Videreutdanning i naturfag for ungdomsskolelærere

Temadag om energi

Jostein MatreBKK Rådgiving AS

Videreutdanning i naturfag for ungdomsskolelærereTemadag om energi

Jostein Matre BKK Rådgiving AS

Om Energiproduksjon. Europa – Norge – Hordaland BKK og vår vannkraftproduksjon. Forklaringer til teknologien. Beregninger.

Fra vannstrøm til elektrisk strøm. Hvordan produseres strøm fra vannkraft? (Nedbør > tilsig > magasin > vannveien > inntaket > trykksjakten > turbinen > aggregatet.). Beregninger.

Morgendagens energiproduksjon med vekt på BKK og teknologi (vind, bio, gasskraft, fjernvarme/nærvarme, brenselcelle, kogenerering, varmepumpe, m.m.). Teknologisk tema: Kogenerering. Forklaringer til teknologien. Beregninger.

Realistiske regneoppgaver kan utarbeides etter ønske

Norge – utvikling i etterspørsel

0

20000

40000

60000

80000

100000

120000

140000

GWh

Etterspørsel BNP

Økt med 65 % på 25 år,

eller ca. 2 TWh/år ! Økt med 65 % på 25 år,

eller ca. 2 TWh/år !

Vekst i dag0,8 % til alm.

forbruk

Norge er et spesielt energilandVi er det land som:

• bruker mest fornybar energi– 50 % mot ”normalt” 5 %

• bruker mest - størst andel - elektrisitet– 50 % mot ”normalt” 20%

• bruker mest el til oppvarming

• har laveste elpriser

Energiforbruk i husholdning

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Danmrak Finland Norge Sverige

kWh

Kilde: (IEA) 1999.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

Danmark Finland Norge SverigekW

h

Kilde: Annual bulletin of housing and building statistics for Europe and North America (1996)

Pr innbygger Pr m2 boareal

Tabell 6: Energibruk boliger - utvikling over tid (kWh/m2)Kilde: (NOU 1998: 11)

Type bolig kWh/ m2 og år_______________________________________________Snitt boliger ca. 210

Bolig bygget omkring 1950 290Bolig bygget omkring 1975 230Bolig bygget omkring 1987 190Bolig bygget etter 1997 (BF 97) 150Lavenergihus med dagens teknologi 80"Superhus" 30

Klikk for å legge til en tittel

Spesifikt energiforbruk per capita totalt og pr sektor (kWh)Kilde: ENERGY BALANCES OF OECD COUNTRIES, 1996 - 1997, IEA 1999

Land Totalt Industri Transp Øvrig Husholdn.Norge 49.002 19.067 12.368 17.564 10.021Sverige 45.672 17.885 10.316 17.701 10.539Danmark 33.826 6.718 10.793 16.344 10.000Finland 52.840 24.413 9.843 18.576 11.879Nederland 41.217 14.215 10.303 16.689 7.935

Vannkraftproduksjon og tilsig

FORBRUKFORBRUK TILSIGTILSIG

Strøm er ferskvare – den må produseres i det øyeblikk vi trenger den

50

70

90

110

130

150

1976 1986 1996 2006

TW

h/å

r

Production

Consumption

Norsk kraftproduksjon og forbruk - fastland

Prod. i et normalår

Production and consumption offshore ~ 10 TWh/year

Nedbørfattig år

Nedbørrikt år

Forbruk og faktisk produksjon

Klikk for å legge til en tittel

Utbygd og nyttbar vannkraft i Norge fra NVEs statistikk for 1997

Fylke Utbygd Kons. Rest Vernet Totalt gitt utbyggb. potensiale

Hordaland 14.499 144 2.493 6.700 23.837Nordland 13.541 1.236 4.802 3.516 23.095Sogn og Fjordane 11.769 56 3.434 5.226 20.485Telemark 12.329 27 977 676 14.009

Hele landet 112.938 1.762 28.377 35.258 78.335

Statnett: Områder der svært anstrengte kraftsituasjoner er sannsynlig: Trøndelag/Møre Vestlandet

- Bergensområdet

- BKK-området

Sør-Norge

Aktuelle forsterkninger• Sima – Samnanger 420 kV• Mongstad – Kollsnes 300/132 kV• Samnanger – Arna 300 kV• Modalen – Mongstad – Kollsnes 300

kV

Mongstad

Klikk for å legge til en tittel

Energiproduksjon i Norge i dag med vekt på BKK og vår vannkraftproduksjon. Forklaringer til teknologien. Beregninger. (Jostein Matre)

Klikk for å legge til en tittel

Ny vannkraft

Tilsig i områdetStørrelse på nedbørfeltPlassering av inntakPlassering av kraftstasjonUtforming av anleggetBeregning av produksjonBeregning av kostnader

UtbyggingsprisBeslutning om utbygging

Bruk av matematikk

i hverdagen

3140 mm nedbør pr år tilsvarer pr km2 :

3,14 m * 1000 m * 1000 m = 3,14 * 10 6 m3

1 m3 = 1000 l = 1 * 10 3 liter

Ett år = 31,54 * 10 6 sek.

3,14 * 10 6 * 1 * 10 3 = 100 l/s * km2

31,54 * 10 6

Benevning på NVEs isohydatkart

Effekt N ( kW ) = 9,8 * * Q * Hn der = virkningsgrad

Q = vannmengde i m3/s

H = netto fallhøyde

Gitt at = virkningsgrad = 0,86 og fallhøyden H = 427

1 m3 vann som faller 427 m gir 1 kWh

1000 mm nedbør gir 1 mill m3 vann pr km2

som gir 1 mill kWh / km2 når fallhøyden er 427 m

Klikk for å legge til en tittel

13.00 – 13.30: Morgendagens energiproduksjon med vekt på BKK og teknologi (vind, bio, gasskraft, fjernvarme/nærvarme, brenselcelle, kogenerering, varmepumpe, m.m.). Teknologisk tema: Kogenerering. Forklaringer til teknologien. Beregninger. (Jostein Matre)

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

Coal Oil

Gas tu

rbine

Nuclear

Hydro

O.Ren

+W

Fuel C

ell

2004

2030 Ref

2030 Alt

2030 BAPS

World - Predicted Power Generation Reference, Alternative Policy Scenario and

Beyond the Alternative Policy Scenario (BAPS)

Source: IEA World Energy Outlook 2006

TWh

Reference Scenario 2030Alternative Policy Scenario 2030

2004

BAPS 2030

Carbon capture and storage

EU - Predicted Power Generation from Other RenewablesReference and Alternative Policy Scenario

TWh

Source: IEA 2006

0

100

200

300

400

500

600

700

Bio&Waste Wind Geo Solar Tide&Wave

2004

2030 Ref

,2030 Alt

Gyldendals store konversasjonsleksikon – 1972

BrenselcelleElektrokjemisk generator som omdanner kjemisk energi direkte til elektrisitet og som skiller seg fra vanlige akkumulatorer ved at de reagerende kjemikalier tilføres kontinuerlig i stedet for å være lagret på elektrodeplatene.

Utnyttelsesgraden øker vanligvis med belastningen, og ligger mellom 50 – 80 %.

Første bemannede romferge som brukte brenselcelle var Gemini 5 som ble skutt opp i 1965. Cellen veide 31 kg og leverte opp til 1 kW med en spenning på ca 25 Volt

Hva er en BRENSELCELLE

The BKK-pilot – our first prototype• Complete CHP plant• Planar technology for

compactness• Unique stack technology for high

power density and long life time• Realistic environment

Europe (World)’s first complete planar ceramic SOFC CHP plant

BKK-pilot

Brenselcelle - prinsipp

Kjemiske reaksjoner i en brenselcelle

Anodesiden: 2H2 => 4H+ + 4e-

Katodesiden: O2 + 4H+ + 4e- => 2H2O

Netto reaksjon: 2H2 + O2 => 2H2O

++ ++

-

--

-

H H

H2H+ = atomkjernen = protone- = elektron

Membran slipper igjennom proton og tvinger elektron til å ”gå” rundt

Brenselcelle - prinsipp

Hydrogen er en bestanddel av drivstoffet i alle celler

Ulike celler opererer med ulike temperaturer, ulike drivstoff og ulike membraner/elektrolytter.

De elektrokjemiske reaksjonene er noe forskjellige

SOFC brenselcelle – tilførsel av luft og brensel• Koblingselementene har kanaler som separat leder

brensel (naturgass, etc.) inn på anodesiden, og luft inn på katodesiden av brenselcellen

• Den kjemiske reaksjonen i cellen foregår ved høy temperatur (750-1100°C) og produserer strøm over de to koblingselementene (tilsvarende et batteri)

• Avfallsprodukter fra prosessen er vann og CO2 (ved bruk av naturgass), samt nyttbar varme

SOFC cellereaksjon – virkemåte naturgass

• SOFC cellen er tolerant for flere typer brensel, og ved bruk av naturgass vil CO konverteres til CO2 i prosessen

• Prosessen muliggjør fangst av CO2

• Elektroder ledes fra den negative anoden til positiv katode, og genererer strøm ved påføring av ekstern last

SOFC stackreaksjon – virkemåte naturgass

• Ved seriekobling av celler i stack ledes elektronstrømmen videre mellom cellene via keramiske koblingselementer

• Prosessen er tilsvarende for hver celle, og spenningen bygges opp serielt

• Ved tilførsel av naturgass som brensel vil CO konverteres til CO2 og transporteres til eksos sammen med vann

• Spenning for illustrert stack er ca. 2 x 0,7V = 1,4V

• Strømkollektorer i begge ender av stack fungerer som poler på et batteri

Brenselceller og annen strømproduksjon

Tradisjonell produksjonsprosess for energi ved forbrenning

Propduksjonsprosess med brenselcelle

(Fuel Cell)

OWEC Jacket Quattropod – July 2007

BKK Rådgiving AS

Vindkraft - ressurstilgang

Energiutbyttet øker med vindhastigheten i 3dje potensAnslag over nyttbart potensiale i Norge ligger fra 12 TWh og oppover mot 140 TWh. Totalt potensiale er anslått til 480 TWh av NVE

Bruk av matematikk

i hverdagen

Energiproduksjon - vindkraftDen totale effekt i vinden som passerer ett tverrsnitt:

P = ½**A*v3

Den maksimale effekt en turbin kan fange opp er

P = Cp *½**A*v3

Cp= virkningsgrad Teoretisk maks 59,3 %Propellvirkningsgrad 50 % (bestpunkt)Total inkl el. virkningsgrad 46%

KogeneringSamtidig produksjon av varme og el i en motor• Driften styres av behovet for varme• El-produksjonen er et ”avfallsprodukt”• For å kunne avskrive investering og faste drifts-

kostnader er det viktig med lang driftstid.• Rolls Royce ( tidl. Ulstein Vickers ) produserer

kogenereringsanlegg

Klikk for å legge til en tittel

Fjernvarme-behov for tilleggsenergi ved lastøkning

Situasjonen ved en økning fra 157 GWh til 184 GWh som er forventet utvikling fra 2007 til 2010. ( 3 GWh tap )

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 100 200 300

Dager

MW

Marginal tilleggsvarme

Tilleggsvarme

Marginal avf-energi

Avfallsenergi

27 MW

Fjernvarme fra BiR13 GWh

Tilleggslastgass 17 GWh

FJERNVARME I BERGEN

Nett (grøft) 50 km

Kunder• Store bygg 120 stk

• Enkeltboliger 350 stk

Varmeproduksjon• Avfall (Rådalen) 23 MW

• Gass (Haukeland) 20 MW

• El (Haukeland) 20 MW

• Olje (Rådalen) 48 MW

Fjernvarmesalg• Budsjett for 2007 140 GWh

• + Nye kunder i sentrum 50 GWh

• + Nye bygg 50 GWh

TOTALT i 2015-2020 240 GWh

Kogenerering Kollsnes

Byggetrinn I = 3,4 MW

Tilpasset 40.000 tonn LNG / år

Byggetrinn II = 6,8 MW

Tilpasset 80.000 tonn LNG / år

Virkningsgrader :

ca 43 % elektrisk og

knapt 90 % totalt

Kogenerering = samtidig produksjon av elektrisitet og varme

MILJØGEVINST FJERNVARME

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

70,0

80,0

2005 2010 2015 2020

Årstall

CO

2 x

1000

tonn

CO2 med ny avfallslinje CO2 uten ny avfallslinje

I 2020 KAN fjernvarme gi reduksjon i utslipp pr år. med:

- CO2 73.000 tonn

- SO2 113.000 kg

- NOx 68.000 kg

- Støv 5.000 kg

Tilsvarer eksos fra 20.000 biler med kjørelengde 16.000 km.

RONG NÆRVARME

• Varmepumpe (sjø)

• Olje som spisslast

• Energisalg 2,1 GWh

• Investering 8,5 mill. kr

• Enovatilskudd 0,8 mill. kr

• Idriftsettes aug. 07

Ulike former for bioenergi

Biomasse fråskogbruk ogskogsindustri

Biomasse fråjordbruk, husdyrhaldog agroindustri

Biomasse frå torv

Biomasse fråsalt- og ferskvatn

Biomasse fråmenneske

Faste:FlisVedPelletsBrikettarTrekol

Gassformige

Flytande

Transport

Kraft

Kraft/varme

Varme

Biologiske:FermenteringRotning mm

Termokjemisk:KarboniseringPyrolyseGassifisering

Mekanisk:Kapp/kløyvingFlisingPressingTørking

Ressursar

Omforming/

forbehandlingBrensel Sluttbruk

Pellets

Pellets er små sylindriske enheter med en diameter mindre enn 20 mm, laget av komprimert/presset og tørket biomateriale. Standard diameter er 6, 8 og 12 mm.

Råstoffet utgjøres stort sett av sagflis som tørkes til 9 % eller lavere fuktighet (Fr) og deretter males til fine partikler.

På grunn av de små dimensjonene får pellets tilnærmet samme håndteringsegenskaper som fyringsolje og gjør den ideell å transportere i bulk for større transporter eller i storsekk og småsekk ved mindre transporter.

Mest vanlig å omsette i småsekk eller bulk.

Brennverdi 4,7 - 4,8 kWh/kg

Salgsprisar pellets

Bulk 22-33 øre/kWhStorsekk 33-40 øre/kWhSmåsekk 40-50 øre/kWh

(Prisar henta frå kursmateriell frå Energigården)

Varmeproduksjon – mindre skala

Oppsummering bioenergi

Voss Fjernvarme –utbygging av nærvarmenett på Voss basert på varme frå grunnvatnet

Ressursgrunnlag og økonomi framleis usikkert. Voss energi har bestilt utgreiing om bioenergiløysing og kvalitetssikring av grunnvarmepotensiale. Samkøyring av økonomidata og utarbeiding av forslag til intensjonsavtale planlagt ila hausten. BKK Varme har delteke på internt møte, og ventar på avklaring frå sitt styre.

Odda Biogass – utbygging av anlegg for avfallsbasert metanproduksjon

Forprosjektrapport på norsk og engelsk motteken 22/3. Dersom BKK ynskjer vidare engasjement i prosjektet, skal etablering av utbyggings- og driftsselskap skje i samråd med BKK, og BKK vil få rett – men ikkje plikt – til å tre inn som aksjonær med minimum 34% av aksjene.Jamnleg kontakt med BioPlan, men inga utvikling til no grunna ressursmangel hjå BioPlan. Kommunen har enno ikkje avgjort handtering av slam, og vi har ikkje pressa.

Granvin Nærvarme – utbygging av nærvarmenett basert på flis frå Granvin Bruk

Forslag til forprosjekt oversendt kommunen 15/3. Jamnleg kontakt med kommunen, som no får utarbeidd Energi- og Miljøplan frå Vestnorsk Enøk (venta ferdig innan jul). Planen er føresetnad for å få prosjektstøtte frå Enova, og prosjektstøtta ein føresetnad for forprosjektet.

Kostnader for ny kraft - grunnlastSammenstilling med spotpriser og forwardpriser på Nordpool og Endex 2006-12-01