Conversione dell'energia termica in energia elettrica ad alta efficienza: metodi e apparecchiature

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-02 13:57

L'energia termica occupa un posto speciale nell'attività umana, poiché è utilizzata in tutti i settori dell'economia, accompagna la maggior parte dei processi industriali e dei mezzi di sussistenza delle persone. Nella maggior parte dei casi, il calore disperso viene disperso irrevocabilmente e senza alcun beneficio economico. Questa risorsa perduta non vale più nulla, quindi il suo riutilizzo aiuterà sia a ridurre la crisi energetica che a proteggere l'ambiente. Pertanto, i nuovi modi di convertire il calore in energia elettrica e di convertire il calore di scarto in elettricità sono oggi più importanti che mai.

Tipi di produzione di elettricità

Trasformare le fonti energetiche naturali in elettricità, calore o energia cinetica richiede la massima efficienza, soprattutto nelle centrali elettriche a gas ea carbone, per ridurre le emissioni di CO2_{2. Ci sono vari modi per convertireenergia termica in energia elettrica, a seconda dei tipi di energia primaria.}

Tra le risorse energetiche, carbone e gas naturale vengono utilizzati per generare elettricità mediante combustione (energia termica) e uranio mediante fissione nucleare (energia nucleare) per utilizzare l'energia del vapore per azionare una turbina a vapore. Nella foto sono mostrati i primi dieci paesi produttori di elettricità per il 2017.

Tabella del rendimento degli impianti esistenti per la conversione dell'energia termica in energia elettrica.

	Produzione di elettricità da energia termica	Efficienza, %
1	Centrali termoelettriche, impianti di cogenerazione	32
2	Centrali nucleari, centrali nucleari	80
3	Centrale a condensazione, IES	40
4	Centrale a turbina a gas, GTPP	60
5	Trasduttori termoionici, TEC	40
6	Generatori termoelettrici	7
7	Generatori MHD insieme a CHP	60

Scegliere un metodo per convertire l'energia termica inelettrica e la sua fattibilità economica dipendono dal fabbisogno energetico, dalla disponibilità di combustibile naturale e dalla sufficienza del cantiere. Il tipo di generazione varia in tutto il mondo, risultando in un'ampia gamma di prezzi dell'elettricità.

Problemi dell'industria elettrica tradizionale

Le tecnologie per la conversione dell'energia termica in energia elettrica, come centrali termiche, centrali nucleari, IES, centrali a turbina a gas, centrali termiche, generatori termoelettrici, generatori MHD presentano diversi vantaggi e svantaggi. L'Electric Power Research Institute (EPRI) illustra i pro ei contro delle tecnologie di generazione di energia naturale, esaminando fattori critici come la costruzione e i costi di elettricità, terreno, fabbisogno idrico, emissioni di CO_{2, spreco, convenienza e flessibilità.}

I risultati dell'EPRI evidenziano che non esiste un approccio valido per tutti quando si considerano le tecnologie di generazione di energia, tuttavia il gas naturale ne beneficia ancora di più perché è conveniente per la costruzione, ha un basso costo dell'elettricità, genera meno emissioni di carbone. Tuttavia, non tutti i paesi hanno accesso a gas naturale abbondante ed economico. In alcuni casi, l'accesso al gas naturale è minacciato a causa di tensioni geopolitiche, come nel caso dell'Europa orientale e di alcuni paesi dell'Europa occidentale.

Tecnologie energetiche rinnovabili come l'eolicoturbine, moduli solari fotovoltaici producono emissioni di elettricità. Tuttavia, tendono a richiedere molta terra e i risultati della loro efficacia sono instabili e dipendono dal tempo. Il carbone, la principale fonte di calore, è la più problematica. Conduce nelle emissioni di CO_{2, richiede molta acqua pulita per raffreddare il liquido di raffreddamento e occupa una vasta area per la costruzione della stazione.}

Le nuove tecnologie mirano a ridurre una serie di problemi associati alle tecnologie di generazione di energia. Ad esempio, le turbine a gas combinate con una batteria di backup forniscono un backup di emergenza senza bruciare carburante e i problemi intermittenti delle risorse rinnovabili possono essere mitigati creando un accumulo di energia su larga scala a prezzi accessibili. Pertanto, oggi non esiste un modo perfetto per convertire l'energia termica in elettricità, che potrebbe fornire elettricità affidabile ed economica con il minimo impatto ambientale.

Centrali termiche

In una centrale termoelettrica, vapore ad alta pressione e ad alta temperatura, ottenuto dal riscaldamento dell'acqua mediante combustione di combustibili solidi (principalmente carbone), fa girare una turbina collegata ad un generatore. Pertanto, converte la sua energia cinetica in energia elettrica. Componenti operativi della centrale termica:

1. Caldaia con forno a gas.
2. Turbina a vapore.
3. Generatore.
4. Condensatore.
5. Torri di raffreddamento.
6. Pompa di circolazione dell'acqua.
7. Pompa di alimentazioneacqua nella caldaia.
8. Aspiratore forzato.
9. Separatori.

Di seguito è riportato lo schema tipico di una centrale termica.

La caldaia a vapore viene utilizzata per convertire l'acqua in vapore. Questo processo viene eseguito riscaldando l'acqua nei tubi con riscaldamento dalla combustione del carburante. I processi di combustione vengono eseguiti continuamente nella camera di combustione del carburante con alimentazione d'aria dall'esterno.

La turbina a vapore trasferisce l'energia del vapore per azionare un generatore. Il vapore ad alta pressione e temperatura spinge le pale della turbina montate sull'albero in modo che inizi a ruotare. In questo caso, i parametri del vapore surriscaldato che entra nella turbina vengono ridotti a uno stato saturo. Il vapore saturo entra nel condensatore e la potenza rotativa viene utilizzata per ruotare il generatore, che produce corrente. Quasi tutte le turbine a vapore oggi sono del tipo a condensatore.

I condensatori sono dispositivi per convertire il vapore in acqua. Il vapore scorre all'esterno delle tubazioni e l'acqua di raffreddamento scorre all'interno delle tubazioni. Questo progetto è chiamato condensatore di superficie. La velocità di trasferimento del calore dipende dal flusso dell'acqua di raffreddamento, dalla superficie dei tubi e dalla differenza di temperatura tra il vapore acqueo e l'acqua di raffreddamento. Il processo di cambio del vapore acqueo avviene a pressione e temperatura saturate, in questo caso il condensatore è sotto vuoto, poiché la temperatura dell'acqua di raffreddamento è uguale alla temperatura esterna, la temperatura massima dell'acqua di condensa è prossima alla temperatura esterna.

Il generatore converte la meccanicaenergia in elettricità. Il generatore è composto da uno statore e un rotore. Lo statore è costituito da un alloggiamento che contiene le bobine e la stazione rotante del campo magnetico è costituita da un nucleo che contiene la bobina.

A seconda del tipo di energia prodotta, i TPP si dividono in IES a condensazione, che producono elettricità e centrali termoelettriche combinate, che producono congiuntamente calore (vapore e acqua calda) ed elettricità. Questi ultimi hanno la capacità di convertire l'energia termica in energia elettrica con un'elevata efficienza.

Centrali nucleari

Le centrali nucleari utilizzano il calore rilasciato durante la fissione nucleare per riscaldare l'acqua e produrre vapore. Il vapore viene utilizzato per far girare grandi turbine che generano elettricità. Nella fissione, gli atomi si dividono per formare atomi più piccoli, rilasciando energia. Il processo avviene all'interno del reattore. Al suo centro c'è un nucleo contenente uranio 235. Il combustibile per le centrali nucleari è ottenuto dall'uranio, che contiene l'isotopo 235U (0,7%) e 238U non fissile (99,3%).

Il ciclo del combustibile nucleare è una serie di fasi industriali coinvolte nella produzione di elettricità dall'uranio nei reattori nucleari. L'uranio è un elemento relativamente comune che si trova in tutto il mondo. Viene estratto in diversi paesi e lavorato prima di essere utilizzato come carburante.

Le attività legate alla produzione di elettricità sono indicate collettivamente come il ciclo del combustibile nucleare per la conversione dell'energia termica in energia elettrica nelle centrali nucleari. NucleareIl ciclo del combustibile inizia con l'estrazione dell'uranio e termina con lo sm altimento delle scorie nucleari. Quando si ritratta il combustibile usato come opzione per l'energia nucleare, i suoi passaggi formano un vero e proprio ciclo.

Ciclo combustibile uranio-plutonio

Per preparare il combustibile per l'uso nelle centrali nucleari, vengono eseguiti processi per l'estrazione, la lavorazione, la conversione, l'arricchimento e la produzione di elementi combustibili. Ciclo carburante:

1. Uranium 235 burnup.
2. Slag - 235U e (239Pu, 241Pu) da 238U.
3. Durante il decadimento di 235U, il suo consumo diminuisce e gli isotopi vengono ottenuti da 238U durante la generazione di elettricità.

Il costo delle barre di combustibile per VVR è circa il 20% del costo dell'elettricità generata.

Dopo che l'uranio ha trascorso circa tre anni in un reattore, il combustibile utilizzato può passare attraverso un altro processo di utilizzo, compreso lo stoccaggio temporaneo, il ritrattamento e il riciclaggio prima dello sm altimento dei rifiuti. Le centrali nucleari forniscono la conversione diretta dell'energia termica in energia elettrica. Il calore rilasciato durante la fissione nucleare nel nocciolo del reattore viene utilizzato per trasformare l'acqua in vapore, che fa girare le pale di una turbina a vapore, guidando i generatori per generare elettricità.

Il vapore viene raffreddato trasformandosi in acqua in una struttura separata in una centrale elettrica chiamata torre di raffreddamento, che utilizza l'acqua di stagni, fiumi o dell'oceano per raffreddare l'acqua pulita del circuito di alimentazione del vapore. L'acqua refrigerata viene quindi riutilizzata per produrre vapore.

La quota di produzione di elettricità nelle centrali nucleari, in relazione al'equilibrio complessivo della produzione dei loro diversi tipi di risorse, nel contesto di alcuni paesi e nel mondo - nella foto sotto.

Centrale a turbina a gas

Il principio di funzionamento di una centrale a turbina a gas è simile a quello di una centrale a turbina a vapore. L'unica differenza è che una centrale a turbina a vapore utilizza vapore compresso per far girare la turbina, mentre una centrale a turbina a gas utilizza gas.

Consideriamo il principio della conversione dell'energia termica in energia elettrica in una centrale a turbina a gas.

In una centrale elettrica con turbina a gas, l'aria viene compressa in un compressore. Quindi questa aria compressa passa attraverso la camera di combustione, dove si forma la miscela gas-aria, la temperatura dell'aria compressa aumenta. Questa miscela ad alta temperatura e alta pressione viene fatta passare attraverso una turbina a gas. Nella turbina si espande bruscamente, ricevendo energia cinetica sufficiente per far ruotare la turbina.

In una centrale elettrica con turbina a gas, l'albero della turbina, l' alternatore e il compressore d'aria sono comuni. L'energia meccanica generata nella turbina viene in parte utilizzata per comprimere l'aria. Le centrali elettriche a turbina a gas sono spesso utilizzate come fornitore di energia ausiliaria di riserva per le centrali idroelettriche. Genera potenza ausiliaria durante l'avviamento dell'impianto idroelettrico.

Vantaggi e svantaggi della centrale elettrica con turbina a gas

Designuna centrale a turbina a gas è molto più semplice di una centrale a turbina a vapore. La dimensione di una centrale a turbina a gas è inferiore a quella di una centrale a turbina a vapore. Non ci sono componenti della caldaia in una centrale elettrica con turbina a gas e quindi il sistema è meno complesso. Nessun vapore, condensatore o torre di raffreddamento richiesta.

La progettazione e la costruzione di potenti centrali a turbina a gas è molto più semplice ed economica, i costi di capitale e operativi sono molto inferiori al costo di una simile centrale a turbina a vapore.

Le perdite permanenti in una centrale a turbina a gas sono significativamente inferiori rispetto a una centrale a turbina a vapore, poiché in una turbina a vapore la centrale a caldaia deve funzionare continuamente, anche quando il sistema non fornisce un carico alla rete. Una centrale a turbina a gas può essere avviata quasi istantaneamente.

Svantaggi di una centrale a turbina a gas:

1. L'energia meccanica generata nella turbina viene utilizzata anche per azionare il compressore d'aria.
2. Poiché la maggior parte dell'energia meccanica generata nella turbina viene utilizzata per azionare il compressore d'aria, l'efficienza complessiva di una centrale elettrica a turbina a gas non è elevata come una centrale elettrica a turbina a vapore equivalente.
3. I gas di scarico in una centrale elettrica con turbina a gas sono molto diversi da una caldaia.
4. Prima dell'avvio effettivo della turbina, l'aria deve essere precompressa, il che richiede una fonte di alimentazione aggiuntiva per avviare la centrale a turbina a gas.
5. La temperatura del gas è abbastanza alta percentrale elettrica a turbina a gas. Ciò si traduce in una vita del sistema più breve rispetto a una turbina a vapore equivalente.

A causa della sua minore efficienza, la centrale a turbina a gas non può essere utilizzata per la produzione di energia elettrica commerciale, viene solitamente utilizzata per fornire energia ausiliaria ad altre centrali elettriche convenzionali come centrali idroelettriche.

Convertitori termoionici

Sono anche chiamati generatore termoionico o motore termoelettrico, che convertono direttamente il calore in elettricità sfruttando l'emissione termica. L'energia termica può essere convertita in energia elettrica ad altissima efficienza attraverso un processo di flusso di elettroni indotto dalla temperatura noto come radiazione termoionica.

Il principio di base del funzionamento dei convertitori di energia termoionica è che gli elettroni evaporano dalla superficie di un catodo riscaldato nel vuoto e poi si condensano su un anodo più freddo. Dalla prima dimostrazione pratica nel 1957, i convertitori di potenza termoionici sono stati utilizzati con una varietà di fonti di calore, ma tutti richiedono il funzionamento a temperature elevate - superiori a 1500 K. Durante il funzionamento dei convertitori di potenza termoionici a una temperatura relativamente bassa (700 K - 900 K), l'efficienza del processo, che è tipicamente > 50%, è notevolmente ridotta perché il numero di elettroni emessi per unità di superficie dal catodo dipende dalla temperatura di riscaldamento.

Per materiali catodici convenzionali comecome i metalli e i semiconduttori, il numero di elettroni emessi è proporzionale al quadrato della temperatura del catodo. Tuttavia, uno studio recente dimostra che la temperatura del calore può essere ridotta di un ordine di grandezza utilizzando il grafene come catodo caldo. I dati ottenuti mostrano che un convertitore termoionico catodico a base di grafene funzionante a 900 K può raggiungere un'efficienza del 45%.

Nella foto è mostrato il diagramma schematico del processo di emissione termoionica degli elettroni.

TIC a base di grafene, dove Tc e Ta sono rispettivamente la temperatura del catodo e la temperatura dell'anodo. Basandosi sul nuovo meccanismo di emissione termoionica, i ricercatori suggeriscono che il convertitore di energia catodica a base di grafene potrebbe trovare la sua applicazione nel riciclaggio del calore di scarto industriale, che spesso raggiunge l'intervallo di temperatura da 700 a 900 K.

Il nuovo modello presentato da Liang e Eng potrebbe beneficiare del design del convertitore di potenza a base di grafene. I convertitori di potenza allo stato solido, che sono principalmente generatori termoelettrici, di solito funzionano in modo inefficiente a basse temperature (efficienza inferiore al 7%).

Generatori termoelettrici

Il riciclaggio dell'energia di scarto è diventato un obiettivo popolare per ricercatori e scienziati che escogitano metodi innovativi per raggiungere questo obiettivo. Una delle aree più promettenti sono i dispositivi termoelettrici basati sulla nanotecnologia, chesembra un nuovo approccio al risparmio energetico. La conversione diretta del calore in elettricità o dell'elettricità in calore è nota come termoelettricità basata sull'effetto Peltier. Per essere precisi, l'effetto prende il nome da due fisici: Jean Peltier e Thomas Seebeck.

Peltier ha scoperto che una corrente inviata a due diversi conduttori elettrici collegati a due giunzioni provoca il riscaldamento di una giunzione mentre l' altra si raffredda. Peltier ha continuato la sua ricerca e ha scoperto che una goccia d'acqua poteva essere fatta congelare in una giunzione bismuto-antimonio (BiSb) semplicemente cambiando la corrente. Peltier ha anche scoperto che una corrente elettrica può fluire quando una differenza di temperatura è posta attraverso la giunzione di diversi conduttori.

La termoelettricità è una fonte di elettricità estremamente interessante per la sua capacità di convertire il flusso di calore direttamente in elettricità. È un convertitore di energia altamente scalabile e privo di parti mobili o combustibile liquido, il che lo rende adatto a quasi tutte le situazioni in cui molto calore tende a essere sprecato, dall'abbigliamento ai grandi impianti industriali.

Le nanostrutture utilizzate nei materiali per termocoppie a semiconduttore aiuteranno a mantenere una buona conduttività elettrica e ridurranno la conduttività termica. Pertanto, le prestazioni dei dispositivi termoelettrici possono essere aumentate attraverso l'uso di materiali basati sulla nanotecnologia, conusando l'effetto Peltier. Hanno proprietà termoelettriche migliorate e una buona capacità di assorbimento dell'energia solare.

Applicazione della termoelettricità:

1. Fornitori di energia e sensori nelle gamme.
2. Una lampada a olio accesa che controlla un ricevitore wireless per la comunicazione remota.
3. Applicazione di piccoli dispositivi elettronici come lettori MP3, orologi digitali, chip GPS/GSM e misuratori di impulsi con il calore corporeo.
4. Sedili a raffreddamento rapido in auto di lusso.
5. Pulisci il calore disperso nei veicoli convertendolo in elettricità.
6. Trasforma il calore di scarto delle fabbriche o degli impianti industriali in energia aggiuntiva.
7. Il solare termoelettrico può essere più efficiente delle celle fotovoltaiche per la produzione di energia, specialmente in aree con meno luce solare.

Generatori di energia MHD

I generatori di energia magnetoidrodinamici generano elettricità attraverso l'interazione di un fluido in movimento (solitamente un gas ionizzato o plasma) e un campo magnetico. Dal 1970, i programmi di ricerca MHD sono stati condotti in diversi paesi con un focus particolare sull'uso del carbone come combustibile.

Il principio alla base della generazione della tecnologia MHD è elegante. Tipicamente, il gas elettricamente conduttivo viene prodotto ad alta pressione bruciando combustibili fossili. Il gas viene quindi diretto attraverso un campo magnetico, determinando una forza elettromotrice che agisce al suo interno secondo la legge dell'induzioneFaraday (dal nome del fisico e chimico inglese del XIX secolo Michael Faraday).

Il sistema MHD è un motore termico che include l'espansione del gas da alta a bassa pressione allo stesso modo di un generatore a turbina a gas convenzionale. Nel sistema MHD, l'energia cinetica del gas viene convertita direttamente in energia elettrica, poiché gli viene permesso di espandersi. L'interesse per la generazione di MHD è stato inizialmente suscitato dalla scoperta che l'interazione di un plasma con un campo magnetico può avvenire a temperature molto più elevate di quelle possibili in una turbina meccanica rotante.

Il limite delle prestazioni in termini di efficienza nei motori termici fu stabilito all'inizio del XIX secolo dall'ingegnere francese Sadi Carnot. La potenza di uscita di un generatore MHD per ogni metro cubo del suo volume è proporzionale al prodotto di conducibilità del gas, al quadrato della velocità del gas e al quadrato dell'intensità del campo magnetico attraverso il quale passa il gas. Affinché i generatori MHD possano funzionare in modo competitivo, con buone prestazioni e dimensioni fisiche ragionevoli, la conduttività elettrica del plasma deve essere compresa nell'intervallo di temperatura superiore a 1800 K (circa 1500 C o 2800 F).

La scelta del tipo di generatore MHD dipende dal carburante utilizzato e dall'applicazione. L'abbondanza di riserve di carbone in molti paesi del mondo contribuisce allo sviluppo di sistemi di carbonio MHD per la generazione di elettricità.