Konverteringer

Når vi vurderer energi og klimautslipp er det ofte nødvendig å konvertere mellom enheter og å vite energiinnhold i energibærere og deres CO2 utslipp ved forbrenning. Mange kalkulatorer og sider på nettet gir støtte for dette, men de bruker ofte andre enheter og konverteringer enn de som er naturlige å bruke i Norge. I denne fanen samler jeg oppstillinger som jeg ofte bruker selv.

Volum 1


   Konverter fra                 Til liter
   1 fat (barrel) [bbl]          158,99
   1 cubic feet [ft3]             28,317
   1 gallon (US liquid) [gal]      3,7854
   1 gallon (UK Imperial) [gal]    4,5461

Masse 2


   Konverter fra               Til kg
   1 ounce (US and UK) [oz]    0,02835
   1 pound (US & UK) [lbs]     0,4536
   1 tons (US or short)      907,1847
   1 tons (metric)          1000,0000
   1 tons (UK or long)      1016,0469

Energi 3


   Konverter fra               Til kWh    Til  MJ
   1000 BTU (mean)             0,293297   1,05587
   1000 kcal,Cal,food calorie  1,162778   4,186
      1 Hestekraft time        0,7457     2,68452
      1 MJ                     0,277778   1
      1 kWh                    1          3,6

Konverteringene i tabellen over er både til kWh (tusen watt-timer) fordi det er en enhet som vi i Norge har et forhold til, og til MJ (millioner Joule) fordi Joule er en avledet SI enhet [kg m2 s-2]. Benevnvningen til Joule kan også skrives som [Nm] og [Ws].

Temperatur 4


  °F = °C × 1,8 + 32
  °C = (°F - 32)/1,8

Vannet fryser ved 0 °C og 32 °F. Det koker ved  100 °C og 212 °F.
1,8 i formlene skrives ofte som 9/5.

Drivstofforbruk 5


  Fra x              Til y liter per 10 km
  x mpg US liguid    y = 23,52 / x
  x mpg UK imperial  y = 28,25 / x

Bytt x og y i ligningene over for å konvertere den andre veien.


BTU, British thermal unit 6


1 BTU er energimengden som kreves for å varme opp et pound vann en grad Fahrenheit ved atmosfæretrykk. Men energimengden avhenger av vannets utgangstemperatur. 1 mean BTU er 1/100 av energimengden som kreves for å varme opp 1 pound fra 0 til 100 grader Celsius. 1 mean BTU er er 1055,87 J. Ofte brukes 1055 J.

Calorie 7


1 cal er energimengden som kreves for å varme opp ett gram vann en grad Celsius. Som for BTU er energimengden avhengig av vannets utgangstemperatur. 1 mean cal er 1/100 av energimengden som kreves for å varme opp 1 gram fra 0 til 100 grader Celsius. 1 mean cal er 4,190 J.

1 cal kalles small calorie. Vi bruker ofte kilocalorie, som er 1000 cal. Kilocalorie kalles også food calorie eller large calorie, med symbol kcal eller Cal.

Naturgass 8


Mengde naturgass angis i enten Normal kubikkmeter Nm3 eller i Standard kubikkfot Sft3.
For Nm3 skal temperaturen være 0 °C og trykket 101.325 kPa (1 atm).

For Sft3 skal temperaturen være 60 °F (16 °C) og trykket 14.73 psia (litt mere enn 1 atm).

Mengde naturgass kan også oppgis i Standard kubikkmeter Sm3. Da skal temperaturen være  20 °C og trykket som for Nm3.

1 Nm3 naturgass veier ca 0,8 kg. Energimengden avhenger av om vi angir Lower Heating Value (LHV) eller Higher Heating value (HHV). Hvis vi bruker en middelverdi av disse inneholder 1 Nm3 naturgass ca 35 MJ.

Hydrogen 9


1 Nm3 hydrogen veier 0,09 kg. Energimengden avhenger av om vi bruker HHV eller LHV. Hvis vi bruker en middelverdi av disse inneholder 1 Nm3 hydrogen 11,8 MJ. I de neste avsnittene vil jeg se på virkningsgrader når hydrogen produseres for bruk i brenselceller i bil. Da er det riktig å bruke LHV, og da inneholder 1 Nm3 hydrogen 10,8 MJ.

(Overskudds-)energi fra sol og vind kan brukes i elektrolyse av vann for å produsere Hydrogen.  NEL Hydrogen er et firma som leverer utstyr til dette. De skriver at typisk kraftforbruk, omregnet fra kWh til MJ, er mellom 13,7 og 15,9 MJ for å produsere 1 Nm3 hydrogen. Det gir en virkningsgrad mellom 68 og 79 %.

Brenselceller i kjøretøyer konverterer hydrogen til elektrisitet. De har virkningsgrad mellom 40 og 60% 10. I tillegg genereres varme som kan brukes i varmeapparatet om vinteren.


Energimengde og CO2 utslipp 11


                             kg     kg     gram
   Energibærer  MJ/kg  MJ/l  CO2/kg CO2/l  CO2/MJ
   Naturgass     44,0  26,8  3,0    1,83    68
   Hydrogen     131,0   9,3  0      0        0 
   Kull          31,4   -    3,6    -      114
   Råolje        41,9  29,7  3,4    2,41    81
   Bensin        46,7  33,4  3,3    2,36    71
   Flybensin     42,8  34,4  3,0    2,41    70
   Diesel        48,1  40,3  3,4    2,85    71
   Tre (tørr)    18,5   -    1,9    -      103 
   Ethanol       25,1  19,8  1,9    1,5     76
   Biodiesel     37,8  34,5  2,9    2,6     77

Den første kolonnen angir energibæreren. De to neste kolonnene angir energimengden som frigjøres ved forbrenning av henholdsvis en kg og en liter av energibæreren. De to neste kolonnene angir antall kg CO2 utslipp fra brenning av henholdsvis en kg og en liter av energibæreren. Den siste kolonnen angir antall gram CO2 utslipp per MJ energi frigitt ved brenning av energibæreren.

Energimengdene i tabellen er såkalt 'Primary energy'. Det er ikke tatt hensyn til virkningsgrader når energibæreren brennes. Det er heller ikke tatt hensyn til energibruk og utslipp i forbindelse med produksjon av energibæreren.

Forskjellige nettsider oppgir energiinnholdet i og CO2 utslippene fra energibærere litt forskjellig, både fordi kvaliteten av energibærere av samme type varierer, og fordi det varierer om de bruker LHV eller HHV eller middelverdien av dem.  Noen oppgir energimengden som et spenn mellom to verdier uten å opplyse om hva spennet betyr. Tabellen over er generell, og den skal være enkel; derfor bruker jeg middelverdien i spennet. Jeg ser at andre gjør det samme. Verdiene i tabellen har pga alt dette stor usikkerhet. Kildene i fotnote 11 tar med siffer(e) etter kommaet, og jeg gjør derfor det samme selv om usikkerheten er stor.

HHV inkluderer energien som frigjøres når vanndampen i forbrenningsgassen kondenseres og kjøles ned. Forskjellen mellom LHV og HHV verdi er størst for hydrogen, for der består avgassen kun av vanndamp. Hydrogen har LHV 119,96 og HHV 141,88 MJ/kg. Det avhenger av bruken om det er riktigst å bruke LHV eller HHV.

Karboninnholdet i kull kan variere mellom 60 og 80%. Det er derfor store variasjoner i både energimengde i og CO2 utslipp fra kull.

Panasonic battericellen 18650 som brukes i Tesla høsten 2017, har spesifikk energi 0,9 MJ/kg. Det er bare 2% av spesifikk energi til bensin.

Virkningsgrader ved produksjon av elektrisitet 12


  Kraftverk          Virkningsgrad
  Naturgass moderne  45 %
  Naturgass          33 %
  Kull               34 %
  Biomasse           24 %

Det er et betydelig spenn i virkningsgraden som forskjellige kraftverk oppnår. Prosentverdiene i tabellen over er gjennomsnittsverdier. NVE oppgir CO2 utslipp per produsert kWh elektrisitet for kull- og gasskraftverk. Ved å sammenligne de verdiene med CO2 utslipp per MJ primærenergi regner vi oss frem til virkningsgrad 48% for gasskraftverk og 37% for kullkraftverk, som begge er tre prosentpoeng høyere enn prosentsatsene i tabellen over.

Moderne gasskraftverk har høy virkningsgrad fordi de benytter de varme avgassene fra den første turbinen i en cycle nummer to.

Kraftverk som brenner trær og hogstavfall har lav virkningsgrad pga. høy fuktighet i biomassen. Virkningsgraden i selve kraftverket er bedre hvis det brenner pellets, men produksjonen av pelletsen krever mye energi.


Virkningsgrader hydrogen- og elbil 13


Hydrogenbiler, som f.eks. Toyota Mirai, drives frem av elektrisk motor. Strømmen produseres i en brenselscelle der hydrogen reagerer med oksygen og blir til vann pluss energi i form av strøm og varme. Mellom brenselscellen og den elektriske motoren er det et bufferbatteri med kapasitet i størrelsesorden en kilowattime. Bilen får all energi fra hydrogenet.

Vanlige elbiler drives frem av elektrisk motor som får strømmen fra et batteri. Det har kapasitet i størrelsesorden mange titalls kilowattimer. Bilen får all energi fra batteriet.

Det finnes hybridvarianter av både hydrogen- og elbiler. De dekkes ikke av tabellen under.

  Prosess         Hydrogenbil  elbil
  Strømoverføring                90%
  Elektrolyse             71%
  Batterilading                  85%
  Hydrogen kompresjon     90%
  Hydrogen transport      80%
  Brenselscelle           50%
  Bil med elmotor         90%    90%

  Totalt                  23%    69%

Tabellen viser typiske virkningsgrader fra energi i strømnettet til energi på drivhjulene. Tallene er hentet fra Tonys Seba, se fotnote 13. Han forutsetter at hydrogenet produseres med elektrolyse av vann, og deretter komprimeres og transporteres med tankbil eller lignende til en fyllestasjon. Det tilsvarende transportleddet for elbilen er overføring av strømmen gjennom nettet.

Tabellen viser at det er ca tre ganger mer effektivt å lagre strømmen direkte i et lithiumionbatteri sammenlignet med å gå veien om hydrolyse, hydrogen og brenselcelle. Men hydrogen har også sine fordeler. Det er mye rimeligere å lagre store energimengder som hydrogen i en tank enn som 'strøm' i et batteri, og det er mye mer energi i en kg hydrogen enn i et kg batteri. Hydrogenets fordeler er viktige på flere områder, bl.a. for å kunne lagre store energimengder i perioder med strømoverskudd fra sol- og vindkraftverk.

Hydrogen produseres i 2017 for det meste fra naturgass. Strøm produsert fra naturgass har en betydelig andel av den europeiske strømproduksjonen. I 2017 er det derfor relevant å sammenligne utslippene fra en elbil som får strømmen sin fra et gasskraftverk med utslippene fra en hydrogenbil som får hydrogenet sitt produsert fra naturgass. Artikkelen Well to wheel analysis of low carbon alternatives for road traffic har gort denne sammenligningen. Elbilen har da utslipp 59 gram CO2 ekvivalenter per passasjerkilometer, og hydrogenbilen 74 gram CO2 ekvivalenter per passasjerkilometer. Elbilen har minst utslipp, men ikke så veldig mye mindre enn hydrogenbilen.

Fotnoter


1
Jeg har brukt Digital Dutch Unit Converter https://www.digitaldutch.com/unitconverter/volume.htm for å konvertere mellom enheter for volum, masse og energi. Det er mange andre konverteringskalkulatorer på nettet. Unitarium converter http://www.unitarium.com/ er oversiktlig og fin, og den gir en grei oversikt over SI enhetene og de avledete SI enhetene.

2
Se fotnote 1

3
Se fotnote 1

4
Mer forklaring på https://www.mathsisfun.com/temperature-conversion.html.

5
1 mile er 1609,344 m.  Konvertering fra US liquid gallon og fra UK Imperial gallon til liter er definert i innlegget under overskriften Volum.

6
Mer forklaring på https://en.wikipedia.org/wiki/British_thermal_unit

7
Mer forklaring på https://en.wikipedia.org/wiki/Calorie

8
Det er mange forskjellige definisjoner på volum av naturgass. Jeg har brukt verdier på https://en.wikipedia.org/wiki/Natural_gas
og http://www.oxywise.com/en/content/news/what-is-the-difference-between-nm3-and-sm3.

9
Jeg henter data om hydrogen fra flere kilder. http://www.h2data.de/ gir en grei oversikt.

10
Se DOE artikkel på https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/doe_fuelcell_factsheet.pdf. Wikipedia bekrefter brenselcelle effektivitet 40-60%  https://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell.

11
Ingen av nettsidene jeg har funnet viser nødvendige data for alle energibærerne som jeg har med i tabellen. Jeg endte opp med å bruke Wikipediasiden https://en.wikipedia.org/wiki/Energy_content_of_biofuel for alle energibærerne untatt flybensin. Nettsiden http://www.h2data.de/ viser at spennet i verdiene for hydrogen er Lower og Higher heating value. Dataene for flybensin hentet jeg fra Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Jet_fuel og fra IEA https://www.iea.org/publications/freepublications/publication/CO2EmissionsfromFuelCombustionHighlights2017.pdf. I førstnevnte side brukte jeg verdiene for Jet A-1.

12
Virkningsgradene er gjennomsnittsverdier hentet fra Table 1 i notatet How Biomass Energy Has Become the New Coal. Store kraftverk har bedre virkningsgrad enn små kraftverk. http://www.pfpi.net/wp-content/uploads/2014/04/PFPI-Biomass-is-the-New-Coal-April-2-2014.pdf.

13
Tony Seba sammenligner Toyota hydrogenbil (HFCV, Hydrogen Fuel Cell Vehicle) med Tesla elbil (EV, Electric Vehicle). http://tonyseba.com/toyota-vs-tesla-can-hydrogen-fuel-cell-vehicles-compete-with-electric-vehicles/

1 kommentar:

  1. Figur 6 på side 19 i Transport & Environment rapporten How to decarbinize European transport by 2050 (utgitt i november 2018) angir bedre effektivitet for både hydrogenbil og elbil enn jeg gjør. For elbil sier rapporten 77% og for hydrogenbil 30%. Rapporten deler opp i tilsvarende underpunkter som jeg gjør, men med bedre effektivitet for hver av dem. Figurens hovedpoeng er imidlertid at et tredje alternativ, å produsere syntetisk drivstoff som kan brukes i vanlige motorer, har effektivitet på bare 13%. Syntetisk drivstoff lages av hydrogen produsert med elektrolyse og av CO2 fanget fra luft. For luftfart i 2050 sier rapporten at syntetisk drivstoff er det eneste reelle utslippsfrie alternativet.

    Figuren er meget illustrerende. Se rapporten på https://www.transportenvironment.org/sites/te/files/publications/2018_11_2050_synthesis_report_transport_decarbonisation.pdf

    SvarSlett