Förslag på svar till instuderingsfrågorna till - TFE

Förslag på svar till instuderingsfrågorna till Energifaktaboken. 2014-01-24
1. Avsnittet allmänt
1. Vilket ursprung har den lagrade energin? Den överlägset största andelen (globalt sett) av
dagens energianvändning baseras på fossila bränslen, dvs ”gammal” solenergi. Solen är
också drivkällan för vind- och vattenkraft. Härutöver finns lagrad energi i form av
geotermisk energi (radioaktivt sönderfall jordens inre) samt Uran för energiomvandling i
kärnkraftverk.
2. Förklara hur växthuseffekten på jorden uppkommer? Gaser i atmosfären, ex CO2 och
vattenånga, absorberar långvågig värmestrålning från jorden, samtidigt som gasskiktet
släpper igenom den kortvågiga värmestrålningen från solen. Detta resulterar i en
temperaturhöjning i atmosfärsskiktet, som därmed dämpar förlusterna pga
värmestrålning från jorden och vi får ett drägligt klimat med en medeltemperatur på ca
15C. Utan den ”värmeskyddande” atmosfären eller med andra ord den normala
växthuseffekten, skulle jordens medeltemperatur bli odrägliga -18C. Ett nettotillskott av
tex CO2 rubbar denna naturliga temperaturbalans och den sk antropogena (orsakad av
människan) inverkan resulterar i en tilltagande växthuseffekt (temperaturökning) med
dramatiska konsekvenser för livet på jorden.
3. Av de 1515 miljoner TWh solenergi som kommer till jorden, hur stor andel tas upp via
fotosyntesen? Det mesta av solenergin reflekteras eller balanserar värmeutstrålningen (se
fråga 2) Endast 0.4 miljoner TWh tas upp av växter, alltså ca. 0.2%.
4. Ange enheten för energi i SI-enheterna sekund, meter, kg! 1J = 1 Ws = 1 Nm = 1 kgm2/s2.
(Tänk på att enheten Newton, dvs massa*acceleration = kgm/s2)
5. Du glömmer att släcka ett antal lampor, slå av TV:n från stand-by etc. när du åker på
semester i två veckor.. Vad komer detta slarv att kosta dig om elapparaterna totalt drar 300
W och din rörliga elkostnad är 80 öre/kWh.
14 dygn . 24 h/dygn. 0.3 kW . 0.80 kr = 80,6 kr
6. Vad menas med enheten toe? Ton olje-ekvivalent, dvs förbränningsvärmen för 1000 kg
olja. 1 toe = 11,63 MWh = 0,01163 GWh.
7. Rangordna följande bränslen efter energiinnehåll per ton bränsle; diesel, bensin, rapsolja,
etanol, vätgas, naturgas, pellets och anrikat uran. I tabellen finns riktvärden för
energiinnehåll och densitet, observera att frågan avser samma massa av respektive
bränsle, dvs 1 ton. Exempelvis, 1 m3 dieselbrännolja (Mk3) väger bara 840 kg alltså
behövs ca 1,19 m3 för att erhålla 1 ton vars energiinnehåll blir motsvarande 1,19*9950
kWh  11 840 kWh. Med rangordning från lägst till högst energiinnehåll erhålls således:
Pellets ( ca 4670 kWh), Etanol (ca 7 470 kWh), Rapsolja (ca 11 675 kWh), Diesel (Mk3 ca
11 850 kWh), Bensin (ca 11 945 kWh), Naturgas (ca 14 400 kWh), Vätgas (ca 37 500
kWh) och anrikat Uran (ca 880 GWh).
För NG och H2 obs. kg/m3 = ton/1000 m3
8. Reflektera, ur energikvalitetssynpunkt, över användandet av elektrisk energi för
uppvärmning av bostäder och lokaler! Eftersom el är en så högkvalitativ energibärare,
som kan användas till en mängd olika komplicerade energiprocesser (driva motorer,
pumpar, fordon, skapa nya produkter i olika industriella processer etc), är det ur
kvalitetssynpunkt helt ”korkat” att bara nyttja den för kortslutning och åstadkomma
värme! Detta inte minst om man ser till vilka komplicerade processer som krävs för att
framställa energiformen el.
2. Avsnittet energiförsörjningen i Sverige
1. Rangordna efter storlek de fem största energislag som dominerar energitillförsel i Sverige
2008
- Olja (mest till transportsektorn)
- Kärnkraft
- Biobränslen
- Vattenkraft
- Kol
2. Beräkna hur stor andel (%) av Sveriges energitillförsel som utgjordes av biobränslen år
1970 respektive år 2008.
1970:43/457 = ca 9% och
2008: ca 20% dvs drygt en fördubbling av andelen.
3. Vilka två energislag dominerar industrins energianvändning i dag? El och biobränslen.
4. Vilken typ av industri använder mest elenergi? Massa- och pappersindustrin.
5. Hur har användningen av diesel resp. bensin i transportsektorn ändrats från 1970 till idag
Dieseln har nästan fördubblats (+90%)! medan bensinanvändningen har minskat
marginellt.
6. Vilket energislag dominerar energitillförseln till bebyggelse i Sverige?
El (ca 50%).
7. Hur har användningen av elvärme i bebyggelse förändrats mellan 1990 till 2008? Jämför
med motsvarande förändring av oljeanvändningen! Elandelen har ökat ganska marginellt
endast knappt 10% medan oljeanvändningen har minskat med mer än 70%..
8. Jämför värden för kärnkraft mellan tabellerna för elproduktion (61,3 TWh) och
energitillförsel (184 TWh brutto) Vad beror denna stora skillnad på?
Verkningsgraden för omvandlingen till el från tillfört värme via uranet är ca 30%. 70%
går ut via kylvattnet i dessa sk. kondenskraftverk
9. Det finns tre olika typer av skatt på energi, vilka? Energi-, miljö- och momsskatt.
10. Hur beräknas miljöavgiften för kväveoxider schablonmässigt? Avgift 40 kr/kg utsläppta
kväveoxider gäller samtliga bränslen. Schablon baseras på utsläppt mängd kväveoxid per
MJ (600 mg för gasturbinanläggningar och 250 mg för övriga förbränningsanläggningar)
Inbetalda avgifter kvittas (återbetalas) map faktisk producerad energimängd, vilket
förväntas uppmuntra till användning av energiproduktion med låga kväveoxidutsläpp.
11. Vad är syftet med att man inom EU infört handeln med utsläppsrätter.
Syftet är att detta ska minska utsläpp av växthusgaser.
3. Energiförsörjningen i världen
1. Rangordna de sex mest betydande energislagen för världens energitillförsel.
Gas – Biobränslen – Kärnkraft - Vattenkraft
Olja - Kol -
2. Vad är skillnaden mellan energitillförsel och energianvändning? Ett lands energitillförsel
är tillförd bruttomängd, dvs inhemsk produktion och import reducerat med export och
lagring. Energianvändning är den nettomängd som används inom landet med hänsyn
tagen till omvandlings- och distributionsförluster.
3. Vilka två energislag dominerar helt svensk elproduktion?
Kärnkraft och vattenkraft
4.. Avsnittet olja
1. Processen där råolja förädlas kallas raffinering. De viktigaste delprocesserna i
raffineringen är destillation och krackning. Vad görs i dessa steg? Destillation skiljer på
råoljans lätta (bensin, fotogen, diesel) och tunga (eldningsoljor) fraktioner. Krackning
ökar andelen lätta fraktioner.
2. Från var importeras den största delen av råoljan till Sverige? Ryssland.
3. År 2008 importerade Sverige olja för 158 miljarder kronor. Energitillförseln (enligt kap 1)
var ju 191 TWh. Vilket pris i kr/MWh betalade Sverige. Jämför med ett typisk
biobränslepris på 15-30 kr/MWh.
191 109 kr / 191 106 MWh = 827 kr/MWh
Med värmevärde ca 10 kWh/liter olja, blir priset ca. 8 kr/liter.
Undrans om inte skatterna är inräknad i detta.. beräkningen är dock nyttig
5. Avsnittet kol
1. Kol delas in i fyra huvudgrupper, vilka? Brunkol och torv (65-84% kol), stenkol (84-91%
kol), antracit (>91% kol) och metaantracit.
2. Vilken av huvudgrupperna ovan menas när man i vardagligt tal säger kol? Stenkol
6. Avsnittet energigaser
1. Gruppera följande energigaser i förnybara resp icke-förnybara:
naturgas (IF)
biogas (F)
gasol (IF)
rötgas (F)
(IF = icke förnybar, F = förnybar)
2. Vilka ämnen dominerar sammansättningen av biogas, naturgas och gasol? Biogas –
Metan, Naturgas – Metan, gasol – Propan eller Butan.
3. Ange två miljömässiga fördelar med naturgas jämfört med olja?
Mycket låg svavelhalt, 30 till 50 % lägre koldioxidutsläpp.
4. Ur vad produceras biogas? Organiskt material som gödsel,, avloppsvatten från industrier,
slam från reningsverk, hushållsavfall och växter bryts ned av metanproducerande
bakterier.
5. Varför bildas mindre mängd koldioxid vid förbränning av naturgas jämfört med olja och
kol? Naturgas innehåller hög andel väte (utgörs ju till största delen av väterikt metan) i
förhållande till kol, därför bildas mer vatten och mindre koldioxid än vid förbränning av
sk tyngre kolväteföreningar som olja och kol.
7. Avsnittet bioenergi
1. Hur definieras biobränsle respektive biomassa? Biobränsle: bränslen där biomassa är
utgångsmaterial. Bränslet kan ha genomgått en kemisk process eller omvandling.
Biomassa: material som bildas genom växternas fotosyntes, dvs biologiskt ursprung som
inte eller endast i mycket liten grad omvandlas kemiskt.
2. Är torv och avfall biobränslen? Torv: sägs vara en organisk jordart, men omstritt
beträffande klassning som biobränsle, pga av torvens långsamma reproduktionsprocess.
Avfall räknas i Sverige som biobränsle trots att det inte enbart består av organiskt
ursprung. Inslag av plast och metall kan förekomma.
3. Vilka av följande energibärare är biobränslen?
Kutterspån (Ja)
Rishalm (Ja) Tallolja (Ja) Kol (Nej)
eler beror på..)
Salix (Ja)
Metanol (Nej
4. Vad är returlutar? Biprodukt från den kemiska massaindustrin.
5. Vilket biobränsle och vilken sektor är i särklass den största användaren av biobränslen?
Trädbränslen, massa- och pappersindustrin.
6. Varför krävs det inte något bindemedel i briketter av sågspån? Träets eget lignin verkar
som bindemedel.
7. Hur gammal är energiskog när den kan skördas? En första skörd sker efter 3-5 år. Även
omdrevstiden är 3-5 år, och en odling kan nyttjas 20-25 ggr därefter avtar produktionen.
8. Varför är energigräset rörflen lämplig att odla i norrland? Klimattåligt.
9. Hur är grundsynen för hur Sverige hanterar avfall. Vad gör man i första hand, andra hand
etc. ?
1:a hand: Undvid bildandet av avfall
2:a hand: Undvid Återanvänd produkterna
3:e hand: Återvinn material
4:e hand: Återvinn energi (avfallsförbränning)
5:e hand: Deponera avfallet
8. Avsnittet vattenkraft
1. Vilka parametrar styr hur stor elproduktion ett vattenkraftverk har? Mängden vatten,
fallhöjden, tyngdaccelerationen, kraftverkets verkningsgrad
2. Vilken effekt i MW levererar ett vattenkraftverk när 22,3 m3/sekund faller
74 meter i ett verk med 93% verkningsgrad? Redogör för din beräkning.
P =ρgHVη = = 1000 kg/m3* 9,82 kgm/s2 * 74m* 22,3 m2/s* 0.93 =
= 15.1 GW
9. Avsnittet sol
1. Hur stor andel av uppvärmningsbehovet för en villa täcks av s.k. passiv solvärme (sol
genom fönster)? Ca 15%
2. Varför är absorbatorn i en solfångare svart? En svart yta resulterar i en högre temperatur
vid bestrålning av det infallande kortvågiga solljuset. Den svarta färgen absorberar alla
våglängder av ljus i det synliga området 400-800 nm.
3. Hur fungerar en solcell? Solcellen består av ett tunt skikt av ett halvledarmaterial.
Solljuset polariserar solcellen så att framsidan blir negativt laddad och baksidan positivt
laddad. Detta ger upphov till en spänning mellan dessa som kan utnyttjas.
4. Hur produceras el i termiska solkraftverk? Solljuset koncentreras med speglar till en punkt
eller linje, vilket ger upphov till en hög temperatur. Den höga temperaturen kan användas
för att producera ånga som driver en ångturbin.
10. Avsnittet vind
1. Hur mycket ökar utvinnbar effekt (W/m2 svept yta) när vindhastigheten fördubblas? 8 ggr,
(ett beroende av vindhastigheten3).
2. Vilken effekt kan moderna stora vindkraftanläggningar leverera? ca. 3 MW
3. Nämn någon miljöstörning i samband med vindkraft? Bullerstörningar,
skuggningseffekter
4. Vilket land har i särklass den största andelen av sin elproduktion/innevånare baserad på
vindkraft? Danmark.
5. Vilket land i världen är störst på vindkraft? Tyskland
11.Avsnittet kärnkraft
1. Vad kallas kärnklyvning respektive kärnsammanslagning med finare ord? Fission
respektive fusion
2. Vad är en isotop? Med isotop menas att samma grundämne kan ha olika antal neutroner,
och därmed olika massa.
3. Vad gör man när man anrikat uran? Man ökar koncentrationen av uran-235 med ca 3%.
4. Hur stor andel av tillförd energi omvandlas till el i ett kärnkraftverk, d.v.s.
verkningsgraden? Cirka 35 % av tillförd energi.
5. Vilken roll har en moderator vid kärnreaktionen? Reglerar antalet fria neutroner för att
hålla en stabil kedjereaktion.
6. Ungefär hur mycket värmeenergi (TWh) kyls bort till havet utanför Ringhals årligen? Ca
64 TWh/år, beräknat enligt följande: summa eleffekt [enl tabell sid 141] x (365x24) x
genomsnittlig tillgänglighet [88%]. Delas denna produkt med 1 000 000 så erhålls
resultat i TWh, som alltså utgör nettoelenergin per år, säg att vi kallar detta NyttigEl.
Med en elverkningsgrad på 30% kan total energimängd enkel beräknas enligt;
NyttigEl/0,3. Skillnaden total energimängd – NyttigEl är den bortkylda värmeenergin.
7. Vilket tryck är det i en tryckvattenreaktor? 150 bar.
8. Vad är den tekniska fördelen med en bridreaktor jämfört med en lättvattenreaktor? Bättre
bränsleutnyttjande leder till mindre uranförbrukning, 50-100 ggr. Fler bränslen kan
användas, blandning Uran-238 och Plutonium-239, bildat plutonium kan upparbetas och
användas som bränsle igen. (Tyvärr har plutonium även andra icke-civila tillämpningar).
9. Vad är CLAB? CLAB är en mellanlagringsanläggning för använda bränsleelement, som
förvaras där i 40 år.
12.Avsnittet naturliga värmekällor
1. Vad skiljer öppna och slutna system? I ett öppet system pumpas ytvattnet direkt in i
värmepumpen. I det slutna systemet cirkulerar en värmebärarvätska genom rörledningar
och kommer aldrig i direkt kontakt med ytvattnet.
2. Ge exempel på industriellt spillvärme? Lågtrycksånga, varmvatten, rökgaser
3. Vad är skillnaden mellan geotermisk energi och bergvärme? Värmeenergins ursprung.
Geotermisk energi härrör från jordens inre, huvudsakligen genom radioaktivt sönderfall,
och inte från solen.
13. Elproduktion och distribution
1. Rita en enkel figur där man kan följa vattnets väg genom en ångturbincykel. Ange mellan
de fyra huvudkomponenterna om det är högt eller lågt tryck och om vattnet föreligger som
ånga eller vätska.
se fig. kap. 13.1. Från ångpannan kommer ånga av högt tryck. som leds till ångturbinen
där trycket och temperaturen sjunker . Ångan av lågt tryck kondenserar till vätska i
kondensorn. Slutligen trycksätts vattnet i en pump innan det matas in i pannan där vattnet
förångas och överhettas.
2. Vilka är de tre stora elproducerande företagen i Sverige?
Vattenfall, E-ON och Fortum
3. Vilka spänningar är det i storkraftnät? I det Svenska storkraftnätet används ca 10 400 km
(10600km) 400kV-ledningar och 4 450 km(4300) 220kV-ledningar.
4. Para ihop de olika typerna av värmekraftverk med de olika beskrivningarna:
Mottryckskraftverk
Ångan från turbinen har ett
lågt tryck, ingen värme
produceras
Kondenskraftverk
Ångan tas ur efter turbinen så att
kondensationsvärmet kan
användas till fjärrvärme
Kraftvärmeverk
Ångan tas ut efter turbinen vid
ett relativt högt tryck, så den
kan användas i fabriken
5. Vad är ett kombikraftverk? Utgörs av både en gasturbin- och en ångturbincykel för
omvandling av värme till el.
14. Värme- och kylproduktion
1. Vilket bränsle dominerar vid fjärrvärmeproduktion? Trädbränsle
2. Beskriv kortfattat hur fjärrvärme distribueras.
1.) Produktionsanläggning
2.) Distributionsledning
3.) Abonnentcentraler
Produktionen sker i form av förbränning eller genom värmepumpar. Värmen distribueras
sen i rör av stål med isolering runt. I byggnaden som skall värmas finns en värmeväxlare,
d.v.s. den s.k. abonnentcentralen.
3.
På vintern håller temperaturen på vattnet i fjärrvärmenäten upp emot 120oC. Varför kokar
inte vattnet då? Eftersom systemet hålls trycksatt kokar inte vattnet.
Vad är ett kombikraftverk?
En gasturbin + avgaspanna med tilllhörande ångturbin
5. Ett fjärrkylanät kan kylas med sk. frikyla, vad är detta? Vatten från sjöar och vattendrag
6. Vilka är en kompressorvärmepumps fyra huvudkomponenter? Rita enkel bild och förklara
vad som händer i värmepumpen? Värmepumpen, nyttjar värmen i dessa lågtemperaturvärmekällor och avger värme, men vid en högre temperatur, t.ex. för uppvärmning och
tappvarmvattenberedning i byggnader.
VÄRMEPUMP Principskiss;
De fyra huvudkomponenterna är: Kondensor, förångare, kompressor och expansionsventil.
I förångaren är trycket så lågt att köldmediet förångas av den omgivande värmen, dvs. energi
tas från värmekällan. Kompressorn höjer trycket på ångan före kondensorn där ångan
kondenseras och avger värme. Slutligen passerar vätskan en expansionsventil som sänker
trycket innan den återförs till början på förloppet
7. Vilken värmefaktor har en värmepump om det tillförs 2 MW värme i förångaren och 0,5
MW el till kompressorn? Ca 5 (bortfört värme 2.5MW/ tillfört arbete 0.5MW. vi bortser
från förluster.
8. Ge exempel på vad man använder som tillförd drivenergi i en absorptionsvärmepump?
Spillvärme
15. Förbränning och reningsteknik
1. Vad är förutsättningen för en sk förbränningsreaktion? Vilken proportion mellan gas och
luft är lämplig för förbränning? Vid vilken temperatur antänds luft-gas-blandningar, dvs
vilken är den termiska tändpunkten? (med gas menas t.ex. naturgas) Förutsätter gasfas.
Mellan 2 och 10 volymprocent gas i luften. Den termiska tändpunkten ligger mellan 400
och 500 grader Celsius
2. Vad innebär det att ett kolväte genomgår en ”fullständig förbränning”? Att allt ingående
kol förbränns till koldioxid och att allt väte ombildas till vatten. Detta uppnås endast om
ren syrgas ingår vid förbränningen.
3. Vad ger mest utsläpp av NOx och SOx, gaseldning eller oljeeldning? Oljeeldning
4. NOx-bildning påverkas av flera faktorer. På vilket sätt inverkar lågans temperatur,
uppehållstid i förbränningsugnen samt syrehalten NOx-bildning? Ökas någon av
faktorerna så ökar även Nox-bildningen.
5. Det finns tre eldningsmetoder för fasta bränslen, vilka? Rosteldning, pulvereldning och
förbränning i fluidiserad bädd
6. Vad är en ”roster”? Ett galler på vilket förbränningen sker
7. Vad är nackdelen med biobränslens ofta stora fuktinnehåll? Värmeförlusterna via
rökgaserna är direkt proportionella mot bränslets fuktinnehåll. Hög fukthalt innebär stora
förluster om inte rökgaskondensering tillämpas.
8. Vilka fördelar finns det med askåterföring? Askan innehåller viktiga mineraler och
näringsämnen som återförs till kretsloppet
9. På vilket sätt utvinns värme ur rökgaser genom rökgaskondensation? Vattenångan i
rökgaserna kondenseras till vatten vilket frigör energi som återvinns
10. Vad är en fluidiserad bädd? Bränslet svävar i förbränningsrummet, som består av en het
sandbädd genom vilken en kraftig luftström blåses genom.
11. Vilket ämne använder man sig av vid svavelrening vid förbränning? Tillförsel av kalksten
minskar svaveloxider med 90%.
16. Förbränning i bilar
1. Det finns två vanliga typer av motorer; ottomotorer (bensinmotorer) och dieselmotorer.
Vad skiljer dessa motorer vad gäller hur de arbetar, d.v.s. hur tillförs bränsle, hur sker
antändningen, hur stor är kompressionen? I ottomotorn tillförs bränslet genom en ventil
medan dieselmotorn har en bränslespridare. Bränslet antänds i ottomotorn av en gnista
som framställs på elektrisk väg, till skillnad från dieselmotorn vars bränsle antänds av
den höga temperatur som uppstår när luften i cylindern komprimeras av kolven.
Kompressionen är större i dieselmotorn än ottomotorn eftersom det är ett krav för att
bränslet ska antändas.
2. Vad är oktantal respektive cetantal mått på? Oktantalet är ett värde på bensinens motstånd
mot att antändas innan gnistan genereras. Cetantalet är däremot ett mått på dieselbränslets tändvillighet i den komprimerade heta luften.
3. På vilket sätt skapas en drivande kraft framåt i en flygplansmotor? Avgaserna från
gasturbinen expanderas direkt ut via en utloppsdel så att den energi som finns kvar
omvandlas till rörelseenergi. Utloppshastigheten är större än inloppshastigheten och
därför får man en reaktionskraft som driver flygplanet framåt.
4. Hur stor inblandning av etanol kan man ha i en normal bensinbil utan att man måste göra
motorförändringar? 15 till 20%
5. Vilken är den största begränsningen för batteridrivna fordon? Hög vikt,
utrymmeskrävande, lång tid för laddning och kort räckvidd.
6. Vilket ämne ”förbränns” i en bränslecell? Vätgas
7. Vad är en hybridbil? Kombinerad batteridrift med en förbränningsmotor som driver en
generator för laddning av batterier under färden.
8. Vad är en katalysator? Vilka tre föroreningar tas omhand i en trevägskatalysator
(bensinbilskatalysator)? Kemisk definition; ett ämne som påskyndar en reaktion utan att
själv förbrukas. För fordon utgörs den av en mindre behållare som sitter i fordonets
avgassystem. För närvarande används som katalysator ädelmetallerna platina, rhodium
och palladium. När katalysatorn värms av avgaserna förbränner den koloxid, och
kolväten med hjälp av syre. I en trevägskatalysator omvandlas dessutom kväveoxider till
ofarlig kvävgas.