Hőenergia átalakítása elektromos energiává nagy hatásfokkal: módszerek és berendezések

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-02 13:56

A hőenergia különleges helyet foglal el az emberi tevékenységben, mivel a gazdaság minden ágazatában felhasználják, a legtöbb ipari folyamatot és az emberek megélhetését kíséri. A legtöbb esetben a hulladékhő visszavonhatatlanul és minden gazdasági haszon nélkül elvész. Ez az elveszett erőforrás már semmit sem ér, így újrafelhasználása segít az energiaválság csökkentésében és a környezet védelmében. Ezért a hő elektromos energiává alakításának és a hulladékhő elektromos energiává alakításának új módjai napjainkban fontosabbak, mint valaha.

A villamosenergia-termelés típusai

A természetes energiaforrások elektromos árammá, hővé vagy mozgási energiává történő átalakítása maximális hatékonyságot igényel, különösen a gáz- és széntüzelésű erőművekben a CO2-kibocsátás csökkentése érdekében_{2. A konvertálásnak többféle módja vana hőenergiát elektromos energiává, a primer energia típusától függően.}

Az energiaforrások közül a szenet és a földgázt égetés útján villamos energia előállítására használják (hőenergia), az uránt pedig maghasadás útján (nukleáris energia) gőzerővel gőzturbina megfordítására. A képen a 2017-es tíz legnagyobb villamosenergia-termelő ország látható.

Táblázat a meglévő rendszerek hatékonyságáról a hőenergia elektromos energiává alakítására.

	Hőenergiából villamos energia előállítása	Hatékonyság, %
1	Hőerőművek, CHP erőművek	32
2	Atomerőművek, atomerőművek	80
3	Kondenzációs erőmű, IES	40
4	Gázturbinás erőmű, GTPP	60
5	Termionikus jelátalakítók, TEC-ek	40
6	Hőelektromos generátorok	7
7	MHD áramfejlesztők CHP-vel együtt	60

Módszer kiválasztása a hőenergia átalakításáravillamos energia és gazdasági megvalósíthatósága függ az energiaigénytől, a természetes tüzelőanyag elérhetőségétől és az építési terület megfelelőségétől. A termelés típusa az egész világon változó, ami az áramárak széles skáláját eredményezi.

A hagyományos villamosenergia-ipar problémái

A hőenergiát elektromos energiává alakító technológiáknak, például hőerőműveknek, atomerőműveknek, IES-nek, gázturbinás erőműveknek, hőerőműveknek, termoelektromos generátoroknak, MHD generátoroknak különböző előnyei és hátrányai vannak. Az Electric Power Research Institute (EPRI) szemlélteti a természetes energiatermelési technológiák előnyeit és hátrányait, olyan kritikus tényezőket vizsgálva, mint az építés és a villamosenergia-költségek, a földterület, a vízigény, a CO-kibocsátás_{2, pazarlás, megfizethetőség és rugalmasság.}

Az EPRI eredményei rávilágítanak arra, hogy nincs mindenkire érvényes megközelítés az energiatermelési technológiák mérlegelésekor, de a földgáz még mindig előnyösebb, mert megfizethető az építőiparban, alacsony a villamosenergia-költsége, és kevesebb kibocsátást termel, mint szén. Nem minden ország jut azonban bőséges és olcsó földgázhoz. Egyes esetekben a földgázhoz való hozzáférés veszélybe kerül a geopolitikai feszültségek miatt, mint Kelet-Európában és néhány nyugat-európai országban.

Megújuló energiatechnológiák, például szélturbinák, napelemes fotovoltaikus modulok emissziós villamos energiát termelnek. Azonban általában sok földet igényelnek, és hatékonyságuk eredménye instabil és az időjárástól függ. A szén, a fő hőforrás a legproblémásabb. CO-kibocsátásban vezet_{2, sok tiszta vizet igényel a hűtőfolyadék hűtéséhez, és nagy területet foglal el az állomás építésekor.}

Az új technológiák célja az energiatermelési technológiákkal kapcsolatos számos probléma csökkentése. Például a tartalék akkumulátorral kombinált gázturbinák tüzelőanyag elégetése nélkül biztosítanak tartalék tartalékot az esetekre, és a megújuló erőforrásokkal kapcsolatos időszakos problémák mérsékelhetők megfizethető nagyméretű energiatároló létrehozásával. Így ma nincs egyetlen tökéletes módja a hőenergia elektromos árammá alakításának, amely megbízható és költséghatékony villamos energiát biztosítana minimális környezeti hatással.

Hőerőművek

Egy hőerőműben a víz melegítéséből szilárd tüzelőanyaggal (főleg szénnel) nyert nagynyomású és magas hőmérsékletű gőz egy generátorhoz csatlakoztatott turbinát forgat. Így a mozgási energiáját elektromos energiává alakítja. A hőerőmű üzemi elemei:

1. Gázkemencés kazán.
2. Gőzturbina.
3. Generátor.
4. Kondenzátor.
5. Hűtőtornyok.
6. Cirkulációs vízszivattyú.
7. Tápszivattyúvizet a kazánba.
8. Kényszeres kipufogóventilátorok.
9. Elválasztók.

Az alábbiakban egy hőerőmű tipikus diagramja látható.

A gőzkazán a vizet gőzzé alakítja. Ezt a folyamatot úgy hajtják végre, hogy a csövekben vizet melegítenek tüzelőanyag elégetésével. Az égési folyamatok folyamatosan zajlanak a tüzelőanyag égésterében, külső levegőellátással.

A gőzturbina gőzenergiát ad át a generátor meghajtásához. A nagy nyomású és hőmérsékletű gőz úgy nyomja a tengelyre szerelt turbinalapátokat, hogy az forogni kezd. Ebben az esetben a turbinába belépő túlhevített gőz paraméterei telített állapotba csökkennek. A telített gőz belép a kondenzátorba, és a forgóerőt a generátor forgatására használják, amely áramot termel. Manapság szinte minden gőzturbina kondenzátoros.

A kondenzátorok olyan eszközök, amelyek a gőzt vízzé alakítják. A gőz a csöveken kívül, a hűtővíz pedig a csövek belsejében áramlik. Ezt a kialakítást felületi kondenzátornak nevezik. A hőátadás sebessége a hűtővíz áramlásától, a csövek felületétől, valamint a vízgőz és a hűtővíz hőmérséklet-különbségétől függ. A vízgőz változási folyamat telített nyomáson és hőmérsékleten megy végbe, ebben az esetben a kondenzátor vákuum alatt van, mert a hűtővíz hőmérséklete megegyezik a külső hőmérséklettel, a kondenzvíz maximális hőmérséklete a külső hőmérséklet közelében van.

A generátor átalakítja a mechanikusenergiát elektromos árammá. A generátor egy állórészből és egy forgórészből áll. Az állórész egy házból áll, amely a tekercseket tartalmazza, a mágneses mező forgóállomása pedig a tekercset tartalmazó magból áll.

A megtermelt energia típusa szerint a hőerőműveket kondenzációs IES-ekre osztják, amelyek villamos energiát termelnek, valamint kapcsolt hő- és erőművekre, amelyek közösen termelnek hőt (gőz és meleg víz) és villamos energiát. Ez utóbbiak képesek a hőenergiát nagy hatásfokkal elektromos energiává alakítani.

Atomerőművek

Az atomerőművek a maghasadás során felszabaduló hőt víz melegítésére és gőz előállítására használják fel. A gőzt nagy turbinák forgatására használják, amelyek villamos energiát termelnek. A hasadás során az atomok felhasadnak, és kisebb atomokat képeznek, és energiát szabadítanak fel. A folyamat a reaktor belsejében zajlik. Középen egy 235-ös urániumot tartalmazó mag található. Az atomerőművek üzemanyagát uránból nyerik, amely 235U (0,7%) és nem hasadó 238U (99,3%) izotópot tartalmaz.

A nukleáris üzemanyag-ciklus ipari lépések sorozata, amelyek az atomerőművi reaktorokban uránból villamos energiát állítanak elő. Az urán viszonylag gyakori elem, amely világszerte megtalálható. Számos országban bányászják, és üzemanyagként történő felhasználás előtt feldolgozzák.

A villamosenergia-termeléssel kapcsolatos tevékenységeket összefoglalóan nukleáris tüzelőanyag-ciklusnak nevezzük a hőenergia villamos energiává alakítására az atomerőművekben. NukleárisAz üzemanyagciklus az uránbányászattal kezdődik és a nukleáris hulladék ártalmatlanításával ér véget. A használt fűtőelemek nukleáris energia alternatívájaként történő újrafeldolgozása során ennek lépései valóságos ciklust alkotnak.

Urán-plutónium üzemanyagciklus

A tüzelőanyag atomerőművekben való felhasználásra történő előkészítése érdekében a fűtőelemek kitermelésére, feldolgozására, átalakítására, dúsítására és előállítására szolgáló folyamatokat hajtanak végre. Üzemanyagciklus:

1. Uranium 235 égés.
2. Salak – 235U és (239Pu, 241Pu) 238U-tól.
3. A 235U bomlása során a fogyasztása csökken, és az izotópok 238U-ból származnak az áram előállítása során.

A VVR tüzelőanyag-rudainak költsége a megtermelt villamos energia költségének körülbelül 20%-a.

Miután az urán körülbelül három évet töltött egy reaktorban, a felhasznált üzemanyag egy másik felhasználási folyamaton mehet keresztül, beleértve az ideiglenes tárolást, az újrafeldolgozást és a hulladékártalmatlanítás előtti újrahasznosítást. Az atomerőművek a hőenergiát közvetlenül elektromos energiává alakítják. A reaktormagban a maghasadás során felszabaduló hőt arra használják fel, hogy a vizet gőzzé alakítsák, ami megforgatja a gőzturbina lapátjait, és a generátorokat villamosenergia-termelésre hajtja.

A gőzt úgy hűtik le, hogy egy különálló szerkezetben vízzé alakítják egy hűtőtoronynak nevezett erőműben, amely tavakból, folyókból vagy óceánból származó vizet használ fel a gőzáramkör tiszta vizének hűtésére. A lehűtött vizet ezután újra felhasználják gőz előállítására.

A villamosenergia-termelés részesedése az atomerőművekben, viszonyítvaa különböző típusú erőforrásaik termelésének általános egyensúlya egyes országok és a világ összefüggésében – az alábbi képen.

Gázturbinás Erőmű

A gázturbinás erőmű működési elve hasonló a gőzturbinás erőműhöz. Az egyetlen különbség az, hogy egy gőzturbinás erőmű sűrített gőzt használ a turbina forgatásához, míg a gázturbinás erőmű gázt használ.

Vegyük fontolóra a hőenergia elektromos energiává alakításának elvét egy gázturbinás erőműben.

Gázturbinás erőműben a levegőt kompresszorban sűrítik össze. Ezután ez a sűrített levegő áthalad az égéskamrán, ahol a gáz-levegő keverék képződik, a sűrített levegő hőmérséklete megemelkedik. Ezt a magas hőmérsékletű, nagy nyomású keveréket egy gázturbinán vezetik át. A turbinában élesen kitágul, elegendő mozgási energiát kapva a turbina forgatásához.

Gázturbinás erőművekben gyakori a turbinatengely, a generátor és a légkompresszor. A turbinában keletkező mechanikai energiát részben a levegő sűrítésére használják fel. A gázturbinás erőműveket gyakran használják vízerőművek tartalék segédenergia-szolgáltatójaként. A vízerőmű beindításakor segédenergiát termel.

A gázturbinás erőmű előnyei és hátrányai

Dizájngázturbinás erőmű sokkal egyszerűbb, mint egy gőzturbinás erőmű. A gázturbinás erőmű mérete kisebb, mint a gőzturbinás erőműé. A gázturbinás erőműben nincs kazánelem, így a rendszer kevésbé bonyolult. Nincs szükség gőzre, kondenzátorra vagy hűtőtoronyra.

A nagy teljesítményű gázturbinás erőművek tervezése és építése sokkal egyszerűbb és olcsóbb, a tőke- és működési költségek sokkal alacsonyabbak, mint egy hasonló gőzturbinás erőmű költsége.

A gázturbinás erőműben lényegesen kisebbek az állandó veszteségek a gőzturbinás erőműhöz képest, hiszen a gőzturbinás erőműben a kazánerőműnek folyamatosan működnie kell, még akkor is, ha a rendszer nem látja el a hálózat terhelését.. Egy gázturbinás erőmű szinte azonnal beindítható.

A gázturbinás erőmű hátrányai:

1. A turbinában keletkező mechanikai energiát a légkompresszor meghajtására is használják.
2. Mivel a turbinában termelt mechanikai energia nagy részét a légkompresszor meghajtására használják fel, a gázturbinás erőmű összhatásfoka nem olyan magas, mint egy egyenértékű gőzturbinás erőműé.
3. A gázturbinás erőművek kipufogógázai nagyon különböznek a kazánoktól.
4. A turbina tényleges indítása előtt a levegőt elősűríteni kell, ami további áramforrást igényel a gázturbinás erőmű beindításához.
5. A gáz hőmérséklete elég magas ahhozgázturbinás erőmű. Ez rövidebb rendszer-élettartamot eredményez, mint egy egyenértékű gőzturbina.

A gázturbinás erőmű alacsonyabb hatásfoka miatt nem használható kereskedelmi áramtermelésre, általában más hagyományos erőművek, például vízerőművek segédenergia ellátására szolgál.

Termionic konverterek

Termionikus generátornak vagy termoelektromos motornak is nevezik őket, amelyek hőkibocsátással közvetlenül alakítják át a hőt elektromos árammá. A hőenergiát nagyon nagy hatásfokkal elektromos energiává lehet alakítani a hőmérséklet-indukált elektronáramlási folyamattal, amelyet termikus sugárzásnak neveznek.

A termionikus energiaátalakítók működési elve az, hogy a felmelegített katód felületéről vákuumban elpárolognak az elektronok, majd egy hidegebb anódon kondenzálódnak. Az első, 1957-es gyakorlati bemutató óta a hőenergiás teljesítmény-átalakítókat számos hőforrással használták, de mindegyik magas hőmérsékleten - 1500 K feletti - működést igényel. 900 K) lehetséges, a folyamat hatásfoka, amely jellemzően > 50%, jelentősen csökken, mivel a katódból egységnyi területen kibocsátott elektronok száma függ a hevítési hőmérséklettől.

Hagyományos katódanyagokhoz, mint pla fémekhez és a félvezetőkhöz hasonlóan a kibocsátott elektronok száma arányos a katód hőmérsékletének négyzetével. Egy nemrégiben készült tanulmány azonban azt mutatja, hogy a hőhőmérséklet nagyságrenddel csökkenthető grafén forró katódként történő használatával. A kapott adatok azt mutatják, hogy egy 900 K-en működő grafén alapú katódos hőátalakító 45% hatásfokot képes elérni.

Az elektronok termikus emissziós folyamatának sematikus diagramja látható a képen.

TIC grafén alapú, ahol Tc és Ta a katód hőmérséklete, illetve az anód hőmérséklete. A termikus emisszió új mechanizmusa alapján a kutatók azt javasolják, hogy a grafén alapú katód-energia-átalakítót az ipari hulladékhő újrahasznosításában lehetne alkalmazni, amely gyakran eléri a 700-900 K hőmérséklet-tartományt.

A Liang és Eng által bemutatott új modell előnyös lehet a grafén alapú áramátalakító tervezésében. A szilárdtest-átalakítók, amelyek főként termoelektromos generátorok, általában nem működnek hatékonyan az alacsony hőmérsékleti tartományban (kevesebb mint 7%-os hatásfok).

Hőelektromos generátorok

A hulladékenergia újrahasznosítása népszerű célponttá vált a kutatók és tudósok körében, akik innovatív módszerekkel állnak elő e cél elérése érdekében. Az egyik legígéretesebb terület a nanotechnológián alapuló termoelektromos eszközök, amelyekaz energiatakarékosság új megközelítésének tűnik. A hő elektromos árammá vagy villamos energiává hővé való átalakítása a Peltier-effektuson alapuló termoelektromosság néven ismert. Hogy pontosak legyünk, a hatást két fizikusról nevezték el – Jean Peltier-ről és Thomas Seebeckről.

Peltier felfedezte, hogy a két elágazásnál összekapcsolt két különböző elektromos vezetőnek áramló áram hatására az egyik csomópont felmelegszik, míg a másik lehűl. Peltier folytatta a kutatást, és megállapította, hogy a bizmut-antimon (BiSb) csomópontban egy csepp víz megfagyhat az áram egyszerű megváltoztatásával. Peltier azt is felfedezte, hogy elektromos áram áramolhat, ha hőmérséklet-különbség van a különböző vezetők találkozásánál.

A termoelektromosság rendkívül érdekes villamosenergia-forrás, mivel képes a hőáramlást közvetlenül elektromos árammá alakítani. Ez egy nagymértékben skálázható energiaátalakító, amely nem tartalmaz mozgó alkatrészeket vagy folyékony tüzelőanyagot, így szinte minden olyan helyzetre alkalmas, ahol sok hő megy kárba, a ruházattól a nagy ipari létesítményekig.

A félvezető hőelem anyagokban használt nanoszerkezetek segítenek fenntartani a jó elektromos vezetőképességet és csökkentik a hővezető képességet. Így a termoelektromos eszközök teljesítménye növelhető nanotechnológián alapuló anyagok felhasználásával, aa Peltier-effektus segítségével. Javított termoelektromos tulajdonságokkal és jó napenergia-elnyelő képességgel rendelkeznek.

A termoelektromosság alkalmazása:

1. Energiaszolgáltatók és érzékelők tartományban.
2. Egy égő olajlámpa, amely egy vezeték nélküli vevőt vezérel a távoli kommunikációhoz.
3. Kis elektronikai eszközök, például MP3 lejátszók, digitális órák, GPS/GSM chipek és impulzusmérők alkalmazása testhővel.
4. Gyorshűtéses ülések luxusautókban.
5. Tisztítsd meg a hulladékhőt a járművekben elektromos árammá alakítva.
6. A gyárakból vagy ipari létesítményekből származó hulladékhőt további energiává alakítsa át.
7. A napelemes termoelektromos szerek energiatermelésben hatékonyabbak lehetnek, mint a fotovoltaikus cellák, különösen azokon a területeken, ahol kevesebb a napfény.

MHD áramfejlesztők

A mágneses hidrodinamikus áramfejlesztők mozgó folyadék (általában ionizált gáz vagy plazma) és mágneses tér kölcsönhatása révén állítanak elő villamos energiát. 1970 óta több országban folytatnak MHD kutatási programokat, különös tekintettel a szén tüzelőanyagként való felhasználására.

Az MHD technológia generálásának alapelve elegáns. Az elektromosan vezető gázt jellemzően nagy nyomáson fosszilis tüzelőanyagok elégetésével állítják elő. A gázt ezután egy mágneses mezőn keresztül irányítják, ami az indukció törvényének megfelelően elektromotoros erőt eredményez benne. Faraday (a 19. századi angol fizikus és vegyész, Michael Faraday után kapta a nevét).

Az MHD rendszer egy hőmotor, amely a gáz nagy nyomásról alacsony nyomásra történő expanzióját ugyanúgy tartalmazza, mint a hagyományos gázturbinás generátoroknál. Az MHD rendszerben a gáz mozgási energiája közvetlenül elektromos energiává alakul át, mivel hagyják kitágulni. Az MHD előállítása iránti érdeklődést kezdetben az a felfedezés váltotta ki, hogy a plazma és a mágneses tér kölcsönhatása sokkal magasabb hőmérsékleten mehet végbe, mint egy forgó mechanikus turbinában.

A hőmotorok hatékonyságát korlátozó teljesítményt a 19. század elején Sadi Carnot francia mérnök határozta meg. Az MHD generátor kimenő teljesítménye térfogatának minden köbméterére arányos a gáz vezetőképességi szorzatával, a gázsebesség négyzetével és a mágneses tér erősségének négyzetével, amelyen a gáz áthalad. Ahhoz, hogy az MHD generátorok versenyképesen, jó teljesítménnyel és ésszerű fizikai méretekkel működjenek, a plazma elektromos vezetőképességének 1800 K (kb. 1500 C vagy 2800 F) feletti hőmérsékleti tartományban kell lennie.

Az MHD generátor típusának kiválasztása a felhasznált üzemanyagtól és az alkalmazástól függ. A világ számos országában található szénkészletek bősége hozzájárul a villamosenergia-termeléshez szükséges MHD szén-dioxid-rendszerek kifejlesztéséhez.