Kraft- og kraftvarmeværker
Artiklen er en del af bogen I drivhuset - Fortællinger om naturens energi og samfundets energikrise, skrevet af Klaus Illum og udgivet af 3F i 2006.
8. KRAFT- OG KRAFTVARMEVÆRKER
Det var oliekrisen i 1973, hvor råolieprisen pludseligt blev firedoblet, der satte gang i udskiftning af oliefyr i de store byer med fjernvarme fra kraftværker, som nu blev kaldt kraftvarmeværker.
I de øvrige, ikke naturgasforsynede byer og landområder, forblev olie- og kulfyrede fjernvarmeværker og oliefyr den fremherskende opvarmningsform - indtil de decentrale kraftvarmeværker kom til i slutningen af 1980erne og begyndelsen af 1990erne, og olie og kul i fjernvarmeværker blev erstattet med halm og flis.
Da kommuner og andelsselskaber i de første årtier af det 20. århundrede byggede lokale dieselmotordrevne jævnstrøms- el-værker i store og små byer var det helt naturligt, at man så vidt muligt udnyttede kølevandet fra motorerne til opvarmning af bygninger, dvs. at man brugte bygningers radiatorkredsløb som kølere. Dengang blev det ikke kaldt “decentral kraftvarme”, for det hele blev født decentralt, og det var ikke særligt bemærkelsesværdigt, at man ikke brugte hav- eller åvand men radiatorer i husene til at køle motorerne med.
Efter krigen var mange af de lokale el-værker blevet nedslidt. Kommuner og andelsselskaber slog sig sammen i større selskaber (Elsam i Jylland-Fyn, IFV og SEAS på Sjælland-Lolland-Falster), der byggede store oliefyrede vekselstrøms- kraftværker til erstatning for de mange små lokale jævnstrømsværker. El-produktionen blev centraliseret.
Olien var billig, så i løbet af 1950erne bredte oliefyrene sig ud over landet og alle de nye parcelhuse, der blev opført i 1960erne og begyndelsen af 1970erne, blev udstyret med oliefyr. De allerede eksisterende fjernvarmenet i de store byer (København, Aarhus, Ålborg, Odense, Esbjerg) blev opretholdt, men ikke udbygget.
Det var oliekrisen i 1973, hvor råolieprisen pludseligt blev firedoblet, der satte gang i udskiftning af oliefyr i de store byer med fjernvarme fra kraftværker, som nu blev kaldt kraftvarmeværker. I den landsdækkende energiplanlægning, der blev sat i gang i slutningen af 1970erne blev landet delt op i 1) kraftvarmeområder i og omkring de større byer med store kraftværker, 2) naturgasområder i små og større byer og byområder, hvor der skulle udlægges naturgasnet til forsyning af naturgasfyr i huse og industrier, 3) områder med både kraftvarme og naturgas, og 4) de øvrige byer og landområder, hvor olie- og kulfyrede fjernvarmeværker og oliefyr forblev den fremherskede opvarmningsform - indtil de decentrale kraftvarmeværker kom til i slutningen af 1980erne og begyndelsen af 1990erne, og olie og kul i fjernvarmeværker blev erstattet med halm og flis.
8.1 DAMPTURBINE-KRAFTVÆRKER
Afgivelsen af varme fra et dampturbine-kraftværks dampkondensator til havvandet er en betingelse for, at værket overhovedet kan producere elektrisk kraft. Så det er ikke rimeligt at kalde denne helt nødvendige varmeafgivelse for et tab.
Et kraftværk er et anlæg, der producerer elektrisk kraft, dvs. bidrager til at opretholde en konstant spændingsforskel mellem el-nettet og jorden. De danske kraftværker er kul- eller naturgasfyrede dampturbineværker, se kapitel 3, figur 3.5. I nogle kulfyrede værker fyres der også med halm, flis eller træpiller.
Alle de danske kraftværker ligger ved vandet. Disse dampturbine- kraftværker virker i kraft af temperaturforskellen mellem flammerne i brændkammeret og kølevandet fra fjorden eller havet. Kølevandet sørger for at holde temperaturen i dampturbineanlæggets dampkondensator på ca. 30 grader, så dampen kondenserer ved et lavt tryk. Det er mange kubikmeter kølevand, der hvert minut strømmer forbi kondensatoren og opvarmes nogle få grader, idet der tilføres energi fra den kondenserende damp.
I de almindelige energibalanceregnskaber (omtalt i kapitel 2, afsnit 2.2) optræder denne energi, der med kølevandet føres ud i havet, som et energitab. Men det er en løjerlig opfattelse. Af to grunde: For det første fordi afgivelsen af varme fra kondensatoren til kølevandet er en betingelse for, at værket overhovedet kan producere elektrisk kraft. Så det er ikke rimeligt at kalde denne helt nødvendige varmeafgivelse for et tab. For det andet har den varme, der ved en temperatur på omkring 30 grader afgives fra kondensatoren ikke nogen som helst værdi (exergi-værdien i forhold til kølevandstemperaturen er praktisk taget nul, se afsnit 4.6 og 4.7). Så intet af værdi går tabt.
Af den arbejdsydelsesevne (målt ved exergi-værdien), der tilføres kraftværket i form af det anvendte brændsel, kommer kun 40 - 50% ud af generatorerne i form af elektrisk kraft. Det tab, der således sker i værket, skyldes især tab af arbejdsydelsesevne i fyret og mellem fyret og dampkedlen på grund af den store temperaturforskel (jfr. afsnit 4.5 - 4.7). Temperaturforskellen mellem kondensatoren og kølevandet er så lille, at den ikke spiller nogen stor rolle.
8.2 DAMPTURBINE-KRAFTVARMEVÆRKER
Merforbruget af brændsel i et dampturbine-kraftvarmeværk modsvares rigeligt af den brændselsbesparelse, der opnås, når opvarmning med individuelle olie- og/eller naturgasfyr erstattes med opvarmning med kølevand fra dampturbine-kraftvarmeværket.
Mod at bruge lidt mere brændsel end i kraftværket får man fjernet et meget større brændselsforbrug i individuelle olie- og/eller naturgasfyr.
Figur 8.1 viser princippet i et dampturbine-kraftvarmeværk. Forskellen mellem et dampturbine-kraftværk (figur 3.5) og et dampturbine-kraftvarmeværk er, at man i et kraftvarmeværk i stedet for havvand bruger vandkredsløbet gennem fjernvarmeledninger og centralvarmekredsløb i husene til at køle dampkondensatoren med.55 Da fjernvarmetemperaturen selvfølgelig skal være højere end havvandstemperaturen (den ligger på 80-100 grader i de nuværende fjernvarmeanlæg), bliver kondensatortemperaturen højere end i et kraftværk. Da temperaturforskellen mellem dampkedlen og kondensatoren således bliver mindre, får man mindre elektrisk kraft ud af det indfyrede brændsel. I de nuværende danske værker bliver el-produktionen formindsket med omkring 10% i forhold til et havvandskølet kraftværk, mindre jo lavere fjernvarmetemperaturen er. Man skal altså bruge lidt mere brændsel for at få den samme el-produktion.
Merforbruget af brændsel i dampturbine-kraftvarmeværket modsvares imidlertid rigeligt af den brændselsbesparelse, der opnås, når opvarmning med individuelle olieog/ eller naturgasfyr erstattes med opvarmning med kølevand fra dampturbine-kraftvarmeværket. Mod at bruge lidt mere brændsel end i kraftværket får man fjernet et meget større brændselsforbrug i individuelle olie- og/eller naturgasfyr.
FIGUR 8.2 KRAFTVARMEVÆRK MED VARMEPUMPE
I kraftvarmeværker kan man koble en stor, el-drevet varmepumpe til kraftmaskinen (her en gasmotor) på samme måde som vist i figur 7.3. Derved opnår man den fordel, at forholdet mellem el-produktionen og varmeproduktionen kan reguleres på en energi-effektiv måde. Det har man brug for at kunne i et energisystem, hvor der er så mange vindmøller og kraftvarmeværker, at den el, der bliver produceret en kold blæsende dag, overstiger den el-effekt, der er behov for.
Når man har investeret store beløb i vindmøller, skal de jo helst ikke standses, når der er god vind, bare fordi kraftvarmeværkerne, når det er koldt, kommer til at producere en masse el for at klare opvarmningen af de huse, der er tilkoblet deres fjernvarmenet.
Lad os sige, at et kraftvarmeværk med varmepumpe en dag skal klare en fjernvarmeproduktion på 200 GJ (200 000 MJ). Hvis hvis denne varme skal komme fra motorens kølekredsløb og udstødningsgas, kommer motoren til at producere 145 GJ = 40 MWh el. Hvis det blæser, kan det ske, at der ikke er behov for så meget el fra kraftvarmeværket. Så sættes varmepumpen i gang. Den bruger en del af den el, motoren producerer, og da den nu bidrager til fjernvarmeproduktionen, behøver motoren ikke at afgive så meget varme.
Hvis f.eks. el-produktionen til el-nettet skal halveres til 22 MWh, skal motorens el-produktion sættes ned fra 40 til 26 MWh, hvoraf 6 MWh bruges i varmepumpen. Så får man i alt den samme fjernvarmeproduktion på de 200 GJ. Motoren giver 130 GJ, varmepumpen 70 GJ. (Tallene afhænger af motorens el-nyttevirkning, varmepumpens effektivitet og udetemperaturen).
Man kan også i nogle timer standse motoren, og drive varmepumpen med el fra el-nettet. Så optræder kraftvarmeværket som el-forbruger i stedet for som el-producent.
Vi skal ikke her komme ind på de tekniske forhold i forbindelse med denne regulering. Det skal kun nævnes, at det i praksis er mindre heldigt, at køre en gasmotor på nedsat belastning. Den kører mest effektivt på fuld last. Derfor er det en fordel at fordele produktionen på flere motorer, så man kan stoppe og starte én eller flere motorer, i stedet for at lade én motor køre på dellast. Dette kan man opnå ved at samkøre produktionen i flere små kraftvarmeværker.
8.3 DECENTRALE STEMPELMOTORKRAFTVARMEVÆRKER
Når et fjernvarmeværk udskiftes med et decentralt kraftvarmeværk, sparer man i landets samlede energiregnskab hele fjernvarmeværkets brændselsforbrug.
De store dampturbine-kraftvarmeværker ved de store byer kaldes centrale kraftvarmeværker. I slutningen af 1980erne startede opførelsen af mindre og små kraftvarmeværker i provinsbyer og landsbyer, de såkaldte decentrale kraftvarmeværker. Dermed blev en betydelig del af elproduktionen decentraliseret: Den blev flyttet ud, hvor der er huse nok til at køle maskineriet i et mindre kraftværk.
I de fleste af de mindre decentrale kraftvarmeværker er maskineriet en gasmotor: en stor stempelmotor ligesom dem, der bruges i skibe. I disse motorer skal kølevandstemperaturen (ligesom i en bilmotor) være forholdsvist høj, omkring 80 grader. Man behøver altså ikke - som i dampturbine- kraftværker - at forøge kølevandstemperaturen for at kunne bruge radiatorerne i husene til at køle maskineriet. Og man kan få lidt ekstra varme ud i fjernvarmenettet ved at nedkøle den udstødningsgas (røggas), maskinen sender op gennem skorstenen.
I områder med disse decentrale kraftvarmeværker får man således varme i radiatorerne uden noget ekstra brændselsforbrug. Der skal jo produceres elektrisk kraft, og så er man er jo nødt til at køle maskinerne. Og det klarer man så med radiatorerne og til dels med fjernvarmerørene, der afgiver en del varme til jorden.
Også her skal det bemærkes, at de nyttevirkningstal, der beregnes ud fra de almindelige energibalanceregnskaber, er misvisende. I et almindeligt fjernvarmeværk med en naturgasfyret kedel, omsættes op til 100% af naturgassens energi (brændværdi) til energi i form af varmt vand i fjernvarmerørene. Så siger man, at fjernvarmeværkets nyttevirkning er omtrent 100%. Men i et almindeligt decentralt gasmotor-kraftvarmeværk kommer ca. 40% af naturgassens energi ud i form af elektrisk kraft og ca. 60% ud i form af varme. Det giver også en nyttevirkning på 100%. Og så kunne man jo tro, at kraftvarmeværket hverken er bedre eller dårligere end fjernvarmeværket. Men det passer åbenbart ikke. For landets samlede brændselsforbrug til el-produktion forøges ikke ved at flytte en del af produktionen ud i decentrale kraftvarmeværker.56 Det vil sige, at når et fjernvarmeværk udskiftes med et decentralt kraftvarmeværk, sparer man i landets samlede energiregnskab hele fjernvarmeværkets brændselsforbrug. Derfor er det åbenbart vildledende at sige, at man har samme nytte af fjernvarmeværket som af kraftvarmeværket.
Hvis et kraftvarmeværk udstyres med et varmepumpeanlæg (se afsnit 7.2), kan man som vist i figur 8.2 regulere værkets el-produktion i forhold til dets varmeproduktion. Det er en fordel i et energisystem med en stor varierende el-produktion i vindmøller. Med et sådant motor-varmepumpeanlæg kan man uden nogen el-produktion få den samme fjernvarmeproduktion som i et fjernvarmeværk med det halve brændselsforbrug.
Hvis gasmotoren udskiftes med et høj-temperatur brændselscelleanlæg (se nedenfor) bliver brændselsforbruget endnu mindre.
8.4 BRÆNDSELSCELLER
Brændselsceller er en fællesbetegnelse for mange forskellige typer af apparater, hvori kemisk uligevægt mellem et brændstof og luftens ilt udnyttes til at frembringe elektrisk kraft ad elektro-kemisk vej. En brændselscelle har ingen bevægelige dele. Den har form som en plade, der indeholder en elektrolyt og i nogle tilfælde en protonmembran eller en katalysator. Brændselsceller kan fremstilles i små og store størrelser og flere celler kan sættes sammen til et større kraftværk.
Ligesom i et batteri eller en akkumulator frembringes den elektriske strøm i en elektro-kemisk proces, hvorunder elektroner frigives ved den ene pol (den såkaldte anode) og gennem et elektrisk kredsløb vandrer til den anden pol (den såkaldte katode), se figur 8.4. Forskellen er, at et batteri eller en akkumulator skal lades op, for senere at kunne give strøm, medens en brændselscelle hele tiden skal have tilført brændstof til den ene pol (anoden) og ilt til den anden pol (katoden). Slutresultatet af processen er, at ilt og brint forener sig ved katoden og bliver til vand, idet den kemiske uligevægt mellem brændstoffet og ilten udløses i en elektrisk spændingsforskel.
Nogle brændselsceller bruger brint som brændstof (figur 8.4), andre bruger methanol (træsprit). Brint kan fremstilles på mange måder: Ved elektrolyse af vand (se figur 8.3), ved spaltning af naturgas, ved ophedning af kul og vand, m.fl. Methanol kan fremstilles af kultveilte (CO2) og brint eller kultveilte og naturgas.
Nogle brændselsceller virker ved meget høje temperaturer (omkring 900 grader). Ved at lade dem indgå i et kredsløb med en gasturbine57 kan man opnå en meget høj effektivitet (el-virkningsgrad ca. 65%)58 for det samlede anlæg. Sådanne brændselscelle-gasturbineanlæg vil være velegnede til brug i decentrale kraftvarmeværker og som mindre kraftvarmeanlæg i huse i naturgasforsynede områder.
Andre brændselsceller virker ved lave temperaturer (under 100 grader). Med brint eller methanol som brændstof er de velegnede til brug i biler og busser. Men deres effektivitet kommer ikke meget over ca. 40%. Nu skal strømmen fra brændselscellen gennem en spændingsomformer og en elmotor før kraften når frem til hjulene, og undervejs skal en del bruges til opladning af et batteri, der tjener som en stødpude til udjævning af brændselscellens el-produktion, så den ikke skal køre op og ned, når der skiftevis trædes på speederen og bremsen. I alle disse dele sker der et tab af elektrisk kraft. Effektiviteten af det samlede fremdriftssystem kommer derfor ned på ca. 30%. Det er godt og vel 50% mere end effektiviteten af fremdriftssystemet i en bil med en almindelig benzinmotor årgang 2005.
En mellemting mellem en lav-temperatur brændselscelle og et batteri er under udvikling i Kina.59 Denne “brændselscelle” bruger en zink-plade som “brændsel”. I princippet sker der i en sådan brændselscelle det samme, som når man skruer zink-klodser på bunden af skibe for at undgå at galvanisk strøm æder andre metaldele. Den elektriske strøm frembringes ved, at zinken afgiver elektroner og bliver oxyderet til zinkoxyd ved optagelse af ilt fra luften. Når en zinkplade er blevet omdannet til zinkoxyd, bliver den udskiftet med en anden zinkplade, der er fremstillet af zinkoxyd fra brugte plader. På den måde genbruges zinken. Til genoparbejdningen af zinkpladerne fra zinkoxyd bruges elektrisk strøm ligesom ved brintfremstilling ved elektrolyse af vand. Zink-brændselscellen virker således i princippet på samme måde som en brint-brændselscelle med brint, der er fremstillet ved elektrolyse af vand. Men zink er meget lettere at håndtere end brint.
FIGUR 8.3 ELEKTROLYSE: BRINT OG ILT AF VAND
KNALDGAS-FORSØGET
Vand er noget af det mest stabile man har. De to brintatomer (H2) og det iltatom (O), et vandmolekyle (H2O) består af, hænger godt sammen i et solidt ægteskab, uden andre atomers indblanding i parforholdet. Heldigvis, for hvis et vandmolekyle ikke blev ved at være et vandmolekyle, men enten blev splittet ad eller optog andre atomer, ville livet, som vi kender det, aldrig være blevet til noget.
Men mennesker har selvfølgelig fundet ud af, at man med vold og magt i form af elektrisk strøm kan splitte vandmolekylerne ad. Med elektricitet fra el-nettet er det meget nemt. Man behøver kun en omformer fra vekselstrøm til jævnstrøm, en balje vand og to store søm. Sømmene virker som elektroder. Det ene er den såkaldte anode, det andet er den såkaldte katode. (I industrielle elektrolyseanlæg opnås en større effektivitet med mere kompliceret elektro-kemisk teknologi).
Et molekyle består af atomkerner omgivet af negativt ladede elektroner (e- ). I et vandmolekyle er de to brintatomer og iltatomet fælles om to elektroner. Det er det fællesskab, der holder dem sammen.
Elektrisk strøm er en strøm af elektroner gennem en elektrisk ledning eller et andet ledende materiale som de to søm. Strømmen drives af en spændingsforskel, der frembringes i kraftværker og vindmøller.
Man kan forestille sig spændingsforskellen som et "overtryk" af elektroner ved den ene pol (anoden) og et "undertryk" ved den anden pol (katoden), sådan at elektronerne suges rundt fra anoden gennem ledningen og omformeren til katoden - hvis de altså kan slippe igennem vandet. Det kan de, fordi "elektronsuget" splitter vandmolekylerne ad. Iltatomet snupper de to elektroner i molekyle-fællesskabet (bliver til O - - ) og suges over til anoden, hvor det afleverer dem, forener sig med et andet iltatom, og bliver til et almindeligt iltmolekyle. Brintmolekylet mangler nu de to elektroner, som iltatomet har snuppet (det bliver til 2H+ ). Elektronerne er blevet suget over til katoden, så brintatomet må derhen og hente dem. Det optager dem, og bliver til et almindeligt brintmolekyle.
Denne proces kan man se ved, at der bobler brint op ved katoden og ilt ved anoden.
Det er nemt at genforene brint- og iltmolekylerne til vand. Man kan bare sætte en tændstik til blandingen. Men man kan også gøre det på en sådan måde, at man får noget af den elektriske kraft, der er blevet brugt til at splitte dem ad, tilbage. Men det er ikke så nemt. Se figur 8.4.
FIGUR 8.4 BRINT-ILT-BRÆNDSELSCELLER
I en brændselscelle sker der det omvendte af det, der sker i et elektrolyseanlæg (se figur 8.3). Elektrolyseanlægget bruger strøm. Brændselscellen producerer strøm.
Brint- og iltatomer vil gerne genforenes i vandmolekyler (2H2 + O2 > 2H2O). Så gerne, at de ved genforeningen udløser en masse energi. Hvis de får frit løb, kan de slet ikke styre sig. Det kan man høre i det knald, det giver, når man sætter en tændstik til en blanding af ilt og brint. Hvis man kan holde styr på dem, så genforeningen sker under ordnede forhold, kan man i stedet for et knald få dem til at afgive energien som en elektrisk strøm. Sådanne ordnede forhold skaber man i en brændselscelle.
I elektrolyseapparatet (figur 8.3) er det en elektrisk spændingsforskel, frembragt af kraftværker og vindmøller, der så at sige suger elektroner fra vandmolekylerne, så de mister deres sammenhængskraft og splittes i brint og ilt. I brændselscellen er det omvendt. Her er det de adskilte brint- og iltmolekyler, der ved genforening til vand frembringer en elektrisk spændingsforskel, som driver en elektrisk strøm (en elektronstrøm). Det vil sige, at brændselscellen virker som et kraftværk.
Figuren er et meget, meget forenklet billede af processen. Den viser kun det grundlæggende princip. Kunsten er at få brintmolekylerne ved anoden til i al stilhed at afgive elektroner og derpå vandre over til katoden. Der mødes de med iltmolekylerne. De slår sig sammen til vandmolekyler, idet de i fællesskab optager de elektroner, der har været turen rundt i det elektriske kredsløb. Det er her, spændingen opstår. Tiltrækningen mellem de brintatomer, der mangler en elektron, og iltmolekylerne er så stor, at de suger de elektroner til sig, som de skal bruge for at blive genforenede. På den måde "suges " elektronerne gennem kredsløbet, så der kommer lys i lampen og sød musik opstår, hvis der også er sluttet et musikanlæg til.
Problemet er, at det ikke er så let at få brintmolekylerne til at afgive deres elektroner og vandre over til katoden. Det kræver en indviklet konstruktion med membraner, katalysatorer og en passende elektrolyt.
8.5 MINI-KRAFTVARMEVÆRKER TIL NATURGASFORSYNEDE HUSE
I naturgasforsynede områder kan man få meget mere ud af naturgassen ved at bruge den i små gasmotorer eller brændselsceller i de enkelte huse. Små naturgasfyrede stempelmotor- kraftvarmeværker til erstatning af individuelle naturgasfyr er allerede på markedet. I fremtiden bliver naturgasdrevne brændselsceller måske så billige, at de med fordel kan erstatte stempelmotorer. Ligesom decentrale kraftvarmeværker kan mini-kraftvarmeværker udstyres med varmepumper, så det bliver muligt at regulere deres el-produktion i forhold til deres varmeproduktion (se figur 8.2).
Nogle forestiller sig, at man i et fremtidigt “brintsamfund” kan have små brintdrevne brændselscelle-kraftvarmeværker. Men hvis der i det danske energisystem bruges elektrisk kraft til at fremstille brint ved elektrolyse (se figur 8.3), og der findes et brint-distributionssystem, er det en besynderlig fremgangsmåde først at bruge elektrisk kraft til brintfremstilling og derefter bruge brinten til at producere elektrisk kraft i brændselsceller - også når kølevarmen fra brændselscellerne bruges til rumopvarmning. Det man opnår, er et dyrt, tabsgivende el-brint-el-kredsløb, der kaster noget varme af sig.
Argumenter for en sådan fremgangsmåde går på, at “brint er fremtidens energibærer”, og at man ved at “lagre elektricitet i form af brint” kan regulere el-forsyningen i takt med det varierende forbrug, selvom en stor del af el-produktionen sker i vindmøller med en stadigt varierende produktion. Men det forudsætter, at brinten kan lagres. Og hvis det kan lade sig gøre på en rimeligt billig og håndterlig måde, skal brinten bruges i biler og busser. Det er dér, der er brug for drivmidler, efterhånden som olieforbruget nedbringes. Der er ingen grund til at lave dyre, tabsgivende el-brint-el-kredsløb til elregulering og varmeforsyning. Det kan gøres meget billigere og mere effektivt med varmepumper og varmelagre.
| < Om at spilde mindre hen ad vejen | Indholdsfortegnelse | Drivkraft til transportmidler > |
8. KRAFT- OG KRAFTVARMEVÆRKER
Det var oliekrisen i 1973, hvor råolieprisen pludseligt blev firedoblet, der satte gang i udskiftning af oliefyr i de store byer med fjernvarme fra kraftværker, som nu blev kaldt kraftvarmeværker.
I de øvrige, ikke naturgasforsynede byer og landområder, forblev olie- og kulfyrede fjernvarmeværker og oliefyr den fremherskende opvarmningsform - indtil de decentrale kraftvarmeværker kom til i slutningen af 1980erne og begyndelsen af 1990erne, og olie og kul i fjernvarmeværker blev erstattet med halm og flis.
Da kommuner og andelsselskaber i de første årtier af det 20. århundrede byggede lokale dieselmotordrevne jævnstrøms- el-værker i store og små byer var det helt naturligt, at man så vidt muligt udnyttede kølevandet fra motorerne til opvarmning af bygninger, dvs. at man brugte bygningers radiatorkredsløb som kølere. Dengang blev det ikke kaldt “decentral kraftvarme”, for det hele blev født decentralt, og det var ikke særligt bemærkelsesværdigt, at man ikke brugte hav- eller åvand men radiatorer i husene til at køle motorerne med.
Efter krigen var mange af de lokale el-værker blevet nedslidt. Kommuner og andelsselskaber slog sig sammen i større selskaber (Elsam i Jylland-Fyn, IFV og SEAS på Sjælland-Lolland-Falster), der byggede store oliefyrede vekselstrøms- kraftværker til erstatning for de mange små lokale jævnstrømsværker. El-produktionen blev centraliseret.
Olien var billig, så i løbet af 1950erne bredte oliefyrene sig ud over landet og alle de nye parcelhuse, der blev opført i 1960erne og begyndelsen af 1970erne, blev udstyret med oliefyr. De allerede eksisterende fjernvarmenet i de store byer (København, Aarhus, Ålborg, Odense, Esbjerg) blev opretholdt, men ikke udbygget.
Det var oliekrisen i 1973, hvor råolieprisen pludseligt blev firedoblet, der satte gang i udskiftning af oliefyr i de store byer med fjernvarme fra kraftværker, som nu blev kaldt kraftvarmeværker. I den landsdækkende energiplanlægning, der blev sat i gang i slutningen af 1970erne blev landet delt op i 1) kraftvarmeområder i og omkring de større byer med store kraftværker, 2) naturgasområder i små og større byer og byområder, hvor der skulle udlægges naturgasnet til forsyning af naturgasfyr i huse og industrier, 3) områder med både kraftvarme og naturgas, og 4) de øvrige byer og landområder, hvor olie- og kulfyrede fjernvarmeværker og oliefyr forblev den fremherskede opvarmningsform - indtil de decentrale kraftvarmeværker kom til i slutningen af 1980erne og begyndelsen af 1990erne, og olie og kul i fjernvarmeværker blev erstattet med halm og flis.
8.1 DAMPTURBINE-KRAFTVÆRKER
Afgivelsen af varme fra et dampturbine-kraftværks dampkondensator til havvandet er en betingelse for, at værket overhovedet kan producere elektrisk kraft. Så det er ikke rimeligt at kalde denne helt nødvendige varmeafgivelse for et tab.
Et kraftværk er et anlæg, der producerer elektrisk kraft, dvs. bidrager til at opretholde en konstant spændingsforskel mellem el-nettet og jorden. De danske kraftværker er kul- eller naturgasfyrede dampturbineværker, se kapitel 3, figur 3.5. I nogle kulfyrede værker fyres der også med halm, flis eller træpiller.
Alle de danske kraftværker ligger ved vandet. Disse dampturbine- kraftværker virker i kraft af temperaturforskellen mellem flammerne i brændkammeret og kølevandet fra fjorden eller havet. Kølevandet sørger for at holde temperaturen i dampturbineanlæggets dampkondensator på ca. 30 grader, så dampen kondenserer ved et lavt tryk. Det er mange kubikmeter kølevand, der hvert minut strømmer forbi kondensatoren og opvarmes nogle få grader, idet der tilføres energi fra den kondenserende damp.
I de almindelige energibalanceregnskaber (omtalt i kapitel 2, afsnit 2.2) optræder denne energi, der med kølevandet føres ud i havet, som et energitab. Men det er en løjerlig opfattelse. Af to grunde: For det første fordi afgivelsen af varme fra kondensatoren til kølevandet er en betingelse for, at værket overhovedet kan producere elektrisk kraft. Så det er ikke rimeligt at kalde denne helt nødvendige varmeafgivelse for et tab. For det andet har den varme, der ved en temperatur på omkring 30 grader afgives fra kondensatoren ikke nogen som helst værdi (exergi-værdien i forhold til kølevandstemperaturen er praktisk taget nul, se afsnit 4.6 og 4.7). Så intet af værdi går tabt.
Af den arbejdsydelsesevne (målt ved exergi-værdien), der tilføres kraftværket i form af det anvendte brændsel, kommer kun 40 - 50% ud af generatorerne i form af elektrisk kraft. Det tab, der således sker i værket, skyldes især tab af arbejdsydelsesevne i fyret og mellem fyret og dampkedlen på grund af den store temperaturforskel (jfr. afsnit 4.5 - 4.7). Temperaturforskellen mellem kondensatoren og kølevandet er så lille, at den ikke spiller nogen stor rolle.
Denne figur er en modificeret udgave af en figur i en ELSAM-brochure fra 1980erne.
FIGUR 8.1 KRAFTVARMEVÆRK (SAMMENLIGN MED KRAFTVÆRK, FIGUR 3.5)
Billedet viser et såkaldt kraftvarmeværk, her et dampturbine-kraftvarmeværk. Det virker på helt samme måde som det kraftværk, der er vist i figur 3.5, bortset fra, at det her er radiatorerne i huse i kraftværkets omegn i stedet for havvand, der sørger for at holde en kondensatortemperatur, der er meget lavere end temperaturen i dampkedlen. Man kan sige, at man i stedet for havvand bruger fjernvarme-radiator-kredsløbet til at køle kraftværket med. På den måde skal der ikke bruges ret meget brændsel til også at klare rumopvarmningen.
Hvis værket skal producere lige så meget el som det, der er vist i figur 3.5, bliver brændselsforbruget noget større (ca. +15%), fordi temperaturforskellen mellem dampkedlen og kondensatoren er mindre. Hvis der f.eks. skal produceres 720 GJ el i timen (en el-effekt på 200 MW), skal kraftværket (figur 3.5) bruge ca. 1800 GJ brændsel i timen (1 GJ = 1000 MJ). For at producere den samme el-effekt skal kraftvarmeværket bruge ca. 2100 GJ - mindre jo lavere fjernvarmetemperaturen er. Fjernvarmeproduktionen bliver ca. 1200 GJ.
Ved at bruge 2100 - 1800 = 300 GJ mere brændsel opnår man på den måde, at sende ca.1200 GJ varme ud i fjernvarmenettet. Noget i retning af 20% af denne varme afgives af fjernvarmerørene til jorden. Tilbage bliver ca. 950 GJ, som afgives fra radiatorerne til rummene i husene. Hvis denne varme skulle produceres i olie- eller naturgasfyr, skulle der bruges ca. 1100 GJ brændsel. Det er næsten 4 gange mere end det ekstra brændselsforbrug på 300 GJ, der skal til for at producere varmen i kraftvarmeværket.
De fleste mindre decentrale kraftvarmeværker er naturgasfyrede gasmotor-værker. De fleste af gasmotorerne er firetakts stempelmotorer. De skal køles ligesom motoren i en bil. Med ekstra varme fra udstødningsgassen kommer kølevandstemperaturen op på over 80 grader, så den er høj nok til at man kan bruge radiatorene i de huse, der er tilkoblet kraftvarmeværkets fjernvarmenet, til at nedkøle kølevandet til ca. 40 grader, før det kommer tilbage til motoren. På den måde klarer man opvarmningen af husene uden noget ekstra brændselsforbrug.
FIGUR 8.1 KRAFTVARMEVÆRK (SAMMENLIGN MED KRAFTVÆRK, FIGUR 3.5)
Billedet viser et såkaldt kraftvarmeværk, her et dampturbine-kraftvarmeværk. Det virker på helt samme måde som det kraftværk, der er vist i figur 3.5, bortset fra, at det her er radiatorerne i huse i kraftværkets omegn i stedet for havvand, der sørger for at holde en kondensatortemperatur, der er meget lavere end temperaturen i dampkedlen. Man kan sige, at man i stedet for havvand bruger fjernvarme-radiator-kredsløbet til at køle kraftværket med. På den måde skal der ikke bruges ret meget brændsel til også at klare rumopvarmningen.
Hvis værket skal producere lige så meget el som det, der er vist i figur 3.5, bliver brændselsforbruget noget større (ca. +15%), fordi temperaturforskellen mellem dampkedlen og kondensatoren er mindre. Hvis der f.eks. skal produceres 720 GJ el i timen (en el-effekt på 200 MW), skal kraftværket (figur 3.5) bruge ca. 1800 GJ brændsel i timen (1 GJ = 1000 MJ). For at producere den samme el-effekt skal kraftvarmeværket bruge ca. 2100 GJ - mindre jo lavere fjernvarmetemperaturen er. Fjernvarmeproduktionen bliver ca. 1200 GJ.
Ved at bruge 2100 - 1800 = 300 GJ mere brændsel opnår man på den måde, at sende ca.1200 GJ varme ud i fjernvarmenettet. Noget i retning af 20% af denne varme afgives af fjernvarmerørene til jorden. Tilbage bliver ca. 950 GJ, som afgives fra radiatorerne til rummene i husene. Hvis denne varme skulle produceres i olie- eller naturgasfyr, skulle der bruges ca. 1100 GJ brændsel. Det er næsten 4 gange mere end det ekstra brændselsforbrug på 300 GJ, der skal til for at producere varmen i kraftvarmeværket.
De fleste mindre decentrale kraftvarmeværker er naturgasfyrede gasmotor-værker. De fleste af gasmotorerne er firetakts stempelmotorer. De skal køles ligesom motoren i en bil. Med ekstra varme fra udstødningsgassen kommer kølevandstemperaturen op på over 80 grader, så den er høj nok til at man kan bruge radiatorene i de huse, der er tilkoblet kraftvarmeværkets fjernvarmenet, til at nedkøle kølevandet til ca. 40 grader, før det kommer tilbage til motoren. På den måde klarer man opvarmningen af husene uden noget ekstra brændselsforbrug.
8.2 DAMPTURBINE-KRAFTVARMEVÆRKER
Merforbruget af brændsel i et dampturbine-kraftvarmeværk modsvares rigeligt af den brændselsbesparelse, der opnås, når opvarmning med individuelle olie- og/eller naturgasfyr erstattes med opvarmning med kølevand fra dampturbine-kraftvarmeværket.
Mod at bruge lidt mere brændsel end i kraftværket får man fjernet et meget større brændselsforbrug i individuelle olie- og/eller naturgasfyr.
Figur 8.1 viser princippet i et dampturbine-kraftvarmeværk. Forskellen mellem et dampturbine-kraftværk (figur 3.5) og et dampturbine-kraftvarmeværk er, at man i et kraftvarmeværk i stedet for havvand bruger vandkredsløbet gennem fjernvarmeledninger og centralvarmekredsløb i husene til at køle dampkondensatoren med.55 Da fjernvarmetemperaturen selvfølgelig skal være højere end havvandstemperaturen (den ligger på 80-100 grader i de nuværende fjernvarmeanlæg), bliver kondensatortemperaturen højere end i et kraftværk. Da temperaturforskellen mellem dampkedlen og kondensatoren således bliver mindre, får man mindre elektrisk kraft ud af det indfyrede brændsel. I de nuværende danske værker bliver el-produktionen formindsket med omkring 10% i forhold til et havvandskølet kraftværk, mindre jo lavere fjernvarmetemperaturen er. Man skal altså bruge lidt mere brændsel for at få den samme el-produktion.
Merforbruget af brændsel i dampturbine-kraftvarmeværket modsvares imidlertid rigeligt af den brændselsbesparelse, der opnås, når opvarmning med individuelle olieog/ eller naturgasfyr erstattes med opvarmning med kølevand fra dampturbine-kraftvarmeværket. Mod at bruge lidt mere brændsel end i kraftværket får man fjernet et meget større brændselsforbrug i individuelle olie- og/eller naturgasfyr.
FIGUR 8.2 KRAFTVARMEVÆRK MED VARMEPUMPE
I kraftvarmeværker kan man koble en stor, el-drevet varmepumpe til kraftmaskinen (her en gasmotor) på samme måde som vist i figur 7.3. Derved opnår man den fordel, at forholdet mellem el-produktionen og varmeproduktionen kan reguleres på en energi-effektiv måde. Det har man brug for at kunne i et energisystem, hvor der er så mange vindmøller og kraftvarmeværker, at den el, der bliver produceret en kold blæsende dag, overstiger den el-effekt, der er behov for.
Når man har investeret store beløb i vindmøller, skal de jo helst ikke standses, når der er god vind, bare fordi kraftvarmeværkerne, når det er koldt, kommer til at producere en masse el for at klare opvarmningen af de huse, der er tilkoblet deres fjernvarmenet.
Lad os sige, at et kraftvarmeværk med varmepumpe en dag skal klare en fjernvarmeproduktion på 200 GJ (200 000 MJ). Hvis hvis denne varme skal komme fra motorens kølekredsløb og udstødningsgas, kommer motoren til at producere 145 GJ = 40 MWh el. Hvis det blæser, kan det ske, at der ikke er behov for så meget el fra kraftvarmeværket. Så sættes varmepumpen i gang. Den bruger en del af den el, motoren producerer, og da den nu bidrager til fjernvarmeproduktionen, behøver motoren ikke at afgive så meget varme.
Hvis f.eks. el-produktionen til el-nettet skal halveres til 22 MWh, skal motorens el-produktion sættes ned fra 40 til 26 MWh, hvoraf 6 MWh bruges i varmepumpen. Så får man i alt den samme fjernvarmeproduktion på de 200 GJ. Motoren giver 130 GJ, varmepumpen 70 GJ. (Tallene afhænger af motorens el-nyttevirkning, varmepumpens effektivitet og udetemperaturen).
Man kan også i nogle timer standse motoren, og drive varmepumpen med el fra el-nettet. Så optræder kraftvarmeværket som el-forbruger i stedet for som el-producent.
Vi skal ikke her komme ind på de tekniske forhold i forbindelse med denne regulering. Det skal kun nævnes, at det i praksis er mindre heldigt, at køre en gasmotor på nedsat belastning. Den kører mest effektivt på fuld last. Derfor er det en fordel at fordele produktionen på flere motorer, så man kan stoppe og starte én eller flere motorer, i stedet for at lade én motor køre på dellast. Dette kan man opnå ved at samkøre produktionen i flere små kraftvarmeværker.
8.3 DECENTRALE STEMPELMOTORKRAFTVARMEVÆRKER
Når et fjernvarmeværk udskiftes med et decentralt kraftvarmeværk, sparer man i landets samlede energiregnskab hele fjernvarmeværkets brændselsforbrug.
De store dampturbine-kraftvarmeværker ved de store byer kaldes centrale kraftvarmeværker. I slutningen af 1980erne startede opførelsen af mindre og små kraftvarmeværker i provinsbyer og landsbyer, de såkaldte decentrale kraftvarmeværker. Dermed blev en betydelig del af elproduktionen decentraliseret: Den blev flyttet ud, hvor der er huse nok til at køle maskineriet i et mindre kraftværk.
I de fleste af de mindre decentrale kraftvarmeværker er maskineriet en gasmotor: en stor stempelmotor ligesom dem, der bruges i skibe. I disse motorer skal kølevandstemperaturen (ligesom i en bilmotor) være forholdsvist høj, omkring 80 grader. Man behøver altså ikke - som i dampturbine- kraftværker - at forøge kølevandstemperaturen for at kunne bruge radiatorerne i husene til at køle maskineriet. Og man kan få lidt ekstra varme ud i fjernvarmenettet ved at nedkøle den udstødningsgas (røggas), maskinen sender op gennem skorstenen.
I områder med disse decentrale kraftvarmeværker får man således varme i radiatorerne uden noget ekstra brændselsforbrug. Der skal jo produceres elektrisk kraft, og så er man er jo nødt til at køle maskinerne. Og det klarer man så med radiatorerne og til dels med fjernvarmerørene, der afgiver en del varme til jorden.
Også her skal det bemærkes, at de nyttevirkningstal, der beregnes ud fra de almindelige energibalanceregnskaber, er misvisende. I et almindeligt fjernvarmeværk med en naturgasfyret kedel, omsættes op til 100% af naturgassens energi (brændværdi) til energi i form af varmt vand i fjernvarmerørene. Så siger man, at fjernvarmeværkets nyttevirkning er omtrent 100%. Men i et almindeligt decentralt gasmotor-kraftvarmeværk kommer ca. 40% af naturgassens energi ud i form af elektrisk kraft og ca. 60% ud i form af varme. Det giver også en nyttevirkning på 100%. Og så kunne man jo tro, at kraftvarmeværket hverken er bedre eller dårligere end fjernvarmeværket. Men det passer åbenbart ikke. For landets samlede brændselsforbrug til el-produktion forøges ikke ved at flytte en del af produktionen ud i decentrale kraftvarmeværker.56 Det vil sige, at når et fjernvarmeværk udskiftes med et decentralt kraftvarmeværk, sparer man i landets samlede energiregnskab hele fjernvarmeværkets brændselsforbrug. Derfor er det åbenbart vildledende at sige, at man har samme nytte af fjernvarmeværket som af kraftvarmeværket.
Hvis et kraftvarmeværk udstyres med et varmepumpeanlæg (se afsnit 7.2), kan man som vist i figur 8.2 regulere værkets el-produktion i forhold til dets varmeproduktion. Det er en fordel i et energisystem med en stor varierende el-produktion i vindmøller. Med et sådant motor-varmepumpeanlæg kan man uden nogen el-produktion få den samme fjernvarmeproduktion som i et fjernvarmeværk med det halve brændselsforbrug.
Hvis gasmotoren udskiftes med et høj-temperatur brændselscelleanlæg (se nedenfor) bliver brændselsforbruget endnu mindre.
8.4 BRÆNDSELSCELLER
Brændselsceller er en fællesbetegnelse for mange forskellige typer af apparater, hvori kemisk uligevægt mellem et brændstof og luftens ilt udnyttes til at frembringe elektrisk kraft ad elektro-kemisk vej. En brændselscelle har ingen bevægelige dele. Den har form som en plade, der indeholder en elektrolyt og i nogle tilfælde en protonmembran eller en katalysator. Brændselsceller kan fremstilles i små og store størrelser og flere celler kan sættes sammen til et større kraftværk.
Ligesom i et batteri eller en akkumulator frembringes den elektriske strøm i en elektro-kemisk proces, hvorunder elektroner frigives ved den ene pol (den såkaldte anode) og gennem et elektrisk kredsløb vandrer til den anden pol (den såkaldte katode), se figur 8.4. Forskellen er, at et batteri eller en akkumulator skal lades op, for senere at kunne give strøm, medens en brændselscelle hele tiden skal have tilført brændstof til den ene pol (anoden) og ilt til den anden pol (katoden). Slutresultatet af processen er, at ilt og brint forener sig ved katoden og bliver til vand, idet den kemiske uligevægt mellem brændstoffet og ilten udløses i en elektrisk spændingsforskel.
Nogle brændselsceller bruger brint som brændstof (figur 8.4), andre bruger methanol (træsprit). Brint kan fremstilles på mange måder: Ved elektrolyse af vand (se figur 8.3), ved spaltning af naturgas, ved ophedning af kul og vand, m.fl. Methanol kan fremstilles af kultveilte (CO2) og brint eller kultveilte og naturgas.
Nogle brændselsceller virker ved meget høje temperaturer (omkring 900 grader). Ved at lade dem indgå i et kredsløb med en gasturbine57 kan man opnå en meget høj effektivitet (el-virkningsgrad ca. 65%)58 for det samlede anlæg. Sådanne brændselscelle-gasturbineanlæg vil være velegnede til brug i decentrale kraftvarmeværker og som mindre kraftvarmeanlæg i huse i naturgasforsynede områder.
Andre brændselsceller virker ved lave temperaturer (under 100 grader). Med brint eller methanol som brændstof er de velegnede til brug i biler og busser. Men deres effektivitet kommer ikke meget over ca. 40%. Nu skal strømmen fra brændselscellen gennem en spændingsomformer og en elmotor før kraften når frem til hjulene, og undervejs skal en del bruges til opladning af et batteri, der tjener som en stødpude til udjævning af brændselscellens el-produktion, så den ikke skal køre op og ned, når der skiftevis trædes på speederen og bremsen. I alle disse dele sker der et tab af elektrisk kraft. Effektiviteten af det samlede fremdriftssystem kommer derfor ned på ca. 30%. Det er godt og vel 50% mere end effektiviteten af fremdriftssystemet i en bil med en almindelig benzinmotor årgang 2005.
En mellemting mellem en lav-temperatur brændselscelle og et batteri er under udvikling i Kina.59 Denne “brændselscelle” bruger en zink-plade som “brændsel”. I princippet sker der i en sådan brændselscelle det samme, som når man skruer zink-klodser på bunden af skibe for at undgå at galvanisk strøm æder andre metaldele. Den elektriske strøm frembringes ved, at zinken afgiver elektroner og bliver oxyderet til zinkoxyd ved optagelse af ilt fra luften. Når en zinkplade er blevet omdannet til zinkoxyd, bliver den udskiftet med en anden zinkplade, der er fremstillet af zinkoxyd fra brugte plader. På den måde genbruges zinken. Til genoparbejdningen af zinkpladerne fra zinkoxyd bruges elektrisk strøm ligesom ved brintfremstilling ved elektrolyse af vand. Zink-brændselscellen virker således i princippet på samme måde som en brint-brændselscelle med brint, der er fremstillet ved elektrolyse af vand. Men zink er meget lettere at håndtere end brint.
FIGUR 8.3 ELEKTROLYSE: BRINT OG ILT AF VAND
KNALDGAS-FORSØGET
Vand er noget af det mest stabile man har. De to brintatomer (H2) og det iltatom (O), et vandmolekyle (H2O) består af, hænger godt sammen i et solidt ægteskab, uden andre atomers indblanding i parforholdet. Heldigvis, for hvis et vandmolekyle ikke blev ved at være et vandmolekyle, men enten blev splittet ad eller optog andre atomer, ville livet, som vi kender det, aldrig være blevet til noget.
Men mennesker har selvfølgelig fundet ud af, at man med vold og magt i form af elektrisk strøm kan splitte vandmolekylerne ad. Med elektricitet fra el-nettet er det meget nemt. Man behøver kun en omformer fra vekselstrøm til jævnstrøm, en balje vand og to store søm. Sømmene virker som elektroder. Det ene er den såkaldte anode, det andet er den såkaldte katode. (I industrielle elektrolyseanlæg opnås en større effektivitet med mere kompliceret elektro-kemisk teknologi).
Et molekyle består af atomkerner omgivet af negativt ladede elektroner (e- ). I et vandmolekyle er de to brintatomer og iltatomet fælles om to elektroner. Det er det fællesskab, der holder dem sammen.
Elektrisk strøm er en strøm af elektroner gennem en elektrisk ledning eller et andet ledende materiale som de to søm. Strømmen drives af en spændingsforskel, der frembringes i kraftværker og vindmøller.
Man kan forestille sig spændingsforskellen som et "overtryk" af elektroner ved den ene pol (anoden) og et "undertryk" ved den anden pol (katoden), sådan at elektronerne suges rundt fra anoden gennem ledningen og omformeren til katoden - hvis de altså kan slippe igennem vandet. Det kan de, fordi "elektronsuget" splitter vandmolekylerne ad. Iltatomet snupper de to elektroner i molekyle-fællesskabet (bliver til O - - ) og suges over til anoden, hvor det afleverer dem, forener sig med et andet iltatom, og bliver til et almindeligt iltmolekyle. Brintmolekylet mangler nu de to elektroner, som iltatomet har snuppet (det bliver til 2H+ ). Elektronerne er blevet suget over til katoden, så brintatomet må derhen og hente dem. Det optager dem, og bliver til et almindeligt brintmolekyle.
Denne proces kan man se ved, at der bobler brint op ved katoden og ilt ved anoden.
Det er nemt at genforene brint- og iltmolekylerne til vand. Man kan bare sætte en tændstik til blandingen. Men man kan også gøre det på en sådan måde, at man får noget af den elektriske kraft, der er blevet brugt til at splitte dem ad, tilbage. Men det er ikke så nemt. Se figur 8.4.
FIGUR 8.4 BRINT-ILT-BRÆNDSELSCELLER
I en brændselscelle sker der det omvendte af det, der sker i et elektrolyseanlæg (se figur 8.3). Elektrolyseanlægget bruger strøm. Brændselscellen producerer strøm.
Brint- og iltatomer vil gerne genforenes i vandmolekyler (2H2 + O2 > 2H2O). Så gerne, at de ved genforeningen udløser en masse energi. Hvis de får frit løb, kan de slet ikke styre sig. Det kan man høre i det knald, det giver, når man sætter en tændstik til en blanding af ilt og brint. Hvis man kan holde styr på dem, så genforeningen sker under ordnede forhold, kan man i stedet for et knald få dem til at afgive energien som en elektrisk strøm. Sådanne ordnede forhold skaber man i en brændselscelle.
I elektrolyseapparatet (figur 8.3) er det en elektrisk spændingsforskel, frembragt af kraftværker og vindmøller, der så at sige suger elektroner fra vandmolekylerne, så de mister deres sammenhængskraft og splittes i brint og ilt. I brændselscellen er det omvendt. Her er det de adskilte brint- og iltmolekyler, der ved genforening til vand frembringer en elektrisk spændingsforskel, som driver en elektrisk strøm (en elektronstrøm). Det vil sige, at brændselscellen virker som et kraftværk.
Figuren er et meget, meget forenklet billede af processen. Den viser kun det grundlæggende princip. Kunsten er at få brintmolekylerne ved anoden til i al stilhed at afgive elektroner og derpå vandre over til katoden. Der mødes de med iltmolekylerne. De slår sig sammen til vandmolekyler, idet de i fællesskab optager de elektroner, der har været turen rundt i det elektriske kredsløb. Det er her, spændingen opstår. Tiltrækningen mellem de brintatomer, der mangler en elektron, og iltmolekylerne er så stor, at de suger de elektroner til sig, som de skal bruge for at blive genforenede. På den måde "suges " elektronerne gennem kredsløbet, så der kommer lys i lampen og sød musik opstår, hvis der også er sluttet et musikanlæg til.
Problemet er, at det ikke er så let at få brintmolekylerne til at afgive deres elektroner og vandre over til katoden. Det kræver en indviklet konstruktion med membraner, katalysatorer og en passende elektrolyt.
8.5 MINI-KRAFTVARMEVÆRKER TIL NATURGASFORSYNEDE HUSE
I naturgasforsynede områder kan man få meget mere ud af naturgassen ved at bruge den i små gasmotorer eller brændselsceller i de enkelte huse. Små naturgasfyrede stempelmotor- kraftvarmeværker til erstatning af individuelle naturgasfyr er allerede på markedet. I fremtiden bliver naturgasdrevne brændselsceller måske så billige, at de med fordel kan erstatte stempelmotorer. Ligesom decentrale kraftvarmeværker kan mini-kraftvarmeværker udstyres med varmepumper, så det bliver muligt at regulere deres el-produktion i forhold til deres varmeproduktion (se figur 8.2).
Nogle forestiller sig, at man i et fremtidigt “brintsamfund” kan have små brintdrevne brændselscelle-kraftvarmeværker. Men hvis der i det danske energisystem bruges elektrisk kraft til at fremstille brint ved elektrolyse (se figur 8.3), og der findes et brint-distributionssystem, er det en besynderlig fremgangsmåde først at bruge elektrisk kraft til brintfremstilling og derefter bruge brinten til at producere elektrisk kraft i brændselsceller - også når kølevarmen fra brændselscellerne bruges til rumopvarmning. Det man opnår, er et dyrt, tabsgivende el-brint-el-kredsløb, der kaster noget varme af sig.
Argumenter for en sådan fremgangsmåde går på, at “brint er fremtidens energibærer”, og at man ved at “lagre elektricitet i form af brint” kan regulere el-forsyningen i takt med det varierende forbrug, selvom en stor del af el-produktionen sker i vindmøller med en stadigt varierende produktion. Men det forudsætter, at brinten kan lagres. Og hvis det kan lade sig gøre på en rimeligt billig og håndterlig måde, skal brinten bruges i biler og busser. Det er dér, der er brug for drivmidler, efterhånden som olieforbruget nedbringes. Der er ingen grund til at lave dyre, tabsgivende el-brint-el-kredsløb til elregulering og varmeforsyning. Det kan gøres meget billigere og mere effektivt med varmepumper og varmelagre.
| < Om at spilde mindre hen ad vejen | Indholdsfortegnelse | Drivkraft til transportmidler > |
0 kommentar(er) · 12308 fremvisninger
Kommentarer
Der er ikke skrevet kommentarer til denne artikel.
Deltag aktivt i debatten om artiklen Kraft- og kraftvarmeværker:
Lignende indhold
| Artikler |
| De centrale kraftvarmeanlæg |
| Industrielle kraftvarmeanlæg |
| Decentrale kraftvarmeanlæg vinder frem |
| Nyheder | Dato |
| Norge starter verdens første osmotiske kraftværk | 26-11-2009 08:45 |
| Thorium-kraft ikke svaret på den globale opvarmning | 14-10-2008 07:04 |
| Debatter | Svar | Seneste indlæg |
| Køletårne på danske kraftværker? | 8 | 24-02-2014 16:54 |
| Omstilling af Kraftvarmeværker | 286 | 02-02-2013 19:14 |
| A-kraft og CO2 | 35 | 29-11-2012 23:57 |