Waarom energie-transformatie?

(1)

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

(2)

• 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

(3)

Energie transformeren: Waarom?

• Waarvoor gebruiken we “energie”

(4)

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)

(5)

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

(6)

Conventionele

Energievoorziening

(7)

Conventionele elektriciteitsproduktie

Brandstof (Verbrandings) Warmte Kracht

Eemscentrale, Eemshaven, Prov. Groningen (c) I. Nikolic, 2006

(8)

• Doel:

• conversie van de potentiële energie opgeslagen in energiedrager naar elektriciteit

• met een zo hoog mogelijk omzettingsrendement

Opwekking van elektriciteit

Conventioneel systeem (kringloopproces)

(9)

• 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) conversie: omzetting warmte kracht

• 6) generator: omzetting kracht elektrische stroom

• Essentieel is dat 5) verloopt in een kringproces

Opwekking van elektriciteit

Conventioneel systeem (kringloopproces)

(10)

Conventionele

Energievoorziening

(11)

(12)

warmtebron

(13)

Kringproces: warmte --

> kracht

warmtebron

(14)

“cold sink”

> kracht

warmtebron

(15)

“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

(16)

“cold sink”

kringproces: warmte --

> kracht

warmtebron

De structuur van ELK conventioneel warmte kracht omzettingssysteem

(17)

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

(18)

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 T_h en de temperatuur van de omgeving T_c.”

W_max = Q * (T_h - T_c)/T_h (T uitgedrukt in Kelvin)

(19)

W_max = Q * (T_h - T_c)/T_hof W_max = Q * (1- T_c/T_h)

De factor (1- T_c/T_h) is de Carnot-factor

Carnot-factor T_laag = 25 ^oC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 1000 2000 3000 4000

T_hoog, ^oC

Factor

Carnot-factor

Energie - Tweede hoofdwet

(20)

“cold sink”

> kracht

warmtebron

• Carnot:

• W_max = Q * (T_h - T_c)/T_h (T uitgedrukt in Kelvin) Q

W Q-W

(21)

“cold sink”

> kracht

warmtebron

• W_max = Q * (T_h - T_c)/T_h (T uitgedrukt in Kelvin)

• T_h is de temperatuur van de warmtebron

• T_c is de temperatuur van de cold sink Q

W Q-W

(22)

Inrichting conventionele elektriciteitsopwekking

“cold sink”

Meestal koelwater direct uit rivier, zee;

indirect: uit koeltoren (koeling naar lucht) kleinere vermogens:

directe luchtkoeling heel soms: aquifer T_c = 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.

T_h = temperatuur van de vuurhaard

(23)

E-centrale

^generation^HP-steam

Air supply

Power generation

Air

E

Water

Fuel

Water Power Exhaust

T

(24)

Industriële fornuizen

HP-steam generation

Air supply

Power generation

Air

E

Water

Fuel

Water Power Exhaust

T

Bron: http://www.shell.nl/home/content/nld/aboutshell/shell_businesses/pernis /news/2009/pressrelease_pergen.html

(25)

Poederkool centrale

E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam.

(26)

Poederkool centrale

(27)

Poederkool centrale

HP-steam generation

Air supply

Power generation

Air

E

Water

Fuel

Water Power Exhaust

T

(28)

Poederkool centrale

^generation^HP-steam

Air supply

Power generation

Air

E

Water

Fuel

Water Power Exhaust

T

(29)

Poederkool centrale

(30)

• 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 vergeleken

(31)

Rendement elektriciteitsopwekking

• Nederland: gemiddeld > 45%

• Moderne centrale (gas): 52%

• Moderne Gasturbine (ABB.

>200MW): 60%

• Warmte/kracht: 85-95%

gecombineerd; 35% elektrisch

(32)

Het rendement van e-centrales

• Is begrensd vanwege Carnot

• Neemt nog voortdurend toe

• Oorzaken:

• Verbeteringen in (materiaal)

technologie

•

Als T

_h

toeneemt neemt het max. Rendement toe

• Verbeteringen in het

ontwerp

van moderne E-centrales

• Belangrijke stap aardgascentrale: gas turbine

(33)

W_max = Q * (T_h - T_c)/T_hof W_max = Q * (1- T_c/T_h)

De factor (1- T_c/T_h) is de Carnot-factor

Carnot-factor T_laag = 25 ^oC

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 1000 2000 3000 4000

T_hoog, ^oC

Factor

Carnot-factor

Energie - Tweede hoofdwet

(34)

Eenvoudige thermische centrale

HP-steam generation

Air supply

Power generation

Air

E

Water

Fuel

Water Power Exhaust

T

(35)

Voorschakeling gas turbines

• luchttoevoer

vervangen door de afgassen van een gas turbine

• +/- 5% rendements winst

Blower

Heat Exchanger Generator

Generator Gas Turbine

Steam Turbine

Air

E

Fuel

Power

E Power

Furnace / Boiler

T

Exhaust HP-Steam

LP-Steam Water

Cold Water

Hot Water