ENERGITEKNIK
INNEHÅLL
2.
7. MILJÖ OCH ENERGIEFFEKTIVISERING
8. ENERGIMÄTTEKNIK
9.
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.
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. Så har man 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
275 kV-ledning
kV-ledning
Likström (HVDC)
Utlandsförbindelse med lägre spänning än 220 kV
Förberedelse/entreprenadfas
Vattenkraftstation
Värmekraftstation
Vindkraftpark
Transformator/kopplingsstation
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.
I Sverige har vi fem typer av elnät:
Transmissionsnät (stamnät) (220 kV eller 400 kV) Elnätens motorvägar, där stora mängder el överförs långa sträckor från norr till söder. Stamnätet ägs och styrs av det statliga verket Svenska kraftnät (SvK).
Regionnät (vanligtvis 130 kV)
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 (40 kV eller lägre) Elnätens landsvägar, som kopplar samman regionnäten med distributionsnäten.
Distributionsnät (230–400 V) Ingår ibland under huvudrubriken lokalnät ovan och är elnätens stadsgator, där elen transporteras den sista biten hem till dig.
Likströmsförbindelser (HVDC) Används för att kunna överföra mycket energi på långa avstånd. Oftast mellan länder. Sverige har likströmsförbindelser med Finland, Danmark, Tyskland, Polen och Litauen.
Lokalnäten och distributionsnäten ägs av olika mindre nätbolag, exempelvis Kraftringen i Lund, Jönköpings energi, Tekniska verken i Linköping, Jämtkraft m.fl. Lokalnäten och distributionsnäten ägs av mer än 150 olika företag runt om i landet.
Elområden
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 Sverige, där företag och privatpersoner i SE4 betalar mest för elen.
Genom denna s.k. 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 www.svk.se. Sök därefter på Kontrollrummet eller ladda ner appen ”ELEN”. Där 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 m.m. 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, temperaturen är hög, kärnkraften är i full produktion och det är fullt i vattenmagasinen i norra Sverige.
Kraftnätets uppbyggnad
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 0 00 km och regionnätet ca 31 0 00 km. Med jämna mellanrum sitter ungefär 200 större krafttransformatorer i stamnätet och ungefär 2 500 stycken i regionnätet för att höja och sänka spänningen vid överföringen.
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 · I ²).
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 % lägre vid –5 °C än vid +20 °C p.g.a. lägre ledningsresistans vid lägre temperatur.
Överskott på el
Underskott på el
I Sverige är vårt elnät 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.
Vårt svenska elnät hänger ihop i ett enda sammankopplat elkraftsystem tillsammans med alla elproduktionsanläggningar och alla förbrukare i landet. Det statliga aff ärsverket Svenska kraftnät ansvarar för att det svenska elsystemet fungerar från ett kontrollrum på huvudkontoret i Sundbyberg i Stockholm.
Svenska kraftnät är en s.k. TSO (Transmission System Operator) och är den myndighet som beordrar upp och nedreglering av olika produktionsoch konsumtionsenheter inom ett område, dvs. kraftverk, industrier och fastigheter. Svenska kraftnäts högsta prioritet är att systemet är i balans och att frekvensen är exakt 50,00 Hz.
Eftersom man normalt sett inte kan spara några större mängder el måste elen produceras exakt i samma ögonblick som den förbrukas. Skulle förbrukningen 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.
För att konsumenters och producenters anläggningar ska fungera måste även spänningen i elsystemet hållas kontinuerligt stabil. En stabil spänning är utöver frekvensen en förutsättning för att överföringen av elenergi ska fungera.
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 förbrukningen stiger frekvensen.
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.
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.
Produktionsenhet – Elen produceras i en produktionsanläggning, exempelvis i ett vattenkraftverk. I närheten av produktionsanläggningen finns en nätstation med en s.k. stepup 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.
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.
Produktionsenhet
Fördelningsstation
Regionnätet 130 kV
Fördelningsstation – I en fördelningsstation transformeras spänningen ner ytterligare ett snäpp med hjälp av en transformator till ett lokalnät (40 kV). I fördelningsstationen sitter precis som tidigare transformator, ställverk, reläskydd etc. som fördelar ut spänningen till ett antal nätstationer i området.
Regionnätstation
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 40 kV ned till 400 V. Om ett helt bostadsområde blir strömlöst är det oftast ett fel i en nätstation.
Lokalnätet 40 kV och lägre
Nätstation
Tung industri
Lokalnät/distributionsnät 230–400 V
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 (220 kV eller 400 kV)
Stamnätstation
Regionnätslinje (130 kV)
Överlämningspunkt (elcentral)
Servisledning
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.
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. Där det finns ett s.k. reläskydd med övervakningsoch 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.
Lokalnät (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. 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.
ÅTERVINNING AV VÄRME I
VENTILATIONSSYSTEM
Ett ventilationssystem fungerar genom att man byter ut gammal luft mot renare luft utifrån och är viktigt för att man ska få en så bra inomhusmiljö som möjligt. Idag är det vanligt att man låter både till- och frånluften gå genom samma ventilationsaggregat. Denna typ av aggregat förkortas med FT eller FTX vilket står för Från- och Tilluftssystem med värmeåtervinning och har blivit mycket populära p.g.a. deras förmåga att återvinna värmen ur inomhusluften innan den släpps ut.
Ett FT-system kan återvinna upp till 80 % av värmen från den utgående luften vilket kan leda till att uppvärmningskostnaderna reduceras på mellan 50 och 70 % för en normalstor villa. Med ett FT-aggregat fi nns det även möjlighet att kyla luften vilket lämpar sig väl för industrier, sjukhus och kontorsmiljöer.
FÖRDJUPNING:
Peltiereffekten
Peltiereffekt är ett termoelektriskt fenomen där man låter en likström flyta mellan två metaller, idag oftast av vismut och tellurid. När strömmen flyter genom metallerna flyttas värme från den ena sidan av elementet till den andra. Den ena sidan blir således varm och den andra kall. Fenomenet upptäcktes 1834 av den franske fysikern Jean Peltier. Verkningsgraden är tyvärr ganska låg, bara ca 2‒3 %, och peltierelement används idag därför bara i enkla och billiga kylaggregat.
På samma sätt fungerar det omvända, där en värmeskillnad mellan två metaller kan generera en likspänning. Det fenomenet kallas Seebeckeffekten, efter den tyske fysikern Thomas Johan Seebeck. Tekniken kan du bl.a. hitta på vissa exklusiva stormkök med en inbyggd USB-port. Seebeckeffekten ser då till att värmeskillnaden mellan den varma och den kalla sidan på stormköket genererar en spänning, så att man exempelvis kan ladda sin mobiltelefon samtidigt som man lagar mat.
Värme absorberas (kall sida)
n-typ
Halvledare
p-typ
Halvledare
Värme avges (varm sida)
Elektrisk isolator
I enklare kylväskor används ofta peltierelement för att alstra kyla.
Elektriskt ledande kopparplattor
När strömmen fl yter genom halvledarna fl yttas värme från den ena sidan av elementet till den andra. Den ena sidan blir varm och den andra kall vilket kan användas i bland annat enklare kylväskor.
MIKROPRODUKTION AV EL
De senaste åren har intresset för egen elproduktion ökat lavinartat och ny teknik och allt lägre priser har gjort det möjligt för privatpersoner att producera sin egen el. Begreppet mikroproduktion har funnits sedan 2009 och innebär att man i mycket små anläggningar producerar el, främst för egen förbrukning.
När man talar om mikroproduktion av el tänker man främst på en solcellsanläggning där man med solpaneler på taket omvandlar likström till växelström med hjälp av en växelriktare. Men mikroproduktion kan även innebära småskalig vind- eller vattenkraft etc. Den producerade elen i en mikroproduktionsanläggning används i första hand i en fastighet. Om din anläggning producerar mer el än du använder för stunden kan du antingen spara energin i ett energilager (batteri) eller sälja överskottet genom elnätsägaren genom en s.k. aggregator. Aggregatorn köper el av flera mikroproducenter och säljer den sedan vidare till Svenska kraftnät eller på en lokal energimarknad. Du räknas som nettokonsument om du använder mer el än du producerar under ett kalenderår och som nettoproducent om du producerar mer el än du använder.
Nätstation
Elnätet
Elcentral/elmätare
Växelriktare
Om man både producerar och konsumerar energi i en anläggning brukar man tala om en prosument ( prosumer), vilket kommer av de sammanslagna orden; producent och konsument.
En aggregator är ett företag eller en organisation som agerar som mellanhand mellan olika energimarknader. En aggregator är ofta ett mjukvarubolag med en mjukvara som analyserar, prognostiserar och lämnar bud automatiskt på elmarknaden för att optimera och maximera avkastningen.
Energilager (batteri)
Hushållsel
Solpaneler
En mikroproduktionsanläggning med solceller består, förutom av själva solpanelerna, av en växelriktare där likspänningen omvandlas till växelspänning, samt en elmätare som kan mäta både förbrukning och produktion så att anläggningsägaren får betalt för den energi som produceras och matas tillbaks ut på elnätet. Till anläggningen kan man även ansluta ett batterilager som tar hand om överskottet av elenergi en solig dag så att du kan starta diskmaskinen även när solen har gått i moln.
Idag får en mikroproducent ha en maximal säkring på 63 A och en maximal inmatningseffekt på 43,5 kW. Effekten 43,5 kW kommer av att P = U · I = 63 A · 230 V · 3 faser = 43,5 kW.
Har man en större säkring och/eller matar in el med större effekt kommer man att definieras som en ”vanlig” elproducent. Då gäller helt andra regler för inmatning, mätning, rapportering och statliga bidrag. Det är storleken på växelriktaren som bestämmer den maximala effekten.
Tekniken att producera el med hjälp av solceller kallas för den fotovoltaiska effekten (engelska photovoltaics – PV). Namnet kommer av att man utnyttjar den fotovoltaiska effekten där ljusets energi (fotoner) i solcellen omvandlas till elektrisk energi (elektroner).
Växelriktare
En växelriktare används för att omvandla likström till växelström med en perfekt sinusvåg utan distorsion eller spikar. Växelriktaren fungerar som en snabbväxlande strömbrytare där likströmmen ”hackas upp” ca 25 0 00 g ånger per sekund genom s.k. pulsbreddsmodulering. En växelriktare ser även till att solcellerna belastas rätt och ger så hög effekt som möjligt oavsett hur mycket solen skiner. Den ser också till att hantera skuggor så att även om en del av solpanelerna är skuggade, påverkas inte hela systemet.
Växelriktare används för att omvandla likström från exempelvis en solpanel till växel ström med en perfekt sinusvåg utan distorsion eller spikar.
Installation av en solcellsanläggning
När man installerar solceller är det viktigt att tänka på att anläggningen är en starkströmsanläggning, vilket gör att det finns krav på vem som får utföra själva installationen. A ndra viktiga krav är rätt lutning på solpanelerna i söderläge, att solpanelerna inte skuggas under dygnet, att tak och bjälklag håller för panelernas tyngd, väder och vind och mycket annat. Elsäkerhetsverket har listat de krav man bör ställa på en solcellsanläggning på sin hemsida.
De senaste tre åren har antalet solcellsanläggningar i Sverige fyrdubblats. Trots detta står solelen för mindre än 1 % av elproduktionen i landet.
Fördelar: Solceller är i stort sett underhållsfria. Växelriktaren håller i ca 10–20 år. En förnybar energikälla utan utsläpp av växthusgaser. Man kan producera elenergi även om det är lite mulet. Man ökar värdet på sin fastighet och man påverkas inte av stigande elpriser om man förbrukar lika mycket el som man producerar eller har ett batterilager i fastigheten.
Nackdelar: Under vintern minskar elproduktionen kraftigt i vårt land. Relativt hög investeringskostnad, men priserna sjunker. Solceller är känsliga för skugga och producerar lite mindre när det är mulet väder.
STYRNING AV VÄRME OCH EL
Genom att använda moderna elektroniska styr- och reglersystem kan man spara mycket energi i en fastighet. Principen för värmestyrning och reglering bygger på att man bl.a. mäter temperaturen någonstans med en temperaturgivare. Signalen från givaren går till en styr- eller reglerenhet, en dator, som skickar signalen vidare till ett styrdon. Styrdonet kan exempelvis vara en shuntmotor som påverkar en shuntventil i värmesystemet. Enkelt uttryckt kan man säga att reglering är en avancerad form av styrning. Reglering är en styrning med återkoppling, dvs. en styrning som ständigt justeras efter resultatet. När du t.ex. styr en bil genom en kurva gör du inte bara ett enda utslag (styrning) med ratten, utan du justerar (reglerar) hela tiden med små rattrörelser.
Moderna styr- och reglersystem används också för att kombinera olika uppvärmningssystem, t.ex. en pelletspanna och en värmepump. Då kan flera temperaturgivare vara inblandade och man låter då styr- och reglersystemet styra både cirkulationspump och matningen till värmepumpen.
En villa behöver inte alltid ha samma rumstemperatur. Om ingen är hemma på dagen kan temperaturen sänkas och även på natten kan de flesta sänka sin rumstemperatur. Denna automatisering finns i s.k. smarta och intelligenta hus, dvs. hus som bl.a. är försedda med en dator som tar hand om de grundläggande funktionerna i huset, t.ex. tänder lampor vid ett visst klockslag, slår på spisen eller höjer värmen en stund innan man kommer hem eller slår på larmet när man låser ytterdörren. Här är det endast fantasin som sätter gränser!
Ett smart hem är intelligent, självlärande och något vi kommer att se mycket av i framtiden. Olika givare och styrdon kopplas samman till en styrenhet för styrning och övervakning av larm, värme, belysning och mycket annat. På detta sätt kan energianvändningen optimeras och kostnaderna reduceras.
Automatiska energisystem har funnits länge på marknaden men först på senare år används de i fler och fler villor, industrier och på kontor. De olika enheterna i systemet bildar ett nätverk där enheterna måste kunna kommunicera med varandra. För kommunikationen krävs ett gemensamt språk, ett s.k. protokoll . KNX är ett kommunikationsprotokoll som används för hem- och fastighetsautomation. KNX är en förkortning av det latinska ordet connexio (förbindelse) och är baserat på OSI, Open System Interconnections, vilket gör att produkter från olika tillverkare kan kopplas samman.
Interoperabilitet (Interoperability – utbytbarhet) är ett mycket viktigt begrepp i ett energi- och kommunikationssystem och handlar om olika systems möjligheter att kunna kommunicera med och ”förstå” varandra. Elektronisk utrustning behöver tala samma språk (protokoll) när de ska kopplas samman och kommunicera med varandra.
Smarta elmätare
I Sverige monteras det in allt fler s.k. smarta elmätare. En smart elmätare är en mätare som kan lite mer än en klassisk förbruknings-fakturerings-elmätare, som endast kan samla in data för förbrukning, så att ett elbolag kan fakturera en kund.
Med en smart elmätare får kunden och energibolaget mer detaljerad information om energianvändningen nära kundens anläggning. På sikt kommer detta att innebära en mer flexibel elanvändning och förhoppningsvis lägre elkostnader som kunden själv kan påverka under dygnet. Utöver detta kommer en effektivare nätdrift, minskad energianvändning, större möjlighet att upptäcka störningar och elavbrott samt ökade möjligheter att integrera mikroproduktion av t.ex. solenergi genom att den smarta mätaren både kan mäta förbrukad och producerad energi.
Idag förses även allt fler elmätare med kommunikationsgränssnitt för att en kund ska kunna koppla upp sin övriga smarta hemutrustning, exempelv is lampor, kyl, frys, temperaturgivare, motorstyrda markiser etc. Kommunikationen sker över en s.k. CII (Consumer Information Interface) eller HAN (Home Area Network) port med ett trådat eller trådlöst kommunik ationsgränssnitt.
Att öka medvetenheten genom att ge fastighetsägaren insyn i sin energikonsumtion är det första steget i att engagera människor i hanteringen av sin egen energiförbrukning. På detta sätt kan man visualisera förbrukningen och i framtiden kanske kunna tävla, fastighetsägare emellan, vem som är bäst på att spara energi.
Genom att ansluta sin diskmaskin till fastighetens smarta elmätare kan man bestämma att maskinen skall starta när elpriset är lågt.
ENERGITEKNIK
Användningen av energikällor, transport av energi samt användningen av energitekniska anläggningar blir allt viktigare i vårt samhälle. Energiteknik, nivå 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 energibegreppet för att därefter fördjupa sig kring konventionella och alternativa energisystem inom teknikområdet.
Läromedlet är skrivet 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.
Läromedlet Energiteknik omfattar följande komponenter:
• Faktabok
• Instuderingsuppgifter
• Digitalt läromedel
• Digitalt komplement
Instuderingsuppgifterna är ett övningshäfte med frågor till faktabokens avsnitt. Det digitala läromedlet innehåller faktatexterna, självrättande övningar baserade på
instuderingsuppgifterna, förklarande animeringar och lärardel med facit m.m. Det digitala komplementet innehåller instuderingsfrågorna i digital form och lärardel med facit m.m.