Omzetting van thermische energie in elektrische energie met hoog rendement: methoden en apparatuur

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-02 14:00

Warmte-energie neemt een speciale plaats in bij menselijke activiteit, aangezien het in alle sectoren van de economie wordt gebruikt, de meeste industriële processen en het levensonderhoud van mensen begeleidt. In de meeste gevallen gaat restwarmte onherroepelijk en zonder economisch voordeel verloren. Deze verloren hulpbron is niets meer waard, dus hergebruik ervan zal zowel de energiecrisis helpen verminderen als het milieu beschermen. Daarom zijn nieuwe manieren om warmte om te zetten in elektrische energie en om afvalwarmte om te zetten in elektriciteit vandaag de dag relevanter dan ooit.

Soorten elektriciteitsopwekking

Het omzetten van natuurlijke energiebronnen in elektriciteit, warmte of kinetische energie vereist maximale efficiëntie, vooral in gas- en kolencentrales, om de CO2-uitstoot te verminderen_{2. Er zijn verschillende manieren om te converterenthermische energie in elektrische energie, afhankelijk van de soorten primaire energie.}

Onder de energiebronnen worden steenkool en aardgas gebruikt om elektriciteit op te wekken door verbranding (thermische energie), en uranium door kernsplijting (kernenergie) om stoomkracht te gebruiken om een stoomturbine te laten draaien. De top tien elektriciteitsproducerende landen voor 2017 staan op de foto.

Tabel met de efficiëntie van bestaande systemen voor de omzetting van thermische energie in elektrische energie.

	Opwekking van elektriciteit uit thermische energie	Efficiëntie, %
1	Thermische centrales, WKK-installaties	32
2	Kerncentrales, kerncentrales	80
3	Condenserende elektriciteitscentrale, IES	40
4	Gasturbinecentrale, GTPP	60
5	Thermionische transducers, TEC's	40
6	Thermo-elektrische generatoren	7
7	MHD stroomgeneratoren samen met WKK	60

Een methode kiezen om thermische energie om te zetten inelektrisch en de economische haalbaarheid ervan zijn afhankelijk van de behoefte aan energie, de beschikbaarheid van natuurlijke brandstof en de toereikendheid van de bouwplaats. Het type opwekking varieert over de hele wereld, wat resulteert in een breed scala aan elektriciteitsprijzen.

Problemen van de traditionele elektriciteitsindustrie

Technologieën voor het omzetten van thermische energie in elektrische energie, zoals thermische centrales, kerncentrales, IES, gasturbinecentrales, thermische centrales, thermo-elektrische generatoren, MHD-generatoren hebben verschillende voor- en nadelen. Het Electric Power Research Institute (EPRI) illustreert de voor- en nadelen van natuurlijke energieopwekkingstechnologieën, waarbij wordt gekeken naar kritische factoren zoals constructie en kosten van elektriciteit, land, watervereisten, CO-emissies_{2, afval, betaalbaarheid en flexibiliteit.}

EPRI-resultaten benadrukken dat er geen one-size-fits-all benadering is bij het overwegen van technologieën voor energieopwekking, maar dat aardgas toch meer voordelen heeft omdat het betaalbaar is voor de bouw, lage elektriciteitskosten heeft, minder uitstoot genereert dan steenkool. Niet alle landen hebben echter toegang tot overvloedig en goedkoop aardgas. In sommige gevallen wordt de toegang tot aardgas bedreigd door geopolitieke spanningen, zoals het geval was in Oost-Europa en enkele West-Europese landen.

Hernieuwbare energietechnologieën zoals windturbines, fotovoltaïsche zonnepanelen produceren emissie-elektriciteit. Ze hebben echter vaak veel land nodig en de resultaten van hun effectiviteit zijn onstabiel en afhankelijk van het weer. Steenkool, de belangrijkste warmtebron, is het meest problematisch. Het leidt in CO-emissies_{2, vereist veel schoon water om de koelvloeistof te koelen en neemt een groot gebied in beslag voor de bouw van het station.}

Nieuwe technologieën zijn bedoeld om een aantal problemen in verband met energieopwekkingstechnologieën te verminderen. Gasturbines in combinatie met een back-upbatterij bieden bijvoorbeeld noodback-up zonder brandstof te verbranden, en intermitterende problemen met hernieuwbare bronnen kunnen worden verholpen door betaalbare grootschalige energieopslag te creëren. Daarom is er tegenwoordig geen perfecte manier om thermische energie om te zetten in elektriciteit, die betrouwbare en kosteneffectieve elektriciteit zou kunnen leveren met een minimale impact op het milieu.

Thermische centrales

In een thermische elektriciteitscentrale draait hogedruk- en hogetemperatuurstoom, verkregen uit het verwarmen van water door verbranding van vaste brandstof (voornamelijk steenkool), een turbine die is verbonden met een generator. Zo zet het zijn kinetische energie om in elektrische energie. Werkende componenten van thermische elektrische centrale:

1. Boiler met gasfornuis.
2. Stoomturbine.
3. Generator.
4. Condensator.
5. Koeltorens.
6. Cirkelwaterpomp.
7. Voedingspompwater in de ketel.
8. Geforceerde afzuigventilatoren.
9. Scheidingstekens.

Typisch diagram van een thermische energiecentrale wordt hieronder getoond.

De stoomketel wordt gebruikt om water om te zetten in stoom. Dit proces wordt uitgevoerd door water te verwarmen in leidingen met verwarming door verbranding van brandstof. Verbrandingsprocessen worden continu uitgevoerd in de brandstofverbrandingskamer met luchttoevoer van buitenaf.

De stoomturbine brengt stoomenergie over om een generator aan te drijven. Stoom met hoge druk en temperatuur duwt de turbinebladen die op de as zijn gemonteerd, zodat deze begint te draaien. In dit geval worden de parameters van oververhitte stoom die de turbine binnenkomt teruggebracht tot een verzadigde toestand. De verzadigde stoom komt de condensor binnen en de roterende kracht wordt gebruikt om de generator te laten draaien, die stroom produceert. Bijna alle stoomturbines zijn tegenwoordig van het condensortype.

Condensoren zijn apparaten om stoom om te zetten in water. De stoom stroomt buiten de leidingen en het koelwater stroomt in de leidingen. Dit ontwerp wordt een oppervlaktecondensator genoemd. De mate van warmteoverdracht is afhankelijk van de stroming van het koelwater, het oppervlak van de leidingen en het temperatuurverschil tussen de waterdamp en het koelwater. Het waterdampveranderingsproces vindt plaats onder verzadigde druk en temperatuur, in dit geval staat de condensor onder vacuüm, omdat de temperatuur van het koelwater gelijk is aan de buitentemperatuur, de maximale temperatuur van het condenswater ligt in de buurt van de buitentemperatuur.

De generator zet het mechanische omenergie in elektriciteit. De generator bestaat uit een stator en een rotor. De stator bestaat uit een behuizing die de spoelen bevat, en het magnetische veldrotatiestation bestaat uit een kern die de spoel bevat.

Afhankelijk van het type geproduceerde energie, worden TPP's onderverdeeld in condenserende IES's, die elektriciteit produceren en warmtekrachtkoppelingscentrales, die gezamenlijk warmte (stoom en warm water) en elektriciteit produceren. Deze laatste hebben het vermogen om thermische energie met een hoog rendement om te zetten in elektrische energie.

Kerncentrales

Kerncentrales gebruiken de warmte die vrijkomt bij kernsplitsing om water te verwarmen en stoom te produceren. De stoom wordt gebruikt om grote turbines te laten draaien die elektriciteit opwekken. Bij splitsing splitsen atomen zich om kleinere atomen te vormen, waarbij energie vrijkomt. Het proces vindt plaats in de reactor. In het midden bevindt zich een kern die uranium 235 bevat. Brandstof voor kerncentrales wordt verkregen uit uranium, dat de isotoop 235U (0,7%) en niet-splijtbare 238U (99,3%) bevat.

De splijtstofcyclus is een reeks industriële stappen die betrokken zijn bij de productie van elektriciteit uit uranium in kernreactoren. Uranium is een relatief veel voorkomend element dat over de hele wereld wordt aangetroffen. Het wordt in een aantal landen gewonnen en verwerkt voordat het als brandstof wordt gebruikt.

Activiteiten met betrekking tot de productie van elektriciteit worden gezamenlijk aangeduid als de splijtstofcyclus voor de omzetting van thermische energie in elektrische energie in kerncentrales. nucleairDe splijtstofcyclus begint met uraniumwinning en eindigt met de verwijdering van nucleair afval. Bij het opwerken van gebruikte brandstof als optie voor kernenergie vormen de stappen een ware cyclus.

Uranium-plutonium brandstofcyclus

Om brandstof voor te bereiden voor gebruik in kerncentrales, worden processen uitgevoerd voor de winning, verwerking, conversie, verrijking en productie van splijtstofelementen. Brandstofcyclus:

1. Uranium 235 opbranden.
2. Slag - 235U en (239Pu, 241Pu) van 238U.
3. Tijdens het verval van 235U neemt het verbruik af en worden isotopen verkregen uit 238U bij het opwekken van elektriciteit.

De kosten van brandstofstaven voor VVR bedragen ongeveer 20% van de kosten van opgewekte elektriciteit.

Nadat het uranium ongeveer drie jaar in een reactor heeft doorgebracht, kan de gebruikte brandstof een ander gebruiksproces doorlopen, waaronder tijdelijke opslag, opwerking en recycling voordat het afval wordt verwijderd. Kerncentrales zorgen voor directe omzetting van thermische energie in elektrische energie. De warmte die vrijkomt bij kernsplijting in de reactorkern wordt gebruikt om water om te zetten in stoom, die de bladen van een stoomturbine laat draaien en generatoren aandrijft om elektriciteit op te wekken.

De stoom wordt gekoeld door water te worden in een aparte structuur in een energiecentrale, een koeltoren genaamd, die water uit vijvers, rivieren of de oceaan gebruikt om het schone water van het stoomkrachtcircuit te koelen. Het gekoelde water wordt vervolgens hergebruikt om stoom te produceren.

Het aandeel elektriciteitsopwekking bij kerncentrales, in verhouding totde algehele balans van de productie van hun verschillende soorten hulpbronnen, in de context van sommige landen en in de wereld - in de onderstaande foto.

Gasturbinecentrale

Het werkingsprincipe van een gasturbinecentrale is vergelijkbaar met die van een stoomturbinecentrale. Het enige verschil is dat een stoomturbinecentrale gebruik maakt van gecomprimeerde stoom om de turbine te laten draaien, terwijl een gasturbinecentrale gas gebruikt.

Laten we eens kijken naar het principe van het omzetten van thermische energie in elektrische energie in een gasturbinecentrale.

In een gasturbinecentrale wordt lucht gecomprimeerd in een compressor. Vervolgens gaat deze perslucht door de verbrandingskamer, waar het gas-luchtmengsel wordt gevormd, de temperatuur van de perslucht stijgt. Dit mengsel van hoge temperatuur en hoge druk wordt door een gasturbine geleid. In de turbine zet het sterk uit en ontvangt voldoende kinetische energie om de turbine te laten draaien.

In een gasturbinecentrale zijn de turbine-as, dynamo en luchtcompressor gebruikelijk. De mechanische energie die in de turbine wordt opgewekt, wordt deels gebruikt om de lucht te comprimeren. Gasturbinecentrales worden vaak gebruikt als back-up hulpenergieleverancier voor waterkrachtcentrales. Het genereert hulpstroom tijdens het opstarten van de waterkrachtcentrale.

Voor- en nadelen van gasturbinecentrale

Ontwerpgasturbinecentrale is veel eenvoudiger dan een stoomturbinecentrale. De grootte van een gasturbinecentrale is kleiner dan die van een stoomturbinecentrale. Er is geen ketelcomponent in een gasturbinecentrale en daarom is het systeem minder complex. Geen stoom, geen condensor of koeltoren nodig.

Ontwerp en bouw van krachtige gasturbinecentrales is veel eenvoudiger en goedkoper, kapitaal- en bedrijfskosten zijn veel lager dan de kosten van een vergelijkbare stoomturbinecentrale.

De permanente verliezen in een gasturbine-krachtcentrale zijn aanzienlijk minder in vergelijking met een stoomturbine-krachtcentrale, aangezien in een stoomturbine de ketelcentrale continu moet werken, zelfs wanneer het systeem geen belasting aan het netwerk levert. Een gasturbinecentrale kan vrijwel direct worden gestart.

Nadelen van een gasturbinecentrale:

1. De mechanische energie die in de turbine wordt opgewekt, wordt ook gebruikt om de luchtcompressor aan te drijven.
2. Omdat het grootste deel van de mechanische energie die in de turbine wordt gegenereerd, wordt gebruikt om de luchtcompressor aan te drijven, is het algehele rendement van een gasturbinecentrale niet zo hoog als die van een gelijkwaardige stoomturbinecentrale.
3. Uitlaatgassen in een gasturbinecentrale zijn heel anders dan een ketel.
4. Vóór de daadwerkelijke start van de turbine, moet de lucht worden voorgecomprimeerd, wat een extra krachtbron vereist om de gasturbine-energiecentrale te starten.
5. De gastemperatuur is hoog genoeg voorgasturbine elektriciteitscentrale. Dit resulteert in een kortere systeemlevensduur dan een vergelijkbare stoomturbine.

Vanwege zijn lagere efficiëntie kan de gasturbinecentrale niet worden gebruikt voor commerciële stroomopwekking, maar wordt deze meestal gebruikt om hulpkracht te leveren aan andere conventionele energiecentrales zoals waterkrachtcentrales.

Thermionische omvormers

Ze worden ook wel thermionische generatoren of thermo-elektrische motoren genoemd, die warmte direct omzetten in elektriciteit met behulp van thermische emissie. Thermische energie kan met een zeer hoog rendement worden omgezet in elektrische energie via een door temperatuur geïnduceerd elektronenstroomproces dat bekend staat als thermionische straling.

Het basisprincipe van de werking van thermionische energieomzetters is dat elektronen in vacuüm verdampen van het oppervlak van een verwarmde kathode en vervolgens condenseren op een koudere anode. Sinds de eerste praktische demonstratie in 1957 zijn thermionische stroomomvormers gebruikt met een verscheidenheid aan warmtebronnen, maar ze moeten allemaal werken bij hoge temperaturen - boven 1500 K. Terwijl thermionische stroomomvormers bij een relatief lage temperatuur (700 K - 900 K) mogelijk is, wordt de efficiëntie van het proces, die typisch > 50% is, aanzienlijk verminderd omdat het aantal geëmitteerde elektronen per oppervlakte-eenheid van de kathode afhangt van de verwarmingstemperatuur.

Voor conventionele kathodematerialen zoalsnet als metalen en halfgeleiders is het aantal uitgezonden elektronen evenredig met het kwadraat van de kathodetemperatuur. Een recent onderzoek toont echter aan dat de hittetemperatuur met een orde van grootte kan worden verlaagd door grafeen als hete kathode te gebruiken. De verkregen gegevens tonen aan dat een op grafeen gebaseerde kathode-thermionische omzetter die werkt bij 900 K een efficiëntie van 45% kan bereiken.

Schematisch diagram van het proces van thermionische elektronenemissie wordt getoond in de foto.

TIC gebaseerd op grafeen, waarbij Tc en Ta respectievelijk de temperatuur van de kathode en de temperatuur van de anode zijn. Op basis van het nieuwe mechanisme van thermionische emissie, suggereren de onderzoekers dat de op grafeen gebaseerde kathode-energieomzetter zijn toepassing zou kunnen vinden in de recycling van industriële afvalwarmte, die vaak het temperatuurbereik van 700 tot 900 K bereikt.

Het nieuwe model gepresenteerd door Liang en Eng zou kunnen profiteren van het op grafeen gebaseerde ontwerp van de stroomomvormer. Halfgeleider-stroomomvormers, die voornamelijk thermo-elektrische generatoren zijn, werken meestal inefficiënt in het lage temperatuurbereik (efficiëntie van minder dan 7%).

Thermo-elektrische generatoren

Recycling van afvalenergie is een populair doelwit geworden voor onderzoekers en wetenschappers die innovatieve methoden bedenken om dit doel te bereiken. Een van de meest veelbelovende gebieden zijn thermo-elektrische apparaten op basis van nanotechnologie, die:ziet eruit als een nieuwe manier om energie te besparen. De directe omzetting van warmte in elektriciteit of elektriciteit in warmte staat bekend als thermo-elektriciteit op basis van het Peltier-effect. Om precies te zijn, het effect is vernoemd naar twee natuurkundigen - Jean Peltier en Thomas Seebeck.

Peltier ontdekte dat een stroom die naar twee verschillende elektrische geleiders wordt gestuurd die op twee knooppunten zijn aangesloten, ervoor zorgt dat het ene knooppunt opwarmt terwijl het andere knooppunt afkoelt. Peltier zette zijn onderzoek voort en ontdekte dat je een druppel water kon laten bevriezen op een bismut-antimoon (BiSb)-kruising door simpelweg de stroom te veranderen. Peltier ontdekte ook dat er een elektrische stroom kan vloeien wanneer er een temperatuurverschil wordt geplaatst over de kruising van verschillende geleiders.

Thermo-elektriciteit is een buitengewoon interessante bron van elektriciteit vanwege het vermogen om warmtestroom direct om te zetten in elektriciteit. Het is een energieomzetter die zeer schaalbaar is en geen bewegende delen of vloeibare brandstof heeft, waardoor hij geschikt is voor bijna elke situatie waar veel warmte verloren gaat, van kleding tot grote industriële faciliteiten.

Nanostructuren die worden gebruikt in halfgeleider thermokoppelmaterialen zullen helpen om een goede elektrische geleidbaarheid te behouden en de thermische geleidbaarheid te verminderen. Zo kunnen de prestaties van thermo-elektrische apparaten worden verhoogd door het gebruik van materialen op basis van nanotechnologie, metmet behulp van het Peltier-effect. Ze hebben verbeterde thermo-elektrische eigenschappen en een goed absorptievermogen van zonne-energie.

Toepassing van thermo-elektriciteit:

1. Energieleveranciers en sensoren in reeksen.
2. Een brandende olielamp die een draadloze ontvanger bestuurt voor communicatie op afstand.
3. Het toepassen van kleine elektronische apparaten zoals MP3-spelers, digitale klokken, GPS/GSM-chips en impulsmeters met lichaamswarmte.
4. Snel afkoelende stoelen in luxe auto's.
5. Ruim afvalwarmte in voertuigen op door deze om te zetten in elektriciteit.
6. Transformeer restwarmte van fabrieken of industriële faciliteiten in extra vermogen.
7. Thermo-elektrische zonne-energie kan efficiënter zijn dan fotovoltaïsche cellen voor stroomopwekking, vooral in gebieden met minder zonlicht.

MHD stroomgeneratoren

Magnetohydrodynamische stroomgeneratoren wekken elektriciteit op door de interactie van een bewegende vloeistof (meestal een geïoniseerd gas of plasma) en een magnetisch veld. Sinds 1970 worden in verschillende landen MHD-onderzoeksprogramma's uitgevoerd met een bijzondere focus op het gebruik van steenkool als brandstof.

Het onderliggende principe van het genereren van MHD-technologie is elegant. Typisch wordt het elektrisch geleidende gas onder hoge druk geproduceerd door fossiele brandstoffen te verbranden. Het gas wordt vervolgens door een magnetisch veld geleid, wat resulteert in een elektromotorische kracht die erin werkt in overeenstemming met de wet van inductieFaraday (genoemd naar de 19e-eeuwse Engelse natuurkundige en scheikundige Michael Faraday).

Het MHD-systeem is een warmtemotor die de expansie van gas van hoge naar lage druk omvat op dezelfde manier als in een conventionele gasturbinegenerator. In het MHD-systeem wordt de kinetische energie van het gas direct omgezet in elektrische energie, omdat het mag uitzetten. De interesse in het genereren van MHD werd aanvankelijk aangewakkerd door de ontdekking dat de interactie van een plasma met een magnetisch veld kan plaatsvinden bij veel hogere temperaturen dan mogelijk is in een roterende mechanische turbine.

De beperkende prestatie in termen van efficiëntie in warmtemotoren werd aan het begin van de 19e eeuw vastgesteld door de Franse ingenieur Sadi Carnot. Het uitgangsvermogen van een MHD-generator voor elke kubieke meter van zijn volume is evenredig met het gasgeleidbaarheidsproduct, het kwadraat van de gassnelheid en het kwadraat van de sterkte van het magnetische veld waar het gas doorheen gaat. Om MHD-generatoren concurrerend te laten werken, met goede prestaties en redelijke fysieke afmetingen, moet de elektrische geleidbaarheid van het plasma in het temperatuurbereik liggen boven 1800 K (ongeveer 1500 C of 2800 F).

De keuze van het type MHD-generator hangt af van de gebruikte brandstof en de toepassing. De overvloed aan steenkoolreserves in veel landen van de wereld draagt bij aan de ontwikkeling van MHD-koolstofsystemen voor elektriciteitsopwekking.