Apă și energie Calculați potențialul energetic hidroenergetic, calculați cerințele de energie pentru
Cu ajutorul turbinelor, roților de apă, mașinilor cu coloane de apă etc. Ca energia poate fi obținută din apă. În secolele anterioare, energia de acționare a fost obținută direct (de exemplu, pentru fabrici), astăzi energia electrică este obținută de obicei cu ajutorul unui generator conectat.
Cantitatea maximă de energie care poate fi obținută dintr-o sursă de apă existentă depinde de 3 factori:
g: accelerația datorată gravitației, măsurată în m/s ^ 2
m: cantitatea de apă, măsurată în kg
Dif_h: diferența de înălțime între intrare și ieșire, măsurată în m
Accelerația datorată gravitației este aproape aceeași peste tot pe pământ și este de aproximativ 9,81 m/s ^ 2.
Energia maximă care poate fi obținută din hidroenergie (E, măsurată în J sau kWh) poate fi calculată după cum urmează:
E (în J) = m (în kg) * g (în m/s ^ 2) * Dif_h (în m)
E (în kWh) = m (în kg) * g (în m/s ^ 2) * Dif_h (în m)/3600000 (J/kWh)
E (în kWh) = m (în t) * g (în m/s ^ 2) * Dif_h (în m)/3600 (kJ/kWh)
Cu sistemele moderne de turbină, până la aproximativ 90% din energia maximă recuperabilă poate fi de fapt obținută ca energie electrică.
Exemplu: Dintr-un lac, a cărui suprafață este la 340 m deasupra nivelului mării (= 340 m deasupra nivelului mării), apa este direcționată printr-o conductă (1) într-o vale la 260 m deasupra nivelului mării, unde este introdusă într-un râu de o turbină. Diferența de înălțime Dif_h este de 340 m - 260 m = 80 m.
Cantitatea de apă care poate fi drenată din lacul superior în fiecare zi pentru a genera electricitate depinde de cât de multă apă pătrunde în medie în el în fiecare zi prin cursuri și râuri. Pentru exemplul nostru, presupunem că este de 35.000 m ^ 3 pe zi. Întrucât 1 apă are o masă de aproximativ 1 t, calculăm în cele ce urmează cu 35000 t/zi.
Energia electrică (utilă) maximă E_el, maximă care poate fi obținută zilnic (cu o eficiență de 100%) este atunci:
E_el, max = 35000 t/zi * 1 zi * 9,81 m/s ^ 2 * 80 m/3600 kJ/kWh = 7630 kWh.
Cu o eficiență generală a sistemului de turbină (turbină (e) + generator (e)) de ex. Dar 85% va fi doar o cantitate de energie E_el, tat
E_el, tat = 7630 kWh * 85%/100% = aproximativ 6490 kWh
efectiv obținută sub formă de energie electrică.
Puterea electrică P_el, tat generată de sistemul turbinei este cantitatea relevantă de energie, pe baza perioadei de timp în care este generată această cantitate de energie.
Deoarece în exemplul de 6490 kWh de energie electrică sunt generate într-o singură zi, puterea electrică P_el, tat poate fi calculată după cum urmează:
P_el, tat = 6490 kWh/zi = 6490 kWh/24h = aprox.270 kWh/h = 270 kW
În practică, intrarea într-un lac este foarte diferită în funcție de anotimp și condițiile meteorologice. Ca urmare, cu greu va fi posibilă alimentarea turbinei cu un debit constant de apă de 35.000 m ^ 3/zi pentru perioade mai lungi de timp. În timpul sezonului uscat, turbina va fi, prin urmare, funcționată temporar cu putere redusă sau chiar lăsată oprită; în schimb, în sezonul ploios, trebuie folosite cantități mai mari de apă pe zi pentru a preveni revărsarea lacului. În consecință, puterea maximă a turbinei trebuie să fie mai mare de 270 kW. Medie pe parcursul anului, puterea electrică medie a turbinei este de 270 kW.
(1): Trebuie să fie o conductă deoarece este închisă și astfel permite formarea unei coloane de apă. Aceasta înseamnă că diferența totală de înălțime poate fi utilizată pentru a crea presiunea hidrostatică în fața turbinei. Cu toate acestea, în jgheaburile deschise, o mare parte din energia stocată s-ar pierde înainte ca apa să ajungă la turbină.
2 Cerințe energetice pentru încălzirea apei
Ce se întâmplă când se adaugă energie (termică) de apă? Să începem cu apă foarte rece, de ex. cu o temperatură de -100 ° C. Desigur, acest lucru nu mai este lichid, ci este sub formă de gheață solidă.
Alimentarea cu căldură crește inițial temperatura gheții. Câtă energie de căldură este necesară per kg și per ° C creșterea temperaturii este o constantă care depinde de substanță, de starea sa fizică și, într-o măsură mai mică, de temperatura și presiunea acesteia, așa-numita capacitate de căldură sau căldură specifică. De obicei, simbolul cp este utilizat pentru aceasta (c pentru capacitate și p pentru presiune = constantă) atunci când procesul are loc la presiune constantă, așa cum se întâmplă în mod normal în viața de zi cu zi. (Valorile cp pentru gheață, apă și vapori de apă sunt enumerate în tabelul de mai jos pentru diferite temperaturi. Pentru gheață, cp este puternic dependent de temperatură, astfel încât o valoare medie trebuie calculată sau estimată pentru intervalul de temperatură relevant. Pentru apă și vapori de apă, Dependența de temperatură a cp poate fi neglijată în mod normal.) În jur de 170 kJ de energie sunt necesare pentru a încălzi 1 kg de gheață de la -100 ° C la 0 ° C.
Dacă energia continuă să fie furnizată, gheața nu se încălzește deloc (2), ci mai degrabă se topește. Cu cât este furnizată mai multă energie, cu atât obținem mai multă apă și mai puțină gheață. Cantitatea de căldură care trebuie adăugată pentru a topi complet 1 kg de gheață de la 0 ° C în apă de la 0 ° C se numește căldura de fuziune sau de topire a entalpiei Delta_H_Sm (termenul de entalpie indică faptul că procesul în cauză are loc la presiune constantă). Pentru apă, Delta_H_Sm este de 334 kJ/kg la 0 ° C.
(Pentru a topi complet 1 kg de gheață la 0 ° C până la 1 kg de apă la 0 ° C, aveți nevoie de o cantitate de energie de 334 kJ. Aceasta este aproape de două ori mai mare decât cea necesară pentru încălzirea de la -100 ° C la 0 ° C a fost.)
Cu o alimentare suplimentară cu energie, apa se încălzește până când temperatura de fierbere a apei (la presiunea normală a aerului 100 ° C) este atinsă. Datorită valorii cp de aproximativ 4,2 kJ/(kg * ° C), este necesară o cantitate de energie de aproximativ 420 kJ per kg de apă. De atunci, temperatura rămâne constantă chiar și cu furnizarea suplimentară de energie până când apa s-a evaporat complet și este acum exclusiv sub formă de abur. Cantitatea de căldură care trebuie adăugată pentru a se evapora complet 1 kg de apă la 100 ° C în vapori de apă la 100 ° C se numește căldură de condensare sau evaporare sau entalpie de evaporare Delta_H_V. Pentru apă, Delta_H_V la 100 ° C este de 2256 kJ/kg. Delta_H_V este dependent de temperatură, scade odată cu creșterea temperaturii și atinge valoarea zero la temperatura critică. Dependența de presiune a Delta_H_V este scăzută și poate fi neglijată în mod normal.
Dacă aburul rezultat nu scapă pur și simplu în aer, ci de ex. este descărcat printr-o țeavă, temperatura sa poate fi crescută practic atât cât se dorește deasupra punctului de fierbere (= "punctul de fierbere") prin adăugarea mai multă căldură.
(2): Dacă vă încălziți rapid și gheața este, de asemenea, sub formă de bucăți mai puțin compacte, apa poate avea o temperatură semnificativ mai mare de 0 ° C, deoarece energia termică nu poate ajunge din apă în gheață cât de repede doriți. Dacă întrerupeți alimentarea cu căldură pentru o vreme, apa se răcește din nou la 0 ° C și o cantitate corespunzătoare de gheață se topește.
70 kg de gheață la o temperatură de -20 ° C trebuie topite în apă la 40 ° C. Ce cantitate de energie (căldură) Q trebuie adăugată la gheață/apă?
1. Încălzirea gheții E la temperatura de topire (0 ° C):
Q_1 = m_E * cp_E * (0 ° C - -20 ° C) = 70 kg * 2,0 kJ/(kg * ° C) * 20 ° C = 2800 kJ
2. Topirea gheții la temperatura de topire:
Q_2 = m_E * Delta_H_Sm, W = 70 kg * 334 kJ/kg = 23380 kJ
3. Încălzirea apei de la 0 ° C la 40 ° C:
Q_3 = m_W * cp_W * (40 ° C - 0 ° C) = 70 kg * 4,2 kJ/(kg * ° C) * 40 ° C = 11760 kJ
Cerere totală de căldură:
Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 37940 kJ
Conversia în kWh (1 kWh = 3600 kJ):
37940 kJ = 10,54 kWh
(m: masă; cp: capacitate termică specifică; Delta_H_Sm: entalpia de topire; E: gheață; W: apă)
Din 70 kg de apă la o temperatură de 40 ° C, se obține abur la 170 ° C. Ce cantitate de energie (căldură) Q trebuie adăugată la apă?
1. Încălzirea apei la temperatura de fierbere (100 ° C):
Q_1 = m_W * cp_W * (100 ° C - 40 ° C) = 70kg * 4,2 kJ/(kg * ° C) * 60 ° C = 17640 kJ
2. Evaporarea apei la punctul de fierbere:
Q_2 = m_W * Delta_H_V, W = 70 kg * 2256 kJ/kg = 157920 kJ
3. Încălzirea aburului de la 100 ° C la 170 ° C:
Q_3 = m_D * cp_D * (170 ° C - 100 ° C) = 70 kg * 2,0 kJ/(kg * ° C) * 70 ° C = 9800 kJ
Cerere totală de căldură:
Q = Q_1 + Q_2 + Q_3 = 185 360 kJ
Conversia în kWh (1 kWh = 3600 kJ):
185 360 kJ = 51,49 kWh
(m: masă; cp: capacitate termică specifică; Delta_H_V: entalpia de evaporare; W: apă; D: abur)
Cantitatea de energie necesară pentru a încălzi 1 kg dintr-o anumită substanță cu 1 ° C se numește capacitatea de căldură (de asemenea: căldură specifică) a acestei substanțe. Capacitatea de căldură depinde de starea fizică a substanței (solidă, lichidă sau gazoasă) și, de asemenea, mai mult sau mai puțin de temperatura și presiunea acesteia. Cu marea majoritate a substanțelor, inclusiv a apei, capacitatea de căldură este cea mai mare în stare lichidă.
Capacitățile de căldură cp de gheață, apă și abur la diferite temperaturi T sunt enumerate mai jos (#DAL; #Wea):
Apa este una dintre substanțele cu cele mai mari capacități termice. Pentru comparație, capacitățile de căldură cp ale altor substanțe la temperaturi ambientale normale (#MSc; #DAL):