- In dit hoofdstuk gaat het over de thans gebruikelijke methodes om onze wisselstroom te produceren (dus zoals onze huidige centrales werken).
- – Dus niet over produktie van gelijkstroom (met PV of met een brandstofcel).
- – En ook niet over de omzetting van gelijkstroom naar wisselstroom ,
- hoewel het mogelijk is dat die in de toekomst wel eens heel belangrijk zal blijken
- (voor transport van hoge vermogens over langere afstanden wordt al gelijkstroom gebruikt)
- terwijl er ook voorstanders zijn om gelijkstroom te distribueren
- hoewel het mogelijk is dat die in de toekomst wel eens heel belangrijk zal blijken
- Deze diskussie blijft verder onbesproken op deze site
- – Omzetting van primaire energie in onze wisselstroom-elektra gaat eigenlijk altijd alsvolgt :
- * opwekking van hitte die via een warmte-wisselaar
- * overgedragen wordt naar water , dat door die hitte verandert in
- * hoogwaardige stoom (hoge druk en temperatuur). Deze stoom
- * expandeert in een turbine ; hier wordt de energie in de stoom omgezet in
- * mechanische energie voor aandrijving van
- * een generator , die de
- * elektra levert
- – Interne kringloop : de (verbruikte) geëxpandeerde stoom kan worden hergebruikt. Daarvoor moet ie eerst condenseren om als water in het hogedruk deel van het circuit teruggepompt te kunnen worden ten koste van relatief weinig vermogen (ca 1% van de elektra-produktie ; Bron : … ).
- Terugpompen in de vorm van stoom zou theoretisch evenveel vermogen kosten als de expansie leverde…. Dan zou er al niks over blijven voor de elektra-produktie !
- – Interne kringloop : de (verbruikte) geëxpandeerde stoom kan worden hergebruikt. Daarvoor moet ie eerst condenseren om als water in het hogedruk deel van het circuit teruggepompt te kunnen worden ten koste van relatief weinig vermogen (ca 1% van de elektra-produktie ; Bron : … ).
- – Soms wordt de hitte opgewekt in een gas dat rechtstreeks naar een turbine gaat
- – En soms wordt de generator aangedreven door verbrandingsmotoren (diesel)
De opgewekte hitte
– kan afkomstig zijn van verbranding van fossiele brandstof (kolen , olie , gas) in een ketel. De warmtewisselaar zit tegen de ketel-wanden in de vorm van een netwerk van pijpen waarin water onder druk tot stoom wordt gemaakt , etc.
– kan ook nucleair worden opgewekt in een ketel waarin koelvloeistof circuleert die de warmte via een warmtewisselaar overbrengt naar een tweede circuit waarin de hogedruk stoom wordt gegenereerd , die naar de turbine…., etc.
Zie plaatje
Voor de omzetting van warmte in mechanische energie hebben we een drietal theoretische modellen : de thermodynamische proces-cycli uit [FA.00]
Houd wèl in gedachten dat geen enkel proces ideaal volgens de theorie van zo’n cyclus loopt
– De geëxpandeerde stoom moet daarna condenseren zodat water in het hogedruk deel van het circuitteruggepompt kan worden met relatief weinig vermogen (ca 1% van de elektra-produktie). [FA.00]
(Terugpompen in de vorm van stoom zou theoretisch evenveel vermogen kosten als de expansie leverde….)
- ** Ten eerste is er de Carnot-cyclus
- Dit is een theoretisch model van de meest gunstige omzetting van warmte in mechanische energie (en omgekeerd !).
- [Theorie : toe- en afvoer van warmte zonder temperatuur-verandering (isotherm) èn van compressie en expansie zonder warmte-verlies (adiabatisch)]
- – De opbrengst-formule is eenvoudig : rendement = 1 – (Kmin / Kmax)
- hierin is K de temperatuur in Kelvin , met K = 273 + T (met T in °C)
Hiernaast in tabelvorm :
- – In de praktijk is de hoogst toelaatbare temperatuur 565°C (daarboven begint roestvast staal door “kruip” langzaam te vervormen). En de laagste is 30°C.
Dit levert een maximaal theoretisch rendement van 64%- – Die 30°C is mogelijk doordat een beperkt vacuüm in de koeltoren de condensatie-temperatuur heeft verlaagd. Hierdoor kan de stoom verder expanderen (= meer vermogen leveren !) zonder waterslag in de turbine te veroorzaken
- Hiermee hebben we voor de stoomfase in een centrale eigenlijk een limiet voor het rendement aangegeven
- – Per omzettings-technologie zijn er in de praktijk redenen waarom die 565°C niet gehaald wordt en/of dat vacuüm minder diep is , zodat de theoretische grens (bovengenoemde 63%) sowieso al niet gehaald kan worden
- En natuurlijk loopt het proces niet ideaal ; èn zijn er in de omzetting meer verliesposten aan te wijzen (bijv in de generator)
- Maar hoe dan ook , met de Carnot-formule kun je toch altijd snel een indruk krijgen van de grens van een proces-opbrengst (al is het vaak lastig om de juiste T te kiezen….)
- ** Ten tweede is daar het Rankine-proces
- – Deze cyclus beschrijft het beste wat er gebeurt in het stoom-circuit zoals dit in vrijwel alle elektra-centrales voor komt.
- – De cyclus is iets minder efficient dan de Carnot-cyclus.
- [Theoretisch verschil is toe- en afvoer van warmte-energie zonder druk-verandering (isobaar , ipv isotherm)]
- Opm : deze Rankine-cyclus is ook van toepassing in alle warmtepompen, maar dan andersom. Daar wordt mechanische energie juist met een pomp ingebracht om warmte te transporteren (bijv. van binnen naar buiten in een koelkast , van buiten naar binnen in een warmtepomp)
- ** Ten derde hebben we de Brayton-cyclus
- In het verband hier hebben we het over de gesloten Brayton-cyclus , dwz dat het medium (Helium ?) in het circuit opgesloten blijft.
- Beschrijving van de cyclus :
- de Compressor C brengt het afgekoelde gas onder druk ,
- waarna het
- in de Warmtewisselaar door ingebrachte warmte uit de hittebron
- op hogere temperatuur wordt gebracht ;
- in de Turbine T wordt de energie in het gas bij expansie
- omgezet in mechanische energie, die de compressor en de generator aandrijft ;
- het ge-expandeerde gas wordt in de navolgende warmtewisselaar
- nog afgekoeld door warmte-afvoer naar een volgende processtap of naar de “omgeving”
Er zijn plannen om dit proces aanvullend in te zetten in nucleaire centrales. [Zie 09.09.1 DEEL 2]
Dit deelproces zou veel hogere temperaturen kunnen uithouden (goed voor het rendement).
Met de afvoer-warmte wordt stoom gemaakt voor een “normale” Rankine-cyclus .
De twee cycli zijn dus serie-geschakeld ; samen zouden ze een rendement van 60% leveren !
** Bij gascentrales is er nog een aparte verschijningsvorm.
– Een gasturbine drijft een generator aan , maar het uitlaatgas is heet genoeg om (voor de schoorsteen uit te gaan) nog stoom te produceren voor de aansluitende Rankine-cyclus.
Dit wordt een STEG-centrale genoemd (stoom en gas)
– Het rendement ligt op ca 50…60% (lager rendement bij deellast)
– Nog niet alle gascentrales zijn van dit moderne ontwerp