Conversão de energia térmica em energia elétrica com alta eficiência: métodos e equipamentos

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2024-01-02 14:01

A energia térmica ocupa um lugar especial na atividade humana, uma vez que é utilizada em todos os setores da economia, acompanha a maioria dos processos industriais e a subsistência das pessoas. Na maioria dos casos, o calor residual é perdido de forma irrevogável e sem qualquer benefício econômico. Esse recurso perdido não vale mais nada, portanto, reutilizá-lo ajudará a reduzir a crise energética e a proteger o meio ambiente. Portanto, novas formas de converter calor em energia elétrica e converter calor residual em eletricidade são mais relevantes hoje do que nunca.

Tipos de geração de eletricidade

A transformação de fontes naturais de energia em eletricidade, calor ou energia cinética requer eficiência máxima, especialmente em usinas a gás e carvão, para reduzir as emissões de CO2_{2. Existem várias maneiras de converterenergia térmica em energia elétrica, dependendo dos tipos de energia primária.}

Entre os recursos energéticos, carvão e gás natural são usados para gerar eletricidade por combustão (energia térmica), e urânio por fissão nuclear (energia nuclear) para usar a energia do vapor para girar uma turbina a vapor. Os dez principais países produtores de eletricidade em 2017 são mostrados na foto.

Tabela de eficiência dos sistemas existentes para conversão de energia térmica em energia elétrica.

	Geração de energia elétrica a partir de energia térmica	Eficiência, %
1	Usinas termelétricas, usinas de cogeração	32
2	Usinas nucleares, usinas nucleares	80
3	Central de Condensação, IES	40
4	Central de turbina a gás, GTPP	60
5	Transdutores termiônicos, TECs	40
6	Geradores Termoelétricos	7
7	Geradores de energia MHD juntamente com CHP	60

Escolhendo um método para converter energia térmica emelétrica e sua viabilidade econômica dependem da necessidade de energia, da disponibilidade de combustível natural e da suficiência do canteiro de obras. O tipo de geração varia ao redor do mundo, resultando em uma ampla gama de preços de eletricidade.

Problemas da indústria tradicional de energia elétrica

Tecnologias de conversão de energia térmica em energia elétrica, como usinas termelétricas, usinas nucleares, IES, usinas de turbinas a gás, usinas termelétricas, geradores termoelétricos, geradores MHD apresentam diferentes vantagens e desvantagens. O Electric Power Research Institute (EPRI) ilustra os prós e contras das tecnologias de geração de energia natural, analisando fatores críticos como construção e custos de eletricidade, terra, água, emissões de CO_{2, desperdício, acessibilidade e flexibilidade.}

Os resultados do EPRI destacam que não há uma abordagem única para todas as tecnologias de geração de energia, mas o gás natural ainda se beneficia mais porque é acessível para construção, tem baixo custo de eletricidade, gera menos emissões do que carvão. No entanto, nem todos os países têm acesso a gás natural abundante e barato. Em alguns casos, o acesso ao gás natural está ameaçado devido a tensões geopolíticas, como foi o caso da Europa Oriental e alguns países da Europa Ocidental.

Tecnologias de energia renovável como a eólicaturbinas, módulos solares fotovoltaicos produzem eletricidade de emissão. No entanto, eles tendem a exigir muita terra, e os resultados de sua eficácia são instáveis e dependem do clima. O carvão, principal fonte de calor, é o mais problemático. Lidera em emissões de CO_{2, requer muita água limpa para resfriar o refrigerante e ocupa uma grande área para a construção da estação.}

As novas tecnologias visam reduzir uma série de problemas associados às tecnologias de geração de energia. Por exemplo, turbinas a gás combinadas com uma bateria de backup fornecem backup de contingência sem queimar combustível, e problemas intermitentes de recursos renováveis podem ser mitigados criando armazenamento de energia acessível em larga escala. Assim, hoje não há uma maneira perfeita de converter energia térmica em eletricidade, o que poderia fornecer eletricidade confiável e econômica com impacto ambiental mínimo.

Usinas termelétricas

Em uma usina termelétrica, o vapor de alta pressão e alta temperatura, obtido a partir do aquecimento da água pela queima de combustível sólido (principalmente carvão), gira uma turbina conectada a um gerador. Assim, ele converte sua energia cinética em energia elétrica. Componentes operacionais da usina termelétrica:

1. Caldeira com forno a gás.
2. Turbina a vapor.
3. Gerador.
4. Capacitor.
5. Torres de resfriamento.
6. Bomba de água circulante.
7. Bomba de alimentaçãoágua na caldeira.
8. Exaustores forçados.
9. Separadores.

O diagrama típico de uma usina termelétrica é mostrado abaixo.

A caldeira a vapor é usada para converter água em vapor. Este processo é realizado aquecendo a água em tubulações com aquecimento da combustão do combustível. Os processos de combustão são realizados continuamente na câmara de combustão do combustível com suprimento de ar externo.

A turbina a vapor transfere a energia do vapor para acionar um gerador. Vapor com alta pressão e temperatura empurra as pás da turbina montadas no eixo para que ela comece a girar. Neste caso, os parâmetros do vapor superaquecido que entra na turbina são reduzidos a um estado saturado. O vapor saturado entra no condensador e a potência rotativa é usada para girar o gerador, que produz corrente. Quase todas as turbinas a vapor hoje são do tipo condensador.

Condensadores são dispositivos para converter vapor em água. O vapor flui para fora dos tubos e a água de resfriamento flui para dentro dos tubos. Este projeto é chamado de capacitor de superfície. A taxa de transferência de calor depende do fluxo da água de resfriamento, da área da superfície dos tubos e da diferença de temperatura entre o vapor de água e a água de resfriamento. O processo de troca de vapor de água ocorre sob pressão e temperatura saturadas, neste caso o condensador está sob vácuo, pois a temperatura da água de resfriamento é igual à temperatura externa, a temperatura máxima da água condensada está próxima da temperatura externa.

O gerador converte a força mecânicaenergia em eletricidade. O gerador é composto por um estator e um rotor. O estator consiste em uma carcaça que contém as bobinas, e a estação giratória de campo magnético consiste em um núcleo que contém a bobina.

De acordo com o tipo de energia produzida, as UTEs são divididas em IES de condensação, que produzem eletricidade e usinas combinadas de calor e energia, que produzem conjuntamente calor (vapor e água quente) e eletricidade. Estes últimos têm a capacidade de converter energia térmica em energia elétrica com alta eficiência.

Usinas nucleares

As usinas nucleares usam o calor liberado durante a fissão nuclear para aquecer água e produzir vapor. O vapor é usado para girar grandes turbinas que geram eletricidade. Na fissão, os átomos se dividem para formar átomos menores, liberando energia. O processo ocorre dentro do reator. Em seu centro está um núcleo contendo urânio 235. O combustível para usinas nucleares é obtido a partir do urânio, que contém o isótopo 235U (0,7%) e o não físsil 238U (99,3%).

O ciclo do combustível nuclear é uma série de etapas industriais envolvidas na produção de eletricidade a partir de urânio em reatores de energia nuclear. O urânio é um elemento relativamente comum encontrado em todo o mundo. É extraído em vários países e processado antes de ser usado como combustível.

As atividades relacionadas à produção de eletricidade são chamadas coletivamente de ciclo do combustível nuclear para a conversão de energia térmica em energia elétrica em usinas nucleares. NuclearO ciclo do combustível começa com a mineração de urânio e termina com a eliminação de resíduos nucleares. Ao reprocessar o combustível usado como opção para a energia nuclear, suas etapas formam um verdadeiro ciclo.

Ciclo do Combustível Urânio-Plutônio

Para preparar combustível para uso em usinas nucleares, são realizados processos de extração, processamento, conversão, enriquecimento e produção de elementos combustíveis. Ciclo de combustível:

1. Queima de urânio 235.
2. Escória - 235U e (239Pu, 241Pu) de 238U.
3. Durante o decaimento de 235U, seu consumo diminui, e isótopos são obtidos de 238U ao gerar eletricidade.

O custo das barras de combustível para VVR é de aproximadamente 20% do custo da eletricidade gerada.

Depois que o urânio passou cerca de três anos em um reator, o combustível usado pode passar por outro processo de uso, incluindo armazenamento temporário, reprocessamento e reciclagem antes do descarte de resíduos. As usinas nucleares fornecem a conversão direta de energia térmica em energia elétrica. O calor liberado durante a fissão nuclear no núcleo do reator é usado para transformar água em vapor, que gira as lâminas de uma turbina a vapor, acionando geradores para gerar eletricidade.

O vapor é resfriado transformando-se em água em uma estrutura separada em uma usina chamada torre de resfriamento, que usa água de lagoas, rios ou do oceano para resfriar a água limpa do circuito de energia a vapor. A água gelada é então reutilizada para produzir vapor.

A participação da geração de eletricidade em usinas nucleares, em relaçãoo balanço geral da produção de seus diferentes tipos de recursos, no contexto de alguns países e no mundo - na foto abaixo.

Central de Turbina a Gás

O princípio de operação de uma usina de turbina a gás é semelhante ao de uma usina de turbina a vapor. A única diferença é que uma usina de turbina a vapor usa vapor comprimido para girar a turbina, enquanto uma usina de turbina a gás usa gás.

Vamos considerar o princípio da conversão de energia térmica em energia elétrica em uma usina de turbina a gás.

Em uma usina de turbina a gás, o ar é comprimido em um compressor. Em seguida, este ar comprimido passa pela câmara de combustão, onde se forma a mistura gás-ar, a temperatura do ar comprimido aumenta. Esta mistura de alta temperatura e alta pressão é passada através de uma turbina a gás. Na turbina, ela se expande bruscamente, recebendo energia cinética suficiente para girar a turbina.

Em uma usina de turbina a gás, o eixo da turbina, alternador e compressor de ar são comuns. A energia mecânica gerada na turbina é parcialmente utilizada para comprimir o ar. As usinas de turbinas a gás são frequentemente usadas como fornecedor auxiliar de energia de reserva para usinas hidrelétricas. Gera energia auxiliar durante a partida da hidrelétrica.

Vantagens e desvantagens da usina de turbina a gás

Designusina de turbina a gás é muito mais simples do que uma usina de turbina a vapor. O tamanho de uma usina de turbina a gás é menor do que o de uma usina de turbina a vapor. Não há nenhum componente de caldeira em uma usina de turbina a gás e, portanto, o sistema é menos complexo. Sem vapor, sem necessidade de condensador ou torre de resfriamento.

Projeto e construção de usinas de turbina a gás potentes é muito mais fácil e barato, os custos de capital e operacionais são muito menores do que o custo de uma usina de turbina a vapor semelhante.

As perdas permanentes em uma usina de turbina a gás são significativamente menores em comparação com uma usina de turbina a vapor, pois em uma turbina a vapor a usina de caldeira deve operar continuamente, mesmo quando o sistema não está fornecendo carga à rede. Uma usina de turbina a gás pode ser iniciada quase instantaneamente.

Desvantagens de uma usina de turbina a gás:

1. A energia mecânica gerada na turbina também é utilizada para acionar o compressor de ar.
2. Como a maior parte da energia mecânica gerada na turbina é usada para acionar o compressor de ar, a eficiência geral de uma usina de turbina a gás não é tão alta quanto uma usina de turbina a vapor equivalente.
3. Os gases de escape em uma usina de turbina a gás são muito diferentes de uma caldeira.
4. Antes da partida real da turbina, o ar deve ser pré-comprimido, o que requer uma fonte de energia adicional para iniciar a usina de turbina a gás.
5. A temperatura do gás é alta o suficiente parausina de turbina a gás. Isso resulta em uma vida útil mais curta do sistema do que uma turbina a vapor equivalente.

Devido à sua menor eficiência, a usina de turbina a gás não pode ser utilizada para geração de energia comercial, geralmente é utilizada para fornecer energia auxiliar a outras usinas convencionais, como hidrelétricas.

Conversores Termiônicos

São também chamados de geradores termiônicos ou motores termoelétricos, que convertem diretamente calor em eletricidade por meio de emissão térmica. A energia térmica pode ser convertida em energia elétrica com eficiência muito alta através de um processo de fluxo de elétrons induzido pela temperatura conhecido como radiação termiônica.

O princípio básico de operação dos conversores de energia termiônica é que os elétrons evaporam da superfície de um cátodo aquecido no vácuo e depois condensam em um ânodo mais frio. Desde a primeira demonstração prática em 1957, conversores termiônicos de energia têm sido usados com uma variedade de fontes de calor, mas todos eles requerem operação em altas temperaturas - acima de 1500 K. Enquanto a operação de conversores termiônicos de energia em uma temperatura relativamente baixa (700 K - 900 K) é possível, a eficiência do processo, que normalmente é > 50%, é significativamente reduzida porque o número de elétrons emitidos por unidade de área do cátodo depende da temperatura de aquecimento.

Para materiais catódicos convencionais, comocomo metais e semicondutores, o número de elétrons emitidos é proporcional ao quadrado da temperatura do cátodo. No entanto, um estudo recente demonstra que a temperatura do calor pode ser reduzida em uma ordem de magnitude usando grafeno como cátodo quente. Os dados obtidos mostram que um conversor termiônico catódico baseado em grafeno operando a 900 K pode atingir uma eficiência de 45%.

Diagrama esquemático do processo de emissão termiônica de elétrons é mostrado na foto.

TIC baseado em grafeno, onde Tc e Ta são a temperatura do cátodo e a temperatura do ânodo, respectivamente. Com base no novo mecanismo de emissão termiônica, os pesquisadores sugerem que o conversor de energia catódica baseado em grafeno pode encontrar sua aplicação na reciclagem de calor residual industrial, que muitas vezes atinge a faixa de temperatura de 700 a 900 K.

O novo modelo apresentado por Liang e Eng pode beneficiar o projeto do conversor de energia baseado em grafeno. Conversores de energia de estado sólido, que são principalmente geradores termoelétricos, geralmente operam de forma ineficiente na faixa de baixa temperatura (menos de 7% de eficiência).

Geradores Termoelétricos

A reciclagem de energia residual tornou-se um alvo popular para pesquisadores e cientistas que apresentam métodos inovadores para atingir esse objetivo. Uma das áreas mais promissoras são os dispositivos termoelétricos baseados em nanotecnologia, queparece uma nova abordagem para economizar energia. A conversão direta de calor em eletricidade ou eletricidade em calor é conhecida como termoeletricidade baseada no efeito Peltier. Para ser preciso, o efeito recebeu o nome de dois físicos - Jean Peltier e Thomas Seebeck.

Peltier descobriu que uma corrente enviada para dois condutores elétricos diferentes que estão conectados em duas junções fará com que uma junção aqueça enquanto a outra junção esfria. Peltier continuou sua pesquisa e descobriu que uma gota de água poderia congelar em uma junção de bismuto-antimônio (BiSb) simplesmente mudando a corrente. Peltier também descobriu que uma corrente elétrica pode fluir quando uma diferença de temperatura é colocada na junção de diferentes condutores.

A termoeletricidade é uma fonte de eletricidade extremamente interessante devido à sua capacidade de converter o fluxo de calor diretamente em eletricidade. É um conversor de energia altamente escalável e sem partes móveis ou combustível líquido, tornando-o adequado para quase todas as situações em que muito calor tende a ser desperdiçado, desde roupas até grandes instalações industriais.

Nanoestruturas usadas em materiais de termopares semicondutores ajudarão a manter uma boa condutividade elétrica e reduzir a condutividade térmica. Assim, o desempenho dos dispositivos termoelétricos pode ser aumentado através do uso de materiais baseados em nanotecnologia, comusando o efeito Peltier. Possuem propriedades termoelétricas melhoradas e boa capacidade de absorção de energia solar.

Aplicação de termoeletricidade:

1. Provedores de energia e sensores em faixas.
2. Uma lâmpada a óleo acesa que controla um receptor sem fio para comunicação remota.
3. Aplicação de pequenos dispositivos eletrônicos, como MP3 players, relógios digitais, chips GPS/GSM e medidores de impulso com calor corporal.
4. Assentos de resfriamento rápido em carros de luxo.
5. Limpe o calor residual dos veículos convertendo-o em eletricidade.
6. Transforme o calor residual de fábricas ou instalações industriais em energia adicional.
7. As termoelétricas solares podem ser mais eficientes que as células fotovoltaicas para geração de energia, especialmente em áreas com menos luz solar.

Geradores de energia MHD

Geradores de energia magnetohidrodinâmicos geram eletricidade através da interação de um fluido em movimento (geralmente um gás ionizado ou plasma) e um campo magnético. Desde 1970, programas de pesquisa MHD têm sido realizados em vários países com foco particular no uso do carvão como combustível.

O princípio subjacente da geração da tecnologia MHD é elegante. Normalmente, o gás eletricamente condutor é produzido em alta pressão pela queima de combustíveis fósseis. O gás é então direcionado através de um campo magnético, resultando em uma força eletromotriz agindo dentro dele de acordo com a lei da indução. Faraday (nomeado em homenagem ao físico e químico inglês do século XIX Michael Faraday).

O sistema MHD é um motor térmico que inclui a expansão do gás de alta para baixa pressão da mesma forma que em um gerador convencional de turbina a gás. No sistema MHD, a energia cinética do gás é convertida diretamente em energia elétrica, à medida que se expande. O interesse em gerar MHD foi inicialmente despertado pela descoberta de que a interação de um plasma com um campo magnético pode ocorrer em temperaturas muito mais altas do que é possível em uma turbina mecânica rotativa.

O desempenho limitante em termos de eficiência em motores térmicos foi estabelecido no início do século XIX pelo engenheiro francês Sadi Carnot. A potência de saída de um gerador MHD para cada metro cúbico de seu volume é proporcional ao produto da condutividade do gás, ao quadrado da velocidade do gás e ao quadrado da força do campo magnético pelo qual o gás passa. Para que os geradores MHD operem de forma competitiva, com bom desempenho e dimensões físicas razoáveis, a condutividade elétrica do plasma deve estar na faixa de temperatura acima de 1800 K (cerca de 1500 C ou 2800 F).

A escolha do tipo de gerador MHD depende do combustível utilizado e da aplicação. A abundância de reservas de carvão em muitos países do mundo contribui para o desenvolvimento de sistemas de carbono MHD para geração de eletricidade.