Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie mit hohem Wirkungsgrad: Methoden und Geräte

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-17 18:45

Wärmeenergie nimmt einen besonderen Platz in der menschlichen Tätigkeit ein, da sie in allen Bereichen der Wirtschaft genutzt wird, die meisten industriellen Prozesse und den Lebensunterh alt der Menschen begleitet. Abwärme geht in den meisten Fällen unwiderruflich und ohne wirtschaftlichen Nutzen verloren. Diese verlorene Ressource ist nichts mehr wert, sodass ihre Wiederverwendung sowohl zur Verringerung der Energiekrise als auch zum Schutz der Umwelt beiträgt. Daher sind neue Wege, Wärme in elektrische Energie umzuwandeln und Abwärme in Strom umzuwandeln, heute aktueller denn je.

Arten der Stromerzeugung

Die Umwandlung natürlicher Energieträger in Strom, Wärme oder Bewegungsenergie erfordert höchste Effizienz, insbesondere in Gas- und Kohlekraftwerken, um den CO2-Ausstoß zu reduzieren_{2. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, umzuwandelnWärmeenergie in elektrische Energie, je nach Art der Primärenergie.}

Unter den Energieressourcen werden Kohle und Erdgas zur Stromerzeugung durch Verbrennung (Wärmeenergie) und Uran durch Kernsp altung (Kernenergie) zur Nutzung von Dampfkraft zum Antreiben einer Dampfturbine verwendet. Die Top Ten der Strom produzierenden Länder für 2017 sind auf dem Foto zu sehen.

Tabelle der Wirkungsgrade bestehender Anlagen zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie.

	Erzeugung von Strom aus thermischer Energie	Effizienz, %
1	Wärmekraftwerke, Blockheizkraftwerke	32
2	Kernkraftwerke, Atomkraftwerke	80
3	Kondensationskraftwerk, IES	40
4	Gasturbinenkraftwerk, GTPP	60
5	Thermionische Wandler, TECs	40
6	Thermoelektrische Generatoren	7
7	MHD-Stromerzeuger zusammen mit BHKW	60

Auswahl einer Methode zur Umwandlung von Wärmeenergie inelektrisch und ihre Wirtschaftlichkeit hängen vom Energiebedarf, der Verfügbarkeit natürlicher Brennstoffe und der Auslastung der Baustelle ab. Die Art der Erzeugung ist weltweit unterschiedlich, was zu einer großen Bandbreite an Strompreisen führt.

Probleme der traditionellen Elektrizitätswirtschaft

Technologien zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, wie Wärmekraftwerke, Kernkraftwerke, IES, Gasturbinenkraftwerke, thermische Kraftwerke, thermoelektrische Generatoren, MHD-Generatoren haben unterschiedliche Vor- und Nachteile. Das Electric Power Research Institute (EPRI) veranschaulicht die Vor- und Nachteile natürlicher Energieerzeugungstechnologien und betrachtet kritische Faktoren wie Bau und Kosten von Strom, Land, Wasserbedarf, CO-Emissionen_{2, Verschwendung, Erschwinglichkeit und Flexibilität.}

EPRI-Ergebnisse zeigen, dass es bei der Betrachtung von Stromerzeugungstechnologien keinen einheitlichen Ansatz gibt, aber Erdgas profitiert immer noch mehr, da es für den Bau erschwinglich ist, niedrige Stromkosten hat und weniger Emissionen erzeugt als Kohle. Allerdings haben nicht alle Länder Zugang zu reichlich vorhandenem und billigem Erdgas. In einigen Fällen ist der Zugang zu Erdgas aufgrund geopolitischer Spannungen bedroht, wie dies in Osteuropa und einigen westeuropäischen Ländern der Fall war.

Erneuerbare Energietechnologien wie WindTurbinen, Solar-Photovoltaik-Module erzeugen Emissionsstrom. Sie benötigen jedoch viel Land, und die Ergebnisse ihrer Wirksamkeit sind instabil und hängen vom Wetter ab. Kohle, die wichtigste Wärmequelle, ist am problematischsten. Es führt zu CO-Emissionen_{2, benötigt viel sauberes Wasser zur Kühlung des Kühlmittels und nimmt eine große Fläche für den Bau der Station ein.}

Neue Technologien zielen darauf ab, eine Reihe von Problemen im Zusammenhang mit Stromerzeugungstechnologien zu verringern. Zum Beispiel bieten Gasturbinen in Kombination mit einer Backup-Batterie Notfall-Backups, ohne Kraftstoff zu verbrennen, und zeitweilige Probleme mit erneuerbaren Ressourcen können durch die Schaffung erschwinglicher Energiespeicher im großen Maßstab gemildert werden. Daher gibt es heute keinen perfekten Weg, thermische Energie in Strom umzuwandeln, der zuverlässigen und kostengünstigen Strom mit minimalen Umweltauswirkungen liefern könnte.

Wärmekraftwerke

In einem Wärmekraftwerk dreht Hochdruck- und Hochtemperaturdampf, der durch Verbrennen von festem Brennstoff (hauptsächlich Kohle) aus Heizwasser gewonnen wird, eine mit einem Generator verbundene Turbine. Dabei wandelt es seine kinetische Energie in elektrische Energie um. Betriebskomponenten des Wärmekraftwerks:

1. Kessel mit Gasofen.
2. Dampfturbine.
3. Generator.
4. Kondensator.
5. Kühltürme.
6. Umwälzpumpe.
7. FörderpumpeWasser in den Boiler.
8. Forcierte Abluftventilatoren.
9. Trennzeichen.

Ein typisches Diagramm eines Wärmekraftwerks ist unten dargestellt.

Der Dampfkessel dient dazu, Wasser in Dampf umzuwandeln. Dieser Prozess wird durch Erhitzen von Wasser in Rohren mit Heizung aus der Kraftstoffverbrennung durchgeführt. In der Brennstoffbrennkammer finden unter Luftzufuhr von außen kontinuierlich Verbrennungsprozesse statt.

Die Dampfturbine überträgt Dampfenergie zum Antrieb eines Generators. Dampf mit hohem Druck und hoher Temperatur treibt die auf der Welle montierten Turbinenschaufeln an, sodass diese sich zu drehen beginnen. In diesem Fall werden die Parameter des in die Turbine eintretenden überhitzten Dampfes auf einen gesättigten Zustand reduziert. Der gesättigte Dampf tritt in den Kondensator ein und die Drehkraft wird verwendet, um den Generator zu drehen, der Strom erzeugt. Fast alle Dampfturbinen sind heute vom Kondensatortyp.

Kondensatoren sind Geräte zur Umwandlung von Dampf in Wasser. Der Dampf strömt außerhalb der Rohre und das Kühlwasser fließt innerhalb der Rohre. Dieses Design wird als Oberflächenkondensator bezeichnet. Die Wärmeübertragungsrate hängt von der Strömung des Kühlwassers, der Oberfläche der Rohre und der Temperaturdifferenz zwischen Wasserdampf und Kühlwasser ab. Der Wasserdampfwechselprozess findet bei gesättigtem Druck und Temperatur statt, in diesem Fall steht der Kondensator unter Vakuum, da die Temperatur des Kühlwassers gleich der Außentemperatur ist, die maximale Temperatur des Kondenswassers nahe der Außentemperatur liegt.

Der Generator wandelt das Mechanische umEnergie in Strom. Der Generator besteht aus einem Stator und einem Rotor. Der Stator besteht aus einem Gehäuse, das die Spulen enthält, und die Magnetfelddrehstation besteht aus einem Kern, der die Spule enthält.

TKW werden nach Art der erzeugten Energie in Brennwert-WEA, die Strom erzeugen, und Blockheizkraftwerke, die gemeinsam Wärme (Dampf und Warmwasser) und Strom erzeugen, eingeteilt. Letztere haben die Fähigkeit, thermische Energie mit hoher Effizienz in elektrische Energie umzuwandeln.

Kernkraftwerke

Kernkraftwerke nutzen die bei der Kernsp altung freigesetzte Wärme, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen. Der Dampf wird verwendet, um große Turbinen anzutreiben, die Strom erzeugen. Bei der Sp altung sp alten sich Atome, um kleinere Atome zu bilden, wodurch Energie freigesetzt wird. Der Prozess findet innerhalb des Reaktors statt. In seinem Zentrum befindet sich ein Kern, der Uran 235 enthält. Brennstoff für Kernkraftwerke wird aus Uran gewonnen, das das Isotop 235U (0,7%) und das nicht sp altbare 238U (99,3%) enthält.

Der Kernbrennstoffkreislauf ist eine Reihe industrieller Schritte, die an der Stromerzeugung aus Uran in Kernkraftwerken beteiligt sind. Uran ist ein relativ häufiges Element, das auf der ganzen Welt vorkommt. Es wird in einer Reihe von Ländern abgebaut und verarbeitet, bevor es als Brennstoff verwendet wird.

Aktivitäten im Zusammenhang mit der Stromerzeugung werden zusammenfassend als Kernbrennstoffkreislauf zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie in Kernkraftwerken bezeichnet. NuklearDer Brennstoffkreislauf beginnt mit dem Uranabbau und endet mit der Atommüllentsorgung. Bei der Wiederaufbereitung gebrauchter Brennstoffe als Option zur Kernenergie bilden ihre Schritte einen regelrechten Kreislauf.

Uran-Plutonium-Brennstoffkreislauf

Zur Aufbereitung von Brennelementen für den Einsatz in Kernkraftwerken werden Prozesse zur Gewinnung, Verarbeitung, Umwandlung, Anreicherung und Herstellung von Brennelementen durchgeführt. Brennstoffkreislauf:

1. Abbrand von Uran 235.
2. Schlacke - 235U und (239Pu, 241Pu) aus 238U.
3. Während des Zerfalls von 235U nimmt sein Verbrauch ab und bei der Stromerzeugung werden aus 238U Isotope gewonnen.

Die Kosten für Brennstäbe für VVR betragen ungefähr 20 % der Kosten des erzeugten Stroms.

Nachdem das Uran etwa drei Jahre in einem Reaktor verbracht hat, kann der verwendete Brennstoff einen weiteren Nutzungsprozess durchlaufen, einschließlich Zwischenlagerung, Wiederaufbereitung und Recycling vor der Abfallentsorgung. Kernkraftwerke sorgen für die direkte Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie. Die bei der Kernsp altung im Reaktorkern freigesetzte Wärme wird verwendet, um Wasser in Dampf umzuwandeln, der die Schaufeln einer Dampfturbine antreibt und Generatoren zur Stromerzeugung antreibt.

Der Dampf wird gekühlt, indem er in einer separaten Struktur in einem Kraftwerk namens Kühlturm in Wasser umgewandelt wird, das Wasser aus Teichen, Flüssen oder dem Meer verwendet, um das saubere Wasser des Dampfkraftkreislaufs zu kühlen. Das gekühlte Wasser wird dann wiederverwendet, um Dampf zu erzeugen.

Der Anteil der Stromerzeugung in Kernkraftwerken im Verhältnis zudie Gesamtbilanz der Produktion ihrer verschiedenen Arten von Ressourcen im Kontext einiger Länder und der Welt - auf dem Foto unten.

Gasturbinenkraftwerk

Das Funktionsprinzip eines Gasturbinenkraftwerks ähnelt dem eines Dampfturbinenkraftwerks. Der einzige Unterschied besteht darin, dass ein Dampfturbinenkraftwerk komprimierten Dampf verwendet, um die Turbine anzutreiben, während ein Gasturbinenkraftwerk Gas verwendet.

Betrachten wir das Prinzip der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie in einem Gasturbinenkraftwerk.

In einem Gasturbinenkraftwerk wird Luft in einem Kompressor komprimiert. Dann strömt diese komprimierte Luft durch die Brennkammer, wo das Gas-Luft-Gemisch gebildet wird, wobei die Temperatur der komprimierten Luft ansteigt. Dieses Hochtemperatur-Hochdruck-Gemisch wird durch eine Gasturbine geleitet. In der Turbine dehnt es sich stark aus und erhält genug kinetische Energie, um die Turbine zu drehen.

In einem Gasturbinenkraftwerk sind die Turbinenwelle, die Lichtmaschine und der Luftkompressor üblich. Die in der Turbine erzeugte mechanische Energie wird teilweise zur Verdichtung der Luft verwendet. Gasturbinenkraftwerke werden häufig als Backup-Hilfsenergielieferant für Wasserkraftwerke eingesetzt. Es erzeugt während des Hochfahrens des Wasserkraftwerks Hilfsenergie.

Vor- und Nachteile von Gasturbinenkraftwerken

DesignGasturbinenkraftwerk ist viel einfacher als ein Dampfturbinenkraftwerk. Die Größe eines Gasturbinenkraftwerks ist kleiner als die eines Dampfturbinenkraftwerks. In einem Gasturbinenkraftwerk gibt es keine Kesselkomponente, und daher ist das System weniger komplex. Kein Dampf, kein Kondensator oder Kühlturm erforderlich.

Design und Bau leistungsstarker Gasturbinenkraftwerke sind viel einfacher und billiger, Kapital- und Betriebskosten sind viel geringer als die Kosten eines ähnlichen Dampfturbinenkraftwerks.

Die Dauerverluste in einem Gasturbinenkraftwerk sind im Vergleich zu einem Dampfturbinenkraftwerk deutlich geringer, da in einem Dampfturbinenkraftwerk das Kesselkraftwerk kontinuierlich betrieben werden muss, auch wenn die Anlage keine Last ins Netz einspeist. Ein Gasturbinenkraftwerk kann fast sofort gestartet werden.

Nachteile eines Gasturbinenkraftwerks:

1. Die in der Turbine erzeugte mechanische Energie wird auch zum Antrieb des Luftkompressors genutzt.
2. Da der größte Teil der in der Turbine erzeugten mechanischen Energie zum Antrieb des Luftkompressors verwendet wird, ist der Gesamtwirkungsgrad eines Gasturbinenkraftwerks nicht so hoch wie bei einem gleichwertigen Dampfturbinenkraftwerk.
3. Abgase in einem Gasturbinenkraftwerk unterscheiden sich stark von einem Kessel.
4. Vor dem eigentlichen Start der Turbine muss die Luft vorverdichtet werden, was eine zusätzliche Energiequelle zum Starten des Gasturbinenkraftwerks erfordert.
5. Die Gastemperatur ist hoch genug fürGasturbinenkraftwerk. Dies führt zu einer kürzeren Systemlebensdauer als bei einer gleichwertigen Dampfturbine.

Aufgrund seines geringeren Wirkungsgrades kann das Gasturbinenkraftwerk nicht zur kommerziellen Stromerzeugung verwendet werden, es wird normalerweise verwendet, um andere konventionelle Kraftwerke wie Wasserkraftwerke mit Hilfsenergie zu versorgen.

Thermionische Konverter

Sie werden auch als thermionischer Generator oder thermoelektrischer Motor bezeichnet, die Wärme direkt durch thermische Emission in Strom umwandeln. Thermische Energie kann durch einen temperaturinduzierten Elektronenflussprozess, der als thermionische Strahlung bekannt ist, mit sehr hoher Effizienz in elektrische Energie umgewandelt werden.

Das grundlegende Funktionsprinzip von thermionischen Energiewandlern besteht darin, dass Elektronen von der Oberfläche einer erhitzten Kathode im Vakuum verdampfen und dann an einer kälteren Anode kondensieren. Seit der ersten praktischen Demonstration im Jahr 1957 wurden thermionische Leistungswandler mit einer Vielzahl von Wärmequellen verwendet, aber alle erfordern einen Betrieb bei hohen Temperaturen – über 1500 K. Während der Betrieb von thermionischen Leistungswandlern bei einer relativ niedrigen Temperatur (700 K – 900 K) möglich, wird der Wirkungsgrad des Prozesses, der typischerweise bei > 50 % liegt, deutlich reduziert, da die Zahl der emittierten Elektronen pro Flächeneinheit von der Kathode abhängig von der Heiztemperatur ist.

Für herkömmliche Kathodenmaterialien wie zWie bei Metallen und Halbleitern ist die Anzahl der emittierten Elektronen proportional zum Quadrat der Kathodentemperatur. Eine kürzlich durchgeführte Studie zeigt jedoch, dass die Wärmetemperatur durch die Verwendung von Graphen als Heißkathode um eine Größenordnung gesenkt werden kann. Die erh altenen Daten zeigen, dass ein Graphen-basierter Kathodenthermionikkonverter, der bei 900 K arbeitet, einen Wirkungsgrad von 45 % erreichen kann.

Schematisches Diagramm des Prozesses der thermionischen Emission von Elektronen ist auf dem Foto dargestellt.

TIC basierend auf Graphen, wobei Tc und Ta die Temperatur der Kathode bzw. die Temperatur der Anode sind. Basierend auf dem neuen Mechanismus der thermionischen Emission schlagen die Forscher vor, dass der Graphen-basierte Kathoden-Energiewandler seine Anwendung in der Wiederverwertung industrieller Abwärme finden könnte, die oft den Temperaturbereich von 700 bis 900 K erreicht.

Das von Liang und Eng vorgestellte neue Modell könnte dem Design von Stromrichtern auf Graphenbasis zugute kommen. Festkörper-Stromrichter, bei denen es sich hauptsächlich um thermoelektrische Generatoren handelt, arbeiten im niedrigen Temperaturbereich normalerweise ineffizient (weniger als 7 % Wirkungsgrad).

Thermoelektrische Generatoren

Recycling von Abfallenergie ist zu einem beliebten Ziel für Forscher und Wissenschaftler geworden, die innovative Methoden entwickeln, um dieses Ziel zu erreichen. Einer der vielversprechendsten Bereiche sind thermoelektrische Geräte auf Basis der Nanotechnologie, diesieht aus wie ein neuer Ansatz zum Energiesparen. Die direkte Umwandlung von Wärme in Strom oder Strom in Wärme bezeichnet man als Thermoelektrizität auf Basis des Peltier-Effekts. Genauer gesagt ist der Effekt nach zwei Physikern benannt - Jean Peltier und Thomas Seebeck.

Peltier entdeckte, dass ein Strom, der zu zwei verschiedenen elektrischen Leitern geschickt wird, die an zwei Verbindungsstellen verbunden sind, dazu führt, dass sich eine Verbindungsstelle erwärmt, während die andere Verbindungsstelle abkühlt. Peltier setzte seine Forschungen fort und fand heraus, dass man einen Wassertropfen an einer Wismut-Antimon (BiSb)-Verbindung zum Gefrieren bringen konnte, indem man einfach den Strom änderte. Peltier entdeckte auch, dass ein elektrischer Strom fließen kann, wenn eine Temperaturdifferenz über die Verbindungsstelle verschiedener Leiter gelegt wird.

Thermoelektrizität ist aufgrund ihrer Fähigkeit, Wärmeströme direkt in Strom umzuwandeln, eine äußerst interessante Stromquelle. Es ist ein Energiewandler, der hochskalierbar ist und keine beweglichen Teile oder flüssigen Brennstoff hat, wodurch er für fast alle Situationen geeignet ist, in denen viel Wärme verschwendet wird, von Kleidung bis hin zu großen Industrieanlagen.

Nanostrukturen, die in Halbleiter-Thermoelementmaterialien verwendet werden, tragen dazu bei, eine gute elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerh alten und die Wärmeleitfähigkeit zu verringern. So kann die Leistungsfähigkeit thermoelektrischer Bauelemente durch den Einsatz von Materialien auf Basis der Nanotechnologie mit gesteigert werdenNutzung des Peltier-Effekts. Sie haben verbesserte thermoelektrische Eigenschaften und ein gutes Absorptionsvermögen für Sonnenenergie.

Anwendung der Thermoelektrizität:

1. Energieversorger und Sensoren in Reichweiten.
2. Eine brennende Öllampe, die einen drahtlosen Empfänger für die Fernkommunikation steuert.
3. Anwendung kleiner elektronischer Geräte wie MP3-Player, Digitaluhren, GPS/GSM-Chips und Impulsmesser mit Körperwärme.
4. Schnelle Sitzkühlung in Luxusautos.
5. Reinigen Sie die Abwärme in Fahrzeugen, indem Sie sie in Strom umwandeln.
6. Abwärme von Fabriken oder Industrieanlagen in zusätzlichen Strom umwandeln.
7. Solar-Thermoelektrik kann für die Stromerzeugung effizienter sein als Photovoltaikzellen, insbesondere in Gebieten mit weniger Sonnenlicht.

MHD-Stromerzeuger

Magnetohydrodynamische Stromgeneratoren erzeugen Strom durch die Wechselwirkung einer sich bewegenden Flüssigkeit (normalerweise ein ionisiertes Gas oder Plasma) und eines Magnetfelds. Seit 1970 wurden in mehreren Ländern MHD-Forschungsprogramme mit besonderem Schwerpunkt auf der Nutzung von Kohle als Brennstoff durchgeführt.

Das grundlegende Prinzip der MHD-Technologiegeneration ist elegant. Typischerweise wird das elektrisch leitfähige Gas unter hohem Druck durch Verbrennen fossiler Brennstoffe erzeugt. Das Gas wird dann durch ein Magnetfeld geleitet, wodurch gemäß dem Induktionsgesetz eine elektromotorische Kraft in ihm wirktFaraday (benannt nach dem englischen Physiker und Chemiker Michael Faraday aus dem 19. Jahrhundert).

Das MHD-System ist eine Wärmekraftmaschine, die die Expansion von Gas von Hoch- auf Niederdruck auf die gleiche Weise wie in einem herkömmlichen Gasturbinengenerator beinh altet. Beim MHD-System wird die kinetische Energie des Gases direkt in elektrische Energie umgewandelt, da es sich ausdehnen kann. Das Interesse an der Erzeugung von MHD wurde ursprünglich durch die Entdeckung geweckt, dass die Wechselwirkung eines Plasmas mit einem Magnetfeld bei viel höheren Temperaturen erfolgen kann, als dies in einer rotierenden mechanischen Turbine möglich ist.

Die Leistungsgrenze in Sachen Wirkungsgrad bei Wärmekraftmaschinen wurde Anfang des 19. Jahrhunderts von dem französischen Ingenieur Sadi Carnot festgelegt. Die Ausgangsleistung eines MHD-Generators für jeden Kubikmeter seines Volumens ist proportional zum Gasleitfähigkeitsprodukt, dem Quadrat der Gasgeschwindigkeit und dem Quadrat der Stärke des Magnetfelds, durch das das Gas strömt. Damit MHD-Generatoren konkurrenzfähig mit guter Leistung und angemessenen physikalischen Abmessungen arbeiten können, muss die elektrische Leitfähigkeit des Plasmas im Temperaturbereich über 1800 K (etwa 1500 C oder 2800 F) liegen.

Die Wahl des MHD-Generatortyps hängt vom verwendeten Brennstoff und der Anwendung ab. Der Reichtum an Kohlereserven in vielen Ländern der Welt trägt zur Entwicklung von MHD-Kohlesystemen zur Stromerzeugung bei.