Elektrownia cieplna (konwencjonalna lub jądrowa) to zespół urządzeń produkujący energię elektryczną wykorzystując do tego celu szereg przemian energetycznych, wśród których istotne znaczenie odgrywa ciepło. Energia cieplna pochodzi zwykle ze spalania paliwa w kotle parowym. Służy ona do podgrzania i odparowania wody oraz przegrzania pary wodnej. W turbinie następuje zamiana energii cieplnej pary na energię mechaniczną odprowadzaną wałem do generatora elektrycznego, w którym zamieniana jest na energię elektryczną. W elektrowni wykorzystującej układ turbiny gazowej ciepło dostarczane jest w komorze spalania (układ otwarty), bądź w wymienniku ciepła (układ zamknięty).

W elektrowni cieplnej energia pierwotna występuje zwykle w formie chemicznej i jest uwalniana w procesie spalania:

• paliw kopalnych (najczęściej węgla lub gazu ziemnego),
• substancji organicznych,
• odpadów przemysłowych lub komunalnych,
• biomasy,
• biogazu,

i innych.

Energia cieplna powstaje zwykle w wyniku spalania paliwa, ale może pochodzić z innych źródeł, np. ciepło odpadowe z dowolnych procesów technologicznych, źródeł geotermalnych, energii słońca.

Rozróżnia się następujące rodzaje elektrowni cieplnych:

• parowe (z turbinami parowymi)
• gazowe (z turbinami gazowymi)
• gazowo-parowe z turbinami gazowymi, parowymi i kotłem odzyskowym
• spalinowe (z silnikami tłokowymi).

Na blok energetyczny elektrowni cieplnej składają się: urządzenia podstawowe (kocioł parowy, silnik Diesla), turbina spalinowa, turbina parowa, generator synchroniczny, skraplacz, pompa wody zasilającej, transformator oraz urządzenia pomocnicze pracujące na potrzeby bloku energetycznego (młyny, pompy, wentylatory), instalacje odsiarczania i odazotowania spalin, wymienniki regeneracyjne, zbiornik wody zasilającej z odgazowywaczem, wzbudnica, rurociągi wody i pary, smoczki, zawory, taśmociągi, podajniki, i wiele innych.

W Polsce para produkowana najczęściej jest w kotle parowym opalanym węglem, ale w elektrowniach jądrowych wytwarza ją reaktor jądrowy, a może też być także produkowana w elektrowniach słonecznych typu CRS. W elektrowniach gazowo-parowych para wytwarzana jest zwykle w kotłach odzyskowych.

W teorii maszyn cieplnych mówi się, że obiegiem porównawczym elektrowni parowej jest obieg Clausiusa-Rankine'a (obieg C-R). Obieg rzeczywisty elektrowni parowej uwzględnia poszczególne straty, zwłaszcza spadek ciśnienia w kotle i przyrost entropii w turbinie. Poza tymi najistotniejszymi stratami występują mniejsze - w pompie wody zasilającej, skraplaczu, rurociągach i wymiennikach regeneracyjnych. Ciepło ujemne obiegu odprowadzane jest do otoczenia najczęściej za pomocą układu chłodzenia przekazującego energię cieplną od skraplacza do chłodni kominowej. Otoczenie jest dolnym źródłem ciepła obiegu.

Natomiast obiegiem porównawczym siłowni gazowej jest obieg Braytona-Joule'a, składający się (podobnie jak obieg C-R) z dwóch adiabat odwracalnych i dwóch izobar. Jednak z uwagi na znaczne oddalenie parametrów czynnika od linii nasycenia, ta ostatnia nie jest zaznaczana na wykresach termodynamicznych zawierających obieg Braytone'a. I w tym przypadku obieg siłowni rzeczywistej uwzględnia odpowiednie straty ciśnienia i przyrosty entropii procesów adiabatycznych.

Sprawność elektrowni cieplnych nie przekracza 60%. Najpotężniejszą elektrownią tego typu na świecie jest rosyjska Elektrownia Berezowska o zainstalowanej mocy 6400 MW. Niewiele jej ustępującą jest największa w Polsce Elektrownia Bełchatów o mocy ponad 4400 MW.

Wytwarzanie energii elektrycznej często wiąże się z jednoczesnym (skojarzonym) wytwarzaniem ciepła użytecznego (układy kogeneracyjne). Układ taki popularnie nazywany jest elektrociepłownią. Stosowanie skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej pozwala na znacznie lepsze wykorzystanie paliwa (o ok. 15 %) niż rozdzielone ich wytwarzanie w kotłowniach i elektrowniach kondensacyjnych.

Od pewnego czasu obserwuje się wprowadzanie trójgeneracji - jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej i "zimna", czyli ciepła ujemnego (stosowanego w klimatyzacji), co może jeszcze bardziej podnieść efektywność wykorzystania paliwa. Ciepło ujemne wytwarzane jest w absorpcyjnych ziębiarkach, w których "siłą napędową" jest gorący czynnik opuszczający turbinę gazową bądź silnik tłokowy.

Elektrownie cieplne w Polsce

W Polsce pierwsze siłownie cieplne (parowe) powstały w XIX w. Dostarczały one energię mechaniczną poszczególnym zakładom przemysłu maszynowego lub włókienniczego, hutom, kopalniom itp. Pierwsza elektrownia miejska w Królestwie Polskim powstała w Radomiu w 1900 roku, kolejna w 1902 roku w Warszawie. Po I wojnie światowej planowano w Polsce budowę wielu elektrowni, ale planu tego nie zrealizowano. Dopiero po II wojnie światowej nastąpił gwałtowny rozwój elektroenergetyki w oparciu o własne zasoby surowców energetycznych (węgiel kamienny i później brunatny).

Dzisiaj w Polsce mamy 55 cieplnych elektrowni zawodowych, które wytwarzają 90% energii naszego kraju. Opalane są w 60% węglem kamiennym, a w 38% węglem brunatnym.

Rozmieszczenie dużych elektrowni cieplnych zależy od trzech czynników:

• dostępu do paliwa,
• możliwości łatwego poboru wody,
• bliskości rynku zbytu energii.

Elektrownie opalane węglem brunatnym zlokalizowane są tuż przy kopalniach odkrywkowych. Są to elektrownie: Bełchatów, Zespół Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin, Turów.

Elektrownie opalane węglem kamiennym znajdują się w Górnośląskim Okręgu Przemysłowym, np. Rybnik (ROW), Jaworzno III i Łaziska.

Kilka elektrowni opalanych węglem kamiennym zlokalizowano nad dużymi rzekami. Są to: Połaniec, Kozienice, Dolna Odra, Ostrołęka.

Energia elektryczna ma wielkie znaczenie dla gospodarki Polski. Dostarczana jest do wszystkich dziedzin przemysłu. Podczas produkcji energii do atmosfery wyrzucane są spaliny z kominów w tym dwutlenek węgla i siarki oraz tlenek azotu. Elektrownie cieplne opalane węglem stwarzają poważne zagrożenie dla środowiska, dlatego zmierza się do ograniczenia wytwarzania energii w ten sposób i zamiany jej źródła na energię ekologiczną np. elektrownie słoneczne, wodne, czy atomowe. Jednak ze względu na małą wydajność pierwszych, niemożliwość budowy zbyt wielu drugich i znaczny koszt oraz społeczne uprzedzenia do tych trzecich większość energii w Polsce nadal uzyskuje się ze spalania paliw kopalnych.