Dampkraftværker
Emner
Grundlastværker
Modtryksværker
Mellemlast
Spidslast
EL-samarbejde – et historisk tilbageblik
Styring af el-produktionen
El-overløb
Grundlastværker
Den altovervejende del af vor el-produktion sker i dag på dampkraftværker, hvor gas, kul eller olie ved forbrænding omdanner vand til højtryksdamp (ca. 530 ºC, tryk ca. 15 MPa – ca. 150 atmosfæres tryk – desto højere damptemperatur des højere termisk virkningsgrad (Carnots virkningsgrad).)
Dampen ledes gennem turbinen i flere trin. Når dampen ekspanderer, stiger fugtighedsgraden. Derfor tørres dampen i et system af overhedere, efterhånden som den passerer gennem turbinens forskellige trin.
Der er normalt 3 trin – en højtryksturbine – en mellemtryksturbine, hvor der ved udtagsværker udtages damp til fjernvarmeformål – og det sidste trin er lavtryksturbinen, der har den største diameter, når dampen ekspanderer efterhånden som den afgiver energi til turbinen.
Dampen drejer turbinen rundt ved at strømme mod en række skovlblade. Turbinen driver en el-generator. Dampen ledes ind i kondensatoren, hvor dampene fortættes. Det resulterer i et kraftigt tryk- og temperaturfald. Det fortættede vands temperatur falder til under 30 °C.
Dampen fortættes af en kraftig kølevandsstrøm, der optager fortætningsvarmen. Herved stiger kølevandets temperatur med 6-10 °C. Kølevandsstrømmen er meget stor. Et stort kraftværk på 600 MW skal anvende ca. 20 m3 vand pr. sekund ved fuld kapacitet. Ved dampens fortætning formindskes rumfanget voldsomt. Der er derfor et meget stort undertryk i kondensatoren, hvilket forbedrer virkningsgraden ved el-produktionen.
Moderne grundlastværker udnytter ca. 45 % af brændslets energi til el-energi – resten forsvinder gennem skorstenen og anvendes som procesenergi. Endelig en stor del varmeenergi med kølevandet.
Ved atomkraftværker er dampens energitæthed noget mindre, da tryk og temperatur er lavere end ved gas, kul- og oliefyrede kraftværker.
Her springer man ofte mellemtryksdelen over og har i stedet 1 – 2 lavtryksturbiner, ofte med en ganske anselig størrelse.
I lavtryksdelen er med et omdrejningstal på 50 pr. sekund (= 50 Hz). Herved overstiger periferihastigheden lydens hastighed i luft.
Det undertryk, der opstår i kondensatoren, kan anvendes som regulator, hvilket sker i de nyeste typer.
De ældre værker er frekvensregulerede, dvs. hvis omdrejningstallet (= frekvensen) falder, sørger automatikken for, at der tilføres mere brændsel.
Varmeenergien, der frigøres ved fortætningsprocessen, er kraftværkets egentlige spildvarme.
P.g.a. den lave temperatur kan det almindeligvis ikke anvendes til noget fornuftigt.
Det er nødvendigt af hensyn til rensning af vandet, at dampene skal fortættes til vand, så kan det efter rensning kan pumpes tilbage til kedlen igen.
De meget store energimængder, der fjernes med kølevandet er forsøgt anvendt på flere måder.
Man kan udnytte energien ved hjælp af kæmpemæssige varmepumper, der kan producere vand til opvarmningsformål. Dette er imidlertid ikke lønsomt i øjeblikket.
Forsøg med opdræt af ørreder i det lunkne kølevand har givet lovende resultater.
Man kunne tænke sig at anvende kølevandet i opvarmningssystemer til drivhuse, hvilket sker i noget omfang.
Mange har fået den opfattelse, at man kan udnytte kraftværkernes kølevand til fjernvarmeformål. Denne opfattelse er forkert, idet temperaturen i kølevandet er for lavt til dette formål – det er ikke mere end håndvarmt.
1. Kulsilo og -mølle.
2. Aske.
3. Højtryksturbinedel.
4. Mellemtryksdel.
5. Lavtryksdel.
6. Generator.
7. Udtag til fjernvarme – ca. 105 º C
8. Kondensator.
9. Kedel.
10. Kølevand – ca. 8 º C
11. Returvand til kedel.
Til fjernvarmeformål udtager man damp inden sidste turbinetrin, medens den endnu har tilstrækkelig høj temperatur – se figuren.
Et sådan værk kaldes for et udtagsværk. Udtagsværker udnytter brændslets primære energi bedre end de rene kraftværker, da varmeproduktionen er praktisk taget er tabsfri.
Da den udtagne damp til fjernvarmeformål ikke passerer det sidste turbinetrin, vil el-produktionen gå tilsvarende ned. Man får ikke noget »gratis« energi. (Det er dog muligt at udtage noget damp uden at el-produktionen går ned).
Udtagsværker har en høj virkningsgrad.
Til top< a name=”damp2″>
Modtryksværker
Modtryksværker arbejder uden kondensator, hvilket nedfører, at dampen efter at have passeret turbinens sidste trin endnu har så høj tryk og temperatur, at den kan anvendes til andet formål, f.eks. til at opvarme fjernvarmevand som figuren viser.
Modtryksværker arbejder med en høj udnyttelsesgrad af brændstoffet, idet dampens kondensationsenergi stort set forbliver i varmeveksleren.
El-produktionen er det sekundære ved modtryksværker, idet fjernvarmebehovet bestemmer el-produktionens størrelse.
Mange barmarksværker er af modtrykstypen. At de i mange tilfælde viste sig at være en økonomisk belastning for brugerne skyldes alene, at myndighederne helt “glemte” at varmetabet i lange strækninger på landet ville være langt større end inde i bysamfund.
Mellemlast
Mellemlastværker er enheder, der indsættes i de perioder, hvor elforbruget er større end grundlasten kan yde. Der anvendes kul, olie eller naturgas.
Spidslast
Spidslast-enheder indsættes ved spidsbelastning. Det kan dreje sig om gasturbiner eller dieseldrevne generatorer.
Spidslast er en dyr måde at lave el-energi på og benyttes derfor kun på de tidspunkter, hvor elforbruget er meget stort – f.eks. når Tv-avisen begynder, eller der vises populære tTv-programmer.
El-samarbejde – et historisk tilbageblik
Følgende generelle betragtninger er et historisk tilbageblik og fortæller om forholdene før vi fik indført det såkaldte “frie el-valg”.
Jo flere kraftværker, der arbejder på samme net, desto større stabilitet og forsyningssikkerhed opnås. NordtransNationalt er Danmark p.t. opdelt i to store sammenslutninger. Vest for Storebælt kaldes el-samarbejdet ELSAM og øst for Storebælt i ELKRAFT. I ELSAMs område er 7 kraftværker forbundet gennem et fælles samkøringsnet med en kapacitet på ca. 3400 MW (megawatt = mio. watt.) ELKRAFT bestod af 8 forbundne kraftværker, der er sammenkoblet med det svenske net. ELTRA har ansvaret for elmarkedet – herunder elforsyningen, transport og udbygning til udlandet m.v.
ØSTKRAFT på Bornholm er nu indirekte forbundet med nettet via en undersøisk kabelforbindelse til Sverige, der igen er forbundet med Sjælland via 2 x 132 kV kabler + 1 stk. 400 kV kabel med en totaloverføringseffekt på 700 MW.
Disse er vekselstrømsforbindelser.
ELSAM er forbundet med Sverige via det europæiske samarbejdsnet – KONTISCAN -forbindelsen, der strækker sig fra det sydlige Europa gennem Danmark til Sverige og Finland samt Norge.
Fra Danmark sker det gennem et undersøisk jævnstrømskabel med en overføringseffekt på 260 MW. ved en spænding på 250 kV.
Forbindelsen mellem Danmark og Norge skete en del år gennem 2 undersøiske jævnstrømskabler, der har en overføringseffekt på 2 x 250 MW. ELSAM udveksler el-energi med Norge, således at begge lande herved sparer reservekapacitet svarende til et stort kraftværk. ELSAM har tidligere modtaget store el-mængder fra Sverige og ikke mindst fra Norge, når de på grund af store ned børsmængder har overskud af el-energi.
Den nyeste og største HVCD-kabelforbindelse mellem Jylland og Norge – Skagerrak pol 3 – har en overføringseffekt på 500 MW. (HVDC = højspændt jævnstrøm).
Forbindelsen var ude af drift en periode på ca. ½ år i 2003 p.g.a. en havareret omsætterstation i Norge.
I 2003 kollapsede elsystemet i Østdanmark og Sydsverige -. præcist d. 23.9. kl. 12.37.
Ca. fire mio. mennesker blev berørt af denne episode.
Årsagen viste sig at være, at der blev frakoblet langt mere kapacitet, end systemet kunne håndtere, da der samtidigt skete en havari på en transformerstation i Vestsverige, der afbrød 400 kV-ledningssystemet.
ELSAM og ELKRAFT er ikke forbundet direkte. Indirekte er de dog forbundet gennem det nordiske samarbejde NORDEL, idet hele Norden er forbundet elektrisk gennem de nævnte forbindelser.
Samtidig var en udlandsforbindelsen til Polen og Tyskland ude af drift.
Fejlen var atypisk, idet spændingen i netværket ikke faldt nævneværdigt, men derimod manglede der strøm. Normalt er systemet beregnet på at reagere overfor spændingsfald.
Der gik ca. 7 timer inden forbindelsen var retableret.
I øjeblikket sker der en liberalisering på el-området med fusioner af selskaber.
Denne centralisering har ingen indflydelse på ovenstående principper for el-distribution.
For at øge forsyningssikkerheden udbygges nettet løbende.
Vest- og østdanmark blev i 2010 forbundet direkte gennem et jævnstrømskabel under Storebælt.
Herved kan Sjælland få strøm fra Norges vandkraftværker, hvilket er interessant når prisen er lav.
Styring af El-Produktionen
Et kraftværk kobles til samkøringsnettet på følgende måde:
Når turbogeneratoren har opnået en konstant hastighed på præcis 50 o/s ved regulering af damptilførselen til turbinen, leverer en magnetiseringsmaskine strøm til rotorens beviklinger så generatoren begynder at producere strøm. Generatoren bringes til at løbe i takt med samkøringsnettets frekvens og fasevinkel, hvorefter den kobles ind på nettet.
For at overtage sin del af belastningen bringes den nu til at løbe en anelse hurtigere ved regulering af damptilførselen. Herved stiger frekvensen, hvilket får de øvrige kraftværker på nettet til automatisk at nedsætte deres belastning ved at lukke tilsvarende ned for brændstoftilførslen. Ved stop sker det samme i modsat rækkefølge.
Når vi tilslutter en elmotor eller en anden elektrisk forbrugsgenstand, skal den elektriske energi produceres i samme øjeblik, den forbruges.
Elektrisk energi kan ikke oplagres i nettet. I praksis er der en lille reserve i turbogeneratorens rotationsenergi, der svarer til ca. 10 sekunders el-produktion.
Tappes mere el-energi fra nettet, end der produceres vil det have den virkning, at generatorens fart formindskes en ganske lille smule, hvilket betyder at frekvensen falder. Når frekvensen falder, sørger kraftværkets automatik for, at der tilføres mere brændstof, således at frekvensen holdes på præcis 50 hertz.
Det er denne mekanisme, der muliggør at man kan prioritere den meget skiftende el-produktion fra vindmøller på nettet.
El-overløb
Når el-produktionen er større end forbruget, opstår der overløb – dvs. der produceres strøm, der ingen aftagere er til. Overskuddet går tabt som varmeenergi i elnettet.
Overløb skal helst undgås, da det betyder direkte tab.
El-overløb defineres som situationer, hvor den bundne elproduktion overstiger el-forbruget.
I en del situationer, er det teknisk muligt at eksportere eloverløbet til udlandet – det betegnes eksportérbart eloverløb (EEOL).
I nogle tilfælde er det ikke være teknisk muligt at eksportere hele el-overløbet – det betegnes kritisk el-overløb (KEOL).
Overløb optræder især i kolde perioder om vinteren, hvor et stort forbrug af fjernvarme tvinger kraftværkerne til at producere el-energi, den såkaldte bundne el-produktion.
Det er ofte i samme periode, hvor der er størst produktion af vindenergi.
Overløb er et stigende problem med en stigende andel af vindmølleproduceret strøm – eller i det hele taget med stigende såkaldt ” miljøvenl el-produktion”, der omfatter de energikilder, der har en lille CO2–udledning, idet man normalt ser bort fra evt. øvrige udledninger (cancerogene stoffer, dioxin, kvælstofilter).
Begrebet el-overløb stammer fra tiden før el-liberaliseringen. Dengang fandt man det hensigtsmæssigt at relatere den bundne elproduktion fra kraftvarme og vindkraft til elforbruget i landet.
I et internationalt elmarked skal den bundne elproduktion vurderes i forhold til det internationale elmarked, således det kun er et problem, hvis vi ikke kan eksportere overskuddet til udlandet.
En arbejdsgruppe har undersøgt problemerne vedrørende overløb, hvilket kan ses i nedenstående rapport, hvorfra ovenstående figur stammer. Figuren viser et estimat frem til år 2020 på EEOL og KEOL, der ses at forventes at stige frem til år 2020 p.g.a. en stigende andel af alternative energikilder.
Rapport om el-overløb
Arbejdsgruppen om kraftvarme- og VE-elektricitet 2001 (pdf)