Beschrijving van een elektriciteitscentrale met alleen een stoomcyclus

De eerste (kolengestookte) elektriciteitscentrales hadden alleen een stoomcyclus. Deze conventionele centrales produceren stoom door verbranding van een brandstof, waarna de stoom door een stoomturbine wordt geleid en er vervolgens door de daaraan gekoppelde generator elektriciteit geproduceerd wordt. Tegenwoordig worden vaak ook gasturbines toegepast, maar bijv. biomassacentrales en kerncentrales passen nog steeds alleen een stoomcyclus toe voor de omzetting van warmte in arbeid (elektriciteit). In onderstaande figuur is het principeschema van zo'n conventionele elektriciteitscentrale weergegeven. Het elektrisch rendement bedraagt zo'n 35 tot 40%.


Beschrijving conventionele elektriciteitscentrale:
• brandstof wordt met lucht verbrand. De chemische energie van de brandstof wordt omgezet in warmte Q (= Δ_rH van de verbranding van de brandstof).
• een klein deel van deze warmte verlaat de centrale met het rookgas (Q_rookgas).
• de overige warmte Q_stoomcyclus = Q - Q_rookgas wordt in een zogenaamde stoomcyclus omgezet in elektriciteit (arbeid, W) en restwarmte Q:
   - een groot deel van de vrijgekomen verbrandingswarmte, Q_stoomcyclus, wordt overgedragen aan water van hoge druk (typisch 120 bar), dat bij hoge druk en temperatuur verdampt tot hoge-druk stoom
   - deze hoge-druk stoom drijft een (condenserende) stoomturbine aan, die een generator aandrijft waarmee elektriciteit, W, wordt opgewekt. In de turbine nemen de stoomdruk en temperatuur af.
   - in de condensor wordt de afgewerkte stoom uit de turbine gecondenseerd bij lage druk. Dat is nodig om met weinig vermogen het water (als vloeistof) weer op hoge druk te kunnen brengen.
   - dit water wordt met een pomp (niet weergegeven in het schema) weer op hoge druk gebracht en naar de warmtewisselaars in de verbrandingsoven gepompt.
• in de condensors van de elektriciteitscentrale wordt de afgewerkte stoom met koelwater (zeewater, rivierwater) gecondenseerd tot vloeibaar water. Het koelwater neemt daarbij een hoeveelheid warmte Q_restwarmte op. Deze Q_restwarmte = Q_stoomcyclus - W (bij benadering, er zullen ook warmteverliezen naar de lucht zijn).
• een deel van de opgewekte elektriciteit W wordt in de centrale zelf gebruikt. Bijvoorbeeld voor het vermalen van de brandstof en voor de rookgasreiniging.
• voor de netto elektriciteitsproductie W_netto geldt: W_netto = W - W_{intern verbruik}

In het ideale (dus theoretische) geval is het energierendement van de stoomcyclus (η = Q_stoomcyclus/W) gelijk aan het Carnot-rendement.

In aanvulling op de figuur is uit bovenstaande beschrijving duidelijk dat in deze stoomcyclus verschillende energieomzettingen optreden, zoals:
• verdamping: toevoer van warmte Q bij hoge temperatuur T_h aan een vloeistof (water) onder hoge druk p > 100 bar. De warmte Q wordt overgedragen aan het water dat bij een iets lagere temperatuur T_h - δT verdampt. Er geldt Q = ΔH_verdamping.
• expansie: tijdens de expansie van hoge-druk stoom (hoge P, hoge T) naar lage druk en temperatuur wordt een deel van de enthalpie van deze stoom omgezet in arbeid W.
• condensatie: de enthalpie van de afgewerkte stoom wordt verder verlaagd door warmteafgifte aan het koelwater.
• compressie: verhoging van de enthalpie van het water door toevoer van arbeid via een (hoge-druk) pomp. De druk van het water neemt hierdoor toe.

De hierboven gegeven beschrijving geeft het principe weer van een elektriciteitscentrale. Het daadwerkelijke ontwerp van een moderne elektriciteitscentrale met alleen een stoomcyclus is complexer. In werkelijkheid kent het systeem bijvoorbeeld meerdere kwaliteiten stoom (p,T). Optimalisatie van het ontwerp vraagt dan om de keuze van enerzijds het aantal trappen in de stoomturbine en de bijbehorende temperatuur- en drukniveaus en anderzijds om verschillende warmtewisselaarsecties in het fornuis.