המרת אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית ביעילות גבוהה: שיטות וציוד

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-17 18:51

אנרגיית החום תופסת מקום מיוחד בפעילות האנושית, שכן היא משמשת בכל מגזרי המשק, מלווה את רוב התהליכים התעשייתיים ואת פרנסתם של אנשים. ברוב המקרים הפסולת החום אובדת באופן בלתי הפיך וללא כל תועלת כלכלית. המשאב האבוד הזה כבר לא שווה כלום, אז שימוש חוזר בו יעזור גם להפחית את משבר האנרגיה וגם להגן על הסביבה. לכן, דרכים חדשות להמרת חום לאנרגיה חשמלית והמרת חום פסולת לחשמל רלוונטיות היום יותר מתמיד.

סוגי ייצור חשמל

הפיכת מקורות אנרגיה טבעיים לחשמל, חום או אנרגיה קינטית דורשת יעילות מרבית, במיוחד בתחנות כוח גז ופחם, כדי להפחית את פליטת CO2_{2. ישנן דרכים שונות להמרהאנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית, בהתאם לסוגי האנרגיה הראשונית.}

בין משאבי האנרגיה, פחם וגז טבעי משמשים לייצור חשמל על ידי בעירה (אנרגיה תרמית), ואורניום על ידי ביקוע גרעיני (אנרגיה גרעינית) כדי להשתמש בכוח קיטור כדי להפוך טורבינת קיטור. עשרת המדינות המובילות לייצור חשמל לשנת 2017 מוצגות בתמונה.

טבלת היעילות של מערכות קיימות להמרת אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית.

	ייצור חשמל מאנרגיה תרמית	יעילות, %
1	תחנות כוח תרמיות, תחנות CHP	32
2	תחנות גרעיניות, תחנות כוח גרעיניות	80
3	תחנת כוח עיבוי, IES	40
4	תחנת כוח טורבינת גז, GTPP	60
5	מתמרים תרמיונים, TECs	40
6	גנרטורים טרמו-חשמליים	7
7	MHD גנרטורים יחד עם CHP	60

בחירת שיטה להמרת אנרגיה תרמית להחשמל והיתכנות הכלכלית שלו תלויים בצורך באנרגיה, בזמינות הדלק הטבעי ובספיקתו של אתר הבנייה. סוג הייצור משתנה ברחבי העולם, וכתוצאה מכך מגוון רחב של מחירי חשמל.

בעיות של תעשיית החשמל המסורתית

לטכנולוגיות להמרת אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית, כגון תחנות כוח תרמיות, תחנות כוח גרעיניות, IES, תחנות כוח של טורבינות גז, תחנות כוח תרמיות, גנרטורים תרמו-אלקטריים, גנרטורים MHD יש יתרונות וחסרונות שונים. המכון לחקר הכוח החשמלי (EPRI) ממחיש את היתרונות והחסרונות של טכנולוגיות לייצור אנרגיה טבעית, תוך הסתכלות על גורמים קריטיים כמו בנייה ועלויות של חשמל, קרקע, דרישות מים, פליטת CO_{2, בזבוז, סבירות וגמישות.}

תוצאות EPRI מדגישות שאין גישה מתאימה לכולם כאשר בוחנים טכנולוגיות לייצור חשמל, אך עם זאת, הגז הטבעי עדיין מרוויח יותר מכיוון שהוא זול לבנייה, בעל עלות נמוכה של חשמל, מייצר פחות פליטות מאשר פֶּחָם. עם זאת, לא לכל המדינות יש גישה לגז טבעי בשפע וזול. במקרים מסוימים, הגישה לגז טבעי מאוימת בגלל מתחים גיאופוליטיים, כפי שהיה במזרח אירופה ובחלק ממדינות מערב אירופה.

טכנולוגיות אנרגיה מתחדשת כגון רוחטורבינות, מודולים פוטו-וולטאיים סולאריים מייצרים פליטת חשמל. עם זאת, הם נוטים לדרוש קרקע רבה, ותוצאות היעילות שלהם אינן יציבות ותלויות במזג האוויר. הפחם, מקור החום העיקרי, הוא הבעייתי ביותר. הוא מוביל בפליטת CO_{2, דורש הרבה מים נקיים כדי לקרר את נוזל הקירור ותופס שטח גדול לבניית התחנה.}

טכנולוגיות חדשות שואפות לצמצם מספר בעיות הקשורות לטכנולוגיות ייצור חשמל. לדוגמה, טורבינות גז בשילוב עם סוללת גיבוי מספקות גיבוי מקרי ללא שריפת דלק, וניתן לצמצם בעיות של משאבים מתחדשים לסירוגין על ידי יצירת אחסון אנרגיה בקנה מידה גדול במחיר סביר. לפיכך, כיום אין דרך מושלמת להמיר אנרגיה תרמית לחשמל, שיכולה לספק חשמל אמין וחסכוני עם השפעה סביבתית מינימלית.

תחנות כוח תרמיות

בתחנת כוח תרמית, קיטור בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה, המתקבל מחימום מים על ידי שריפת דלק מוצק (בעיקר פחם), מסובב טורבינה המחוברת לגנרטור. לפיכך, הוא ממיר את האנרגיה הקינטית שלו לאנרגיה חשמלית. רכיבי הפעלה של תחנת כוח תרמית:

1. דוד עם תנור גז.
2. טורבינת קיטור.
3. Generator.
4. Capacitor.
5. מגדלי קירור.
6. משאבת מים במחזור.
7. משאבת הזנהמים לתוך הדוד.
8. מאווררי פליטה מאולצים.
9. מפרידים.

תרשים טיפוסי של תחנת כוח תרמית מוצג להלן.

דוד הקיטור משמש להמרת מים לקיטור. תהליך זה מתבצע על ידי חימום מים בצינורות עם חימום משריפת דלק. תהליכי בעירה מתבצעים ברציפות בתא הבעירה של הדלק עם אספקת אוויר מבחוץ.

טורבינת הקיטור מעבירה אנרגיית קיטור כדי להניע גנרטור. קיטור עם לחץ וטמפרטורה גבוהים דוחפים את להבי הטורבינה המורכבים על הפיר כך שהוא מתחיל להסתובב. במקרה זה, הפרמטרים של קיטור מחומם הנכנס לטורבינה מופחתים למצב רווי. הקיטור הרווי נכנס למעבה, והכוח הסיבובי משמש לסיבוב הגנרטור, שמייצר זרם. כמעט כל טורבינות הקיטור כיום הן מסוג מעבה.

מעבים הם מכשירים להמרת קיטור למים. הקיטור זורם מחוץ לצינורות ומי הקירור זורמים בתוך הצינורות. עיצוב זה נקרא קבל משטח. קצב העברת החום תלוי בזרימת מי הקירור, בשטח הפנים של הצינורות ובהפרש הטמפרטורה בין אדי המים למי הקירור. תהליך החלפת אדי המים מתרחש בלחץ ובטמפרטורה רוויים, במקרה זה הקבל נמצא תחת ואקום, מכיוון שטמפרטורת מי הקירור שווה לטמפרטורת החוץ, הטמפרטורה המקסימלית של מי המעובה היא קרובה לטמפרטורת החוץ.

הגנרטור ממיר את המכניאנרגיה לחשמל. הגנרטור מורכב מסטטור ורוטור. הסטטור מורכב מבית המכיל את הסלילים, והתחנה הסיבובית של השדה המגנטי מורכבת מליבה המכילה את הסליל.

לפי סוג האנרגיה המופקת, TPPs מחולקים ל-IESs מתעבים, המייצרים חשמל ותחנות חום וכוח משולבות, המייצרות במשותף חום (קיטור ומים חמים) וחשמל. לאחרונים יש את היכולת להמיר אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית ביעילות גבוהה.

תחנות כוח גרעיניות

תחנות כוח גרעיניות משתמשות בחום המשתחרר במהלך הביקוע הגרעיני כדי לחמם מים ולהפיק קיטור. הקיטור משמש להפיכת טורבינות גדולות המייצרות חשמל. בביקוע, אטומים מתפצלים ליצירת אטומים קטנים יותר, ומשחררים אנרגיה. התהליך מתרחש בתוך הכור. במרכזו ליבה המכילה אורניום 235. דלק לתחנות כוח גרעיניות מתקבל מאורניום, המכיל את האיזוטופ 235U (0.7%) ו-238U שאינו בקיע (99.3%).

מחזור הדלק הגרעיני הוא סדרה של צעדים תעשייתיים הכרוכים בייצור חשמל מאורניום בכורים גרעיניים. אורניום הוא יסוד נפוץ יחסית שנמצא בכל העולם. הוא נכרה במספר מדינות ומעובד לפני שהוא משמש כדלק.

פעילויות הקשורות לייצור חשמל מכונה ביחד מחזור הדלק הגרעיני להמרה של אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית בתחנות כוח גרעיניות. גַרעִינִימחזור הדלק מתחיל בכריית אורניום ומסתיים בסילוק פסולת גרעינית. בעת עיבוד מחדש של דלק משומש כאופציה לאנרגיה גרעינית, הצעדים שלו יוצרים מחזור של ממש.

מחזור דלק אורניום-פלוטוניום

כדי להכין דלק לשימוש בתחנות כוח גרעיניות, מתבצעים תהליכים להפקה, עיבוד, המרה, העשרה וייצור של יסודות דלק. מחזור דלק:

1. צריבה אורניום 235.
2. Slag - 235U ו-(239Pu, 241Pu) מ-238U.
3. במהלך הדעיכה של 235U, הצריכה שלו יורדת, ואיזוטופים מתקבלים מ-238U בעת הפקת חשמל.

עלות מוטות הדלק עבור VVR היא כ-20% מעלות החשמל המופק.

לאחר שהאורניום בילה כשלוש שנים בכור, הדלק המשמש יכול לעבור תהליך נוסף של שימוש, כולל אחסון זמני, עיבוד מחדש ומיחזור לפני סילוק הפסולת. תחנות כוח גרעיניות מספקות המרה ישירה של אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית. החום המשתחרר במהלך הביקוע הגרעיני בליבת הכור משמש להפיכת מים לקיטור, המסובבים את להבי טורבינת הקיטור, ומניעים גנרטורים לייצור חשמל.

הקיטור מתקרר על ידי הפיכתם למים במבנה נפרד בתחנת כוח הנקראת מגדל קירור, המשתמש במים מבריכות, נהרות או האוקיינוס כדי לקרר את המים הנקיים של מעגל הכוח הקיטור. לאחר מכן נעשה שימוש חוזר במים המצוננים להפקת קיטור.

חלק ייצור החשמל בתחנות כוח גרעיניות, ביחס להאיזון הכולל של הייצור של סוגי המשאבים השונים שלהם, בהקשר של כמה מדינות ובעולם - בתמונה למטה.

תחנת כוח לטורבינת גז

עקרון הפעולה של תחנת כוח בטורבינת גז דומה לזה של תחנת כוח בטורבינת קיטור. ההבדל היחיד הוא שתחנת כוח של טורבינת קיטור משתמשת בקיטור דחוס כדי להפוך את הטורבינה, בעוד שתחנת כוח של טורבינת גז משתמשת בגז.

בואו נשקול את העיקרון של המרת אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית בתחנת כוח בטורבינת גז.

בתחנת כוח של טורבינת גז, אוויר נדחס במדחס. ואז האוויר הדחוס הזה עובר דרך תא הבעירה, שם נוצרת תערובת הגז והאוויר, הטמפרטורה של האוויר הדחוס עולה. תערובת זו בטמפרטורה גבוהה ובלחץ גבוה מועברת דרך טורבינת גז. בטורבינה היא מתרחבת בחדות ומקבלת מספיק אנרגיה קינטית כדי לסובב את הטורבינה.

בתחנת כוח של טורבינת גז, ציר הטורבינה, האלטרנטור ומדחס האוויר נפוצים. האנרגיה המכנית הנוצרת בטורבינה משמשת בחלקה לדחיסת האוויר. תחנות כוח של טורבינות גז משמשות לעתים קרובות כספק גיבוי אנרגיה עזר לתחנות כוח הידרואלקטריות. הוא מייצר כוח עזר במהלך ההפעלה של המפעל ההידרואלקטרי.

יתרונות וחסרונות של תחנת כוח בטורבינת גז

עיצובתחנת כוח של טורבינת גז היא הרבה יותר פשוטה מתחנת כוח של טורבינת קיטור. גודלה של תחנת כוח בטורבינת גז קטן מזה של תחנת כוח בטורבינת קיטור. בתחנת כוח של טורבינת גז אין רכיב של דוד ומכאן שהמערכת פחות מורכבת. אין קיטור, אין צורך בקבל או מגדל קירור.

תכנון ובנייה של תחנות כוח עוצמתיות של טורבינות גז הוא הרבה יותר קל וזול, עלויות ההון והתפעול נמוכות בהרבה מהעלות של תחנת כוח דומה של טורבינת קיטור.

ההפסדים הקבועים בתחנת כוח בטורבינת גז פחותים משמעותית בהשוואה לתחנת כוח בטורבינת קיטור, שכן בטורבינת קיטור תחנת הכוח של הדוד חייבת לפעול באופן רציף, גם כאשר המערכת אינה מספקת עומס לרשת.. ניתן להפעיל תחנת כוח של טורבינת גז כמעט באופן מיידי.

חסרונות של תחנת כוח בטורבינת גז:

1. האנרגיה המכנית שנוצרת בטורבינה משמשת גם להנעת מדחס האוויר.
2. מכיוון שרוב האנרגיה המכנית שנוצרת בטורבינה משמשת להנעת מדחס האוויר, היעילות הכוללת של תחנת כוח בטורבינת גז אינה גבוהה כמו תחנת כוח מקבילה של טורבינת קיטור.
3. גזי הפליטה בתחנת כוח בטורבינת גז שונים מאוד מדוד.
4. לפני ההפעלה בפועל של הטורבינה, יש לדחוס את האוויר מראש, מה שמצריך מקור כוח נוסף כדי להפעיל את תחנת הכוח של טורבינת הגז.
5. טמפרטורת הגז גבוהה מספיק עבורתחנת כוח של טורבינת גז. זה מביא לחיי מערכת קצרים יותר מטורבינת קיטור מקבילה.

בשל יעילותה הנמוכה יותר, תחנת הכוח של טורבינת הגז לא יכולה לשמש לייצור חשמל מסחרי, היא משמשת בדרך כלל לאספקת כוח עזר לתחנות כוח קונבנציונליות אחרות כמו תחנות כוח הידרואלקטריות.

ממירים תרמיונים

הם נקראים גם גנרטור תרמי או מנוע תרמו-אלקטרי, הממיר ישירות חום לחשמל באמצעות פליטה תרמית. ניתן להמיר אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית ביעילות גבוהה מאוד באמצעות תהליך זרימת אלקטרונים המושרה על ידי טמפרטורה המכונה קרינה תרמית.

עקרון הפעולה הבסיסי של ממירי אנרגיה תרמיוניים הוא שאלקטרונים מתאדים מפני השטח של קתודה מחוממת בוואקום ואז מתעבים על אנודה קרה יותר. מאז ההדגמה המעשית הראשונה בשנת 1957, נעשה שימוש בממירי הספק תרמיונים עם מגוון מקורות חום, אך כולם דורשים פעולה בטמפרטורות גבוהות - מעל 1500 K. בעוד הפעלה של ממירי הספק תרמיונים בטמפרטורה נמוכה יחסית (700 K - 900 K) אפשרי, יעילות התהליך, שהיא בדרך כלל > 50%, מופחתת באופן משמעותי מכיוון שמספר האלקטרונים הנפלטים ליחידת שטח מהקתודה תלוי בטמפרטורת החימום.

לחומרי קתודה קונבנציונליים כגוןכמו מתכות ומוליכים למחצה, מספר האלקטרונים הנפלטים הוא פרופורציונלי לריבוע של טמפרטורת הקתודה. עם זאת, מחקר שנערך לאחרונה מדגים שניתן להפחית את טמפרטורת החום בסדר גודל על ידי שימוש בגרפן כקתודה חמה. הנתונים שהתקבלו מראים שממיר תרמיוני קתודה מבוסס גרפן הפועל ב-900 K יכול להשיג יעילות של 45%.

תרשים סכמטי של תהליך פליטת האלקטרונים התרמיוני מוצג בתמונה.

TIC מבוסס על גרפן, כאשר Tc ו-Ta הם הטמפרטורה של הקתודה וטמפרטורת האנודה, בהתאמה. בהתבסס על המנגנון החדש של פליטה תרמיונית, החוקרים מציעים כי ממיר אנרגיית הקתודה המבוסס על גרפן יוכל למצוא את יישומו במיחזור של פסולת חום תעשייתי, שלעתים קרובות מגיע לטווח הטמפרטורות של 700 עד 900 K.

הדגם החדש שהוצג על ידי Liang ו-Eng יכול להועיל לעיצוב ממיר הכוח מבוסס גרפן. ממירי כוח במצב מוצק, שהם בעיקר גנרטורים תרמו-אלקטריים, פועלים בדרך כלל בצורה לא יעילה בטווח הטמפרטורות הנמוכות (פחות מ-7% יעילות).

גנרטורים טרמו-חשמליים

מיחזור אנרגיית פסולת הפך ליעד פופולרי עבור חוקרים ומדענים הממציאים שיטות חדשניות להשגת מטרה זו. אחד התחומים המבטיחים ביותר הוא מכשירים תרמו-אלקטריים המבוססים על ננוטכנולוגיה, אשרנראה כמו גישה חדשה לחיסכון באנרגיה. ההמרה הישירה של חום לחשמל או חשמל לחום ידועה כתרמו-חשמל המבוססת על אפקט פלטייר. ליתר דיוק, האפקט קרוי על שם שני פיזיקאים - ז'אן פלטייר ותומס סיבק.

Peltier גילה שזרם שנשלח לשני מוליכים חשמליים שונים המחוברים בשני צמתים יגרום לצומת אחד להתחמם בעוד הצומת השני מתקרר. פלטייר המשיך במחקר שלו ומצא שניתן לגרום לטיפת מים לקפוא בצומת ביסמוט-אנטימון (BiSb) פשוט על ידי שינוי הזרם. פלטייר גם גילה שזרם חשמלי יכול לזרום כאשר הפרש טמפרטורה ממוקם על פני הצומת של מוליכים שונים.

Thermoelectricity הוא מקור מעניין ביותר לחשמל בגלל יכולתו להמיר זרימת חום ישירות לחשמל. זהו ממיר אנרגיה בעל יכולת הרחבה גבוהה ואין לו חלקים נעים או דלק נוזלי, מה שהופך אותו מתאים כמעט לכל מצב שבו חום רב נוטה ללכת לפח, מבגדים ועד מתקני תעשייה גדולים.

מבנים ננו המשמשים בחומרים תרמי מוליכים למחצה יסייעו לשמור על מוליכות חשמלית טובה ולהפחית מוליכות תרמית. לפיכך, ניתן להגביר את הביצועים של מכשירים תרמו-אלקטריים באמצעות שימוש בחומרים המבוססים על ננוטכנולוגיה, עםבאמצעות אפקט Peltier. יש להם תכונות תרמו-אלקטריות משופרות ויכולת ספיגה טובה של אנרגיה סולארית.

יישום של תרמו-חשמל:

1. ספקי אנרגיה וחיישנים בטווחים.
2. מנורת שמן בוערת השולטת במקלט אלחוטי לתקשורת מרחוק.
3. הפעלת מכשירים אלקטרוניים קטנים כגון נגני MP3, שעונים דיגיטליים, שבבי GPS/GSM ומדדי דחף עם חום גוף.
4. מושבים קירור מהיר במכוניות יוקרה.
5. נקה פסולת חום בכלי רכב על ידי המרתו לחשמל.
6. הפיכת פסולת חום ממפעלים או מתקנים תעשייתיים להספק נוסף.
7. תרמו-חשמל סולארי עשוי להיות יעיל יותר מתאי פוטו-וולטאיים לייצור חשמל, במיוחד באזורים עם פחות אור שמש.

מחוללי כוח MHD

מחוללי כוח מגנטוהידרודינמיים מייצרים חשמל באמצעות אינטראקציה של נוזל נע (בדרך כלל גז מיונן או פלזמה) ושדה מגנטי. מאז 1970, תוכניות מחקר MHD בוצעו במספר מדינות עם התמקדות מיוחדת בשימוש בפחם כדלק.

העיקרון הבסיסי של יצירת טכנולוגיית MHD הוא אלגנטי. בדרך כלל, הגז המוליך חשמלי מיוצר בלחץ גבוה על ידי שריפת דלקים מאובנים. לאחר מכן הגז מופנה דרך שדה מגנטי, וכתוצאה מכך פועל בתוכו כוח אלקטרו-מוטורי בהתאם לחוק האינדוקציהפאראדיי (על שם הפיזיקאי והכימאי האנגלי מייקל פאראדיי מהמאה ה-19).

מערכת MHD היא מנוע חום הכולל הרחבת גז מלחץ גבוה לנמוך באותו אופן כמו במחולל טורבינת גז רגיל. במערכת MHD, האנרגיה הקינטית של הגז מומרת ישירות לאנרגיה חשמלית, כיוון שמאפשרים לו להתפשט. העניין ביצירת MHD נוצר בתחילה בעקבות הגילוי שאינטראקציה של פלזמה עם שדה מגנטי יכולה להתרחש בטמפרטורות גבוהות בהרבה ממה שמתאפשר בטורבינה מכנית מסתובבת.

הביצועים המגבילים מבחינת יעילות במנועי חום נקבעו בתחילת המאה ה-19 על ידי המהנדס הצרפתי סאדי קרנו. הספק המוצא של מחולל MHD עבור כל מטר מעוקב מנפחו הוא פרופורציונלי לתוצר מוליכות הגז, ריבוע מהירות הגז וריבוע עוצמת השדה המגנטי שדרכו עובר הגז. על מנת שגנרטורים MHD יפעלו בצורה תחרותית, עם ביצועים טובים וממדים פיזיים סבירים, המוליכות החשמלית של הפלזמה חייבת להיות בטווח הטמפרטורות שמעל 1800 K (בערך 1500 C או 2800 F).

הבחירה בסוג גנרטור MHD תלויה בדלק המשמש וביישום. שפע עתודות הפחם במדינות רבות בעולם תורמות לפיתוח מערכות פחמן MHD לייצור חשמל.