Miljöfysik. Föreläsning 7

Transkript

1 Miljöfysik Föreläsning 7 Värme från luft, mark och vatten Värmepump Kylskåp Vattenenergi och vindenergi Anläggningar Verkningsgrader Inverkan på miljön

2 Värmepumpen Värmepumpen ger möjlighet att överföra värme från ett område med en låg temperatur till ett område med en hög temperatur. För att värma upp ett hus tar man värme från uteluft, mark, berg osv. Värmepump - egenskaper Mängden termisk energi man får ut är större än mängden energi man matar in. Man kan värma sitt hus till behaglig temperatur genom att ta energi från den kalla omgivningen. Strider detta med termodynamikens huvudsatser?

3 Hur en värmepump fungerar Kokande vätska ångbildningsvärme tas bort Vätskan tar upp energi från omgivningen (t.ex. kokande vatten på spisen tar energi från elplattan) Om vi inte skulle tillföra mer energi skulle vätskans temperatur sjunka när vätskan förångas. Förångning, avdunstning är avkylande. Kylskåpet och frysen (värmepumpar) använder denna princip. Värmeenergi skickas ut till baksidan.

4 Hur en värmepump fungerar Värmepumpen bygger på att man kan flytta kokpunkten för en vätska genom att ändra trycket. O Vattnet kokar vid t.ex. 80 C vid lågt tryck uppe på ett högt berg men O inte förrän långt över 100 C vid högt tryck. I värmepumpen använder man ett ämne, t.ex. tetrafluoretan, som O O arbetsmedium/köldmedium, vars kokpunkt kan förflyttas mellan -20 C + 50 C.

5 Värmepump

6 Värmepumpens fyra delar (1) Kompressorn, pumpen, komprimerar gasen (köldmediet) till högt tryck. Samtidigt ökar temperaturen. (2)Vid högt tryck kondenserar gasen till vätska. Värme frigörs. Temperaturen stiger på det som omger kondensor-rörslingan (3)Vätskan får pysa ut genom ett tunt kapillär-rör eller en expansionsventil. På andra sidan är trycket lågt. Temperaturen och trycket sjunker. (4)Vid lågt tryck kan vätskan koka fastän den har låg temperatur. Vid förångningen åtgår energi. Temperaturen sjunker på det som omger förångar-rörslingan.

7 Värmepump Vätskor kokar om man ökar temperaturen och kondenserar om temperaturen sjunker. I värmepumpen vill man ha det tvärtom: Köldmediet skall koka vid låg temperatur för att föra bort värme och upprätthålla eller sänka den låga temperaturen. Det skall kondensera vid hög temperatur och avlämna termisk energi.

8 Högt/lågt tryck och vätska/gas Kompressorn och ventilen skapar en skiljelinje mellan högt och lågt tryck. Förångaren och kondensorn upprätthåller en skiljelinje mellan gas och vätska.

9 Energiflöden och värmefaktor Energiflödena i en värmepump: Om värmepumpen används för uppvärmning är den nyttiga energin den som avges som värme Q. Tillförd energi = elenergi till kompressorn W 1 Q1 Värmefaktorn: η värme = W T1 Det teoretiska maxvärdet på värmefaktorn: ηvärme = T T 1 2 O O En värmepump som arbetar med 50 C på varma sidan och 0 C på kalla : η värme = = 6.5 I praktiken får man ηvärme 3. 50

10 Värmepump ett exempel På Kockum Fritids anläggning låter man en värmepump hämta värme från isbanan och lämna värme till simbassängen. Man får dubbel nytta av värmepumpen. Energianvändningen vid Kockum Fritid minskade från 1800 MWh per år till 650 MWh per år.

11 Fråga Man kan faktiskt få en frys i köket att arbeta lite extra på vintern och värma huset som värmepump. Antag att man varje dag under vinterhalvåret fryser 10 l vatten. Nästa dag plockar man ut isen och sätter åter in 10 l vatten. Hur mycket gratis värmeenergi får man ut från frysningen av vattnet?

12 Från tidigare Smältning Q = energi som behövs för att lösgöra molekyler eller atomer från varandra vid processen: Fast flytande Q= Im s Is = specifika smältvärmet för föremålet. Energin man får ut från frysning = Q= Im s För is : I = 333 kj/kg s V= 10 l = m ρ=1000 kgm massan = 1000 = 10kg 1000 Energin vi får ut = 3330 kj. Vi gör detta varje dag under halvåret Den totala energin vi får ut = kj= kj 600 MJ

13 Geotermisk energi Geotermisk energi ger ett litet bidrag till vår energianvänding.

14 Men den är billig Påverkar inte klimatet (inget CO 2 -utsläpp)

15 Jordens temperatur Varför har jordens kärna en hög temperatur?

16 Geotermisk energi En vulkan Clepsydra Gejser i Yellowstone Mycket energi under jorden. Mänskligheten har alltid använt geotermisk energi.

17 Kraftverk för torr ånga Verkningsgrad 0.3.

18 Fråga Diskutera hur geotermisk energi kan påverka miljön.

19 Sammanfattning En värmepump kan överföra värme från ett område med låg temperatur till ett område med hög temperatur De används i, t.ex., kylskåp Geotermisk energi Billig men det finns inte så mycket som vi alla kan utnyttja!

20 Vatten- och vindenergi Vatten- och vindenergi från solenergi som absorberas av vatten och luft. Termisk utvidgning ger luftströmmar och vind. Avdunstning, kondensation och nederbörd ger vattendrag. Den kinetiska energin i luften/vatten kan överföras till rotation i en turbin som driver en elektrisk generator elenergi. Sverige : 50% från vattenenergi, 1% från vindenergi.

21 Vattenenergi Den energi W som frigörs med massan m faller utför fallhöjden h: W = mgh m= ρv, ρ = täthet, V=volym. W = ρvgh Effekten P i vattenflödet : W V P = = ρgh t t V t = vattenflödet i m s 3.

22 Fråga Lule älv är Sveriges största elenergiproducent. Den ger 13.6 TWh per år. 3 Vattenflödet är 475 m /s. (a) Beräkna medeleffekten under året. (b) Beräkna totala fallhöjden (a) P = = W V 3 (b) = 475 m /s t V P = ρgh = h 475 = t 3 2 ρ = 1000 kgm, g = 9.8 ms h = = 332m

23 Vattenergi För att ett vattenkraftverk ska ge stor effekt fordras alltså dels stort vattenflöde, dels stor fallhöjd. För att få stor fallhöjd kan man använda naturligt vattenfall. T.ex. Niagara Falls Det första vattenkraftverket (1885) Vattnet föll 26m.

24 Ett underjordiskt vattenkraftverk Vanligare är att man åstadkommer konstgjorda fall på, i Sverige, upp till 300 m genom att spränga ut tunnlar och vertikala schakt i berget. Vattnet transporteras under marken från ett vattenmagasin till ett lägre. Vattenflödet regleras med enorma konstgjorda dammar.

25 Verkningsgrad och energi Verkningsgraden i turbin och generator : 80-90%. Väldigt hög! Vattenenergi bidrar 18% till världens elenergibudget. 50% till Sveriges elenergibudget. Vattenel i Sverige 65 TWh. Till skillnad från andra förnybara energikällor går den att tidsreglera. Överskott av vattenenergi samlas i dammar och sparas.

26 Miljöpåverkan Miljöeffekter består av de omfattande ingreppen i naturen. Vattentransporten i älvarna förändras och stora landområden sätts tidvis under vatten vid vattenmagasinen. Ekologiska effekter på djur- och växtliv. I Sverige producerar man vattenenergi i norr men vi använder den i söder. Långa överföringssträckor med högspänningsledningar. Ökad cancerrisk?

27 Fråga De tre ravinernas damm är en vattenkraftdamm i Kina. Dammen började byggas 1993 och när den färdigställdes 2012 var den världens största damm. Effekten är MW (22.5 GW). 1.24M invånare flyttades för att tillåta konstruktion. Tycker du att detta är acceptablelt med tanke på hur mycket energi Kina får av dammen?

28 v=hastighet, m=massa = ρv. Vindenergi Vindkraftverket fångar upp den kinetiska energin i luften. Den kinetiska energin: ρ = täthet, V = volym W = 1 2 mv 2 Volym som passerar per sekund: V t P = va W mv ρvv ρvav ρav = = = = = t 2t 2t P vind = ρ A v 2 3

29 Vindenergi ρ A 3 Pvind = v 2 Vilka faktorer påverkar effekten (1) Effekten beror kraftigt på v 3 hastigheten! (2) Area (3) massan (via ρ) Täthet (luft) Täthet (vatten) Vatten ger mycket mer energi!

30 Vindenergi Vindhastigheten beror på förhållanden på marken och tilltar på högre höjd. Vindkraftverk måste därför placeras högt med fria omgivningar (gärna till havs). Vindkraftverk dimensioneras ofta för att ge full effekt vid m/s. är vinden kommer upp i 25 m/s bromsar man verket helt och vrider propellern ur vindriktningen. Turbiner kan inte ta 100% av vindens energi annars skulle vinden stoppas! Teoretisk maximal effekt Pmax = P wind 0.6 (Betz lag)

31 Fråga Ange anledningar till att energi kan förloras på ett vindkraftverk.

32 max Fråga En vindturbin ger en nominell effekt 600 kw för en vindhastighet 15 m/s. Rotordiameter 44 m och frekvensen 27 varv/min. Beräkna P vid 15 m/s och vindkraftverkets maximala praktiska verkningsgrad. P vin d P max ρa π 22 = v = 15 = = 0.6 P = W vind Turbinens effekt = W

33 Miljöpåverkan Vindkraft utnyttjar inga ändliga resurser och ger inte utsläpp eller avfall. De kan monteras ned utan att lämna spår efter sig. Materialet kan återvinnas. Energibehovet för att tillverka ett kraftverk är litet - energiåterbetalningstiden är mindre än ett halvår. Ljudet Inverkan på fågelliv

34 Sammanfattning Vatten- och vindenergi utnyttjar kinetisk energi. Vattenergi har högre effektivitet och bidrar med mer energianvändning. Vattenenergi har en större påverkan på miljön.