Conversió d'energia tèrmica en energia elèctrica amb alta eficiència: mètodes i equipaments

2024 Autora: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificació: 2024-01-02 13:51

L'energia tèrmica ocupa un lloc especial en l'activitat humana, ja que s'utilitza en tots els sectors de l'economia, acompanya la majoria dels processos industrials i els mitjans de vida de les persones. En la majoria dels casos, la calor residual es perd de manera irrevocable i sense cap benefici econòmic. Aquest recurs perdut ja no val per a res, de manera que reutilitzar-lo ajudarà tant a reduir la crisi energètica com a protegir el medi ambient. Per tant, les noves maneres de convertir la calor en energia elèctrica i de convertir la calor residual en electricitat són més rellevants avui que mai.

Tipus de generació d'electricitat

Transformar fonts d'energia naturals en electricitat, calor o energia cinètica requereix la màxima eficiència, especialment a les centrals elèctriques de gas i carbó, per reduir les emissions de CO2_{2. Hi ha diverses maneres de convertirenergia tèrmica en energia elèctrica, depenent dels tipus d'energia primària.}

Entre els recursos energètics, el carbó i el gas natural s'utilitzen per generar electricitat per combustió (energia tèrmica), i l'urani per fissió nuclear (energia nuclear) per utilitzar l'energia del vapor per fer girar una turbina de vapor. Els deu principals països productors d'electricitat del 2017 es mostren a la foto.

Taula de l'eficiència dels sistemes existents per a la conversió d'energia tèrmica en energia elèctrica.

	Generació d'electricitat a partir d'energia tèrmica	Eficiència, %
1	Centrals tèrmiques, centrals de cogeneració	32
2	Centrals nuclears, centrals nuclears	80
3	Central elèctrica de condensació, IES	40
4	Central elèctrica de turbina de gas, GTPP	60
5	Transductors termoiònics, TEC	40
6	Generadors termoelèctrics	7
7	generadors d'energia MHD juntament amb CHP	60

Elecció d'un mètode per convertir l'energia tèrmica enl'electricitat i la seva viabilitat econòmica depenen de la necessitat d'energia, la disponibilitat de combustible natural i la suficiència de l'obra. El tipus de generació varia arreu del món, el que resulta en una àmplia gamma de preus de l'electricitat.

Problemes de la indústria elèctrica tradicional

Les tecnologies per convertir l'energia tèrmica en energia elèctrica, com centrals tèrmiques, centrals nuclears, IES, centrals de turbina de gas, centrals tèrmiques, generadors termoelèctrics, generadors MHD tenen diferents avantatges i inconvenients. L'Institut d'Investigació d'Energia Elèctrica (EPRI) il·lustra els avantatges i els contres de les tecnologies de generació d'energia natural, analitzant factors crítics com ara la construcció i els costos de l'electricitat, el sòl, els requisits d'aigua, les emissions de CO_{2, residus, assequibilitat i flexibilitat.}

Els resultats de EPRI posen de manifest que no hi ha un enfocament únic quan es consideren tecnologies de generació d'energia, però el gas natural encara es beneficia més perquè és assequible per a la construcció, té un baix cost d'electricitat i genera menys emissions que carbó. Tanmateix, no tots els països tenen accés a gas natural abundant i barat. En alguns casos, l'accés al gas natural està amenaçat a causa de les tensions geopolítiques, com va ser el cas d'Europa de l'Est i alguns països d'Europa occidental.

Tecnologies d'energies renovables com el ventturbines, mòduls solars fotovoltaics produeixen electricitat d'emissió. No obstant això, solen requerir molta terra, i els resultats de la seva eficàcia són inestables i depenen del clima. El carbó, la principal font de calor, és la més problemàtica. Proporciona emissions de CO_{2, requereix molta aigua neta per refredar el refrigerant i ocupa una gran superfície per a la construcció de l'estació.}

Les noves tecnologies tenen com a objectiu reduir una sèrie de problemes associats a les tecnologies de generació d'energia. Per exemple, les turbines de gas combinades amb una bateria de seguretat proporcionen una còpia de seguretat de contingència sense cremar combustible, i els problemes intermitents de recursos renovables es poden mitigar creant un emmagatzematge d'energia assequible a gran escala. Per tant, avui dia no hi ha una manera perfecta de convertir l'energia tèrmica en electricitat, que podria proporcionar electricitat fiable i rendible amb un impacte ambiental mínim.

Centrals tèrmiques

En una central tèrmica, el vapor d' alta pressió i alta temperatura, obtingut de l'escalfament d'aigua mitjançant la crema de combustible sòlid (principalment carbó), fa girar una turbina connectada a un generador. Així, converteix la seva energia cinètica en energia elèctrica. Components operatius de la central tèrmica:

1. Caldera amb forn de gas.
2. Turbina de vapor.
3. Generador.
4. Condensador.
5. Torres de refrigeració.
6. Bomba d'aigua de circulació.
7. Bomba d'alimentacióaigua a la caldera.
8. Ventiladors d'escapament forçats.
9. Separadors.

A continuació es mostra un diagrama típic d'una central tèrmica.

La caldera de vapor s'utilitza per convertir l'aigua en vapor. Aquest procés es realitza escalfant aigua en canonades amb calefacció per combustió de combustible. Els processos de combustió es duen a terme contínuament a la cambra de combustió del combustible amb subministrament d'aire des de l'exterior.

La turbina de vapor transfereix energia de vapor per accionar un generador. El vapor amb alta pressió i temperatura empeny les pales de la turbina muntades a l'eix perquè comenci a girar. En aquest cas, els paràmetres del vapor sobreescalfat que entra a la turbina es redueixen a un estat saturat. El vapor saturat entra al condensador i la potència rotativa s'utilitza per fer girar el generador, que produeix corrent. Gairebé totes les turbines de vapor actuals són del tipus de condensador.

Els condensadors són dispositius per convertir el vapor en aigua. El vapor flueix fora de les canonades i l'aigua de refrigeració flueix dins de les canonades. Aquest disseny s'anomena condensador de superfície. La velocitat de transferència de calor depèn del flux de l'aigua de refrigeració, la superfície de les canonades i la diferència de temperatura entre el vapor d'aigua i l'aigua de refrigeració. El procés de canvi de vapor d'aigua es produeix a pressió i temperatura saturades, en aquest cas, el condensador es troba al buit, perquè la temperatura de l'aigua de refrigeració és igual a la temperatura exterior, la temperatura màxima de l'aigua de condensat és propera a la temperatura exterior.

El generador converteix el mecànicenergia en electricitat. El generador està format per un estator i un rotor. L'estator consta d'una carcassa que conté les bobines, i l'estació giratòria de camp magnètic consta d'un nucli que conté la bobina.

Segons el tipus d'energia produïda, les TPP es divideixen en IES de condensació, que produeixen electricitat i centrals combinades de calor i electricitat, que produeixen conjuntament calor (vapor i aigua calenta) i electricitat. Aquests últims tenen la capacitat de convertir l'energia tèrmica en energia elèctrica amb una alta eficiència.

Centrals nuclears

Les centrals nuclears utilitzen la calor alliberada durant la fissió nuclear per escalfar aigua i produir vapor. El vapor s'utilitza per fer girar grans turbines que generen electricitat. En la fissió, els àtoms es divideixen per formar àtoms més petits, alliberant energia. El procés té lloc a l'interior del reactor. Al seu centre hi ha un nucli que conté urani 235. El combustible per a les centrals nuclears s'obté de l'urani, que conté l'isòtop 235U (0,7%) i el 238U no fisionable (99,3%).

El cicle del combustible nuclear és una sèrie de passos industrials implicats en la producció d'electricitat a partir d'urani en reactors nuclears. L'urani és un element relativament comú que es troba a tot el món. S'extreu en diversos països i es processa abans de ser utilitzat com a combustible.

Les activitats relacionades amb la producció d'electricitat s'anomenen col·lectivament el cicle del combustible nuclear per a la conversió d'energia tèrmica en energia elèctrica a les centrals nuclears. nuclearEl cicle del combustible comença amb la mineria d'urani i acaba amb l'eliminació de residus nuclears. Quan es reprocesa combustible usat com a opció per a l'energia nuclear, els seus passos formen un veritable cicle.

Cicle del combustible d'urani-plutoni

Per preparar el combustible per al seu ús a les centrals nuclears, es duen a terme processos d'extracció, processament, conversió, enriquiment i producció d'elements combustibles. Cicle del combustible:

1. Urani 235 consumit.
2. Escoria - 235U i (239Pu, 241Pu) a partir de 238U.
3. Durant la decadència del 235U, el seu consum disminueix i s'obtenen isòtops del 238U en generar electricitat.

El cost de les barres de combustible per a VVR és aproximadament el 20% del cost de l'electricitat generada.

Després que l'urani hagi passat uns tres anys en un reactor, el combustible utilitzat pot passar per un altre procés d'ús, inclòs l'emmagatzematge temporal, el reprocessament i el reciclatge abans de l'eliminació de residus. Les centrals nuclears proporcionen la conversió directa de l'energia tèrmica en energia elèctrica. La calor alliberada durant la fissió nuclear al nucli del reactor s'utilitza per convertir l'aigua en vapor, que fa girar les pales d'una turbina de vapor, impulsant generadors per generar electricitat..

El vapor es refreda convertint-se en aigua en una estructura separada en una central elèctrica anomenada torre de refrigeració, que utilitza aigua dels estanys, dels rius o de l'oceà per refredar l'aigua neta del circuit d'energia de vapor. Després, l'aigua refrigerada es reutilitza per produir vapor.

La quota de generació d'electricitat a les centrals nuclears, en relació ambel balanç global de la producció dels seus diferents tipus de recursos, en el context d'alguns països i al món - a la foto següent.

Central elèctrica de turbina de gas

El principi de funcionament d'una central elèctrica de turbina de gas és similar al d'una central elèctrica de turbina de vapor. L'única diferència és que una central elèctrica de turbina de vapor utilitza vapor comprimit per fer girar la turbina, mentre que una central de turbina de gas utilitza gas.

Considerem el principi de convertir l'energia tèrmica en energia elèctrica en una central elèctrica de turbina de gas.

En una central elèctrica de turbina de gas, l'aire es comprimeix en un compressor. Aleshores aquest aire comprimit passa per la cambra de combustió, on es forma la mescla gas-aire, la temperatura de l'aire comprimit augmenta. Aquesta mescla d' alta temperatura i alta pressió es fa passar per una turbina de gas. A la turbina, s'expandeix bruscament i rep prou energia cinètica per fer girar la turbina.

En una central elèctrica de turbina de gas, l'eix de la turbina, l' alternador i el compressor d'aire són habituals. L'energia mecànica generada a la turbina s'utilitza en part per comprimir l'aire. Les centrals elèctriques de turbines de gas s'utilitzen sovint com a proveïdor d'energia auxiliar auxiliar a les centrals hidroelèctriques. Genera energia auxiliar durant la posada en marxa de la central hidroelèctrica.

Avantatges i desavantatges de la central elèctrica de turbina de gas

DissenyLa central elèctrica de turbina de gas és molt més senzilla que una central elèctrica de turbina de vapor. La mida d'una central elèctrica de turbina de gas és més petita que la d'una central elèctrica de turbina de vapor. No hi ha cap component de caldera en una central elèctrica de turbina de gas i, per tant, el sistema és menys complex. No cal vapor, ni condensador ni torre de refrigeració.

El disseny i la construcció de potents centrals elèctriques de turbines de gas és molt més fàcil i barat, els costos de capital i d'explotació són molt inferiors al cost d'una central elèctrica de turbina de vapor similar.

Les pèrdues permanents en una central de turbina de gas són significativament menors en comparació amb una central de turbina de vapor, ja que en una turbina de vapor la central de la caldera ha de funcionar contínuament, fins i tot quan el sistema no està subministrant una càrrega a la xarxa.. Una central elèctrica de turbina de gas es pot iniciar gairebé a l'instant.

Inconvenients d'una central elèctrica de turbina de gas:

1. L'energia mecànica generada a la turbina també s'utilitza per accionar el compressor d'aire.
2. Com que la major part de l'energia mecànica generada a la turbina s'utilitza per accionar el compressor d'aire, l'eficiència global d'una central elèctrica de turbina de gas no és tan alta com una central d'energia de turbina de vapor equivalent.
3. Els gasos d'escapament d'una central elèctrica de turbina de gas són molt diferents d'una caldera.
4. Abans de l'inici real de la turbina, l'aire s'ha de precomprimir, la qual cosa requereix una font d'energia addicional per engegar la central elèctrica de la turbina de gas.
5. La temperatura del gas és prou alta percentral de turbina de gas. Això fa que el sistema tingui una vida útil més curta que una turbina de vapor equivalent.

A causa de la seva menor eficiència, la central de turbina de gas no es pot utilitzar per a la generació d'energia comercial, normalment s'utilitza per subministrar energia auxiliar a altres centrals elèctriques convencionals, com ara les hidroelèctriques.

Convertidors termoiònics

També s'anomenen generador termoiònic o motor termoelèctric, que converteix directament la calor en electricitat mitjançant l'emissió tèrmica. L'energia tèrmica es pot convertir en energia elèctrica amb una eficiència molt alta mitjançant un procés de flux d'electrons induït per la temperatura conegut com a radiació termoiònica.

El principi bàsic de funcionament dels convertidors d'energia termiònica és que els electrons s'evaporen de la superfície d'un càtode escalfat en el buit i després es condensen en un ànode més fred. Des de la primera demostració pràctica l'any 1957, els convertidors de potència termoiònics s'han utilitzat amb una varietat de fonts de calor, però tots requereixen un funcionament a altes temperatures, per sobre de 1500 K. Mentre que el funcionament dels convertidors de potència termiònic a una temperatura relativament baixa (700 K - 900 K), l'eficiència del procés, que normalment és de > 50%, es redueix significativament perquè el nombre d'electrons emesos per unitat d'àrea del càtode depèn de la temperatura d'escalfament.

Per a materials de càtode convencionals com aracom els metalls i els semiconductors, el nombre d'electrons emesos és proporcional al quadrat de la temperatura del càtode. Tanmateix, un estudi recent demostra que la temperatura de calor es pot reduir en un ordre de magnitud mitjançant l'ús de grafè com a càtode calent. Les dades obtingudes mostren que un convertidor termoiònic de càtode basat en grafè que funciona a 900 K pot aconseguir una eficiència del 45%.

El diagrama esquemàtic del procés d'emissió termoiònica d'electrons es mostra a la foto.

TIC basat en el grafè, on Tc i Ta són la temperatura del càtode i la temperatura de l'ànode, respectivament. Basant-se en el nou mecanisme d'emissió termoiònica, els investigadors suggereixen que el convertidor d'energia càtode basat en grafè podria trobar la seva aplicació en el reciclatge de la calor residual industrial, que sovint arriba al rang de temperatures de 700 a 900 K.

El nou model presentat per Liang i Eng podria beneficiar el disseny del convertidor de potència basat en grafè. Els convertidors d'energia d'estat sòlid, que són principalment generadors termoelèctrics, solen funcionar de manera ineficient en el rang de baixa temperatura (eficiència inferior al 7%).

Generadors termoelèctrics

El reciclatge d'energia residual s'ha convertit en un objectiu popular per als investigadors i científics que proposen mètodes innovadors per aconseguir aquest objectiu. Una de les àrees més prometedores són els dispositius termoelèctrics basats en nanotecnologia, quesembla un nou enfocament per estalviar energia. La conversió directa de calor en electricitat o electricitat en calor es coneix com a termoelectricitat basada en l'efecte Peltier. Per ser exactes, l'efecte porta el nom de dos físics: Jean Peltier i Thomas Seebeck.

Peltier va descobrir que un corrent enviat a dos conductors elèctrics diferents connectats en dues unions farà que una unió s'escalfi mentre l' altra es refreda. Peltier va continuar la seva investigació i va trobar que una gota d'aigua es podia congelar en una unió bismut-antimoni (BiSb) simplement canviant el corrent. Peltier també va descobrir que un corrent elèctric pot fluir quan es col·loca una diferència de temperatura a través de la unió de diferents conductors.

La termoelectricitat és una font d'electricitat molt interessant per la seva capacitat per convertir el flux de calor directament en electricitat. Es tracta d'un convertidor d'energia que és molt escalable i no té peces mòbils ni combustible líquid, per la qual cosa és apte per a gairebé qualsevol situació en què molta calor tendeix a desaprofitar-se, des de roba fins a grans instal·lacions industrials.

Les nanoestructures utilitzades en materials de termoparells semiconductors ajudaran a mantenir una bona conductivitat elèctrica i reduir la conductivitat tèrmica. Així, el rendiment dels dispositius termoelèctrics es pot augmentar mitjançant l'ús de materials basats en nanotecnologia, ambutilitzant l'efecte Peltier. Tenen propietats termoelèctriques millorades i una bona capacitat d'absorció de l'energia solar.

Aplicació de la termoelectricitat:

1. Proveïdors d'energia i sensors en rangs.
2. Un llum d'oli encesa que controla un receptor sense fil per a la comunicació remota.
3. Aplicació de petits dispositius electrònics com ara reproductors MP3, rellotges digitals, xips GPS/GSM i comptadors d'impulsos amb calor corporal.
4. Seients de refrigeració ràpida en cotxes de luxe.
5. Neteja la calor residual dels vehicles convertint-la en electricitat.
6. Transformar la calor residual de les fàbriques o instal·lacions industrials en energia addicional.
7. Els termoelèctrics solars poden ser més eficients que les cèl·lules fotovoltaiques per a la generació d'energia, especialment a les zones amb menys llum solar.

generadors d'energia MHD

Els generadors d'energia magnetohidrodinàmic generen electricitat mitjançant la interacció d'un fluid en moviment (normalment un gas o plasma ionitzat) i un camp magnètic. Des de 1970, s'han dut a terme programes de recerca de MHD a diversos països amb un enfocament particular en l'ús del carbó com a combustible.

El principi subjacent de la generació de tecnologia MHD és elegant. Normalment, el gas elèctricament conductor es produeix a alta pressió mitjançant la crema de combustibles fòssils. Aleshores, el gas es dirigeix a través d'un camp magnètic, donant lloc a una força electromotriu que actua dins d'ell d'acord amb la llei d'inducció. Faraday (anomenat així pel físic i químic anglès del segle XIX Michael Faraday).

El sistema MHD és un motor tèrmic que inclou l'expansió del gas d' alta a baixa pressió de la mateixa manera que en un generador de turbina de gas convencional. En el sistema MHD, l'energia cinètica del gas es converteix directament en energia elèctrica, ja que es deixa expandir. L'interès per generar MHD es va despertar inicialment pel descobriment que la interacció d'un plasma amb un camp magnètic pot ocórrer a temperatures molt més altes que les possibles en una turbina mecànica giratòria.

El rendiment limitant en termes d'eficiència en els motors tèrmics va ser establert a principis del segle XIX per l'enginyer francès Sadi Carnot. La potència de sortida d'un generador MHD per a cada metre cúbic del seu volum és proporcional al producte de conductivitat del gas, al quadrat de la velocitat del gas i al quadrat de la força del camp magnètic pel qual passa el gas. Perquè els generadors MHD funcionin de manera competitiva, amb un bon rendiment i unes dimensions físiques raonables, la conductivitat elèctrica del plasma ha d'estar en el rang de temperatura superior a 1800 K (uns 1500 C o 2800 F).

L'elecció del tipus de generador MHD depèn del combustible utilitzat i de l'aplicació. L'abundància de reserves de carbó a molts països del món contribueix al desenvolupament de sistemes de carboni MHD per a la generació d'electricitat.