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
• 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
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
• 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
Opwekking van elektriciteit
Conventioneel systeem (kringloopproces)
Conventionele
Energievoorziening
warmtebron
Kringproces: warmte --
> kracht
warmtebron
“cold sink”
Kringproces: warmte --
> kracht
warmtebron
“cold sink”
Kringproces:
warmte --> kracht warmtebron
Kringproces
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
“cold sink”
Kringproces: warmte --
> kracht
warmtebron
De structuur van ELK conventioneel warmtekracht omzettingssysteem
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
Omzetting van Warmte Kracht
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)
Wmax = Q * (Th - Tc)/Th of Wmax = Q * (1- Tc/Th)
De factor (1- Tc/Th) is de Carnot-factor
Carnot-factor Tlaag = 25 oC
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0 1000 2000 3000 4000
Thoog, oC
Factor
Carnot-factor
Energie - Tweede hoofdwet
“cold sink”
Kringproces: warmte --
> kracht
warmtebron
• Carnot:
• Wmax = Q * (Th - Tc)/Th (T uitgedrukt in Kelvin) Q
W Q-W
“cold sink”
Kringproces: warmte --
> kracht
warmtebron
• Wmax = Q * (Th - Tc)/Th (T uitgedrukt in Kelvin)
• Th is de temperatuur van de warmtebron
• Tc is de temperatuur van de cold sink Q
W Q-W
Inrichting conventionele elektriciteitsopwekking
“cold sink”
Meestal koelwater direct uit rivier, zee;
indirect: uit koeltoren (koeling naar lucht) kleinere vermogens:
directe luchtkoeling heel soms: aquifer Tc = temperatuur lucht,
rivier, zee, aquifer Kringproces:
warmte kracht Meestal water/stoom als
medium;
(stoomcyclus) Naar kracht:
Condenserende stoomturbines Naar cold-sink:
Water- of luchtkoeling Warmtebron
Meestal verbranding steenkool of aardgas
maar ook:
afval nucleair zonthermisch geothermisch
etc.
Th = temperatuur van de vuurhaard
