I en serie av artiklar kommer jag att göra en djupdykning i begrepp, definitioner och praktiska exempel som är kopplade till en energianläggnings verkningsgrad. I grunden så är verkningsgrad av största betydelser för ekonomi och miljöprestanda på alla typer av tekniska anordningar — problemet är bara att väldigt få egentligen förstår begreppet verkningsgrad och det blir då lätt att fatta felaktiga beslut om investeringar och ombyggnationer som inte i slutändan inte ger det man tror vid beslutstillfället.
I sin enklaste definition är verkningsgrad ett enkelt begrepp — förhållandet mellan den energi man får ut och den energi man stoppar in. Matematiskt: η= Ut/In. Verkningsgraden kan inte bli över 1, då är det en evighetsmaskin.
Så långt är verkningsgrad väldigt enkelt och väldigt okomplicerat — men, så fort man skrapar lite på ytan så blir det väldigt mycket mer komplicerat. I grunden hävdar jag att fem stora faktorer ställer till det:
- Vad menar vi med nyttiggjord energi?
- Vad menar vi med tillförd energi?
- Vilken kontrollyta menar vi?
- Vilken tidsfaktor använder vi?
- Vilka förluster finns från vår kontrollyta?
I denna första artikel kommer jag att börja från början — från starten av termodynamiken som vetenskap — ångmaskinerna som uppfinning — ångturbinernas intåg och så småningom kraftvärme/fjärrvärme, vi avslutar med ett par påståenden som bildar bakgrund till artikel 2.
I kommande artiklar kommer vi inte bara behandla ånga och ångpannor utan även hetvattenpannor, pumpar, turbiner, kontrollytor mm.
Termodynamik och naturlagar
Termodynamiken består av fyra huvudsatser där huvudsats 1 och 2 är viktiga för att förstå verkningsgrad. Till dessa huvudsatser vill jag även peka på ett par lagar inom fysik som påverkar verkningsgraden stort på en energianläggning: Newtons andra lag om tröghet och Daltons lag om partialtryck — till det kan man lägga på även andra viktiga lagar men här och nu räcker det med lagar och huvudsatser.
Jag har här förenklat definitionerna av huvudsatserna något men meningen går nog fram ändå.
Huvudsats 1 säger att energi inte kan skapas, inte förstöras, bara omvandlas.
Huvudsats 2 (ibland kallad Exergilagen). säger att kvalitén på energin — Entropin — försämras naturligt. Förenklat: Varje naturlig energiomvandling förbrukar kvalité. Ska man öka energins kvalité behöver det ske via någon form av process.
Daltons lag och Newton andra lag om tröghet återkommer vi till i kommande artiklar.
Papin, Newcomens och Watts ångmaskiner
Papin och Newcomens ångmaskiner — liksom det stora tekniksprång som James Watt gjorde — hade alla gemensamt att skapa en maskin som kunde omvandla termisk energi (i form av ånga) till mekaniskt arbete. Just ordet ”arbete” är något ni kommer upptäcka återkommer gång på gång i dessa artiklar.
Verkningsgraden — som vi strax ska definiera — var minst sagt urusel. Uppskattningsvis mellan 0,3-0,7% verkningsgrad (99,3-99,7% förluster) på de tidiga ångmaskinerna. Inte ens i slutet av utvecklingen av ångmaskinerna hade man nått mer än ca 15% i verkningsgrad.
Verkningsgraden var definierad som: η= mekaniskt arbete/bränsleenergi
Ser vi till förlusterna kommer vi nu även att introducera begreppet ”indirekt verkningsgrad”, ett begrepp som kommer att återkomma i kommande artiklar.
På merparten av alla termiska anläggningar såsom ångpannor var det (och är det) svårt att mäta tillförd energi. Man kan tänka sig Newcomens ångmaskin där någon troligen stod och skyfflade in kol med skyffel. Frågan som ingenjören ställde mannen med skyffeln – år 1725: Hur mycket energi tillförde du pannan förra timmen? blev nog obesvarad.
Indirekt verkningsgrad innebär att vi bestämmer nyttiggjord energi och beräknar/mäter alla förluster. Summan blir den tillförda energin. Förlusterna på de tidiga ångmaskinerna var i enkelhet:
- Rökgasförluster från pannan
- Förluster i oförbränt bränsle (troligen relativt höga med tanke på den svarta röken)
- Termiska förluster kring pannan och kring rörsystem
- All ånga/kondensat som kyldes bort (den största enskilda förlusten, >2/3 av tillförd energi)
Det man snabbt upptäckte var att ju högre ångtryck som användes desto mer arbete kunde utvinnas — helt i linje med termodynamikens andra lag — kvalité spelar roll för att utvinna arbete.
Ett snabbt hopp till ångturbiner och ångpannor
Vi hoppar raskt fram i tiden för att inte tappa fokus i denna artikel. Med ångturbinens genombrott samt med utveckling av material och svetsteknik kunde ångtryck och ångtemperatur ökas dramatiskt och med det kunde mer av ångans energi omvandlas till arbete på turbinaxeln och med det kunde el produceras.
Fortfarande var verkningsgraden relativt låg och merparten av den termiska energin kyldes bort, men rätt snabbt kom förbättringar. Pannorna fick både economisersteg och luftförvärmning, via ångavtappningar på turbinerna kunde förvärmarsteg installeras på både kondensat och matarvattensystem. Just avtappningar och förvärmare ska vi se närmare på i ett par exempel som avslutar denna första artikel — men först ett litet tidshopp igen.
Fjärrvärme och kraftvärme
I norra Europa — främst Danmark och Sverige — insåg man att restvärmen från elproduktionen, det som kyldes bort, kunde användas för att värma bostäder och industrier. Med det tog verkningsgraden ett stort hopp upp, från definitionen
η= Producerad elenergi/bränsleenergi
Till
η= (Producerad elenergi + fjärrvärmeenergi)/bränsleenergi
I praktiken från ca 25-30% i verkningsgrad till 80-85% i verkningsgrad. Betraktelsen av värmeenergi som inte omvandlas till arbete men som används för andra ändamål (ex. fjärrvärme) är central i fortsatta artiklar.
Med ovanstående två ekvationer ska vi avsluta med tre påstående som antingen figurerat i artiklar eller i läroböcker och se om de är sanna eller inte:
Påstående A) Ju högre ångtryck och ångtemperatur en anläggnings byggs desto högre verkningsgrad!
- Kraftverk = sant
- Kraftvärmeverk = falskt, Påverkar dock fördelningen mellan el och fjärrvärme. Höga ångdata = mer el, mindre fjärrvärme och tvärtom.
Påstående B) Ju fler avtappningar och högtrycksförvärmare en anläggning har desto högre verkningsgrad!
- Kraftverk = sant
- Kraftvärmeverk = falskt, Även här påverkas fördelningen mellan el och fjärrvärme. Fler avtappningar och förvärmare = mer el och mindre fjärrvärme och tvärtom.
Påstående C) Ju mer värmeöverföring som sker i eldstaden (kompaktare eldstad) desto högre verkningsgrad!
- Kraftverk = Långsökt — möjligen lite sant. Bygger på tanken att hög andel strålningsvärme och konvektionsvärme i eldstaden ger möjlighet till högt ångtryck och hög ångtemperatur — men man glömmer då att man lätt för problem med oförbränt bränsle då eldstadsvolymen blir liten vilket försämrar verkningsgraden.
- Kraftvärmeverk = falskt, Även här påverkas fördelningen mellan el och fjärrvärme samt att även andelen oförbränt bränsle troligen stiger.
Tre påstående som avslutar denna artikel. Vi kommer i nästa artikel gå mycket mer på djupet i viktiga begrepp såsom kontrollytor och indirekt verkningsgradsbestämning.
