Konwersja energii cieplnej na energię elektryczną o wysokiej wydajności: metody i urządzenia

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-02 14:01

Energia cieplna zajmuje szczególne miejsce w działalności człowieka, ponieważ jest wykorzystywana we wszystkich sektorach gospodarki, towarzyszy większości procesów przemysłowych i środków do życia ludzi. W większości przypadków ciepło odpadowe jest tracone bezpowrotnie i bez korzyści ekonomicznych. Ten utracony zasób nie jest już nic wart, więc jego ponowne wykorzystanie pomoże zarówno ograniczyć kryzys energetyczny, jak i chronić środowisko. Dlatego nowe sposoby przekształcania ciepła w energię elektryczną i przekształcania ciepła odpadowego w energię elektryczną są dziś bardziej aktualne niż kiedykolwiek.

Rodzaje wytwarzania energii elektrycznej

Przekształcenie naturalnych źródeł energii w energię elektryczną, cieplną lub kinetyczną wymaga maksymalnej wydajności, zwłaszcza w elektrowniach opalanych gazem i węglem, w celu zmniejszenia emisji CO2_{2. Istnieje wiele sposobów na konwersjęenergię cieplną na energię elektryczną, w zależności od rodzaju energii pierwotnej.}

Wśród źródeł energii węgiel i gaz ziemny są wykorzystywane do wytwarzania energii elektrycznej poprzez spalanie (energia cieplna), a uran poprzez rozszczepienie jądrowe (energia jądrowa) do wykorzystania energii parowej do obracania turbiny parowej. Na zdjęciu pokazano dziesięć największych krajów produkujących energię elektryczną w 2017 roku.

Tabela wydajności istniejących systemów do konwersji energii cieplnej na energię elektryczną.

	Wytwarzanie energii elektrycznej z energii cieplnej	Wydajność, %
1	Elektrownie cieplne, elektrociepłownie	32
2	Elektrownie jądrowe, elektrownie jądrowe	80
3	Elektrownia kondensacyjna, IES	40
4	Elektrownia z turbiną gazową, GTPP	60
5	Przetworniki termiczne, TEC	40
6	Generatory termoelektryczne	7
7	Agregaty prądotwórcze MHD wraz z CHP	60

Wybór metody zamiany energii cieplnej naenergia elektryczna i jej opłacalność ekonomiczna zależą od zapotrzebowania na energię, dostępności paliwa naturalnego i dostateczności placu budowy. Rodzaje wytwarzania różnią się na całym świecie, co skutkuje szerokim zakresem cen energii elektrycznej.

Problemy tradycyjnej elektroenergetyki

Technologie przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną, takie jak elektrownie cieplne, elektrownie jądrowe, IES, elektrownie z turbinami gazowymi, elektrownie cieplne, generatory termoelektryczne, generatory MHD mają różne zalety i wady. Instytut Badawczy Elektroenergetyki (EPRI) przedstawia zalety i wady technologii wytwarzania energii naturalnej, analizując krytyczne czynniki, takie jak budowa i koszty energii elektrycznej, gruntów, zapotrzebowanie na wodę, emisje CO_{2, marnotrawstwo, przystępność cenowa i elastyczność.}

Wyniki EPRI podkreślają, że nie ma jednego uniwersalnego podejścia przy rozważaniu technologii wytwarzania energii, jednak gaz ziemny nadal przynosi większe korzyści, ponieważ jest przystępny cenowo w budownictwie, ma niski koszt energii elektrycznej i generuje mniej emisji niż węgiel. Jednak nie wszystkie kraje mają dostęp do obfitego i taniego gazu ziemnego. W niektórych przypadkach dostęp do gazu ziemnego jest zagrożony z powodu napięć geopolitycznych, jak miało to miejsce w Europie Wschodniej i niektórych krajach Europy Zachodniej.

Technologie energii odnawialnej, takie jak wiatrturbiny, słoneczne moduły fotowoltaiczne wytwarzają emisyjną energię elektryczną. Wymagają jednak zwykle dużej powierzchni, a efekty ich działania są niestabilne i zależne od pogody. Największym problemem jest węgiel, główne źródło ciepła. Prowadzi do emisji CO_{2, wymaga dużej ilości czystej wody do chłodzenia chłodziwa i zajmuje dużą powierzchnię pod budowę stacji.}

Nowe technologie mają na celu zmniejszenie liczby problemów związanych z technologiami wytwarzania energii. Na przykład turbiny gazowe w połączeniu z akumulatorem zapasowym zapewniają awaryjne zasilanie awaryjne bez spalania paliwa, a sporadyczne problemy z zasobami odnawialnymi można złagodzić, tworząc niedrogie magazyny energii na dużą skalę. Dlatego obecnie nie ma jednego idealnego sposobu na zamianę energii cieplnej na energię elektryczną, która mogłaby zapewnić niezawodną i opłacalną energię elektryczną przy minimalnym wpływie na środowisko.

Elektrownie cieplne

W elektrociepłowni para o wysokim ciśnieniu i wysokiej temperaturze, otrzymywana z podgrzewania wody poprzez spalanie paliwa stałego (głównie węgla), obraca turbinę połączoną z generatorem. W ten sposób zamienia swoją energię kinetyczną na energię elektryczną. Elementy eksploatacyjne elektrociepłowni:

1. Kocioł z piecem gazowym.
2. Turbina parowa.
3. Generator.
4. Kondensator.
5. Wieże chłodnicze.
6. Pompa wody obiegowej.
7. Pompa zasilającawody do bojlera.
8. Wymuszone wentylatory wyciągowe.
9. Separatory.

Typowy schemat elektrociepłowni przedstawiono poniżej.

Kocioł parowy służy do przekształcania wody w parę. Proces ten realizowany jest poprzez podgrzewanie wody w rurach z ogrzewaniem ze spalania paliwa. Procesy spalania przebiegają w sposób ciągły w komorze spalania paliwa z dopływem powietrza z zewnątrz.

Turbina parowa przekazuje energię pary do napędzania generatora. Para o wysokim ciśnieniu i temperaturze wypycha łopatki turbiny zamontowane na wale tak, że zaczyna się ona obracać. W tym przypadku parametry pary przegrzanej wchodzącej do turbiny zostają zredukowane do stanu nasycenia. Para nasycona wchodzi do skraplacza, a siła obrotowa jest wykorzystywana do obracania generatora, który wytwarza prąd. Prawie wszystkie dzisiejsze turbiny parowe są typu skraplacza.

Skraplacze to urządzenia do przekształcania pary w wodę. Para wypływa na zewnątrz rur, a woda chłodząca przepływa wewnątrz rur. Ten projekt nazywa się kondensatorem powierzchniowym. Szybkość wymiany ciepła zależy od przepływu wody chłodzącej, powierzchni rur oraz różnicy temperatur pomiędzy parą wodną a wodą chłodzącą. Proces wymiany pary wodnej zachodzi pod ciśnieniem i temperaturą nasycenia, w tym przypadku skraplacz jest pod próżnią, ponieważ temperatura wody chłodzącej jest równa temperaturze zewnętrznej, maksymalna temperatura skroplin jest zbliżona do temperatury zewnętrznej.

Generator przekształca elementy mechaniczneenergię w energię elektryczną. Generator składa się ze stojana i wirnika. Stojan składa się z obudowy zawierającej cewki, a stacja obrotowa pola magnetycznego składa się z rdzenia zawierającego cewkę.

W zależności od rodzaju produkowanej energii, TPP dzielą się na kondensacyjne IES, które produkują energię elektryczną oraz elektrociepłownie, które wspólnie wytwarzają ciepło (parę i ciepłą wodę) oraz energię elektryczną. Te ostatnie mają zdolność przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną z wysoką wydajnością.

Elektrownie jądrowe

Elektrownie jądrowe wykorzystują ciepło uwalniane podczas rozszczepienia jądrowego do podgrzewania wody i wytwarzania pary. Para służy do obracania dużych turbin wytwarzających energię elektryczną. Podczas rozszczepienia atomy dzielą się, tworząc mniejsze atomy, uwalniając energię. Proces odbywa się wewnątrz reaktora. W jego centrum znajduje się rdzeń zawierający uran 235. Paliwo dla elektrowni jądrowych pozyskiwane jest z uranu, który zawiera izotop 235U (0,7%) i nierozszczepialny 238U (99,3%).

Cykl paliwa jądrowego to seria etapów przemysłowych związanych z produkcją energii elektrycznej z uranu w reaktorach jądrowych. Uran jest stosunkowo powszechnym pierwiastkiem występującym na całym świecie. Jest wydobywany w wielu krajach i przetwarzany, zanim zostanie wykorzystany jako paliwo.

Działania związane z produkcją energii elektrycznej są zbiorczo określane jako jądrowy cykl paliwowy do konwersji energii cieplnej na energię elektryczną w elektrowniach jądrowych. JądrowyCykl paliwowy rozpoczyna się od wydobycia uranu, a kończy na utylizacji odpadów jądrowych. Podczas ponownego przetwarzania zużytego paliwa jako opcji dla energii jądrowej jego etapy tworzą prawdziwy cykl.

Cykl paliwowy uran-pluton

W celu przygotowania paliwa do wykorzystania w elektrowniach jądrowych przeprowadzane są procesy ekstrakcji, przetwarzania, konwersji, wzbogacania i produkcji elementów paliwowych. Cykl paliwowy:

1. Spalenie uranu 235.
2. Żużel - 235U i (239Pu, 241Pu) od 238U.
3. Podczas rozpadu 235U jego zużycie spada, a izotopy są uzyskiwane z 238U podczas wytwarzania energii elektrycznej.

Koszt prętów paliwowych do VVR wynosi około 20% kosztu wytworzonej energii elektrycznej.

Po tym, jak uran spędzi około trzech lat w reaktorze, zużyte paliwo może przejść przez inny proces użytkowania, w tym tymczasowe składowanie, ponowne przetwarzanie i recykling przed usunięciem odpadów. Elektrownie jądrowe zapewniają bezpośrednią konwersję energii cieplnej na energię elektryczną. Ciepło uwalniane podczas rozszczepienia jądrowego w rdzeniu reaktora jest wykorzystywane do przekształcenia wody w parę, która obraca łopatkami turbiny parowej, napędzając generatory do wytwarzania energii elektrycznej.

Para jest chłodzona poprzez przekształcenie się w wodę w oddzielnej strukturze w elektrowni zwanej wieżą chłodniczą, która wykorzystuje wodę ze stawów, rzek lub oceanu do chłodzenia czystej wody w obwodzie zasilania parą. Schłodzona woda jest następnie ponownie wykorzystywana do produkcji pary.

Udział produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych w odniesieniu doogólny bilans produkcji ich różnych rodzajów zasobów, w kontekście niektórych krajów i na świecie - na zdjęciu poniżej.

Elektrownia z turbiną gazową

Zasada działania elektrowni z turbiną gazową jest podobna do elektrowni z turbiną parową. Jedyna różnica polega na tym, że elektrownia z turbiną parową wykorzystuje do obracania turbiny sprężoną parę, podczas gdy elektrownia z turbiną gazową wykorzystuje gaz.

Rozważmy zasadę konwersji energii cieplnej na energię elektryczną w elektrowni z turbiną gazową.

W elektrowni z turbiną gazową powietrze jest sprężane w sprężarce. Następnie to sprężone powietrze przechodzi przez komorę spalania, gdzie powstaje mieszanina gazowo-powietrzna, temperatura sprężonego powietrza wzrasta. Ta mieszanina o wysokiej temperaturze i wysokim ciśnieniu jest przepuszczana przez turbinę gazową. W turbinie gwałtownie się rozszerza, otrzymując energię kinetyczną wystarczającą do obracania turbiny.

W elektrowni z turbiną gazową wał turbiny, alternator i sprężarka powietrza są wspólne. Energia mechaniczna generowana w turbinie jest częściowo wykorzystywana do sprężania powietrza. Elektrownie z turbinami gazowymi są często wykorzystywane jako zapasowy dostawca energii pomocniczej dla elektrowni wodnych. Generuje energię pomocniczą podczas rozruchu elektrowni wodnej.

Zalety i wady elektrowni z turbiną gazową

ProjektElektrownia z turbiną gazową jest znacznie prostsza niż elektrownia z turbiną parową. Wielkość elektrowni z turbiną gazową jest mniejsza niż elektrowni z turbiną parową. W elektrowni z turbiną gazową nie ma elementu kotła, dzięki czemu system jest mniej skomplikowany. Nie potrzeba pary, skraplacza ani wieży chłodniczej.

Projektowanie i budowa potężnych elektrowni z turbiną gazową jest znacznie prostsze i tańsze, koszty kapitałowe i operacyjne są znacznie niższe niż koszt podobnej elektrowni z turbiną parową.

Stałe straty w elektrowni z turbiną gazową są znacznie mniejsze w porównaniu z elektrownią z turbiną parową, ponieważ w turbinie parowej elektrownia kotłowa musi pracować w sposób ciągły, nawet gdy system nie dostarcza obciążenia do sieci. Elektrownię z turbiną gazową można uruchomić niemal natychmiast.

Wady elektrowni z turbiną gazową:

1. Energia mechaniczna generowana w turbinie jest również wykorzystywana do napędzania sprężarki powietrza.
2. Ponieważ większość energii mechanicznej wytwarzanej w turbinie jest wykorzystywana do napędzania sprężarki powietrza, ogólna sprawność elektrowni z turbiną gazową nie jest tak wysoka, jak równoważnej elektrowni z turbiną parową.
3. Gazy spalinowe w elektrowni z turbiną gazową bardzo różnią się od kotła.
4. Przed faktycznym uruchomieniem turbiny powietrze musi być wstępnie sprężone, co wymaga dodatkowego źródła zasilania do uruchomienia elektrowni z turbiną gazową.
5. Temperatura gazu jest wystarczająco wysoka dlaelektrownia z turbiną gazową. Skutkuje to krótszą żywotnością systemu niż równoważna turbina parowa.

Ze względu na niższą wydajność, elektrownia z turbiną gazową nie może być wykorzystywana do komercyjnego wytwarzania energii, jest zwykle wykorzystywana do dostarczania energii pomocniczej do innych konwencjonalnych elektrowni, takich jak elektrownie wodne.

Przetworniki termoelektryczne

Nazywa się je również generatorem termoelektrycznym lub silnikiem termoelektrycznym, które bezpośrednio przekształcają ciepło w energię elektryczną za pomocą emisji termicznej. Energia cieplna może zostać przekształcona w energię elektryczną z bardzo wysoką wydajnością poprzez wywołany temperaturą proces przepływu elektronów, znany jako promieniowanie termionowe.

Podstawową zasadą działania termokonwerterów energii jest to, że elektrony odparowują z powierzchni rozgrzanej katody w próżni, a następnie kondensują na zimniejszej anodzie. Od czasu pierwszego pokazu praktycznego w 1957 roku termoprzekształtniki termoelektryczne były stosowane z różnymi źródłami ciepła, ale wszystkie wymagają pracy w wysokich temperaturach – powyżej 1500 K. Podczas pracy termokonwerterów termoelektrycznych w stosunkowo niskiej temperaturze (700 K – 900 K), wydajność procesu, która zwykle wynosi > 50%, jest znacznie zmniejszona, ponieważ liczba elektronów emitowanych na jednostkę powierzchni z katody zależy od temperatury nagrzewania.

Dla konwencjonalnych materiałów katodowych, takich jakpodobnie jak metale i półprzewodniki, liczba emitowanych elektronów jest proporcjonalna do kwadratu temperatury katody. Jednak ostatnie badania pokazują, że temperaturę ciepła można zmniejszyć o rząd wielkości, stosując grafen jako gorącą katodę. Z uzyskanych danych wynika, że katodowy konwerter termionowy na bazie grafenu pracujący w temperaturze 900 K może osiągnąć sprawność 45%.

Schemat procesu emisji elektronów termoelektronowych pokazano na zdjęciu.

TIC oparte na grafenie, gdzie Tc i Ta są odpowiednio temperaturą katody i temperaturą anody. Opierając się na nowym mechanizmie emisji termojonowej, naukowcy sugerują, że konwerter energii katodowej na bazie grafenu mógłby znaleźć zastosowanie w recyklingu przemysłowego ciepła odpadowego, które często osiąga zakres temperatur od 700 do 900 K.

Nowy model przedstawiony przez Liang i Eng może przynieść korzyści projektowi konwertera mocy opartemu na grafenie. Przetwornice półprzewodnikowe, które są głównie generatorami termoelektrycznymi, zwykle działają nieefektywnie w zakresie niskich temperatur (sprawność poniżej 7%).

Generatory termoelektryczne

Recykling energii odpadowej stał się popularnym celem badaczy i naukowców, którzy opracowują innowacyjne metody osiągnięcia tego celu. Jednym z najbardziej obiecujących obszarów są urządzenia termoelektryczne oparte na nanotechnologii, które:wyglądają jak nowe podejście do oszczędzania energii. Bezpośrednia konwersja ciepła na elektryczność lub elektryczność na ciepło jest znana jako termoelektryczność oparta na efekcie Peltiera. Aby być precyzyjnym, efekt został nazwany na cześć dwóch fizyków - Jeana Peltiera i Thomasa Seebecka.

Peltier odkrył, że prąd przesyłany do dwóch różnych przewodników elektrycznych, które są połączone dwoma złączami, spowoduje nagrzewanie się jednego złącza, podczas gdy drugie ochładza się. Peltier kontynuował swoje badania i odkrył, że kropla wody może zamarznąć na złączu bizmut-antymon (BiSb), po prostu zmieniając prąd. Peltier odkrył również, że prąd elektryczny może płynąć, gdy różnica temperatur zostanie umieszczona na złączu różnych przewodników.

Termoelektryczność jest niezwykle interesującym źródłem energii elektrycznej ze względu na jej zdolność do przekształcania przepływu ciepła bezpośrednio w energię elektryczną. Jest to konwerter energii, który jest wysoce skalowalny i nie ma ruchomych części ani płynnego paliwa, dzięki czemu nadaje się do prawie każdej sytuacji, w której dużo ciepła marnuje się, od odzieży po duże obiekty przemysłowe.

Nanostruktury stosowane w półprzewodnikowych materiałach termopar pomogą utrzymać dobrą przewodność elektryczną i zmniejszyć przewodność cieplną. W ten sposób wydajność urządzeń termoelektrycznych można zwiększyć dzięki zastosowaniu materiałów opartych na nanotechnologii, przy czym:za pomocą efektu Peltiera. Mają ulepszone właściwości termoelektryczne i dobrą zdolność pochłaniania energii słonecznej.

Zastosowanie termoelektryczności:

1. Dostawcy energii i czujniki w zakresach.
2. Płonąca lampa naftowa, która steruje bezprzewodowym odbiornikiem do zdalnej komunikacji.
3. Stosowanie małych urządzeń elektronicznych, takich jak odtwarzacze MP3, zegary cyfrowe, chipy GPS/GSM i mierniki impulsów z ciepłem ciała.
4. Szybko ochładzające się fotele w luksusowych samochodach.
5. Oczyszczaj ciepło odpadowe w pojazdach, przekształcając je w energię elektryczną.
6. Przekształć ciepło odpadowe z fabryk lub obiektów przemysłowych w dodatkową energię.
7. Termoelektryki słoneczne mogą być bardziej wydajne niż ogniwa fotowoltaiczne do wytwarzania energii, szczególnie w obszarach o mniejszej ilości światła słonecznego.

Generatory prądu MHD

Magnetohydrodynamiczne generatory energii generują energię elektryczną poprzez interakcję poruszającego się płynu (zwykle zjonizowanego gazu lub plazmy) i pola magnetycznego. Od 1970 roku programy badawcze MHD są prowadzone w kilku krajach, ze szczególnym uwzględnieniem wykorzystania węgla jako paliwa.

Podstawową zasadą generowania technologii MHD jest elegancja. Zazwyczaj gaz przewodzący prąd elektryczny jest wytwarzany pod wysokim ciśnieniem przez spalanie paliw kopalnych. Gaz jest następnie kierowany przez pole magnetyczne, w wyniku czego siła elektromotoryczna działa w nim zgodnie z prawem indukcjiFaraday (nazwa pochodzi od XIX-wiecznego angielskiego fizyka i chemika Michaela Faradaya).

System MHD to silnik cieplny, który obejmuje rozprężanie gazu od wysokiego do niskiego ciśnienia w taki sam sposób, jak w konwencjonalnym generatorze turbiny gazowej. W systemie MHD energia kinetyczna gazu jest zamieniana bezpośrednio na energię elektryczną, ponieważ może się rozszerzać. Zainteresowanie generowaniem MHD zostało początkowo wywołane odkryciem, że oddziaływanie plazmy z polem magnetycznym może zachodzić w znacznie wyższych temperaturach niż jest to możliwe w obracającej się turbinie mechanicznej.

Ograniczenie wydajności pod względem sprawności silników cieplnych zostało ustalone na początku XIX wieku przez francuskiego inżyniera Sadi Carnota. Moc wyjściowa generatora MHD na każdy metr sześcienny jego objętości jest proporcjonalna do iloczynu przewodności gazu, kwadratu prędkości gazu i kwadratu natężenia pola magnetycznego, przez które przepływa gaz. Aby generatory MHD działały konkurencyjnie, z dobrą wydajnością i rozsądnymi wymiarami fizycznymi, przewodność elektryczna plazmy musi mieścić się w zakresie temperatur powyżej 1800 K (około 1500 C lub 2800 F).

Wybór rodzaju generatora MHD zależy od używanego paliwa i zastosowania. Obfitość zasobów węgla w wielu krajach świata przyczynia się do rozwoju węglowych systemów MHD do wytwarzania energii elektrycznej.