ความซับซ้อนหลักได้แก่การเลือกโลหะผสมที่ใช้สำหรับการก่อสร้าง, ทำให้การทำเตาเผามีราคาแพงมากขึ้น ความร้อนสูญเสียไม่สามารถแปลงเป็นพลังงานกลได้ถ้าปราศจากระบบระบายความร้อนเย็นที่เสมอกัน อย่างไรก็ตามมันอาจถูกนำไปใช้ในโรงไฟฟ้​​าพลังความร้อนร่วม (อังกฤษ: cogeneration plant) หรือเพื่อให้ความร้อนกับอาคาร, ผลิตน้ำร้อน, หรือให้ความร้อนกับวัสดุในงานอุตสาหกรรมเช่นในโรงกลั่นน้ำมันบางแห่ง, โรงงานทั่วไป และโรงงานสังเคราะห์ทางเคมี
ประสิทธิภาพเชิงความร้อนโดยทั่วไปสำหรับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาดสาธารณูปโภคอยู่ที่ประมาณ 33% สำหรับโรงไฟฟ้าถ่านหินและน้ำมันเตา, และ 56-60% (lower heating value (LHV)) สำหรับโรงไฟฟ้าก๊าซวงจรรวม (อังกฤษ: combined-cycle gas-fired plant) โรงไฟฟ้าที่ออกแบบมาเพื่อให้เกิดประสิทธิภาพสูงสุดในการดำเนินงานที่เต็มความจุจะมีประสิทธิภาพน้อยลงเมื่อดำเนินงานนอกเหนือจากที่ออกแบบ (เช่นอุณหภูมิต่ำเกินไป)
โรงไฟฟ้าพลังงานฟอสซิลในทางปฏิบัติที่ดำเนินงานเป็นเครื่องยนต์ความร้อนจะไม่สามารถทำงานเกินขีดจำกัดของรอบการ์โนต์สำหรับการแปลงพลังงานความร้อนให้เป็นงานที่มีประโยชน์ เซลล์เชื้อเพลิงไม่ได้มีข้อจำกัดทางอุณหพลศาสตร์เช่นเดียวกันเพราะพวกมันไม่ได้เป็นเครื่องยนต์ความร้อน