Omzetting van warmte in elektriciteit

Het is onmogelijk om warmte voor 100% in arbeid (elektriciteit) om te zetten. Dit is een formulering van de 2e hoofdwet van de thermodynamica en hier wordt in het vak TB242E, Processen in de energiesector, uitgebreid bij stilgestaan.

Volgens deze 2e hoofdwet van de thermodynamica:
• stroomt energie in de vorm van warmte spontaan van een hoog temperatuurniveau naar een laag temperatuurniveau, maar NIET andersom. Ook al is de hoeveelheid lauwwarm water nog zo groot, er is geen apparaat denkbaar om daar spontaan een heet bad van te maken. Een gekoeld kratje bier neemt vanzelf weer de temperatuur van de kamer aan. Om het bier weer te koelen, zal het een tijdje in de koelkast moeten staan en die trekt stroom uit het stopcontact.
• kan energie in de vorm van arbeid wél volledig worden omgezet in warmte, maar kan warmte NIET volledig worden omgezet in arbeid. Voor tijdelijke bijverwarming in een studentenkamer is het gemakkelijk om een elektrisch straalkacheltje te installeren. De 1,5 kiloWatt die zo'n kacheltje uit het stopcontact trekt maakt de ruimte snel behaaglijk warm, maar mocht dat al gewenst zijn dan zou de warmte in die kamer maar voor een zeer klein deel weer terug om te zetten zijn in elektriciteit (arbeid).

Het maximale, theoretische, rendement waarmee warmte omgezet kan worden in arbeid wordt gegeven door het Carnot-rendement.

Carnot-rendement

Het Carnot-rendement is gedefinieerd als:

$$ \η_{\C} = 1 - {T_{laag}}/{T_{\hoog}} $$
met:
$T_{\hoog}$ = temperatuur van de warmte die gebruikt wordt om arbeid uit te produceren [K]
$T_{\laag}$ = temperatuur van de (rest)warmte die als gevolg van de 2e hoofdwet afgevoerd moet worden [K]

Rendement van grootschalige elektriciteitscentrales

Aangezien het bij thermische centrales bij uitstek gaat om de omzetting van warmte in arbeid (elektriciteit) is het Carnot-rendement op deze installaties van toepassing. Voor het bepalen van het maximale, theoretische, rendement van een thermische centrale wordt in de formule voor het Carnot-rendement bij T_hoog de hoogste temperatuur in de thermische centrale ingevuld (de temperatuur in de vuurhaard, dus daar waar de brandstof wordt verbrand) en bij T_laag de laagste temperatuur (die van het koelmedium, meestal koelwater).

Uit de formule voor het Carnot-rendement volgt dat:
• het maximale, theoretisch haalbare, rendement van de omzetting van warmte in arbeid toeneemt als T_hoog hoger wordt:
   - dit betekent dat de temperatuur in de verbrandingsoven ter plaatse van de stoompijpen van de centrale hoger moet liggen, maar:
   - deze temperatuur wordt op haar beurt begrensd door de maximaal met de brandstof te bereiken (adiabatische) vlamtemperatuur en door de inrichting van het fornuis en
   - verlaging van de oventemperatuur kan nodig zijn vanwege veiligheidseisen en de eigenschappen van de in de oven cq. de stoompijpen gebruikte materialen. Denk hierbij aan de sterkte bij hoge druk en temperatuur en aan de inwerking van corrosieve verbindingen in het rookgas.
• het maximale, theoretisch haalbare, rendement van de omzetting van warmte in arbeid toeneemt als T_laag lager wordt:
   - dit betekent dat er voor een maximaal rendement van een elektriciteitscentrale gezocht wordt naar een zo laag mogelijke koelwatertemperatuur.
   - deze temperatuur bepaalt tegen welke temperatuur de afgewerkte stoom uit de stoomturbine kan worden gecondenseerd.
   - deze temperatuur varieert meestal door het jaar heen. In het binnenland kan de oppervlaktewatertemperatuur van rivieren 's zomers flink stijgen. De fluctuatie van de zeewatertemperatuur is meestal kleiner. Is een koeltoren geïnstalleerd dan vertaalt een hogere buitenluchttemperatuur zich direct in een verlaagd rendement van de centrale.
Het praktisch gerealiseerde rendement van een thermische centrale ligt (uiteraard) lager dan het maximale, theoretisch haalbare, Carnot-rendement en wordt bepaald door:
• het werkelijke rendement van alle apparaten in de centrale (stoomketel, warmtewisselaars, leidingen, stoomturbine, pompen, ...) en
• het interne elektriciteitsverbruik van apparatuur in de centrale nodig voor continue bedrijfsvoering (molens voor het vermalen van steenkool, koelwaterpompen, ventilatoren en circulatiepompen in de rookgasreiniging zijn hierbij de grootste verbruikers).

Voor het berekenen van de benodigde hoeveelheid koelwater om de restwarmte weg te koelen is niet alleen de temperatuur maar ook de warmtecapaciteit van het koelwater van belang.