Thermische Centrales voor Elektriciteit College TB142Ea, 12 mei 2014

Transcriptie

1 Thermische Centrales voor Elektriciteit College TB142Ea, 12 mei 2014 Dr.ir. Gerard P.J. Dijkema E.On kolencentrales, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema 5 mei 2014 Faculty of Technology, Policy and Management Industry and Energy Group PO Box 5015, 2600 GA Delft, The Netherlands

2 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.

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 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

9 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) conversie: omzetting warmte kracht 6) generator: omzetting kracht elektrische stroom Essentieel is dat 5) verloopt in een kringproces

10 Conventionele Energievoorziening

11

12 warmtebron

13 warmtebron Kringproces: warmte -- > kracht

14 Kringproces: warmte -- > kracht warmtebron cold sink

15 Kringproces Kringproces: warmte --> kracht KRINGPROCES, begin bij de pomp: warmtebron cold sink pomp: water op hoge druk brengen warmtewisselaar: verdampen expansieturbine: P, T kracht (P en T dalen) warmtewisselaar: afkoelen en condenseren

16 kringproces: warmte -- > kracht warmtebron cold sink De structuur van ELK conventioneel warmtekracht omzettingssysteem

17 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

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 inkelvin)

19 Energie - Tweede hoofdwet W max = Q * (T h - T c )/T h of W max = Q * (1- T c /T h ) De factor (1- T c /T h ) is de Carnot-factor Carnot-factor T laag = 25 o C Factor Carnot-factor T hoog, o C

20 warmtebron Kringproces: warmte -- > kracht cold sink Q Q-W Carnot: W max = Q * (T h - T c )/T h (T uitgedrukt inkelvin) W

21 warmtebron Kringproces: warmte -- > kracht cold sink Q Q-W W W max = Q * (T h - T c )/T h (T uitgedrukt inkelvin) T h is de temperatuur van de warmtebron T c is de temperatuur van de cold sink

22 Inrichting conventionele elektriciteitsopwekking Warmtebron Meestal verbranding steenkool of aardgas maar ook: afval nucleair zonthermisch geothermisch etc. T h = temperatuur van de vuurhaard Kringproces: warmte kracht Meestal water/stoom als medium; (stoomcyclus) Naar kracht: Condenserende stoomturbines Naar cold-sink: Water- of luchtkoeling 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

23 E-centrale HP-steam generation Exhaust Water Power generation Fuel T E Power Water Air Air supply

24 Industriële fornuizen HP-steam generation Exhaust Water Power generation Fuel T E Power Water Air Air supply Bron: /news/2009/pressrelease_pergen.html

25 Poederkool centrale E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema 5 mei 2014

26 Poederkool centrale E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema 2005

27 Poederkool centrale HP-steam generation Exhaust Water Power generation Fuel T E Power Water Air Air supply E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema 2005

28 Poederkool centrale HP-steam generation Exhaust Water Power generation Fuel T E Power Water Air Air supply E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema 2005

29 Poederkool centrale E.On kolencentrale, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema 5 mei 2014

30 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 o C; 180 bar, 540 o C; E.On kolencentrales, Maasvlakte, Rotterdam. G.P.J. Dijkema 5 mei 2014

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 Energie - Tweede hoofdwet W max = Q * (T h - T c )/T h of W max = Q * (1- T c /T h ) De factor (1- T c /T h ) is de Carnot-factor Carnot-factor T laag = 25 o C Factor Carnot-factor T hoog, o C

34 Eenvoudige thermische centrale HP-steam generation Exhaust Water Power generation Fuel T E Power Water Air Air supply

35 Voorschakeling gas turbines Furnace / Boiler Exhaust luchttoevoer vervangen door de afgassen van een gas turbine Water T HP-Steam Steam Turbine E Generator Power Fuel +/- 5% rendements winst Air Blower Gas Turbine E Generator LP-Steam Power Hot Water Cold Water Heat Exchanger