Konvertering af termisk energi til elektrisk energi med høj effektivitet: metoder og udstyr

2024 Forfatter: Howard Calhoun | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-17 18:45

Varmeenergi indtager en særlig plads i menneskelig aktivitet, da den bruges i alle sektorer af økonomien, ledsager de fleste industrielle processer og menneskers levebrød. I de fleste tilfælde går spildvarme tabt uigenkaldeligt og uden nogen økonomisk fordel. Denne tabte ressource er ikke længere noget værd, så genbrug af den hjælper både med at reducere energikrisen og beskytte miljøet. Derfor er nye måder at omdanne varme til elektrisk energi og omdanne spildvarme til el mere relevante i dag end nogensinde.

Typer af elproduktion

Omdannelse af naturlige energikilder til elektricitet, varme eller kinetisk energi kræver maksimal effektivitet, især i gas- og kulfyrede kraftværker, for at reducere CO2-emissionerne_{2. Der er forskellige måder at konvertere påtermisk energi til elektrisk energi, afhængigt af typerne af primær energi.}

Blandt energiressourcerne bruges kul og naturgas til at generere elektricitet ved forbrænding (termisk energi) og uran ved nuklear fission (atomenergi) til at bruge dampkraft til at dreje en dampturbine. De ti bedste elproducerende lande for 2017 er vist på billedet.

Tabel over effektiviteten af eksisterende systemer til konvertering af termisk energi til elektrisk energi.

	Generering af elektricitet fra termisk energi	Effektivitet, %
1	Varmekraftværker, kraftvarmeværker	32
2	Atomkraftværker, atomkraftværker	80
3	Kondenskraftværk, IES	40
4	Gasturbinekraftværk, GTPP	60
5	Termioniske transducere, TEC'er	40
6	Termoelektriske generatorer	7
7	MHD-strømgeneratorer sammen med CHP	60

Valg af en metode til at konvertere termisk energi tilelektrisk og dets økonomiske gennemførlighed afhænger af behovet for energi, tilgængeligheden af naturligt brændstof og byggepladsens tilstrækkelighed. Produktionstypen varierer rundt om i verden, hvilket resulterer i en bred vifte af elpriser.

Problemer med traditionel elindustri

Teknologier til at konvertere termisk energi til elektrisk energi, såsom termiske kraftværker, atomkraftværker, IES, gasturbinekraftværker, termiske kraftværker, termoelektriske generatorer, MHD-generatorer har forskellige fordele og ulemper. Electric Power Research Institute (EPRI) illustrerer fordele og ulemper ved naturlige energiproduktionsteknologier ved at se på kritiske faktorer som konstruktion og omkostninger til elektricitet, jord, vandkrav, CO-emissioner_{2, spild, overkommelige priser og fleksibilitet.}

EPRI-resultater fremhæver, at der ikke er nogen ensartet tilgang, når man overvejer elproduktionsteknologier, men naturgas gavner stadig mere, fordi det er økonomisk overkommeligt at bygge, har lave omkostninger til elektricitet, genererer mindre emissioner end kul. Det er dog ikke alle lande, der har adgang til rigelig og billig naturgas. I nogle tilfælde er adgangen til naturgas truet på grund af geopolitiske spændinger, som det var tilfældet i Østeuropa og nogle vesteuropæiske lande.

Vedvarende energiteknologier såsom vindturbiner, solcellemoduler producerer emissionselektricitet. De har dog en tendens til at kræve meget jord, og resultaterne af deres effektivitet er ustabile og afhænger af vejret. Kul, den vigtigste varmekilde, er den mest problematiske. Det fører i CO-emissioner_{2, kræver meget rent vand for at afkøle kølevæsken og optager et stort område til konstruktionen af stationen.}

Nye teknologier har til formål at reducere en række problemer forbundet med energiproduktionsteknologier. For eksempel giver gasturbiner kombineret med et backup-batteri nødbackup uden at brænde brændstof, og periodiske problemer med vedvarende ressourcer kan afbødes ved at skabe overkommelig energilagring i stor skala. I dag er der således ikke én perfekt måde at omdanne termisk energi til elektricitet, som kunne give pålidelig og omkostningseffektiv elektricitet med minimal miljøpåvirkning.

Termiske kraftværker

Ved et termisk kraftværk roterer højtryks- og højtemperaturdamp, opnået fra opvarmning af vand ved afbrænding af fast brændsel (hovedsageligt kul), en turbine forbundet til en generator. Således omdanner den sin kinetiske energi til elektrisk energi. Driftskomponenter af termisk kraftværk:

1. Kedel med gasfyr.
2. Dampturbine.
3. Generator.
4. Kondensator.
5. Køletårne.
6. Cirkulerende vandpumpe.
7. Fødningspumpevand ind i kedlen.
8. Tvungen udstødningsventilator.
9. Separatorer.

Typisk diagram over et termisk kraftværk er vist nedenfor.

Dampkedlen bruges til at omdanne vand til damp. Denne proces udføres ved at opvarme vand i rør med opvarmning fra brændstofforbrænding. Forbrændingsprocesser udføres kontinuerligt i brændstofforbrændingskammeret med lufttilførsel udefra.

Dampturbinen overfører dampenergi til at drive en generator. Damp med højt tryk og temperatur skubber turbinebladene monteret på akslen, så den begynder at rotere. I dette tilfælde reduceres parametrene for overophedet damp, der kommer ind i turbinen, til en mættet tilstand. Den mættede damp kommer ind i kondensatoren, og den roterende kraft bruges til at rotere generatoren, som producerer strøm. Næsten alle dampturbiner i dag er af kondensatortypen.

Kondensatorer er enheder til at omdanne damp til vand. Dampen strømmer uden for rørene, og kølevandet strømmer inde i rørene. Dette design kaldes en overfladekondensator. Varmeoverførselshastigheden afhænger af kølevandets strømning, rørenes overfladeareal og temperaturforskellen mellem vanddampen og kølevandet. Vanddampændringsprocessen sker under mættet tryk og temperatur, i dette tilfælde er kondensatoren under vakuum, fordi temperaturen på kølevandet er lig med udetemperaturen, kondensatvandets maksimale temperatur er tæt på udetemperaturen.

Generatoren konverterer det mekaniskeenergi til elektricitet. Generatoren består af en stator og en rotor. Statoren består af et hus, der indeholder spolerne, og magnetfeltets rotationsstation består af en kerne, der indeholder spolen.

Afhængigt af den producerede energitype er TPP'er opdelt i kondenserende IES'er, som producerer elektricitet og kraftvarmeværker, som i fællesskab producerer varme (damp og varmt vand) og elektricitet. Sidstnævnte har evnen til at omdanne termisk energi til elektrisk energi med høj effektivitet.

Atomkraftværker

Atomkraftværker bruger den varme, der frigives under nuklear fission, til at opvarme vand og producere damp. Dampen bruges til at dreje store turbiner, der genererer elektricitet. Ved fission sp altes atomer for at danne mindre atomer, hvilket frigiver energi. Processen foregår inde i reaktoren. I midten er der en kerne, der indeholder uran 235. Brændstof til atomkraftværker fås fra uran, som indeholder isotopen 235U (0,7%) og ikke-fissilt 238U (99,3%).

Det nukleare brændselskredsløb er en række industrielle trin involveret i produktionen af elektricitet fra uran i atomkraftreaktorer. Uran er et relativt almindeligt grundstof, der findes over hele verden. Det udvindes i en række lande og behandles, før det bruges som brændstof.

Aktiviteter relateret til produktion af elektricitet omtales under ét som det nukleare brændselskredsløb til omdannelse af termisk energi til elektrisk energi på atomkraftværker. AtomiskBrændselskredsløbet starter med uranudvinding og slutter med bortskaffelse af nukleart affald. Ved oparbejdning af brugt brændsel som en mulighed for atomkraft, danner dets trin en veritabel cyklus.

Uran-Plutonium Brændstofcyklus

For at forberede brændsel til brug på atomkraftværker udføres processer til udvinding, forarbejdning, konvertering, berigelse og produktion af brændselselementer. Brændstofcyklus:

1. Uranium 235 udbrænding.
2. Slag - 235U og (239Pu, 241Pu) fra 238U.
3. Under henfaldet af 235U falder dets forbrug, og isotoper opnås fra 238U, når der genereres elektricitet.

Omkostningerne til brændstofstænger til VVR er cirka 20 % af omkostningerne ved produceret elektricitet.

Efter at uranet har brugt omkring tre år i en reaktor, kan det brugte brændsel gennemgå en anden brugsproces, herunder midlertidig opbevaring, oparbejdning og genanvendelse før affaldsbortskaffelse. Atomkraftværker giver direkte omdannelse af termisk energi til elektrisk energi. Den varme, der frigives under nuklear fission i reaktorkernen, bruges til at omdanne vand til damp, som roterer bladene på en dampturbine og driver generatorer til at generere elektricitet.

Dampen afkøles ved at blive til vand i en separat struktur i et kraftværk kaldet et køletårn, som bruger vand fra damme, floder eller havet til at afkøle det rene vand i dampkraftkredsløbet. Det afkølede vand genbruges derefter til at producere damp.

Andelen af elproduktion på atomkraftværker iftden overordnede balance mellem produktionen af deres forskellige typer ressourcer, i forbindelse med nogle lande og i verden - på billedet nedenfor.

Gasturbinekraftværk

Princippet for drift af et gasturbinekraftværk svarer til princippet for et dampturbinekraftværk. Den eneste forskel er, at et dampturbinekraftværk bruger komprimeret damp til at dreje turbinen, mens et gasturbinekraftværk bruger gas.

Lad os overveje princippet om at konvertere termisk energi til elektrisk energi i et gasturbinekraftværk.

I et gasturbinekraftværk komprimeres luft i en kompressor. Derefter passerer denne trykluft gennem forbrændingskammeret, hvor gas-luftblandingen dannes, temperaturen på trykluften stiger. Denne højtemperatur- og højtryksblanding ledes gennem en gasturbine. I turbinen udvider den sig kraftigt og modtager nok kinetisk energi til at rotere turbinen.

I et gasturbinekraftværk er turbineakslen, generatoren og luftkompressoren almindelige. Den mekaniske energi, der genereres i turbinen, bruges delvist til at komprimere luften. Gasturbinekraftværker bruges ofte som en backup-hjælpeenergileverandør til vandkraftværker. Den genererer hjælpestrøm under opstarten af vandkraftværket.

Fordele og ulemper ved gasturbinekraftværk

Designgasturbinekraftværk er meget enklere end et dampturbinekraftværk. Størrelsen af et gasturbinekraftværk er mindre end et dampturbinekraftværk. Der er ingen kedelkomponent i et gasturbinekraftværk, og systemet er derfor mindre komplekst. Ingen damp, ingen kondensator eller køletårn påkrævet.

Design og konstruktion af kraftfulde gasturbinekraftværker er meget nemmere og billigere, kapital- og driftsomkostninger er meget mindre end omkostningerne ved et lignende dampturbinekraftværk.

De permanente tab i et gasturbinekraftværk er væsentligt mindre sammenlignet med et dampturbinekraftværk, da kedelkraftværket i en dampturbine skal fungere kontinuerligt, selv når systemet ikke leverer en belastning til netværket. Et gasturbinekraftværk kan startes næsten øjeblikkeligt.

Ulemper ved et gasturbinekraftværk:

1. Den mekaniske energi, der genereres i turbinen, bruges også til at drive luftkompressoren.
2. Fordi det meste af den mekaniske energi, der genereres i turbinen, bruges til at drive luftkompressoren, er den samlede effektivitet af et gasturbinekraftværk ikke så høj som et tilsvarende dampturbinekraftværk.
3. Udstødningsgasser i et gasturbinekraftværk er meget forskellige fra en kedel.
4. Før selve start af turbinen skal luften være forkomprimeret, hvilket kræver en ekstra strømkilde for at starte gasturbinekraftværket.
5. Gastemperaturen er høj nok tilgasturbine kraftværk. Dette resulterer i en kortere systemlevetid end en tilsvarende dampturbine.

På grund af dets lavere effektivitet kan gasturbinekraftværket ikke bruges til kommerciel elproduktion, det bruges norm alt til at levere hjælpestrøm til andre konventionelle kraftværker såsom vandkraftværker.

Termionomformere

De kaldes også termiongenerator eller termoelektrisk motor, som direkte omdanner varme til elektricitet ved hjælp af termisk emission. Termisk energi kan omdannes til elektrisk energi med meget høj effektivitet gennem en temperaturinduceret elektronstrømningsproces kendt som termionisk stråling.

Det grundlæggende princip for drift af termionenergiomformere er, at elektroner fordamper fra overfladen af en opvarmet katode i et vakuum og derefter kondenserer på en koldere anode. Siden den første praktiske demonstration i 1957 er termioneffektomformere blevet brugt med en række forskellige varmekilder, men alle kræver drift ved høje temperaturer - over 1500 K. Mens drift af termioneffektomformere ved en relativt lav temperatur (700 K - 900 K) er muligt, er effektiviteten af processen, som typisk er > 50 %, væsentligt reduceret, fordi antallet af udsendte elektroner pr. arealenhed fra katoden afhænger af opvarmningstemperaturen.

Til konventionelle katodematerialer som f.eksligesom metaller og halvledere er antallet af udsendte elektroner proportion alt med kvadratet på katodetemperaturen. En nylig undersøgelse viser dog, at varmetemperaturen kan reduceres med en størrelsesorden ved at bruge grafen som en varm katode. De opnåede data viser, at en grafenbaseret katodetermionomformer, der arbejder ved 900 K, kan opnå en effektivitet på 45%.

Skematisk diagram over processen med termionisk elektronemission er vist på billedet.

TIC baseret på grafen, hvor Tc og Ta er henholdsvis katodens temperatur og anodens temperatur. Baseret på den nye mekanisme for termionisk emission foreslår forskerne, at den grafenbaserede katodeenergikonverter kan finde sin anvendelse i genanvendelse af industriel spildvarme, som ofte når temperaturområdet på 700 til 900 K.

Den nye model præsenteret af Liang og Eng kunne gavne det grafenbaserede strømkonverterdesign. Solid state strømomformere, som hovedsageligt er termoelektriske generatorer, fungerer norm alt ineffektivt i lavtemperaturområdet (mindre end 7 % effektivitet).

Termoelektriske generatorer

Genbrug af affaldsenergi er blevet et populært mål for forskere og videnskabsmænd, som finder på innovative metoder til at nå dette mål. Et af de mest lovende områder er termoelektriske enheder baseret på nanoteknologi, somligne en ny tilgang til energibesparelse. Den direkte omdannelse af varme til elektricitet eller elektricitet til varme er kendt som termoelektricitet baseret på Peltier-effekten. For at være præcis er effekten opkaldt efter to fysikere - Jean Peltier og Thomas Seebeck.

Peltier opdagede, at en strøm, der sendes til to forskellige elektriske ledere, der er forbundet ved to kryds, vil få det ene kryds til at varme op, mens det andet kryds afkøles. Peltier fortsatte sin forskning og fandt ud af, at en dråbe vand kunne fåes til at fryse ved et bismuth-antimon (BiSb) kryds ved blot at ændre strømmen. Peltier opdagede også, at en elektrisk strøm kan flyde, når en temperaturforskel placeres på tværs af krydset mellem forskellige ledere.

Termoelektricitet er en ekstremt interessant kilde til elektricitet på grund af dens evne til at omdanne varmestrøm direkte til elektricitet. Det er en energiomformer, der er meget skalerbar og har ingen bevægelige dele eller flydende brændstof, hvilket gør den velegnet til næsten enhver situation, hvor meget varme har tendens til at gå til spilde, lige fra tøj til store industrianlæg.

Nanostrukturer brugt i halvledertermoelementmaterialer vil hjælpe med at opretholde god elektrisk ledningsevne og reducere termisk ledningsevne. Således kan ydeevnen af termoelektriske enheder øges gennem brug af materialer baseret på nanoteknologi, medved hjælp af Peltier-effekten. De har forbedrede termoelektriske egenskaber og god absorptionskapacitet for solenergi.

Anvendelse af termoelektricitet:

1. Energiudbydere og sensorer inden for rækkevidde.
2. En brændende olielampe, der styrer en trådløs modtager til fjernkommunikation.
3. Anvendelse af små elektroniske enheder såsom MP3-afspillere, digitale ure, GPS/GSM-chips og impulsmålere med kropsvarme.
4. Hurtigkølende sæder i luksusbiler.
5. Rensning af spildvarme i køretøjer ved at omdanne den til elektricitet.
6. Omdan spildvarme fra fabrikker eller industrianlæg til yderligere strøm.
7. Termoelektrisk solcelle kan være mere effektiv end fotovoltaiske celler til elproduktion, især i områder med mindre sollys.

MHD-strømgeneratorer

Magnetohydrodynamiske kraftgeneratorer genererer elektricitet gennem samspillet mellem en bevægelig væske (norm alt en ioniseret gas eller plasma) og et magnetfelt. Siden 1970 er MHD-forskningsprogrammer blevet udført i flere lande med særligt fokus på brugen af kul som brændsel.

Det underliggende princip for MHD-teknologigenerering er elegant. Typisk produceres den elektrisk ledende gas ved højt tryk ved afbrænding af fossile brændstoffer. Gassen ledes derefter gennem et magnetfelt, hvilket resulterer i, at en elektromotorisk kraft virker inde i den i overensstemmelse med loven om induktionFaraday (opkaldt efter det 19. århundredes engelske fysiker og kemiker Michael Faraday).

MHD-systemet er en varmemotor, der omfatter udvidelse af gas fra højt til lavt tryk på samme måde som i en konventionel gasturbinegenerator. I MHD-systemet omdannes gassens kinetiske energi direkte til elektrisk energi, da den får lov til at udvide sig. Interessen for at generere MHD blev oprindeligt udløst af opdagelsen af, at vekselvirkningen mellem et plasma og et magnetfelt kan forekomme ved meget højere temperaturer, end det er muligt i en roterende mekanisk turbine.

Den begrænsende ydeevne med hensyn til effektivitet i varmemotorer blev fastsat i begyndelsen af det 19. århundrede af den franske ingeniør Sadi Carnot. Udgangseffekten af en MHD-generator for hver kubikmeter af dens volumen er proportional med gaskonduktivitetsproduktet, kvadratet på gashastigheden og kvadratet på styrken af det magnetiske felt, som gassen passerer igennem. For at MHD-generatorer kan fungere konkurrencedygtigt, med god ydeevne og rimelige fysiske dimensioner, skal plasmaets elektriske ledningsevne være i temperaturområdet over 1800 K (ca. 1500 C eller 2800 F).

Valget af type MHD-generator afhænger af det anvendte brændstof og applikationen. Overfloden af kulreserver i mange lande i verden bidrager til udviklingen af MHD kulstofsystemer til elproduktion.