Miljöfysik. Föreläsning 4

Storlek: px

Starta visningen från sidan:

Download "Miljöfysik. Föreläsning 4"

Adam Jansson
för 8 år sedan
Visningar:

1 Miljöfysik Föreläsning 4 Fossilenergi Energianvändning i Sverige och omvärlden Förbränningsmotorn Miljöaspekter på fossila bränslen Att utnyttja solenergi Definitioner Instrålnings vinkelberoende

2 Uppkomst och användning Fossila bränslen har uppkommit genom att växt- och djurdelar sjunkit till botten i hav och sjöar, med sediment. Under miljoner år har de utsatts för högt tryck Ursprunget är fotosyntesen. Vi utnyttjar bränslena ~ gånger snabbare än de bildades. Förbränningsprocessen : kemisk energi termisk energi.

3 Olika typer av fossilenergi Kol i form av stenkol eller brunkol består av kol med inslag av tungmetaller och svavel. Kan hittas i gruvor. Olja utvinns som råolja (kolväten med olika antal kolatomer). I raffinaderier separeras fraktioner med olika egenskaper. Den används som fotogen, bensin, dieselolja, eldningsolja osv. Olja hittas i sandsten och kalksten. Fossilgasen (naturgas) består av lätta kolväten: 90% - metan. Inslag av etan, propan och butan.

4 Energikällor

5 Energikällor - Sverige

6 Reserver

7 Fracking

8 Förbränningsmotorn Transporter kräver 24% av Sveriges energianvändning Den dominerande delen sker med bilar med förbränningsmotor. Förbränningsmotor: Inre förbränning. Bränslet antänds i en sluten cylinder. Trycket på de heta gaserna som uppstår används för att driva ut en kolv ur cylindern. Kolvens rörelse överförs till en roterande axel.

9 Fyrtaktsmotorn Fyra olika moment (takter), som vardera upptar ett halvt varv av axelns rotation. Två varv (1) Insugning - insugningsventilen är öppen. Kolven rör sig utåt. Cylindervolymen ökar och bränsleblandningen sugs in. (2) Kompression. Båda ventilerna är stängda. Kolven rör sig inåt. Volymen minskar, bränsleblandningen komprimeras.

10 Fyrtaktsmotorn (3) Expansion (arbetstakt). Både ventilerna är stängda. Tändstiftet antänder bränslet så att det exploderar när kolven är i sitt övre läge. En kolvätemolekyl flera CO och H O molekyler. Temperaturen 2 2 ökar. Kolven trycks med stor kraft ut och driver med hjäp av vevstaken runt motoraxeln ett halvt varv. (4) Utblåsning. Utblåsningsventilen öppnas och avgaserna trycks ut av kolven när den rör sig in i cylindern. Förloppet upprepas gånger per minut.

11 Fyrtaktsmotorn

12 Kretsprocessen De expanderande förbränningsgaserna utför arbete: W = F s s = Den sträcka som kolven förflyttas. Kraften på kolven: F = pa p= tryck, A= kolvens area W = pa s Volymförändring V = A s

13 Kretsprocessen Arbetet som utförs när gasen expanderar och trycker ut en kolv: W = pdv

14 Kretsprocessen Under kompressionstakt och expansionstakt beskriver gaserna en kurva i p-v-grafen.

15 Verkningsgrad Verkningsgraden för en värmemaskin som förbränningsmotorn måste vara mindre än Carnotverkningsgraden η max η T T max 1 2 = T T T = förbränningstemperaturen i motorn. = omgivningstemperaturen I praktiken är verkningsgraden 30%.

16 Fråga Verkningsgraden för ett värmekraftverk är typiskt <50%. Använd termodynamikens andra huvudsats för att förklara varför vi förväntar oss en låg effektivitet?

17 Miljöaspekter på fossila bränslen Lokala miljökonsekvenser Kolmonoxid kan bildas om förbränningen inte är fullständig Förbränningstemperaturen leder till att luftgaser reagerar Marknära och farliga kväveoxider, Dellösning: katalysatorn. O 3 Kol och olja innehåller tungmetaller, t.ex. bly, kvicksilver. Dellösning: Elektrofilter i stora förbränningsanläggningar.

18 The Catalyst Challenge Understanding reaction mechanism and dynamics

19 Probing Intermediates

20 Probing Transition States

21 Bilavgaskatalysator Avgaser från olika motorer/processer OBS! Volymprocent

22 Bilavgaskatalysator Trippel uppgift: Oxidera CO Reducera NOx Oxidera HC Inkompatibla Sök kompromiss Lambda-fönstret (lambdasond)

23 Lean-burn + NOx lagring Kör i överflöd av syre Full förbränning och maximal effekt NOx genereras Lagra på BaO Bränn av NOx med bränsle kort puls för att återskapa lagringen

24 Miljöaspekter på fossila bränslen Regionala miljökonsekvenser Kol och olja innehåller svavel. Förbränning: surt regn skogsdöd och döda sjöar i Skandinavien! Dellösningar: Man väljer fyndigheter med lägre halt av svavel. Man kan rena bränslet före förbränning. Man kan rena rökgaserna innan de släpps ut ur skorstenen. Globala miljökonsekvenser Växthuseffekten pga CO. 2

25 Fracking

26 Sammanfattning Fossilenergi utgör idag den totalt dominerande primärenergikällan i världen Exempel: förbränningsmotorn Många miljöproblem med fossilenergi. Många dellösningar

27 Några definitioner Instrålning, Intensitet ( S eller I) Den mängd strålningsenergi (t.ex. UV-ljus) som infaller mot en yta per areaenhet och tidsenhet. Enhet: W m 2 Direktstrålning Instrålning direkt från solen. Mätinstrument för direktinstrålning, alltså en riktad mätare som t.ex. ej fångar upp ljus från himlen kallas pyrheliometer. Diffusstrålning Instrålning av reflekterat eller spritt ljus. Det ljus (och annan strålning) som kommer från himmel, moln och mark m.m. utgör tillsammans den diffusa instrålningen.

28 Några definitioner Totalinstrålning Summan av direkt och diffus instrålning mot en yta t.ex. en solfångare. Mätinstrument kallas pyranometer eller solarimeter. Globalinstrålning Totalinstrålningen mot en horisontell yta.

29 Att mäta direkt solinstrålning Termisk pyrheliometer En liten cylinder. Solljus går in i apparaten genom ett fönster och skickas till en elektronisk apparat som omvandlar termisk energi till elektrisk energi.

30 En dag med klar sol : Totalstrålning Några standardvärden på instrålning W/m vinkelrätt mot solriktningen. Utanför atmosfären 1360 W/m 2 = solkonstanten I Sverige: Total instrålad energi under ett år mot markytan Kring ekvatorn: 1000 kwh per 2 m, år kwh per m, år

31 Instrålningens vinkelberoende Infallsvinkeln - viktig faktor som bestämmer nettoenergin vid alla former av solenergiutnyttjande. φ = 0 P A φ = π 2 S = 0 φ S = P A S = P A sinα

32 Absorption i atmosfären Den direkta instrålningen sprids och absorberas på sin väg genom atmosfären. Den absorberade energin i varje litet skikt inkommande energi Intensitet : I= Ie I 0 0 µ x = Intensitet utanför atmosfären x= Sträcka genom atmosfären I = Intensitet efter sträckan x µ =atmosfärens absorptionsfaktor, relevant om vi antar konstant täthet. Bör vi anta att atmosfärens täthet är konstant?

33 Luftmassa, air mass Luftens täthet avtar snabbt vid ökande höjd luftmassa (air mass) m istället för sträckan genom atmosfären. m = L 0 L L 0 = sträckan när solen står i zenit. L= L sin 0 α 1 m = sinα α = "solhöjd" L 0 L

34 Direktstrålning som funktion av solhöjd I = λ = λm Ie 0 konstant, m=luftmassa

35 Solhöjdens variation under dagen och året Solhöjden= α beror på ortens latitud, tid på året och tid på dagen. Umeå Skillnader inom Sverige. North 180 o Ystad East -90 o West -90 o South 0 o

36 Fråga Den instrålade solenergin är inte tillgänglig när den behövs - på vintern! Långtidslagringen är kanske solenergins största problem Men solen strålar alltid lika starkt mot jorden. Vi skulle vilja transportera el från t.ex. Afrika till Sverige. Varför är detta svårt?

37 Energibehov och solenergitillgång 50% av Sveriges energibehov för uppvärmning av lokaler och varmvatten. Behovet är ojämnt fördelat över året. Energibehovet i välisolerad villa med 4 personer. Man kan klara sig utan annan värmekälla från mitten av mars till oktober.

Relevanta dokument

Jino klass 9a Energi&Energianvändning

Jino klass 9a Energi&Energianvändning 1) Energi är en rörelse eller en förmåga till rörelse. Energi kan varken tillverkas eller förstöras. Det kan bara omvandlas från en form till en annan. Det kallas