Biokraftverk. Manual til laboratorieøvelse for elever. Skolelaboratoriet for fornybar energi Universitetet for miljø- og biovitenskap

Transkript

1 Manual til laboratorieøvelse for elever Biokraftverk Skolelaboratoriet for fornybar energi Universitetet for miljø- og biovitenskap Foto: David Castor, Wikimedia Commons Marie Loe Halvorsen UMB 2012

2 Teori Energi og arbeid Arbeid er et mål på bruk av krefter og har symbolet W. Energi er et mål på lagret arbeid det vil si at energi kan omsettes til arbeid, altså til bruk av krefter. Energi har symbolet E. Enheten for arbeid og for energi er J (joule), men vi bruker også ofte den gammeldagse enheten Wh (watt-timer). Vi bruker ofte begrepene arbeid og energi litt om hverandre siden de er så nært beslektet. Her i denne laboratoriemanualen vil vi ofte bruke energi også der vi strengt tatt snakker om arbeid. Noen vanlige former for energi er kjemisk energi (for eksempel bensin, rapsolje, dynamitt, mat) kinetisk energi (bevegelsesenergi, for eksempel i vind) potensiell energi (stillingsenergi, for eksempel i vannbassenger i fjellet) elektrisk energi (strøm/spenning, for eksempel fra en generator) elektromagnetisk energi (for eksempel lys fra sola eller varmestråling fra en vedovn) termisk energi (varmeenergi, for eksempel i varmtvann). Ofte snakker vi også om mekanisk energi. Det er et samleuttrykk for kinetisk energi og potensiell energi. Vi sier ofte at vi produserer eller bruker energi. Det er ikke bokstavelig talt riktig siden vi vet at energi ikke kan oppstå eller forsvinne, den kan bare skifte form. Når vi sier at et vannkraftverk produserer 1 kwh elektrisk energi mener vi egentlig at kinetisk energi (fra vannet) omformes til 1 kwh elektrisk energi. Når vi sier at vi bruker 1 kwh elektrisk energi til oppvarming mener vi egentlig at elektrisk energi omformes til 1 kwh termisk energi. Når det gjelder energiforsyningen i samfunnet, bruker vi også energienhetene med det vi kaller prefikser, for eksempel k (kilo = tusen), M (mega = million), G (giga = milliard), T (terra = tusen milliarder) og P (peta = million milliarder). Sammenhengen er: 1 Wh (wattimer) = 3,6 kj (kilojoule) 1 kwh (kilowattimer) = 3,6 MJ (megajoule) 1 GWh (gigawattimer) = 3,6 TJ (terrajoule) 1 TWh terrrawattimer = 3,6 PJ (petajoule) Eksempel 1 En norsk elev trenger ca 10 MJ energi per dag (bioenergi = mat). Vi ser fra tabellen at det er litt mindre enn 3 kwh. (3 kwh = 3 3,6 MJ = 10,8 MJ) Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

3 Effekt Effekt har symbolet P og er et mål for hvor fort arbeid utføres eller hvor fort energi skifter fra en form til en annen. Det vil si at vi finner effekten når vi dividerer arbeidet på den tiden arbeidet tar, eller dividerer energien på den tiden omformingen pågår. For energi kan vi formulere det slik: effekt = energi / tid (P = W/t) (1) Enheten for effekt er W (watt). Vi bruker også ofte kw (kilowatt) og MW (megawatt). Watt er en sammensatt enhet som representerer Joule/sekund. Vi har altså at W = J/s. NB: Her er det dessverre lett å blande sammen W som er enheten for effekt med W som er symbolet for arbeid. Pass alltid på at du vet hvilken W du bruker. Eksempel 2 For skoleeleven finner vi effekten fra den kjemiske energien hun spiser slik: = 116 W Merk at tid, som har symbolet t, har enheten sekund (s). Hvis vi bruker h (timer) som enhet for tid må vi huske at h = 3600 s Vi ser at sammenhengen (1) mellom effekt og energi også kan formuleres slik: energi = effekt tid (W = Pt) (2) Eksempel 3 En motor som tilføres effekten 50 kw (fra rapsolje) i en time bruker energien: 180 MJ kan vi regne om til kwh slik: Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

4 Eksempel 4 I forrige eksempel regnet vi om fra MJ til kwh ved hjelp av faktoren 3,6 som vi presenterte i avsnittet om arbeid og energi. Hvorfor er det akkurat 3,6 som er omregningsfaktor? Jo, 1 kilowattime er energien som tilsvarer en effekt på 1 kw i 1 time: Elektrisk effekt Energi i form av elektroner som beveger seg i en leder kaller vi elektrisitet. "Mengden" elektrisitet defineres av de to størrelsene strøm og spenning. Strøm Strøm er et mål på hvor mange ladninger (elektroner) som beveger seg gjennom en ledning per tid. Symbolet for strøm er I. Enheten for strøm er A (ampere). Spenning Spenning er et mål for hvor mye energi hver ladning har, altså hvor mye arbeid ladningen kan utføre. Symbolet for spenning er U. Enheten for spenning er V (volt). Dersom det er spenning over en ledning virker det krefter på ladningene i ledningen slik at de beveger seg og kan utføre arbeid. I mange tilfeller kan vi bestemme hvor mye elektrisk effekt som blir brukt i en del av en krets ved hjelp av en enkel sammenheng: effekt = strøm spenning (P = UI) (4) Induksjon Når en magnet beveger seg i nærheten av en ledning, vil det kunne oppstå en spenning slik at det går strøm gjennom ledningen. Dette fenomenet kalles induksjon. Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

5 Hvis vi vikler en ledning mange ganger rundt får vi en spole. Hvis vi beveger magneten over spolen vil vi få en enda sterkere spenning enn for bare den enkle ledningen. Eksempel 5 En generator leverer strøm med spenningen 230 V. Gjennom en lampe som er tilkoblet generatoren går det en strøm på 2 A. Effekten som generatoren levere til lampen (og som lampen omformer til lys og varme) er: P = UI = 230 V 2 A = 460 W Dersom lampen på 460 watt står på ett døgn blir energiforbruket (se likning 2): W = Pt = 460 W 24 h = Wh = 11 kwh Virkningsgrad Virkningsgrad er et mål for hvor mye energi eller effekt som vi kan bruke, i forhold til hvor mye vi energi eller effekt vi putter inn. Det kan for eksempel være hvor mye bevegelsesenergi vi får ut av en dieselmotor når vi putter kjemisk energi i rapsolje inn i motoren. (3) Eksempel 6 La oss si at motoren i eksempel 3, som tilføres effekten 50 kw, leverer ut en effekt på akslingen som er 10 kw. Da blir virkningsgraden til motoren: Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

6 Bioenergi Solenergiressurser Effekten i solstrålingen treffer jordens atmosfære er 1,4 kw/m 2. Om lag 30 % av dette blir reflektert tilbake i rommet. Siden jorden roterer om sin egen akse treffer solenergien bare jordens dagside. Men i gjennomsnitt over døgnet mottar jordoverflaten 240 W/m 2 fra solen noe mer ved ekvator og noe mindre ved polene. Figur 1 viser hvor mye solenergi Ås mottar i løpet årets måneder. Siden planter bare vokser i sommerhalvåret på våre breddegrader, er det bare solenergien i vekstsesongen plantene nyttiggjør seg. His vi regner mai, juni, juli og august som vekstsesong, er solenergien som mottas 589 kwh/m 2. kwh/m 2 Innstrålt solenergi på Ås over året J F M A M J J A S O N D Figur 1: Solinnstråling på Ås Solenergien omdannes til kjemisk energi i plantene gjennom den prosessen vi kaller fotosyntese. Plantene lagrer på denne måten solenergi som vi senere kan spise, eller brenne for å lage strøm eller varmeenergi Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

7 Rapsolje Rapsplanten er den viktigste oljeveksten i Europa. En rapsavling gir om lag 250 kg rapsfrø per dekar (1000 m 2 ). Rapsfrøet består av omtrent 40 % fett. I tillegg har det et proteininnhold på omtrent 23 %. Oljen kan utvinnes ved at frøene presses og kan brukes i mat, som smøreolje og som drivstoff. Det som blir igjen etter pressingen, pellets, brukes som kraftfôr til dyr. Rapsolje har en energitetthet på 36 MJ/kg. Til sammenligning inneholder fossil diesel 43 MJ/kg. Eksempel 7 Energien i rapsoljen fra frøene som dyrkes på et areal på 1 da (1 dekar = 1000 m2) finner vi slik: 40 % rapsolje av 250 kg frø: 250 kg 0,40 = 100 kg Energi i 100 kg rapsolje er: I kwh blir det: 100 kg 36 MJ/kg = 3600 MJ = 3,6 GJ (3600 / 3,6) kwh = 1000 kwh = 1 MWh Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

8 Rapspressen Rapsfrøene fylles på i trakten øverst til høyre i figur 2. Deretter blir de renset i en trommelsikt i den store beholderen øverst. De rensede frøene kommer ned gjennom det tynne røret i midten, mens rusk går ned i røret til høyre. Frøene går videre inn i selve rapspressen, se figur 3. Den presser ut omtrent 75 % av oljen. Det vil si at en tredel av frøene blir til olje. Oljen presses ut av hullene på siden av presshodet. Resten av frøene blir til presskake, som kommer ut foran og samles opp i en bøtte. Varmeelementet Frøene må ha en temperatur på grader for at vi skal få ut olje. Derfor må presshodet varmes opp før pressen startes. Varmeelementet sitter rundt presshodet. Temperaturen bør ha vært rundt hundre grader i noen minutter, så varmen har rukket å spre seg inn til kjernen av pressa. Varmeelementet styres av en varmeregulator. Denne holder temperaturen i varmeelementet på innstilt temperatur ved å slå strømmen av og på. Figur 2: Rapspresse Figur 3: Rapspresse med varmeelement og temperaturregulator Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

9 Biokraftverket Et kraftverk er betegnelsen for et teknisk anlegg som omformer en energiform til elektrisk energi. Vi har altså for eksempel vannkraftverk, kjernekraftverk, kullkraftverk, gasskraftverk, vindkraftverk og biokraftverk. Et kraftverk kan også kalles et energiverk, som er et riktigere begrep i og med at kraftverket ikke først og fremst yter en kraft, men omformer energi. Et biokraftverk bruker biologisk materiale som energikilde, for eksempel treflis, biogass, halm, eller rapsolje. Biokraftverket på Energilaboratoriet går på rapsolje. Den ferdige rapsoljen fra rapspressen kan brukes i biokraftverket etter å ha stått og klarnet noen uker og deretter blitt filtrert. Vi kan også bruke rapsolje vi kjøper på butikken. Figur 4: Biokraftverket på laboratoriet Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

10 Figur 5: Kontrollpanel Kontrollpanel Med kontrollpanelet startes og stoppes motoren, og man kan velge om man skal kjøre den på diesel eller rapsolje. Når motoren er kald, må inntaksluften forvarmes. Derfor er det montert en glødetråd i luftinntaket som skrus på ved å vri tenningsnøkkelen over på «gløding». Den røde start-knappen holdes inne til motoren har startet, og så kan tenningsnøkkelen slippes så den går over på «drift». Du kan skifte mellom diesel og olje ved å vri på bryteren nede til høyre. Kontrollpanelet viser også turtall på motoren og generatoren, og temperaturen på smøreoljen, som bidrar til å forvarme drivstoffet. Olje- og dieseltank og vekt Vi har to tanker, en for diesel og en for rapsolje. Motoren må startes opp med diesel før vi kan skifte over til rapsolje. Under oljetanken står det en vekt til å måle drivstofforbruket. Vekta kan leses av på skjermen som er plassert bak biokraftverket, oppå dieseltanken. Figur 6: Oljetank og vekt Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

11 Figur 7: Forbrenningsmotor Forbrenningsmotor En forbrenningsmotor omformer kjemisk energi til kinetisk energi. Den kjemiske energien i drivstoffet omdannes til varmeenergi i forbrenningsgassene. Gassene fra forbrenningen utvider seg og dytter på motorens stempler, som får en aksling til å rotere. På laboratoriet forbrennes rapsoljen i en tosylindret dieselmotor. Når motoren startes, må den kjøres på diesel til smøreoljen er blitt over 20 grader. Gasshendel En gasshendel nederst til høyre på motoren regulerer drivstoffinntaket. Den fungerer som gasspedalen i en bil når den trykkes ned (vris med klokken), får motoren mer drivstoff. Figur 8: Gasshendel Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

12 Figur 9: Generator Generator En generator består av to deler en stator som står stille, og en rotor som snurrer rundt. På statoren er det festet spoler. På rotoren er det like mange magneter som det er spoler på statoren. Disse kan være enten vanlige magneter, eller elektromagneter. Når magnetene i rotoren beveger seg i forhold til spolene i statoren, induseres det en spenning over spolene. Generatoren omformer altså mekanisk effekt til elektrisk effekt. Drivaksling Drivakslingen overfører rotasjonsbevegelsen (kinetisk energi) fra motoren til generatoren. Den kobles til generatoren ved hjelp av en kløtsj, som står til venstre for motoren. Kløtsjen dyttes forsiktig, men hardt opp til den står av seg selv. Husk at generator og motor må være koblet fra når du starter motoren, og å koble ut kløtsjen før motoren stanses. Figur 10: Aksling Figur 11: Spak til Kløtsj Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

13 Kraftcelle Måling av motoreffekten foregår ved hjelp av en kraftcelle og en turtallsmåler. Kraftcellen måler hvor hardt rotor «drar» i stator når den induserer spenning. Kraftcellen måler kraften som stator utøver på en 0,26 m lang arm som hindrer generatoren i å følge med rundt. Når vi måler krafta og vet hvor fort akslingen roterer ved hjelp av turtallsmåleren, kan vi regne ut effekten som motoren leverer til generatoren: Figur 12: Kraftcelle [W] (5) Der n er turtallet (i rpm omdreininger per minutt), avlest på kontrollpanelet, og m er kraft (i kg) på kraftcellen. Styreskap Styreskapet på lysstativet har fire brytere for å skru på tre og tre lamper, og i tillegg et voltmeter og amperemeter. Voltmeteret viser spenningen lampene er tilkoblet, mens amperemeteret viser strømmen som går gjennom en av lamperadene. Figur 13: Styreskap Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

14 Figur 14: Lysstativ Lysstativ Lysstativet består av 4 x 3 lamper. Lampene kobles inn i grupper på tre og tre ved hjelp av bryterne på styreskapet. Lampene må alltid ha en spenning på 230 V. Pass på at spenningen ikke blir høyere enn dette, da ryker pærene. Den bør heller ikke være lavere enn 210 V. Effekten levert til en lampekolonne kan regnes ut ved formelen: P = 3UI [W] (6) Der U er spenningen målt på voltmeteret, og I er strømmen målt på amperemeteret. Vi må gange med tre fordi amperemeteret bare måler strømmen til en av lamperadene. Lampene fungerer som last det vil si at de er motstander som generatoren leverer effekt til. Jo flere lamper, jo større last og da må generatoren også levere mer effekt. Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

15 Gjennomføring Sikkerhet Vær forsiktig rundt motoren og akslingen på biokraftverket. Ikke ha på skjerf eller lignende, og knytt opp langt hår. Dette kan feste seg i akslingen mens den går rundt. Noen områder av motoren, særlig rundt eksosen, kan bli svært varme. Pass på fingrene! Bruk hørselvern ved kjøring av biokraftverket over lengre perioder. Spør labveileder hvor du finner disse. Del 1: Rapspresse Labveileder demonstrerer rapspressen for dere. Del 2: Biokraftverk Dere skal gjøre fem runder med målinger på biokraftverket, og hver runde består av tre sett med målinger. Bruk skjemaene bakerst i manualen til å fylle inn målingene. NB: Gjør alle nødvendige målinger mens motoren går. Selve utregningene kan dere gjøre etterpå. Før start 1. Fordel arbeidsoppgaver i gruppa: a. 1-2 personer til å måle vektendring på drivstofftanken b. 1-2 personer til å styre lysstativet og måle strøm og spenning c. 1-2 personer til å styre kontrollpanel, kløtsj, gass og til å måle kraft og turtall. Personen som måler vektendring trenger også en klokke som kan måle sekunder. 2. Vekten må være vannrett. Bruk libellen på siden av vekta og juster beina til vekten er i vater. Figur 15: Energiflyt 3. Løft oljetanken av vekten og nullstill den. Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

16 Oppstart 1. Nullstill kraftcella på generatoren. 2. Velg dieseldrift. 3. Vri tenningsnøkkelen til gløding og hold i 10 sekunder. 4. Hold inne startknappen til motoren har startet, og slipp tenningsnøkkelen så den går over til «drift». 5. Still gasshendelen slik at motoren går på omtrent 1300 rpm på tomgang. 6. Koble inn kløtsjen forsiktig og over litt tid så generatoren får tid til å komme i gang. Kløtsjen er innkoblet når den står av seg selv. Nå har generatoren og dieselmotoren samme turtall. 7. Kjør motoren på diesel til temperaturen på oljen er grader. Dette er for at rapsolja skal bli varm og tyntflytende nok. 8. Still inn turtallet så dere får en spenning på 230 V. Nå er dere klare til å gjøre målinger. Målinger Dere skal gjøre fem sett med målinger. Den første gjøres uten at noen lys er skrudd på. 1. Noter vekta på drivstofftanken, samtidig som dere starter å ta tiden. Hver måling bør være på i hvert fall to minutter. 2. Samtidig som drivstofforbruket måles, noteres strøm, spenning, kraft og turtall. Disse er relativt konstante på konstant drivstoff-forbruk, så det spiller ingen rolle når det måles i løpet av de to minuttene. 3. Etter ca. to minutter noteres ny vekt, og hvor mange sekunder målingen ble gjort over. Nå er første runde med målinger ferdig. 4. Koble inn en gruppe med lamper, og still gassen så dere igjen får en spenning på 230 V. Nå er dere klare til neste runde målinger. 5. Gjenta punkt 1-4 til alle gruppene med lamper er på. Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

17 Avslutning Når alle rundene er ferdige, skal biokraftverket skrus av. 1. Still spenningen ned til 210 V og skru av en lyskrets. Gjenta til alle kretsene er skrudd av. 2. Koble fra clutchen 3. Kjør motoren på diesel i minst 2 minutter 4. Skru av motoren. Beregninger Svar på disse oppgavene etter at du er ferdig med forsøket. Bruk skjemaene dere har fylt ut bakerst i manualen. 1. Regn ut effekt tilført motor ved forskjellige belastninger (husk at watt = Joule/sekund) Uten lamper 1 krets 2 kretser 3 kretser 4 kretser Drivstofforbruk (kg/s) Energiinnhold rapsolje (27 MJ/kg) Drivstofforbruk Effekt tilført motor (W) Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

18 2. Regn ut effekt ut av motor ved forskjellige belastninger Uten lamper 1 krets 2 kretser 3 kretser 4 kretser Trykk på kraftcelle (kg) Turtall (rpm) 0,267 W/kg rpm Avlest kraftcelle Turtall Effekt fra motor 3. Regn ut effekt ut av generator ved forskjellige belastninger Uten lamper 1 krets 2 kretser 3 kretser 4 kretser Effekt fra generator (W) = 3 Strøm (A) Spenning (V) Strøm Spenning Effekt fra generator 4. Regn ut virkningsgraden til motoren, generatoren og hele kraftverket ved forskjellige belastninger Uten lamper For motoren For generatoren For kraftverket 1 krets 2 kretser 3 kretser 4 kretser Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

19 5. Hvor mye effekt har vi tapt i hver energikonvertering, og hvor har den tapte effekten forsvunnet? 6. Hvor finner vi de største tapene i biokraftverket? Kan du forklare hvorfor? 7. Når er virkningsgraden høyest? Kan du forklare hvorfor? 8. Har du noen idéer til hvordan vi kan øke virkningsgraden på biokraftverket eller bruke energien som har gått tapt? 9. Diskuter: Bør vi bruke raps til produsere elektrisitet? Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB

20 Måleskjemaer 1.2 Drivstoff-forbruk Uten lamper 1 krets 2 kretser 3 kretser 4 kretser Vekt før (g) Vekt etter (g) Tid (s) 1.3 Effekt ut av motor Uten lamper 1 krets 2 kretser 3 kretser 4 kretser Kraftcelle (kg) Turtall (rpm) 1.4 Effekt ut av generator Uten lamper 1 krets 2 kretser 3 kretser 4 kretser Spenning (V) Strøm (A) Skolelaboratoriet for fornybar energi, UMB