Energian varastointi ja uudet energialähteet

Transkriptio

1 Energian varastointi ja uudet energialähteet Fossiiliset polttoaineet, entropia 1

2 Fossiilisten polttoaineiden jaottelu Raakaöljy Vedyn ja hiilen yhdisteet Öljyliuske Öljyhiekka Maakaasu Kivihiili 2

3 Öljyvarat ovat voimakkaasti keskittyneitä 3

4 Öljyvarat ovat voimakkaasti keskittyneitä Suomen energian kokonaiskulutuksesta katettiin vuonna 2010 öljyllä 24.5 %. Sähkön tuotannossa öljyn osuus oli noin 1 %. 4

5 Kuinka kauan öljyvarannot riittävät? Epätaloudellisia öljyvarantoja (öljyliuske ja hiekka) arvioidaan yleisesti olevan lähes kolminkertainen määrä taloudellisiin varantoihin nähden. 5

6 Öljyn jalostus Raakaöljy höyrystetään ja kuumennetaan n C:een ja johdetaan ns. tislauskolonniin. Höyry kondensoituu eri lämpötiloissa erilaisiksi lopputuotteiksi. Jalostuskapasiteetti vastaa suurin piirtein kulutustarvetta. 6

7 Mitä muuta voi saada sellaisesta raakaöljymäärästä, josta jalostuksen kautta 100 litraa bensiiniä 1000 kilometriä 7

8 Jalostuksen kautta lopputuotteiksi 21 polyesteripaitaa 6 jätetynnyriä 160 metriä muoviputkea 8

9 Jalostuksen kautta lopputuotteiksi 21 villapaitaa 4 koria kaljaa. kaljakoria 9

10 Jalostuksen kautta lopputuotteiksi 1 auton rengas 13 polkupyörän ulkorengasta 17 polkupyörän sisärengasta 10

11 Jalostuksen kautta lopputuotteiksi 200 paria sukkahousuja 11

12 Euroopan maakaasuverkosto Suurimmat tuottajat: Venäjä Iso-Britannia Alankomaat Norja 12

13 Kaasu tulee Suomeen Venäjältä Suomella ei ole omia maakaasuvaroja. Suomessa käytetty kaasu tulee Länsi- Siperiasta. Suomella ei ole maakaasun varastointikapasiteettia eikä yhteyttä Euroopan kaasuverkkoon. Gasumin ja Gazpromin hankintasopimus voimassa vuoteen 2025 asti. 13

14 Maailman maakaasuvarannot 14

15 Jakelun infrastruktuuri 1. Kaasuna putkistoissa 2. Nesteenä - nesteytetty maakaasu, LNG, T = C - nestekaasu, LPG, T = C 600 litres gas 1 litre liquid 15

16 Kivihiili Maailman kivihiilivarannot jakautuneet tasaisesti. Tärkeimmät viejät (USA, Australia, Etelä-Afrikka, Puola, Venäjä, Kanada) vakaita maita. Kulutetaan pääosin lähellä (< 100 km) tuotantoa. Maailmankauppaan vain 10 %. 16

17 Hiilidioksidin erottaminen savukaasuista Case: Suprajohtavuuden hyödyntämien magneettisessa erottelussa LiZr-oksidi sitoo 400 kertaa tilavuutensa määrän CO 2 :ta 17

18 Termodynamiikan nollas pääsääntö Termodynamiikan nollas pääsääntö Jos systeemi C on termisessä tasapainossa systeemien A ja B kanssa, ovat systeemit A ja B termisessä tasapainossa myös keskenään 18

19 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö Energian häviöttömyyden laki U = Q - W Systeemin sisäenergian muutos Systeemiin tuotu lämpö Systeemin tekemä työ 19

20 Termodynamiikan toinen pääsääntö SECOND LAW OF THERMODYNAMICS (Relation of work and heat) Kelvin Statement System Surrounding Hot reservoir Clausius Statement Surrounding Q. Q. W. Q. h 0 System c Cold reservoir Of the heat supplied at a high temperature to a system not all can be converted to work; a fraction of it must be rejected as heat at a lower temperature. No process is possible whose sole result is the removal of heat from a reservoir at one temperature and the rejection of an equal quantity of heat to a reservoir at a higher temperature. Refrig9c.cdr Eristetyn systeemin entropia kasvaa spontaanissa prosessissa: S > 0 20

21 Termodynamiikan kolmas pääsääntö R 700 F 200 C 100 K 400 Water boils Water freezes ( K) Superconducting region Methane boils Oxygen boils Nitrogen boils CRYOGENIC REGION Hydrogen boils Helium boils 0 Absolute zero Kaikki toiminta lakkaa absoluuttisessa nollapisteessä, jota ei voida koskaan saavuttaa. 21

22 Sähköenergian tuottaminen Miksi sähköenergian tuottamisen hyötysuhde fossiilisia polttoaineita (ydinvoimaa) hyödyntämällä on noin 37 %? 22

23 Entropia S järjestelmään T syötetty lämpö Miten tämä kytkeytyy sähköenergian tuottamiseen ja tuotetun sähkön hyötysuhteeseen? 23

24 Koejärjestely 1 Mitä tapahtuu kun venttiili avataan? Minkälainen tilanne on todennäköisin? 24

25 Multiplisyyden käsite Mikrotila Ilmoittaa molekyylien ja atomien yksityiskohtaisen sijainnin ja nopeuden Makrotila Ilmoittaa tilan dimensionaalisia suureita kuten paine, tilavuus, lämpötila, massa Makrotilojen multiplisyys on asianomaiseen makrotilaan liittyvien mikrotilojen lukumäärä. 25

26 Koejärjestely 2 Vasen kulho Oikea kulho Palloja kulhoissa Kombinaatioiden määrä ABCD ABC D ABD C ACD B BCD A AB CD AC BD AD CB BC AD BD AC CD AB Minkälainen tilanne on todennäköisin? A BCD B ACD C ABD D ABC - ABCD Mikrotila Makrotila Multiplisyys

27 Koejärjestely 3 Minkälaiseen tilaan systeemi pyrkii hakeutumaan? 27

28 Koejärjestely 4 Kuinka henkilön ennen pitkää todennäköisesti käy? 28

29 Multiplisyys Paikka kartalla; spesifioitu mikrotila Reitti; jono peräkkäisiä mikrotiloja Lähtökeidas; alkumakrotila Keidas; pienimmän multiplisyyden omaava makrotila Aavikko; Suurimman multiplisyyden omaava makrotila Todennäköisin vaihtoehto 29

30 Termodynamiikan toinen pääsääntö Mikäli järjestelmän tila muuttuu, hakeutuu se äärimmäisen suurella todennäköisyydellä suurimman multiplisyyden omaavaan makrotilaan ja jää siihen. 30

31 Meriveteen sitoutuneen energian hyödyntäminen? Onko ajatus teoreettisesti mahdollinen? Kelvin Clausius 31

32 Kytkentä entropiaan ja sähkön tuottamiseen Mieti edellä esitetylle määritelmälle termodynaaminen analyysi, joka päätyy edellä todettuun entropian määritelmään ja arvioi sitä kautta sähköenergian tuotannon hyötysuhdetta. Case: Ydinvoimala, Connecticut Yankee, USA Onko järjestelmä huonosti suunniteltu? 32

33 Koejärjestely 5 V 33

34 Carnot n sykli 34

35 Esimerkki Patenttivirastoon lähetettiin kone rekisteröintiä varten. Keksijän mukaan se ottaa Q 1 = 100 J jokaisella työkierroksella säiliöstä, jonka lämpötila on T 1 = C, suorittaa 60 J:n työn ja luovuttaa lopuksi lämpötilassa T 2 = C lämpömäärän Q 2 = 40 J. Hyväksyttäisiinkö tämä patenttihakemus? 35

36 Energia, entropia, exergia 36

37 Entropia on epäjärjestyksen mitta Järjestys Voimakas korrelaatio Pieni multiplisyys Pieni entropia Epäjärjestys Ei korrelaatiota Suuri multiplisyys Suuri entropia 37

38 Arkipäivän entropiaa 38