Pretvorba toplotne energije u električnu energiju sa visokom efikasnošću: metode i oprema

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-02 13:51

Toplotna energija zauzima posebno mjesto u ljudskoj djelatnosti, jer se koristi u svim sektorima privrede, prati većinu industrijskih procesa i egzistenciju ljudi. U većini slučajeva, otpadna toplota se gubi nepovratno i bez ikakve ekonomske koristi. Ovaj izgubljeni resurs više ne vrijedi ništa, pa će njegovo ponovno korištenje pomoći i u smanjenju energetske krize i zaštiti okoliša. Stoga su novi načini pretvaranja topline u električnu energiju i pretvaranja otpadne topline u električnu energiju danas relevantniji nego ikada.

Vrste proizvodnje električne energije

Transformacija prirodnih izvora energije u električnu, toplotnu ili kinetičku energiju zahteva maksimalnu efikasnost, posebno u elektranama na gas i ugalj, kako bi se smanjile emisije CO2_{2. Postoje različiti načini pretvaranjatoplotnu energiju u električnu energiju, zavisno od vrste primarne energije.}

Među energetskim resursima, ugalj i prirodni gas se koriste za proizvodnju električne energije sagorevanjem (toplotna energija), a uranijum nuklearnom fisijom (nuklearna energija) za korišćenje snage pare za okretanje parne turbine. Deset zemalja sa najvećim proizvođačima električne energije za 2017. godinu prikazano je na fotografiji.

Tabela efikasnosti postojećih sistema za pretvaranje toplotne energije u električnu energiju.

	Proizvodnja električne energije iz toplotne energije	Efikasnost, %
1	Termoelektrane, CHP elektrane	32
2	Nuklearne elektrane, nuklearne elektrane	80
3	Kondenzaciona elektrana, IES	40
4	Gasnoturbinska elektrana, GTPP	60
5	Termionski pretvarači, TEC	40
6	Termoelektrični generatori	7
7	MHD generatori energije zajedno sa CHP	60

Odabir metode za pretvaranje toplotne energije uelektrična i njena ekonomska izvodljivost zavise od potrebe za energijom, dostupnosti prirodnog goriva i dovoljnosti gradilišta. Vrsta proizvodnje varira širom svijeta, što rezultira širokim rasponom cijena električne energije.

Problemi tradicionalne elektroprivrede

Tehnologije za pretvaranje toplotne energije u električnu energiju, kao što su termoelektrane, nuklearne elektrane, IES, gasnoturbinske elektrane, termoelektrane, termoelektrični generatori, MHD generatori imaju različite prednosti i nedostatke. Institut za istraživanje električne energije (EPRI) ilustruje prednosti i nedostatke prirodnih tehnologija za proizvodnju energije, gledajući kritične faktore kao što su izgradnja i troškovi električne energije, zemljišta, potrebe za vodom, emisije CO_{2, otpad, pristupačnost i fleksibilnost.}

EPRI rezultati ističu da ne postoji pristup koji odgovara svima kada se razmatraju tehnologije proizvodnje električne energije, ali prirodni plin i dalje ima više koristi jer je pristupačan za izgradnju, ima nisku cijenu električne energije, stvara manje emisija od ugalj. Međutim, nemaju sve zemlje pristup bogatom i jeftinom prirodnom gasu. U nekim slučajevima, pristup prirodnom gasu je ugrožen zbog geopolitičkih tenzija, kao što je bio slučaj u istočnoj Evropi i nekim zapadnoevropskim zemljama.

Tehnologije obnovljive energije kao što je vjetarturbine, solarni fotonaponski moduli proizvode emisionu električnu energiju. Međutim, oni imaju tendenciju da zahtevaju mnogo zemlje, a rezultati njihove efikasnosti su nestabilni i zavise od vremenskih prilika. Ugalj, glavni izvor toplote, je najproblematičniji. Vodi u emisiji CO_{2, zahteva puno čiste vode za hlađenje rashladne tečnosti i zauzima veliku površinu za izgradnju stanice.}

Nove tehnologije imaju za cilj smanjenje brojnih problema povezanih sa tehnologijama proizvodnje električne energije. Na primjer, plinske turbine u kombinaciji s rezervnom baterijom pružaju rezervnu kopiju bez sagorijevanja goriva, a povremeni problemi s obnovljivim resursima mogu se ublažiti stvaranjem pristupačnog skladištenja energije velikih razmjera. Dakle, danas ne postoji jedan savršen način pretvaranja toplotne energije u električnu, koji bi mogao da obezbedi pouzdanu i isplativu električnu energiju sa minimalnim uticajem na životnu sredinu.

Termoelektrane

U termoelektrani, para visokog pritiska i visoke temperature, dobijena zagrevanjem vode sagorevanjem čvrstog goriva (uglavnom uglja), okreće turbinu spojenu na generator. Tako svoju kinetičku energiju pretvara u električnu energiju. Radne komponente termoelektrane:

1. Kotao sa plinskom peći.
2. Parna turbina.
3. Generator.
4. Capacitor.
5. Razhladni tornjevi.
6. Cirkulaciona pumpa za vodu.
7. Napojna pumpavodu u bojler.
8. Prisilni ventilatori.
9. Separatori.

Tipični dijagram termoelektrane je prikazan ispod.

Parni kotao se koristi za pretvaranje vode u paru. Ovaj proces se izvodi zagrijavanjem vode u cijevima uz grijanje od sagorijevanja goriva. Procesi sagorevanja se kontinuirano odvijaju u komori za sagorevanje goriva sa dovodom vazduha spolja.

Parna turbina prenosi energiju pare za pogon generatora. Para pod visokim pritiskom i temperaturom gura lopatice turbine postavljene na osovinu tako da ona počinje da se okreće. U tom slučaju, parametri pregrijane pare koja ulazi u turbinu se svode na zasićeno stanje. Zasićena para ulazi u kondenzator, a snaga rotacije se koristi za rotaciju generatora, koji proizvodi struju. Gotovo sve parne turbine danas su kondenzatorskog tipa.

Kondenzatori su uređaji za pretvaranje pare u vodu. Para teče izvan cijevi, a rashladna voda teče unutar cijevi. Ovaj dizajn se naziva površinski kondenzator. Brzina prijenosa topline ovisi o protoku rashladne vode, površini cijevi i temperaturnoj razlici između vodene pare i vode za hlađenje. Proces promjene vodene pare odvija se pod zasićenim pritiskom i temperaturom, u ovom slučaju kondenzator je pod vakuumom, jer je temperatura rashladne vode jednaka vanjskoj temperaturi, maksimalna temperatura kondenzirane vode je blizu vanjske temperature.

Generator pretvara mehaničkienergije u električnu energiju. Generator se sastoji od statora i rotora. Stator se sastoji od kućišta koje sadrži zavojnice, a rotirajuća stanica magnetnog polja sastoji se od jezgra koje sadrži zavojnicu.

Prema vrsti proizvedene energije, TE se dijele na kondenzacijske IES, koje proizvode električnu energiju i kombinovane toplinske i elektrane, koje zajednički proizvode toplinu (para i topla voda) i električnu energiju. Potonji imaju sposobnost pretvaranja toplotne energije u električnu energiju sa visokom efikasnošću.

Nuklearne elektrane

Nuklearne elektrane koriste toplinu oslobođenu tokom nuklearne fisije za zagrijavanje vode i proizvodnju pare. Para se koristi za okretanje velikih turbina koje proizvode električnu energiju. U fisiji, atomi se cijepaju i formiraju manje atome, oslobađajući energiju. Proces se odvija unutar reaktora. U njegovom središtu je jezgro koje sadrži uranijum 235. Gorivo za nuklearne elektrane se dobija od uranijuma, koji sadrži izotop 235U (0,7%) i nefisilni 238U (99,3%).

Ciklus nuklearnog goriva je niz industrijskih koraka uključenih u proizvodnju električne energije iz uranijuma u nuklearnim energetskim reaktorima. Uranijum je relativno čest element koji se nalazi u celom svetu. Iskopava se u brojnim zemljama i prerađuje prije nego što se koristi kao gorivo.

Aktivnosti vezane za proizvodnju električne energije zajednički se nazivaju ciklus nuklearnog goriva za pretvaranje toplotne energije u električnu energiju u nuklearnim elektranama. NuklearniGorivni ciklus počinje iskopavanjem uranijuma i završava se odlaganjem nuklearnog otpada. Prilikom prerade korištenog goriva kao opcije za nuklearnu energiju, njegovi koraci formiraju pravi ciklus.

Uranijum-plutonijumski ciklus goriva

Za pripremu goriva za upotrebu u nuklearnim elektranama provode se procesi za ekstrakciju, preradu, konverziju, obogaćivanje i proizvodnju gorivnih elemenata. Ciklus goriva:

1. Uranium 235 burnup.
2. Slag - 235U i (239Pu, 241Pu) od 238U.
3. Tokom raspada 235U, njegova potrošnja se smanjuje, a izotopi se dobijaju iz 238U pri generisanju električne energije.

Cijena gorivnih šipki za VVR je približno 20% cijene proizvedene električne energije.

Nakon što je uranijum proveo oko tri godine u reaktoru, korišćeno gorivo može proći kroz drugi proces upotrebe, uključujući privremeno skladištenje, ponovnu obradu i reciklažu pre odlaganja otpada. Nuklearne elektrane omogućavaju direktnu konverziju toplotne energije u električnu energiju. Toplota koja se oslobađa tokom nuklearne fisije u jezgri reaktora koristi se za pretvaranje vode u paru, koja vrti lopatice parne turbine, pokrećući generatore za proizvodnju električne energije.

Para se hladi pretvaranjem u vodu u posebnoj strukturi u elektrani zvanoj rashladni toranj, koji koristi vodu iz bara, rijeka ili okeana za hlađenje čiste vode iz kruga parne energije. Ohlađena voda se zatim ponovo koristi za proizvodnju pare.

Udio proizvodnje električne energije u nuklearnim elektranama, u odnosu naukupni bilans proizvodnje njihovih različitih vrsta resursa, u kontekstu nekih zemalja iu svijetu - na slici ispod.

Elektrana na gasne turbine

Princip rada gasnoturbinske elektrane sličan je onom kod elektrane na parnu turbinu. Jedina razlika je u tome što elektrana na parnu turbinu koristi komprimovanu paru da okreće turbinu, dok elektrana na gasnu turbinu koristi gas.

Razmotrimo princip pretvaranja toplotne energije u električnu energiju u elektrani na gasnu turbinu.

U elektrani na gasnu turbinu, vazduh se komprimira u kompresoru. Zatim ovaj komprimovani vazduh prolazi kroz komoru za sagorevanje, gde se formira mešavina gasa i vazduha, temperatura komprimovanog vazduha raste. Ova visokotemperaturna smjesa pod visokim pritiskom prolazi kroz plinsku turbinu. U turbini se naglo širi, primajući dovoljno kinetičke energije za rotaciju turbine.

U elektrani na gasnu turbinu, osovina turbine, alternator i vazdušni kompresor su uobičajeni. Mehanička energija proizvedena u turbini se dijelom koristi za kompresiju zraka. Plinske turbinske elektrane se često koriste kao rezervni opskrbljivač pomoćnom energijom za hidroelektrane. Generiše pomoćnu energiju prilikom pokretanja hidroelektrane.

Prednosti i nedostaci gasnoturbinske elektrane

Dizajngasnoturbinska elektrana je mnogo jednostavnija od parne turbine. Veličina plinske turbinske elektrane je manja od veličine elektrane s parnom turbinom. U gasnoturbinskoj elektrani nema komponente kotla i samim tim je sistem manje složen. Nema pare, nije potreban kondenzator ili rashladni toranj.

Projektovanje i izgradnja moćnih gasnih turbinskih elektrana je mnogo lakši i jeftiniji, kapitalni i operativni troškovi su mnogo manji od cene slične parne turbinske elektrane.

Trajni gubici u elektrani na gasnu turbinu su znatno manji u odnosu na elektranu na parnu turbinu, jer u parnoj turbini kotlovska elektrana mora raditi neprekidno, čak i kada sistem ne opskrbljuje mrežu. Elektrana na gasnu turbinu može se pokrenuti skoro trenutno.

Nedostaci gasnoturbinske elektrane:

1. Mehanička energija proizvedena u turbini se takođe koristi za pogon vazdušnog kompresora.
2. Budući da se većina mehaničke energije proizvedene u turbini koristi za pogon vazdušnog kompresora, ukupna efikasnost elektrane na gasnu turbinu nije tako visoka kao ekvivalentna elektrana na parnu turbinu.
3. Izduvni gasovi u elektrani na gasne turbine se veoma razlikuju od kotlova.
4. Pre stvarnog pokretanja turbine, vazduh mora biti prethodno komprimovan, što zahteva dodatni izvor energije za pokretanje gasne turbine.
5. Temperatura plina je dovoljno visoka zagasnoturbinska elektrana. Ovo rezultira kraćim vijekom trajanja sistema od ekvivalentne parne turbine.

Zbog niže efikasnosti, elektrana na plinsku turbinu se ne može koristiti za komercijalnu proizvodnju električne energije, obično se koristi za opskrbu pomoćnom energijom drugim konvencionalnim elektranama kao što su hidroelektrane.

Termionski pretvarači

Oni se nazivaju i termoelektrični generator ili termoelektrični motor, koji direktno pretvaraju toplotu u električnu energiju koristeći toplotnu emisiju. Toplotna energija se može pretvoriti u električnu energiju uz vrlo visoku efikasnost kroz proces protoka elektrona izazvan temperaturom poznat kao termoionsko zračenje.

Osnovni princip rada termoelektronskih pretvarača energije je da elektroni isparavaju sa površine zagrijane katode u vakuumu, a zatim se kondenzuju na hladnijoj anodi. Od prve praktične demonstracije 1957. godine, termoelektrični pretvarači energije su korišćeni sa različitim izvorima toplote, ali svi oni zahtevaju rad na visokim temperaturama - iznad 1500 K. Dok termoelektrični pretvarači energije rade na relativno niskoj temperaturi (700 K - 900 K) je moguća efikasnost procesa, koja je tipično > 50%, značajno smanjena jer broj emitovanih elektrona po jedinici površine sa katode zavisi od temperature zagrevanja..

Za konvencionalne katodne materijale kao što supoput metala i poluprovodnika, broj emitovanih elektrona je proporcionalan kvadratu temperature katode. Međutim, nedavna studija pokazuje da se temperatura topline može smanjiti za red veličine korištenjem grafena kao vruće katode. Dobijeni podaci pokazuju da katodni termionski pretvarač na bazi grafena koji radi na 900 K može postići efikasnost od 45%.

Šematski dijagram procesa termoionske emisije elektrona prikazan je na fotografiji.

TIC baziran na grafenu, gdje su Tc i Ta temperatura katode i temperatura anode, respektivno. Na osnovu novog mehanizma termoionske emisije, istraživači sugerišu da bi katodni energetski pretvarač zasnovan na grafenu mogao naći svoju primenu u reciklaži industrijske otpadne toplote, koja često dostiže temperaturni opseg od 700 do 900 K.

Novi model koji su predstavili Liang i Eng mogao bi imati koristi od dizajna pretvarača napajanja zasnovanog na grafenu. Solid state pretvarači energije, koji su uglavnom termoelektrični generatori, obično rade neefikasno u opsegu niskih temperatura (manje od 7% efikasnosti).

Termoelektrični generatori

Reciklaža otpadne energije postala je popularna meta istraživača i naučnika koji smišljaju inovativne metode za postizanje ovog cilja. Jedno od oblasti koje najviše obećava su termoelektrični uređaji zasnovani na nanotehnologiji, kojiizgledaju kao novi pristup uštedi energije. Direktna konverzija topline u električnu energiju ili električne energije u toplinu poznata je kao termoelektrična energija na temelju Peltierovog efekta. Da budemo precizni, efekat je nazvan po dvojici fizičara - Jeanu Peltieru i Thomasu Seebecku.

Peltier je otkrio da će struja koja se šalje na dva različita električna provodnika koja su povezana na dva spoja uzrokovati zagrijavanje jednog spoja dok se drugi hladi. Peltier je nastavio svoje istraživanje i otkrio da se kap vode može zamrznuti na spoju bizmut-antimon (BiSb) jednostavnom promjenom struje. Peltier je također otkrio da električna struja može teći kada se temperaturna razlika postavi preko spoja različitih provodnika.

Termoelektričnost je izuzetno interesantan izvor električne energije zbog svoje sposobnosti da pretvara toplotni tok direktno u električnu energiju. To je pretvarač energije koji je vrlo skalabilan i nema pokretnih dijelova ili tekućeg goriva, što ga čini pogodnim za gotovo svaku situaciju u kojoj mnogo topline odlazi u otpad, od odjeće do velikih industrijskih objekata.

Nanostrukture koje se koriste u materijalima poluvodičkih termoparova pomoći će u održavanju dobre električne provodljivosti i smanjenju toplinske provodljivosti. Dakle, performanse termoelektričnih uređaja mogu se povećati upotrebom materijala zasnovanih na nanotehnologiji, uzkoristeći Peltierov efekat. Imaju poboljšana termoelektrična svojstva i dobar kapacitet apsorpcije sunčeve energije.

Primjena termoelektrične energije:

1. Provajderi energije i senzori u rasponima.
2. Upaljena lampa koja upravlja bežičnim prijemnikom za daljinsku komunikaciju.
3. Primjena malih elektronskih uređaja kao što su MP3 plejeri, digitalni satovi, GPS/GSM čipovi i mjerači impulsa sa toplinom tijela.
4. Sjedišta za brzo hlađenje u luksuznim automobilima.
5. Očistite otpadnu toplotu u vozilima pretvarajući je u električnu energiju.
6. Pretvorite otpadnu toplotu iz fabrika ili industrijskih objekata u dodatnu energiju.
7. Solarni termoelektrici mogu biti efikasniji od fotonaponskih ćelija za proizvodnju energije, posebno u područjima sa manje sunčeve svjetlosti.

MHD generatori

Magnetohidrodinamički generatori energije generišu električnu energiju interakcijom pokretnog fluida (obično jonizovanog gasa ili plazme) i magnetnog polja. Od 1970. godine, MHD istraživački programi su sprovedeni u nekoliko zemalja sa posebnim fokusom na upotrebu uglja kao goriva.

Osnovni princip generacije MHD tehnologije je elegantan. Obično se električno provodljivi plin proizvodi pod visokim pritiskom sagorijevanjem fosilnih goriva. Plin se zatim usmjerava kroz magnetsko polje, što rezultira elektromotornom silom koja djeluje unutar njega u skladu sa zakonom indukcijeFaraday (nazvan po engleskom fizičaru i hemičaru Michaelu Faradayu iz 19. stoljeća).

MHD sistem je toplotni motor koji uključuje ekspanziju gasa sa visokog na niski pritisak na isti način kao u konvencionalnom generatoru gasnih turbina. U MHD sistemu, kinetička energija gasa se pretvara direktno u električnu energiju, jer joj je dozvoljeno da se širi. Interes za stvaranje MHD-a u početku je bio podstaknut otkrićem da se interakcija plazme sa magnetnim poljem može dogoditi na mnogo višim temperaturama nego što je to moguće u rotirajućoj mehaničkoj turbini.

Ograničavanje performansi u smislu efikasnosti toplotnih motora postavio je početkom 19. veka francuski inženjer Sadi Carnot. Izlazna snaga MHD generatora za svaki kubni metar njegove zapremine proporcionalna je proizvodu provodljivosti gasa, kvadratu brzine gasa i kvadratu jačine magnetnog polja kroz koje gas prolazi. Da bi MHD generatori radili konkurentno, sa dobrim performansama i razumnim fizičkim dimenzijama, električna provodljivost plazme mora biti u temperaturnom opsegu iznad 1800 K (oko 1500 C ili 2800 F).

Izbor tipa MHD generatora zavisi od upotrebljenog goriva i primene. Obilje rezervi uglja u mnogim zemljama svijeta doprinosi razvoju MHD ugljičnih sistema za proizvodnju električne energije.