Proces produkcji energii elektrycznej i ciepła może się odbywać w źródłach rozdzielonych (osobno: prąd w elektrowni, a ciepło w ciepłowni) lub w jednym układzie technologicznym w elektrociepłowni.
Zasada działania ciepłowni
Zadaniem ciepłowni jest dostarczanie wody o wysokiej temperaturze. Woda podgrzewana jest w kotłach. Mogą być one opalane różnymi rodzajami paliwa np. węglem, biomasą, gazem. Podgrzana w kotle woda przepływa przez wymiennik ciepła i oddaje ciepło wodzie, która krąży w systemie ciepłowniczym. Podgrzana w ten sposób woda dociera siecią ciepłowniczą do budynków na terenie całego miasta.
Zasada działania elektrowni
Zadaniem elektrowni jest produkcja energii elektrycznej. Podobnie jak w ciepłowni w kotłach spalane jest paliwo: węgiel, biomasa, gaz lub olej. Uzyskane w ten sposób ciepło podgrzewa woda przepływającą przez kocioł w osobnym obiegu zamkniętym. W wyniku dostarczenia ciepła, woda odparowuje i zamienia się w parę o wysokim ciśnieniu. Następnie para przepływa przez turbinę parową, w której rozpręża się, wykonując pracę mechaniczną – obraca wał turbiny. Praca mechaniczna wałem napędowym przekazywana jest z turbiny do generatora, gdzie zamieniana jest na energię elektryczną, zaś para wylotowa z turbiny jest schładzana w tzw. skraplaczu, który w elektrowni chłodzony jest np. wodą z rzeki. W wyniku schładzania pary następuje jej skroplenie (zamiana pary w wodę). Woda ze skraplacza jest kierowana z powrotem do kotła i cykl produkcji się powtarza.
Sprawność całkowita produkcji energii elektrycznej w elektrowni wynosi ok. 35%. Oznacza to, że 35% energii cieplnej zawartej w paliwie jest zamieniana na elektryczność zaś pozostałe 65% jest bezpowrotnie tracone do otoczenia. Z ekologicznego punktu widzenia jest to bardzo niekorzystne zjawisko, gdyż skutkuje znacznym podwyższeniem temperatury środowiska naturalnego (np. rzeki z której pobierana jest woda do schładzania skraplacza), większą emisją zanieczyszczeń gazów do środowiska oraz zmianami w panującej tam naturalnej biosferze.
Rozdzieloną produkcję energii elektrycznej i ciepła lepiej zastąpić tzw. produkcją skojarzoną (wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła w jednym układzie technologicznym) realizowanym w elektrociepłowni.
Zasada działania elektrociepłowni
Zasada działania elektrociepłowni jest bardzo podobna jak elektrowni. Jedyną różnicę stanowi ilość i sposób wykorzystania ciepła odbieranego od pary w skraplaczu. W przypadku elektrowni 65% ciepła dostarczonego w paliwie jest traktowane jako tzw. „ciepło odpadowe” i nie jest dalej wykorzystywane. W elektrociepłowni ciepło odebrane w skraplaczu jest przejmowane przez sieć ciepłowniczą i efektywnie wykorzystywane do ogrzewania pomieszczeń oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej.
Produkcja energii elektrycznej oraz ciepła w jednym układzie technologicznym, czyli tzw. „produkcja skojarzona” (kogeneracja), powoduje znacznie lepsze wykorzystanie paliwa, co znaczy mniejsze zanieczyszczenie środowiska naturalnego.
Efektywność wykorzystania paliwa bardzo dobrze przedstawia poniższy wykres. Żeby wytworzyć 50 jednostek energii cieplnej i 35 jednostek prądu w elektrociepłowni zużywa się 100 jednostek energii z paliwa a przy produkcji rozdzielonej 148 jednostek energii z paliwa.
Podsumowując produkcja skojarzona pozwala na znaczne zmniejszenie zużycia paliwa do uzyskania takiej samej ilości energii elektrycznej oraz energii cieplnej. Dzięki temu zmniejsza się emisja szkodliwych substancji, przez co kogeneracja przyczynia się do ochrony środowiska naturalnego.
