Conversia energiei termice în energie electrică cu randament ridicat: metode și echipamente

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-02 14:01

Energia termică ocupă un loc aparte în activitatea umană, deoarece este utilizată în toate sectoarele economiei, însoțește majoritatea proceselor industriale și mijloacele de trai ale oamenilor. În cele mai multe cazuri, căldura reziduală se pierde irevocabil și fără niciun beneficiu economic. Această resursă pierdută nu mai valorează nimic, așa că reutilizarea ei va ajuta atât la reducerea crizei energetice, cât și la protejarea mediului. Prin urmare, noi moduri de a converti căldura în energie electrică și de a converti căldura reziduală în electricitate sunt mai relevante astăzi ca niciodată.

Tipuri de producere a energiei electrice

Transformarea surselor naturale de energie în electricitate, căldură sau energie cinetică necesită o eficiență maximă, în special în centralele pe gaz și pe cărbune, pentru a reduce emisiile de CO2_{2. Există diferite moduri de a convertienergie termică în energie electrică, în funcție de tipurile de energie primară.}

Dintre resursele energetice, cărbunele și gazele naturale sunt folosite pentru a genera energie electrică prin ardere (energie termică), iar uraniul prin fisiune nucleară (energie nucleară) pentru a folosi energia cu abur pentru a transforma o turbină cu abur. Primele zece țări producătoare de energie electrică pentru 2017 sunt prezentate în fotografie.

Tabel cu randamentul sistemelor existente de conversie a energiei termice in energie electrica.

	Genere de energie electrică din energie termică	Eficiență, %
1	Centrale termice, centrale CHP	32
2	Centrale nucleare, centrale nucleare	80
3	Centrală electrică în condensare, IES	40
4	Centrală cu turbină pe gaz, GTPP	60
5	Traductoare termoionice, TEC	40
6	Generatoare termoelectrice	7
7	generatoare de energie MHD împreună cu CHP	60

Alegerea unei metode de conversie a energiei termice înelectrice și fezabilitatea sa economică depind de nevoia de energie, de disponibilitatea combustibilului natural și de suficiența șantierului. Tipul de generare variază în întreaga lume, rezultând o gamă largă de prețuri la energie electrică.

Probleme ale industriei electrice tradiționale

Tehnologiile de conversie a energiei termice în energie electrică, precum centralele termice, centralele nucleare, IES, centralele cu turbine cu gaz, centralele termice, generatoarele termoelectrice, generatoarele MHD au diferite avantaje și dezavantaje. Institutul de Cercetare a Energiei Electrice (EPRI) ilustrează avantajele și dezavantajele tehnologiilor de generare a energiei naturale, analizând factorii critici, cum ar fi construcția și costurile cu electricitatea, terenul, cerințele de apă, emisiile de CO_{2, risipă, accesibilitate și flexibilitate.}

Rezultatele EPRI evidențiază faptul că nu există o abordare universală atunci când se iau în considerare tehnologiile de generare a energiei electrice, dar gazele naturale beneficiază în continuare mai mult deoarece este accesibilă pentru construcție, are un cost scăzut al energiei electrice și generează mai puține emisii decât cărbune. Cu toate acestea, nu toate țările au acces la gaz natural abundent și ieftin. În unele cazuri, accesul la gaze naturale este amenințat din cauza tensiunilor geopolitice, așa cum a fost cazul în Europa de Est și în unele țări din Europa de Vest.

Tehnologii de energie regenerabilă, cum ar fi vântulturbinele, modulele solare fotovoltaice produc energie electrică de emisie. Cu toate acestea, tind să necesite mult teren, iar rezultatele eficacității lor sunt instabile și depind de vreme. Cărbunele, principala sursă de căldură, este cea mai problematică. Conduce în emisii de CO_{2, necesită multă apă curată pentru răcirea lichidului de răcire și ocupă o suprafață mare pentru construcția stației.}

Noile tehnologii au ca scop reducerea unui număr de probleme asociate cu tehnologiile de generare a energiei. De exemplu, turbinele cu gaz combinate cu o baterie de rezervă oferă rezervă de rezervă fără arderea combustibilului, iar problemele intermitente ale resurselor regenerabile pot fi atenuate prin crearea de stocare a energiei la scară largă la prețuri accesibile. Astfel, astăzi nu există o modalitate perfectă de a converti energia termică în electricitate, care ar putea furniza energie electrică fiabilă și rentabilă, cu impact minim asupra mediului.

Centrale termice

La o centrală termică, aburul de în altă presiune și temperatură în altă, obținut din încălzirea apei prin arderea combustibilului solid (în principal cărbune), rotește o turbină conectată la un generator. Astfel, își transformă energia cinetică în energie electrică. Componentele de funcționare ale centralei termice:

1. Cazan cu cuptor pe gaz.
2. Turbină cu abur.
3. Generator.
4. Condensator.
5. Turnuri de răcire.
6. Pompă de apă de circulație.
7. Pompă de alimentareapă în cazan.
8. Ventilatoare de evacuare forțate.
9. Separatoare.

Diagrama tipică a unei centrale termice este prezentată mai jos.

Cazanul de abur este folosit pentru a transforma apa în abur. Acest proces se realizează prin încălzirea apei în conducte cu încălzire prin arderea combustibilului. Procesele de ardere sunt efectuate continuu în camera de ardere a combustibilului cu alimentare cu aer din exterior.

Turbina cu abur transferă energia aburului pentru a conduce un generator. Aburul cu presiune și temperatură ridicată împinge paletele turbinei montate pe arbore astfel încât acesta să înceapă să se rotească. În acest caz, parametrii aburului supraîncălzit care intră în turbină sunt reduși la o stare saturată. Aburul saturat intră în condensator, iar puterea rotativă este folosită pentru a roti generatorul, care produce curent. Aproape toate turbinele cu abur de astăzi sunt de tip condensator.

Condensatoarele sunt dispozitive pentru transformarea aburului în apă. Aburul curge în afara conductelor, iar apa de răcire curge în interiorul conductelor. Acest design se numește condensator de suprafață. Viteza de transfer de căldură depinde de debitul apei de răcire, de suprafața conductelor și de diferența de temperatură dintre vaporii de apă și apa de răcire. Procesul de schimbare a vaporilor de apă are loc sub presiune și temperatură saturată, în acest caz condensatorul este sub vid, deoarece temperatura apei de răcire este egală cu temperatura exterioară, temperatura maximă a apei de condens este aproape de temperatura exterioară.

Generatorul convertește mecaniculenergie în electricitate. Generatorul este format dintr-un stator și un rotor. Statorul constă dintr-o carcasă care conține bobinele, iar stația rotativă a câmpului magnetic constă dintr-un miez care conține bobina.

În funcție de tipul de energie produsă, TPP-urile sunt împărțite în IES-uri cu condensare, care produc energie electrică și centrale termice combinate, care produc în comun căldură (abur și apă caldă) și energie electrică. Acestea din urmă au capacitatea de a converti energia termică în energie electrică cu eficiență ridicată.

Centrale nucleare

Centralele nucleare folosesc căldura eliberată în timpul fisiunii nucleare pentru a încălzi apa și a produce abur. Aburul este folosit pentru a transforma turbine mari care generează electricitate. În fisiune, atomii se divid pentru a forma atomi mai mici, eliberând energie. Procesul are loc în interiorul reactorului. În centrul său se află un miez care conține uraniu 235. Combustibilul pentru centralele nucleare este obținut din uraniu, care conține izotopul 235U (0,7%) și 238U nefisil (99,3%).

Ciclorul combustibilului nuclear este o serie de etape industriale implicate în producerea de energie electrică din uraniu în reactoarele nucleare. Uraniul este un element relativ comun găsit în întreaga lume. Este extras în mai multe țări și procesat înainte de a fi folosit ca combustibil.

Activitățile legate de producția de energie electrică sunt denumite în mod colectiv ciclul combustibilului nuclear pentru conversia energiei termice în energie electrică la centralele nucleare. NuclearCiclul combustibilului începe cu exploatarea uraniului și se termină cu eliminarea deșeurilor nucleare. Când se reprocesează combustibilul uzat ca opțiune pentru energia nucleară, pașii acestuia formează un adevărat ciclu.

Ciclul combustibilului uraniu-plutoniu

Pentru a pregăti combustibilul pentru utilizare la centralele nucleare, se efectuează procese de extracție, procesare, conversie, îmbogățire și producere a elementelor combustibile. Ciclul combustibilului:

1. Uraniu 235 ardere.
2. Zgură - 235U și (239Pu, 241Pu) de la 238U.
3. În timpul decăderii 235U, consumul acestuia scade, iar izotopii sunt obținuți din 238U atunci când se generează electricitate.

Costul barelor de combustibil pentru VVR este de aproximativ 20% din costul energiei electrice generate.

După ce uraniul a petrecut aproximativ trei ani într-un reactor, combustibilul utilizat poate trece printr-un alt proces de utilizare, inclusiv depozitare temporară, reprocesare și reciclare înainte de eliminarea deșeurilor. Centralele nucleare asigură conversia directă a energiei termice în energie electrică. Căldura eliberată în timpul fisiunii nucleare în miezul reactorului este folosită pentru a transforma apa în abur, care învârte paletele unei turbine cu abur, antrenând generatoarele pentru a genera electricitate.

Aburul este răcit prin transformarea în apă într-o structură separată într-o centrală electrică numită turn de răcire, care folosește apa din iazuri, râuri sau ocean pentru a răci apa curată a circuitului de alimentare cu abur. Apa răcită este apoi refolosită pentru a produce abur.

Cota de producere a energiei electrice la centralele nucleare, în raport cuechilibrul general al producției diferitelor lor tipuri de resurse, în contextul unor țări și în lume - în fotografia de mai jos.

Centrală electrică cu turbine cu gaz

Principiul de funcționare al unei centrale cu turbină cu gaz este similar cu cel al unei centrale cu turbină cu abur. Singura diferență este că o centrală electrică cu turbină cu abur folosește abur comprimat pentru a transforma turbina, în timp ce o centrală electrică cu turbină cu gaz folosește gaz.

Să luăm în considerare principiul conversiei energiei termice în energie electrică într-o centrală electrică cu turbină cu gaz.

Într-o centrală electrică cu turbină cu gaz, aerul este comprimat într-un compresor. Apoi acest aer comprimat trece prin camera de ardere, unde se formează amestecul gaz-aer, temperatura aerului comprimat crește. Acest amestec de temperatură în altă și presiune în altă este trecut printr-o turbină cu gaz. În turbină, se extinde brusc, primind suficientă energie cinetică pentru a roti turbina.

Într-o centrală electrică cu turbină cu gaz, arborele turbinei, alternatorul și compresorul de aer sunt comune. Energia mecanică generată în turbină este utilizată parțial pentru comprimarea aerului. Centralele electrice cu turbine cu gaz sunt adesea folosite ca furnizor de energie auxiliară de rezervă pentru centralele hidroelectrice. Acesta generează energie auxiliară în timpul pornirii hidrocentralei.

Avantaje și dezavantaje ale centralei electrice cu turbine cu gaz

Designcentrala electrică cu turbină cu gaz este mult mai simplă decât o centrală electrică cu turbină cu abur. Dimensiunea unei centrale electrice cu turbină cu gaz este mai mică decât cea a unei centrale cu turbină cu abur. Nu există nicio componentă a cazanului într-o centrală electrică cu turbină cu gaz și, prin urmare, sistemul este mai puțin complex. Nu este necesar abur, condensator sau turn de răcire.

Proiectarea și construcția de centrale electrice puternice cu turbine cu gaz este mult mai ușoară și mai ieftină, costurile de capital și de exploatare sunt mult mai mici decât costul unei centrale similare cu turbină cu abur.

Pierderile permanente într-o centrală cu turbină cu gaz sunt semnificativ mai mici în comparație cu o centrală cu turbină cu abur, deoarece într-o turbină cu abur centrala termică a cazanului trebuie să funcționeze continuu, chiar și atunci când sistemul nu alimentează o sarcină rețelei.. O centrală electrică cu turbină cu gaz poate fi pornită aproape instantaneu.

Dezavantajele unei centrale electrice cu turbină cu gaz:

1. Energia mecanică generată în turbină este folosită și pentru a antrena compresorul de aer.
2. Deoarece cea mai mare parte a energiei mecanice generate în turbină este utilizată pentru a antrena compresorul de aer, eficiența generală a unei centrale electrice cu turbină cu gaz nu este la fel de mare ca o centrală echivalentă cu turbină cu abur.
3. Gazele de eșapament dintr-o centrală electrică cu turbină cu gaz sunt foarte diferite de un cazan.
4. Înainte de pornirea efectivă a turbinei, aerul trebuie precomprimat, ceea ce necesită o sursă de energie suplimentară pentru a porni centrala cu turbine cu gaz.
5. Temperatura gazului este suficient de ridicată pentrucentrala electrica cu turbina cu gaz. Acest lucru are ca rezultat o durată de viață a sistemului mai scurtă decât o turbină cu abur echivalentă.

Datorită eficienței sale mai scăzute, centrala electrică cu turbine cu gaz nu poate fi utilizată pentru generarea de energie comercială, este de obicei folosită pentru a furniza energie auxiliară altor centrale electrice convenționale, cum ar fi centralele hidroelectrice.

Convertoare termoionice

Se mai numesc și generator termoionic sau motor termoelectric, care transformă direct căldura în electricitate folosind emisia termică. Energia termică poate fi convertită în energie electrică cu o eficiență foarte ridicată printr-un proces de flux de electroni indus de temperatură cunoscut sub numele de radiație termoionică.

Principiul de bază de funcționare al convertoarelor de energie termoionică este că electronii se evaporă de pe suprafața unui catod încălzit în vid și apoi se condensează pe un anod mai rece. De la prima demonstrație practică din 1957, convertoarele de putere termoionice au fost utilizate cu o varietate de surse de căldură, dar toate necesită funcționare la temperaturi ridicate - peste 1500 K. În timp ce funcționarea convertoarelor de putere termoionică la o temperatură relativ scăzută (700 K - 900 K), eficiența procesului, care este de obicei > 50%, este semnificativ redusă deoarece numărul de electroni emiși pe unitate de suprafață de la catod depinde de temperatura de încălzire.

Pentru materiale catodice convenționale, cum ar fica și metalele și semiconductorii, numărul de electroni emiși este proporțional cu pătratul temperaturii catodului. Cu toate acestea, un studiu recent demonstrează că temperatura căldurii poate fi redusă cu un ordin de mărime prin utilizarea grafenului ca catod fierbinte. Datele obținute arată că un convertor termoionic cu catod pe bază de grafen care funcționează la 900 K poate atinge o eficiență de 45%.

Diagrama schematică a procesului de emisie termoionică de electroni este prezentată în fotografie.

TIC bazat pe grafen, unde Tc și Ta sunt temperatura catodului și, respectiv, temperatura anodului. Pe baza noului mecanism de emisie termoionică, cercetătorii sugerează că convertorul de energie catodic pe bază de grafen și-ar putea găsi aplicația în reciclarea căldurii reziduale industriale, care atinge adesea intervalul de temperatură de la 700 la 900 K.

Noul model prezentat de Liang și Eng ar putea beneficia de designul convertorului de putere pe bază de grafen. Convertoarele de putere în stare solidă, care sunt în principal generatoare termoelectrice, funcționează de obicei ineficient în intervalul de temperatură scăzută (eficiență mai mică de 7%).

Generatoare termoelectrice

Reciclarea energiei reziduale a devenit o țintă populară pentru cercetătorii și oamenii de știință care vin cu metode inovatoare pentru a atinge acest obiectiv. Una dintre cele mai promițătoare domenii este dispozitivele termoelectrice bazate pe nanotehnologie, carearată ca o nouă abordare a economisirii energiei. Conversia directă a căldurii în electricitate sau a electricității în căldură este cunoscută ca termoelectricitate pe baza efectului Peltier. Pentru a fi precis, efectul poartă numele a doi fizicieni - Jean Peltier și Thomas Seebeck.

Peltier a descoperit că un curent trimis la doi conductori electrici diferiți care sunt conectați la două joncțiuni va face ca o joncțiune să se încălzească în timp ce ceal altă joncțiune se răcește. Peltier și-a continuat cercetările și a descoperit că o picătură de apă poate fi făcută să înghețe la o joncțiune bismut-antimoniu (BiSb) prin simpla schimbare a curentului. Peltier a mai descoperit că un curent electric poate circula atunci când o diferență de temperatură este plasată peste joncțiunea diferiților conductori.

Termoelectricitatea este o sursă de energie electrică extrem de interesantă datorită capacității sale de a converti fluxul de căldură direct în energie electrică. Este un convertor de energie care este foarte scalabil și nu are piese în mișcare sau combustibil lichid, ceea ce îl face potrivit pentru aproape orice situație în care multă căldură tinde să se irosească, de la îmbrăcăminte la instalații industriale mari.

Nanostructurile utilizate în materialele termocuplurilor semiconductoare vor ajuta la menținerea unei bune conductivități electrice și la reducerea conductibilității termice. Astfel, performanța dispozitivelor termoelectrice poate fi crescută prin utilizarea materialelor bazate pe nanotehnologie, cufolosind efectul Peltier. Au proprietăți termoelectrice îmbunătățite și o capacitate bună de absorbție a energiei solare.

Aplicarea termoelectricității:

1. Furnizori de energie și senzori în intervale.
2. O lampă cu ulei aprins care controlează un receptor wireless pentru comunicare la distanță.
3. Aplicarea de dispozitive electronice mici, cum ar fi playere MP3, ceasuri digitale, cipuri GPS/GSM și contoare de impuls cu căldura corporală.
4. Scaune cu răcire rapidă în mașini de lux.
5. Curățați căldura reziduală din vehicule transformând-o în electricitate.
6. Transformați căldura reziduală din fabrici sau instalații industriale în energie suplimentară.
7. Termoelectricele solare pot fi mai eficiente decât celulele fotovoltaice pentru generarea de energie, în special în zonele cu lumină solară mai mică.

generatoare de energie MHD

Generatoarele de putere magnetohidrodinamice generează energie electrică prin interacțiunea unui fluid în mișcare (de obicei un gaz ionizat sau plasmă) și un câmp magnetic. Din 1970, programele de cercetare MHD au fost desfășurate în mai multe țări, cu un accent deosebit pe utilizarea cărbunelui ca combustibil.

Principiul de bază al generării tehnologiei MHD este elegant. De obicei, gazul conductiv electric este produs la presiune ridicată prin arderea combustibililor fosili. Gazul este apoi direcționat printr-un câmp magnetic, rezultând o forță electromotoare care acționează în interiorul acestuia în conformitate cu legea inducției. Faraday (numit după fizicianul și chimistul englez din secolul al XIX-lea Michael Faraday).

Sistemul MHD este un motor termic care include expansiunea gazului de la presiune în altă la presiune scăzută în același mod ca într-un generator convențional cu turbină cu gaz. În sistemul MHD, energia cinetică a gazului este convertită direct în energie electrică, deoarece este lăsată să se extindă. Interesul pentru generarea MHD a fost declanșat inițial de descoperirea că interacțiunea unei plasme cu un câmp magnetic poate avea loc la temperaturi mult mai mari decât este posibilă într-o turbină mecanică rotativă.

Performanța limitatoare în ceea ce privește eficiența la motoarele termice a fost stabilită la începutul secolului al XIX-lea de inginerul francez Sadi Carnot. Puterea de ieșire a unui generator MHD pentru fiecare metru cub al volumului său este proporțională cu produsul conductibilității gazului, pătratul vitezei gazului și pătratul intensității câmpului magnetic prin care trece gazul. Pentru ca generatoarele MHD să funcționeze competitiv, cu performanțe bune și dimensiuni fizice rezonabile, conductivitatea electrică a plasmei trebuie să fie în intervalul de temperatură peste 1800 K (aproximativ 1500 C sau 2800 F).

Alegerea tipului de generator MHD depinde de combustibilul utilizat și de aplicație. Abundența rezervelor de cărbune din multe țări ale lumii contribuie la dezvoltarea sistemelor de carbon MHD pentru generarea de energie electrică.