Kullkraftverk

1. Kjøletårn  10. Damp-reguleringsventil  19. Overvarmer 2. Kjøletårnpumpe  11. Høytrykks dampturbin  20. Sentrifugalventilator 3. Overføringslinje (3-fase) 12. Luftfjerner (deaerator)  21. Re-varmer 4. Step-up transformator (3-fase) 13. Vannvarmer  22. Forbrenningens luftinntak 5. Elektrisk generator (3-fase) 14. Kull-rullebånd  23. «Economiser» 6. Lavtrykks dampturbin  15. Kull-trakt 24. Air preheater (APH) 7. Konsensatpumpe  16. Kull-pulverisator 25. Electrostatic precipitator (ESP) 8. Damptrommel  26. Sentrifugalventilator 9. Mellomtrykks dampturbin  18. Bunnaske-trakt  27. Røykgasspipe
Kullkraftverk er et varmekraftverk som fyres med kull – eller bitumenøs (hard) steinkull eller antrasitt, eller sub-bitumenøs, mykt brunkull eller lignitt. Hovedprinsippet er at varmen fra forbrenning av kull omdanner vann til damp med høyt trykk og temperatur, som igjen driver en dampturbin. Turbinen driver en generator som lager elektrisitet. Etter å ha passert turbinen kjøles dampen ned i en kondensator, dampen kondenseres og føres tilbake til dampkjelen. Kondensatoren, som er en varmeveksler vil avgi store mengder varmeenergi, såkalt spillvarme.

Dersom spillvarmen gjenbrukes som fjernvarme eller for videre kraftproduksjon gjennom kogenerasjon (cogeneration), er kullkraftverket et kraftvarmeverk. Dette gir om lag 50-60 % høyere virkningsgrad, og er således mer miljøvennlig ved at mindre energi unnslipper som varme. Longyear Energiverk på Svalbard er eksempel på et slikt kull-kraftvarmeverk. Slike moderne kullkraftverk legges ofte nær tettbygde strøk eller i industriområder der denne restvarmen kan utnyttes som fjernvarme eller i industriprosesser. 

En nyere type kullkraftverk er basert på en såkalt kombinasjonssyklus. Dette innebærer at kullet gassifiseres, hvorpå kullgass driver en gassturbin under høy temperatur. Deretter ledes gassene inn i en dampkjel og varmer vann til en dampturbin ((CCGT). Prinsippet har høyere virkningsgrad og er mye benyttet i gasskraftverk. Utfordringen for kull er å få til en effektiv gassifisering av kullet.

Noen kullkraftverk har også blokker og kokere som kan fyres med beslektede brennstoff, eksempelvis kullstøv, bildekk eller biomasse. 

Et moderne kullkraftverk har typisk en produksjonseffekt på 800 – 1000 MW elektrisitet, noe som gir en årlig kraftproduksjon på 7-10 terawattimer (TWh).

Miljøpåvirkning

I 2018 stod kullkraft for 38,2% av verdens kraftproduksjon og kull stod for 26,9% av verdens energiforsyning.  I tillegg til at kullkraft vil stå for en stadig mindre del av verdens kraftforsyning i framtiden, mener IEA at ikke-fossil energi stå for en større del av strømproduksjonen enn kullkraft fra 2020.

Verdens organisasjoner og internasjonale byråer, som IEA, er bekymret for miljømessige konsekvensene av fossile brensler, og da kull i særdeleshet. Forbrenning av kull bidrar mest til sur nedbør og luftforurensning, og har sammenheng med global oppvarming. På grunn av den kjemiske sammensetningen av kull er det vanskelig å fjerne urenheter fra det faste brennstoffet før forbrenningen. Dagens moderne kullkraftverk forurenser mindre enn eldre typer på grunn av nye scrubber-teknologier som filtrerer avtrekksluften før det slippes ut i atmosfæren. Imidlertid er utslipp av ulike miljøgifter allikevel i gjennomsnitt flere ganger større enn fra et gasskraftverk. I de moderne kullkraftverkene kommer forurensninger fra utslipp av gasser slik som karbondioksid, nitrogenoksider og svoveldioksid i luften.

Sur nedbør er forårsaket av utslipp av nitrogenoksider og svoveldioksid. Disse gassene kan være bare svakt sure i seg selv, men når de reagerer med andre stoffer i atmosfæren skaper de sure forbindelser så som svovelsyrling, salpetersyre og svovelsyre som faller ned sammen med nedbøren, derav begrepet sur nedbør. I Europa og USA har strengere utslippskrav og nedgangen i tungindustrien reduserte miljøfarer forbundet med dette problemet, noe som har ført til lavere utslipp etter toppen i 1960.

I 2008 dokumenterte Det europeiske miljøbyrået (EEA) drivstoffavhengige utslippsfaktorer basert på faktiske utslipp fra kraftverk i EU som i tabellen under:

 Forurensning  Steinkull  Brunkull  Fyringsolje  Annen olje  Gass CO2 (g/GJ)  94 600  101 000  77 400  74 100  56 100 SO2 (g/GJ)  765  1361  1350  228  0,68 NOx (g/GJ)  292  183  195  129  93,3 CO (g/GJ)  89,1  89,1  15,7  15,7  14,5 Andre organiske forbindelser utenom metan (g/GJ)  4,92  7,78  3,70  3,24  1,58 Svevestøv (g/GJ)  1 203  3 254  16  1 91  0.1 Røykgass volum totalt (m3/GJ)  360  444  279  276  272

Karbondioksid 



Kraftproduksjon ved hjelp av fosilt 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 med høyere forbrenningstemperatur 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.

Svevestøv 
Et annet problem knyttet til forbrenning av kull er utslipp av svevestøv som kan ha alvorlig innvirkning på folkehelsen. I kraftverk fjernes partikler fra avgassen ved bruk av en støvsamlere eller elektrostatisk utfelling. Flere nyere anlegg bruker en annen prosess kalt «Integrert Gasification  Combined Cycle» (IGCC) der syntesegass lages av en reaksjon mellom kull og vann. Syntesegass blir behandlet for å fjerne de fleste forurensninger, og først deretter brukt til å drive en gassturbin. De varme avgassene fra gassturbinen anvendes til å generere damp til å drive en dampturbin. Forurensningsnivåer på slike kraftverk blir drastisk lavere enn i «klassiske» kullkraftverk.

Studier har vist at eksponering for svevestøv er knyttet til en økning av dødelighet relatert til luftveis- og hjertesykdommer. Svevestøv kan irritere de små luftveiene i lungene, noe som kan føre til økte problemer med astma, kronisk bronkitt, luftveisobstruksjon og gassutveksling.Nel, A. (2005, May 6). Air Pollution-Related Illness: Effects of Particles. Science, 308(5723), 804-806.

Det finnes forskjellige typer av partikler fra kullkraftverk med forskjellig kjemiske sammensetning og størrelse. Den dominerende form av svevestøv fra kullkraftverk er flyveaske, men sekundær sulfat og nitrat utgjør også en stor del av svevestøv fra kullkraftverk.Grahame, T., & Schlesinger, R. (2007, April 15). Health Effects of Airborne Particulate Matter: Do We Know Enough to Consider Regulating Specific Particle Types or Sources?. Inhalation Toxicology, 19(6–7), 457–481. Flyveaske er det som er igjen etter at kull har blitt forbrent og består av de  ubrennbare materialene som finnes i kull.Schobert, H. H. (2002). Energy and Society. New York: Taylor & Francis, 241–255.. 

Størrelsen og den kjemiske sammensetningen av disse partiklene påvirker og har konsekvenser for menneskers helse. For tiden er grove- (diameter større enn 2,5 mikrometer) og fine- (diameter mellom 0,1 mikrometer og 2,5 mikrometer) partikler er regulert med lover, men ultrafine partikler (diameter mindre enn 0,1 mikrometer) er for tiden uregulert, men de utgjør allikevel mange farer. Imidlertid er fortsatt mye ukjent om hvilke typer partikler som utgjør de største skadene, noe som gjør det vanskelig å komme opp med tilstrekkelig lovgivning for å regulere svevestøv. 

Radioaktive sporstoffer 
Kull er en sedimentær bergart dannet hovedsakelig fra akkumulert plantemateriale, og det inneholder mange uorganiske mineraler og elementer som ble avsatt sammen med organisk materiale under dannelsen. Som resten av jordskorpen inneholder kull også lave nivåer av uran, thorium, og andre naturlig forekommende radioaktive isotoper, som ved utslipp i miljøet fører til radioaktiv forurensning. Selv om disse stoffene er tilstede i form av meget små spor av urenheter, vil forbrenning av kull gi en frigivelse av betydelige mengder av disse stoffene. Et kullkraftverk på 1000 MW vil kunne ha et ukontrollert utslipp av så mye som 5,2 tonn per år av uran (som inneholder 34 kg av uran-235) og 12,8 tonn per år av thorium.  Til sammenligning vil et kjernekraftverk på 1000 MW generere ca. 30 tonn med høyradioaktivt konsentrert avfall per år 

Virkningsgrad og klimahensyn
Oftest er gasskraftverkene nyere enn oljekraftverkene, både fordi oljeutvinning og -utnytting har en lengre historie, og fordi gasskraft har fått et sterkt oppsving med den senere tids fokus på global oppvarming og miljø. Gass har et av de største spesifikke energiinnhold av de fossile brenslene,EPPO – «Oil industry conversions», tabellen «Calorific value of fuels» omtrent midt på siden, og spesielt tabellen «Energy values» litt nedenfor midten.The Engineering Toolbox – «Fuels – Higher Calorific Values», tabellen har energiinnhold for alle fossile brenseltyper.
og har minst karboninnhold per energiinnhold. Dermed  gir avbrenning av gass det minste utslipp av CO2 per produsert energimengde.Natural Gas Supply Association – «Natural Gas and the Environment»   : «Natural gas is the cleanest of all the fossil fuels. Composed primarily of methane, the main products of the combustion of natural gas are carbon dioxide and water vapor, the same compounds we exhale when we breathe. Coal and oil are composed of much more complex molecules, with a higher carbon ratio and higher nitrogen and sulfur contents. This means that when combusted, coal and oil release higher levels of harmful emissions, including a higher ratio of carbon emissions, nitrogen oxides (NOx), and sulfur dioxide (SO2).»ORNL – «Bioenergy Conversion Factors»   , tabellen «Carbon content of fossil fuels and bioenergy feedstocks» helt nederst viser karboninnholdet per terrajoule energi. 
Fyring med naturgass er om lag 65 % så utslippsintensivt som kullfyring og om lag 90 % så utslippsintensivt som oljefyring.Engineering Toolbox – «Combustion Fuels – Carbon Dioxide Emissions», ref høyre kolonne i tabellen.EPA – «Natural Gas» > Air Emissions: «At the power plant, the burning of natural gas produces nitrogen oxides and carbon dioxide, but in lower quantities than burning coal or oil.».
Fordi gasskraftverk ofte har nyere og mer effektivt utstyr, kan utslippene være så lave som 30 % av kullfyrte kraftverk per produsert kraftmengde.IFEU  – studie av moderne kullkraftverk i Hamburg-Moorburg, som slipper ut tre ganger mer CO2 per energienhet produsert, sammenliknet med et moderne gasskraftverk. Side 3-4.
Oljefyrte kraftverk ligger omtrent midt mellom gass- og kullkraftverk hva angår CO2-utslipp.Se det amerikanske miljøverndepartementets tall for utslipp fra kraftverk som fyrer med henholdsvis naturgass, olje og kull under avsnittene «Environmental impacts».
De seneste ti årene har det nesten bare blitt bygget gasskraftverk i Europa og USA, og mange tidligere kull- eller oljekraftverk har blitt omstilt til gassdrift, ofte ved at det er installert gassturbiner til erstatning for dampturbiner.

Se også
 Varmekraftverk
 Kraftvarmeverk
 Oljekraftverk
 Gasskraftverk
 Liste over verdens største varmekraftverk
 Liste over verdens største kullkraftverk
 Liste over verdens største olje- og gasskraftverk

Referanser

 Eksterne lenker 

 Global Energy Observatory  – global liste over kullkraftverk.