SI0 7005 Energi og Miljø Elektrisk energiteknikk Noen aktuelle utfordringer 5. Mars 2003 Arne Nysveen 1 Kraftsystem - tradisjonelt Generering Transmisjon (overføring) Distribusjon Forbruker Husholdning Industri/Næring 2
Det nordiske høyspentnettet 3 Framtidig kraftsystem? 4
Fra vind til avansert industriautomasjon Hvordan realisere dette? 5 Elektrisk energi for Europa? Hydro 200 GW Hydro power Solar power Wind power DC transmission Wind 300 GW 25 000 km sq 5000 x 10 km Chemical Storage 1000 TWh 60 Mton Hydrogen (four months storage) Solar 700 GW 8000 km sq 90 x 90 km 6
Sosio-teknisk system Myndigheter Kunder Energiverk Fysisk kraftsystem Leverandører Universiteter 7 Tidevannskraftverk Vindkraft under vann Utnytter havstrømmer satt opp av tidevannet 2 tidevanns perioder hver dag. Havstrømmen endrer retning 4 ggr pr. dag Kraftstasjonen settes i en nacelle under vann ilot under installasjon i Kvalsundet utenfor Hammerfest 8
Kraftproduksjon fra turbin 600 500 Uten pitch regulering Middel Snitt - 20 min Effekt [kw] 400 300 200 100 0 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 50 9 Effekt [kw] 0-50 2300 2350 2400 2450 2500 2550 2600 Tid [min] fra 2001.10.16-17:47 Nacellen et neddykket kraftverk Gir Nav Vridbare turbinblad 300 kw Ca 7 o/min 500 m kabel til land Asynkrongenerator Generator Gassfylt maskinhus 10
Fundament 100 tonn 3-pod stål struktur Installeres i et løft 160 tonn ballast-stål etterinnstallert Malt og katodisk beskyttet med aluminiums anoder 11 Installasjon av tidevannsmølla 12
Kraftsystem 1:70 300 kw 500 rpm 500 m 22 kv itch Gear 1000V Local Grid Turbin Generator Transformer 13 roduksjon av olje og gass offshore Olje, gass og vann fra oljebrønnene sendes i rør opp til plattform for prosessering Olje, gass og vann separeres Olje og gass eksporteres i rørledninger eller på skip Vann dumpes på havet Tradisjonelt bygges en eller flere store plattformer for hvert felt For mindre felt og dypere vann kreves ny teknologi 14
Elektrisk kraftsystem Generator + Gassturbin Frekvensomformer 15 Kabel til hver motor El. motorer Nye tekniske løsninger Undervanns motorer Motordrifter med lang avstand fra frekvensomformer til motor Undervanns høyspent kabelterminering Undervann høyspent koblinger (connectors) Undervanns frekvensomformere Undervanns transformatorer Tverrfaglighet 16
Elektrisk drift av pumper og kompressorer 17 Undervanns frekvensomformer 18
Undervanns koblinger - connectors 19 Eksempel Forsyning av pumpe på 2000 kw Effektbehov: 2000 kw Avstand plattform pumpe: 6000 m To alternativer: 1) Elektrisk motor 2) Turbin drevet av vann 2000 kw 6000 m 20
Effekt i en motor Akseleffekt: n mek = T ω = T 2π 60 Elektrisk effekt: e = U I (U, I er effektverdier) Virkningsrad til motor: mek = η ( η typysk 0,95) e Tap i viklinger Tap i blikk Friksjonstap For oljefylt subsea motor er η = 0,8 21 Styring av motorer Spenning på klemmene U = k ω φ a 1 I a Konstant Turtall Fluks U a T,ω Moment på aksel T = k φ I 2 a φ Fluksen holdes konstant (MER I 3. KLASSE) Turtall styres av spenning Strømmen avhenger av lastmomentet 22
Elektrisk system (en-faset) 12 kv 12000: X Volt Kabel X kw elektrisk 2000kW mek 6000 m Hva må bestemmes: Elektrisk effekt til motor Spenning i kabel Tverrsnitt til kabel Ytelse på transformator 23 Valg av kabel Elektrisk effekt til motor mek 2000 e = = = 2500kW η 0,8 Strøm/spenning: Spenning 1000V 3300 6600 Strøm 2500A 758 379 Nødvendig tverrsnitt - 630 185 24
Spenningsfall i kabel U = 6600 Volt Kabel #1: 185 mm 2 Resistens: 12 x 0,099 Ω = 1,19 Ω Spenningsfall i kabel U = 1,19 379 = 451V U 451 = = 6,8% U 6600 Kabel #2: 240 mm 2 R = 12 0,0754 = 0,90 Ω 25 U = 341 V U = 5,1% U Ferdig kraftsystem I = 379A R kabel = 0,90Ω 12000V 6940V 341V 6600V U + - Effekt ut av trafo: tut, = 6940 379 = 2630kW Virkningsgrad til trafo: 99% Effekt inn på trafo: Total virkningsgrad: tut, tinn, = 2717 ηtrafo kw 2000 η system = = 74% 2717 26
Alternativt hydraulisk system M Trykk Volumstrøm V 6000m T 1 ω 2000 kw Turbin Sjøvann Dumpes til sjø Sjøvann under høyt trykk driver en turbin på havbunnen Et lignende system finnes på Draugen-feltet i Nordsjøen 27 Effekt i en turbin Akseleffekt:: mek = T ω = T η 2π 60 Hydraulisk effekt: h = V Virkningsgrad: mek =η n η > 0,9 for vannkraftturbin η 0,8 for denne subsea turbinen 28
Hydraulisk system ut =258bar =73bar 16 rør inn =185bar M el =4493 kw mek =4358kW =3486kW 0 bar V=480 m 3 /t t =2500kW ut =0 bar a = 2000 kw Mek. effekt tilført pumpe: Hydraulisk effekt til turbin p mek = = 4358kW a t = = 2500kW 0,8 0,8 El. effekt til motor Trykkfall i rør 4358 = 73 bar el = = 4493kW 0,97 29 Total virkningsgrad: 2000 η = = 45% 4493 Oppsummering Elektrisk energi kan transporteres og omsettes til arbeid med høy virkningsgrad over lange avstander Gode reguleringsegenskaper Hydraulisk utstyr ofte er mindre og lettere 30