9789151106731

META

ENERGITEKNIK 1

ENERGITEKNIK 1

ENERGITEKNIK 1 JÖRGEN JOHNSSON JOHNNY FRID

Meta Energiteknik 1 är ett läromedel för kursen Energiteknik 1 i ämnet Energiteknik.

JÖRGEN JOHNSSON JOHNNY FRID

Användningen av energikällor, transport av energi samt användningen av energitekniska anläggningar blir allt viktigare i vårt samhälle. Meta Energiteknik 1 ger en bred introduktion i ämnet energiteknik med ett tydligt industriellt och naturvetenskapligt perspektiv. Läromedlet ger eleverna möjlighet att utveckla en teoretisk grundförståelse för både konventionella och alternativa energisystem inom teknikområdet.

I andra upplagan finns fyra nyskrivna kapitel: Transport av elenergi, Småskalig energiproduktion, Lagring av energi samt Riskhantering och arbetsmiljö. Dessa kapitel har lagts till för att ge boken en ytterligare bredd och fördjupning, i ett ämne i stor förändring. Även övriga kapitel har uppdaterats, breddats och fördjupats för att eleven ska få en inblick i ett modernt energisystem men även förstå gränslandet strax utanför. Boken har flera exempel på kopplingar till bland annat automation, fordonsteknik, laddinfrastruktur, dator- och kommunikationsteknik, arbetsmiljö, riskhantering med mera.

Till faktaboken finns även ett instuderingshäfte.

ISBN 9789151106731

9 789151 106731

51106731.1.1_Omslag.indd 1

ANDRA UPPLAGAN

2021-07-06 08:41

INNEHÅLL 1. VAD ÄR ENERGI?..................................... 6 Arbete och energi.................................................. 11 Energi, effekt och verkningsgrad............................ 11 Verkningsgrad........................................................ 14 Temperatur och värmeinnehåll............................... 17 Energibärare.......................................................... 20 Energiinnehåll....................................................... 20 Energikällor och energislag.................................... 22 Energikvalitet........................................................ 22 Energieffektivitet................................................... 23 Fördjupning: Räkna mer med energi 24 Fördjupning: Med batteridrift för miljön 25

2. TRANSPORT AV ENERGI......................... 26 Energitransport genom strålning............................ 27 Energitransport genom strömning – konvektion..... 28 Energitransport genom ledning.............................. 30 Värmeväxlare 32 Fördjupning: U-värde 34 Kallras 35 Strålningsdrag 35 Passivhus, nollenergihus, plushus och smarta hus 36

Energitransport med energibärare – bränslen.......... 38 Fossila bränslen 40 Fördjupning:Växthusgaser och global uppvärmning 42 Fördjupning: Kyotoprotokollet, Parisavtalet och partskonferenserna (COP) 44 Biobränslen 45

Carbon Capture and Storage – lagring av koldioxid...47

3. TRANSPORT AV ELENERGI...................... 48 Vårt elnät............................................................... 49 Inertia – svängmassa............................................... 54 Effektbrist och kapacitetsbrist................................. 55 Elnät och elhandel................................................. 56 Fördjupning: Spänning ström och elektrisk energi 57 Fördjupning: Överföring av elenergi med högspänd likström 58

4. ENERGIPRODUKTION............................. 59 Vattenkraftverk...................................................... 61 Vindkraftverk........................................................ 63 Kraftvärmeverk...................................................... 66 Fördjupning: Tryck och temperatur hos gaser 67

51106731.1.1_ente_k01.indd 4

Inuti ett kraftvärmeverk......................................... 68 Fördjupning:Vad krävs för att koka vatten? 70

Biogasanläggningar................................................ 71 Kärnkraftverk........................................................ 72 Fördjupning: Risker med kärnkraft 76

Solenergi............................................................... 77 Solkraftverk 79

Vågkraftverk.......................................................... 79 Tidvattenkraftverk................................................. 80 Geotermiska kraftverk............................................ 81 Stirlingmotorn....................................................... 82 Bränsleceller.......................................................... 83 Värmeanläggningar................................................ 84 Fjärrkyla................................................................ 85 Kompressionskyla 85 Absorptionskyla 86 Frikyla 86 Fördjupning: Är fusionskraft lösningen på framtidens el- och värmeproduktion? 87

5. SMÅSKALIG ENERGIPRODUKTION......... 89 Värmeproduktion.................................................. 90 Värmekällor 92

Förbränning av förnybara bränslen......................... 93 Andra bränslekällor 93

Solfångare.............................................................. 94 Värmepumpar....................................................... 95 Luft-luftvärmepump 96 Luft-vattenvärmepump 97 Frånluftsvärmepump 97 Övriga värmepumpar 98 Fördjupning: Peltiereffekten 99

Mikroproduktion av el......................................... 100 Styrning av värme och el..................................... 102 Smarta elmätare................................................... 103

6. LAGRING AV ENERGI........................... 104 Pumpvattenkraft.................................................. 107 Komprimerad tryckluft........................................ 108 Svänghjul............................................................. 109 Batterier.............................................................. 110 Superkondensatorer............................................. 111 Magnetisk lagring med supraledare – SMES......... 112 Power to gas (vätgas)............................................ 112

2021-07-05 17:11

Småskalig energilagring....................................... 114 Några exempel på energilagring 115

Vehicle to Grid – Elfordon som batterilager......... 116

7. MILJÖ OCH ENERGIEFFEKTIVISERING. ..117 Energi och växthusgaser....................................... 118 Energieffektivisering............................................ 120 Fördjupning: Elvägar 121

Utsläppsrätter....................................................... 122 Ekodesignkrav..................................................... 123 Elmotorer 123 Transformatorer 124 Belysning 125

Energideklaration................................................ 127 Bli mer energismart – hemma!............................. 127 Fördjupning: Datacenter – förbrukar stora mängder energi! 128

8. ENERGIMÄTTEKNIK............................. 129 Temperaturmätning............................................. 133 Fördjupning: Temperaturmätning med IR-termometer 133

Tryckmätning...................................................... 134 Elektrisk mätning................................................ 134 Flödesmätning..................................................... 136 Mekaniska flödesmätare 136 Induktiva flödesmätare 137 Ultraljudsmätare 137 Fördjupning: Beräkning av värmeeffekt 138

Ventilationsmätning och ventilationskontroll........ 139 Läcksökare........................................................... 140 Fördjupning: Brandskydd i ventilationsanläggningar 140

Trådlös mätning och övervakning........................ 141 Fördjupning: Köldmedier 142

9. VATTEN OCH VATTENRENING.............. 143 Vattnets kretslopp................................................. 145 Dagvatten............................................................ 146 Dricksvatten i Sverige.......................................... 147 Grävd brunn 147 Rörspetsbrunn 148 Bergborrad brunn 148 Filterbrunnar 149

Några reningsmetoder/filter................................. 150 Avhärdningsfilter 150 Kolfilter 150 UV-filter 150 Osmosfilter 150

Centrifugalpump................................................. 151 Ventiler................................................................ 151 Installation av vattenrör........................................ 152 Vattenrening i vattenverk..................................... 153 Vattenläckor......................................................... 154 Andra reningsmetoder......................................... 154 Rening av havsvatten 155 Fördjupning: Parasitutbrottet i Östersund 155

Bestämmelser kring dricksvatten.......................... 156

10. AVLOPP OCH AVLOPPSRENING.......... 157 Föroreningar........................................................ 158 Fosfater och kväveföreningar 158 Organiska ämnen 159 Metaller 159 Lösningsmedel och läkemedel 159 Fördjupning:Vad innebär övergödning? 160

Avloppsrening 161 Enskilda avlopp 161 Avloppsreningsverk 163

Bräddning av avloppsvatten.................................. 164 Instrumentering i ett avloppsreningsverk.............. 164

11. RISKHANTERING OCH ARBETSMILJÖ...166 Riskbedömning................................................... 168 Vattenburna anläggningar..................................... 169 Elektriska anläggningar........................................ 169 ESA..................................................................... 170 Elsäkerhet............................................................ 171 Skyddsjordning 172 Jordfelsbrytare 173 Vägledning vid elolycka 175

Flytande och gasformiga bränslen......................... 176 Lagar och föreskrifter 176

Transport av farligt gods....................................... 177 Hälsorisker 178

Joniserad strålning................................................ 179

En mindre vattenanläggning................................. 149

51106731.1.1_ente_k01.indd 5

2021-07-05 17:11

1. VAD ÄR ENERGI?

”

Energi behövs för att få saker och ting att röra på sig och finns exempelvis i vindens rörelseenergi. I vind­ kraftverket omvandlas rörelseenergin till elektrisk energi som transporteras iväg för att på en annan plats omvandlas till kemisk energi, exempelvis i ett batteri i en elbil.

51106731.1.1_ente_k01.indd 6

2021-07-05 17:11

Ordet energi är ett begrepp som i alla tider har varit besvärligt att definiera och förklara. Den enklaste förklaringen är att energi hänger samman med begreppet kraft och förmågan att utföra ett arbete. Lite förenklat kan man säga att energi behövs för att få saker och ting att röra på sig. Det gäller allt från atomer och molekyler till planeter och stjärnor. Även du behöver energi för att orka stiga upp på morgonen och gå iväg till skolan.

Rörelsen hos atomer och molekyler inuti ett föremål uppfattar vi som värme.

Ju snabbare molekylerna rör på sig, desto mer värmeenergi innehåller föremålet. Ett föremål av järn som vi värmer upp mer och mer börjar glöda när temperaturen är tillräckligt hög. En del av värmeenergin omvandlas då till ljus som är en form av strålningsenergi.

Vi får nästan all vår energi från solen. Solstrålarna når oss som strålnings­ energi, både som synligt ljus och som osynlig värme- och UV-strålning (ultraviolett strålning). När strålningen når jorden omvandlas den till värme. Värmen får havsvattnet att avdunsta och bilda vattenånga som i sin tur bildar moln när den stiger upp i atmosfären, kyls av och kondenseras. När molnen innehåller för mycket vattendroppar faller vattnet till marken som regn eller snö.

Det behövs energi för att få något att röra på sig. Ska man springa uppför ett berg behöver man med jämna mellanrum fylla på sina energidepåer, för att orka hela vägen.

Värmeenergin i vattnet har omvandlats till lägesenergi och denna lägesenergi kan vi utnyttja i exempelvis ett vattenkraftverk. När vattnet rinner i floder och vattendrag ner mot havet kan det få ett turbinhjul att rotera när lägesenergin omvandlas till rörelseenergi. Genom att låta turbinhjulet driva en elektrisk generator omvandlas rörelseenergin till elektrisk energi, som då lättare kan överföras från en plats till en annan över vårt kraftledningsnät.

I ett vattenkraftverk omvandlas vattnets lägesenergi till rörelseenergi i ett turbinhjul.

Turbinhjulet är kopplat till en generator som omvandlar rörelseenergin till elektrisk energi som är en energiform som är lättare att omforma och transportera. Ju högre lägesenergi vattnet har i dammen, desto snabbare roterar turbinen och desto mer el genereras i vattenkraftverket.

51106731.1.1_ente_k01.indd 7

Turbinhjul.

VAD ÄR ENERGI?

7

2021-07-05 17:11

Det pågår en ständig omvandling mellan olika slags energiformer runt omkring oss. När vi rör oss använder kroppen den kemiska energi som finns i mat och dryck och omvandlar den till värme och rörelseenergi. När vi kör bil använder vi också kemisk energi, nämligen den som finns lagrad i bensin eller diesel eller inuti batterierna om vi har en elbil.

Inom energitekniken brukar man säga att energi kan uppträda i sju olika energiformer: rörelseenergi, lägesenergi, elektrisk energi, värmeenergi (termisk energi), kemisk energi, strålningsenergi (exempelvis ljus) och kärnenergi.

Rörelseenergi

Elenergi

Kemisk energi

Elenergi

Rörelseenergi

Ener gif ö

st rlu

Inuti vattenkraftverket omvandlas lägesenergi och rörelseenergi till elenergi som sedan överförs via kraftledningar för att vi ska kunna ladda vår elbil, med rätt spänning, en bit från kraftverket. Vid varje energiomvandling får man energiförluster. Exempelvis då värme uppstår av friktionen inuti en motor, då el ska överföras i en elektrisk ledare eller då vindmotståndet påverkar en bils hastighet.

En lista med exempel på energiomvandlingar kan göras praktiskt taget hur lång som helst. När man bromsar bilen omvandlas rörelseenergi till värmeenergi och kör man upp elbilen för en backe har man omvandlat den kemiska energin i batteriet till elektrisk energi och vidare till rörelseenergi, värmeenergi och lägesenergi. Slår man på bilens belysning omvandlas elenergi till strålningsenergi etc. Alla energiomvandlingar har det gemensamt, att de följer den så kallade energiprincipen.

ENERGIPRINCIPEN:

Energi kan varken skapas eller förstöras, bara omvandlas från en form till en annan.

8

51106731.1.1_ente_k01.indd 8

2021-07-05 17:11

Energi kan alltså inte skapas, men hur hänger detta samman med solen? Det är ju därifrån som nästan all energi kommer, skapas då inte energin i solen?

Nej, det som sker i solen är en så kallad fusionsprocess, där materia, reaktioner och rörelse mellan atomkärnorna omvandlas till energi. Fusion ska inte blandas ihop med fission där man istället klyver atomkärnor, vilket utnyttjas i våra kärnkraftverk.

Den gamla föreställningen om energi som en produktions- och konsumtionsvara lever felaktigt kvar i vår tid. Vi betalar vår elräkning i antalet förbrukade kilowattimmar, vi talar om energiproduktion och vi spar energi.

Men egentligen pratar vi om olika former av energiomvandlingar, där de s.k. förbrukade kilowattimmarna i våra bostäder egentligen är en energiomvandling från elenergi till värmeenergi (element), strålningsenergi (belysning), rörelseenergi (tvättmaskin) och mycket mer.

En maskin som i tanken bryter mot energiprincipen är evighetsmaski­ nen, Perpetuum mobile. Perpe­ tuum mobile betyder ”ständigt rörlig” på latin och är en maskin som kan gå i all evighet, utan tillförsel av energi utifrån. Enligt energiprincipen är evighetsmaski­ nen en omöjlighet men den har under alla tider engagerat hobby­ forskare som under årens lopp har utvecklat många fantasifulla ap­ parater. På Youtube finns flera av dem till beskådan.

Energi mäts i många olika enheter, bland annat i joule, kilowattimmar och kalorier. El och värme mäts ofta i kWh, kilowattimmar (1000 wattimmar), och energiinnehållet i mat och dryck i kalorier (cal). Grundenheten för energi är 1 joule (1 J), vilket är detsamma som 1 wattsekund (1 Ws).

1 J = 1 Ws och 1 kWh = 1 000 · 3 600 Ws = 3,6 · 106 Ws

James Prescott Joule (1818–1889) och James Watt (1736–1819).Två James har gett upphov till enheterna Joule och Watt.

51106731.1.1_ente_k01.indd 9

VAD ÄR ENERGI?

9

2021-07-05 17:11

I tabellen nedan listas några olika omvandlingsfaktorer, vilka är viktiga att du förstår och kan hantera. joule (J) = 1 wattsekund Ws

kilojoule (kJ)

kilowattimme (kWh)

kilokalorier (kcal)

1

1 ∙ 10-3

2,78 ∙ 10–7

2,39 ∙ 10–4

1 000

1

2,78 ∙ 10–4

0,239

3,6 ∙ 106

3,6 ∙ 103

1

860

4,19 ∙ 103

4,19

1,16 ∙10–3

1

Inom energitekniken använder man, precis som inom matematik och fysik, prefix, för att enklare kunna hantera stora och små tal. I tabellen nedan ser du de vanligaste prefixen inom energiområdet.

Prefix

Förkortning

Betydelse

nano

n

10–9

miljarddel

mikro

m

10–6

miljondel

milli

m

10

–3

tusendel

kilo

k

10

3

tusen

Mega

M

106

miljon

Giga

G

10

miljard

Tera

T

1012

9

biljon

RÄKNEEXEMPEL 1

1 dl (100 ml) energidryck innehåller ca 192 kJ enligt etiketten på burken, dvs. 46 kcal enligt tabellen ovan (192 kJ ∙ 0,239 = 46 kcal). Detta motsvarar 46 ∙ 1,16 ∙ 10–3 = 5,35 ∙ 10–5 kWh. Svar: 1

dl energidryck motsvarar 5,35 ∙ 10–5 kWh

RÄKNEEXEMPEL 2

Bensin har ett energiinnehåll på cirka 43 MJ/kg, vilket är det samma som 43 000 kJ/kg. Bensinen har en annan täthet, dvs. densitet, och man måste då först multiplicera med densiteten 0,75 för att få kJ/liter. Detta innebär att bensin har ett energiinnehåll på 43 000 ∙ 0,75 = 32 250 kJ/liter. För att omvandla kilojoule till kilowattimmar, multipliceras 32 250 kJ/liter med 2,78 ∙ 10-4 i tabellen ovan. Detta ger 8,97 kWh. Svar: 1

liter bensin motsvarar ca 9 kWh.

10

51106731.1.1_ente_k01.indd 10

2021-07-05 17:11

ARBETE OCH ENERGI Till vardags använder vi begreppet arbete för att beskriva något som är ansträngande för oss. Att sitta ner och läsa eller skriva är ett arbete för många (andra skulle kanske säga att det är ett nöje). Men detta sätt att beskriva arbete gäller inte i tekniska sammanhang. Inom fysiken definierar vi arbete som en produkt av en kraft och den sträcka som kraften verkar.Tyngdkraften verkar nedåt och när du lyfter en resväska så verkar din muskelkraft i rakt motsatt riktning. Sträckan som du lyfter resväskan är den sträcka som muskelkraften verkar. Och arbetet, som vi betecknar W, blir därför en produkt av väskans tyngd F och sträckan s, som den lyfts upp.

W=F∙s Eftersom kraften F mäts i newton och sträckan s mäts i meter blir enheten för arbete newtonmeter, Nm. För att lyfta en väska upp en bit över marken behöver du utföra ett arbete.

Och för det behöver du energi – kemisk energi som du fått av maten du ätit och drycken du druckit. Arbetet resulterar i att vikten fått lägesenergi. Genom arbetet överförs alltså energi till väskan. Släpper du väskan omvandlas lägesenergin till rörelseenergi och när den når marken och ligger stilla har all energi omvandlats till värmeenergi och markens temperatur har stigit en aning vid nedslaget.

F s

Energi och arbete mäts i samma enhet, alltså Nm. Ofta väljer man dock andra enheter för energi, t.ex. wattsekunder (Ws) eller joule (J) som du har sett tidigare. Det gäller att: 1 Nm = 1 Ws = 1 J

ENERGI, EFFEKT OCH VERKNINGSGRAD Om du går uppför en trappa har du använt kemisk energi som finns lagrat i dina muskler och omvandlat energin till lägesenergi (och värme). Det är samma mängd energi som omvandlas oavsett om du går långsamt eller om du springer uppför trappan. Men att springa är förstås mycket jobbigare eftersom energin omvandlas snabbare. För att beskriva hur snabbt en energiomvandling sker används begreppet effekt. Effekten är ett mått på hur mycket energi som omsätts per sekund. Enheten för effekt blir därför: 1 J/s = 1 W

VAD ÄR ENERGI?

51106731.1.1_ente_k01.indd 11

11

2021-07-05 17:11

3. TRANSPORT AV ELENERGI

”

Precis på samma sätt som att energi kan transporteras och förflyttas genom strålning, strömning eller i ett bränsle, kan energin även transporteras som elenergi i en elektrisk ledare. Elenergin som produceras i exempelvis ett vind- eller vattenkraftverk transporteras till konsumenterna i ett enormt elektriskt sammanbundet kraftnät, vilket består av olika typer av elektrisk utrustning.

51106731.1.1_ente_k03.indd 48

2021-07-05 17:13

VÅRT ELNÄT Det svenska elnätets ryggrad kallas stamnätet och på det överförs el över långa avstånd från produktionen i norra Sverige till kunderna i söder. Precis som man har gjort i över hundra år. Från stamnätet förgrenar sig elnätet ut i regionnät, lokalnät och distributionsnät, som är den sista biten in till din bostad.

Om det gick att sträcka ut hela det svenska elnätet i en enda lång ledning skulle det räcka drygt fjorton varv runt jorden. Stamnät och regionnät kallas ibland tillsammans för ett transmissionsnät.

400 kV-ledning

I Sverige har vi fyra typer av elnät:

275 kV-ledning

Stamnät (220–400 kV)

220 kV-ledning

Elnätens motorvägar, där stora mängder el överförs långa sträckor från norr till söder. Stamnätet ägs och styrs av det statliga verket Svenska kraftnät (Svk).

Likström (HVDC) Utlandsförbindelse med lägre spänning än 220 kV

Ofoten

Förberedelse/entreprenadfas Vattenkraftstation Petäjäskoski

Värmekraftstation Røssåga

Vindkraftpark

SVERIGE

Regionnät (40–130 kV)

Keminmaa Luleå

Transformator/kopplingsstation

Umeå

FINLAND

Elnätens riksvägar, där elen transporteras från stamnätet vidare till städer, tätorter och till vissa större industrier. Regionnäten ägs i Sverige av Ellevio, Eon och Vattenfall.

Lokalnät (10–40 kV)

Nea

NORGE

Elnätens landsvägar, som kopplar samman regionnäten med distributionsnäten.

Sundsvall

Rauma Helsingfors

Forsmark Oslo

Tallinn

Hasle

Stockholm

ESTLAND

Distributionsnät (230–400 V) Elnätens stadsgator, där elen transporteras den sista biten hem till dig.

Göteborg Riga

Oskarshamn

LETTLAND

Ringhals

DANMARK

Karlshamn

Klaipeda

Malmö Köpenhamn

LITAUEN Vilnius

Flensburg Slupsk Wilster

Lübeck

Rostock Güstrow

Eemshaven

Kraftnätet i Sverige har betytt lika mycket för vårt välstånd som vägar och järnvägar och är helt avgörande för att vårt samhälle ska fungera. I bilden ser du stamnätet i nordvästra Europa och våra s.k. utlandsförbindelser som elektriskt knyter samman länder med varandra.

51106731.1.1_ente_k03.indd 49

TRANSPORT AV ELENERGI

49

2021-07-05 17:13

Lokalnäten och distributionsnäten ägs av olika mindre nätbolag, exempelvis Kraftringen i Lund, Jönköpings energi, Tekniska verken i Linköping, Jämt­ kraft med flera. Lokalnäten och distributionsnäten ägs av mer än 150 olika företag runt om i landet.

I Sverige är vårt transmissionsnät uppdelat i fyra s.k. el­områden. SE1 – Luleå, SE2 – Sundsvall, SE3 – Stockholm och SE4 – Malmö, där gränserna mellan områdena kallas för snitt. Syftet med elområden är att prisskillnaderna på el mellan de olika elområdena ska stimulera den regionala utvecklingen av ny elproduktion, exempelvis genom att nya kraftverk byggs där det finns ett elunderskott. Idag råder stora skillnader i elpris mellan norra och södra Sve­ rige, där företag och privatpersoner i SE4 betalar mest för elen.

Genom denna så kallade elområdesstimulans är tanken att stamnätsägaren Svenska kraftnät ska få tydliga signaler gällande överföringsförmågan och var stamnätet behöver förstärkas för att man ska kunna överföra mer el inom Sverige. Gå gärna in och titta på Svenska kraftnäts webbsida (svk.se/kontroll­ rummet) eller ladda ner appen ”ELEN” så kan du följa priserna på el i de olika elområdena, se import och export av el över gränserna eller titta närmare på den svenska elproduktionen, minut för minut, för de olika energislagen etc. På webbsidan och i appen kan du även se att andelen vindkraft ökar i vårt energisystem och att priset på el är billigast när det blåser mycket, tempe­ raturen är hög, kärnkraften är i full produktion och det är fullt i vatten­ magasinen i norra Sverige.

Det svenska kraftnätet är uppbyggt av ett antal centrala komponenter som behövs för att systemet ska fungera, exempelvis transformatorer, ställverk, högspänningsbrytare, kraftledningar, reläskydd och kabelskåp. Som kuriosa kan nämnas att längden på vårt svenska stamnät är ca 17 000 km och regi­ onnätet ca 31 000 km och att det med jämna mellanrum sitter ungefär 200 större krafttransformatorer i stamnätet och ungefär 2 500 stycken i region­ nätet för att höja och sänka spänningen vid överföringen.

Överskott på el

Elområde SE1 Snitt

Elområde SE2 Snitt

Elområde SE3 Snitt Elområde SE4 Underskott på el

I Sverige är vårt distributionsnät uppdelat i fyra så kallade elområden.

Elen i de olika områdena prissätts olika för att man på Svenska kraftnät ska kunna stimulera den regionala utvecklingen av ny elproduktion runt om i landet.

Transformatorer används för att transformera (omvandla) spänning upp och ned i ett elkraftsystem. Transformatorn togs historiskt fram för att minska inverkan av ledningsförluster i kraftsystem. Trots att ledningsresistansen i en ledare är förhållandevis låg blir ledningsresistansen i långa ledningar (överföringar över stora avstånd) ett problem eftersom förlusterna varierar kvadratiskt med belastningsströmmen (P = R · I²). Med anledning av detta transformerar man upp spänningen (exempelvis en omvandling av en generators 20 kV till kraftledningens 400 kV), vilket gör att strömmen sjunker och förlusterna minskar i ledningarna. Förlusterna i en ledare beror även på temperaturen, som är ungefär 10 procent lägre vid –5 °C än vid +20 °C, på grund av lägre ledningsresistans vid lägre temperatur.

50

51106731.1.1_ente_k03.indd 50

2021-07-05 17:13

Vårt svenska elnät hänger ihop i ett enda sammankopplat elkraftsystem till­ sammans med alla elproduktionsanläggningar och alla förbrukare i landet.

Det statliga affärsverket Svenska kraftnät ansvarar för att det svenska elsyste­ met fungerar från ett kontrollrum på huvudkontoret i Sundbyberg i Stock­ holm.

Länderna i EU är som du sett sammankopplade i ett stort europeiskt transmissionsnät, med elhandel mellan länderna. Den europeiska organisationen ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for – Electricity) hanterar gemensamma frågor gällande reglering, elhandel mellan länderna och balans.

Svenska kraftnät är en s.k. TSO (Transmission System Operator) och är den myndighet som beordrar upp och nedreglering av olika produktions­ och konsumtionsenheter inom ett område, dvs. kraftverk, industrier och fastig­ heter. Svenska kraftnäts högsta prioritet är att systemet är i balans och att frekvensen är exakt 50,00 Hz.

50

.8

.1

49

.2

För att konsumenters och producenters anläggningar ska fungera måste även spänningen i elsystemet hållas kontinuerligt stabil. En stabil spänning är ut­ över frekvensen en förutsättning för att överföringen av elenergi ska fungera.

50 .9 49

50

Eftersom man normalt sett inte kan spara några större mängder el måste elen produceras exakt i samma ögonblick som den förbrukas. Skulle för­ brukningen i systemet öka faller frekvensen och produktionen måste öka för att man ska få upp frekvensen igen. Ligger frekvensen utanför spannet (49,9–50,1 Hz) kan det få stora konsekvenser för eldistributionen i landet.

Frekvensen är ett mått på produktion och förbrukning av el. Frekvensen ska ligga på 49,9–50,1 Hz för att vårt elkraftsystem ska vara i balans.

I Svenska kraftnäts kontrollrum i Sundbyberg tittar man ofta på skärmen som visar frekvens. Den ska alltid ligga så nära 50,00 Hz som möjligt. Om förbrukningen är högre än produktionen sjunker frekvensen och om produktionen är högre än förbruk­ ningen stiger frekvensen.

TRANSPORT AV ELENERGI

51106731.1.1_ente_k03.indd 51

51

2021-07-05 17:13

Produktionsenhet – Elen produceras i en produktionsanläggning, exempelvis i ett vattenkraftverk. I närheten av produktionsanläggningen finns en nätstation med en s.k. step-up transformator som höjer spänningen från generatorn till en högre spänning som kan transporteras med lägre förluster. I andra ändan av kraftnätet sitter en step-down transformator som sänker spänningen igen.

Produktionsenhet

Regionnätstation – På regionnätsnivå transformeras spänningen ned igen och fördelas ut till ett antal fördelningsstationer längs vägen. En regionnätstation innehåller ett antal transformatorer och ställverk precis som en stamnätstation men nu istället för en lägre spänningsnivå som är anpassad för regionnätet.

Regionnätstation

Fördelningsstation Regionnätet 40–130 kV

Fördelningsstation – I en fördelningsstation transformeras spänningen ner ytterligare ett snäpp med hjälp av en transformator till ett lokalnät (10–40 kV). I fördelningsstationen sitter precis som tidigare transformator, ställverk, reläskydd etc. som fördelar ut spänningen till ett antal nätstationer i området.

Lokalnätet 10–40 kV Tung industri

Nätstation – Nätstationer ser du på många platser runt omkring dig där du bor. Oftast är de byggda i plåt eller betong, vackert målade eller klädda med växtlighet så att de smälter in i omgivningen. En nätstation innehåller en transformator, mellanspännings- och lågspänningsställverk samt reläskydd för skydd och kontroll. I stationen sker en spänningsomvandling från 10–40 kV ned till 400 V. Om ett helt bostadsområde blir strömlöst är det oftast ett fel i en nätstation.

Nätstation

Kabelskåp

Distributionsnätet 230–400 V

52

51106731.1.1_ente_k03.indd 52

2021-07-05 17:13

Växelspänning över 1 kV i ett elkraftsystem räknas som ett högspänningsnät och spänningar under 1 kV som ett lågspänningsnät. Däremellan, lite odefinierat, pratar man om mellanspänningsnät.

Stamnätslinje – Elen transporteras oftast i luftledningar, långa sträckor över stamnätet till en stamnätstation. Du känner igen stamnätet på de lite högre kraftigare ledningsstolparna och de grövre hängande kablarna. Stamnätsförbindelser finns även som likströmskablar (HVDC). Mer om detta sist i kapitlet.

Stamnätslinje (220–400 kV)

Stamnätstation

n

Regionnätslinje (40–130 kV)

Överlämningspunkt (Elcentral)

Stamnätstation – När elen ska fördelas vidare når de en stamnätstation, en s.k. transformatorstation där elen skickas vidare ut på stamnätet eller transformeras ner till en lägre nivå. Stamnätstationen innehåller förutom ett antal transformatorer även ett högspännings- och mellanspänningsställverk där strömmen kan brytas och fördelas, och där det finns s.k. reläskydd med övervaknings- och skyddsfunktioner. Reläskydd kan du jämföra med mycket avancerade säkringar i kraftnätet. Stamnätstationer är mycket viktiga noder i vårt elnät och skulle de slås ut kan det få enorma konsekvenser för stora delar av Sverige, en s.k. black-out!

Regionnätslinje – Elen transporteras vidare, på stamnätet eller i ett regionnät. Regionnätet kan exempelvis leda elen vidare till en större energislukande industri, som ett pappersbruk eller ett stålverk, och kan därefter fördelas vidare på plats innanför grindarna. En regionnätslinje har inte lika stora ledningsstolpar och tjocka kraftledningar som ett stamnät.

Distributionsnät – Från nätstationen fördelas spänningen vidare ut till bostäder, skolor, butiker etc. Innan spänningen når förbrukarna sker oftast ytterligare en fördelning i ett s.k. kabelskåp. Du ser de överallt runtomkring dig i städerna och på landsbygden, i tusentals. Kabelskåpen innehåller ett antal brytare och säkringar vars uppgift är att fördela spänningen vidare. Kablarna från kabelskåpen kallas för servisledningar och måste göras så korta som möjligt för att förlusterna ska minimeras innan de når en s.k. överlämningspunkt, exempelvis i ett elskåp/elcentral vid en fastighet. Från överlämningspunkten går elen vidare in i huset via elcentralen.

Servisledning

TRANSPORT AV ELENERGI

51106731.1.1_ente_k03.indd 53

53

2021-07-05 17:13

INERTIA – SVÄNGMASSA Ett viktigt begrepp när man talar om stabilitet i ett elkraftsystem är inertia, vil­ ket översätts med tröghet och handlar om de stora svängmassor som roterar och som skapar stabilitet i ett elnät. Det kan exempelvis vara en turbin och en generator som roterar i ett vattenkraft- eller i ett kärnkraftverk. Vindkraft bidrar dessvärre inte med inertia, eftersom verkens generator är ansluten till en frekvensomriktare mellan generatorn och elsystemet.

Tröghet, inertia, definieras inom fysiken som motstånd mot rörelseförändring.

Skulle det fattas inertia i elsystemet kommer frekvensen att falla (utanför spannet 49,9–50,1 Hz) och elsystemet kommer att bli instabilt. Då måste elproduktionen i systemet öka, vilket kan göras genom att exempelvis öppna ytterligare en dammlucka vid ett vattenkraftverk i norra Sverige eller öka produktionen i ett kärnkraftverk.

En generator som roterar är en stor svängmassa, vilket stabiliserar vårt elkraftsystem.

Om vi har ökat vår produktion till max och systemet fortfarande är instabilt måste Svenska kraftnät koppla bort de kablar och anslutningar som förbin­ der vårt land elektriskt med våra grannländer, för att undvika mörkläggning av vårt eget land. Begreppet kallas roterande lastbortkoppling och innebär att Svenska kraftnät beslutar om bortkoppling av kunder i elnätet. Detta med­ delas till de lokala region- och lokalnätsföretagen som verkställer bortkopp­ ling enligt länsstyrelsens prioriteringsbeslut. Försvaret har högst prioritet, därefter våra sjukhus och sist allmänheten (som får frysa…).

54

51106731.1.1_ente_k03.indd 54

2021-07-05 17:13

Skulle det finnas för mycket inertia (svängmassa) i systemet kommer frekven­ sen istället att stiga och systemet blir trögt och instabilt. Det är således mycket viktigt att det råder balans mellan de olika kraftslagen i Sverige, både de förnybara och konventionella. Utan svängmassa i systemet ökar risken för ett instabilt elsystem som har svårt att klara långa och korta effektuttag över tid.

Det svenska elkraftsystemet är både stabilt och flexibelt och kan klara stör­ ningar och förändringar, utan att det leder till allvarliga konsekvenser. Inom elkrafttekniken talar man om ”N-1-kriteriet”, vilket innebär att alla kraftsys­ tem ska klara av ett fel med bibehållen funktion.

Exempelvis innebär N-1-kriteriet att om en enskild komponent, t.ex. en kraftledning eller transformator, måste kopplas bort, så ska full funktionalitet bibehållas i systemet. I flera centrala och viktiga delar av vårt kraftnät, exem­ pelvis runt våra städer, har man ett ”N-2-kriterium”, vilket innebär att två samtidiga fel i systemet inte kommer att orsaka en störning på elleveransen.

EFFEKTBRIST OCH KAPACITETSBRIST Två begrepp som ofta blandas ihop av bland annat allmänhet och politiker är effekt- och kapacitetsbrist. Det är därför mycket viktigt att du förstår skillnaden mellan begreppen för att förstå de utmaningar vårt elkraftsystem står inför med allt fler intermittenta produktionsanläggningar som sol och vind i vårt elnät.

Effektbrist uppstår när efterfrågan på el är större vid en viss tidpunkt än vad utbudet är. Det råder effektbrist i landet om det är mycket kallt, vindstilla och en eller flera kärnkraftreaktorer är tagna ur drift. Effektbrist kan även uppstå om många, vid en given tidpunkt, kommer hem från sitt arbete och från skolan ska ladda sin elbil och samtidigt sätter på tekokaren och startar tvättmaskinen. Då får man en s.k. effekttopp som exempelvis skulle kunna lösas med smart styrning och ett energilager i elnätet.

Kapacitetsbrist har tidigare varit ett relativt okänt begrepp men har dis­ kuterats mycket på senare tid. Kapacitetsbrist finns framför allt i storstads­ regionerna där vårt elnät ”inte riktigt räcker till” för att leda fram elen till förbrukarna. Kapacitetsbrist innebär att elnätet inte har förmåga att ta emot inmatad el/effekt i en eller flera inmatningspunkter i vårt transmissionsnät.

Kapacitetsbrist kan jämföras med att det är fullt med bilar på en motorväg och att bilarna (elektronerna) inte kan ta sig fram, hur mycket de än vill.

Kapacitetsbrist kan bland innebära att en industri inte kan göra den utbygg­ nad som krävs, vilket kan skapa problem för produktion, miljö och arbetstill­ fällen. Kapacitetsbrist löser man genom att bygga ut våra stamnät, regionnät och lokalnät.

51106731.1.1_ente_k03.indd 55

En intermittent produktionsanläggning är en anläggning som inte kan planeras utan produktionen styrs av väderförhållanden, till exempel sol och vind.

Man får effektbrist om många behöver energi samtidigt.

TRANSPORT AV ELENERGI

55

2021-07-05 17:13

ELNÄT OCH ELHANDEL Vi konsumenter köper elenergi av en elleverantör. Denne köper i sin tur energin direkt från en elproducent eller från Nordpool, som är en nordisk elbörs där den s.k. spotmarknaden ingår. Som elkund har du två olika elav­ tal – ett elnätsavtal och ett elhandelsavtal. Elnätsavtalet har du med elbolaget som äger elnätet där du bor och elhandelsavtalet har du med det energibolag du valt att köpa elen av. Förutom priset för el betalar du energi- och kol­ dioxidskatt efter hur mycket el du har förbrukat.

Elhandelsbolaget tar betalt för den el du förbrukar och det är i ditt elhan­ delsavtal som du avgör om du vill ha ett rörligt eller fast elpris. Tecknar du ett elavtal med ett fast pris är detta bundet under en viss tid, medan rörligt elpris är utan bindningstid. Fast elpris innebär att priset på elen är detsamma varje månad, under avtalstiden, oavsett vad som händer på elmarknaden. Ett rörligt elpris varierar däremot varje månad utifrån svängningarna och pri­ serna på elmarknaden. Nedan ser du ett exempel på en elräkning.

1509

1271

1141

915

879

838

1904

1516 1656

1921

1436

1500

1209

1087

920

2020 Årsförbrukning 14 221 kWh 2021 Hittills 5 481 kWh (förra året 4 452 kWh) Prognos för hela 2021: 15 250 kWh

Din förbrukning

E.ONs elförsäljning 2019 Förnybart 54% Kärnkraft 46%

kWh Jan

Feb

Mar

Apr

Maj

Dina kunduppgifter

Jun

Jul

Aug

Ditt elpris, utan moms

Anläggnings-id

2021-06-30 3 april 2021 123 456 789 101 123 141 2

Områdes-id

SKL

Elområde Elmätare Datum

3

Elvägen 60, 230 00 Strömstad

Fakturan skapad

4 123 456 789 101 011

Mätarställning

Avläst 2021 02 28

173 518

Avläst 2021 03 31

175 174

Okt

Nov

Förbrukning

Elnätsabonnemang månadsavgift, 406,25 kr

406,25 kr

Elöverföring, 1656 kWh à 21,30 öre

352,73 kr 4

Energiskatt, 1656 kWh à 44,50 öre Totalt E.ON Energidistribution

AB Elavtal årsavgift, 600 kr, 31 dagar El, rörligt pris, 1656 kWh à 65,85 öre

736,92 kr 5 1 495,90 kr 50,96 kr 1 090,48 kr

På förra fakturan var priset per kWh 78,76 öre.

Totalt E.ON Energilösningar

AB Öresutjämning

1 141,44 kr -0,34 kr

Belopp att betala Varav moms 25%

2 637,00 kr 527,47 kr

1 656 kWh 1

1. Din förbrukning – När du får din faktura får du information om din förbrukning. I diagrammet får du en överblick över hur många kWh du har förbrukat varje månad och kan jämföra förbrukningen med tidigare år.

2. Anläggnings-ID – Anläggnings-ID är en kod bestående av 18 siffror som är unik för fastigheten och elmätaren.

3. Elavtal – Fast eller rörligt elpris?

Dec

Det här betalar du för

52,68 öre/kWh

Ditt elavtal gäller till och med Fakturan gäller

Sep

Kundnummer 1234567

Elnätsabonnemang 16 A, över 8000 kWh/år. Elnätsområde Syd Elavtal Rörligt pris 1 år Förnybar el

6

Den el vi sålde 2019 medförde utsläpp av 0 g koldioxid under produktionsfasen och 1,4 mg kärnbränsleavfall per kWh

4. Elöverföring – Elnätsavgift, dvs. priset för att transportera el hem till dig, Priset beror på vilken huvudsäkring man har. En högre huvudsäkring desto högre elnätsavgift.

5. Energiskatt – Energiskatten för ditt abonnemang är kopplad till din energianvändning och betalas till elnätsbolaget.

6. El från vindkraft – Här visas andelen förnyelsebar el i förhållande till kärnkraftsel.

56

51106731.1.1_ente_k03.indd 56

2021-07-05 17:13

FÖRDJUPNING:

Spänning, ström och elektrisk energi Vi är vana vid att betrakta elektricitet som ”två hål i väggen” och de flesta av oss vet att vi från vägguttaget får en spänning på 230 volt. Men egentligen kan man betrakta vägguttaget som ett energiuttag. Från uttaget kan vi näm­ ligen få elektrisk energi. På en timme kan vi få ut 2,3 kWh om säkringen är på 10 A och det är ungefär lika mycket som energin i 1,5 kg torr ved eller 2,5 dl bensin.

Och det är enkelt att använda elenergin. Det enda vi behöver göra är att ansluta en belastning av något slag till vägguttagets båda ”hål”. Belastningen kan vara en elradiator, en motor eller en lampa. Belastningen gör nämligen att det uppstår en ström, och den energi vi får ut är en produkt av spän­ ningen, strömmen och den tid som belastningen är inkopplad.

I tekniska sammanhang förkortar vi spänning som U, elektrisk ström som I och tiden för t. Energin W blir alltså en produkt av dessa faktorer, något som vi med formelspråk kan skriva W=U·I·t Hur mycket energi kan vi då få ut ur vägguttaget? Som du kan se av for­ meln ovan handlar det om hur stor strömmen är och hur länge den får verka.

Spänningen kan vi inte göra något åt, den är 230 V. Om säkringen är på 10 A och vi tar ut denna ström under en timme gäller: W=U·I·t W = 230 · 10 · 1 W = 2 300 Wh W = 2,3 kWh Hur mycket ström vi tar ut beror alltså på tiden och strömmen. Tiden kan vi lätt reglera med en klocka, men kan vi styra strömmen på något sätt? Nej, strömmen beror helt och hållet på vilken slags belastning det är fråga om. En elradiator drar stor ström, upp emot 6–7 ampere, medan till exempel motorn till en visp drar relativt lite ström, ca 1 ampere.

Sammanfattar vi så gäller alltså följande för att vi ska kunna använda elenergi: • Det måste finnas en elektrisk spänning.

• Uttaget måste belastas – därmed får vi en elektrisk ström.

• Beroende på vilken slags belastning vi kopplat in får vi olika hög ström.

• Strömmens storlek avgör hur mycket elenergi vi använder.

51106731.1.1_ente_k03.indd 57

TRANSPORT AV ELENERGI

57

2021-07-05 17:13

META

ENERGITEKNIK 1

ENERGITEKNIK 1

ENERGITEKNIK 1 JÖRGEN JOHNSSON JOHNNY FRID

Meta Energiteknik 1 är ett läromedel för kursen Energiteknik 1 i ämnet Energiteknik.

JÖRGEN JOHNSSON JOHNNY FRID

Användningen av energikällor, transport av energi samt användningen av energitekniska anläggningar blir allt viktigare i vårt samhälle. Meta Energiteknik 1 ger en bred introduktion i ämnet energiteknik med ett tydligt industriellt och naturvetenskapligt perspektiv. Läromedlet ger eleverna möjlighet att utveckla en teoretisk grundförståelse för både konventionella och alternativa energisystem inom teknikområdet.

I andra upplagan finns fyra nyskrivna kapitel: Transport av elenergi, Småskalig energiproduktion, Lagring av energi samt Riskhantering och arbetsmiljö. Dessa kapitel har lagts till för att ge boken en ytterligare bredd och fördjupning, i ett ämne i stor förändring. Även övriga kapitel har uppdaterats, breddats och fördjupats för att eleven ska få en inblick i ett modernt energisystem men även förstå gränslandet strax utanför. Boken har flera exempel på kopplingar till bland annat automation, fordonsteknik, laddinfrastruktur, dator- och kommunikationsteknik, arbetsmiljö, riskhantering med mera.

Till faktaboken finns även ett instuderingshäfte.

ISBN 9789151106731

9 789151 106731

51106731.1.1_Omslag.indd 1

ANDRA UPPLAGAN

2021-07-06 08:41