sou · GRB338d3 · 2004-01-01 00:00:00 — För att upprätthålla de säkra produktionsförhål- landena tillförs en sekundär råvara i reaktorn. Vid denna till- försel sker det första utbytet av produkt. Den primära råvaran till- sätts åter ett stycke in i reaktorn. Vid detta steg tar den termiska omvandlingen fart, och merparten av den tillförda energimängden omvandlas till kimrök. Kimrök, principschema över tillverkningsprocessen NOx, SO2, Stoft Källa: Kemikontoret och . B 4.2.11 Framställning av elenergi Produktion av elenergi sker i vattenkraftverk och vindkraftverk genom att man utnyttjar lägesenergin (gravitationsenergin) i vat- tendrag och luftens rörelsenergi, eller i värmekraftverk genom att utnyttja den kemiska energin i bränslen (kol, olja, naturgas, biobränsle, torv etc.) eller kärnenergin i uran (kärnkraft). De vanligaste värmekraftverken är kondenskraftverk, kraftvärmeverk, mottryckskraftverk, gasturbiner och motorer. I ett kondenskraftverk omvandlas den kemiska energin i bräns- let, vanligtvis kol, först till värmeenergi som tillförs vatten som då blir till ånga. Vattenångan driver en ångturbin (en eller flera) som sedan driver en elektrisk generator. Efter det att ångan passerat turbinen kyls den i en kondensor, en värmeväxlare, och återgår därefter till vatten. I ett modernt kol eller oljeeldat kondenskraft- verk omvandlas av den kemiska energin till elektrisk energi. Resten blir värmeenergi som till slut går förlorad i sjö- eller havsvatten, eller i utomhusluften. Man kombinerar ibland elproduktion med hetvattenproduktion (fjärrvärme) och kan på det sättet nyttiggöra en del av den värmeenergi som bildas i ett Ett sådant verk kallas kraftvärmeverk. av bränsleenergin kan då nyttiggöras. När man använder naturgas som bränsle för produktion av elekt- risk energi använder man numera oftast en kombination av gastur- biner och ångturbiner. Förbränningen sker i en gasturbin som driver en elektrisk generator. Den värmeenergi som finns kvar i rökgaserna efter att de passerat gasturbinen används sedan för att producera ånga som driver en ångturbin som, i sin tur, driver en elektrisk generator. På det sättet kan man krama ut mer elektrisk energi ur den kemiska energin i naturgasen. I ett modernt naturgaskombikraft- verk omvandlas av den kemiska energin i natur- gasen till elektrisk energi. Vid produktion av elektrisk energi omvandlas alltså en del av den kemiska energin i bränslet till elektrisk energi. Hur stor del beror på vilken typ av kraftverk man använder. I ett koleldat kondens- kraftverk går det åt ca kol, i ett oljeeldat verk ca olja och i ett naturgaseldat gaskombiverk ca naturgas för att producera 1 kWh elenergi. Vad är energi? Begreppet energi är ett allmänt fysikaliskt begrepp som är väl defi- nierat. Energi finns i flera former. En grundläggande egenskap hos energi är att den varken kan skapas eller förstöras, den är . Vad som kan hända är att energin övergår från en form till en annan. Av det faktum att energin är följer att energi i sig inte kan beskattas. Det som i praktiken beskattas är energiomvand- ling, dvs. omvandling av energi från en form till en annan. Nedan följer en kort översikt över olika former av energi. I vetenskapliga sammanhang mäts ofta energi i Joule (J). Med effekt menas energi per tidsenhet. Effekt mäts i Watt (W, 1 W =1 Joule ). I kommersiella sammanhang mäts energi ofta i kilowattimmar (kWh). 1 kWh = 3 600 = 3,6 MJ En grundläggande form av energi är rörelseenergi. Den är relaterad till hastigheten hos ett föremål. Ju högre hastighet ett föremål har och ju större dess massa är, desto högre är dess rörelseenergi. 16 Detta avsnitt bygger i sin helhet på Tentum:s rapport till kommittén. SOU 2003:38 Bilaga 4 Ett föremål på som har en hastighet har alltså en rörelseenergi på ½ Joule. Värmeenergi är rörelseenergin hos atomer och molekyler när dessa rör sig slumpmässigt fram och tillbaka i en gas, en vätska eller ett fast föremål. Värmeenergi finns exempelvis i en kastrull med hett vatten där vattenmolekylerna rör sig fram och tillbaka. Värmeenergi är relaterad till temperaturen hos ett föremål. Ju högre temperaturen är, desto större är värmeenergin. En kommer- siell form av värmeenergi är fjärrvärme. Kroppar attraherar varandra med gravitationskraft. Det är den kraften som verkar mellan solen och jorden, mellan jorden och månen och som gör att ett föremål faller mot marken. Ju högre upp från jordytan, desto större är gravitationsenergin. När ett föremål faller mot marken omvandlas gravitationsenergin till rörelseenergi i takt med att hastigheten ökar under fallet. Gravitationsenergi kallas också lägesenergi. Produktion av elektrisk energi i ett vattenkraftverk utnyttjar gravitationsenergin hos vattnet i vattenmagasinet. Gravitations- energin i vattenmagasinet omvandlas till elektrisk energi. En annan grundläggande form av energi är elektrisk energi. Den finns hos en grupp av flera elektriskt laddade föremål, exempelvis elektrisk laddade atomer. Den tar sig uttryck i att föremålen attra- herar (olika laddning) eller repellerar (lika laddning) varandra. är elektriska krafter som håller samman atomerna i en molekyl och i fasta ämnen. Elektrisk energi finns också i ljus och annan elektrisk strålning. Kemisk energi är en form av elektrisk energi. Här finns energin i atomernas gruppering i molekyler som hålls samman av elektriska krafter. Kemisk energi anges som förändring av den elektriska energin när ett material övergår från en form till en annan, dvs. när atomerna omgrupperas. I energisammanhang är det framförallt den kemiska energin hos kol och olika kolväteföreningar, som exempelvis olja, som är av intresse. Dessa är lämpliga som bränslen eftersom de vid förbrän- ning i syre utvecklar mycket värmeenergi. Den kemiska energin i bränslet omvandlas vid förbränning till värmeenergi. Även ämnen av samma slag kan ha olika kemisk energi. Vatten- ånga har högre kemisk energi än flytande vatten beroende på att väte- och syreatomerna är grupperade på olika sätt. På motsvarande sätt är is och vatten olika kemiska ämnen. För fullständighets skull kan också nämnas att fasta ämnen med samma atomära sammansättning kan ha olika kemisk energi bero- ende på att atomerna är grupperade på olika sätt. Kol är ett exem- pel. Rent kol finns i form av grafit och diamant som har olika kemisk energi. Elektrisk energi finns också i form av vad man kan kalla tryck- energi. Det är den energi som uppstår när man komprimerar en gas. I en förbränningsmotor omvandlas en del av den kemiska energin till värmeenergi i motorcylindern medan en del omvandlas till tryckenergi. Det är denna tryckenergi som driver motorkolven, som i sin tur via vevaxeln driver hjulen runt. Tryckenergi utnyttjas också i pneumatiska maskiner, exempelvis bergborrar, och hydrauliska maskiner, exempelvis grävskopor. Ytterligare en grundläggande form av energi är kärnenergi. Den liknar elektrisk energi men är starkare och verkar inuti atomkär- norna. I ett kärnkraftverk omvandlas kärnenergin i uran till värme- energi som i sin tur omvandlas till elektrisk energi. Mängden energi (antalet Joule eller kilowattimmar) är inte alltid något bra mått på hur användbar energin är. Det kan illustreras av följande exempel. Energimängden hos vatten är 1 kWh. Det är ungefär samma mängd elektrisk energi som åtgår för att koka ett kilo potatis i en potatiskokare. Det är uppenbart att 1 kWh elektrisk energi är mer användbar än 50-gradigt vatten om man skall koka potatis även om energimängden är densamma i båda fallen. De former av energi som har störst praktisk användbarhet är som regel elektrisk energi och kemisk energi (exempelvis i ett bränsle). Både el och bränsle kan användas för drift av motorer, för belysning och för uppvärmning till hög temperatur. Värmeenergi vid låg temperatur, , kan däremot sällan användas för något annat ändamål än uppvärmning till låg tempera- tur. För värmeenergi gäller att den är mindre användbar ju lägre temperatur det varma föremålet har. Värmeenergi som finns vid temperatur nära utomhustemperaturen kan i praktiken nästan aldrig användas för något nyttigt ändamål. Vart tar energin vägen till slut? Eftersom energin är måste den kemiska energi man utnyttjar när man eldar ett bränsle ta vägen någonstans. Till allra största delen omvandlas den kemiska energin i bränslen till värme av låg temperatur. Detta gäller också när man använder elektrisk energi. När man värmer ett hus genom att elda olja eller genom elvärme omvandlas energin till värmeenergi i inomhusluften. Denna värme läcker ut till utomhusluften och har därmed blivit oanvändbar för något nyttigt ändamål. När elenergi används för belysning i lampor omvandlas större delen av energin till värmeenergi i lampan och en mindre del till ljusenergi. Även ljusenergin omvandlas snart till värmeenergi. Värmeenergin kan komma till nytta genom att den bidrar till upp- värmning av inomhusluften och därmed minskar behovet att annan uppvärmning. Men till slut läcker också denna energi ut till utom- husluften och blir oanvändbar. Samma sak händer i princip när man använder elenergi för att driva en elektrisk motor i exempelvis en fläkt. Fläkten sätter luften i rörelse. Genom friktion ombildas rörelseenergin i luften till vär- meenergi som läcker ut till utomhusluften och därmed blir oan- vändbar. Elenergi som används för att driva en elektrisk motor i exempel- vis en svarv eller såg i en verkstad omvandlas till värmeenergi i det svarvade eller sågade ämnet som upphettas. Samma sak gäller för all användning av el i nästan alla elektriska motorer även om den vär- meenergi som bildas ibland bidrar till att minska behovet av annan uppvärmning i en lokal. När man förbränner bensin i en bilmotor omvandlas den kemi- ska energin först till värmeenergi och tryckenergi i motorcylindern och sedan till mekanisk energi som driver hjulen. All kemisk energi i bensin omvandlas emellertid till slut till värme i omgivningsluften. Den största delen försvinner genast via avgaserna, resten genom att däcken värms och genom dem uppvärms vägbanan och luften. Den allra största delen av den värme som bildas vid förbränning blir alltså till slut spillvärme. Undantagen gäller när bränsle eller elenergi används för att omvandla ett kemiskt ämne till ett annat. Med förbränning menas att ett ämne reagerar med syrgas, oftast den syrgas som finns i luften, under utveckling av värme. Förbrän- ning innebär alltså att den kemiska energin i ett ämne genom reak- tion med luftens syre omvandlas till värmeenergi. Med bränsle menas ämnen, främst kol och kolväten, dvs. material som är rika på kol eller väte och som vid förbränning i syre ger mycket värmeenergi. Naturgas, olja i olika former, kol, ved och andra växtmaterial är exempel på material som är rika på kolväten. När kol och väte kombineras med syre utvecklas värme. Vid förbränning i syre kombineras syret (O) med vätet (H) och kolet (C) i bränslet och bildar vatten (H2O) och koldioxid (CO2). Vattnet i form av ånga och koldioxiden utgör rökgas. Den kemiska energin i bränslet omvandlas till värmeenergi i rökgasen. Eftersom de flesta bränslen innehåller andra beståndsdelar än kol och väte bildas också andra kemiska ämnen som avgår i rökgaserna eller bildar aska. På grund av att luft förutom syre också innehåller kväve bildas vid förbränning även kväveföreningar som avgår i rök- gaserna. Sammansättningen av de vanliga bränslena framgår av följande tabell. Proportion atomer (ungefär) Väte (H) Kol (C) Det som gör att just ämnen som innehåller kol och väte används som bränslen är att de finns naturligt lagrade i jordskorpan som fossil av gamla växter och djur. I princip finns emellertid många andra material som kan beteck- nas som bränslen. Alla ämnen som brinner i syre under värmeut- veckling kan i princip användas som bränslen. Många metaller, exempelvis järn och aluminium, brinner i syre under värmeutveck- ling och kan därför i princip användas som bränslen. Anledningen till att så inte sker är att rena metaller inte finns naturligt lagrade i naturen i någon stor mängd. De finns som regel naturligt före- kommande bara som metalloxider och kan därför inte oxideras ytterligare. Hetvatten används för uppvärmning. I hetvatten utgörs energin av värmeenergi. Ånga används också för uppvärmning och för att driva ångturbiner, exempelvis vid generering av elektrisk energi i ett kraftverk. I ånga utgörs energin av värmeenergi och kemisk energi. Energin i ångan kan också utgöras av tryckenergi som är fallet i en ångmaskin. Den elenergi som genereras i kraftverk leds via elektriska ledningar till elkonsumenterna som använder den för drift av motorer, för belysning och för uppvärmning. Den elektriska energin som gene- reras i kraftverk är egentligen igen energiform utan en distribu- tionsform. Elenergin finns inte lagrad någonstans utan genereras som den används. Den energiomvandlingsprocess där den största mängden energi används är uppvärmning17. Syftet med uppvärmning är att höja temperaturen hos ett föremål till någon viss nivå. Större delen av bränslena och de andra energivarorna används i uppvärmningssyfte. Uppvärmning av lokaler och tappvarmvatten När det gäller lokaluppvärmning och tappvattenuppvärmning är det temperaturen i inomhusluften och tappvarmvattensystemet som skall upprätthållas på en viss nivå. Det är fråga om ganska låga temperaturnivåer, runt 20 respektive . När man använder bränslen för uppvärmning går processen i följande steg: Bränslet förbränns i en panna i luftens syre varvid den kemiska energin i kolväte omvandlas till värmeenergi i rökga- serna. Värmeenergin i rökgaserna överförs sedan direkt eller indi- rekt till det föremål som skall värmas. 17 Den naturliga energiomvandling på jorden som genereras genom solinstrålningen är mycket större än den mänskliga som sker genom förbränning av bränslen. När det gäller uppvärmning av inomhusluft används de heta rök- gaserna antingen för att värma luften direkt (kamin) eller för att värma vatten (ofta till ) som sedan används för att värma luften via en värmeväxlare (element). Samma princip gäller för fjärrvärme där det upphettade vattnet distribueras via rörledning. För att man inte skall förlora så mycket värmeenergi i hetvatten vid distributionen genom en lång ledning upphettas vattnet i ett fjärrvärmeverk till strax . används ånga för uppvärmning. I stället för hetvatten pro- duceras då ånga i pannan som sedan används för uppvärmning. Uppvärmning med elenergi går till så att elektrisk ström leds genom en metalltråd (motståndstråd) som därvid upphettas. Värmeenergin i metalltråden överförs sedan antingen direkt till luften i lokalen (direktelvärme) eller indirekt via ett system med vattenradiatorer. Uppvärmning innebär att den kemiska energin i ett bränsle eller den elektriska energin omvandlas till värmeenergi hos inomhusluft, tappvarmvatten eller ämnen i en tillverkningsprocess. Denna värmeenergi går efterhand förlorad genom att den sprids till utom- husluften. Uppvärmning i en tillverkningsprocess I industriell tillverkning är uppvärmning en vanlig process. I exem- pelvis en smedja eller ett valsverk uppvärms ämnet till en tempera- tur så att ämnet blir smidbart eller valsbart. I ett gjuteri uppvärms metallen tills den smälter och blir så flytande att den kan hällas i gjutformen. I ett järnverk (masugn) värms den ingående malm-, koksblandningen till den temperatur som fordras för att den kemiska processen mellan malmen och koksen skall starta. I flera typer av kemisk industri uppvärms på liknande sätt råmaterial för att höja temperaturen till en viss nivå som fordras för att en viss kemisk process skall äga rum. Uppvärmningen sker här ofta genom att man förbränner ett bränsle och låter de heta rökgaserna direkt upphetta ämnet. Den kan också ske med elektrisk energi, exempelvis genom att leda en ström genom ämnen, genom så kallad induktion eller genom elek- tromagnetisk strålning, som i en mikrovågsugn. I pappersindustrin uppvärms pappersmassan för att det kvarva- rande vattnet skall förångas. Uppvärmning för att torka material är överhuvudtaget en vanlig industriell process. Här används ofta ånga för att upphetta det material som torkas. Den energi som används för uppvärmning går till slut förlorad till utomhusluften. Formning och sammansättning av material är vanliga typer av ope- rationer i industrin. De sker genom pressning av plåt, stansning, gjutning, sågning, borrning, fräsning, svarvning, svetsning, bult- ning, nitning m.m. Till allra största delen används elektrisk energi för att driva dessa operationer. Den energi som tillförs i operationerna omvandlas snabbt till värmeenergi, först hos det bearbetade ämnet som uppvärms och sedan till omgivningen när ämnen svalnar. Denna värmeenergi kommer ibland till nytta genom att den bidrar till uppvärmning av inomhusluften och därmed minskar energianvändningen i lokal- uppvärmningssystemet i en anläggning. Till slut försvinner i stort sett all energi som sätts in i de aktuella operationerna till utom- husluften och blir oanvändbar för något nyttigt ändamål. En ganska stor del av den elektriska energin i industrin och i kom- mersiella lokaler går till drift av pumpar och fläktar. Ändamålet är oftast att transportera vätskor och luft i rör och trummor och ven- tilera bostäder och lokaler. Den elektriska energin omvandlas först till tryckenergi och värmeenergi i den komprimerade luften och sedan efterhand helt till värmeenergi som till sluts sprids till utom- husluften och blir oanvändbar. Som redan nämnts gäller samma sak för elenergi som används för belysning. Den insatta elenergin omvandlas till ljusenergi och vär- meenergi som kan bidra till att minska behovet av annan uppvärm- ningsenergi. Till slut går energin förlorad till utomhusluften. En stor del av industriell verksamhet bygger på kemiska processer. Råmaterial som finns tillgängliga i jordskorpan, i luften eller i vat- ten används för att tillverka nya kemiska ämnen. De vanligaste råmaterialen är av olika slag liksom kol, råolja, naturgas, svavel, växter, djur, salter, luft och vatten. Från dessa råvaror till- verkas mer än 10 000 olika kemiska ämnen. I tabellen nedan ges några exempel. Växtsocker omvandlas till etylalkohol Metallmalm (metalloxid) befrias från syret med hjälp av elenergi genom elektrolys och ger ren metall Bensin och andra olje- Råolja (blandning av en mängd olika kolväten) separeras i sina olika kemiska beståndsdelar (kolväten) och omvandlas till nya kolväten Kalksten omvandlas till bränd kalk Trä omvandlas till cellulosa Kalksten och lera omvandlas till cement Järnmalm (järnoxid) befrias från syret med hjälp av kol och omvandlas till (nästan) rent järn Råvaran kan vara naturgas (CH4) och kväve (N2) i luften som omvandlas till ammoniumnitrat En del av kolvätena från råolja omvandlas vidare till olika typer av plaster med olika egenskaper Gemensamt för kemiska processer är att ett ämne omvandlas till ett annat ämne med en annan kemisk sammansättning. Ett enkelt exempel är skolkemins experiment där man från vatten framställer syrgas och vätgas genom att leda en ström genom vatt- net. I processen sönderdelas vattenmolekylerna (H2O) till syre- molekyler (O2) och vätemolekyler (H2). Förbränning av kol är ett annat enkelt exempel på en kemisk process. Här är kol (C) och syre (O2) de ingående ämnena. För- bränning innebär att atomerna slås ihop och bildar koldioxid (CO2), som är det utgående ämnet. Endoterma och exoterma processer Kemiska processer kan antingen vara endoterma eller exoterma. Vid exoterma processer bildas värme i processen. Förbränning av kol i syre är exempel på en exoterm process. Den kemiska energin hos den bildade koldioxiden är mindre än den kemiska energin hos det ingående kolet och syret. Detta överskott av kemisk energi omvandlas i processen till värmeenergi i koldioxiden som får hög temperatur efter förbränningen. C + O2 CO2 + värme Förbränning av andra bränslen än kol sker enligt samma princip. De flesta bränslen består av kol och väteatomer. Vid förbränning slås kolatomerna samman med syreatomerna och bildar koldioxid. Väteatomerna slås ihop med syreatomer och bildar vatten. I princip sker all förbränning av kolväten (CH) enligt följande schema: CH + O2 CO2 + H2O + värme För att denna och många andra exoterma processer skall starta fordras ofta att temperaturen hos den ingående kemiska bland- ningen först upphettas lokalt, exempelvis genom man tänder på blandningen. När väl sedan processen startat upprätthåller den sig själv genom den värmeenergi som skapas i processen. kol ger vid förbränning knappt 10 kWh värme. Olja, naturgas och andra kolväten ger ofta drygt 10 kWh värmeenergi per kilo bränsle. I endoterma processer är det tvärtom. Man måste tillföra energi för att den kemiska processen skall äga rum. Tillverkning av vätgas är ett enkelt exempel på en endoterm process. Tillverkningen kan som i skolkemin ske elektrolytiskt genom att leda ström genom vatten. Schemat ser ut så här: 2 H 2O + elektrisk energi O2 + 2 H 2 Den elektriska energi som tillförs processen omvandlas till kemisk energi i syret och vätet som produceras. Det innebär att den energi som man sätter in i en endoterm process inte förbrukas utan omvandlas till kemisk energi i de kemiska ämnen som produceras i processen.