Conversión de energía térmica en energía eléctrica con alta eficiencia: métodos y equipos

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2024-01-02 13:53

La energía térmica ocupa un lugar especial en la actividad humana, ya que se utiliza en todos los sectores de la economía, acompaña a la mayoría de los procesos industriales y al sustento de las personas. En la mayoría de los casos, el calor residual se pierde irrevocablemente y sin ningún beneficio económico. Este recurso perdido ya no vale nada, por lo que su reutilización ayudará tanto a reducir la crisis energética como a proteger el medio ambiente. Por lo tanto, las nuevas formas de convertir el calor en energía eléctrica y convertir el calor residual en electricidad son más relevantes hoy que nunca.

Tipos de generación de electricidad

Transformar las fuentes de energía natural en electricidad, calor o energía cinética requiere la máxima eficiencia, especialmente en las centrales eléctricas de gas y carbón, para reducir las emisiones de CO2_{2. Hay varias formas de convertirenergía térmica en energía eléctrica, según los tipos de energía primaria.}

Entre los recursos energéticos, el carbón y el gas natural se utilizan para generar electricidad por combustión (energía térmica) y el uranio por fisión nuclear (energía nuclear) para utilizar la energía de vapor para hacer girar una turbina de vapor. En la foto se muestran los diez principales países productores de electricidad para 2017.

Tabla de eficiencia de los sistemas existentes para la conversión de energía térmica en energía eléctrica.

	Generación de electricidad a partir de energía térmica	Eficiencia, %
1	Centrales térmicas, plantas CHP	32
2	Plantas nucleares, centrales nucleares	80
3	Planta de Condensación, IES	40
4	Planta de energía de turbina de gas, GTPP	60
5	Transductores termoiónicos, TEC	40
6	Generadores termoeléctricos	7
7	Generadores de energía MHD junto con CHP	60

Elegir un método para convertir la energía térmica eneléctrica y su viabilidad económica dependen de la necesidad de energía, la disponibilidad de combustible natural y la suficiencia del sitio de construcción. El tipo de generación varía en todo el mundo, lo que da como resultado una amplia gama de precios de la electricidad.

Problemas de la industria eléctrica tradicional

Las tecnologías para convertir la energía térmica en energía eléctrica, como centrales térmicas, centrales nucleares, IES, centrales de turbinas de gas, centrales térmicas, generadores termoeléctricos, generadores MHD tienen diferentes ventajas y desventajas. El Instituto de Investigación de Energía Eléctrica (EPRI) ilustra los pros y los contras de las tecnologías de generación de energía natural, analizando factores críticos como la construcción y los costos de la electricidad, la tierra, los requisitos de agua, las emisiones de CO_{2, residuos, asequibilidad y flexibilidad.}

Los resultados de EPRI destacan que no existe un enfoque único para todos cuando se consideran tecnologías de generación de energía, sin embargo, el gas natural aún se beneficia más porque es asequible para la construcción, tiene un bajo costo de electricidad, genera menos emisiones que carbón. Sin embargo, no todos los países tienen acceso a gas natural abundante y barato. En algunos casos, el acceso al gas natural está amenazado debido a las tensiones geopolíticas, como fue el caso de Europa del Este y algunos países de Europa Occidental.

Tecnologías de energías renovables como la eólicaturbinas, módulos solares fotovoltaicos producen electricidad de emisión. Sin embargo, suelen requerir mucho terreno, y los resultados de su efectividad son inestables y dependen del clima. El carbón, la principal fuente de calor, es el más problemático. Lidera las emisiones de CO_{2, requiere mucha agua limpia para enfriar el refrigerante y ocupa una gran superficie para la construcción de la estación.}

Las nuevas tecnologías tienen como objetivo reducir una serie de problemas asociados con las tecnologías de generación de energía. Por ejemplo, las turbinas de gas combinadas con una batería de respaldo brindan respaldo de contingencia sin quemar combustible, y los problemas intermitentes de recursos renovables pueden mitigarse mediante la creación de almacenamiento de energía asequible a gran escala. Por lo tanto, hoy en día no existe una forma perfecta de convertir la energía térmica en electricidad, lo que podría proporcionar electricidad confiable y rentable con un impacto ambiental mínimo.

Centrales térmicas

En una central térmica, el vapor a alta presión y temperatura, obtenido del calentamiento del agua mediante la quema de combustible sólido (principalmente carbón), hace girar una turbina conectada a un generador. Por lo tanto, convierte su energía cinética en energía eléctrica. Componentes operativos de la central térmica:

1. Caldera con horno a gas.
2. Turbina de vapor.
3. Generador.
4. Condensador.
5. Torres de refrigeración.
6. Bomba de circulación de agua.
7. Bomba de alimentaciónagua en la caldera.
8. Ventiladores de escape forzados.
9. Separadores.

A continuación se muestra el diagrama típico de una central térmica.

La caldera de vapor se utiliza para convertir el agua en vapor. Este proceso se lleva a cabo calentando agua en tuberías con calentamiento por combustión de combustible. Los procesos de combustión se llevan a cabo continuamente en la cámara de combustión de combustible con suministro de aire desde el exterior.

La turbina de vapor transfiere energía de vapor para impulsar un generador. El vapor a alta presión y temperatura empuja los álabes de la turbina montados en el eje para que comience a girar. En este caso, los parámetros del vapor sobrecalentado que ingresa a la turbina se reducen a un estado saturado. El vapor saturado ingresa al condensador y la potencia rotatoria se usa para hacer girar el generador, que produce corriente. Casi todas las turbinas de vapor actuales son del tipo de condensador.

Los condensadores son dispositivos para convertir el vapor en agua. El vapor fluye fuera de las tuberías y el agua de refrigeración fluye dentro de las tuberías. Este diseño se llama capacitor de superficie. La tasa de transferencia de calor depende del flujo del agua de enfriamiento, el área superficial de las tuberías y la diferencia de temperatura entre el vapor de agua y el agua de enfriamiento. El proceso de cambio de vapor de agua ocurre bajo presión y temperatura saturadas, en este caso el condensador está bajo vacío, debido a que la temperatura del agua de enfriamiento es igual a la temperatura exterior, la temperatura máxima del agua condensada está cerca de la temperatura exterior.

El generador convierte la mecánicaenergía en electricidad. El generador consta de un estator y un rotor. El estator consta de una carcasa que contiene las bobinas y la estación giratoria del campo magnético consta de un núcleo que contiene la bobina.

Según el tipo de energía producida, las centrales termoeléctricas se dividen en IES de condensación, que producen electricidad, y plantas combinadas de calor y electricidad, que producen conjuntamente calor (vapor y agua caliente) y electricidad. Estos últimos tienen la capacidad de convertir la energía térmica en energía eléctrica con alta eficiencia.

Plantas de energía nuclear

Las centrales nucleares utilizan el calor liberado durante la fisión nuclear para calentar agua y producir vapor. El vapor se utiliza para hacer girar grandes turbinas que generan electricidad. En la fisión, los átomos se dividen para formar átomos más pequeños, liberando energía. El proceso tiene lugar dentro del reactor. En su centro hay un núcleo que contiene uranio 235. El combustible para las centrales nucleares se obtiene del uranio, que contiene el isótopo 235U (0,7 %) y el no fisionable 238U (99,3 %).

El ciclo del combustible nuclear es una serie de pasos industriales involucrados en la producción de electricidad a partir de uranio en reactores de energía nuclear. El uranio es un elemento relativamente común que se encuentra en todo el mundo. Se extrae en varios países y se procesa antes de usarse como combustible.

Las actividades relacionadas con la producción de electricidad se denominan colectivamente ciclo del combustible nuclear para la conversión de energía térmica en energía eléctrica en las centrales nucleares. NuclearEl ciclo del combustible comienza con la extracción de uranio y termina con la eliminación de desechos nucleares. Cuando se reprocesa el combustible usado como una opción para la energía nuclear, sus pasos forman un verdadero ciclo.

Ciclo de combustible de uranio-plutonio

Para preparar el combustible para su uso en centrales nucleares, se llevan a cabo procesos de extracción, procesamiento, conversión, enriquecimiento y producción de elementos combustibles. Ciclo de combustible:

1. Uranio 235 quemado.
2. Escoria - 235U y (239Pu, 241Pu) de 238U.
3. Durante la desintegración del 235U, su consumo disminuye y se obtienen isótopos del 238U al generar electricidad.

El costo de las barras de combustible para VVR es aproximadamente el 20 % del costo de la electricidad generada.

Después de que el uranio haya pasado unos tres años en un reactor, el combustible utilizado puede pasar por otro proceso de uso, incluido el almacenamiento temporal, el reprocesamiento y el reciclaje antes de la eliminación de residuos. Las centrales nucleares permiten la conversión directa de energía térmica en energía eléctrica. El calor liberado durante la fisión nuclear en el núcleo del reactor se usa para convertir el agua en vapor, que hace girar las palas de una turbina de vapor, impulsando generadores para generar electricidad.

El vapor se enfría convirtiéndolo en agua en una estructura separada en una planta de energía llamada torre de enfriamiento, que usa agua de estanques, ríos o el océano para enfriar el agua limpia del circuito de energía de vapor. El agua enfriada se reutiliza para producir vapor.

La parte de la generación de electricidad en las centrales nucleares, en relación conel balance general de la producción de sus diferentes tipos de recursos, en el contexto de algunos países y en el mundo - en la foto de abajo.

Planta de energía de turbina de gas

El principio de funcionamiento de una central eléctrica de turbina de gas es similar al de una central eléctrica de turbina de vapor. La única diferencia es que una central eléctrica de turbina de vapor utiliza vapor comprimido para hacer girar la turbina, mientras que una central eléctrica de turbina de gas utiliza gas.

Consideremos el principio de convertir la energía térmica en energía eléctrica en una central eléctrica de turbina de gas.

En una central eléctrica de turbina de gas, el aire se comprime en un compresor. Luego, este aire comprimido pasa a través de la cámara de combustión, donde se forma la mezcla de gas y aire, la temperatura del aire comprimido aumenta. Esta mezcla de alta temperatura y alta presión se pasa a través de una turbina de gas. En la turbina, se expande bruscamente y recibe suficiente energía cinética para hacer girar la turbina.

En una central eléctrica de turbina de gas, el eje de la turbina, el alternador y el compresor de aire son comunes. La energía mecánica generada en la turbina se utiliza en parte para comprimir el aire. Las centrales eléctricas de turbinas de gas se utilizan a menudo como proveedor de energía auxiliar de respaldo para las centrales hidroeléctricas. Genera energía auxiliar durante la puesta en marcha de la central hidroeléctrica.

Ventajas y desventajas de la central eléctrica de turbina de gas

DiseñoUna central eléctrica de turbina de gas es mucho más simple que una central eléctrica de turbina de vapor. El tamaño de una central eléctrica de turbina de gas es más pequeño que el de una central eléctrica de turbina de vapor. No hay ningún componente de caldera en una central eléctrica de turbina de gas y, por lo tanto, el sistema es menos complejo. No requiere vapor, condensador o torre de enfriamiento.

El diseño y la construcción de centrales eléctricas de turbinas de gas potentes es mucho más fácil y económico, los costos de capital y operación son mucho menores que el costo de una central eléctrica de turbinas de vapor similar.

Las pérdidas permanentes en una central eléctrica de turbina de gas son significativamente menores en comparación con una central eléctrica de turbina de vapor, ya que en una central eléctrica de turbina de vapor la caldera de la central eléctrica debe operar continuamente, incluso cuando el sistema no está suministrando una carga a la red. Una central eléctrica de turbina de gas se puede poner en marcha casi al instante.

Desventajas de una central eléctrica de turbina de gas:

1. La energía mecánica generada en la turbina también se utiliza para accionar el compresor de aire.
2. Debido a que la mayor parte de la energía mecánica generada en la turbina se utiliza para accionar el compresor de aire, la eficiencia general de una central eléctrica de turbina de gas no es tan alta como la de una central eléctrica de turbina de vapor equivalente.
3. Los gases de escape en una central eléctrica de turbina de gas son muy diferentes a los de una caldera.
4. Antes del arranque real de la turbina, el aire debe precomprimirse, lo que requiere una fuente de energía adicional para arrancar la planta de energía de la turbina de gas.
5. La temperatura del gas es lo suficientemente alta paraplanta de energía de turbina de gas. Esto da como resultado una vida útil del sistema más corta que una turbina de vapor equivalente.

Debido a su menor eficiencia, la planta de energía de turbina de gas no se puede utilizar para la generación de energía comercial; por lo general, se usa para suministrar energía auxiliar a otras plantas de energía convencionales, como las centrales hidroeléctricas.

Convertidores termoiónicos

También se denominan generador termoiónico o motor termoeléctrico, que convierten directamente el calor en electricidad mediante emisión térmica. La energía térmica se puede convertir en energía eléctrica con una eficiencia muy alta a través de un proceso de flujo de electrones inducido por la temperatura conocido como radiación termoiónica.

El principio básico de funcionamiento de los convertidores de energía termoiónica es que los electrones se evaporan de la superficie de un cátodo calentado en el vacío y luego se condensan en un ánodo más frío. Desde la primera demostración práctica en 1957, los convertidores de potencia termoiónicos se han utilizado con una variedad de fuentes de calor, pero todos ellos requieren operación a altas temperaturas, por encima de 1500 K. Mientras que la operación de convertidores de potencia termoiónicos a una temperatura relativamente baja (700 K - 900 K), la eficiencia del proceso, que normalmente es > 50 %, se reduce significativamente porque el número de electrones emitidos por unidad de área desde el cátodo depende de la temperatura de calentamiento.

Para materiales catódicos convencionales comocomo los metales y los semiconductores, el número de electrones emitidos es proporcional al cuadrado de la temperatura del cátodo. Sin embargo, un estudio reciente demuestra que la temperatura del calor se puede reducir en un orden de magnitud utilizando grafeno como cátodo caliente. Los datos obtenidos muestran que un convertidor termoiónico de cátodo basado en grafeno que funcione a 900 K puede alcanzar una eficiencia del 45 %.

El diagrama esquemático del proceso de emisión termoiónica de electrones se muestra en la foto.

TIC basado en grafeno, donde Tc y Ta son la temperatura del cátodo y la temperatura del ánodo, respectivamente. Basándose en el nuevo mecanismo de emisión termoiónica, los investigadores sugieren que el convertidor de energía de cátodo basado en grafeno podría encontrar su aplicación en el reciclaje del calor residual industrial, que a menudo alcanza el rango de temperatura de 700 a 900 K.

El nuevo modelo presentado por Liang y Eng podría beneficiar el diseño del convertidor de potencia basado en grafeno. Los convertidores de energía de estado sólido, que son principalmente generadores termoeléctricos, generalmente funcionan de manera ineficiente en el rango de baja temperatura (menos del 7 % de eficiencia).

Generadores termoeléctricos

Reciclar energía residual se ha convertido en un objetivo popular para los investigadores y científicos que idean métodos innovadores para lograr este objetivo. Una de las áreas más prometedoras es la de los dispositivos termoeléctricos basados en nanotecnología, queparece un nuevo enfoque para ahorrar energía. La conversión directa de calor en electricidad o electricidad en calor se conoce como termoelectricidad basada en el efecto Peltier. Para ser precisos, el efecto lleva el nombre de dos físicos: Jean Peltier y Thomas Seebeck.

Peltier descubrió que una corriente enviada a dos conductores eléctricos diferentes que están conectados en dos uniones hará que una unión se caliente mientras que la otra unión se enfría. Peltier continuó su investigación y descubrió que se podía congelar una gota de agua en una unión de bismuto-antimonio (BiSb) simplemente cambiando la corriente. Peltier también descubrió que una corriente eléctrica puede fluir cuando se coloca una diferencia de temperatura en la unión de diferentes conductores.

La termoelectricidad es una fuente de electricidad sumamente interesante debido a su capacidad para convertir el flujo de calor directamente en electricidad. Es un convertidor de energía que es altamente escalable y no tiene partes móviles ni combustible líquido, lo que lo hace adecuado para casi cualquier situación donde se tiende a desperdiciar mucho calor, desde ropa hasta grandes instalaciones industriales.

Las nanoestructuras utilizadas en materiales de termopares semiconductores ayudarán a mantener una buena conductividad eléctrica y reducir la conductividad térmica. Así, se puede aumentar el rendimiento de los dispositivos termoeléctricos mediante el uso de materiales basados en nanotecnología, conutilizando el efecto Peltier. Tienen propiedades termoeléctricas mejoradas y buena capacidad de absorción de energía solar.

Aplicación de termoelectricidad:

1. Proveedores de energía y sensores en rangos.
2. Una lámpara de aceite encendida que controla un receptor inalámbrico para comunicación remota.
3. Aplicación de pequeños dispositivos electrónicos como reproductores de MP3, relojes digitales, chips GPS/GSM y medidores de impulsos con el calor corporal.
4. Asientos de enfriamiento rápido en automóviles de lujo.
5. Limpie el calor residual de los vehículos convirtiéndolo en electricidad.
6. Transforme el calor residual de fábricas o instalaciones industriales en energía adicional.
7. La energía solar termoeléctrica puede ser más eficiente que las células fotovoltaicas para la generación de energía, especialmente en áreas con menos luz solar.

Generadores de energía MHD

Los generadores de energía magnetohidrodinámicos generan electricidad a través de la interacción de un fluido en movimiento (generalmente un gas ionizado o plasma) y un campo magnético. Desde 1970, los programas de investigación de MHD se han llevado a cabo en varios países con un enfoque particular en el uso del carbón como combustible.

El principio subyacente de la generación de tecnología MHD es elegante. Por lo general, el gas eléctricamente conductor se produce a alta presión al quemar combustibles fósiles. Luego, el gas se dirige a través de un campo magnético, lo que da como resultado una fuerza electromotriz que actúa en su interior de acuerdo con la ley de inducción. Faraday (llamado así por el físico y químico inglés del siglo XIX Michael Faraday).

El sistema MHD es un motor térmico que incluye la expansión de gas de alta a baja presión de la misma forma que en un generador de turbina de gas convencional. En el sistema MHD, la energía cinética del gas se convierte directamente en energía eléctrica, a medida que se le permite expandirse. El interés en generar MHD fue inicialmente despertado por el descubrimiento de que la interacción de un plasma con un campo magnético puede ocurrir a temperaturas mucho más altas de lo que es posible en una turbina mecánica rotatoria.

El rendimiento límite en términos de eficiencia en los motores térmicos fue fijado a principios del siglo XIX por el ingeniero francés Sadi Carnot. La potencia de salida de un generador MHD por cada metro cúbico de su volumen es proporcional al producto de la conductividad del gas, el cuadrado de la velocidad del gas y el cuadrado de la fuerza del campo magnético a través del cual pasa el gas. Para que los generadores MHD funcionen de manera competitiva, con buen rendimiento y dimensiones físicas razonables, la conductividad eléctrica del plasma debe estar en el rango de temperatura por encima de 1800 K (alrededor de 1500 C o 2800 F).

La elección del tipo de generador MHD depende del combustible utilizado y de la aplicación. La abundancia de reservas de carbón en muchos países del mundo contribuye al desarrollo de sistemas de carbono MHD para la generación de electricidad.