Thermische Centrales voor Elektriciteit College TB142Ea, 12 mei 2014
Dr.ir. Gerard P.J. Dijkema
Faculty of Technology, Policy and Management Industry and Energy Group PO Box 5015, 2600 GA Delft, The Netherlands
E.On kolencentrales, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema © 5 mei 2014
Energie
• van Gr. energeia = werkzaamheid • van en = in, ergon = werk Eerste hoofdwet van de thermodynamica: “de energie van het universum is constant” “energie kan noch worden gecreëerd, noch worden vernietigd”. …energie kan wel van de ene in de andere vorm worden getransformeerd.
Energie transformeren: Waarom? • Waarvoor gebruiken we “energie”
Waarom energie-transformatie? • Waarvoor gebruiken we “energie” • “warme voeten” • “verplaatsen van A naar B” • “verlichting; elektrische tandenborstel ...comfort” • “industriële productie” • “schoonmaken” • We vragen om de levering van: • warmte (q) • arbeid (w)
Waarom energie-transformatie? • In welke vorm is “energie” beschikbaar: • Voorraadbronnen: aardolie, aardgas, steenkool, uranium • potentiële energie; vastgelegd in chemische bindingen; atoomkernenergie • stromingsbronnen: waterkracht, zonlicht, wind... • potentiële en kinetische energie • Vraag # wat beschikbaar is
TRANSFORMATIE
Conventionele Energievoorziening
Conventionele elektriciteitsproduktie Brandstof
(Verbrandings) Warmte
Eemscentrale, Eemshaven, Prov. Groningen
Kracht
(c) I. Nikolic, 2006
Opwekking van elektriciteit Conventioneel systeem (kringloopproces) • Doel: • conversie van de potentiële energie opgeslagen in energiedrager naar elektriciteit • met een zo hoog mogelijk omzettingsrendement
E.On kolencentrales, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema © 5 mei 2014
Opwekking van elektriciteit Conventioneel systeem (kringloopproces) • Doel: • conversie van de potentiële energie opgeslagen in energiedrager naar elektriciteit • met een zo hoog mogelijk omzettingsrendement • Het technische (sub-)systeem is altijd als volgt opgebouwd: • • •
2) verbranding: omzetting chemische energie warmte kracht 5) conversie: omzetting warmte 6) generator: omzetting kracht elektrische stroom
• Essentieel is dat 5) verloopt in een kringproces
Conventionele Energievoorziening
warmtebron
Kringproces: warmte -> kracht warmtebron
Kringproces: warmte -> kracht warmtebron
“cold sink”
Kringproces Kringproces: warmte --> kracht warmtebron “cold sink”
KRINGPROCES, begin bij de pomp: • pomp: water op hoge druk brengen • warmtewisselaar: verdampen • expansieturbine: • P, T kracht (P en T dalen) • warmtewisselaar: • afkoelen en condenseren
kringproces: warmte -> kracht warmtebron
“cold sink”
De structuur van ELK conventioneel warmte kracht omzettingssysteem
Energie Omzetting van Warmte
Kracht
Tweede hoofdwet van de thermodynamica: “warmte kan niet voor 100% worden geconverteerd in kracht” “sommige Joules zijn meer waard dan andere “de wanorde (de entropie) van het universum (systeem + omgeving) kan alleen toenemen”
Energie Tweede hoofdwet • “warmte kan niet voor 100% worden geconverteerd in kracht” • Carnot: “de maximale hoeveelheid arbeid W (Work) uit een warmtestroom Q is afhankelijk van het temperatuurniveau van die warmtestroom Th en de temperatuur van de omgeving Tc.” Wmax = Q * (Th - Tc)/Th
(T uitgedrukt in Kelvin)
Energie - Tweede hoofdwet Wmax = Q * (Th - Tc)/Th of Wmax = Q * (1- Tc/Th)
De factor (1- Tc/Th) is de Carnot-factor Carnot-factor o Tlaag = 25 C 1
Factor
0.8 0.6 Carnot-factor 0.4 0.2 0 0
1000
2000 o
T hoog , C
3000
4000
Kringproces: warmte -> kracht “cold sink” warmtebron Q
Q-W
W • Carnot: • Wmax = Q * (Th - Tc)/Th (T uitgedrukt in Kelvin)
Kringproces: warmte -> kracht “cold sink” warmtebron Q
Q-W
W • Wmax = Q * (Th - Tc)/Th (T uitgedrukt in Kelvin) • Th is de temperatuur van de warmtebron • Tc is de temperatuur van de cold sink
Inrichting conventionele elektriciteitsopwekking Warmtebron Meestal verbranding steenkool of aardgas maar ook: afval nucleair zonthermisch geothermisch etc. Th = temperatuur van de vuurhaard
Kringproces: warmte kracht
“cold sink”
Meestal water/stoom als medium; (stoomcyclus)
Meestal koelwater direct uit rivier, zee; indirect: uit koeltoren (koeling naar lucht)
Naar kracht: Condenserende stoomturbines Naar cold-sink: Water- of luchtkoeling
kleinere vermogens: directe luchtkoeling heel soms: aquifer Tc = temperatuur lucht, rivier, zee, aquifer
E-centrale
HP-steam generation Exhaust
Power generation
Water
Fuel
T
E
Power
Water
Air
Air supply
Industriële fornuizen HP-steam generation Exhaust
Power generation
Water
Fuel
T
E
Power
Water
Air
Air supply
Bron: http://www.shell.nl/home/content/nld/aboutshell/shell_businesses/pernis /news/2009/pressrelease_pergen.html
Poederkool centrale
E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema © 5 mei 2014
Poederkool centrale
E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema © 2005
Poederkool centrale HP-steam generation Exhaust
Power generation
Water
Fuel
T
E
Power
Water
Air
Air supply
E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema © 2005
HP-steam generation
Poederkool centrale
Exhaust
Power generation
Water
Fuel
T
E
Power
Water
Air
Air supply
E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema © 2005
Poederkool centrale
E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema © 5 mei 2014
E.On kolencentrales vergeleken • • • •
Bouwjaar/in bedrijf: 1988 (1972) respectievelijk 2014 Capaciteit: 1070 MWe, 1 unit; 1060 Mwe, 2 units Rendement: 46% vs. 41% Stoomcondities: 285 bar, 620 oC; 180 bar, 540 oC;
E.On kolencentrales, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema © 5 mei 2014
Rendement elektriciteitsopwekking
• • • •
Nederland: gemiddeld > 45% Moderne centrale (gas): 52% Moderne Gasturbine (ABB. >200MW): 60% Warmte/kracht: 85-95% gecombineerd; 35% elektrisch
Het rendement van e-centrales
• Is begrensd vanwege Carnot • Neemt nog voortdurend toe • Oorzaken: • Verbeteringen in (materiaal) technologie • Als Th toeneemt neemt het max. Rendement toe • Verbeteringen in het ontwerp van moderne E-centrales • Belangrijke stap aardgascentrale: gas turbine
Energie - Tweede hoofdwet Wmax = Q * (Th - Tc)/Th of Wmax = Q * (1- Tc/Th)
De factor (1- Tc/Th) is de Carnot-factor Carnot-factor o Tlaag = 25 C 1
Factor
0.8 0.6 Carnot-factor 0.4 0.2 0 0
1000
2000 o
T hoog , C
3000
4000
Eenvoudige thermische centrale HP-steam generation Exhaust
Power generation
Water
Fuel
T
E
Power
Water
Air
Air supply
Voorschakeling gas turbines Furnace / Boiler Exhaust HP-Steam
• luchttoevoer vervangen door de afgassen van een gas turbine
Water E
Power
T Steam Turbine
Generator
Fuel LP-Steam
• +/- 5% rendements winst Air
Cold Water
Power
E
Blower
Gas Turbine
Hot Water
Generator Heat Exchanger
