Premena tepelnej energie na elektrickú energiu s vysokou účinnosťou: metódy a zariadenia

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-17 19:06

Tepelná energia má v ľudskej činnosti osobitné miesto, pretože sa využíva vo všetkých odvetviach hospodárstva, sprevádza väčšinu priemyselných procesov a živobytie ľudí. Vo väčšine prípadov sa odpadové teplo stráca nenávratne a bez akéhokoľvek ekonomického prínosu. Tento stratený zdroj už nestojí za nič, takže jeho opätovné použitie pomôže znížiť energetickú krízu a zároveň chrániť životné prostredie. Preto sú dnes nové spôsoby premeny tepla na elektrickú energiu a premeny odpadového tepla na elektrinu relevantnejšie ako kedykoľvek predtým.

Typy výroby elektriny

Premena prírodných zdrojov energie na elektrickú, tepelnú alebo kinetickú energiu si vyžaduje maximálnu účinnosť, najmä v plynových a uhoľných elektrárňach, aby sa znížili emisie CO2_{2. Existujú rôzne spôsoby konverzietepelnú energiu na elektrickú energiu v závislosti od typu primárnej energie.}

Z energetických zdrojov sa uhlie a zemný plyn používajú na výrobu elektriny spaľovaním (tepelná energia) a urán jadrovým štiepením (jadrová energia) na využitie parnej energie na otáčanie parnej turbíny. Desať krajín s najväčšími výrobcami elektriny za rok 2017 je zobrazených na fotografii.

Tabuľka účinnosti existujúcich systémov na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu.

	Výroba elektriny z tepelnej energie	Efektívnosť, %
1	Tepelné elektrárne, CHP elektrárne	32
2	Jadrové elektrárne, jadrové elektrárne	80
3	Kondenzačná elektráreň, IES	40
4	Elektráreň s plynovou turbínou, GTPP	60
5	Termionické prevodníky, TEC	40
6	Termoelektrické generátory	7
7	Elektrárne MHD spolu s CHP	60

Výber spôsobu premeny tepelnej energie naelektrické a jeho ekonomická realizovateľnosť závisí od potreby energie, dostupnosti prírodného paliva a dostatku staveniska. Typ výroby sa na svete líši, výsledkom čoho je široký rozsah cien elektriny.

Problémy tradičnej elektroenergetiky

Technológie na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu, ako sú tepelné elektrárne, jadrové elektrárne, IES, elektrárne s plynovou turbínou, tepelné elektrárne, termoelektrické generátory, generátory MHD majú rôzne výhody a nevýhody. Electric Power Research Institute (EPRI) ilustruje výhody a nevýhody prírodných technológií výroby energie, pričom sa pozerá na kritické faktory, ako sú výstavba a náklady na elektrickú energiu, pôdu, požiadavky na vodu, emisie CO_{2, odpad, cenová dostupnosť a flexibilita.}

Výsledky EPRI zdôrazňujú, že pri zvažovaní technológií výroby energie neexistuje univerzálny prístup, no zemný plyn má stále väčší úžitok, pretože je cenovo dostupný na výstavbu, má nízke náklady na elektrickú energiu, produkuje menej emisií ako uhlie. Nie všetky krajiny však majú prístup k bohatému a lacnému zemnému plynu. V niektorých prípadoch je prístup k zemnému plynu ohrozený v dôsledku geopolitického napätia, ako to bolo v prípade východnej Európy a niektorých západoeurópskych krajín.

Technológie obnoviteľnej energie, ako je vietorturbíny, solárne fotovoltaické moduly produkujú emisnú elektrinu. Majú však tendenciu vyžadovať veľa pôdy a výsledky ich účinnosti sú nestabilné a závisia od počasia. Najproblematickejšie je uhlie, hlavný zdroj tepla. Vedie v emisiách CO_{2, vyžaduje veľa čistej vody na chladenie chladiacej kvapaliny a zaberá veľkú plochu na výstavbu stanice.}

Nové technológie majú za cieľ znížiť množstvo problémov spojených s technológiami výroby energie. Napríklad plynové turbíny v kombinácii so záložnou batériou poskytujú núdzovú zálohu bez spaľovania paliva a občasné problémy s obnoviteľnými zdrojmi možno zmierniť vytvorením cenovo dostupného veľkokapacitného zásobníka energie. Preto dnes neexistuje jediný dokonalý spôsob, ako premeniť tepelnú energiu na elektrickú energiu, ktorá by mohla poskytnúť spoľahlivú a nákladovo efektívnu elektrinu s minimálnym dopadom na životné prostredie.

Tepelné elektrárne

V tepelnej elektrárni roztáča vysokotlaková a vysokoteplotná para, získaná z vykurovacej vody spaľovaním tuhého paliva (hlavne uhlia), turbínu spojenú s generátorom. Svoju kinetickú energiu teda premieňa na elektrickú energiu. Prevádzkové komponenty tepelnej elektrárne:

1. Kotol s plynovým kotlom.
2. Parná turbína.
3. Generátor.
4. Kondenzátor.
5. Chladiace veže.
6. Obehové vodné čerpadlo.
7. Podávacie čerpadlovodu do kotla.
8. Ventilátory s núteným odsávaním.
9. Separátory.

Typická schéma tepelnej elektrárne je zobrazená nižšie.

Parný kotol sa používa na premenu vody na paru. Tento proces sa uskutočňuje ohrevom vody v potrubiach s ohrevom zo spaľovania paliva. Spaľovacie procesy prebiehajú nepretržite v spaľovacej komore paliva s prívodom vzduchu zvonku.

Parná turbína prenáša energiu pary na pohon generátora. Para s vysokým tlakom a teplotou tlačí lopatky turbíny namontované na hriadeli tak, že sa začne otáčať. V tomto prípade sa parametre prehriatej pary vstupujúcej do turbíny znížia na nasýtený stav. Nasýtená para vstupuje do kondenzátora a rotačný výkon sa používa na otáčanie generátora, ktorý vyrába prúd. Takmer všetky dnešné parné turbíny sú kondenzátorového typu.

Kondenzátory sú zariadenia na premenu pary na vodu. Para prúdi mimo potrubia a chladiaca voda prúdi dovnútra potrubí. Tento dizajn sa nazýva povrchový kondenzátor. Rýchlosť prenosu tepla závisí od prietoku chladiacej vody, povrchu potrubia a teplotného rozdielu medzi vodnou parou a chladiacou vodou. Proces výmeny vodnej pary prebieha pri nasýtenom tlaku a teplote, v tomto prípade je kondenzátor vo vákuu, pretože teplota chladiacej vody sa rovná vonkajšej teplote, maximálna teplota kondenzovanej vody je blízko vonkajšej teplote.

Generátor premieňa mechanickéenergie na elektrinu. Generátor sa skladá zo statora a rotora. Stator pozostáva z krytu, ktorý obsahuje cievky, a rotačná stanica magnetického poľa pozostáva z jadra, ktoré obsahuje cievku.

Podľa druhu vyrobenej energie sa TPP delia na kondenzačné IES, ktoré vyrábajú elektrinu a teplárne, ktoré spoločne vyrábajú teplo (para a horúcu vodu) a elektrinu. Tieto majú schopnosť premieňať tepelnú energiu na elektrickú energiu s vysokou účinnosťou.

Jadrové elektrárne

Jadrové elektrárne využívajú teplo uvoľnené počas jadrového štiepenia na ohrev vody a výrobu pary. Para sa používa na otáčanie veľkých turbín, ktoré vyrábajú elektrinu. Pri štiepení sa atómy štiepia a vytvárajú menšie atómy, pričom sa uvoľňuje energia. Proces prebieha vo vnútri reaktora. V jeho strede je jadro obsahujúce urán 235. Palivo pre jadrové elektrárne sa získava z uránu, ktorý obsahuje izotop 235U (0,7 %) a neštiepny 238U (99,3 %).

Cyklus jadrového paliva je séria priemyselných krokov zapojených do výroby elektriny z uránu v jadrových reaktoroch. Urán je pomerne bežný prvok vyskytujúci sa na celom svete. Ťaží sa v mnohých krajinách a pred použitím ako palivo sa spracováva.

Činnosti súvisiace s výrobou elektriny sú súhrnne označované ako cyklus jadrového paliva na premenu tepelnej energie na elektrickú energiu v jadrových elektrárňach. JadrovýPalivový cyklus začína ťažbou uránu a končí likvidáciou jadrového odpadu. Pri prepracovaní použitého paliva ako možnosti pre jadrovú energiu tvoria jeho kroky skutočný cyklus.

Uránovo-plutóniový palivový cyklus

Na prípravu paliva na použitie v jadrových elektrárňach sa vykonávajú procesy ťažby, spracovania, konverzie, obohacovania a výroby palivových článkov. Palivový cyklus:

1. Vyhorenie uránu 235.
2. troska – 235U a (239Pu, 241Pu) od 238U.
3. Počas rozpadu 235U jeho spotreba klesá a z 238U sa získavajú izotopy pri výrobe elektriny.

Náklady na palivové tyče pre VVR predstavujú približne 20 % nákladov na vyrobenú elektrickú energiu.

Po asi troch rokoch strávených uránom v reaktore môže použité palivo prejsť ďalším procesom využitia, vrátane dočasného uskladnenia, prepracovania a recyklácie pred likvidáciou odpadu. Jadrové elektrárne zabezpečujú priamu premenu tepelnej energie na elektrickú energiu. Teplo uvoľnené počas jadrového štiepenia v jadre reaktora sa používa na premenu vody na paru, ktorá roztáča lopatky parnej turbíny a poháňa generátory na výrobu elektriny.

Para sa ochladzuje premenou na vodu v samostatnej štruktúre v elektrárni nazývanej chladiaca veža, ktorá využíva vodu z rybníkov, riek alebo oceánu na chladenie čistej vody okruhu parnej energie. Ochladená voda sa potom znovu použije na výrobu pary.

Podiel výroby elektriny v jadrových elektrárňach vo vzťahu kcelková bilancia produkcie ich rôznych druhov zdrojov v kontexte niektorých krajín a vo svete - na fotografii nižšie.

Elektráreň s plynovou turbínou

Princíp činnosti elektrárne s plynovou turbínou je podobný ako pri elektrárni s parnou turbínou. Jediný rozdiel je v tom, že elektráreň s parnou turbínou používa stlačenú paru na otáčanie turbíny, zatiaľ čo elektráreň s plynovou turbínou používa plyn.

Uvažujme o princípe premeny tepelnej energie na elektrickú energiu v elektrárni s plynovou turbínou.

V elektrárni s plynovou turbínou sa vzduch stláča v kompresore. Potom tento stlačený vzduch prechádza cez spaľovaciu komoru, kde sa tvorí zmes plynu a vzduchu, teplota stlačeného vzduchu stúpa. Táto vysokoteplotná a vysokotlaková zmes prechádza plynovou turbínou. V turbíne sa prudko roztiahne a dostane dostatok kinetickej energie na otáčanie turbíny.

V elektrárni s plynovou turbínou sú hriadeľ turbíny, alternátor a vzduchový kompresor bežné. Mechanická energia generovaná v turbíne sa čiastočne využíva na stlačenie vzduchu. Elektrárne s plynovou turbínou sa často využívajú ako záložný pomocný dodávateľ energie pre vodné elektrárne. Vytvára pomocnú energiu počas spúšťania vodnej elektrárne.

Výhody a nevýhody elektrárne s plynovou turbínou

Dizajnelektráreň s plynovou turbínou je oveľa jednoduchšia ako elektráreň s parnou turbínou. Veľkosť elektrárne s plynovou turbínou je menšia ako veľkosť elektrárne s parnou turbínou. V elektrárni s plynovou turbínou nie je žiadny komponent kotla, a preto je systém menej zložitý. Nevyžaduje sa žiadna para, žiadny kondenzátor ani chladiaca veža.

Návrh a výstavba výkonných elektrární s plynovou turbínou je oveľa jednoduchšia a lacnejšia, kapitálové a prevádzkové náklady sú oveľa nižšie ako náklady na podobnú elektráreň s parnou turbínou.

Trvalé straty v elektrárni s plynovou turbínou sú podstatne menšie v porovnaní s elektrárňou s parnou turbínou, keďže v parnej turbíne musí kotolňa pracovať nepretržite, aj keď systém nedodáva záťaž do siete. Elektráreň s plynovou turbínou možno spustiť takmer okamžite.

Nevýhody elektrárne s plynovou turbínou:

1. Mechanická energia generovaná v turbíne sa využíva aj na pohon vzduchového kompresora.
2. Pretože väčšina mechanickej energie generovanej v turbíne sa používa na pohon vzduchového kompresora, celková účinnosť elektrárne s plynovou turbínou nie je taká vysoká ako ekvivalentná elektráreň s parnou turbínou.
3. Výfukové plyny v elektrárni s plynovou turbínou sú veľmi odlišné od kotla.
4. Pred skutočným spustením turbíny musí byť vzduch vopred stlačený, čo si vyžaduje dodatočný zdroj energie na spustenie elektrárne s plynovou turbínou.
5. Teplota plynu je dostatočne vysokáelektráreň s plynovou turbínou. Výsledkom je kratšia životnosť systému ako ekvivalentná parná turbína.

Elektráreň s plynovou turbínou nie je možné pre jej nižšiu účinnosť použiť na komerčnú výrobu energie, zvyčajne sa používa na dodávanie pomocnej energie do iných konvenčných elektrární, ako sú vodné elektrárne.

Termionické konvertory

Nazývajú sa aj termoelektrické generátory alebo termoelektrické motory, ktoré priamo premieňajú teplo na elektrinu pomocou tepelnej emisie. Tepelná energia môže byť premenená na elektrickú energiu s veľmi vysokou účinnosťou prostredníctvom procesu toku elektrónov vyvolaného teplotou známeho ako termionické žiarenie.

Základným princípom fungovania termoionických meničov energie je, že elektróny sa odparujú z povrchu vyhrievanej katódy vo vákuu a potom kondenzujú na chladnejšej anóde. Od prvej praktickej demonštrácie v roku 1957 sa termoionické meniče energie používajú s rôznymi zdrojmi tepla, ale všetky vyžadujú prevádzku pri vysokých teplotách - nad 1500 K. Zatiaľ čo prevádzka termionických meničov energie pri relatívne nízkej teplote (700 K - 900 K), účinnosť procesu, ktorá je zvyčajne > 50%, je výrazne znížená, pretože počet emitovaných elektrónov na jednotku plochy z katódy závisí od teploty ohrevu.

Pre konvenčné katódové materiály ako naprpodobne ako kovy a polovodiče, počet emitovaných elektrónov je úmerný druhej mocnine katódovej teploty. Nedávna štúdia však ukazuje, že teplota tepla môže byť znížená o rádovo pomocou grafénu ako horúcej katódy. Získané údaje ukazujú, že katódový termionický konvertor na báze grafénu pracujúci pri 900 K môže dosiahnuť účinnosť 45 %.

Schématická schéma procesu elektrónovej termionickej emisie je znázornená na fotografii.

TIC na báze grafénu, kde Tc a Ta sú teplota katódy a teplota anódy. Na základe nového mechanizmu termionickej emisie vedci naznačujú, že katódový konvertor energie na báze grafénu by mohol nájsť uplatnenie pri recyklácii priemyselného odpadového tepla, ktoré často dosahuje teplotný rozsah 700 až 900 K.

Nový model predstavený Liangom a Engom by mohol byť prínosom pre dizajn meniča energie na báze grafénu. Pevné meniče energie, ktorými sú hlavne termoelektrické generátory, zvyčajne pracujú neefektívne v rozsahu nízkych teplôt (menej ako 7 % účinnosť).

Termoelektrické generátory

Recyklácia odpadovej energie sa stala obľúbeným cieľom výskumníkov a vedcov, ktorí prichádzajú s inovatívnymi metódami na dosiahnutie tohto cieľa. Jednou z najperspektívnejších oblastí sú termoelektrické zariadenia založené na nanotechnológii, ktorávyzerať ako nový prístup k úspore energie. Priama premena tepla na elektrinu alebo elektriny na teplo je známa ako termoelektrina založená na Peltierovom jave. Aby som bol presný, efekt je pomenovaný po dvoch fyzikoch - Jean Peltier a Thomas Seebeck.

Peltier zistil, že prúd posielaný do dvoch rôznych elektrických vodičov, ktoré sú spojené dvoma spojmi, spôsobí, že sa jeden spoj zohreje, zatiaľ čo druhý sa ochladí. Peltier pokračoval vo svojom výskume a zistil, že kvapka vody by mohla zamrznúť na križovatke bizmut-antimón (BiSb) jednoduchou zmenou prúdu. Peltier tiež objavil, že elektrický prúd môže tiecť, keď je rozdiel teplôt umiestnený na križovatke rôznych vodičov.

Termoelektrina je mimoriadne zaujímavým zdrojom elektriny pre svoju schopnosť premieňať tok tepla priamo na elektrinu. Ide o menič energie, ktorý je vysoko škálovateľný a nemá žiadne pohyblivé časti ani tekuté palivo, vďaka čomu je vhodný pre takmer každú situáciu, kde má veľa tepla tendenciu ísť nazmar, od odevov až po veľké priemyselné zariadenia.

Nanoštruktúry používané v materiáloch polovodičových termočlánkov pomôžu udržať dobrú elektrickú vodivosť a znížiť tepelnú vodivosť. Výkon termoelektrických zariadení sa teda môže zvýšiť použitím materiálov založených na nanotechnológii, spomocou Peltierovho efektu. Majú vylepšené termoelektrické vlastnosti a dobrú absorpčnú kapacitu slnečnej energie.

Aplikácia termoelektriky:

1. Poskytovatelia energie a senzory v rozsahoch.
2. Horiaca olejová lampa, ktorá ovláda bezdrôtový prijímač pre komunikáciu na diaľku.
3. Aplikovanie malých elektronických zariadení, ako sú MP3 prehrávače, digitálne hodiny, čipy GPS/GSM a merače impulzov s telesným teplom.
4. Rýchlo chladiace sedadlá v luxusných autách.
5. Vyčistite odpadové teplo vo vozidlách jeho premenou na elektrinu.
6. Premena odpadového tepla z tovární alebo priemyselných zariadení na dodatočnú energiu.
7. Solárne termoelektrické články môžu byť pri výrobe energie efektívnejšie ako fotovoltaické články, najmä v oblastiach s menším množstvom slnečného svetla.

Elektrárne MHD

Magnetohydrodynamické generátory elektrickej energie vyrábajú elektrinu prostredníctvom interakcie pohybujúcej sa tekutiny (zvyčajne ionizovaného plynu alebo plazmy) a magnetického poľa. Od roku 1970 sa v niekoľkých krajinách uskutočňujú výskumné programy MHD s osobitným zameraním na využitie uhlia ako paliva.

Základný princíp generovania technológie MHD je elegantný. Typicky sa elektricky vodivý plyn vyrába pri vysokom tlaku spaľovaním fosílnych palív. Plyn je potom nasmerovaný cez magnetické pole, čo vedie k tomu, že v ňom pôsobí elektromotorická sila v súlade so zákonom indukcie. Faraday (pomenovaný podľa anglického fyzika a chemika z 19. storočia Michaela Faradaya).

Systém MHD je tepelný motor, ktorý zahŕňa expanziu plynu z vysokého na nízky tlak rovnakým spôsobom ako v bežnom generátore s plynovou turbínou. V systéme MHD sa kinetická energia plynu premieňa priamo na elektrickú energiu, pretože sa nechá expandovať. Záujem o generovanie MHD bol spočiatku vyvolaný objavom, že interakcia plazmy s magnetickým poľom môže nastať pri oveľa vyšších teplotách, než je možné v rotačnej mechanickej turbíne.

Hranicu výkonu z hľadiska účinnosti tepelných motorov stanovil na začiatku 19. storočia francúzsky inžinier Sadi Carnot. Výstupný výkon generátora MHD na každý meter kubický jeho objemu je úmerný súčinu vodivosti plynu, druhej mocnine rýchlosti plynu a druhej mocnine sily magnetického poľa, ktorým plyn prechádza. Aby generátory MHD fungovali konkurencieschopne, s dobrým výkonom a primeranými fyzickými rozmermi, elektrická vodivosť plazmy musí byť v teplotnom rozsahu nad 1800 K (asi 1500 C alebo 2800 F).

Výber typu generátora MHD závisí od použitého paliva a aplikácie. Množstvo zásob uhlia v mnohých krajinách sveta prispieva k rozvoju uhlíkových systémov MHD na výrobu elektriny.