Centralele pe cărbune: randament, emisii, costuri și închideri

Cărbunele rămâne cea mai mare sursă individuală de electricitate din lume. A produs circa 10.500 TWh în 2025, o treime din total, în ciuda creșterii rapide a fotovoltaicului și eolianului. Tot cărbunele este cea mai mare sursă individuală de CO₂ legat de energie, aproximativ 15 miliarde de tone pe an, iar centralele electrice au partea cea mai mare. Acolo unde cărbunele se extrage local și centralele sunt deja amortizate, electricitatea pe cărbune e ieftin de produs. Este dispecerizabilă, iar economii miniere întregi depind de ea. Raportat la energia produsă, este însă de departe cea mai letală sursă de electricitate, din cauza poluării aerului.

Cum funcționează

O centrală pe cărbune este o centrală cu abur (ciclu Rankine). Cărbunele este măcinat fin în mori, suflat într-un cazan împreună cu aer preîncălzit și ars la circa 1.300–1.700 °C. Căldura trece în apa din mii de metri de țevi ale cazanului. Aburul de înaltă presiune rotește o turbină cu mai multe trepte cuplată la un generator, apoi este condensat înapoi în apă și pompat din nou în circuit. Cu cât aburul e mai fierbinte și la presiune mai mare, cu atât randamentul crește, iar după acești parametri se definesc principalele clase de centrale.

Emisiile pe kWh depind direct de randament și de conținutul de carbon al cărbunelui:

Același calcul dă și consumul de cărbune. La 25 MJ/kg, grupul cu randament de 38% arde circa 0,38 kg de cărbune pe kWh, adică aproximativ 3,3 milioane de tone pe an pentru un grup de 1 GW care merge la putere maximă tot timpul. Calculatorul de conținut energetic al combustibililor compară puterea calorifică a huilei, lignitului și altor combustibili.

Principalele variante

Peste circa 22,1 MPa și 374 °C, apa își depășește punctul critic și devine abur fără să fiarbă. Centralele supercritice folosesc cazane cu circulație forțată unică, construite în jurul acestui fenomen. Grupurile ultrasupercritice trec de 600 °C, iar cele mai bune dintre ele, din Japonia, Danemarca și China, raportează randamente nete de circa 44–47% (PCI). Fiecare treaptă în plus cere oțeluri înalt aliate, mai scumpe.

IGCC (gazeificare integrată în ciclu combinat) transformă cărbunele în gaz de sinteză, îl curăță și îl arde într-o turbină cu gaz urmată de un ciclu cu abur, ceea ce ușurează captarea CO₂ înainte de ardere. Centralele demonstrative de la Buggenum (Țările de Jos), Puertollano (Spania), Polk și Wabash River (SUA) și Edwardsport (Indiana) au avut disponibilitate inegală. În Mississippi, proiectul Kemper County a renunțat la gazeificare în 2017, după ce costurile au urcat la circa 7,5 miliarde de dolari; acum arde gaze naturale.

Lignit și huilă

Lignitul (cărbunele brun) are o putere calorifică de circa 5–15 MJ/kg și conține 30–60% umiditate. Transportul lui nu e rentabil, așa că se arde în centrale aflate lângă mine, în Germania, Polonia, Cehia, Grecia, Balcani, Turcia, Australia (Victoria) și Indonezia. Evaporarea apei costă randament, iar lignitul conține mai mult carbon pe unitatea de energie, așa că grupurile pe lignit emit de regulă 1,0–1,2 kg CO₂/kWh. Carierele care le alimentează afectează mai mult teren decât aproape orice altă sursă de energie. Huila (cărbune bituminos, subbituminos și antracit, aproximativ 20–32 MJ/kg) se comercializează pe mare. Indonezia și Australia sunt cei mai mari exportatori, iar China, India, Japonia și Coreea cei mai mari importatori.

Randament și factor de capacitate

Grupurile pe cărbune au fost construite pentru funcționare în bandă, cu un factor de capacitate de 70–85%, dar pe multe piețe funcționează acum mult mai puțin. Strânse între gazul ieftin și regenerabile, centralele pe cărbune din SUA au avut în ultimii ani o medie de aproximativ 40–50% (EIA). Parcul Chinei a funcționat în jur de 50%, pentru că puterea instalată a crescut mai repede decât cererea. Variațiile de putere uzează centrala, îi scad randamentul și cresc emisiile pe kWh. Puterea minimă stabilă este de regulă 30–50% din puterea nominală, deși modernizările din Germania, Danemarca și China au coborât-o. Calculatorul factorului de capacitate transformă aceste grade de utilizare în energie anuală.

Costuri

• Lazard LCOE+ 2024 (SUA, nesubvenționat, centrale noi): 69–168 $/MWh. În SUA se propun puține centrale noi pe cărbune, pentru că eolianul, fotovoltaicul și gazul nou sunt mai ieftine.
• IEA/NEA Projected Costs 2020: o centrală nouă pe cărbune se încadrează de regulă în 75–120 $/MWh, la o rată de actualizare de 7%, în țările OCDE. Cifrele includ un preț presupus al carbonului de 30 $/t, care adaugă circa 25–30 $/MWh. În China și India, centralele se construiesc mult mai ieftin pe kW.
• NREL ATB / EIA AEO: costuri overnight pentru noile centrale americane pe cărbune pulverizat de aproximativ 3.500–4.500 $/kW și mult mai mari cu captare de 90%.

La centralele existente, deja amortizate, contează costul marginal: combustibilul, O&M-ul variabil și carbonul. La 100 $/t pentru huila livrată (circa 4 $/GJ), combustibilul costă circa 38 $/MWh. Un preț al carbonului de 80 €/t adaugă circa 70 €/MWh. EU ETS este principalul motiv pentru care producția pe cărbune din Europa s-a înjumătățit aproximativ din 2015. Analiști precum Carbon Tracker au constatat că exploatarea multor centrale existente pe cărbune costă acum mai mult decât construirea de noi capacități regenerabile. Calculatorul LCOE arată cum modifică prețurile combustibilului și carbonului rezultatul.

Teren, apă și materiale

Cărbunele mută multe materiale și ocupă mult teren. O centrală de 1 GW arde aproximativ 3 milioane de tone de huilă sau 8–10 milioane de tone de lignit pe an și lasă în urmă sute de mii de tone de cenușă și, acolo unde există instalații de desulfurare, gips. Iazurile de cenușă au cedat catastrofal, de exemplu la Kingston, Tennessee, în 2008. Exploatarea prin decopertarea vârfurilor de munte din Appalachia și carierele de lignit din Renania și Lusacia, în Germania, au șters peisaje și sate întregi. Consumul de apă e mare. Studiul NREL (Macknick et al., 2012) dă un consum median de circa 690 de galoane americane pe MWh pentru centralele pe cărbune cu turnuri de răcire, iar răcirea în circuit deschis prelevă volume mult mai mari. În India și nordul Chinei, unde apa e puțină, consumul de apă a devenit o restricție la alegerea amplasamentelor.

Emisii de CO2 pe ciclul de viață

• IPCC AR5 WGIII Annex III (2014): cărbune pulverizat, mediana 820 g CO2e/kWh, interval 740–910.
• UNECE 2021: aproximativ 750–1.100 g CO2e/kWh fără captare, în funcție de tipul de cărbune și de regiune. Cu CCS, intervalul este de circa 150–470 g CO2e/kWh, pentru că captarea nu e niciodată de 100%, iar metanul din mine rămâne.

Metanul din minele de cărbune contribuie mult și este adesea subestimat. Global Methane Tracker al IEA estimează că emisiile de metan din mineritul cărbunelui sunt comparabile cu cele din sectorul petrolului sau al gazelor. Pentru comparație, ciclul combinat pe gaz emite circa 490 g, iar nuclearul și eolianul circa 10 g.

Siguranță și efecte asupra sănătății

Cea mai mare parte a răului făcut de cărbune circulă prin aer. Arderea lui eliberează particule fine (PM2.5), dioxid de sulf și oxizi de azot (care formează apoi particule secundare și ozon), plus mercur, arsen și alte metale în urme. Rezultatul: boli de inimă, accidente vasculare, cancer pulmonar și boli respiratorii la sute de kilometri distanță, în direcția vântului.

• Markandya și Wilkinson (Lancet, 2007): circa 24,5 decese pe TWh pentru huila europeană și 32,6 pentru lignit, plus mult mai multe îmbolnăviri grave.
• Sinteza Our World in Data: circa 24,6 decese pe TWh pentru cărbune, față de 18,4 pentru petrol, 2,8 pentru gaz și circa 0,03 pentru nuclear, eolian și fotovoltaic.

Acolo unde există instalații de depoluare, bilanțul scade puternic. Desulfurarea gazelor de ardere elimină 90–98% din SO₂, reducerea catalitică selectivă 80–90% din NOx, iar electrofiltrele sau filtrele cu saci peste 99% din particule. Injecția de cărbune activ captează mercurul. Standardul chinezesc de „emisii ultrascăzute” (circa 10/35/50 mg/Nm³ pentru praf/SO₂/NOx), aplicat majorității parcului din 2015, a contribuit la o scădere mare a PM2.5 în orașe. Multe centrale din India și Asia de Sud-Est nu au încă desulfurare, iar termenele de conformare din India au fost amânate de mai multe ori. Mineritul vine cu propriul bilanț, prin accidente și pneumoconioză (boala „plămânului negru”).

Captarea carbonului la centralele pe cărbune

Două proiecte emblematice arată ce poate face captarea și cât de grea este:

• Boundary Dam 3 (SaskPower, Canada, 2014): o modernizare de 110–115 MW net, proiectată să capteze circa 1 Mt CO₂/an la 90%. În ultimii ani a funcționat fiabil, dar de obicei a captat mult sub valoarea de proiect. O mare parte din CO₂ este vândut pentru recuperarea asistată a petrolului.
• Petra Nova (W.A. Parish, Texas, 2017): a captat CO₂ dintr-un flux parțial echivalent cu 240 MW, proiectat pentru circa 1,4 Mt/an, destinat recuperării petrolului. A fost conservată în 2020, când prețul petrolului s-a prăbușit, și repornită în 2023 sub un nou proprietar.

Captarea consumă 20–30% din producția centralei pentru regenerarea solventului și comprimare. Împreună cu investiția, crește costul producției cu aproximativ 40–80%, ceea ce face cărbunele cu CCS mai scump decât majoritatea alternativelor cu emisii reduse.

Închideri și perspective

Electricitatea pe cărbune merge acum în două direcții, în funcție de unde te uiți. Ponderea cărbunelui în Marea Britanie a scăzut de la circa 40% în 2012 la zero, când Ratcliffe-on-Soar s-a închis pe 30 septembrie 2024. Producția pe cărbune din SUA a scăzut la mai puțin de jumătate față de vârful din 2007, de circa 2.000 TWh, iar ponderea cărbunelui este acum sub 20%. Producția pe cărbune a UE s-a înjumătățit aproximativ din 2015. Germania plănuiește ieșirea cel târziu în 2038, iar Spania, Italia și altele mai devreme.

În Asia, ponderea cărbunelui scade, dar producția absolută a continuat să crească. China produce peste jumătate din electricitatea pe cărbune a lumii și a aprobat aproximativ 100 GW de capacități noi pe cărbune pe an în 2022–2023, potrivit CREA și Global Energy Monitor. Oficial, aceste centrale sunt prezentate tot mai des ca rezervă pentru regenerabile, nu ca centrale de bandă. India obține aproximativ trei sferturi din electricitate din cărbune și plănuiește noi capacități ca să acopere creșterea cererii. Raportul IEA Coal 2024 se așteaptă ca cererea mondială de cărbune să stagneze până spre sfârșitul anilor 2020, declinul din China compensând creșterea din India și Asia de Sud-Est.

Ritmul în care dispare cărbunele depinde de capacitățile ieftine care îl pot înlocui (fotovoltaic, eolian, stocare în baterii și gaze naturale), de prețul carbonului, de finanțarea închiderilor anticipate, cum sunt acordurile JETP din Africa de Sud, Indonezia și Vietnam, și de sprijinul pentru regiunile miniere. Harta centralelor electrice arată parcul de centrale pe cărbune rămas în lume, iar comparația tehnologiilor îi pune costurile și emisiile față în față cu alternativele.