In al deze systemen treedt per saldo slechts een beperkt aantal typen energieomzettingen op. In onder-staande figuur 6.3 zijn de typen energieomzettingen weergegeven voor energiesystemen die gebruik maken van fossiele brandstoffen.
Een aantal van deze energieomzettingen vinden spontaan (in de natuur) plaatsvinden. Een voor-beeld is de overdracht van warmte Q van een reservoir bij hoge temperatuur naar een reservoir van lage temperatuur. Ook de omzetting van elektriciteit in warmte (bij het geleiden van stroom door een weerstand) gaat vanzelf, net als het omzetten van arbeid in wrijvingsverlies. In onze systemen voor energieconversie laten we deze omzettingen gecontroleerd plaatsvinden, zodat we daadwerkelijk nut-tig gebruik kunnen maken van het produkt van de omzetting, en daarmee van de kostbare (fossiele) energiedrager.
De omgekeerde omzettingen, warmte van lage naar hoge temperatuur of warmte naar kracht gaan nooit spontaan. Daar hebben we altijd technische installaties voor nodig: een warmtepomp, respectieve-lijk thermische (elektriciteits)centrale.
Energie -gebruiks functies Energie-vormen of energie-dragers Energiebronnen of voorraden aardolie steenkool aardgas elektriciteit warmte Tlaag
kracht stuwing
voort-warmte Thoog aardolie-produkten aandrijving voort-stuwing aandrijving verlichting ruimte-verwarming warmte Tmidden proces-warmte verwarming
Figuur 6.3: Systematisch overzicht typen energieomzettingen (fossiele brandstoffen)
Welke veel gebruikte energieomzetting m.b.v. elektriciteit ontbreekt in dit schema? De volgende typen energieconversie zijn te onderscheiden:
• Omzetting van chemische of verbrandingsenergie (Engels: Lower Heating Value, LHV) in warmte van hoge temperatuur (Th = 800 − 2000◦C) (verbranding, bijvoorbeeld in fornuis). Voorbeelden zijn:
– verbranding van aardgas in een CV-installatie, gas turbine of industrieel fornuis
– stoken van het fornuis van grote elektriciteitscentrales met poederkool
– gebruik van hoogoven gas (een mengsel van CO en H2 als brandstof in een warmte-kracht centrale
– gebruik van benzine, diesel en LPG in verbrandingsmotoren
6.2. Energieomzettingen
– stoken van de barbecue met houtskool
• Conversie van een warmtestroom Q naar warmtestroom met lagere Temperatuur (via warmtewis-selaar, zie §6.2.2)
– van hoge Temperatuur Th (800-2000◦C ) naar midden Temperatuur Tm (200-800◦C ). Een voorbeeld is de overdracht van verbrandingswarmte uit rookgas naar (hoge-druk) stoom in een elektriciteitscentrale.
– van midden Temperatuur Tm(200-800◦C ) naar lage Temperatuur Tl(60-200◦C ). Belangrijkste voorbeeld is de overdracht van de warmte van de verbrandingskamer in een CV-ketel naar het water dat verwarmd wordt.
– van lage Temperatuur Tl(60-200◦C ) naar omgevingstemperatuur T0(5-25◦C ). Dit is meestal de laatste stap in ruimteverwarming. Ook in elektriciteitscentrales vindt deze transformatie plaats, bij het afgeven van restwarmte aan koelwater.
• Conversie van een warmtestroom Q(Th)naar arbeid w (via Carnotcyclus). Dit is de belangrijk-ste, gezochte energieconversie; het omzetten van warmte naar kracht (arbeid) stelt ons in staat productie en transport te mechaniseren. Tegenwoordig kennen we twee hoofdtypen energiecon-versiesystemen waarin deze conversie wordt gerealiseerd:
– zonder co-productie van een nuttig te gebruiken warmtestroom. Naast de omzetting van warmte Q(Th) naar arbeid W ontstaat (onvermijdelijk) een warmtestroom op omgevings-temperatuur Qrest(T0). Anders gezegd: een grootschalige elektriciteitscentrale produceert slechts elektriciteit als nuttig product.
– m´et co-productie van een warmtestroom die nuttig wordt toegepast, bijvoorbeeld in een fabriek, tuinbouwkas of stadsverwarmingsnet. Naast arbeid produceert een warmte-krachtcentrale dus een warmtestroom Qrest(Tmen/of Tl.
Tevens is in figuur 6.3 aangegeven dat de arbeid w opgewekt uit Q(Th)via een Carnotcyclus gebruikt kan worden om
• Rechtstreeks aandrijving te verzorgen (aandrijfas van machines, auto); veelal wordt hierbij een tandwielkast of versnellingsbak toegepast om het aantal omwentelingen te regelen.
• Aandrijving van een generator, een grote dynamo om elektrische (wissel)stroom op te wekken. • Gebruik van elektrische (wissel)stroom om een scala aan machines en/of apparaten aan te drijven,
alsmede verlichting en elektrische verwarming.
6.2.1 Voorbeeld: Centraal Verwarmingssysteem
De hierboven gegeven typen energieomzettingen zijn te herkennen in alle bestaande energiesystemen. Beschouw bijvoorbeeld een Centrale Verwarmingsinstallatie (CV-installatie of kortweg CV) zoals weer-gegeven in figuur 6.4.
In een CV installatie wordt brandstof, in Nederland meestal aardgas, met lucht verbrand. In dit ver-brandingsproces ontstaat zo rookgas van hoge temperatuur Th(de vuurhaardtemperatuur is ±1100◦C); in het proces wordt de chemische energie in de brandstof vrijgemaakt en omgezet in warmte op hoge temperatuur Q(Th). De warmte in het rookgas wordt via een warmtewisselaar overgedragen aan koud water dat afkomstig is van de radiatoren. Na passage van de warmtewisselaar voert nu heet radiator-water de overgedragen warmte bij lage temperatuut Tlnaar de radiatoren in de huiskamer. Daar vindt tenslotte de omzetting van lage temperatuuur warmte naar huiskamerwarmte plaats: Q(Tl) → Q(T0).
De installatie werkt met een elektrisch aangedreven pomp die het afgekoelde radiatorwater weer terugpompt naar de ketel. Hier wordt dus elektriciteit omgezet in arbeid die gebruikt wordt om de kinetische en potenti¨ele energie van het water te verhogen. Deze gaat verloren door wrijving in het systeem, waarbij wederom warmte ontstaat. De laatste energieomzetting is die van restwarmte van midden- of lage temperatuur in het rookgas naar omgevingstemperatuur.
De energieconversie van lage Temperatuur Tlnaar omgevingstemperatuur T0= 10 − 25◦Cverloopt in veel gevallen spontaan - denk bijvoorbeeld aan de afkoeling van je kamer als je de verwarming uit-zet - maar vaak ook actief door het gebruik van koeling (met lucht of water). Immers, bijvoorbeeld als elektrische apparatuur in een afgesloten ruimte staat te draaien, dan zal de temperatuur van de lucht in de ruimte snel kunnen toenemen als deze niet geventileerd of gekoeld wordt.
Hoofdstuk 6. Energieconversie
Figuur 6.4: CV systeem
In Nederland is meer dan 90% van de huishoudens uitgerust met een CV-installatie met eigen ketel. Slechts een beperkt aantal huishoudens gebruikt nog kachels of is aangesloten op een stadsverwar-mingsnet. Bij 90% van de huishoudens valt dus de verwarming uit als de elektriciteit uitvalt, omdat de werking van zelfs een CV systeem zelfs met een eenvoudige CV ketel afhankelijk is van de wer-king van de circulatiepomp. Moderne, geavanceerde CV ketels gebruiken daarnaast elektriciteit voor de ingebouwde elektronica voor besturing en beveiliging.
Vraag: hoe zou je een CV-installatie ongevoelig kunnen maken voor verstoringen in het elektrici-teitsnet?
In het Verenigd Koninkrijk worden veel woningen verwarmd met elektriciteit. Tot 1950-1960 ge-bruikte men steenkool (kachels), maar vanwege smog problemen hebben veel huishoudens gekozen voor elektrische verwarming: stroom (opgewekt uit steenkool) was lange tijd goedkoop en overal be-schikbaar. Stadsgas of aardgas was en is lang niet overal bebe-schikbaar.
6.2.2 Warmtewisselaar
In het voorbeeld van de C.V. installatie kwam de energietransformatie ’warmte van hoge Temperatuur’ naar ’warmte van lagere Temperatuur’ voor. In energiesystemen, maar ook in industri¨ele installaties worden deze energietransformaties uitgevoerd met warmtewisselaars - daarin wordt warmte van het ene medium uitgewisseld met een tweede medium.
Een warmtewisselaar is bedoeld om gericht de warmte Q in een warm medium over te dragen naar een op te warmen, koud medium. Daarbij wordt gebruik gemaakt van de drijvende kracht die het temperatuurverschil oplevert.
Voor een zeer kleine warmte wisselaar met oppervlak dA geldt
Q = U · dA · ∆T
Q =warmte(stroom) [W]
U =warmteoverdrachtsco¨effici¨ent [W/m2/K] dA =infinitisemaal klein oppervlak/m2] ∆T =Temperatuurverschil [K]