2.1/2.2 Energia suureena, sähkö energiansiirrossa

FY02 Fysiikka, ympäristö ja yhteiskunta

Miten energiaa saadaan hyötykäyttöön ja kuinka suuria määriä?

Saadaanko kaikki polttoaineen kemiallisesta energiasta muunnettua sähköksi tai lämmöksi?

Missä kohdissa energiaa menee "hukkaan"?

Energia ja teho

  • Energia E, perusyksikkö on J (joule)
    • Usein käytetään myös yksikköä Wh tai kWh
  • Teho P kuvaa tuotettua tai kulutettua energiaa aikayksikköä kohti
    • Yksikkö W (= J/s)
P = \frac{E}{t}
P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}

MAOL:

Energian yksikkö kWh

  • Voimalaitoksissa tai kotitalouksissa energian määrä ilmaistaan usein yksiköllä kWh (kilowattitunti)
  • Tuotettu tai kulutettu energia saadaan tehon ja ajan avulla

 

 

  • Jos laitteen teho on 1 kW ja sitä käytetään 1 h ajan, on kulutettu energia 1 kWh

 

 

  • Jouleissa vastaava energia on 3,6 MJ                                                     
P = \frac{E}{t} \ \Rightarrow E = Pt
E = 1000 \ \text W \cdot 60 \cdot 60 \ \text s = 3 \ 600 \ 000 \ \text J
E = 1 \ \text {kW} \cdot 1 \ \text h = 1 \ \text {kWh}
1 \ \text {kWh} = 3,6 \ \text {MJ} \Rightarrow 1 \ \text {MJ} = 0,27778 \ \text {kWh}

MAOL:

Esimerkkejä voimaloiden tehoista

Voimala Energialähde Sähköteho (MW) Lämpöteho (MW)
Vuosaari Maakaasu 665 582
Salmisaari Puupelletti, kivihiili 160 300
Lämpökeskukset Maakaasu, polttoöljy, pelletti 2000
Kymijoen vesivoimalaitokset Vesi 60
Messukeskuksen aurinkovoimala Aurinko 0,6 (315 W per paneeli)
Vantaan jätevoimala Jäte 76 147
Olkiluoto 1 ja 2 Uraani 890
Olkiluoto 3 Uraani 1600

Esimerkki 1

Keskikokoisen tuulivoimalan huipputeho on noin 1000 kW. Jos voimala toimii täydellä teholla, kuinka paljon energiaa voimala voi tuottaa 2 tunnin aikana? Ilmoita energia jouleina.

Kirjataan ylös lähtöarvot.

\text {tuulivoimalan teho} \ P = 1000 \ \text {kW} = 1000 \cdot 10^3 \ \text W
\text {aika} \ t = 2 \ \text {h} = 2 \cdot 3600 \ \text s = 7200 \ \text s
\text {tuotettu energia} \ E = \ ?

Tehon määritelmän mukaan

P = \frac{E}{t}

Ratkaistaan lauseke energialle ja sijoitetaan lukuarvot.

E = P t
E = 1000 \cdot 10^3 \ \text W \cdot 7200 \ \text s
E = 7,2 \cdot 10^9 \ \text J \approx 7 \ \text {GJ}

Muuta perusyksiköihin!

TAI yksikössä Wh:

E = 1000 \ \text {kW} \cdot 2 \ \text h
E = 2000 \ \text{kWh} = 2 \ \text {MWh}

Esimerkki 2

Olkiluoto 3:n teho on 1600 MW. Kuinka monta keskikokoista tuulivoimalaa (huipputeho 1000 kW) tarvittaisiin tuottamaan yhtä paljon energiaa samassa ajassa kuin ydinvoimala?

\text {tuulivoimalan teho} \ P_t = 1000 \ \text {kW} = 1000 \cdot 10^3 \ \text W
\text {ydinvoimalan teho} \ P_y = 1600 \ \text {MW} = 1600 \cdot 10^6 \ \text W

Kirjataan ylös lähtöarvot.

Molemmilla voimalatyypeillä tuotetaan yhteensä yhtä paljon energiaa E ajassa t. Tuulivoimaloiden lukumäärä saadaan täten vertailemalla tehoja.

P_y = N \cdot P_t
\text {tuulivoimaloiden lukumäärä} \ N = \ ?
N = \frac{P_y}{P_t}
N = \frac{1600 \ \cdot \ 10^6 \ \text W}{1000 \ \cdot \ 10^3 \ \text W} = \frac{1,6 \ \cdot \ 10^9 \ \text W}{1 \ \cdot \ 10^6 \ \text W}
N = 1,6 \cdot 10^3 = 1600

Energiakaaviot ja hukkaenergia

  • Energian muuntumista voidaan kuvata energiakaavioiden avulla
  • Osa energiasta menee hukkaan (muuntuu ei-hyödylliseen muotoon)
    • Usein lämmöksi

Hyötysuhde esim. 70 %

Hyötysuhde

  • Voimalaitosten ja muiden laitteiden tärkeä ominaisuus on hyötysuhde
    • Ilmaisee, kuinka suuri osa kaikesta vapautettavissa olevasta energiasta pystytään siirtämään käyttötarkoituksen mukaiseen muotoon (osa energiasta menee hukkaan)

 

 

 

 

 

  • Hyötysuhde ilmaistaan joko prosentti- tai desimaalilukuna
  • Teoreettinen maksimiarvo on 1 (tai 100 %)
    • Tällöin kaikki käytettävissä oleva energia olisi valjastettavissa hyötykäyttöön
\eta = \frac{E_{hyöty}}{E_{koko}} = \frac{P_{hyöty}}{P_{koko}}
E_{hyöty} = \text {tavoiteltuun muotoon muunnettu energia}
E_{koko} = \text {koko energia, jota on yritetty muuntaa}
\eta

Esimerkki 3

a) Vesivoimalan hyötyteho on 185 MW ja hyötysuhde 0,82. Kuinka suuri on vesivoimalan maksimiteho?

 

b) Hyötyteho saatiin nostettua 192 MW:iin. Mikä on hyötysuhde päivityksen jälkeen?

 

c) Millä tavoin vesivoimalan tehoa voidaan nostaa?

a) Kirjataan lähtöarvot.

\text {vanha hyötyteho } \ P_{hyöty, 1} = 185 \ \text {MW}
\text {vanha hyötysuhde} \ \eta_1 = 0,82
\text {maksimiteho} \ P_{koko} = \ ?

Voimalan hyötysuhde on aluksi

\eta_1 = \frac{P_{hyöty, 1}}{P_{koko}}

Ratkaistaan yhtälöstä lauseke voimalan maksimiteholle.

P_{koko} = \frac{P_{hyöty, 1}}{\eta_1}
\eta_1 \cdot P_{koko} = P_{hyöty, 1}
P_{koko} = \frac{185 \ \text {MW}}{0,82}
P_{koko} = 225,6098 \ \text {MW} \approx 230 \ \text {MW}

Voimalan uusi hyötysuhde on

\eta_2 = \frac{P_{hyöty, 2}}{P_{koko}}
\eta_2 = \frac{192 \ \text {MW}}{225,6098 \ \text {MW}}
\eta_2 = 0,851027
\eta_2 \approx 0,85

Tarkka arvo laskimesta!

c) Vesivoimalan tehon nosto?

b) Kirjataan lähtöarvot.

\text {uusi hyötyteho } \ P_{hyöty, 2} = 192 \ \text {MW}
\text {uusi hyötysuhde} \ \eta_2 = \ ?
\text {maksimiteho} \ P_{koko} = \ 225,6098 \ \text {MW}

Sähkö energiansiirrossa

  • Voimalaitoksissa voitaisiin tuottaa energia suoraan tarvittavaan muotoon
    • Esim. koneiden liike-energiaksi tai lämmöksi
  • Voimalaitosten energianlähteet eivät aina ole siellä, missä energiaa käyttävä laite on
    • Sähköä voidaan siirtää voimaloista loppukäyttäjälle sähköverkon avulla
  • Jos sähkönsiirto ei ole mahdollista, energiaa pitää varastoida
    • Esim. akut, polttoaine
  • Sähköä ei voi varastoida voimalinjoihin tai generaattoreihin
    • Voimaloiden vapautettava energiaa sähköverkkoon samalla teholla kuin verkkoon kytketyt laitteet sitä kuluttavat

Suomen kantaverkko (Fingrid)

Esimerkki 4

Valitse laite, joka tarvitsee energiaa toimiakseen ja jota käytät. Selvitä,

  • mitä energiaa laite käyttää
  • mihin energiamuotoon laite muuntaa energiaa ja piirrä tilanteesta energiakaavio
  • kuinka paljon laitteen käyttäminen vaatii energiaa kuukaudessa
  • kuinka paljon laitteen käyttö maksaa, jos se kuluttaa sähköä ja sähkön hinta on 15 snt/kWh
  • laitteen hyötysuhde.