Thermische Centrales voor Elektriciteit College spm1520 5 maart 2013 Dr.ir. Gerard P.J. Dijkema Universitair Hoofddocent Energie en Industrie Faculty of Technology, Policy and Management Industry and Energy Group PO Box 5015, 2600 GA Delft, The Netherlands
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: • voorraden aardolie, aardgas, steenkool, uranium • potentiële energie vastgelegd in chemische bindingen; atoomkernenergie • stromingsbronnen: zonlicht, waterkracht, wind... • potentiële en kinetische energie • Vraag # wat beschikbaar is TRANSFORMATIE
Conventionele Energievoorziening
Conventionele elektriciteitsproduktie Verbrandingswarmte Kracht
Eemscentrale, Eemshaven, Prov. Groningen
(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
•
Het technische (sub-)systeem is altijd als volgt opgebouwd: • • •
•
2) verbranding: omzetting chemische energie warmte 5) omzetting warmte kracht 6) 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 warmtekracht 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
