lecture%15% - university of chicago

34
GEOS 24705 ENST 24705 ENSC 21100 Lecture 15 Electricity markets, turbines, hydro Copyright E. Moyer 2016

Upload: others

Post on 18-Dec-2021

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

GEOS  24705  ENST  24705  ENSC  21100  

Lecture  15    

Electricity  markets,  turbines,  hydro    

Copyright E. Moyer 2016

Electricity  system:        genera&on,  transmission,  opera&on  separate    

What  sets  the  amounts  that  people  pay?  

In  the  old  days  

The  uBliBes  owned  everything,  and  would  charge  customers  enough  to  recover  their  costs.  The  state  uBliBes  commission  would  approve  the  rates.  

Nowadays  

Generator  price  set  by  the  day-­‐ahead  market:  Sets  the  hour  by  hour  price  that  generators  receive  for  power  or  for  capacity.  

Wholesale  price  set  by  market  and  by  FERC:  Sets  the  markup  that  the  RTO  can  charge  over  market.    Sets  the  transmission  rates.  

Retail  price  set  by  state  u=li=es  commissions:  Determines  the  rates  that  the  uBliBes  can  charge  their  customers.  Flat  rates  –  no  hourly  changes.    

Cheap  natural  gas  is  upending  the  electricity  market  

In  PJM  fluctuaions  are  fairly  small  (only  50%  maximum  change)  

PJM  has  a  normal  diurnal  demand  cycle  peak  in  late  a;ernoon,  amplitude  ~  30%  of  min  in  summer  

“The  duck  has  landed”  in  California  

“The  duck  has  landed”  in  California  ResidenBal  solar  wipes  out  mid-­‐day  demand.  (Home  genera&on  counts  as  canceling  demand).  Then  demand  spikes  as  the  sun  sets  –  by  2020  power  demand  will  ~  double  in  2.5  hours.  

Turbines  drive  modern  electricity  genera=on  all  designed  to  use  flowing  fluid  to  rotate  something  

Features that may matter to turbine design

•  Fluid  velocity    •  Fluid  density      •  Pressure  drops    

 

 if  molecules  just  push  on  blades:        “impulse  turbine”  if  turbine  exploits  pressure  drop:        “reacBon  turbine”  if  elements  of  both:                            “impulse-­‐reacBon”  

Features that may matter to turbine design

Wind:    low  velocity,  low  density,  no  pressure  drop      Water  wheel  or  run-­‐of-­‐river  hydro:                  low  velocity,  high  density,  no  pressure  drop      Dam  hydro:    low  velocity,  high  density,  large  pressure  drop      Gas  or  steam  turbine:      high  velocity,  low  density,  large  pressure  drop  

Invented  in  1884  (Parsons)    80%  of  world’s  electricity  today                    (all  external  combusBon)    Power  growth  rapid:  first  turbine  75  kW  (1890),  by  1912  Chicago  (Fisk!)  was  25  MW,  >  50  MW  in  Parson’s  lifeBme,  >  1  GW  now      

1.  STEAM  TURBINE  

First  built  in  1903  (Elling).    (Conceived  of  in  1791,  but  was  not  buildable)    Adop=on  slow:  no  commercializaBon  Bl  1918,  no  rouBne  use  Bl  1930s.      

2.  GAS  TURBINE  

Invented  in  1848  (James  Francis).      For  the  texBle  mills  at  Lowell,  MA  –  improved  efficiency  over  tradiBonal  water  wheel  design    Most  common  hydro  turbine  in  use  today    

3.  HYDRO  TURBINE  (Francis)  

4.  HYDRO  TURBINE  (Pelton  wheel)  

Invented  in  1870s  (Lester  Pelton).      Improvement  on  tradiBonal  water  wheel  used  in  CA  gold  mining  in  small  streams    Preferred  hydro  turbine  in  certain  condiBons:                                                                      small  flow,  large  drop      

Why  isn’t  there  hydro  on  the  Mississippi?      

Why  dam  a  river  to  get  energy  from  its  flow?  

     dam        vs.                            run-­‐of-­‐river  If  the  point  is  just  to  get  kine=c  energy  from  the  

river’s  flow,  why  do  you  need  a  dam  at  all?  less  environmentally  damaging  if  you  didn’t  dam…  

Photo: L. PapaKaster Photography

Where  does  the  poten=al  energy  of  an  undammed  river  go?  

Dam  increases  extractable  energy    

Water  is  guided  to  the  turbine  via  a  “penstock”  that  controls  flow  and  pressure  Image:  Xeneca  Corp.  

Raising  “head”  allows  harnessing  energy  that  is  otherwise  lost  during  flow  of  river      

Energy  flux  and  power    

Power  =  ε  �  ρ  �  A  �  v    

f   f  

Flux      =        flow  of  something  per  area  per  Bme  

A  

l  =  v  *  t  

 Volume  flux    =    V/A  �  t    =    (A  � v  � t)/(A  � t)    =    v    Mass  flux            =        volume  flux  �  (mass/volume)        =    v  �  ρ      

Energy  flux      =        mass  flux  �  (energy/mass)                  =    v  �  ρ � ε  

Energy/mass  in  a  flow:  Bernoulli’s  equa=on  

Energy/mass  =                ½  v2                +            g  h                      +                  p/ρ

kineBc    gravitaBonal              pressure  gradient

Can  swap  energy  back  and  forth  between  these  terms.    This  form  is  for  incompressible  fluids  only..  Assumes  no  change  in  volume  or  temperature.    Gases  are  compressible  -­‐  heat  on  adiabaBc  compression,  cool  on  adiabaBc  expansion.  Need  to  add  in  a  term  for  the  thermal  energy  (“internal  energy”)  of  the  gas,  since  energy  swaps  into  and  out  of  heat  in  gas.    

Energy  in  a  flow:  wind  power  (kine&c  term)  

Energy/mass  =                ½  v2                +            g  h                      +                  p/ρ

kineBc    gravitaBonal              pressure  gradient

P  =  ε  �  ρ  �  A  �  v      energy  density  is  kine&c  term:  ε  =½  v2  

P      =      ½  ρ  A  v3  

Flow  f  =  mass/Bme    f   f  

Power  =  energy/mass  *  mass/volume  *  volume/Bme  

Energy  in  a  flow:  dam  hydro  (pot.  energy  term)  

Energy/mass  =                ½  v2                +            g  h                      +                  p/ρ

kineBc    gravitaBonal              pressure  gradient

P  =  ε  �  ρ  �  A  �  v      energy  density  is  pot.  energy  term:  ε  =gh  

P      =  g  h  ρ    � (A  �  v)  

Flow  f  =  mass/Bme    f   f  

Power  =  energy/mass  *  mass/volume  *  volume/Bme  

Energy  in  a  flow:  dam  hydro  (recover  in  pressure  term)  

Energy/mass  =                ½  v2                +            g  h                      +                  p/ρ

kineBc    gravitaBonal              pressure  gradient

P  =  ε  �  ρ  �  A  �  v      energy  density  is  pressure  term:  ε  =p/ρ

P      =  p    �    (A  �  v)  

Flow  f  =  mass/Bme    f   f  

Power  =  energy/mass  *  mass/volume  *  volume/Bme  

Pelton  (1870s)  High  head,  low  flow  Impulse  turbine  used  with  dam  

3  main  dam  hydro  turbine  designs    choice  governed  by  flow  rate  and  pressure  

Images:  L.  Voith  Siemens  M.  Copyright  unknown  R.  Photo  V.O.  Kanninen  

Francis  (1848)  Medium  head,  all    but    highest  flows  Pure  reac<on  turbine  

Kaplan  (1922)  Low  head,  all  flows  Pure  reac<on  turbine  

Flow  differs  in  three  main  hydro  turbines        

Francis turbine: reaction turbine medium head (10 - 500 m), high flow Hydro getting bigger…over 800 MW max Efficiency  already  near  max  –  but  larger  scale  lowers  cost  

Francis turbine runner from Three Gorges Dam project, China (700 MW)

Runner  is  only  small  part  of  turbine  assembly  Inlet  spiral  is  even  larger  

Francis turbine intake spiral from Grand Coulee Dam

Turbine  assembly  contains  more  than  just  runner  

What  is  the  input  spiral  for?  Why  does  it  decrease  in  radius?        What  is  the  funcBon  of  the  drap  tube?  Why  does  it  fan  outwards?  

Turbine  assembly  contains  more  than  just  runner  

What  is  the  input  spiral  for?  Why  does  it  decrease  in  radius?  The  spiral  directs  water  radially  to  the  runner.  Because  water  flows  in  to  center  and  is  lost,  the  diameter  has  to  narrow  to  keep  velocity  constant.    What  is  the  funcBon  of  the  drap  tube?  Why  does  it  fan  outwards?  To  produce  a  slow-­‐down  of  moBon  and  drop  in  pressure.  (It’s  an  “anB-­‐nozzle”)    

How  fast  does  the  turbine  rotate?  

15 m rotor for 400 MW generator at Son La hydroelectric facility, Vietnam (L). Rewinding the rotor for a small hydroelectric plant (R)

   Will  a  hydro  turbine  rotate  as  fast  as  a  gas  or  steam  turbine?  No  –  gas  turbines  rotate  at  60  Hz  but  hydro  turbines  rotate  more  slowly,  someBmes  ~1  Hz    How  does  it  make  60  Hz  AC  electricity?  By  increasing  the  number  of  poles  in  the  rotor  magnet