Grundläggande energibegrepp

Transkript

1 Grundläggande energibegrepp 1

2 Behov 2

3 Tillförsel 3

4 Distribution 4

5 Vad är energi? Försök att göra en illustration av Energi. Hur skulle den se ut? Kanske solen eller. 5

6 Vad är energi? Energi används som beteckning för : Energiformer (ex. potentiell energi, kinetisk energi) Energibärare (ex. elenergi, fjärrvärme) Energikällor (ex. olja, vindkraft) Generellt: Förmågan att ändra en kropps eller systems tillstånd Fysiskt: Förmågan att uträtta ett arbete ge rörelse (kraft * väg) 6

7 Energi och effekt Energi är förmågan att uträtta arbete Power är hastigheten som arbetet genomförs hastigheten som energin omvandlas till en annan form av energi Enheter: Energi: Joule (J), wattimmar (Wh) (3600 J = 1 Wh) Effekt: Joule per sekund (J/s), Watt (W) (1 J/s= 1 W) 1 J (Ws) arbetet av en kraft på en newton (1 N motsvarar vikten av ett litet äpple som lyfts en meter) 1 J (Ws) Energin som ett objekt, med massan 2 kg, har när det rör sig med hastigheten 1 m/s. Andra enheter: Energi: kcal, BTU, Effekt: hk, 7

8 Energi och effekt (spisplatta) Spisplatt, 1 kw (1000 W) som är igång I 1 timme => 1 kwh el har använts 8

9 Fler exempel på energi och effekt Normalstor bil: (11 kwh energiinnehållet i en liter bensin) 1 MWh (1,000 kwh) Energin som behövs för att köra en bil 1000 km 100 kw (100,000 W) maximal effekt Medelstort hus: 25 MWh (25,000 kwh) energibehov 12 kw (12,000 W) toppeffekt (vinter) Fjärrvärme i en normalstor stad: 1 GWh (1,000,000 kwh) energibehov under en dag 350 MW (350,000,000 W) toppeffekt (vinter) Stort kärnkraftverk: 1 TWh (1,000,000,000 kwh) energileveranser under två månader 1000 MW (1,000,000,000 W) maximal effekt Sverige 624 TWh (624,000,000,000 kwh) total energianvändning i Sverige (2007) 34 GW (34,000,000,000 W) totalt installerad effekt i svenska elsystemet 9

10 Energiformer Potentiell energi Kinetisk energi Termisk energi Elektrisk energi Kemisk energi Elektromagnetisk energi Kärnenergi 10

11 Potentiell energi Potentiell energi = hos ett föremål som påverkas av ett kraftfält E m g h E = energi (J) m = massa (kg) g = gravitationskraft (m/s 2 ) h = höjd (m) kg m / s m kg m / s 11

12 Kinetisk energi E F ds F m dv dt dv ds E m ds m dv m v dv dt dt ( m v 2 2 ) kg m 2 / s 2 12

13 Mekanisk energi Potentiell energi + Kinetisk energi 13

14 Effekt från energi Potentiell effekt m g h P t Kinetisk effekt 2 ( m v ) P 2 t Massflow A P 2 3 v = densitet (kg/m 3 ) A = area (m 2 ) m t v = hastighet (m/s) A v 14

15 Termisk energi E=m*c p *dt m= massa (kg) c p = värmekapacitet (J/(kg*K)) T = temperatur (K) c p för några material (vid normal temperatur och tryck) Vatten: 4.18 kj/(kg*k) Luft: 1.01 kj/(kg*k) Etanol: 2,44 kj/(kg*k) 15

16 Elektrisk energi E = U * I * t U = spänning I = ström t = tid 16

17 Kemisk energi (1) Den kemiska energi lagras i länkarna mellan atomerna När ett bränsle förbränns bryts länkarna oc nya länkar med lägre energi bildas Överskottet av kemisk energi blir: ljus termisk energi Exempel: Förbränning av metan CH 4 + 2O 2 -> CO 2 + 2H 2 O + värme 17

18 Kemisk energi (2) Genom fotosyntesen har energi från solen bundits i kol, olja, naturgas och biobränslen Värmen från förbränning a specifik för olika energikällor och anges med värmevärdet Exempel på värmevärde (MWh/ton) Ved (Lufttorkad) 4 Ved (fuktig) 2 Kol 8 Olja 12 Naturgas 15 18

19 Elektromagnetisk energi Detta är den form som exempelvis solens energi når jorden: i form av fotoner Energiinnehållet i en foton: E = h*f = h*c/ h = Plancks konstant (6,63*10-34 (J*s)) f = frekvens c = hastigheten av ljus i vakuum (3*10 8 (m/s)) = våglängd (m) Exempel: Grönt ljus har våglängden 500 nm E = 6,63*10-34 * 3*10 8 / 500*10-9 = 3,978*10-19 J Oftast används enheten elektronvolt: 1 ev = 1.6*10-19 J E = 3,978*10-19 / 1.6*10-19 = 2.5 ev 19

20 Kärnenergi Vid fission av en atom repellerar delarna med en enorm kraft. Det mesta av energin omvandlas till kinetisk energi När partiklarna träffar det omgivande godset genereras värme En vanlig reaktion är följande: 235 U + 1 neutron 92 Kr Ba + 3 neutroner + energi Ungefär 200 MeV skapas under fissionen (Ungefär 170 MeV är kinetisk energi) 20

21 Energibärare Energi behöver oftast förfinas och transporteras innan användning detta görs med energibärare Exempel på energibärare Elenergi Bioenergi Fossil energi Fjärrvärmesystem Vätgas 21

22 Primära och sekundära energikällor - definition 1 Definition 1 Primära energikällor Solen (97%) Kärnenergi(3%) Rotationen av jorden (ebb och flod) Sekundära energikällor (har sitt ursprung ur de primära energikällorna) Olja Kol Naturgas Bioenergi Vattenkraft Vindkraft Tidvattenenergi 22

23 Primära och sekundära energikällor definition 2 Definition 2 Primära energikällor Solenergi Olja Kol Naturgas Bioenergi Vattenkraft Vindkraft Geotermisk energi Kärnenergi Tidvattenenergi Sekundära energikällor ( förfinande från de primära energikällorna) El Fjärrvärme Bränsle 23

24 Termodynamikens lagar Första termodynamik lagen (energiprincipen) Energi kan inte skapas eller förstöras, endast transformeras mellan olika former Vilken form av energi som helst kan omvandlas till en annan form men den totala energi är alltid samma Konsekvens: Energiproduktion eller energikonsumption är inte korrekta termer Detta återfinns ofta I tidningsartiklar Vetenskapliga artiklar (Sustainable energy production and consumption in Turkey: A review) Andra termodynamik lagen Värme kan inte, av sig självt, transporteras från en kallare till en varmare kropp Allting sprids Konsekvenser: Skillnader I temperaturer utjämnas All energi som tillförs blir värme I slutändan (närmar sig temperaturen av omgivningen) 24

25 Energiomvandling Omvandlingsverkningsgrad är förhållandet mellan användbar energi och den totala mängden energi som tillförs systemet Den användbara energin är aldrig så stor som den mängd som tillförs ett system omvandlingsverkningsgrade n är alltid lägre än 100% 25

26 Omvandlingsverkningsgrader några exempel Vattenturbin: potentiell kinetisk mekanisk elektrisk ~90% Elektrisk motor: elektrisk mekanisk >90% Kraftverk: kemisk termisk mekanisk elektrisk ~40% Intern förbränningsmotor: Kemisk termisk mekanisk ~20% Termisk solel: elektromagnetisk termisk mekanisk elektrisk ~20% 26

27 Energikvalitet Olika energiformer har olika kvalitet Energikvaliteten relaterar till hur mycket energi som en speciell form av energi kan omvandlas till mekanisk energi (arbete) Mekanisk energi Elektrisk energi Kärnenergi Elektromagnetisk energi Kemisk energi Termisk energi, 300 C Termisk energi, 80 C Termisk energi, 20 C Termisk energi, 0 C

28 Energikvalitet exergi Exergi = kvalitet på energi Exergi = är det maximala tillgängliga arbetet, när ett system uppnår jämnvikt med omgivningen (energi är kapaciteten att genomföra arbete) Måste relateras till en referenstemperatur (q = (T-T 0 )/T): Ex. Termisk energi på 80 C: Om relateras till 0 C (273 K): ( )/353 = 0.23 (såsom visades I föregående OH-bild) Om relateras till 20 C (293 K): ( )/353 = 0.17 Om man använder konceptet energi som bas vid beräkningar, måste man betänka temperaturerna (kvaliteten) på energin, till exempel: 1 MWh varmtvatten med temperaturen 80 C är inte samma som watten med energiinnehållet 1 MWh med en temperatur på 40 C. 28

29 Thanks 29