153 67 155MB
Norwegian Pages 360 Year 1997
Rolf Alvestad og Helge Strømme
ELEKTRISK ENERGI Produksjon, overføring og fordeling
BOKMÅL
N.
eeuotekeT 73 ■ 8601 MO
Universitetsforlaget
© Universitetsforlaget AS 1997 ISBN 82-00-41764-6
Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverk loven eller avtaler om kopiering inngått med Kopinor, Interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk.
Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatnings ansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel.
Læreboka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i april 1997 til bruk i videregående skole på studieretning for elektro fag, VK1 elektro, i faget produksjon, overføring og fordeling av elektrisk energi, modul 1 og 2.
Godkjenningen er knyttet til fastsatt læreplan av mai 1994, og gjelder så lenge læreplanen er gyldig. Henvendelser om denne boka kan rettes til: Universitetsforlaget AS Postboks 2959 Tøyen 0608 OSLO
Universitetsforlaget på Internett: http://www.scup.no Elektrisk energi er produsert i PageMaker ved Universitetsforlaget. Skrift Times 11,5/14 Illustrasjoner: David Keeping og Bjørn Norheim Følgende illustrasjoner er hentet fra Elforlaget og gjengitt med tillatelse: Figur 6.24, 6.25, 6.27, 6.28, 7.25, 7.27, 7.28, 7.30 ad, 7.31 a-b, 7.32 a-b, 7.33, 7.34 a-b, 7.35, 7.37 a-b, 7.43, 7.53, 7.55, 7.56, 7.57, 7.58, 7.59, 7.60, 7.62, 7.63, 7.64 og figuren på side 113. Følgende illustrasjoner er hentet fra NEK 322 (1995) 2. utgave, side 74 og 77, og gjengitt med tillatelse fra Norsk Elektrotek nisk Komité, NEK: Figur 2.10 og 2.11. Følgende illustrasjoner er hentet fra Elsikkerhet Installasjonsregler, blad nr 5.1-2 og 5.1-3, og gjengitt med tillatelse fra Energiforsyningens Fellesorganisasjon: Figur 12.9 a-b. Fotografiene på sidene 7, 29, 241,276, 313, 324 og 331 er gjen gitt med tillatelse fra Zenith-Film A/S.
Omslag: Tor Berglie Trykk: PDC A/S, Aurskog 1997 2
7 Fordelingssystemer - lavspente forsyningsnett........... Trefaset nettsystem - generell oppbygning og funksjon.. Trefaset vekselspenning............................................... Strøm- og spenningsforhold ved trekantkopling ....... Tilkopling av belastningsobjekter............................... Strøm- og spenningsforhold ved stjernekopling........ Effekt i trefasete vekselstrømskretser.......................... Nettsystemer - strøm- og spenningsforhold .................... Overføring og distribusjon av elektrisk energi .......... Oversikt over spenningsområder og fordelingssystemer . Nominell spenning ............................................................ Toleranseområder............................................................... Fordelingssystemer - strømforsyning.............................. Klassifisering av spenningsområder................................. Nettsystemer og jording.................................................... Kjenningsbokstaver for systemjordingen.................... TN-systemer (FEB § 312.2.1)...................................... IT-systemer (FEB § 312.2.3)........................................ TT-systemer (FEB § 312.2.2)....................................... Jording og jordingsforhold................................................ Prinsipp.......................................................................... Begrep og definisjoner................................................. Generelle krav til jordingssystemet............................. Beskyttelsesjording............................................................ Forventet berøringsspenning........................................ Arbeidsjording............................................................... Lyn og atmosfæriske overspenninger.......................... Oversikt over overordnede krav til elektriske anlegg..... EMC- og ESD-direktivet og norske normer og forskrifter............................................. Elektromagnetisk støy.................................................. Demping av elektromagnetisk støy............................. Skjerming og filtrering................................................. Sikkerhet i elektriske fordelingssystemer........................ Strømforhold................................................................. Begreper og definisjoner.............................................. Sikkerhetsbegreper............................................................ Personsikkerhet............................................................ Brannsikkerhet............................................................. Driftssikkerhet............................................................... Berøringsspenning og automatisk utkopling.................... Måling av berøringsspenning....................................... Objekter som kan være berøringsfarlige..................... Beskyttelse mot elektriske støt (FEB kapittel 41)........... Beskyttelse mot direkte berøring................................. Beskyttelse ved indirekte berøring.............................. Automatisk utkopling av strømtilførselen (FEB § 413.1)............................................................... Automatisk utkopling i IT-systemer (FEB § 413.1.5 og 532)................................................ Automatisk utkopling i TN-systemer (FEB §413.1.3 og 532)................................................ Automatisk utkopling i TT-systemer (FEB §413.1.4 og 532)................................................
113 114 114 116 116 121 124 134 134 137 137 137 138 138 140 140 142 147 150 152 152 157 165 166 168 168 169 169 170 171 174 176 181 181 181 184 184 186 186 187 188 189 190 190 190
192 193
198 203
8 Distribusjon av energi...................................................... 211 Innledning............................................................................. 212 Sentralnettet......................................................................... 213 Regionalnettet...................................................................... 215 Lokalnettet........................................................................... 215 Valg av trasé.........................................................................216 Valg av spenning ................................................................. 217 Praktisk utførelse av nettet................................................. 217 Master.............................................................................. 217 Definisjoner.................................................................... 220 Valg og dimensjonering av liner................................... 221 Isolatorer......................................................................... 223 Vern av linjer.................................................................. 224 Brytere i linjer ................................................................ 226 Skjøting på linen .......................................................... 227 Forebyggende vedlikehold............................................ 228 Høyspentkabler............................................................... 229 Kabel eller line?..................................................................231 Morgendagens høyspentlinjer............................................ 232 Kraftlinjer og helse.............................................................. 232 Overgang fra høyspent- til lavspentsiden.......................... 234 Lavspent fordeling............................................................... 237 9 Stasjoner............................................................................. 241 Hva er en stasjon?................................................................ 242 Stor stasjon...........................................................................242 Utendørsanlegg.................................................................... 243 SF6-anlegg ..................................................................... 243 Jording............................................................................. 243 Transformatoren............................................................. 245 Bryterrom....................................................................... 245 Kontrollrom........................................................................ 251 Batterianlegg................................................................ 251 Tilleggsrom....................................................................251 Fra høyspent til lavspent.....................................................252 Nettstasjoner for kabelnett.................................................. 253 Transformatoren............................................................. 253 Lavspentdelen................................................................. 254 10 Sikkerhet.............................................................................256 Innledning............................................................................. 257 Arbeidsmiljøloven............................................................... 257 Forskrifter....................................................................... 259 Fravær.............................................................................. 259 Strømmens virkning på kroppen................................... 259 Sikkerhetsforskrifter for lavspenningsanlegg (SL)........... 261 Arbeid på eller nær ved et frakoplet anlegg................. 262 Arbeid på eller nær ved spenningsførende anlegg..... 262 Skademelding...................................................................... 264 Driftsforskrifter for høyspenningsanlegg (DH)................ 265 Driftsleder....................................................................... 265 Sikkerhetskort................................................................. 265 Adgang til høyspentanlegg............................................ 266 Kopling av høyspentanlegg........................................... 266
5
Arbeid på eller nær ved høyspentanlegg uten spenning ..................................................................266 Arbeid nær ved spenningsførende deler........................267 Arbeid på anlegg under spenning (AUS-arbeid)........ 267 Skifting av sikringer....................................................... 267 Kontroll og vedlikehold................................................. 268 Ulykker og branner........................................................ 268 Opplæring, øvelse og instruksjon.................................. 269 Lov om internkontroll ....................................................... 270
11 Forskrifter........................................................................... 276 Innledning............................................................................. 277 FEA-F................................................................................... 277 Formål ............................................................................. 277 Virkeområde.................................................................... 277 FEA-Fs innhold.............................................................. 278 Kapittel I. Administrative bestemmelser.......................278 Kapittel II. Stasjonsanlegg............................................. 280 Kapittel III. Ledningsanlegg........................................ 282 Kapittel IV. Fordelingssystemer og jording................ 283 Kapittel V. Svakstrømsanlegg ...................................... 283 Tilsyn med forskrifter........................................................ 284 EU-direktiver...................................................................284 Normer........................................................................... 285 Tekniske anbefalinger......................................................... 286
12 Målinger.............................................................................. 291 Lavspentmåling.................................................................... 292 Spenningsmåling............................................................ 292 Strømmåling.................................................................... 292 Effekt- og energimåling.................................................. 294 Høyspentmåling ................................................................... 297 Spenningsmåling............................................................ 297 Strømmåling....................................................................298 Effektmåling....................................................................299 Reaktiv effekt..................................................................299 Måling av jordfeil........................................................... 300 Nøyaktighet..................................................................... 300 Kapasitet.......................................................................... 300 Måleceller........................................................................ 300 Enlinjeskjema..................................................................300 13 Sikker strømforsyning...................................................... 302 Nød- og reservestrømforsyning.......................................... 302 Strømavhengighet................................................................ 303 Sikker strømforsyning......................................................... 303 Årsak til strømutfall............................................................ 304 Sikkerhet ved strømutfall .................................................... 305 Batterityper......................................................................... 309 Blyakkumulator.................................................................... 309 NiCd-batterier....................................................................... 309 Kapasitet til batterier......................................................... 310 Vedlikehold av batterier....................................................... 310 Krav til batterianlegg........................................................... 310
6
14 Organisering av energiverk.............................................. 313 Innledning............................................................................. 314 Distribusjonsverk ................................................................ 314 Produksjonsselskap............................................................. 315 Industriverk ........................................................................ 316 Vertikalt integrert energiverk............................................. 316 Engrosverk ........................................................................... 316 Statsforetak........................................................................... 316 Statlig styring..................................................................... 316 Olje- og energidcpartementet....................................... 317 Energi- og vassdragsavdelingen.................................... 317 Norges vassdrags- og energiverk................................. 317 Lokale energiverk................................................................ 319 Selskapets målsetting ..................................................... 319 Organisering....................................................................319 Fakta om selskapets anlegg............................................322 Framtidas energiverk...................................................... 322
15 Konsesjonsloven og energiloven...................................... 324 Lovverket.............................................................................. 325 Konsesjonsloven.................................................................. 325 Hva er konsesjon............................................................ 326 Lovens innhold............................................................... 326 Konsesjonsbehandling.................................................... 326 Konsesjonsbetingelser.................................................... 327 Energiloven .......................................................................... 328 Lovens formål ................................................................ 328 Lovens innhold.............................................................. 328 Miljø og landskap......................................................... 329 Kontroll ................................................................................ 329 16 Kjøp og salg av energi....................................................... 331 Innledning............................................................................. 332 Husholdninger...................................................................... 332 Leveringsbetingelser......................................................... 335 Kjøp og salg til større forbrukere....................................... 336 Handel med utlandet............................................................ 340
17 Praktiske øvelser og laboratorieoppgaver.....................346 Innledning............................................................................. 347 Praktiske øvelser.................................................................. 347 Stolpeklatring og sikkerhet i lavspente luftledningsanlegg.......................................................... 347 Stasjonsanlegg - koplinger og sikkerhetstiltak.......... 348 Arbeid med lavspentkabel og lavspentline .................. 349 Kabelarbeid med høyspentkabel ................................... 350 Batterianlegg. Nød-og reservestrøm ........................... 351 Laboratorieoppgaver......................................................... 352 Kopling av tariffapparater.............................................. 352 Måling av strøm og spenning i trefaset nett................352 Enfaset transformator..................................................... 353 Trefaset transformator.................................................... 356 Generator......................................................................... 357 Stikkord.................................................................................... 358
Forord
Denne boka skal gi dem som skal videreutdanne seg innenfor elektrofagene, en innføring i faget elektrisk energi. For dem som skal videreutdanne seg innenfor energisektoren, vil denne boka gi et godt grunnlag for videreutdanning.
Boka inneholder en grundig presentasjon av teoristoffet til elek trisk energi. I tillegg er det tatt med kontrollspørsmål og ar beidsoppgaver til hvert kapittel. Bak i boka er det et eget kapit tel som inneholder forslag til praktiske øvelser og laboratorieoppgaver. Boka starter med en introduksjon til energiproduksjonen og ender med fordeling av energien til for brukerne. Det er likevel fullt mulig å ta kapitlene i en annen rekkefølge.
Det er forventet at elevene skal kunne besvare kontrollspørsmålene uten å slå opp i boka. Arbeidsoppgavene er derimot mer omfattende, og elevne må i mange tilfeller lete etter svarene på disse oppgavene andre steder enn i denne boka. Hvis skolen har et bibliotek med aktuell literatur, kataloger og brosjyrer, bør elevene bruke dette til å finne svarene. Noen av arbeids oppgavene krever også at klassen drar på ekskursjoner til ener giverk og kraftverk. I den forbindelsen kan vi minne om at Statkraft har 13 besøksverk spredt over hele landet. Opplys ninger om disse kan en få ved å ringe 800 33 666.
På hjemmesidene til Universitetsforlagets elektroavdeling, som har adressen www.scup.no/elektro , vil en finne en del informa sjon, blant annet adresser til aktuelle bedrifter, offentlige in stanser og organisasjoner. I tillegg er det også lagt ut en fasit til regneoppgavene i denne boka.
Forfatterne vil gjerne takke Skienfjordens Kommunale Kraft selskap, Norsk Elektroteknisk Komite, Energiforsyningens Fel lesorganisasjon, ABB, Siemens, Kværner Melbye energi, Ensto energi, NVE og offentlige etater for at de har stilt bilder, skje maer og tegninger til disposisjon. 3
Innhold Forord........................................................................................
3
1 Energi og vannkraftutbygging......................................... 7 Energiforbruk....................................................................... 8 Energi- og effektbetegnelser........................................... 9 Historikk............................................................................... 12 Energiverks historie og kultur............................................. 14 Utbygging av vannkraft....................................................... 15 Vannkraftverk....................................................................... 17 Magasinkraftverk ............................................................ 18 Fyllingsdammer og betongdammer............................... 20 Fra magasin til kraftstasjon.............................................. 21 Turbiner........................................................................... 22 Vannkraft og økonomi........................................................... 23 Miljø og vannkraftutbygging.............................................. 24 Modernisering av eldre anlegg............................................ 24 Små energiverk....................................................................... 25 Utbygging av små energiverk ............................................. 25
2 Vannkraftstasjon................................................................ 29 Oppbygning.......................................................................... 30 Turbiner.................................................................................. 34 Fristråleturbin.................................................................. 34 Fullturbin......................................................................... 34 Ventiler og luker................................................................... 36 Kontroll og styring............................................................... 37 Transformator og koplingsanlegg....................................... 39 Elvekraftverk.......................................................................... 40 3 Varmeenergiverk................................................................. 42 Innledning............................................................................... 43 Kullenergiverk........................................................................ 43 Oljebasert energiverk............................................................. 45 Gassenergiverk..................................................................... 46 Fordeler ved gassenergiverk.............................................47 Kjerneenergiverk....................................................................47 Fisjonsprosessen..................................................................... 48 Fordeler og ulemper ved kjerneenergi ............................ 49 4 Alternative energikilder...................................................... 52 Innledning............................................................................... 53 Solenergi................................................................................. 53 Bølgeenergi........................................................................... 55 Vindenergi ............................................................................ 55 Bioenergi .............................................................................. 56 Varmepumper......................................................................... 58
4
Enøk....................................................................................... 58 Framtidas teknologi............................................................... 59 Potensialet i Norge........................................................... 59
5 Generatorer...........................................................................62 Generatorer og motorer......................................................... 63 Generatorens virkemåte......................................................... 63 Magnetisering av generatoren......................................... 65 Hastigheten til generatoren.............................................. 67 Viklingene .........................................................................68 Kjøling av generatoren..................................................... 68 Tap i generatoren.............................................................. 69 Innkopling av generatoren................................................69 Vern av generatoren........................................................ 71 Isolering av generatoren................................................. 71 Mekanisk montering av generatorer................................ 72 Transportable generatorer.................................................72
6 Transformatorer.................................................................. 76 Begrepsklargjøring og eksempler på bruk av transformatorer....................................................................... 77 Transformatorprinsippet................................................... 77 Omsetningsforholdet........................................................ 79 Enfasetransformatorer......................................................... 80 Oppbygning..................................................................... 80 Omsetningsforhold ved spenningsomsetning (uten belastning)............................................................... 81 Omsetningsforhold ved belastning (strømomsetning) .. 82 Kortslutning - kortslutningsspenning ved merkestrøm 84 Kortslutningsstrømmen for en transformator................ 85 Omsetning av impedanser.............................................. 86 Effektomsetning, tap og virkningsgrad for transformatoren......................................................... 86 Energitransformatorer for overføring av elektrisk energi .. 90 Prinsipp............................................................................ 90 Parallelldrift av transformatorer...................................... 92 Trefaset energitransformator.................................................93 Koplingsgrupper............................................................... 95 Kjøling og vern av transformatorer...................................... 99 Parallelldrift av trefasetransformatorer....................... 100 Transformatorers merkeskilt.............................................. 101 Måletransformatorer.......................................................... 101 Måletransformator for spenningsmåling..................... 102 Måletransformator for strømmåling............................ 103 Skilletransformatorer/sikkerhetstransformatorer............. 106 Sparetransformatorer......................................................... 109
1 Energi og vannkraftutbygging
Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du • ha kjennskap til norsk energiverksutbygging • kjenne til de viktigste delene i et kraftstasjonsanlegg • kjenne til ulike energiformer og energiforbruk før og o na • kjenne til vannkraftutbyggingens påvirkning av miljøet
7
Energiforbruk Når vi snakker om energi i forbindelse med elektroutdanning, så tenker vi som regel automatisk på elektrisk energi og for bruk av elektrisitet. Energiforbruk kan være mye mer enn bruk av elektrisk energi. Forbruk av oljeprodukter, for eksempel ben sin, fyringsolje, gass, og fast brensel, for eksempel ved og kull, er også bruk av energi. I Norge fordeler energiforbruket seg omtrent slik: Elektrisk energi: 50 % Oljeprodukter: 40 % Fast brensel: 10% Over halvparten av oljeforbruket går til transport, resten går til oppvarming og industriforbruk. Det faste brenselet er stort sett ved som blir brukt til oppvarming.
Dersom vi ser på bare den elektriske energien og utviklingen i de siste årene, fordeler forbruket seg omtrent slik:
Figur 1.1
8
Energi- og effektbetegnelser Energi Energi er definert som evnen til å utføre arbeid. Enheten for energi er joule (J), men det er mest vanlig å bruke wattimer (Wh) fordi det er en velkjent og innarbeidet en het, og fordi joule er en liten enhet. = 1 joule 1 wattsekund (Ws) = 3 600Ws 1 wattime (Wh) = 1 000 Wh (kilo er 103) 1 kilowattime (kWh) = 1 000 kWh (mega er 106) 1 megawattime (MWh) = 1 000 MWh (giga er 109) 1 gigawattime (GWh) = 1 000 GWh (terra er 1012) 1 terrawattime (TWh) 1 1 1 1
kWh MWh GWh TWh
= = = =
3,6 MJ (megajoule) 3,6 GJ (gigajoule) 3,6 TJ (terrajoule) 3,6 PJ (petajoule) (petaer 1015)
Effekt Effekt er definert som energi per tidsenhet. Grunnenheten for effekt er watt. 1 GW= 1 000 MW 1W = 1 J per sekund 1 TW = 1 000 GW IkW = 1 000 W 1 MW = 1 000 kW En gammel betegnelse på effekt er hestekrefter (hk). 1 hk = 736 W lkW=l,36hk
Verdens energiforbruk har steget med omtrent 50 % i de siste 20 årene, og prognosene går ut på en fortsatt stigning. Det in ternasjonale energibyrået (IEA) har beregnet at etterspørselen etter elektrisk energi vil øke med nesten 3 % per år fram til år 2010.1 denne forbindelsen kan vi nevne at verdenskommisjonen for miljø og utvikling, med Gro Harlem Brundtland som leder, uttalte at en fortsatt økning av energiforbruket ikke er forenlig med en bærekraftig utvikling. Til tross for denne uttalelsen ser vi at energiforbruket øker i nesten alle land. Fordelingen av energiforbruket i verden er veldig skjev. Det er de vestlige in dustrialiserte landene som forbruker mest per innbygger. USA og Canada ligger på topp, men de skandinaviske landene er også høyt oppe på denne statistikken. I Norge, Sverige og Fin land forbruker en omtrent 10 ganger så mye energi per person som en gjør i utviklingslandene.
9
Figur 1.2 Figuren viser noen lands energiforbruk per innbygger
I denne boka kommer vi stort sett til bare å behandle elektrisk energi, og når vi omtaler energi, er det underforstått at vi mener elektrisk energi. I Norge blir over 99 % av den elektriske energien produsert i vannkraftverk, den resterende produksjonen skjer i varmeenergiverk. Andelen energi som er produsert i varmeenergiverk, kan øke dersom det blir bygd ut gassenergiverk i Norge. De alternative energikildene kan også komme til å utgjøre noen prosent av den totale produksjonen om noen år. Årsaken til at elektrisk vannkraft er dominerende her i Norge, er naturen som har gitt landet gode forutsetninger for å produsere elektrisk energi av vannkraft. Disse gode forutsetningene er blant annet at • 20 % av landet vårt ligger i en høyde på over 900 m • vi har en relativt stabil og stor nedbørsmengde på ca. 1 400 mm per år. Dette er en gjennomsnittsverdi for hele lan det, nedbørsmengden varierer sterkt fra år til år og fra lands del til landsdel og er størst på Vestlandet 10
• det meste av nedbøren skjer i høyereliggende strøk, dermed kan vi utnytte vannfallet • av Europas 20 største fossefall ligger 9 i Norge (7 av disse er regulert) • landet har 42 store vassdrag med utløp til sjøen med en vann føring på over 40 mI* 3/s, hvorav 38 er regulert til energi • landet har 440 000 innsjøer som er større enn 500 m: Norges lengste vassdrag er Glomma. Det er 598 km langt og har en midlere vannfø ring på 720 m3/s.
Forutsetningene for produksjon av elektrisk energi fra vann kraft er selvfølgelig veldig forskjellig innenfor landet vårt. Disse forutsetningene er blant annet natur og nedbør. Det meste av nedbøren faller på Vestlandet og i Nordland, som også har størst energiproduksjon, med fylket Hordaland på topp etterfulgt av Nordland og Sogn og Fjordane. Minst produksjon finner vi i Vestfold, Oslo og Akershus, som er relativt små og flate og egner seg dårlig til vannkraftutbygging.
Med de gode naturforutsetningene landet vårt har, er det natur lig at vi kommer høyt opp på statistikken over de landene som produserer vannkraft. Det er bare fem land som produserer mer energi fra vannkraft enn oss, og om vi regner i forhold til inn byggertallet, er Norge på topp i verden. De 10 største vannkraftproduserende land i verden i 1993
Vannkraftproduksjon Canada USA Russland Brasil Kina Norge Japan Sverige India Frankrike
323,7 303,1 235,0* 234,8 131,2* 120,0 105,5 75,4 69,88 ** 67,9
Innstallert ytelse (vannkraft)* 60 235 91 510 65 000 46 700 38 000 26 884 39115 16 200 19 804 24 920
* 1991 ** 1992
Kilde: 1EA
Verdens største fossefall er Salto Angels i Venezuela. Denne fossen har et fall på 979 m hvorav 807 m er ubrutt. Norges høy este foss er Mardalsfossen, som er 517 m i 2 atskilte fossefall der det lengste er på 297 m.
I resten av verden er det andre former for energiproduksjon som er mer dominerende. Dersom vi ser på hele verden under ett, blir omtrent 65 % av verdens elektrisitet produsert i varmeenergiverk. De mest brukte energikildene i slike energiverk kan være olje, gass, kull eller kjerneenergi (atomenergiverk). Av disse er kull- og kjerneenergi mest brukt. I kapittel 3 kan du lese mer om varmeenergiverk.
11
I de nordiske landene fordelte elektrisitetsproduksjonen seg slik i 1995: Norge
Danmark
Finland
Sverige
Vannkraft Kjerneenergi Øvrig varmeenergi Annet
122 826 0 646 9
33 0 33 163 1 143
12 785 18 125 29 692 8
67 017 66 697 73 005 99
Totalt
123 481
34 339
60 610
143311
Alle størrelsene er i gigawattimer (GWh)
Den første kvernkallen vi kjenner til i Norge, ble bygd omtrent i år 1070 ved Akerselva i Oslo.
Mange av de store utendørs kraftstasjo nene som ble bygd tidlig på 1900-tallet, var arkitektoniske perler som ble bygd etter arkitektkonkuranser.
Historikk I Norge har vannkraften blitt utnyttet i mange hundre år. Den ble først nyttet til drift av kvernkaller, som var et hjul drevet av vann, og som ble brukt til maling av korn. Dette begynte alle rede omtrent på 1200-tallet, og ulike kvernkaller var i bruk til langt ut på 1900-tallet. Fra 1500-tallet begynte en å utnytte vann kraften i sagbruk, og det førte til stor aktivitet ved mange vass drag. Denne sagbruksaktiviteten var grunnlaget for plasserin gen av mange av dagens byer og også grunnlaget for vår han del med utlandet.
Det første energiverket i Norge ble bygd i 1884. Det var Lis leby brug ved Fredrikstad, som hadde en liten dynamo som gav strøm til brukets 23 buelamper. I 1885 ble det første elektrisi tetsverket som solgte strøm, satt i drift. Det var Laugstol brug i Skien, som hadde to generatorer som til sammen gav 14 hk, det vil si omtrent 10 300 W. Det første kommunale elektrisitetsver ket kom i drift i Hammerfest i 1891. Etter dette gikk utviklin gen raskt, og det ble etablert elektrisitetsverk i de fleste kom munene over hele landet, men i begynnelsen var det relativt små mengder elektrisitet som ble produsert, og den ble i stor grad brukt til belysning og seinere til industrianlegg. Det var for eksempel ikke vanlig å bruke elektrisitet til boligoppvarming før langt ut i 1950-årene.
Figur 1.3 Nore kraftstasjon
12
På slutten av 1800-tallet var det få som så hvilke rikdommer som lå i fossekraft og vannfallene. Det var grunneierne som eide fossene, og dermed hadde de også rettighetene til å utnytte fallene. Dissefallrettighetene ble fra 1890-årene av og utover i stor grad kjøpt opp av andre. Til å begynne med var det privat personer og selskaper som kjøpte opp fallrettighetene. Disse
I 1945 hadde omtrent 76 % av husstan dene i Norge innlagt strøm, mens i midten av 1960-årene var tallet hele 99 %.
kjøperne gikk ofte under navnet fossespekulanter, for det var mye penger å tjene på slik handel fordi rettighetene ble solgt videre etter en tid og da til en høyere pris. Mange private indu striselskaper som kjøpte fallrettigheter i begynnelsen av dette århundret, er selskaper som fremdeles er i drift. Eksempler på dette er Hafslund, Borregård, Tinfos og Norsk Hydro, som frem deles er store energiprodusenter og industriforetak.
Tabellen under viser hvor mye vannkraft som er bygd ut i dette århundret. År
Effekt (MW)
1900
1910
1920
1930
1940
1950
1960
1970
1980
1990
1996
40
300
1250
1710
2190
3050
6210
12400
19300
26000
27300
Gunnar Knudsen, som var stortingsrepre sentant fra 1891 til 1921 (i denne perio den var han også med i flere regjeringer og var blant annet statsminister), har ofte fått tittelen «elektrisitetens far i Norge». Årsaken til det er at han var en ivrig tals mann for statens kjøp av fallrettigheter og for konsesjonslovene som sikret det offent lige en rekke fordeler. Han var også med på å danne Norges første elektrisitetsverk og Norges første interkommunale kraftsel skap på sitt hjemsted.
Staten, det vil si Stortinget, skjønte snart at den burde ha kon troll over de store verdiene som lå i vannkraften, og i 1894 bevilget Stortinget de første kronene for kjøp av fallrettigheter. De største innkjøpene av fallrettigheter ble imidlertid ikke fore tatt før i perioden 1907-1920. I 1907 ble blant annet Tokkefallene i Telemark innkjøpt, men de ble ikke bygd ut før på slutten av 1950-årene. For å ivareta nasjonens interesser ved tok Stortinget i 1917 konsesjonsloven, som blant annet sa at ingen kunne starte vannkraftutbygging uten tillatelse fra sta ten, og at det offentlige skulle ha forkjøpsrett til alle vannfall. Tillatelsene (konsesjonene) til utbygging ble gitt under forut setning av at utbyggeren måtte gjøre en del gjenytelser, det skal vi komme tilbake til seinere.
13
Energiverks historie og kultur En del energiverk og leverandører har tatt vare på mange historiske perler fra vår korte historie med elektrisitetsutbygging. En god del gammelt maskineri, for eksempel turbiner og generatorer, finnes på blant annet Teknisk museum i Oslo og Industriarbeidermuseet på Rjukan. Fra Siemens fagblad har vi hentet et eksempel på bevaring av inventaret i et gammelt energiverk (figur 1.6), og fra ABB har vi hentet et eksempel på den historiske utviklingen av utseendet til nettstasjonene (figur 1.4 og 1.5). Figur 1.5 Nettsatsjon i funkisinspirert stil fra ca. 1930. Typisk for disse stasjonene er at de er flate med en kubusaktig form
oo c o ^1 ! c 1 rh A ©© Figur 1.4 Figuren viser en nettstasjon i jugendinspirert stil fra ca. 1920
Figur 1.6 Eksempel på en gammel apparattavle der koplingene ble foretatt med åpne knivbrytere
Norsk Hydro bygde Vemork kraftstasjon, som ble satt i drift i 1911. Den hadde en installert effekt på 107 MW og var da verdens største kraftstasjon. Dette anlegget ble berømt under og etter krigen på grunn av tungtvannsproduksjon (tungtvann kunne gitt tyskerne atombomber) og sabotasjen mot den. Energiproduksjonen er nå nedlagt, og bygningen brukes til industriarbeidermuseum med de gamle generatorene og turbinene intakt. Norsk Hydro bygde også Svælgfoss Kraftstasjon på Notodden i 1905. Den var den gang Europas største og gav da 30 000 hk = 22 MW. Den ble bygd for å gi energi til Norsk Hydros første fabrikker, som brukte store mengder energi for å lage salpeter.
14
Verdens største vannkraftutbygging fore går nå i Kina. Det er Changelva som skal demmes opp. Den får en hoveddam med en lengde på 2400 m og en høyde på 185 m. Det skal monteres 26 turbiner, og de kan til sammen produsere 84 milliar der kilowattimer. Prosjektet er svært om stridt, og det har vært mange protester imot det, fordi oppdemmingen fører til at store naturområder blir lagt under vann, og at 1,2 milloner mennesker må flytte.
Utbygging av vannkraft Teoretiske beregninger viser at vi kan produsere omtrent 178 TWh/år (178 • 109kWh/år) med elektrisk energi i Norge. Denne beregningen er foretatt på bakgrunn av blant annet gjennom snittlig nedbørsmengde basert på gjennomsnittlig nedbørsstatistikk over en del år og en øvre grense for utbyggings kostnader per kilowattime. I dag (per 1. januar 1996) har vi bygd ut slik at vi i et normalår kan produsere ca. 112,3 TWh. Denne verdien bygger på teore tiske beregninger fra gjennomsnittlige nedbørsmengder, men på grunn av endring fra år til år kan produksjonen variere sterkt. De fleste årene har vi produsert mer enn vi har forbrukt, og dette overskuddet har blitt solgt til våre naboland. Gjennom de siste tiårene har vi stadig bygd ut mer. Tabellen under viser utviklingen i produksjonen fra noen utvalgte år:
Det svenske energiverket Vattenfall, som eies av den svenske staten, er Nordens største produsent av elektrisk energi. Det produserer i gjennomsnitt 80 TWh per år. Til sammenlikning produserer det norske Statkraft 33 TWh, det svenske Sydkraft 27 TWh, det finske IVO 16,5 og det danske Elsam 14,4 TWh. Vattenfall har kjøpt seg inn i norske energiverk, og Statkraft har kjøpt seg inn i svenske energiverk.
År
1975
1980
1985
Produksjon (TWh)
77,5
84,1
103,3 121,8 120,1
1990
1993
1994
1995
1996
113,5 123,2 104,8
Per 1. januar 1996 var 90 større og mindre utbyggingssaker under planlegging eller konsesjonsbehandling. Noen av dem var nyutbygginger, og noen var opprustning av eldre anlegg. De utgjorde til sammen en økning i energitilgangen på 5 TWh per år. En del vassdrag kan en ikke bygge ut fordi de er vernet. Det betyr at de ses på som så viktige for naturen og naturopplevel ser at det ikke er lovlig å foreta inngrep i dem. Alle land har en moralsk plikt til å beholde en del av naturen uberørt, det vil si at i disse områdene skal det være minst mulig inngrep. Det er flere årsaker til dette, den viktigste er at dagens mennesker og seinere generasjoner skal ha muligheten til å oppleve naturen i sin opprinnelige form. Hvor mye en skal verne, er et spørsmål som politikerne avgjør, og det er en stadig diskusjon om dette spørsmålet. I dag er ca. 20 % av vassdragene vernet. En del vassdrag er det per i dag ikke aktuelt å bygge ut fordi utbyggings kostnadene blir for store. Disse kan imidlertid bli vurdert på nytt dersom prisen på elektrisitet stiger.
15
Stortinget har vedtatt en såkalt samlet plan for vassdrag, der det har delt vassdragene inn i tre kategorier: Kategori 1: Vassdrag i denne kategorien kan en konsesjonsbehandle og bygge ut Kategori 2: Vassdrag som en kan vurdere å bygge ut etter år 2000 Kategori 3: Vassdrag som en ikke skal bygge ut i overskuelig framtid
Vannkraftpotensialet pr 1. januar 1996
Referert tllsfgsperioden 1931-90, investeringsgrense 4,0 kr/kWh.
TWh/år.
Figur 1.7 Diagrammet viser hvordan utbygging og verning av vassdrag fordeler seg
En del av de vassdragene som Stortinget har gitt klarsignal for konsesjonsbehandling av, er ikke økonomisk lønnsomme å bygge ut. Det kan imidlertid forandre seg dersom prisen på elek trisk energi stiger. Det foregår en fortløpende diskusjon mel lom ulike pressgrupper om fortsatt utbygging eller verning. Naturvernere og en del andre vil gjerne verne mest mulig, mens eiere, involverte kommuner og industri ofte vil bygge ut mest mulig. Slike diskusjoner er ikke av ny dato; de begynte alle rede tidlig på 1900-tallet. Stortingets første vernevedtak ble gjort i 1924, da Vettisfossen i Jotunheimen ble varig vernet. Samlet plan for vassdrag ble første gang vedtatt i 1973 og er siden revidert flere ganger.
16
Vannkraftverk Det er ca. 850 kraftstasjoner i Norge. De varierer veldig i stør relse fra noen små som bare leverer noen hundre kilowatt, til noe svært store som leverer effekter i megawattstørrelser.
Vannkraftstasjoner i drift per 1. januar 1996 etter størrelse og samlet installasjon
Størrelse
Antall
MW 0-0,1 0,1 -1 1 - 10 10-100 100SUM
170 130 233 244 76 853
Samlet intallasjon
MW 5 55 829 8879 17582 27350
Kilde: NVE
Generelt kan vannkraftverk deles inn i to typer: • Magasinkraftverk • Elvekraftverk
Magasinkraftverk samler vannet i regulerte dammer (magasi ner) og utnytter store fallhøyder og relativt små vannmengder. De kalles også høytrykkskraftverk fordi de arbeider under høyt trykk som oppstår på grunn av stor høydeforskjell.
Elvekraftverk utnytter store vannmengder som har en relativt liten fallhøyde og små eller ingen muligheter for magasinfylling eller regulering. De kalles også lavtrykkskraftverk på grunn av liten høydeforskjell og lavt trykk. I tillegg til disse to typene har vi også noen få pumpekraftverk som vi kan bruke som vanlige magasinkraftverk, men som i tillegg kan pumpe vann opp i høyere magasiner der vi kan ut nytte energien bedre. I et vassdrag (fra høyfjellet til havet) kan det ligge mange kraftstasjoner, dermed kan vannet utnyttes flere ganger. Et eksempel på dette er Skiensvassdraget, der opp samlingen av vannet begynner på Hardangervidda. Vannet går så gjennom 11 kraftstasjoner før det når havet.
17
I kraftstasjonene omformes energien omtrent slik:
Stillingsenergi -> bevegelsesenergi -> mekanisk energi -> elek trisk energi. Stillingsenergi er den potensielle energien vannet har. Jo mer vann vi har, og jo høyere vannfallet er, desto større er denne energien.
Bevegelsesenergi, eller kinetisk energi, er den energien som vannet skaper når det beveger seg. Denne energien kan for ek sempel bli brukt til å sette en turbin i bevegelse (rotasjon). Mekanisk energi er den energien som rotasjonen til en turbin skaper, og som ved hjelp av mekaniske koplinger blir overført til en generator. Elektrisk energi er den energien som blir produsert i en genera tor og sendt ut på nettet til forbrukerne. Den elektriske ener gien blir overført blant annet til privatboliger der den går over til for eksempel varme og lys.
Magasinkraftverk Det er magasinkraftverkene som utgjør den aller største delen av produksjonen. I dette kapitlet får du en orientering om slike energiverk.
Elektrisitet kan i liten grad lagres. For å utnytte vannkraftens potensial må vi derfor i stedet lagre vannet i regulerte magasi ner. Den viktigste årsaken til at en slik lagring må foretas, er at energiforbruket ikke følger vanntilgangen. Den største vanntil førselen skjer om høsten i form av regn og om våren i form av snøsmelting, mens det største energiforbruket skjer om vinte ren. Uten regulering og lagring av vannet ville elektrisiteten i Norge blitt vesentlig dyrere enn den er i dag. Kurvene på figur 1.8 viser sammenhengen mellom magasinfylling og elektrisitets forbruk gjennom et år. Når myndighetene gir konsesjon for regulering av vassdrag og bygging av dammer, setter de grenser for hvilke høyder regule ringen skal skje innenfor. De setter altså grenser for høyeste og laveste vannstand, og forskjellen mellom disse punktene utgjør reguleringshøyden, for eksempel kan vi nevne at vår største 18
innsjø Mjøsa har 4 m fra laveste til høyeste regulerte vann stand. Det finnes også vann med over 100 m forskjell mellom høyeste og laveste vannstand, et eksempel på dette er Blåsjø som har en reguleringshøyde på 105 m. Blåsjømagasinet ligger i Rogaland og er Norges største vannmagasin. Det gir vann til Kvilldal energiverk, som er Norges største og en del av UllaFørre-utbyggingen, som er Nord-Europas største vannkraftprosjekt. Dette magasinet bestod tidligere av en rekke fjell vann som nå er regulert til en stor innsjø. Det dekker 82 km2 og har et innhold på 3 milliarder m3 vann når det er fylt opp.
De største reguleringsmagsinene i Norge per 1. januar 1996
Magasin
Fylke
Blåsjø Tustevatn-Røsvatn Svartvatn Mjøsa
Aust-Agder/Rogaland Nordland Vest-Agder/Rogaland Hedemark/ Oppland/Akershus Nordland Aust-Agder Telemark Nordland Troms Nordland Aust-Agder/Vest-Agder
Akervatn Vatnedalsvatn Møsvatn Storglomvatn Altevatn Kalvatn Roskreppfjord
Magasinkapasitet TWh Mill, m 3112 7,777 2,116 2309 2,874 1400
1312 1276 1150 1064 1030 1027 706 695
0,334 1,530 2,100 2,186 1,240 0,996 0,846 1,302
Kilde: NVE
19
Hvis en ikke hadde regulert vannmassene, ville det ikke være lønnsomt å produsere vannkraft uten store prisøkningen Men reguleringen fører også til en del ulemper, for eksempel store inngrep i naturen. Det fører til • at fiske-, plante- og fuglelivet blir påvirket fordi strandsonene til elver og vann, som er ekstra produktive, ofte blir ødelagt • stygge sår i naturen når magasinene er tappet ned • at boliger og hytter som ligger i det aktuelle området, må fraflyttes • en del anleggsbygging som kan påvirke naturen negativt og gi varige sår. Det kan for eksempel være dammer, veier og steinfyllinger Før en begynte med å regulere elver og vann, var det gjerne flom i en del elver om våren når snøen smeltet og en litt mindre flom om høsten når høstregnet kom. Med reguleringen har sjan sene for flom blitt betydelig redusert. I noen elver er vannførin gen nesten borte, og i andre er den mer jevn gjennom hele året. Men en kan aldri sikre seg helt mot en flom. Det fikk vi erfare våren 1995, da det var storflom på Østlandet. Vi fikk da se et eksempel på at naturkreftene kan føre til svært store skader, og at menneskene kan gjøre lite når slike krefter slår til for fullt. Denne flommen førte til at mange boliger måtte fraflyttes, og skader for hundrevis av millioner kroner. Uten regulering ville skadene etter all sannsynlighet ha blitt mye større.
Fyllingsdammer og betongdammer Vannmagasiner kan bestå av flere vann som henger sammen med tunneler. I mange tilfeller blir det bygd store dammer for å holde vannet på plass. Slike dammer kan være av forskjellig konstruksjon. Fyllingsdammer og betongdammer er mest van lige. En betongdam består, som navnet sier, av betong. Avhengig av høyde og lengde kan den ha forskjellig tykkelse, men den er uansett sterkt armert slik at den kan holde vannet på plass og tåle alle tenkelige påkjenninger. En fyllingsdam kan bestå av en steinfylling. Den må i tillegg ha en tetningsmasse som kan bestå av morenemasse, betong eller asfaltbetong. Dammene kan være alt fra små enheter, som nesten ikke synes i terrenget, til store byggverk som dominerer i naturen. I de siste utbyggingene har naturarkitektene blitt flin-
20
kere til å lage dammer som glir bedre inn i naturen enn tidli gere. Nedenfor har vi tatt med tre eksempler på landets største dammer. Ved Blåsjømagasinet ligger både Norges største betongdam og en stor fyllingsdam: Førrevassdammen er en 80 m høy betongdam med lange sidedammer. Dammens samlede lengde er 1,3 km. Ved utbyggin gen ble det brukt 255 000 m3 betong.
Storvassdammen er en 90 m høy fyllingsdam med en samlet lengde på 1,4 km. Ved byggingen gikk det med nesten 10 mil lioner m3 masse. Dammen har en tetningskjeme av asfaltbetong. I tilknytning til Svartisen energiverk ligger Norges største steinfyllingsdam. Det er Storglomvassdammen, som er 120 m høy og 900 m lang. De aller fleste dammene er mye mindre enn dem som vi har nevnt ovenfor, og noen av dem er knapt synlige i terrenget, eller de er plassert på steder der det sjelden ferdes mennesker. I forbindelse med konsesjonsvilkårene blir utbyggerne pålagt å bygge dammene slik at de glir best mulig inn i naturen. En del fyllingsdammer blir også tilsådd slik at de ikke ser ut som store sår i naturen.
Fra magasin til kraftstasjon Fra magasinet går det en tunnel ned til kraftstasjonen, som nå vanligvis blir bygd inn i fjellet. I tunnelen ligger det rør for vanntilførselen. Til de første større kraftstasjonene som lå uten dørs, gikk vannet i rør utenpå fjellsiden fra magasinene til kraft stasjonen.
Tunnelene kan ha flere grinder, ventiler og luker. Grindene er der for at ikke trær, fisk og liknende skal komme inn i anlegget. Ventilene og lukene er der for å kunne stenge av eller regulere vannføringen. I tilknytning til tunnelene ligger det også vanlig vis en svingesjakt som skal ta opp de kreftene som kan oppstå dersom en ventil plutselig stenges eller vanntrykket av en an nen årsak forandres kraftig. Store forandringer i vanntrykket forårsaker store mekaniske krefter som kan ødelegge en del av anlegget dersom det ikke er en form for svingesjakt som kan ta opp disse kreftene. 21
Når vannet ledes i tunneler, blir en del elver tørrlagt, eller de får redusert vannføringen. I konsesjonsvilkårene som kraftutbyggerne blir pålagt av myndighetene, kan det være krav til en minstevannføring i elver eller fosser. Slike vilkår ble for eksempel pålagt utbyggerne av Sima energiverk i Hordaland. De må sørge for at vannføringen i Vøringsfossen er minst 12 mVs i turistsesongen. Denne fossen er med et fritt fall på 183 m en viktig turistattraksjon. Liknende vilkår har også blitt vanlig for elver, slik at de ikke skal bli helt tørrlagt. Det er også vanlig å bygge såkalte terskler i elver med redusert vannføring, slik at de sjelden eller aldri blir helt tørrlagte. En terskel er en kunstig oppbygning i en elv som sørger for at noe vann er igjen i visse områder av elven selv ved liten eller ingen vannføring. Det er de store høydene til vannfallet som gir mest energi, og som gir best utnyttelse av energien. Norges høyeste vannfall (regnet etter tilnærmet loddrett fall) Vannfall
Høyde(m)
Tilstand
300 300 300 275 256 250 210 200 200 171
Utbygd Utbygd Utbygd Varig vernet Utbygd Utbygd Utbygd Varig vernet Varig vernet Delvis utbygd
Tyssetrangen Ringdalsfossen Skykkjedalsfossen Vettisfossen Austerkrokfossen Søre Mardalsfossen Storhoggfossen i Ulla Vedalsfossen Feigefossen Glutrefossen
Konsesjonsgitt (Vernet) 1964 Tyssefaldene A/S 1964 Tyddefaldene A/S 1973 Statkraft 1923 Naturfredningsloven 1966 Elektrokjemisk A/S 1973 Statkraft 1973 Statkraft 1980 Verneplan II 1986 Verneplan III 1973 Statkraft
Kilde: Vassdragslovutvalget
Turbiner Fra tunnelsjakten blir vannet ført videre via dyser inn på turbi nen, som vanligvis er montert loddrett.
Turbinen kan være bygd etter forskjellige prinsipper avhengig av fallhøyder. I neste kapittel skal vi se nærmere på de ulike turbintypene.
Turbinen er koplet mekanisk sammen med en generator som produserer elektrisitet. Den blir så sendt ut på nettet. Før elek trisiteten sendes ut på nettet, blir den transformert opp til spen ninger på opptil 420 kV. I neste kapittel blir du bedre kjent med det utstyret som er i kraftstasjonen. Generatoren blir gjennom gått i kapittel 5 og overføringsnettet i kapittel 8. 22
Vannkraft og økonomi Vannkraftutbyggingen i Norge og vår rikelige tilgang på rela tivt rimelig elektrisitet har vært en medvirkende årsak til vår velstand. Den har også ført til utvikling av industristeder som har oppstått og videreutviklet seg på grunn av tilgangen på energi. Typiske eksempler på slike industritettsteder er Rjukan, Høyanger og Sauda. Det er ingen tvil om at vannkraften har gitt positive virkninger for vår økonomiske velstand. Den gir økonomiske bidrag di rekte til samfunnets pengekasse og indirekte i form av foretak som lever av rimelig strøm. Nedenfor har vi satt opp noen punk ter som viser hvordan vannkraften har ført til vår økonomiske velstand.
• Bransjen har omtrent 20 000 ansatte. Minst like mange er ansatt i bransjer som har leveranser til energiverkene. • Bransjens direkte verdiskapning var i 1993 på nesten 30 mil liarder kroner, og det utgjorde nesten 4 % av Norges brutto nasjonalprodukt. • I 1995 ble det innbetalt disse beløpene i skatter og avgifter fra energiproduksjonen: moms 2,7 milliarder, produksjons avgift 1,5 milliarder, skatter til stat, fylke og kommuner 2,2 milliarder, konsesjonsavgifter til kommuner 0,5 milliarder. Til sammen gav dette 6,9 milliarder til vår felleskasse. • Kommuner og fylker som har energiverk i sitt område, får opptil 10 % av energien til rimelig pris på grunn av konsesjonsvilkårene. • Vi har hvert år fra 1978 til 1995 (med unntak av 1987) solgt store mengder energi til utlandet. Det har gitt landet store valutainntekter. I 1989 og 1990, som var de årene vi ekspor terte mest, solgte vi omtrent 15 TWh hvert år. • Vår energiintensive industri, som vi ikke hadde hatt uten ri melig og tilstrekkelig elektrisitet, skaffet oss i 1995 valuta inntekter for over 30 milliarder kroner og sysselsatte mange tusen personer. • Vår vannkraftutbygging har skaffet oss verdifull ekspertise innenfor dette området. Norske firmaer er verdens ledende blant annet når det gjelder turbiner, generatorer, sjøkabler og dambygging. Det har gitt dem mange verdifulle oppdrag i utlandet og mange arbeidsplasser i Norge.
23
Miljø og vannkraftutbygging I dette kapitlet har vi pekt på en del inngrep som vi må gjøre i naturen for å bygge ut vår vannkraft. Til tross for disse inngre pene regnes vannkraft som den mest miljøvennlige metoden for å produsere elektrisitet om en ser bort fra de alternative energikildene (se kapittel 4), som foreløpig gir veldig lite energi. Dagens utbygginger og moderniseringer tar også mer hensyn til naturen enn tidligere utbygginger. Årsaken til dette er flere, men det er sannsynligvis press fra naturvernerne som har ført til at staten gir konsesjonsvilkår som pålegger utbyggerne å ta mer hensyn til natur og miljø enn tidligere.
Modernisering av eldre anlegg Det foregår en fortløpende diskusjon om vi skal fortsette med å bygge ut vassdragene i Norge, eller om det er andre alternati ver som kan gi ny energi til vårt økende forbruk. Et alternativ er modernisering av eldre anlegg. Ny og moderne teknologi som erstatter eller moderniserer eldre anlegg, kan gi vesentlig større energimengder uten noen nye inngrep i naturen. NVE (Norges vassdrags og energiverk) har beregnet at dersom alle
Figur 1.9 Figuren viser hvor mye energi Hydro Energi fikk i gevinst ved en modernisering av sitt an legg på Rjukan
24
energiverkene ble rustet opp til dagens mest moderne tekno logi, ville det gi oss 13 TWh mer energi. Et godt eksempel på en slik modernisering er Hydro Energis anlegg på Rjukan. Fra Møsvann og ned til Tinnelva har de fem kraftstasjoner. Ved moderniseringen, som stort sett bestod av oppdatering av turbiner og tunneler og en helt ny stasjon, fikk de ut 10,8 % eller over 300 GWh (300 • 106kWh) mer energi.
Små energiverk Små vannfall og små elvekraftverk har fram til i dag vært lite lønnsomme å bygge ut. Årsaken til det er at vi har hatt en rela tivt lav strømpris her i landet, og at slike energiverk har hatt en relativt dårlig virkningsgrad. De siste årene har dette endret seg. Strømprisen er nå på vei oppover, og flere firmaer har la get gode og billige løsninger for små energiverk. Flere grunn eiere har satset på slike anlegg og fått en verdifull ekstrainntekt ved å levere energi til det lokale energiverket. Energiverk i nærmiljøet gjør også sitt til at det blir kortere avstand fra pro duksjon til forbruker, det er med på å minke tapene i overførings linjene.
Figur 1.10 Små energiverk med ulike turbintyper Til venstre se vi en francisturbin, i midten en kaplanturbin og til høyre en S-turbin
Utbygging av små energiverk Med små energiverk menes vanligvis energiverk i størrelsen fra 50 kW til 10 MW (10 000 kW). Vi deler de små energi verkene inn i tre kategorier: mikro for de som er mindre enn 100 kW, mini for de som er fra 100 til 1000 kW og lite for de som er fra 1 til 10 MW. Betegnelsene blir ofte brukt for anlegg der elektrisitetsforbruket er beregnet på lokalt bruk. I de siste tiårene har det vært gjennomført lite utbygging av slike energi verk, men nytenkning og bedre teknologi har ført til at byggin gen av små energiverk igjen har blitt aktuelt. 25
Mange elver er godt egnet for slike små vannkraftinstallasjoner, og det er et stort behov for for økt elektrisitetsforsyning på av sidesliggende steder i i store deler av verden. Kun 5 % av be folkningen som lever i slike områder, har tilgang til elektrisitet fra de nasjonale nettene. Noen firmaer har satset på å bygge ut mindre anlegg i elver og små fossefall. Slike små energiverk har den fordelen at de fører til relativt liten skade på naturen. De bedrer også den lokale tilgangen på strøm og kan derfor føre til mindre behov for store overføringslinjer, som ofte gir store tap av elektrisk energi. For eierne av grunnen kan det også føre til viktige biinntekter.
Totalt er det installert ca. 627 000 MW vannkraft i verden. De produserer ca. 2 300 TWh per år, av dette kommer ca. 80 TWh fra små energiverk. Problemene med de små energiverkene er at investeringene per kilowatt blir ganske høye, ca. 10 00025 000 kroner
De fleste faktaopplysningene i dette kapitlet, som statistikker og liknende, er hentet fra faktaheftet «Energi og vassdragsvirksomheten i Norge 96» med Nærings- og energidepartementet (nå Olje- og energidepartementet) som utgiver.
26
Kontrollspørsmål 1 Hvor mye elektrisk energi blir det produsert i Norge i et gjennomsnittsår? 2 En del av den utbyggbare energien i Norge er fredet. Hvor stor del omtrent er fredet? 3 Gi en kort oversikt over hvilke ulemper regulering av vann og elver kan påføre naturen. 4 Lag en kort oversikt over hvilken betydning kraftutbyggin gen i Norge har for vårt lands økonomi. 5 I Norge er nesten 100 % av vår elektrisitet basert på vann kraft. Hvilke kilder gir mest elektrisitet på verdensbasis?
Arbeidsoppgaver 1 Finn ut mest mulig om vannkraftutbyggingen i ditt eget fylke. Dette er en fin oppgave å gjøre gruppevis ved at hver gruppe tar for seg hvert sitt emne. Spørsmål dere bør finne svar på ved en slik oppgave, kan blant annet være følgende: a Når ble den første kraftstasjonen bygd, og hvordan har den historiske utviklingen innenfor vannkraftutbyggingen vært? b Hvor mye energi blir produsert og forbrukt i ditt fylke? c Hvor stor del av vassdragene er utbygd, og hvor stor del er fredet? d Er det industri eller kommuner som vannkraften har spe siell positiv innvirkning på? e Er det natur som har blitt spesielt påvirket av vannkraftutbygging? Ta helst opp flere temaer enn dem vi har nevnt, ved fylkets vannkraftutbygging. Svarene på oppgaven kan bli presentert i en skriftlig rapport eller ved en enkel muntlig framføring for hele klassen. 2 Ved noen større kraftverkutbygginger har det vært sivil uly dighet i form av demonstrasjoner og hindring av arbeid. De største aksjonene foregikk ved Mardøla og ved Alta, der ak sjonistene lenket seg sammen foran anleggsmaskinene og måtte fjernes med makt av politiet. Disse aksjonene fikk store medieoppslag. Hva er din mening om sivil ulydighet? Skal den straffes hardt, 27
3 4
5
6
7
8
9
28
eller skal vi være glad for at vi har engasjerte mennesker som bryr seg om naturen vår? Skriv et forslag til et innlegg i en avis der du sier din mening om dette emnet. Undersøk om det er regulering av vassdrag som har hatt stor innvirkning på naturen i ditt fylke. Lag en rapport om dette. Ta for deg en vassdragsregulering og finn ut mest mulig om dammens størrelse, konstruksjon og så videre, og hvilke for holdsregler som er tatt mot ulykker. Er det fosser eller elver i ditt fylke som har fått redusert vann føring? Undersøk om det er gjort noe for å bøte på skadene som redusert vannføring kan føre til. Ting som kan være gjort, kan blant annet være: minstevannføring, terskelbygging, ut setting av fisk og så videre. Dette kapitlet gir bare en kort orientering om ulike turbintyper. Del klassen inn i grupper slik at hver gruppe finner ut mest mulig om sin turbintype og orienterer resten av klassen om dem. På Internett er det lagt ut en del statistikk om energiforbruk og energiverk, blant annet hos Statistisk sentralbyrå. Hent ut flest mulig slike opplysninger, som kan supplere de opplys ningene som ellers er gitt i dette kapitlet. Har du noen ideer om hvordan en kan redusere den store forskjellen i verdens energiforbruk, eller mener du det er i orden at vi i Norge bruker ti ganger så mye energi per person som de gjør i Afrika og store deler av Asia. Begrunn svaret ditt. Statistisk sentralbyrå gir ut en mengde offisielle statistikker innenfor energisektoren. Statistikkene kommer ut i måned lige og årlige publikasjoner, som du blant annet kan finne på biblioteket. Bruk disse publikasjonene og sett deg best mu lig inn i blant annet disse emnene: a Forbruk og utbygd energi i et historisk perspektiv b Strømforbruk fordelt på årets måneder. c Antall generatorer og linjer som er bygd ut. d Kjøp og salg av energi til og fra utlandet. e Strømprisenes utvikling i de siste 20 årene. f Forbruk av energi i Norge fordelt på ulike typer forbrukere. g Bruk statistikken og legg verdiene inn i et regneark for å få dem ut som kurver.
2 Vannkraftstasjon
Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du • kjenne til hvilke deler som inngår i en kraftstasjon • kjenne til de viktigste elektriske delene i en kraftsta sjon • kunne forstå skjemaer som viser noe av det elek triske anlegget i en kraftstasjon
29
Oppbygning
På grensen mellom Brasil og Paraguay lig ger verdens største vannkraftverk. Instal lert effekt er 12,6 GW.
Som eksempel på hvordan en kraftstasjon kan være bygd opp, skal vi se nærmere på en prinsippskisse av en høytrykkskraftstasjon. Vannveien i den kan se slik ut:
Figur 2.1
Siden naturen er veldig forskjellig fra sted til sted, kan anleg gene være bygd opp noe forskjellig, men de har som regel mange prinsipielle likheter.
Vannmagasinet eller reguleringsmagasinet kan bestå av flere vann som henger sammen i elver eller tunneler eller en kombinasjon av dette. Til sammen utgjør disse vannene sammen med elver og bek ker energiverkets nedbørsområde. Området dette ligger i, kaller vi også anleggets nedslagsfelt, og det er en fordel at det er størst mulig. 2 Når vannmagasinet når sitt HRV-punkt (punktet for høyeste regu lerte vannstand), må en slippe ut vann. Det gjør en vanligvis gjen nom luker i dammen og ikke som overvann over dammen. Vannet blir som regel sluppet ut i det gamle elveløpet, eller det kan bli ført i tunnel til sideliggende elveløp. Slike vannutslipp ser en på som tap, og en prøver å regulere slik at en unngår det. Vannutslipp kan også være aktuelt dersom utbyggeren er pålagt å holde en viss minstevannføring i henhold til konsesjonsbetingelsene. 3 Før vannet blir sluppet inn i tilførselstunnelen, går det gjennom en grovva regrind, som skal hindre at større gjenstander som fisk, kvis
1
30
ter, tømmer og stein kommer inn i vannveien. De kan gjøre stor skade på blant annet ventiler, rør og turbiner. 4 Inntaksluken er der for å kunne stenge for vannet under reparasjo ner, revisjoner og inspeksjoner av rør- og tunnelsystemet. 5 Tilløpstunnelen fører vannet fra dammen til trykkrøret. Geogra fiske forhold avgjør om det er en kort eller en lang tilløpstunnel. 6 I tilknytning til tilløpstunnelen ligger det vanligvis en svingesjakt som opptar de mekaniske kreftene som kan oppstå ved store for andringer i vanntrykket. Store trykkforandringer kan forekomme ved brudd eller plutselig stenging av ventiler. 7 Sandfanget har til oppgave å samle småstein og sand før det kom mer inn i rørgaten. Med den store hastigheten vannet har, kan sand korn og småstein gi store slitasjeskader på ventiler, rør og turbiner, og en prøver å fange dem opp før de går inn i systemet. Sandfang kan være utført på mange måter, en metode er, som antydet på figur 2.1, å utvide tunnelen. I denne utvidelsen blir vannhastigheten redusert, og sand faller til bunnen i sandfanget, som en må rense med jevne mellomrom. 8 Finvaregrinden skal fange opp de gjenstandene som grovvaregrinden og sandfanget ikke stopper. 9 Rørbruddsventilen skal lukke automatisk når vannhastigheten over stiger en viss verdi, for å minske skader som kan oppstå. Den blir også brukt til å stenge av vannet når en skal utføre inspeksjoner eller revisjoner. 10 Trykksjaktene er rør som fører vannet ned til selve kraftstasjonen. De ligger i en tunnel slik at en kan inspisere og eventuelt vedlike holde dem. De må blant annet være mest mulig glatte innvendig slik at det blir minst mulig energitap når vannet renner gjennom dem. 11 Stengeventilen er en ventil som en bruker til å stenge av vannet mot turbinene når den ikke er i drift. 12 Turbinen må en velge ut fra vannmengde og fallhøyde. Litt foren klet kan vi si at en velger en peltonturbin ved store fallhøyder, en francisturbin ved mellomstore høyder og en kaplan- eller rørturbin ved små fallhøyder. Vannet blir ført mot turbinens skovler via ledehjul. Her foregår reguleringen slik at det blir riktig vannmengde i forhold til generatorens belastning. 13 Sugerør er der for at en skal kunne utnytte mest mulig av vann fallet. Uten dette hadde en tapt noen meters fallhøyde på vannet, og det kunne gitt et stort energitap. Når vannet ikke blir sluppet rett ut i avløpet, men går gjennom et sugerør, blir det sugd gjen nom turbinen, som da blir mer effektiv. 14 Sugerørsluken har til formål å kunne stenge vannet ute ved revi sjoner og reparasjoner. 31
Figur 2.2 De elektriske delene i en kraftstasjon
1
2
3
4
5
32
Generatoren i de fleste høytrykksstasjonene er saktegående og mon tert vertikalt. Generatorens virkemåte blir gjennomgått i neste kapit tel. Rommet der generatorene er plassert, kaller vi maskinhallen. Her er det ofte en stor heisekran på grunn av de store dimensjonene på ge neratoren. Kontroll- og styringsanlegget var tidligere vanligvis plassert i nær heten av maskinhallen slik at en kunne se på anlegget derfra. 1 nyere anlegg kan en fjernstyre hele stasjonen. Styringsanlegget kan ligge mange mil fra selve stasjonen. Transformatoren er her fordi generatoren gir en spenning på maksi malt 22 kV. Så lav spenning gir store tap ved lange overføringer. En transformerer derfor spenningen opp til for eksempel 300 eller 420 kV. Koplingsanlegget må til for kopling og måling av alle utgående lin jer. Det består blant annet av skinner, brytere og måletransformatorer
=SE1=S1 Samleskinne A 132 kV
=SE1=S1 Samleskinne B 132 kV
Figur 2.3 En grovskisse som viser de lene i kraftstasjonen med elektrosymboler
1
2 3
4
5
6
Vannveien. Bare to ventiler. VI og V2, er inntegnet. Pl angir turbi nen, og den stiplede streken viser at den er koplet mekanisk til generatoren. Dette er symbolet for en generator med magnetisering. Dette er generatorens magnetiseringssystem, det blir forklart i neste kapittel. Mellom generatoren og transfor matoren ligger det en ejfektbryter og en skillebryter og spenningsog strømtransformatorer for måling og kontroll. Energitransformatoren gir ønsket spenning ut på samleskinnene. Ønsket spenning kan være opptil 420 kV Koplings- og skinneanlegg. For å få en mest mulig sikker strøm forsyning er det to skinne sett som blir koplet ut og inn av effektbryteren og skillebryteren.
En del steder kan de spenningsførende delene legges til jord. Det er påbudt å gjøre det ved blant an net arbeid på anlegget. Vi skal se litt nærmere på noen av kraftstasjonens mest vitale deler.
En kraftstasjons teoretiske ytelse kan vi regne ut ved hjelp av formelen P = 9,8 • H- Q- r] der H er loddrett vannfall i meter, Q er vannmengde i m/s, og ryer stasjonens virkningsgrad.
33
Turbin er en avledning av det latinske or det turbo, som betyr virvel eller omdrei ning.
Turbiner I prinsippet kan en dele turbinene inn i to typer: ogfullturbiner.
Fristråleturbin En fristråleturbin, eller partialturbin og impulsturbin, som vi også kaller den. har skovler som de gamle kvernkallene. Ty pisk for den er at vannet blir ledet i flere stråler (fra to til seks) mot skovlene til turbinen. Peltonturbinen er stort sett den eneste typen som er i bruk av fristråleturbinene. Den er enerådende ved store fallhøyder fra omtrent 600 m og oppover. De fleste peltonturbinene blir montert med en vertikal aksel og har opp til seks strålerør. Vannforbruket, eller pådraget, som det heter i faget reguleringsteknikk, blir regulert ved hjelp av en ventil (eller dyse) i hvert strålerør.
Turbinen har fått navnet etter Lester Pelton. En av Peltons vik tige oppdagelser var at han fikk mer effekt ut av turbinen der som vannet traff på siden og ikke midt på skovlen. Derfor lager en denne turbinen med to skovler, og vannet treffer begge to, se figur 2.4. Figur 2.4 Verdens største peltonturbin produ sert av Kværner Energy A/S. Turbinen har en effekt på 315 MW og er installert i Sy-Sima kraft verk i Eidfjord
Figur 2.5 Snitt av en femstrålet peltonturbin. 1 Stengeventil og innløp, 2 Nålservo, 3 Løpehjul med skovler, 4 Turbinaksel
34
Fullturbin En fullturbin er kjennetegnet ved at hele vannveien er fylt med vann. Av fullturbiner er det flere typer i bruk, og en velger hvil ken type en skal bruke ut fra blant annet fallhøyde og vann mengde. De mest brukte typene er • francisturbinen, som blir brukt ofte ved fallhøyder fra 30600 m. Francisturbinen blir vanligvis montert med vertikal aksel ved store høyder og med horisontal aksel ved lave fall høyder. Denne turbinen har skovler i likhet med pelton turbinen. men forskjellen er at her går alt vannet samlet inn på skovlene og ikke via strålerør som på peltonturbinen • kaplanturbinen blir ofte brukt ved fallhøyder opptil 30 m og ved store vannmengder som i elvekraftverk. Kaplanturbinen har ikke skovler, men en «propell» som blir drevet rundt av vannføringen. Reguleringen kan her foregå blant annet ved at propellen har vridbare vinger som en kan vri i takt med belastningen og vannføringen for å få best mulig effekt • rørturbinen, som blir brukt ved fallhøyder fra 5-20 m. Rørturbinene blir montert horisontalt direkte i vannstrømmen.
Rørturbiner finnes i flere utforminger tilpasset ulike vann mengder og fallhøyde bulbturbinen. Det er en type rørturbin som blir brukt ved de laveste fallhøydene. Den har fått sitt navn fordi generatoren og deler av turbinanlegget er plassert inne i en kuppel, eller bulb (bulb er det engelske ordet for lyspære)
Figur 2.6 Snitt av en francisturbin for middels fallhøyde. 1 Innløp, 2 Ledeapparat, 3 Løpehjul, 4 Utløp (sugerøret), 5 Sikkerhetsventil
Figur 2.7 Snitt av en kaplanturbin
Figur 2.8 Snitt av en bulbturbin
Figurene 2.5 - 2.8 viser de forskjellige typene og kan gi et bedre inntrykk av vir kemåten enn en teoretisk forklaring. 35
De mest brukte turbinene har fått sitt navn etter dem som først konstruerte dem; en gelskmannen James Francis konstruerte sin i 1855, amerikaneren Lester Pelton konstruerte sin i 1870, og østerrikeren Viktor Kaplan konstruerte sin i 1912. Turbi nene er selvfølgelig forbedret siden den tid, men grunnprinsippene er de samme.
Bak utformingen av de nyere turbinene ligger store teoretiske beregninger som er gjort i datamaskiner. Riktig utforming gir bedre effekt og dermed mindre tap. Derfor kan det være lønn somt å oppgradere eldre energiverk ved for eksempel å bygge om eller byttet ut turbinen.
Vannmengde, innstilling av strålerør, innstilling av propellblader og så videre blir gjort av en turbinregulator. Den virker på samme måten som regulatorene du lærer om i faget automati serte anlegg. Turbinregulatoren får for eksempel inn et signal om turtall og effektbelastning og behandler disse dataene og gir de nødvendige signalene til turbinutrustningen. Regulato ren kan være en egen enhet, men er ofte integrert i en prosessdatamaskin som styrer hele anlegget.
Ventiler og luker Uttrykkene ventil og luke kan ofte gå om hverandre. De blir begge brukt til å stenge av eller åpne for vannet. En bruker ofte luker ved dammen og i tunneler og ventiler i rør. Ventilene og lukene kan være av forskjellige typer og dimensjoner. Felles for alle typene er at en må dimensjonere dem slik at de tåler store fysiske belastninger, og at de må ha en sikker styrings mekanisme. De blir ofte styrt ved hjelp av hydraulikk på grunn av de store kreftene som må til for å få utført lukke- og åpnebevegelsene.
Figur 2.9 Ventiler
36
Kontroll og styring Tidligere var det vanlig at kraftstasjonene ble styrt fra et kontroll rom som lå i tilknytning til maskinhallen, og styringen var mer eller mindre manuell. Utviklingen har gått mot mer og mer au tomatiserte kraftstasjoner, og kontrollrommet har blitt lagt uten for maskinhallen. Utviklingen her kan vi sammenlikne med den som har skjedd innenfor det meste av den automatiserte prosess industrien. Den har gått fra reléstyringer via PLS-er og så til styring ved hjelp av prosessdatamaskiner. Disse datamaskinene kan kommunisere med andre datamaskiner i andre energiverk slik at en kan utnytte anleggene best mulig. De kan også kom munisere med underordnede enheter, som en PLS eller en re gulator.
Denne utviklingen har ført til en rekke fordeler, for eksempel • et sikrere anlegg • en mer effektiv drift • lite tungt arbeid for operatørene • kontrollrom med dagslys i stedet for innelukkede rom i fjel let • bedret lønnsomhet Men denne utviklingen har dessverre også en negativ side: Det blir nemlig behov for færre folk. Det er lite vi kan gjøre med en slik utvikling. Vi er en del av et internasjonalt marked, og det gjør at vi må effektivisere på de fleste områdene slik at vi kan henge med i konkurransen. For å klare det lager vi ofte en fel les driftssentral (kontrollrom) for flere kraftstasjoner slik at vi kan styre dem fra ett sted. Et eksempel på dette er driftssentralen som Statkraft har i Dalen, og som ble åpnet i 1995. Fra den kan en styre 14 aggregater i 8 forskjellige kraftstasjoner, og sentra len er klargjort for å kunne styre ytterligere 2 stasjoner. Ved hjelp av en slik sentralisering kan 7 personer overvåke, kon trollere og styre 10 kraftstasjoner døgnet rundt.
En slik moderne driftssentral koster nesten 50 millioner kro ner, men en regner med at dette er innspart på mindre enn fem år fordi den utnytter vannressursene 1-2 % bedre enn tidligere anlegg, og fordi en sparer penger på grunn av redusert beman
ning. Kommunikasjonen mellom de ulike stasjonene kan foregå på forskjellige måter, for eksempel ved
37
=SE1=S1 SAMLESK A
=SE1=S2 SAMLESK.B
132kV
132kV
Figur 2.10 Figuren viser en skisse over overvåknings- og kontrollanlegget. Symbolene for instrumenter og måle- og verneutstyr er vist med en firkant eller sirkel. Bokstaven inne i den forteller hva som blir målt. Blant annet blir disse bokstavene brukt: P Q U I f n t
= = = = -
aktiv effekt reaktiv effekt spenning strøm frekvens turtall temperatur
For måletransformatorene på skjemaet er det oppgitt deres forbruk, omsetningsforbruk og klasse (nøyaktighet). For bryterne er det oppgitt deres nominelle bryteevne og maksimale kortslutningsstrøm. For transformatoren er det oppgitt dens effekt, omsetningsforhold og kopling.
• bruk av Telenors linjer • eget sambandsnett som telekabel, fiberoptikk eller koaksial kabel • radiosamband via egne sendere eller via satellitt
38
Alle de nevnte metodene er i bruk ved kraftstasjoner i Norge. I prinsippet er denne typen kommunikasjon lik den du lærer om i faget signal og kommunikasjon, derfor går vi ikke nærmere inn på det her.
Transformator og koplingsanlegg Dersom vi skal transportere strømmen over lengre avstander, må vi ha en transformatorstasjon (transformatorstasjon) med et koplingsanlegg i nær tilknytning til kraftstasjonen, fordi energi overføringer er mer lønnsomme ved høye spenninger. Forkla ringen på det finner vi ved å se på denne formelen:
/=
P U-\3cos cp
Av formelen kan vi se at ved økende spenning blir strømmen tilsvarende lavere. Når strømmen minker, blir alle tap i overfø ringene lavere, og alt materiell kan også dimensjoneres for en lavere strøm, noe som igjen gir et rimeligere anlegg. De største spenningene som er i bruk i Norge, er 66 kV, 132 kV, 220 kV, 300 kV og 420 kV. I utlandet bruker en enkelte steder spennin ger på over 1000 kV. Av sikkerhetsmessige og konstruksjonsmessige årsaker ligger ofte store deler av transformator- og koplingsanlegget i friluft. Transformatoren og overføringsanlegget (distribusjonsanlegget) blir gjennomgått i andre kapitler. For at vi skal ha en sikker strømforsyning, består skinneanlegget på figur 2.11 av to skinnesett. Det er en effektbryter og en skillebryter på begge sidene av dem. Anlegget har tre strømtransformatorer som hver har to kjerner, den ene blir brukt til må ling og har ofte en nøyaktighet på 0,2-0,5 %, og den andre blir brukt til vern og har ofte en nøyaktighet på 3 %.
Det er tre spenningstransformatorer. De har to kjerner på samme måten som strømtransformatorene. I kapitlet om stasjoner kan du se hvordan vern og måleinstrumenter blir tilkoplet, og i ka pitlet om målinger lærer du mer om strømtransformatoren. 39
Figur 2.11 Figuren viser deler av kontrollanlegget og bry tere for linjen som går fra kraftstasjonen og ut på nettet
Elvekraftverk Den beskrivelsen som vi har gitt ovenfor, gjelder et såkalt høytrykkskraftverk med reguleringsdammer og tilførselstunneler. Bortsett fra reguleringsdammer og tunneler kan vi i prinsippet si at lavtrykkskraftverk, eller elvekraftverk, er bygd etter de samme prinsippene. De er imidlertid som regel mindre slik at dimensjonene på materiellet blir mye mindre, men de består altså av stort sett de samme enhetene. I et elvekraftverk er det vanligvis færre luker og ventiler i vannveien.
40
Figur 2.12 Eksempel på et typisk elvekraftverk
Kontrollspørsmål 1 Lag en tegning som viser vannløpet fra reguleringsmagasinet og forbi tunnelen, og sett navn på alle delene.
2 Forklar forskjellen på en fri stråle- og fullturbin.
3 Av turbiner finnes blant annet disse typene: pelton-, kaplan-, francis- og rørturbin. Lag en kort oversikt over hvor du vil bruke de forskjellige typene. 4 Hvorfor blir spenningen transformert opp når den sendes fra kraftstasjonen og ut på nettet?
5 Den tekniske utviklingen har ført til at flere og flere kraft stasjoner er ubetjent og blir styrt fra driftssentraler. Hvilke fordeler og ulemper har denne utviklingen?
Arbeidsoppgaver 1 Ta for deg en utbygging i ditt fylke og tegn en skisse som viser hvilke deler vannveiene i denne utbyggingen består av.
2 Arranger et besøk i en kraftstasjon og skriv en rapport med forklaring av dens enkelte deler. 41
3 Varmeenergiverk
Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du • kunne forklare prinsippet for oppbygningen til varme energiverk • vite hvilke typer varmeenergiverk som er i bruk • kjenne til hvordan varmeenergiverkene påvirker miljøet
42
Innledning Et varmeenergiverk er, som navnet sier, et energiverk som ut nytter varme fra for eksempel brensel og omformer denne var men til elektrisk energi. Varmeenergiverk er lite i bruk i Norge, men er mye i bruk i våre naboland. I Danmark produserer de for eksempel over 90 % av den elektriske energien i varme energiverk.
De mest vanlige varmeenergiverkene baserer sin oppvarming o pa • kull • gass • olje • kjerneenergi Litt forenklet kan vi si at de fleste varmeenergiverkene virker etter dette prinsippet:
Vann blir varmet opp til det går over til damp. Når det skjer, utvider vannet seg, og det oppstår et damptrykk. Dette damp trykket driver én eller flere turbiner rundt, og disse turbinene er mekanisk koplet til en generator som produserer strøm. Dam pen blir så avkjølt for at den skal kondensere, det vil si at den går tilbake til sin opprinnelige form som vann igjen. Denne avkjølingen fører til at vi får et overskudd av varme som kan bli brukt i etfjernvarmeverk. Det leverer varme i form av varmt vann til for eksempel nærliggende industri, boliger og svømme hallen Det varme vannet blir transportert gjennom godt iso lerte rør fram til mottakerne. Se figur 3.1.
Kullenergiverk Kullenergiverket er et varmeenergiverk som bruker kull som brensel. Kull blir brukt fordi det er relativt rimelig, og fordi det er svært mye kull i verden. Med dagens forbruk og dagens kjente kullforekomster vil en kunne bruke kull i flere hundre år fram over. Men kullenergiverk fører til store utslipp av skadelige stoffer. De har en negativ innvirkning på naturen og miljøet. Et kullenergiverk slipper ut store mengder SC\. CO,, og NO. Hvor mye et kullenergiverk slipper ut, avhenger av hvor god for43
Ifølge Miljøverndepartementet kommer 90% av den sure nedbøren i Norge fra utlandet (25 % fra Storbritannia). Det meste av den kommer fra varme energiverk basert på kull.
CO2 (karbondioksid) er en gass som blir frigjort ved blant annet forbrenning av olje, kull og gass. Karbondioksid bidrar til driv huseffekten. SO2 (svoveldioksyd) er en fargeløs gass som blir dannet når svovel brenner. Svovel finnes i blant annet kull og olje. Denne gassen reagerer med vann og oksygen til svovelsyre og er en av ho vedårsakene til den sure nedbøren. NOx er en samlebetegnelse for NO (natriumoksid) og NO2 (natriumdioksid). NOx blir dannet ved forbrenning av fossilt brensel og bidrar til den sure nedbøren.
brenning og hvor gode renseanlegg det har. Men selv de mest moderne kullenergiverkene forårsaker store utslipp. Forskere har funnet ut at utslippene av SO,og NO fra kullenergiverk og tilsvarende industri i Europa er årsaken til 80-90 % av den sure nedbøren i Norge. Den har blant annet ført til sure vann og fiskedød i store deler av landet vårt. I tillegg mener de fleste forskerne at utslipp av CO, fører til den såkalte drivhuseffek ten, som kan påvirke klimaet i framtida. Kullenergiverkene gir også fra seg en del støvutslipp som virker negativt på omgivel sene.
Typiske utslipp for et moderne kullenergiverk er • CO,: 830 000 tonn • SO, : 600tonn • NOx: 600tonn • Støv: 150tonn Tallene er per produsert terrawattime.
Figur 3.1 Figuren viser en prinsippskisse for et kullfyrt varmeenergiverk
Det kullfyrte varmeenergiverket på figur 3.1 virker slik: Kullstøv blir blandet med luft i riktig forhold for å gi best mu lig forbrenning og blir ført inn i forbrenningsovnene.
Avgassene går gjennom flere renseprosesser før de slippes ut i friluft gjennom store piper.
Under forbrenningen blir vann varmet opp og blir til damp som 44
Virkningsgraden til et energiverk sier noe om hvor mye av energien som blir utnyt tet. Varmeenergiverk som slipper ut mye varme til omgivelsene, har en dårlig virkningsgrad.
går i et lukket system gjennom turbinene og kondensatorene. Det blir styrt av ventiler og pumper. Siden dampen går i et luk ket system, blir det et høyt damptrykk. Dette trykket blir brukt til å drive turbinene rundt. For å utnytte energien best mulig kan det være flere turbiner i slike anlegg. Den første kaller vi en høytrykksturbin og den andre en lavtrykksturbin.
Dampen blir så kondensert, og dersom en utnytter denne var men gjennom en varmeveksler, kan anleggets virkningsgrad bli vesentlig forbedret. Slik varme kaller vi fjernvarme eller spillvarme, og anlegget som utnytter denne energien, kaller vi fjernvarmeverk.
Forurensning og dårlig virkningsgrad er de negative siden av kullbaserte varmeenergiverk. Når spillvarmen ikke blir utnyt tet, er virkningsgraden under 50 %, og med utnyttelse av spill varmen er den på de beste anleggene snaut 60 %. Teknologien går imidlertid raskt framover på dette området, og en håper på å oppnå en bedre utnyttelse av energien i slike energiverk. Men i hele Europa er det bare 6-7 % av elektrisitetsproduksjonen i varmeenergiverk som utnytter fjernvarmen. Danmark er ett av de landene som utnytter dette best. Der blir mye av denne var men utnyttet i småindustri og husholdninger. Dersom en utnyt ter energien i kull direkte, for eksempel til oppvarming, uten først å gå veien om elektrisitetsproduksjon, vil virkningsgraden være vesentlig bedre.
Oljebasert energiverk Et varmeenergiverk basert på olje virker etter nøyaktig det samme prinsippet som et kullfyrt energiverk. Olje er mye mind re brukt enn kull på grunn av prisen, men har den fordelen at den gir en reinere forbrenning og dermed mindre utslipp enn kull. Olje blir i en del tilfeller blandet med trevirke, bark og andre avfallsprodukter i mindre varmeenergiverk.
45
Gassenergiverk Et gassbasert varmeenergiverk kan ha nøyaktig den samme vir kemåten som et kullbasert, men er ofte noe annerledes. Årsa ken til det er at en kan utnytte gassen i flere trinn. I det første trinnet blir gassen utnyttet som i en jetmotor, som også er en forbrenningsmotor. Jetmotoren driver så en turbin rundt. Jetmotoren avgir eksos med høy varme, og den kan en utnytte til oppvarming av vann, som så blir til damp under høyt trykk. Denne dampen kan en utnytte i flere trinn, vanligvis to, én høy trykks- og én lavtrykksturbin som er mekanisk koplet til hver sin generator. Kjølevannet som blir brukt til kondensering av dampen, kan en bruke i et fjernvarmeanlegg.
Et gassenergiverk med full utnyttelse slik som vi har skissert, er nå under planlegging på Kårstø. Figur 3.2 viser en prinsipp skisse for dette anlegget. Dersom en greier å utnytte dette fullt ut, vil anlegget få en teoretisk utnyttelse på mellom 80 og 85 % ifølge utbyggerne, men en del skeptikere til anlegget mener dette tallet er for høyt. Likevel utnytter et gassenergiverk ener gien mye bedre enn et kullenergiverk.
Figur 3.2 Prinsippskisse for gassenergiverket som er planlagt på Kårstø
46
Fordeler ved gassenergiverk Investeringer og driftskostnader ved gassenergiverk er mindre enn ved kullenergiverk. Et moderne gassenergiverk har også atskillig mindre utslipp enn et kullenergiverk. Forbrenning av gass fører ikke til utslipp av SO2, sot eller støvpartikler slik som et kullenergiverk gjør. CO2-utslippene blir halvert, og NOxutslippene blir omtrent 70 % lavere enn i et kullenergiverk. Ut fra disse positive virkningene skulle en tro at det var fullsten dig enighet om bygging av gassenergiverk i Norge, men det er ikke tilfellet. Årsaken til uenigheten er at regjeringen har ved tatt en målsetting om at CO,-utslippet i Norge ikke skal være større i år 2000 enn det var i 1989. Fra 1989 til 1995 økte disse utslippene med 7 %, og med en utbygging av gassenergiverk blir det umulig å nå dette målet. Utbyggernes argumenter er at norsk gassenergi kan erstatte kullenergi i våre naboland og der med redusere de negative utslippene totalt sett. Bruken av gass som energikilde er ikke noe nytt i Norge. Det første gassverket ble dannet i Oslo (eller Kristiania, som det het da) allerede i 1848. Gassen ble da brukt direkte til belys ning og ikke omdannet til elektrisk energi først. Senere ble den også brukt til oppvarming og matlaging. I utlandet er det frem deles vanlig å bruke gass direkte til oppvarming og matlaging. Det gir en bedre utnyttelse av energien enn om en først skal bruke gassen til å produsere elektrisitet og så bruke denne til oppvarming. Da går energien gjennom flere ledd som gir tap.
Kjerneenergi verk Varmeenergiverk basert på kjerneenergi, eller atomenergi, som vi også kaller det, finnes ikke i Norge, men er utbredt i resten av verden. Kjerneenergi står for hele 17 % av verdens elektrisi tetsproduksjon. Den første atomreaktoren ble satt i drift i USA i 1942. Den ble ikke brukt til elektrisitetsproduksjon, men til eksperimentelt bruk og hadde bare en ytelse på omtrent 200 W. Det første litt større energiverket ble bygd i Sovjetunionen i 1954 og hadde en ytelse på 5 MW. I 1956 ble det første kom mersielle kjerneenergiverket satt i drift i England. Det kunne gi en effekt på 85 MW.
I Norge ble det startet en kjernereaktor i 1951 på Kjeller og en i 1957 i Halden. Disse reaktorene blir brukt til forskning, blant
47
annet innenfor medisin og styring, kontroll og sikring av kjerneenergiverk. Flest atomreaktorer er det i USA, Frankrike og Ja pan, men også våre naboland Sverige, Finland og Russland har slike anlegg. Ved årsskiftet 1995/1996 var det totalt 438 reak torer i drift i verden, og 43 nye var under bygging. Frankrike er ett av de landene som har gjort seg mest avhengig av atom energi, og strøm produsert i slike energiverk står for omtrent 75 % av landets strømforbruk.
Et atomenergiverk virker på samme måten som et kullbasert varmeenergiverk ved at vann varmes opp og blir til damp som så driver en eller flere dampturbiner som er koplet til generato rer som gir strøm. Men varmen oppstår på en annen måte enn i de kullfyrte varmeenergiverkene. Varmeutviklingen foregår i en reaktor som produserer varme etter forskjellige prinsipper, for eksempel ved fisjon (en delingsprosess). En annen form for kjerneenergi blir produsert ved fusjon (en sammensmeltningsprosess). Dette blir bare brukt i hydrogenbomber.
Uran er et grunnstoff som ble oppdaget av den franske kjemikeren E. Peligot i ca. 1850. I 1896 oppdaget den franske fysi keren A.H. Becquerel de radioaktive egen skapene i uran. Stoffet forekommer ikke reint i naturen, men i små mengder i berg arter og sedimenter.
Figur 3.3 Prinsippskisse for et kjerneenergiverk
Fisjonsprosessen En fisjon er en kjernefysisk spaltning (deling) som foregår i uran-235. Slik spaltning frigjør store mengder energi i form av varme etter samme prinsippet som i en atombombe. Spaltnin gen må foregå i kontrollerte former, derfor setter en kont roll staver ned i reaktoren. De har den egenskapen at de opptar nøy tronene under spaltningen. Uten slike kontrollstaver ville en fått en atomsprengning, og styringen av prosessen er derfor svært viktig for sikkerheten. 48
Selve prosessen foregår slik: Uran-235 (U-235) inneholder pro toner og nøytroner. Når et nøytron kolliderer med U-235-kjernen, blir denne ustabil og deler seg i to deler. Denne delingen frigjør energi i form av nøytroner og gammastråler, det kaller vi en kjernefysisk spaltning.
Under spaltningen blir materialet omgjort til energi ifølge Einsteins relativitetsteori (E = mc2f Denne spaltningen frigjør store mengder energi. Det oppstår en kjedereaksjon når nøy troner fra en spaltning kolliderer med andre kjerner som igjen deler seg. Tungtvann blir brukt som moderator i noen typer atomreaktorer og inneholder stoffet deuterium (D) i stedet for hydrogen (H2O = vann, D2O = tungtvann). Norge har i mange år vært en stor produsent av tungt vann. Tungtvann blir laget av vanlig vann. Ca. 100 000 liter vann gir 1 liter tungtvann ved elektrolyse og bruk av store mengder energi.
Kontrollstavene som står i reaktorene, er av stoffene bor eller kadmium. De kan absorbere nøytroner og kan dermed sørge for at prosessen foregår i kontrollerte former. En starter proses sen ved å trekke kontrollstavene opp for så å justere dem til riktig nivå for å få en kontrollert prosess. Kontrolleringen av prosessen kan en også gjøre ved hjelp av grafitt og tungtvann i reaktoren.
Fordeler og ulemper ved kjerneenergi Det har vært flere små og noen større ulykker med atomenergiverk. De mest kjente er Harrisburg-ulykken i USA i 1970-årene og Tsjernobyl-ulykken i 1986. Tsjernobyl-ulykken var den ab solutt verste, og 10 år etter at den skjedde, er det ingen som vet konsekvensene av den med hensyn til antall dødsfall og antall sykdommer den har forårsaket. Denne ulykken viste også at utslippene spres på tvers av landegrensene, og i Norge er det fremdeles områder som er forurenset av radioaktivt nedfall fra denne ulykken. Det har foregått og foregår en diskusjon om fortsatt utbygging av kjerneenergiverk, eller om de skal nedlegges. I Sverige er det vedtatt at de skal nedlegges innen år 2010, men siden de står for en stor del av landets elektrisitetsproduksjon, vil dette få store økonomiske konsekvenser. Derfor tror mange at dette vedtaket vil bli omgjort. Tilsvarende diskusjoner foregår i flere land i Europa og i USA, og planer om nye reaktorer ser ut til å bli lagt på is i disse landene. I Asia ser det derimot ut til at det vil bli bygd stadig flere slike anlegg. Under debatten om kjerneenergiutbygging går disse argumen tene ofte igjen:
49
Fordeler: • Kjerneenergi fører ikke til de samme utslippene som gassog kullenergiverk. • De fleste reaktorene har innebygd en mengde sikkerhetsruti ner for å redusere sjansen for ulykker. • En rekke land er avhengig av mye elektrisitet, og det vil bli økonomisk kaos ved rask nedlegging. • Den radioaktive strålingen som kommer fra et kjerne energiverk, er svært liten i forhold til den naturlige strålin gen som finnes på jorden. Ulemper: • Kjerneenergi produserer avfall som forblir radioaktivt i flere hundre år. En har foreløpig ikke funnet sikre metoder for lagring av dette avfallet. Bare i USA finnes det 30 000 tonn med høyradioaktivt avfall. • Menneskelig eller teknisk svikt kan føre til havarier som gir store skader, som i Tsjernobyl. • En kan aldri sikre seg mot små lekkasjer, som kan gi radio aktivt grunnvann og drikkevann. • En mengde kjerneenergiverk (spesielt i Øst-Europa) er nå så gamle og i så dårlig forfatning at det er stor fare for teknisk svikt.
50
Kontrollspørsmål 1 Hvilke typer varmeenergiverk er mest vanlig? 2 Gi en kort oversikt over de miljøpåvirkningene en kan få fra forskjellige typer varmeenergi. 3 Hvorfor er det viktig å kunne utnytte spillvarmen (i fjernvarmeverk) fra et varmeenergiverk? 4 Tegn en enkel skisse som viser prinsippet for et varme energiverk. 5 Hva er en fisjonsprosess?
Arbeidsoppgaver 1 Undersøk i nærmiljøet ditt om det er noen varmeenergiverk i drift. Arranger et besøk dit og lag en prinsippskisse som viser den prinsipielle virkemåten til energiverket. 2 Det er ulike meninger om hvilken innvirkning utslipp av SO„ CO, og NOx har på mennesker og på atmosfæren. Sett deg best mulig inn i dette emnet og lag en rapport om det. Ta også med hvilke menneskelige aktiviteter som forårsaker disse utslippene. 3 I 1996 foregikk det en debatt om hvorvidt en skulle bygge gassenergiverk i Norge eller ikke. Forsøk å sette deg best mulig inn i denne debatten og lag en liste over fordeler og ulemper ved en slik utbygging. 4 Sverige har vedtatt å legge ned sine kjemeenergiverk. Skriv et tenkt leserinnlegg til en avis der du enten er for eller imot nedlegging. 5 Sett deg best mulig inn i Tsjernobyl-ulykken og lag en kort rapport om hvorfor den skjedde. Hvilke følger har den fått for landet den skjedde i, og for dets naboland? 6 Undersøk om du kan finne opplysninger om andre ulykker med kjemeenergiverk enn Tsjernobyl, og hvordan disse ulyk kene har påvirket nærmiljøet rundt ulykkesstedet. 7 Tegn en prinsippskisse som viser hvordan et kjemeenergiverk virker.
51
4 Alternative energikilder
Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du • kjenne til de viktigste alternative energikildene • kjenne til hvordan vi utnytter alternative energikilder
52
Innledning Med alternative energikilder mener vi energikilder som ikke forbruker fossilt brensel, og som fører til minimale negative inngrep i naturen. Behovet for slik energi har oppstått etter hvert som vi har erkjent at vi ikke kan fortsette å forbruke fossilt brensel i det samme tempoet som vi har gjort fram til i dag, fordi det fører til mye forurensning og store inngrep i naturen, og fordi disse energikildene en dag vil ta slutt. Vår generasjon må ikke bli kjent som den generasjonen som forvaltet jorden dårligst ved å bruke opp de ikke-fornybare energikildene, og som gjorde store skader på naturen. Det blir derfor forsket på å få fram nye, alternative energikilder som er mer naturvennlige enn tidligere energikilder, og enkelte land og selskaper ser ut til å ville satse mye på slik forskning i framtida. Når en omtaler alternative energikilder, mener en ikke nødven digvis energikilder som bare produserer elektrisitet. Det kan også være energikilder som kan nyttes til oppvarming og der med erstatte eller redusere elektrisitetsforbruket. Den store for delen med alternative energikilder er at de ikke forurenser i nevneverdig grad. En annen fordel er at de ofte produserer energi nærmest mulig der de blir brukt, og en slipper dermed store overføringskostnader. En stor ulempe er prisen, som foreløpig er høyere enn prisen på tradisjonell energi, men dette er i ferd med å bedre seg. De mest vanlige alternative energikildene er • solenergi • bølgeenergi • vindenergi • bioenergi • varmepumpe
Solenergi Solceller er vanligvis produsert av mate rialene germanium, selen eller silisium. Forsøk med andre stoffer og legeringer foregår i stor målestokk for å gjøre solcel lene mer effektive.
Solenergi kjenner de fleste som solceller som produserer strøm til for eksempel en hytte eller en campingvogn uten innlagt strøm. Dette kan være et godt hjelpemiddel, men gir foreløpig svært lite energi sett i en stor sammenheng. Teknologien går imidlertid raskt framover på dette området slik at om noen år kan denne energien få større betydning enn den har i dag. 53
Det blir brukt nesten like mye energi på å produsere dagens solceller som den energien de kan produsere. Derfor gir de per i dag relativt liten gevinst som elektrisitetsleverandør her i lan det. De kan imidlertid brukes til en rekke viktige formål der en trenger relativt små strømmengder. Flere fjerntliggende meteorologistasjoner får i dag strøm fra solceller. Likedan er det med en rekke fyrlykter langs kysten vår. De får sin strøm fra solceller kombinert med batterianlegg. Romstasjoner og satellitter får også sin strøm fra slike solceller. Den forsknin gen som foregår i forbindelse med romfart, kan føre til at mor gendagens solceller kan bli mye mer effektive enn dagens. De kan derfor gi en viktig tilførsel av fornybar energi på en del områder.
Flere private firmaer og flere land har satt i gang store forskningsprosjekter for å omdanne solenergi til elektrisitet, og flere tror at dette vil bli en av framtidas største energikilder. Flere land som har bedre solforhold enn oss, har bygd store anlegg som gir effekter i megawattstørrelser. Verdens største anlegg ligger i California, og det har en effekt på 6,5 MW. Den beste måten å utnytte solenergi på er å bruke den direkte til oppvarming av for eksempel hus eller vann. Da legger en solfangere som en del av takkonstruksjonen på sørvendte tak. Gjennom disse selfangerne sirkulerer det vann som blir varmet opp. Dette vannet kan fordeles i et hus og varme opp vann og gi varme til for eksempel radiatorer eller vannbåren golvvarme. Figur 4.1 viser prinsippet for et slikt anlegg. Foreløpig er slike anlegg relativt dyre, men de gir gratis varme i år etter år og er derfor en rimelig investering på lang sikt. I Norge er det ikke så mange slike anlegg i drift, men det blir flere og flere etter hvert. Det er utviklet anlegg for både bolighus, forretningsbygg og svømmehallen Sola er en utrolig stor energikilde, og etter man ges mening er den en av de energikildene vi kommer til å ut nytte mye bedre til både oppvarming og elektrisitetsproduksjon om noen tiår.
Figur 4.1 Prinsippetfor utnytting av solvarme i en enebolig
54
Bølgeenergi Det ligger store krefter og dermed en stor energiressurs i de bevegelsene vi har i havet i form av bølger og strømningen Dersom vi greier å utnytte dem riktig, kan det gi et stort bidrag til vår energiproduksjon. I Norge ble det for noen år siden bygd to forskjellige bølgeenergiverk i Øygarden i Hordaland. De ble bygd som prototy per for å drive forsøk med ny teknologi og forskjellige prinsip per. Det ene var et kilerenneenergiverk og det andre et energi verk med svingende vannsøyle. Ingen av dem er i drift i dag. Et av dem ble ødelagt ved et sprengningsuhell, og det andre ble ødelagt av en kraftig bølge. Den teknologi som ble utviklet og seinere videreutviklet ved disse energiverkene, har imidlertid ført til at firmaene som stod bak dem, er i forhandlinger om liknende anlegg i flere utviklingsland. Det er blant annet plan lagt et kilerenneenergiverk i Indonesia som skal gi en årspro duksjon på minst 6 GWh. Det kan se ut som om Nordsjøens kraftige og ustabile bølger ikke egner seg til bølgeenergiverk. De mer lange og jevne dønningene som en finner i sydligere strøk, egner seg bedre.
En del steder er det stor forskjell på flo og fjære. Det fører til store tidevannsstrømninger som en kan utnytte til energi produksjon. Energiverk der en utnytter tidevannet, er bygd flere steder. I La Rance i Frankrike er det for eksempel et slikt ener giverk som gir strøm til omtrent 200 000 mennesker.
Vindenergi Norges første vindmølle for energiproduk sjon ble bygd på Andøya under den første verdenskrigen. Den var i drift helt fram til 1944.
Ved hjelp av vindmøller kan vindenergi omformes til elektrisk energi. Vindmøller går også under navnet vindenergiturbiner. De fleste vindmøllene har en effekt i størrelsesorden fra 1020 kW og opptil 500 kW, men det er bygd vindmøller som pro duserer hele 1,5 MW. I Norge er vindenergiutbygging gjennom ført av blant annet Nord-Trøndelag energiverk, som har fem vindmøller i drift på Vikna.
I vårt naboland Danmark har vindmøller og teknologien om kring dem blitt storindustri. Der har de produsert og solgt nes ten 20 000 vindmøller (inntil 1996) til store deler av verden, og
55
denne produksjonen gav landet en eksportinntekt på omtrent fire milliarder kroner i 1995.1 Danmark utgjør energi fra vind møllene litt over 5 % av det samlede elektrisitetsforbruket, og denne andelen ser ut til å øke raskt. Foruten Danmark er det spesielt India, Tyskland og USA som har installert mange vind møller. Som eksempel kan vi nevne at det i den amerikanske staten California er i drift omtrent 16 000 vindmøller. De pro duserer like mye strøm som storbyen Los Angles forbruker.
En ulempe med vindmøllene er at de beslaglegger relativt store arealer og kan være et stygt syn i naturen. De kan i noen tilfel ler også gi fra seg en ubehagelig susende lyd.
Bioenergi Bioenergi er energi som blir produsert ved hjelp av biomasse. Eksempler på biomasse er tre, flis, torv, bark, gjødsel, skogsavfall og liknende. Det kan en bruke til fyring i et varme energiverk eller til generell oppvarming av lokaler eller vann. Slik oppvarming av vann som blir sendt til andre forbrukere av varme, kaller en fjernvarme. I Norge er fjernvarme relativt lite utnyttet foreløpig. En av årsakene til det er at det krever rela tivt store boområder å varme opp dersom det skal være lønn somt. Det er derfor bare aktuelt i stor målestokk ved større tettbebyggelser eller ved store forretningsstrøk eller industri områder som trenger varme. Det er beregnet at nettoproduksjonen av trevirke som kan nyttes til biomasse, utgjør omtrent 6 TWh i Norge. Det meste av denne energien kan en bruke til oppvarming og noe til elektrisitetsproduksjon.
Figur 4.2 Figuren viser prinsippet for omdanning av bioenergi til elek trisk energi
56
Forbrenning av biomasse gir utslipp av CO,-gass, men det blir likevel regnet som miljøvennlig så lenge en ikke brenner mer enn tilveksten og det for eksempel bare er avfallsprodukter som brennes. Det ligger store verdier i biomasse som ikke blir ut nyttet, og det er gjort beregninger som viser at vi kan produsere over 10 TWh ved slike anlegg dersom all energien blir utnyttet. Selv om slik energiutnyttelse er relativt lite utbredt, er det en del anlegg i drift. Når dette skrives, er en i ferd med å planlegge og montere et stort anlegg som skal gi oppvarming til Oslo lufthavn på Gardermoen. Noen papirfabrikker bruker rester fra renseanlegget sitt og blander det med blant annet bark og olje før det blir brent og gjort om til elektrisitet.
Figur 4.3 Utnyttelse av metangass fra et avfallsdeponi
Når organisk masse råtner, blir det dannet gass. Det meste av denne gassene er metan. Det er en brennbar gass, og den egner seg godt til brensel i et varmeenergiverk. Det er en del mindre slike anlegg i drift i Norge. De samler blant annet opp den gas sen som danner seg i en søppelfylling. Ved slik forbrenning blir det dannet en del CO,-utslipp, men en slik energiutnyttelse er likevel miljøvennlig fordi en forbruker metan som ellers ville blitt tilført atmosfæren. Metan er en gass som ifølge de fleste forskerne forårsaker en større drivhuseffekt enn CO,. Metangass oppstår også i kloakkrenseanlegg. Ved flere slike anlegg nytter en denne gassen til oppvarming av lokaler i nærheten. Til nye søppelfyllinger er det i kravene fra Statens forurensningstilsyn (SFT) gitt pålegg om at en undersøker alle anlegg med tanke på uttak og utnyttelse av metangass.
57
Varmepumper En varmepumpe er en maskin som henter varme fra omgivel sene og avgir den til oppvarming av boliger, store lokaler eller vann. Litt forenklet kan vi si at en varmepumpe virker på samme måte som et kjøleskap, bare i motsatt retning. Et kjøleskap hol der maten vår kald ved å transportere varmen ut fra skapet og avgi den til omgivelsene. En varmepumpe henter varmen fra et medium, for eksempel vann eller luft, og transporterer denne varmen til der vi ønsker å utnytte den. Den store fordelen med varmepumper er at de henter varmen fra et medium som er kaldere enn det mediet de avgir varmen til. En varmepumpe består av fire hoveddeler: en fordamper, en kompressor, en kondensator og en ekspansjonsventil. Disse delene er forbundet med rør og et arbeidsmedium (væske) som går i en lukket krets.
Varmepumpene må få tilført elektrisitet for å virke. De fleste varmepumpene gir fra seg 3-5 ganger så mye energi i form av varme enn det de får tilført i form av elektrisk energi. Det fin nes varmepumper i mange størrelser, de minste er beregnet til boliger, og de store kan for eksempel varme opp en stor idretts hall med tilhørende svømmehall. I Norge er det mellom 15 000 og 20 000 varmepumper i drift, og de gir et varmetilskudd på omtrent 3 TWh. Det er omtrent 4 % av energiforbruket som går til oppvarming av bygninger i Norge.
Enøk Enøk er en forkortelse av ordet energiøkonomisering. Enøk er tiltak som vi kan gjøre for å redusere vårt forbruk av energi, det betyr at vi bør bruke energien effektivt uten å sløse med den. I bolighus kan enøktiltak være at vi bare har varme og lys på i de rommene som blir brukt. Når rommene ikke er i bruk, kan vi senke temperaturen med for eksempel 5 °C. Slike enøktiltak kan vi også gjennomføre på skoler og i forretningsbygg der det er unødvendig å ha på full varme døgnet rundt. Vi kan spare mye energi ved fornuftige enøktiltak. Eksperter i norske forskningsmiljøer har beregnet at det ligger et sparepotensiale
58
på omtrent 14 TWh i enøktiltak når en regner med boliger, for retningsbygg og industri. Av dette er 9,5 TWh innsparing av elektrisitet, resten er olje og andre brensel. I faget bygningsinstallasjoner lærer du mer om enøk, derfor går vi ikke nærmere inn på de tekniske løsningene her. Det er viktig å huske på at de fagene du har på skolen, ikke er skilt fra hverandre, men at de henger nøye sammen.
Framtidas teknologi Det er alltid vanskelig å spå hvordan framtidas teknologi blir. I de siste årene har utviklingen vært enorm på enkelte områder, mens den på andre har stått omtrent stille. De fleste forskerne regner imidlertid med at utviklingen på energiområdet vil bli omtrent slik: • Alternative energikilder vil ble mer effektive og ta en større del av markedet. • Gjenvinning av alle materialer vil øke, og dermed vil energi behovet minke fordi gjenvinning bruker mindre energi enn om en produserer nye ting. • Dagens energiproduksjonsmetoder vil bli mer effektive, og tapene vil dermed bli redusert. • Dagens apparater som forbruker energi, vil bli mer effektive og forbruke langt mindre energi.
Potensialet i Norge Norske myndigheter har ikke satt opp noen mål med hensyn til innføring og utnyttelse av nye fornybare energikilder i Norge. I tilknytning til Klimameldingen som kom ut i mars 1991, ble det gjennomført en analyse av potensialet for sol-, bio-, vindog bølgeenergi. Rapporten konkluderer med at det foreligger et samlet utbyggbart potensiale på i underkant av 20 TWh per år nyttiggjort energi (termisk + elektrisk) med en kostnad som er lavere enn 50 øre/kWh med den teknologien som er forventet innen år 2000. Utvilingen av nye fornybare enegikilder må nødvendigvis ta tid. Hvor lang denne tida blir, er blant annet avhengig av poli tiske beslutninger, virkemidler og økonomiske forhold. Det foreligger imidlertid allerede planer om utbygging av ny vind energi i megawattklassen som alternativ til ny vannenergi.
59
Figur 4.4 Potensialet til utnyttelse av ny fornybar energi i Norge
I energiloven, som ble gjort gjeldende fra 1991, heter det at økonomi, miljø og sikkerhet skal vurderes når en velger ener gikilder til elektrisitetsproduksjon. Dersom myndighetene tar denne lovens punkt om miljø alvorlig, vil det bli satset mer på alternative energiformer i framtida.
Kontrollspørsmål 1 Hva mener vi med uttrykket alternative energikilder? For søk å gi en definisjon på dette med dine egne ord. 2 Hvilke typer alternative energikilder er de mest vanlige? 3 Gi noen argumenter for og i mot at vi i Norge skal satse mer på alternative energikilder. 4 Hvordan kan vi utnytte solenergien bedre? 5 Forklar kort prinsippet for en varmepumpe.
60
Arbeidsoppgaver 1 Dette kapittel gir bare en kort innføring i de forskjellige al ternative energikildene. Del klassen inn i grupper og la hver gruppe ta for seg en alternativ energikilde og gi en mer utdy pende forklaring om virkemåten og framtidsutsiktene til den. Rapporten kan legges fram muntlig eller skriftlig for hele klassen. Hensikten er selvsagt at alle skal lære litt mer om emnet. 2 «Alternative energikilder kan erstatte fortsatt vannenergiutbygging, og vi kan slippe mer vann gjennom våre fosser og elver dersom vi satser på alternative energikilder.» «Alternative energikilder er bare drømmer fra naturvernernes side og vil ha liten betydning for vår energisituasjon i overskuelig framtid» Dette er to påstander som blir mye brukt i debatten om vannenergiutbygging. Sett opp en liste med argumenter for og imot disse synspunktene 3 Undersøk i din kommune om det er noen alternative energi kilder i bruk, og hvor mye energi slike anlegg gir. Forsøk å få til et besøk på et slikt anlegg og sett deg best mulig inn i anleggets virkemåte. 4 Skaff brosjyrer for en varmepumpe som kan egne seg i en bolig. Finn ut mest mulig om installasjon, virkemåte og for deler og ulemper ved et slikt anlegg og skriv en rapport om det. Hvor lang tid tar det før en slik investeringen lønner seg? 5 Kjenner du til andre alternative energikilder enn dem som er nevnt i dette kapitlet? Orienter resten av klassen om dem. 6 Undersøk på skolen din om det er satt i gang noen enøktiltak, og om det har ført til redusert energiforbruk og reduserte strømregninger. Forsøk å beregne hvor mye av energi forbruket i Norge som ville bli redusert dersom alle skoler hadde iverksatt effektive enøktiltak som reduserte strøm forbruket med 10 %. 7 Skriv en oppgave som tar for seg framtidas utvikling innen for energiproduksjon. Forsøk å finn nytt stoff om dette em net. Bruk bibliotek og gjerne naturvernorganisasjoner for å finne stoff om emnet. 8 I noen land diskuterer en om en skal legge mindre avgifter på elektrisitet produsert med alternative energikilder enn an nen elektrisitet. Hva er din mening om et slikt forslag? Begrunn svaret ditt. 61
5 Generatorer
Etter at du har gjennomgått dette kapitlet, skal du • kjenne til virkemåten for en generator • kjenne til prinsippene for regulering av spenning og turtall • kunne lese skjemaer for generatorer • kunne utføre enkle beregninger for generatorer
62
Generatorer og motorer Generatorer opprinnelig et latinsk ord som betyr skaper.
Tidligere ble effekten til motorer og generatorer angitt i hestekrefter (hk). 1 hk = 736 W.
Norges største generator er i Svartisen energiverk. Den er på 360 MVA og veier omtrent 800 tonn som er fordelt med 470 tonn på rotoren og 330 tonn på statoren. Verdens største generator yter 1450 MW og er installert i kjerneenergiverket Ignatina i Litauen.
På grunnkurset og i andre fag på VK1 har du lært om prin sippene for en motor, dens konstruksjon og hvordan den virker. Litt forenklet kan vi si at en generator er konstruert på samme måten som en motor og virker etter de samme prinsippene, men den har likevel de motsatte egenskapene. Begge arbeider etter prinsippet om en leder som beveger seg i et elektrisk felt, og induksjonsprinsippet, som du har lært om på grunnkurset og i andre fag. En motor får tilført elektrisk energi og avgir mekanisk energi, mens en genera tor får tilført mekanisk energi og avgir elektrisk energi. En motor kan teoretisk sett virke som en generator dersom rotoren blir dratt rundt. Vi kan da få spenning på klemmebrettet dersom motoren blir magnetisert. De minste genera torene finner vi på blant annet sykler, mopeder og biler, dem kaller vi dynamoer, men de virker etter det samme prin sippet som store generatorer. Slike små generatorer har permanentmagneter og trenger derfor ikke å få tilført magnetiseringsstrøm, som større generatorer må ha. Gene ratorer og motorer, som vi med et fellesord kaller elektriske maskiner, kan vi grovt sett dele inn i to typer: synkronmaskiner og asynkronmaskiner. Nesten alle motorene blir laget som asynkronmotorer, og de fleste generatorene blir laget som synkrongeneratorer.
Generatorens virkemåte Franskmannen Hippolyte Pixii konstruerte i 1832 den første vekselstrømsgenerato ren.
Generatorer kan være både enfasete og trefasete. Enfasete ge neratorer blir stort sett bare brukt i området inntil 2-3 kW, som når vi for eksempel trenger et lite bærbart strømaggregat. I alle innstallasjoner fra noen få kilowatt og oppover bruker vi bare trefasete generatorer, og det er denne typen vi skal lære om i dette kapitlet. En generator består av en rotor der magnetiseringsviklingene sitter, og en stator der viklingene som gir oss fasespenningen, sitter. Gjennom magnetiseringsviklingene går det en likestrøm. Strømmen går til rotoren via børster og sleperinger. Det er denne strømmen som vi kaller magnetiseringsstrømmen, og viklin-
63
gene kaller vi derfor magnetiseringsviklingene. Figur 5.1 viser prinsippskisser for hvordan en enfaset og en trefaset generator virker.
Figur 5.1 Figuren til venstre viseren prinsippskisse for en topolet trefase generator, og figuren til høyre viser prinsippet for en firepolet enfasegenerator
Nesten alle generatorer med unntak av de aller minste er trefasete, men prinsippet og virkemåten er den samme som for enfasete, forskjellen er at de trefasete har tre viklinger (spoler). Når tre slike spoler roterer i et magnetisk felt, får vi indusert en trefaset vekselspenning.
Figur 5.2 Spolene er montert 120° elektrisk faseforskjøvet i forhold til hverandre, og dermed får vi en trefaset vekselspenning
64
Magnetisering av generatoren Spenningen som en generator avgir, bør være mest mulig kon stant, uavhengig av belastningen. For å få til det må vi regulere den. Det gjør vi ved å regulere magnetiseringsspenningen. På eldre anlegg (en del slike er fremdeles i bruk) kom magnetiseringen fra en egen likestrømsgenerator som ofte satt på generatorens aksel. Magnetiseringsspenningen på moderne anlegg kommer fra en såkalt statisk strømforsyning som består av en elektronisk en het. I denne enheten er det ofte tyristorer eller transistorer som regulerer spenningen til riktig nivå. Denne enheten får signaler fra nettet om belastninger og spenninger, og ut ifra dette gir den fra seg en riktig magnetiseringsspenning. Dette er en type regulering i likhet med den du lærer om i reguleringsteknikk i faget automatiserte anlegg. I eldre anlegg (og i noen få nye) bestod magnetiseringsanlegget av en likestømsmotor som ble regulert til å gi riktig spenning. I de minste generatorene opptil noen få kilowatt kan magnetiseringen bli utført av såkalte permanentmagneter. Magnetiseringsstrømmen blir da tilført rotorens viklinger over sleperingene.
Figur 5.3 Figuren viser en prinsippskisse for spennings- og magnetiseringsreguleringen for en generator. Denne typen er av et merke, men prinsippene er temmelig like uansett merke
65
Generatoren på figur 5.3 består av disse delene: 1 Magnetiseringstransformator Denne gir tilførsel til likeretteren og får primært sin spenning fra generatoren, men kan også få sin spenning fra andre steder. Et system der den får spenningen fra andre steder, blir av og til kalt fremmedmagnetisering.
2 Magnetiseringsbryter Effektbryteren for magnetiseringsstrømmen er lagt på vekselstrømssiden og ikke på likestrømssiden. Årsaken til det er at bryting av vekselstrømmer gir mindre lysbuer enn likestrømmer. Bryteren blir derfor ofte mindre i fysisk størrelse. 3 Likeretter Likretting foregår med dioder eller tyristorer. Figur 5.4 Trefaset likeretter som er bygd opp av seks dioder
4 Avmagnetisering og overspenningsvern Avmagnetiseringsutstyret og overspenningsvernet er bygd sammen i en felles krets. Kretsen består blant annet av en mot stand der energien blir «ladet ut». Ved overspenning blir denne motstanden koplet inn over tyristorer som er koplet antiparallelt. Ved avmagnetisering blir motstanden koplet inn over en kon taktor. Avmagnetisering blir utført ved stans av generatoren. Overspenningsvernet skal beskytte både rotoren og de elektro niske komponentene mot høy spenning. 5 Startmagnetisering Dette er utstyr for oppmagnetisering under start av generato ren. 6 Spenningsregulator Spenningsregulatoren måler spenningen og strømmen ut fra generatoren. Disse verdiene måler vi via spennings- og strømtransformatorer. Spenningsregulatoren sørger for riktig magnetiseringsstrøm og magnetiseringsspenning, noe som igjen gir rik tig spenning ut fra generatoren. 7 Manuell spenningsregulator Med denne kan vi regulere spenningen manuelt dersom auto matikken ikke virker.
8 Styreenhet Alle signaler blir bearbeidet av en styreenhet. På moderne an legg er dette en mikroprosessor som igjen kan bli overvåket av 66
og kommunisere med en datamaskin. Moderne anlegg har en styresentral som er plassert på et annet sted enn i maskinsalen. Denne sentralen kommuniserer med, styrer og regulerer alle delene i et anlegg. Spenningen blir regulert med magnetiseringen, og frekvensen kan vi regulere med rotorens hastighet.
Hastigheten til generatoren Fra elektroteknikken har vi denne formelen for en motors syn krone hastighet:
/• 60 n =—-----P n = synkront turtall i omdreininger per minutt p = antall polpar per fase f= frekvensen (normalt = 50 perioder per sekund) 60 er en konstant som må brukes fordi frekvens regnes per se kund og turtall per minutt
Den samme formelen gjelder også for generatorer, men turtal let er gitt ut fra turbinens omløp, og det er hastigheten som bestemmer frekvensen etter denne formelen: J
p•n 60
Fra denne formelen ser vi at for å få en jevn frekvens ut på nettet må vi regulere generatoren slik at den går med en jevn hastighet. Det er turbinen som bestemmer generatorens hastig het. Derfor er det turbinens hastighet vi må regulere. Den regu lerer vi ved å tilføre riktig vannmengde og vanntrykk i forhold til generatorens belastning. Dersom belastningen på nettet øker, må vi øke vannmengden og vanntrykket for at ikke hastigheten og dermed frekvensen skal minke. Slik regulering er på mo derne anlegg styrt av en mikroprosessor eller en datamaskin. Reguleringen skjer etter de samme reguleringsprinsippene som du lærer om i faget automatiserte anlegg. Dersom vi antar at frekvensen skal være 50 Hz (noen steder i utlandet og på noen maritime installasjoner bruker en 60 Hz), har vi dette forholdet mellom noen polpar og turtall: Antall polpar
Turtall
1
2
3
3 000 1 500 1 000
4
5
6
8
10
15
750 600 500 375 300 200
67
Vanligvis blir generatorer for varmeenergiverk laget som hur tiggående generatorer med hastighet på 1 500 eller 3 000 r/min. Dette turtallet er også vanlig for generatorer som blir brukt til nød- og reservestrømforsyning, drevet av for eksempel et dieselaggregat.
Stjernekopling
Vannkraftgeneratorer er vanligvis saktegående generatorer med et turtall som er mindre enn 500 r/min. Turtallet er avhengig av og blir dimensjonert etter vannmengde og vanntrykk.
Viklingene L1
L2
L3
Figur 5.5 Det er mest vanlig at generatorene blir koplet i stjerne på denne måten
Viklingene blir koplet til generatorens klemmebrett på samme måte som på en motor, og de blir merket slik: Ul -U2 VI -V2 W1 W2
Kjøling av generatoren Magnetisering, strøm og friksjon forårsaker varme. Alle ge neratorer må derfor bli avkjølt. Små generatorer kan vi avkjøle med luft på samme måte som motorer. Det blir ofte gjort med en vifte som er montert på motoren. På litt større generatorer kan luftavkjølingen foregå i et lukket nett. På de store generatorene kjøler vi med vann. Store generatorer har kjøling av både rotor og stator. Vannkjølingen går i et luk ket system, og det blir brukt renset vann til dette. Ved å bruke vann til avkjøling i stedet for luft oppnår vi en bedre kjøling, og generatorene kan dermed lages med mindre fysisk størrelse.
Kjøling på store generatorer må vi overvåke nøye ved hjelp av temperaturfølere. Dem kan vi plassere flere steder i generato ren og i kjølevæsken slik at generatorens temperatur alltid er godt under det kritiske nivået. Slike temperaturfølere er ofte termistorer som gir signal til et termistorrelé når temperaturen er for høy. I hver vikling er det ofte termistorer for to tempera turer: en som skal gi signal ved høy temperatur, og en som skal kople ut generatoren når temperaturen overstiger en kritisk verdi. Dersom temperaturen blir for høy, kan det blant annet skade viklingenes isolasjon. Nesten alt tap i generatorer går over til varme. Selv om tapene er små i prosent, blir det utviklet store mengder varme, og uten skikkelig kjøling vil generatorene fort bli overopphetet. 68
Innkopling av generatoren Når vi skal kople en generator til et nett, må vi være sikre på at spenningen og frekvensen er i samsvar med den spenningen og frekvensen nettet har. I tillegg må generatorens tre faser være i fase med tilsvarende faser på nettet. Da sier vi at nettene er i fase og synkrone med hverandre. Dersom nettene ikke er i fase og synkrone, blir det oppfattet som en kortslutning. Det kan forårsake store skader i form av lysbue og varmeskader. Ved tilkopling av en generator til nettet eller ved parallelldrift av to generatorer må altså følgende betingelser være oppfylt: 1 Spenningene må være like. Det kan vi kontrollere med et voltmeter. 2 Spenningene må være i fase. Det kan vi kontrollere med faselamper eller synkronoskop. 3 Frekvensene må være like. Det kan vi kontrollere med et frekvensmeter. 4 Spenningene må ha samme fasefølge. Det kan vi kontrollere med en fasefølgemåler. Innkoplingen kan vi også kontrollere ved hjelp av et instru ment som vi kaller synkronoskop. Det erstatter og utfører alle de oppgavene som instrumentene ovenfor gjør. Når generator ens og nettets spenning er synkrone, gir dette instrumentet sig nal til en effektbryter, som så kopler inn generatoren.
Figur 5.6 Synkronisering av en generator ved hjelp av lamper
Synkronisering av generatorer kan forenklet utføres med tre lamper koplet slik figur 5.6 viser. Når Hl er mørk og H2 og H3 lyser like sterkt, skal generatoren koples inn. Slik ble synkroniseringen kontrollert tidligere. Du kan bruke en slik metode der som du skal parallellkople to generatorer i et laboratorieforsøk, men du kan ikke bruke den ved tilkoplinger til nettet.
Tap i generatoren I alle maskiner er det tap. De gir alltid fra seg en noe mindre effekt enn det de får tilført. Tapene i generatoren kan vi dele inn i to typer: mekaniske tap og elektriske tap. De mekaniske tapene oppstår på grunn av friksjon i lager og børster. I store maskiner «flyter» maskinen på en oljehinne, og friksjonstapene er små. På små generatorer er det lager som går i fett, da kan tapene være noe større, men de utgjør likevel bare noen få prosent av den avgitte effekten.
69
De elektriske tapene består av magnetiseringstap og varmetap. Magnetiseringstap er den effekten som må til for å magnetisere generatoren, dette tapet er relativt konstant og uavhengig av belastningen, men varierer litt med variasjonen i magnetiseringen. Magnetiseringstap kaller vi også jerntap, fordi det er jer net som blir magnetisert. Varmetapet, eller koppertapet, som det også heter, er tap som oppstår på grunn av spenningsfall og dermed effektutvikling (varme) i viklingene. Dette tapet øker med økende strøm og er altså avhengig av belastningen. Øk ningen er kvadratisk med strømmen. Det kan vi se av formelen for effekt: P = R-rder R er resistansen i viklingen, og / er strømmen gjennom vik lingen.
Virkningsgraden uttrykker vi som regel med den greske bok staven p (eta) og blir oppgitt i prosent eller som et tall. Store generatorer har vanligvis høyere virkningsgrad enn små gene ratorer, og virkningsgraden er best ved full belastning. Store generatorer har en virkningsgrad på over 90 % = 0,9. Den kan for eksempel være på 0,97 = 97 %. Ved beregninger bruker vi denne formelen for virkningsgrad:
p = virkningsgraden Pj = tilført effekt i watt (W) eller kilowatt (kW) P2 = avgitt effekt i watt eller kilowatt
Den tilførte effekten er den mekaniske effekten fra turbinen og kan derfor ikke måles med et instrument. Generatorens avgitte effekt kan vi måle med instrumenter og beregne etter formlene: Aktiv effekt
= P2 = U • / • V3 • cos cp
kW
Reaktiv effekt
= Q = U ■ I ■ y/3 • sin cp
kVAr
Tilsynelatende effekt
= S = U I ■ V3
kVA
Den avgitte effekten kan vi oppgi enten i kilovoltampere (kVA) eller i kilowatt (kW).
70
Vern av generatoren Alle generatorer må ha en rekke målere eller følere som skal kontrollere at alt går som det skal, og som skal gi signal og eventuelt kople ut dersom det skjer noe feil. Det er viktig med signal og eventuell utkopling ,slik at feil kan bli rettet opp før de fører til store skader. Blant det som en må måle og kontrollere, er • strømbelastningen. Alle generatorer har en øvre grense for hvor mye strøm de kan bli belastet med. Dersom denne gren sen blir oversteget, må en redusere strømmen eller kople ut generatoren • kortslutningsbeskyttelsen. Alt elektrisk utstyr må ha sikringer eller en annen form for kortslutningsbeskyttelse, som en effektbryter med elektromagnetisk utløsning • jordfeilbeskyttelsen. Jordfeil på anlegget kan ødelegge mas kinen og kan også føre til farlige berøringsspenninger for personalet • isolasjonen. Alle elektriske anlegg har krav om god isola sjon mellom hver fase og mellom hver fase og jord. Ved isolasjonsfeil skal det bli gitt feilmelding, og feilen skal straks bli utbedret • spenningen. Spenningsmåling er viktig for spenningsreguleringen og for ikke å gi for lav eller for høy spenning ut på nettet • temperaturen. For høy temperatur kan føre til store materiel le skader. Temperaturen blir blant annet målt i viklinger, lag re og i kjølemediet • frekvensen. Frekvensen må en holde konstant, og ved for andringer må det bli gitt signal til turbinreguleringen om at turtallet er feil
Isolering av generatoren FEA-F setter som generelle krav til isolasjonstilstanden at den skal være minst 500 ohm per volt driftsspenning på høyspent anlegg. For elektriske maskiner er kravet at isolasjonstilstanden skal vær minst:
spenningen i volt -------------------------------megaohm ytelsen i kVA + 1000
Figur 5.7 Instrument for måling av strøm
Slike målinger skal en utføre med likestrøm og med et instru ment som gir minst 500 V. 71
FEA-F har som generelt krav at alle anlegg skal ha en fast inn retning for måling og kontroll av isolasjonstilstanden og en inn retning som gir varsel og alarm om isolasjonsfeil og jordslutning. Fordi dette er et generelt krav til alle høyspentanlegg, gjelder det selvfølgelig også for generatorer.
Mekanisk montering av generatorer Generatorer er ofte store og kan veie mange tonn. En stor og tung rotor som er i bevegelse, kan føre til store skader dersom den mekaniske monteringen ikke er utført nøyaktig og med til strekkelig kraft. Litt ujevnheter i rotorens bevegelse kan føre til store krefter som får den til å havarere. Avhengig av hvilken turbin vi har, kan vi montere generatorene vertikalt eller hori sontalt.
Transportable generatorer I en del tilfeller bruker vi transportable generatorer til forsy ning på lavspentnettet. De kan drives av for eksempel en trak tor eller en bensin- eller dieselmotor. Slike aggregater blir brukt på steder der en ikke har strøm, eller som reservestrøm når strømmen av en eller annen grunn blir koplet ut. En del energi verk kopler inn generatorer når de skal utføre vedlikehold på en nettstasjon. Dermed får abonnentene en sikrere strøm forsyning og slipper ulemper i forbindelse med utkoplinger. FEB setter en rekke krav til transportable generatorer.
Anlegget skal blant annet ha dette verneutstyret: • Hovedbryter som bryter alle faser og eventuell N-leder. • Overspenningsvern som kopler ut når spenningen overstiger merkespenningen med 10 % i mer enn 5 s. • Underspenningsvern som kopler ut når spenningen går un der 15 % av merkespenningen i mer enn 5 s. • Overstrømsvern (for eksempel termisk relé) som er innstilt på generatorens merkestrøm. • Jordfeilbyter innstilt på 30 mA. • Generatoren og alt tilhørende utstyr skal ha en kapslingsgrad som er IP 34 eller bedre. • Anlegget skal ha skriftlig instruksjon om montering, instal lering, bruk og vedlikehold. • Tilkopling skal normalt skje med bevegelige ledninger. • Jording og jordelektrode skal være som ved en fast installa sjon. 72
I_1
F1 F2 F3 F4 G1 H1 K1 N PE RJ S1 S2
L2
L3
PE
Overstrømsvern Jordfeilbryter Styrestrøm for sikringer Over- og underspenningsvern Generator Lampe som indikerer drift Hovedkontakter N-punkt PE-leder Motstand Stopp Start
RJ
PE
Figur 5.8 En prinsippskisse som viser kopling av vern for en transportabel 230 V generator for IT- og TT-system
I FEB §816 står alle krav til transportable generatorer. Studer og sett deg godt inn i disse kravene.
Kontrollspørsmål 1 Lag en skisse som forklarer en generators virkemåte. 2 Hvilke forhold er det mellom en generators hastighet og spen ningens frekvens? 3 Hvilke typer instrumenter må en benytte for å ha tilstrekke lig vern av en generator? 4 Redegjør kort for hvilke tap en finner i en generator, og hvor dan disse eventuelt endrer seg med belastningen. 5 I hvilke spenningsnivåer og hastighetsområder ligger gene ratorer brukt ved forskjellige typer vannkraftverk?
73
Arbeidsoppgaver Formlene du har bruk for i disse oppgavene, bør være kjente fra faget elektroteknikk, og de er også gjengitt i dette kapitlet. 1 En trefaset generator skal avgi 150 kW til et nett med en spenning på 400 V. Effektfaktoren er 0,8, og virkningsgraden er 0,9. a Hvor stor effekt må turbinen levere? b Generatoren har 12 poler per fase. Hvor stort må turtallet være når frekvensen skal være 50 Hz? 2 I et nødstrømsanlegg er det en stjernekoplet trefasegenerator som avgir 300 A ved 230 V/50 Hz. Generatoren drives av et dieselaggregat. a Hvor stor effekt kan generatoren gi? b Beregn aggregatets ytelse når virkningsgraden er 0,9. c Hvor mange poler har generatoren når omdreiningstallet er 500 r/min? 3 En 10 MVA-generator har en klemmespenning på 6 kV. Virkningsgraden er 0.92, og den har 36 poler. a Hvor mye strøm leverer den? b Hva må turtallet være for å få/= 50 Hz? c Hvor stor effekt må turbinen gi? 4 En trefaset generator avgir 3000 A ved en spenning på 12 kV og frekvens på 50 Hz. a Beregn generatorens tilsynelatende og aktive effekt når effektfaktoren er 0,8. b Hvor stor effekt må turbinen yte når generatorens virkningsgrad er på 92 %? c Generatoren har 48 poler. Beregn turtallet. 5 En trefaset synkrongenerator skal gi reservestrøm. Den blir drevet av et dieselaggregat som gir 140 hk. Generatoren har en virkningsgrad på 90 % og gir 230 V. Den leverer strøm til et nett med en effektfaktor på 0,8. a Hvor mange kW kan generatoren gi? b Hvor mange kVA er den beregnet for? c Hvor stor blir dens reaktive effekt? d Hvor stor strøm avgir generatoren? e Generatoren er en 8-polet maskin. Hvor stort turtall må den drives med for å gi henholdsvis 50 og 60 Hz? 6 En generator på 1 MVA har en spenning på 5 kV. a Hvor mye strøm leverer den? b Generatoren er 12-polet og går med turtallet 500 r/min. Hva blir frekvensen?
74
c Generatorens virkningsgrad er 93 %. Hvor stor effekt må turbinen gi? 7 En trefaset synkrongenerator har en tilsynelatende effekt på 3027,5 kVA. Spenningen den gir, er 5 kV. Nettet den skal levere strøm tik har en effektfaktor på 0,8. a Hvor stor aktiv effekt leverer den? b Hvor stor strøm leverer den? c Virkningsgraden er 96 %. Hvor stor effekt i kilowatt og hestekrefter må turbinen gi? 8 Forklar prinsippene for en motors virkemåte. Ta utgangspunkt i motoren og forklar generatorens virke måte. 9 Lag en enkel skisse som viser hvordan reguleringen av a frekvens b spenning c kan utføres. 10 Det er vanlig at generatorer har en del instrumenter og vern tilkoplet for kontroll, overvåkning, måling og vern. Skriv opp hvilke instrumenter dette kan være, og tegn sym bolene til dem. 11 Finn ut hvilke krav FEA-F setter til generatorer. 12 FEB og FEA-F setter krav til isolasjonstilstand for henholds vis lavspente og høyspente generatorer. Skriv opp disse kra vene og kommenter eventuelle forskjeller mellom dem. 13 Noen generatorer blir montert horisontalt og noen vertikalt. Er det noen fornuftige årsaker til slike valg av plassering? 14 Forsøk å skaffe deg et merkeskilt eller avskrift av det for noen forskjellige generatorer og skriv opp hva alle opplys ningene på det betyr. 15 En trefaset synkrongenerator har følgende merkedata: 6 kVa, 230 V, 50 Hz, 1500 r/min. Generatoren blir benyttet til et lysanlegg bestående av ukompenserte lysstoffarmaturer. Hver armatur har følgende data: 36 W, 230 V, cos