Energianläggningar Ångkraft El- och/eller värmeproduktion

En presentation över ämnet: "Energianläggningar Ångkraft El- och/eller värmeproduktion"— Presentationens avskrift:

1 Energianläggningar Ångkraft El- och/eller värmeproduktion
Varm- och hetvatten pannor Värmeproduktion Vattenkraft Elproduktion Vindkraft Solenergi Värme- elproduktion Värmepumpar Ångkraft; har i uppgift att producera el och i vissa fall värme med ett arbetsmedium i ångform. Som arbetsmedium kan olika vätskor förekomma, men vi begränsar oss till vatten Varm- och hetvattenpannor har enbart i uppgift att producera värme

2 Ångkraftsanläggningar
Carnot processen

3 Ångkraftsanläggningar
Kondenskraftverk Ångpanna Ångturbin Generator Transformator Kondensor Det finns en mängd olika typer av ångkraftsanläggningar En vanlig process är att ett bränsle (kol, olja, gas, torv, trädbränslen, sopor) förbränns för att erhålla värme för att förånga och överhetta vattnet, dvs producera överhettad ånga Värmet kan också komma ifrån klyvning av atomkärnor (fission) i kärnreaktorer Gemensamt för alla är termodynamiska processen, Carnot

4 Kärnkraftverk Kokvattenreaktor (BWR)
Kärnkraftverket är ett kondenskraftverk och produktionen av el sker enligt samma princip som i ett kraftverk som eldas med kol, olja eller biobränslen. Man hettar upp vatten som bildar ånga som i sin tur får driva en turbin. På turbinaxeln sitter en generator som omvandlar rörelseenergin till elektricitet.  1. Reaktor Inne i reaktorn klyvs uranet och värme frigörs. Vattnet kokar och blir ånga. 2. Turbin Het ånga leds in i turbinen och driver skovlarna med upp till varv per minut. 3. Generator Turbinen driver en generator som producerar elektricitet. 4. Transformator En transformator omvandlar elen till högspänning. Via högspänningsledningar skickas elen ut över nätet. 5. Havsvatten För att kyla ner ångan används stora mängder havsvatten som pumpas in i kondensorn via fingertjocka rör. När vattnet åker ut i havet igen är det cirka tio grader varmare än när det leddes in. Havsvattnet går genom ett slutet system och är aldrig i kontakt med reaktorvattnet. 6. Kondensor I kondensorn kyls ångan ner när den träffar rören med det kalla havsvattnet. Ångan blir till vatten, som pumpas in i reaktorn igen. Reaktor Turbin Generator Transformator Havsvatten Kondensor

5 Fission Enkelt uttryckt låter man neutroner träffa en atomkärna av uran-235. Atomkärnan klyvs och nya neutroner frigörs som kan klyva fler atomkärnor. En kedjereaktion startar. Vid klyvningen skiljs delarna åt med mycket hög hastighet. Då uppstår det ett motstånd när de klyvda delarna bromsas upp i vattnet och värme uppstår. Värmen används för att hetta upp vatten till ånga som driver en turbin. 1. Neutron - En neutron slungas mot uranatomen 2. Uranatom - En atomkärna från isotopen uran-235 träffas av neutronen och klyvs. Energi frigörs. 3. Nybildade neutroner - De nybildade neutronerna som frigörs kan användas för att klyva nya urankärnor. En kedjereaktion startas.

6 Rektoruppbyggnad Bränsle och bränslerör Reaktortank
1. Bränsle och bränslerör Själva bränslet (urandioxid) är ett keramiskt ämne. Det är mycket svårlösligt i vatten (jämför med att lösa en tegelsten i vatten) och luft och smälter först vid grader celcius. Dessutom är reaktorbränslet inneslutet i gastäta kapslingsrör som är gjorda av zirkaloy, en tålig metall som påminner om rostfritt stål. 2. Reaktortanken Reaktortanken består av centimeter tjockt stål som klarar mycket högt tryck. 3. Reaktorinneslutning Den tredje barriären är ett hölje av metertjock betong, med ingjuten gastät stålplåt. Här finns också sprinklers för kylning av vattnet som binder radioaktiva partiklar om en olycka skulle inträffa. 4. Reaktorbyggnaden Reaktorbyggnaden är den yttersta barriären. Byggnaden är så stabilt byggd att den klarar att ett mindre flygplan kraschar in i den. 5. Filter Om det värsta tänkbara skulle inträffa och alla säkerhetssystem skulle sluta fungera så får inte radioaktivitet läcka ut. För att ångtrycket inte ska bli för högt i reaktorinneslutningen kan man då släppa ut ånga och gaser genom ett filter. Filtret finns i en separat byggnad och stoppar 99,9 % av de radioaktiva markbeläggande ämnena. Det här filtret finns på alla svenska kärnkraftverk. Bränsle och bränslerör Reaktortank Reaktorinneslutning Reaktorbyggnad Filter

7 Kraftvärmeverk Ångpanna Ångturbin Generator Transformator Kondensor
I ett kraftvärmeverk producerar man både el och värme. Mängden el blir mindre än i ett kondenskraftverk, men kondensvattnets temperatur är så hög att det kan användas till fjärrvärme. På så sätt utnyttjar kraftvärmeverket bränslets energiinnehåll mycket bra. En annan typ av kraftvärmeverk är mottryckskraftverket, som mest används inom massa- och pappersindustrin. Här används ångan till att torka papper. I kraftvärmeverket tar man tillvara kondensvattnets värme för fjärrvärmeproduktion. 1. Ångpanna Inne i ångpannan hettas vattnet upp till ånga under stort tryck. 2. Ångturbin Den heta ångan leds in i turbinen och får skovlarna på turbinen att rotera. 3. Generator Turbinen driver en generator som producerar elektricitet. 4. Transformator En transformator omvandlar elen till högspänning. Via högspänningsledningar skickas elen ut över elnätet. 5. Kondensor I kondensorn kyls ångan ner till vatten. 6. Fjärrvärme Det varma vattnet leds ut i ett fjärrvärmenät och blir till värme i hus och lokaler. Ångpanna Ångturbin Generator Transformator Kondensor Fjärrvärme Se kap 8.7 Combined heat and power BSES s.287

8 Varm- och hetvattenpannor
Hetvattenpanna Värmeväxlare Fjärrvärmenätet Bränslesystem Rökgasrening 1. Hetvattenpanna Här värms vatten till hetvatten under tryck. Vattnet kan nå en temperatur på upp till 190 ºC. 2. Värmeväxlare Hetvattnet från pannan värmer fjärrvärmevattnet som distribueras i fjärrvärmenätets rörledningar. Hetvattenpannor kan även vara direktkopplade mot fjärrvärmenätet. Då behövs ingen värmeväxlare. 3. Fjärrvärmenätet Fjärrvärmenätet består av ett rörledningsnät som förgrenar sig ut till kunderna. 4. Bränslesystem I det här fallet lagras bränslet i en bränslebunker för vidare transport via en travers till pannan. Motsvarande utrustning vid oljeeldning är oljetank och oljepump. 5. Rökgasrening Gaserna från förbränningen renas från fasta stoftpartiklar. Bredvid pannan finns en cyklonavskiljning för större stoftpartiklar. Innan gaserna går ut genom skorstenen passerar de ett elektrofilter där de mindre partiklarna avskiljs.

9 Cyklon

10 Miljöpåverkan Omfattningen beror på vilket bränsle som används
Utsläpp av miljöfarliga gaser som CO2, NOx, SOx, CO, THC, PAH och stoft

11 Utsläpp vid förbränning
Diagrammen jämför utsläpp av SO2 och NOx vid förbränning av olika bränslen. Utsläppen kan reduceras kraftigt genom att använda bättre förbrännings- och reningstekniker Figur1 visar att förbränning av olja och kol och till viss del torv ger höga utsläpp av SO2 (kan begränsas genom att använda ett renare bränsle, dvs med lägre svavelhalt) Figur2 visar utsläpp av NOx. Utsläppen beror framförallt på att själva bränslet innehåller kväve, men också pga av att förbränningsluftens kväveinnehåll oxideras pga hög temperatur (termisk NOx)

12 Bildning av NOx Fuel NOx Therm NOx Prompt NOx Temperature

13 Utsläpp vid förbränning
Koldioxid bildas alltid vid förbränning av organiskt material och är svårt att begränsa. Förbränning av biobränsle ger dock inget nettotillskott av CO2 till atmosfären Negativa CO2 utsläpp? Yan

14 Jämförelse mellan olika el- och värmeanläggningar
Verkningsgrader Kondenskraftverk 39% Värmeverk 80% Kraftvärmeverk 91% VV Tillf bränsle= 465/0,8= 581 MW KV Tillf bränsle= 503/0,39= 1290 MW Summa tillf bränsle= 1871 MW b) KVV Tillf bränsle= ( )/0,91= 1400 MW Dvs vid skilda anläggningar för värme- och elproduktion krävs i detta fall 1,33 x större bränsleåtgång Producerad el=503 MW Producerad värme=465 MW Hur skiljer sig bränsleåtgången om ovanstående skall produceras i Ett värmeverk och ett kondens-kraftverk Ett kraftvärmeverk

15 Vattenkraftverk Vattenkraftverken utnyttjar älvarnas fallhöjd och vattenflöde. Det är alltså vattnets lägesenergi mellan två nivåer som utnyttjas för att skapa elektricitet. Vattnet som strömmar från en högre till en lägre nivå passerar en turbin och får turbinaxeln att rotera. Turbinen driver en generator där elektriciteten alstras. För att öka fallhöjden och för att kunna lagra vatten bygger man dammar. Dammarna skapar stora vattenmagasin som gör det möjligt att anpassa elproduktionen efter säsong och användning. Vattenmagasin för lagring av energi Snösmältning och höstregn fyller på de stora vattenmagasinen längs älvarna. Genom att spara överskottsvattnet i vattenmagasin kan vatten lagras för att användas under de perioder när vi behöver som mest el. I en del magasin kan man lagra vatten i flera år. Det största vattenmagasinet i Sverige är sjön Vänern. Vattendomar styr vattennivåerna I en reglerad älv planeras användningen av vattnet mycket noga. Snötäcket mäts för att man ska veta vilka vattenmängder som kan komma när snösmältningen börjar. Tappningen styrs av behovet av elenergi. Tappningen begränsas av så kallade vattendomar där man fastställt gränserna för vattennivåer och vattenflöden i varje magasin. Vattenkraftverken utnyttjar älvarnas fallhöjd och vattenflöde Vattenmagasin Turbin Generator Transformator

16 Utveckling Ny generator teknik- Powerformer
Konventionell generator 30 kV, transformator ökar till 400 kV Powerformer kan generera upp till 400 kV Ingen transformator behövs Högre verkningsgrad Minskade underhållskostnader Enkel installation Miljövänligare och säkrare Se kap 8.2 Power generation.... BSES s.268

17 Vindkraftverk Rotor Turbin och generator Transformator
När det blåser mot vindkraftverket uppstår det tryckskillnader på bladens fram- och baksida. Tryckskillnaden får turbinaxeln att rotera. Axeln driver en generator, där elektriciteten alstras. Generatorn sitter uppe i maskinhuset på torntoppen och därifrån matas elektriciteten med hjälp av elkablar ner genom tornet och sedan via elkablar nergrävda i marken ut till elnätet Ett vindkraftverk är konstruerat för att producera elektricitet i vindhastigheter mellan tre och 25 sekundmeter. Elproduktionen går automatiskt igång då vinden ökar till över 3 meter per sekund och verket kopplas bort från elnätet igen då vinden mojnar. Elproduktionen ökar med vindhastigheten upp till cirka 14 sekundmeter, då vindkraftverket ger sin fulla elektriska effekt. När vinden ökar ytterligare ser vindkraftverkets säkerhetssystem till att bladen släpper förbi mer vind och att effekten bibehålls på den maximala nivå som generatorn kan producera. Den här regleringen av hur mycket vindkraft som bladen tar upp från luften kan ske på i huvudsak två sätt. Antingen vrider vindkraftverket sina blad några grader eller så är bladen utformade med en sådan geometri, eller bladprofil, att de släpper förbi mer vind vid högre vindhastigheter. Vid de tillfällen då vindhastigheten går över 25 m/s bromsas vindkraftverket automatiskt med mekaniska bromsar inne i maskinhuset och stoppas. Sedan får det stå bromsat tills vinden sjunkit och det startar återigen automatiskt. Ett stillastående bromsat vindkraftverk är vanligen dimensionerat för att klara vindhastigheter på cirka 60 m/s. Moderna vindkraftverk är dimensionerade för att producera elektricitet på ett säkert sätt i 25 – 30 år. Rotor Turbin och generator Transformator

18 Utveckling Nordic 1000 Windformer Svajar Kräver mindre material
Bygger på Powerformer Bättre verkningsgrad Mindre underhåll Nästan alla delar kan återvinnas Se kap 8.4 Wind power.... BSES s.271

19 Solanläggningar Solceller
Solcellstekniken upptäcktes redan 1839 av fransmannen Edmund Becquerel. Solceller omvandlar ljusenergin till el. Solcellerna består av mycket rent kisel. Solcellerna kopplas sedan ihop till en större modul som tar emot solens strålar. När solen lyser på kiselcellen bildas det en liten elektrisk spänning mellan cellens fram- och baksida. Eftersom spänningen är så låg (cirka 1 Volt) måste man seriekoppla ett stort antal solceller, precis som när man kopplar en rad med batterier efter varandra. Solcellen består av 2. Antireflexmaterial och kiselceller Ytterst finns ett antireflexmaterial som absorberar strålningen och ett kiselmaterial (så kallad N-dopad) med överskott av elektroner. 3. Gränsmaterial Ett gränsmaterial mellan de två kiselmaterialen gör att laddningarna leds åt varsitt håll. 4. Kiselmaterial Ett kiselmaterial (så kallad P-dopad) med underskott av elektroner. Dvs när solcellen belyses blir framsidan negativt laddad medan baksidan får en positiv laddning. Detta skapar en vandring av elektroner varmed ström alstras. Energiproduktionen har nästan ett linjärt samband med solinstrålningen. Solceller kan användas i alla systemstorlekar samt mobilt på båtar, i husvagnar elbilar etc. Kan också användas för att producera vätgas via elektrolys Medelverkningsgrad ca 15% Solcell Anti-reflex material och kiselceller Gränsmaterial Kiselmaterial

20 Solanläggningar Solvärme
En solfångare, som producerar värme men inte el, samlar upp solens värme i ett rörsystem med vatten. Solfångare monteras ofta på tak. Vattnet innehåller också en frostsäker vätska för att minska risken för skador på systemet under vintern. Solvärmen överförs via solfångarsystemet till en beredare för husets bruksvatten. Solfångare skulle sommartid kunna försörja många hus med varmvatten. De skulle kunna ge ett tillskott på 5-30 procent av värmebehovet även vintertid. Solfångare Solfångaren består av sex skikt av olika material. Överst finns ett glasskikt, därunder ett teflonskikt och en absorbator. De tre understa skikten är i tur och ordning: aluminium, mineralull och en isolerande bottenplatta. Konstruktionen ska se till att solstrålarna släpps in och att värmen inte reflekteras bort. 2. Värmelager Kan vara ett bergvärmelager för långtidslagring (bästa tekniken för långtid) eller ett korttidslager i form av en välisolerad ståltank. Groplager (ligger ofta i nivå med markytan och består av ett tätskikt komprimerat med isolering) och borrhålslager 3. Uppvärmning Det varma vattnet leds in i huset för att användas till uppvärmning och/eller tappvarmvatten Det viktiga är att temperaturen i solvärmesystemet inte är för hög. Ju lägre vattentemperatur in till solfångaren desto högre blir solutbytet Solfångare Värmelager Uppvärmning

21 Se kap 8.5 Solar heating.... BSES s.283
Utveckling Högeffektiva absorbatorer Genomskinlig isolering Anti-reflex överdrag Vakuum tekniker BIO-SOL 1. Absorbatorer utvecklas för att effektivare ta upp solljuset Se kap 8.5 Solar heating.... BSES s.283

22 Värmepumpar Qbortf Qtillf Se kap 8.8 Heat pumps BSES s.292
Vanliga begrepp; Värmebärare= Medium som transporterar värmen från vp värmeavgivande del till värmeupptagaren Värmekälla=Det medium från vilket vp tar upp det värme som skall ”pumpas upp” till den högre temperaturen (grundvatten, mark, omgivande luft) Köldmedium (bärare)=Det medium som upptar värme från värmekällan och avger det i vp värmeupptagande del Själva vp består av förångare, kompressor, kondensor och strypventil I förångaren kokar arbetsmediumet (köldmediet) när värme tillförs från värmekällan Kompressorn transporterar köldmediets massflöde och upprätthåller det erforderliga trycket i kondensorn för att kondensationen skall kunna ske. Värmen avges till värmebäraren (luft, vatten) Stryporganets uppgift är att upprätthålla tryckdifferensen mellan kondensor och förångare samt reglera massflödet Köldmedium kan vara freon, ammoniak Det finns idag ca vp i Sverige, varav 100 är större enheter installerade i industri eller fjv. Levererar ca 16 TWh årligen Qtillf Se kap 8.8 Heat pumps BSES s.292