Grundläggande energibegrepp
Magnus Karlsson
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
1
Behov
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
2
Tillförsel
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
3
Distribution
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
4
Vad är energi?
• Försök att göra en illustration av “Energi”.
Hur skulle den se ut?
• Kanske solen eller… .
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
5
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)
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
6
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,
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
7
Energi och effekt (spisplatta)
• Spisplatt, 1 kW (1000
W) som är igång I 1
timme => 1 kWh el
har använts
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
8
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
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
9
Energiformer
•
•
•
•
•
•
•
Potentiell energi
Kinetisk energi
Termisk energi
Elektrisk energi
Kemisk energi
Elektromagnetisk energi
Kärnenergi
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
10
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/s2)
h = höjd (m)
2
kg m / s m
2
kg m / s
2
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
11
Kinetisk energi
E
F ds
F
m
E
dv
m
ds
dt
dv
dt
ds
m dv
dt
m v dv
(m v 2 )
2
kg m2 / s 2
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
12
Mekanisk energi
• Potentiell energi + Kinetisk energi
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
13
Effekt från energi
• Potentiell effekt
P
m g h
t
• Kinetisk effekt
(m v 2 )
P
2 t
m
Massflow
t
3
A v
P
2
A v
= densitet (kg/m3)
A = area (m2)
v = hastighet (m/s)
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
14
Termisk energi
• E=m*cp*dT
– m= massa (kg)
– cp = värmekapacitet (J/(kg*K))
– T = temperatur (K)
• cp 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)
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
15
Elektrisk energi
E=U*I*t
• U = spänning
• I = ström
• t = tid
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
16
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
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O + värme
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
17
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)
Ved (fuktig)
Kol
Olja
Naturgas
4
2
8
12
15
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
18
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*108 (m/s))
•
= våglängd (m)
• Exempel: Grönt ljus har våglängden 500 nm
– E = 6,63*10-34 * 3*108 / 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
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
19
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:
+ 1 neutron 92Kr + 141Ba + 3 neutroner +
energi
– Ungefär 200 MeV skapas under fissionen
(Ungefär 170 MeV är kinetisk energi)
–
235U
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
20
Energibärare
• Energi behöver oftast förfinas och
transporteras innan användning –
detta görs med energibärare
• Exempel på energibärare
–
–
–
–
–
Elenergi
Bioenergi
Fossil energi
Fjärrvärmesystem
Vätgas
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
21
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
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
22
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
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
23
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
• http://www.sweco.se/sv/Sweden/Verksamhet/Industri/Industriteknik/Energiproduktion/
• 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)
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
24
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%
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
25
Omvandlingsverkningsgrader –
några exempel
•
Vattenturbin:
potentiell
•
~90%
mekanisk
>90%
termisk
mekanisk
elektrisk
~40%
Intern förbränningsmotor:
Kemisk
•
elektrisk
Kraftverk:
kemisk
•
mekanisk
Elektrisk motor:
elektrisk
•
kinetisk
termisk
mekanisk
~20%
Termisk solel:
elektromagnetisk
termisk
mekanisk
elektrisk
~20%
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
26
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
1.0
Elektrisk energi
1.0
Kärnenergi
1.0
Elektromagnetisk energi
0.95
Kemisk energi
0.9
Termisk energi, 300 °C
0.52
Termisk energi, 80 °C
0.23
Termisk energi, 20 °C
0.07
Termisk energi, 0 °C
0.0
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
27
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-T0)/T):
– Ex. Termisk energi på 80°C:
• Om relateras till 0°C (273 K):
(353-273)/353 = 0.23 (såsom visades I föregående OH-bild)
• Om relateras till 20°C (293 K):
(353-293)/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.
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
28
Thanks
Magnus Karlsson
IEI/Energisystem
29
