¬ŅPor qu√© necesito un generador termoac√ļstico?


Fig. 1 Apariencia estimada de un generador de gas termoac√ļstico casero

En un art√≠culo anterior, habl√© sobre el desarrollo de un generador termoac√ļstico: "Creaci√≥n y primer arranque de un motor termoac√ļstico de onda viajera" . En este art√≠culo quiero hablar m√°s sobre las posibles aplicaciones de este generador y c√≥mo integrarlo en un sistema de energ√≠a existente.

Una de las tendencias mundiales recientes es la descentralizaci√≥n. Un n√ļmero creciente de personas quiere ser lo m√°s independiente posible de las grandes organizaciones. Esto se manifiesta, por ejemplo, en el deseo de tener su propia micro f√°brica en forma de impresora 3D, en el deseo de liberar su propio dinero, como las criptomonedas, o en el deseo de tener sus propios medios, en forma de un canal en YouTube. La energ√≠a tambi√©n ha tomado un curso hacia la descentralizaci√≥n. Un n√ļmero creciente de personas quiere tener su propia fuente de energ√≠a el√©ctrica y t√©rmica.


Fig. 2. Una ilustración de la descentralización de la energía en Dinamarca basada en la cogeneración distribuida. Fuente: Agencia Danesa de Energía

Por ejemplo, en Dinamarca, la descentralización de la energía es muy activa (Fig. 2).

¬ŅCu√°les son los beneficios de la energ√≠a descentralizada?

Además de aumentar la independencia y la independencia de cada persona durante la descentralización, las ventajas son que:

- Micro-CHP siempre está mucho más cerca del consumidor que un CHP grande. Por lo tanto, la pérdida de energía eléctrica y térmica prácticamente desaparece durante la transmisión a través de cables y redes de calefacción, respectivamente.


Fig. 3. Micro-CHP Senertec Dachs F5.5 en un motor de combustión interna, 5.5 kW

- Existe la oportunidad de construir casas y empresas en aquellos lugares donde era demasiado costoso o imposible suministrar energ√≠a. Por ejemplo, le gust√≥ un lugar con la belleza del paisaje, pero no es posible llevar electricidad all√≠. En este caso, la √ļnica forma de suministrar energ√≠a a la casa es generar energ√≠a el√©ctrica y t√©rmica en el lugar, es decir, en la propia casa.


Fig. 4. Casa privada lejos de la civilización.

- La generaci√≥n de energ√≠a distribuida aumenta la estabilidad del sistema energ√©tico ante diversos accidentes y desastres. En caso de una cat√°strofe en una gran central t√©rmica, con generaci√≥n descentralizada, se reduce el n√ļmero de personas desconectadas del suministro de energ√≠a.


Fig. 5. Desastre en la central eléctrica de Fukushima

- La generaci√≥n distribuida tiene una gran flexibilidad y adaptabilidad con cambios bruscos y desiguales en el consumo de energ√≠a en todo el territorio. Gracias a la descentralizaci√≥n, es posible combinar m√ļltiples fuentes de energ√≠a en una sola red inteligente llamada Micro Grid, que alinea y optimiza la producci√≥n y el consumo de energ√≠a.


Fig. 6. Representación esquemática de Micro Grid, una red eléctrica inteligente que optimiza la producción y el consumo de energía.

- En pa√≠ses donde est√° legalmente permitido vender electricidad generada excedente a una red com√ļn, es posible ganar dinero con la ayuda de micro CHP. El tipo de ingresos m√°s com√ļn en este momento es en √°reas soleadas, en las que, al fijar los paneles solares en el techo de su casa, puede devolver el costo de los paneles durante varios a√Īos de venta de electricidad y luego beneficiarse de ellos.


Fig. 7. Planta de energía solar en el techo de la casa.

- Entonces, la perspectiva de micro CHP radica en el hecho de que cuando el recurso de las grandes centrales el√©ctricas existentes llega a su fin, surge el dilema: ¬Ņconstruir una nueva central el√©ctrica grande o muchas peque√Īas? Recientemente, la elecci√≥n se ha centrado cada vez m√°s en crear una red de CHP medianos, mini y micro, en lugar de una red grande que ha fallado.

Limitaciones en la descentralización de la energía.

La descentralización de la energía tiene muchas ventajas. Al mismo tiempo, no se puede decir que es necesario luchar por el caso de la mayor descentralización posible. Es decir, en el caso de que cada privado, en cada edificio de varios pisos, en cada empresa y en cada edificio tenga su propia central térmica. En lugares de densa congestión de consumidores de energía, una gran central térmica estará por delante del grupo de centrales micro-térmicas debido a los menores costos de generación de energía asociados con procesos de mantenimiento más optimizados, menor complejidad y consumo de material.


Fig. 8. CHP Noroccidental

Sin embargo, hay lugares con una baja densidad de consumo y lugares en los que la construcción de grandes centrales térmicas es imposible o irrazonable. Es en estos lugares donde los micro-CHP ocupan gradualmente el mercado y desplazan a los grandes CHPP. Junto con los micro-CHP, también hay fuentes de energía alternativas, como las plantas de energía solar y eólica, que también se centran en áreas del planeta no densamente pobladas y difíciles de alcanzar, pero que no son funcionales en lugares con baja actividad solar y en ausencia de la cantidad requerida de energía eólica.

Por lo tanto, se puede decir que la descentralización de la producción de energía usando micro-TPP es más prometedora en áreas no densamente pobladas con actividad solar relativamente baja y con energía eólica relativamente baja o viento inestable.

La zona óptima para el uso de centrales micro-térmicas en Rusia.


Fig. 9. Mapa de producción de energía en Rusia.

Entonces, ¬Ņcu√°les son los tama√Īos del territorio √≥ptimos para usar plantas de energ√≠a micro-t√©rmica y cu√°ntas personas viven en √©l? Por ejemplo, toma Rusia. Alrededor del 13% de la poblaci√≥n, es decir, 19.1 millones de personas, se encuentran en la zona no cubierta por el suministro centralizado de electricidad (para 2018). Solo un tercio del territorio del pa√≠s est√° cubierto por el suministro centralizado de electricidad.


Fig. 10. Mapa de insolación solar en Rusia


Fig. 11. Mapa de la actividad eólica en Rusia

Si observa los mapas de actividad solar y energía eólica, puede ver que la mayoría de los usuarios de la parte europea de Rusia que no están conectados al suministro centralizado de energía están en la zona con baja actividad solar y eólica. Por lo tanto, están en la zona óptima para las plantas de energía micro-térmica.

Por el momento, en la gran mayor√≠a de los casos en esta regi√≥n, se utilizan micro-TPP basados ‚Äč‚Äčen motores de combusti√≥n interna, o un grupo de generadores en un motor de combusti√≥n interna y una caldera de calefacci√≥n.


Fig. 12. Mini-CHP sobre gas licuado y natural en la ciudad de Klin, regi√≥n de Mosc√ļ

Los grupos electrógenos de gas de microturbina Capstone también han ganado distribución en Rusia.


Fig. 13. Microgeneradores Capstone

¬ŅCu√°les son los problemas de las microempresas existentes actualmente?

Los principales problemas de los micro CHP existentes explotados activamente son:

  • Intervalos de mantenimiento cortos, baja fiabilidad.


Fig. 14. Reparación de un generador diesel.

Los generadores de turbinas di√©sel y de gas requieren mantenimiento en el mejor de los casos una vez al a√Īo. Esto aumenta el costo de generar electricidad, crea un trabajo organizativo innecesario para los propietarios de dicha instalaci√≥n y, durante el mantenimiento, la instalaci√≥n naturalmente debe detenerse por un cierto tiempo, lo que crea problemas para los consumidores.

- Las plantas de turbinas de gas y diesel no tienen la capacidad de usar todo tipo de combustibles (líquidos, gaseosos, combustibles sólidos), y tampoco hay forma de usar fuentes alternativas de energía térmica (solar, geotérmica, calor residual).


Fig. 15. Posibles tipos de energía térmica para micro CHP. De izquierda a derecha: calor residual de la empresa, energía geotérmica, energía solar, energía de combustibles.

No todos los consumidores tienen la mejor fuente de energ√≠a t√©rmica para los micro-CHP: el combustible diesel o el gas natural. Puede ser mucho m√°s barato usar otras fuentes de energ√≠a t√©rmica. Por ejemplo, en una empresa donde la energ√≠a t√©rmica se descarga a la atm√≥sfera, parte de esta energ√≠a se puede ahorrar generando electricidad a partir de ella en una planta de energ√≠a micro-t√©rmica. O en √°reas con fuentes geot√©rmicas (por ejemplo, el territorio de Kamchatka) use la energ√≠a t√©rmica de las entra√Īas de la tierra. En √°reas con alta actividad solar, la energ√≠a solar se puede usar para calefacci√≥n, o en conjunto, la energ√≠a solar y la energ√≠a del combustible combustible combustible.

Por lo tanto, el uso de generadores de turbinas de gas y diesel de combustibles √ļnicos es su inconveniente obvio.

- Alto precio inicial de micro-CHP. Debido al alto precio, muchas personas se niegan a comprar la instalaci√≥n, ya que incluso despu√©s de unos a√Īos se vuelve m√°s barato usar la instalaci√≥n que conectarse a la red el√©ctrica, las personas no pueden dominar el precio de las plantas de energ√≠a micro-t√©rmica de inmediato.

Resolución de problemas

Los dos primeros problemas identificados anteriormente con un intervalo bajo entre ellos. el servicio y la omnivorosidad se deciden por instalaciones construidas sobre la base de motores Stirling.


Fig. 16. Viessmann Vitotwin 300-W Micro CHP

Otra solución a los dos primeros problemas son las instalaciones basadas en microturbinas de vapor, es decir, instalaciones que funcionan de acuerdo con el ciclo de Rankine.

Como ejemplo de una instalaci√≥n de este tipo, desarrollada en Rusia, se puede citar un complejo de microenerg√≠a basado en una microturbina de vapor h√ļmedo creada por la empresa de investigaci√≥n y producci√≥n Don Technologies.


Fig. 17. IEC "Don Technologies" con una potencia eléctrica de 5 kW

A pesar de todas las ventajas de estas plantas en comparaci√≥n con las instalaciones en motores de combusti√≥n interna y motores de turbina de gas, a√ļn no han ganado gran popularidad debido al mayor costo inicial, la complejidad de las reparaciones o el mantenimiento no programado (falta de trabajadores calificados que puedan realizar reparaciones no programadas) y La raz√≥n de la larga adicci√≥n de las personas a las nuevas tecnolog√≠as.

Generador termoac√ļstico

As√≠ como las instalaciones en el motor Stirling y en el ciclo de la turbina de vapor resuelven problemas con un intervalo bajo entre ellos. Mantenimiento y falta de omnivorosidad al elegir un combustible, el generador termoac√ļstico resuelve de manera similar estos problemas. En consecuencia, para tener un lugar en el mercado, un generador termoac√ļstico debe tener un costo inicial m√°s bajo que el de estas plantas, y preferiblemente m√°s bajo que el de las turbinas de gas y diesel. Considere, debido a que el generador termoac√ļstico resuelve los problemas de aquellos. servicio y omn√≠voro, y si es posible resolver el problema con un alto precio inicial.

Perm√≠tanme recordarles, para aquellos que no han le√≠do los art√≠culos anteriores, "1 art√≠culo" , "2 art√≠culos" , que el motor termoac√ļstico desarrollado por m√≠ se ve esquem√°ticamente de esta manera:


Fig. 18. El esquema de un motor de cuatro velocidades con una ola que viaja

Un sistema que consiste en un resonador e intercambiadores de calor genera energ√≠a ac√ļstica bajo la influencia de la energ√≠a t√©rmica. Es decir, en presencia de una cierta diferencia de temperatura entre los intercambiadores de calor, aparece una onda ac√ļstica viajera en el resonador.

Un motor termoac√ļstico en esta forma tiene un recurso extremadamente alto, ya que no contiene partes m√≥viles. Pero para generar electricidad, tambi√©n se necesitan turbogeneradores, que primero deben convertir la energ√≠a ac√ļstica en energ√≠a mec√°nica de rotaci√≥n del rotor de los turbogeneradores, y luego en electricidad. Por lo tanto, se espera que el intervalo m√°ximo entre esos. El mantenimiento en esta parte estar√° limitado por la necesidad de dar servicio a los generadores de turbina y, por √ļltimo, pero no menos importante, al motor en s√≠.

Es decir, por un lado, todo resulta como una instalaci√≥n de turbina de vapor. Sin embargo, un turbogenerador en un motor termoac√ļstico funciona a temperaturas mucho m√°s bajas (alrededor de 40 grados cent√≠grados) que en un ciclo de turbina de vapor, donde la temperatura de la turbina alcanza m√°s de 200 grados. Adem√°s, en un motor termoac√ļstico, la turbina est√° en un gas inerte: helio o arg√≥n, en contraste con una turbina de vapor, que se desgasta bajo el impacto de las gotas contenidas en el vapor. Por lo tanto, uno puede esperar un aumento en la vida √ļtil del turbogenerador en un motor termoac√ļstico en comparaci√≥n con un turbogenerador de vapor.

Un motor termoac√ļstico puede usar casi cualquier fuente de energ√≠a t√©rmica, ya que es un motor con un suministro externo de calor, as√≠ como un motor Stirling. Al mismo tiempo, tiene una diferencia de temperatura muy baja entre los intercambiadores de calor fr√≠os y calientes, necesaria para arrancar el motor (la diferencia de temperatura m√°s baja que he encontrado en la literatura es de 17 grados). Por lo tanto, es obvio que este motor resuelve el problema utilizando varios tipos de energ√≠a t√©rmica.

Veamos, debido a que un generador termoac√ļstico puede ser m√°s barato que un generador en un motor Stirling y que uno de turbina de vapor.

  • En primer lugar, mediante el uso de tubos est√°ndar como cuerpo de resonador. A diferencia del motor Stirling, la carcasa del motor termoac√ļstico no debe tener una alta precisi√≥n de fabricaci√≥n. Las tuber√≠as de acero convencionales sin torneado funcionar√°n.
  • Luego, en comparaci√≥n con el motor de pist√≥n libre Stirling, el generador termoac√ļstico no tiene un generador lineal sino un generador rotativo, lo que reduce su consumo de material y, en consecuencia, su costo.
  • Y finalmente, el turbogenerador, ya que funciona casi a temperatura ambiente, puede usar piezas de pl√°stico en su composici√≥n, lo que reduce el costo de su fabricaci√≥n.

Por lo tanto, un generador termoac√ļstico llevado a un dise√Īo comercial deber√≠a ocupar su nicho en el mercado de micro CHP.

Source: https://habr.com/ru/post/439756/


All Articles