¿Por qué necesito un generador termoacústico?

Fig. 1 Apariencia estimada de un generador de gas termoacústico casero

En un artículo anterior, hablé sobre el desarrollo de un generador termoacústico: "Creación y primer arranque de un motor termoacústico de onda viajera" . En este artículo quiero hablar más sobre las posibles aplicaciones de este generador y cómo integrarlo en un sistema de energía existente.

Una de las tendencias mundiales recientes es la descentralización. Un número creciente de personas quiere ser lo más independiente posible de las grandes organizaciones. Esto se manifiesta, por ejemplo, en el deseo de tener su propia micro fábrica 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 energía también ha tomado un curso hacia la descentralización. Un número creciente de personas quiere tener su propia fuente de energía eléctrica y térmica.


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).

¿Cuáles son los beneficios de la energía 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 energía. Por ejemplo, le gustó un lugar con la belleza del paisaje, pero no es posible llevar electricidad allí. En este caso, la única forma de suministrar energía a la casa es generar energía eléctrica y térmica en el lugar, es decir, en la propia casa.


Fig. 4. Casa privada lejos de la civilización.

- La generación de energía distribuida aumenta la estabilidad del sistema energético ante diversos accidentes y desastres. En caso de una catástrofe en una gran central térmica, con generación descentralizada, se reduce el número de personas desconectadas del suministro de energía.


Fig. 5. Desastre en la central eléctrica de Fukushima

- La generación distribuida tiene una gran flexibilidad y adaptabilidad con cambios bruscos y desiguales en el consumo de energía en todo el territorio. Gracias a la descentralización, es posible combinar múltiples fuentes de energía en una sola red inteligente llamada Micro Grid, que alinea y optimiza la producción y el consumo de energía.


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

- En países donde está legalmente permitido vender electricidad generada excedente a una red común, es posible ganar dinero con la ayuda de micro CHP. El tipo de ingresos más común en este momento es en áreas soleadas, en las que, al fijar los paneles solares en el techo de su casa, puede devolver el costo de los paneles durante varios años 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 eléctricas existentes llega a su fin, surge el dilema: ¿construir una nueva central eléctrica grande o muchas pequeñas? Recientemente, la elección se ha centrado cada vez más 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, ¿cuáles son los tamaños del territorio óptimos para usar plantas de energía micro-térmica y cuántas personas viven en él? Por ejemplo, toma Rusia. Alrededor del 13% de la población, 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 país está 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 mayoría de los casos en esta región, se utilizan micro-TPP basados ​​en motores de combustión interna, o un grupo de generadores en un motor de combustión interna y una caldera de calefacción.


Fig. 12. Mini-CHP sobre gas licuado y natural en la ciudad de Klin, región de Moscú

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


Fig. 13. Microgeneradores Capstone

¿Cuáles 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 diésel y de gas requieren mantenimiento en el mejor de los casos una vez al año. Esto aumenta el costo de generar electricidad, crea un trabajo organizativo innecesario para los propietarios de dicha instalación y, durante el mantenimiento, la instalación 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 energía térmica para los micro-CHP: el combustible diesel o el gas natural. Puede ser mucho más barato usar otras fuentes de energía térmica. Por ejemplo, en una empresa donde la energía térmica se descarga a la atmósfera, parte de esta energía se puede ahorrar generando electricidad a partir de ella en una planta de energía micro-térmica. O en áreas con fuentes geotérmicas (por ejemplo, el territorio de Kamchatka) use la energía térmica de las entrañas de la tierra. En áreas con alta actividad solar, la energía solar se puede usar para calefacción, o en conjunto, la energía solar y la energía del combustible combustible combustible.

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

- Alto precio inicial de micro-CHP. Debido al alto precio, muchas personas se niegan a comprar la instalación, ya que incluso después de unos años se vuelve más barato usar la instalación que conectarse a la red eléctrica, las personas no pueden dominar el precio de las plantas de energía micro-térmica 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 instalación de este tipo, desarrollada en Rusia, se puede citar un complejo de microenergía basado en una microturbina de vapor húmedo creada por la empresa de investigación y producción Don Technologies.


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

A pesar de todas las ventajas de estas plantas en comparación con las instalaciones en motores de combustión interna y motores de turbina de gas, aún 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 razón de la larga adicción de las personas a las nuevas tecnologías.

Generador termoacústico

Así 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 termoacústico resuelve de manera similar estos problemas. En consecuencia, para tener un lugar en el mercado, un generador termoacústico debe tener un costo inicial más bajo que el de estas plantas, y preferiblemente más bajo que el de las turbinas de gas y diesel. Considere, debido a que el generador termoacústico resuelve los problemas de aquellos. servicio y omnívoro, y si es posible resolver el problema con un alto precio inicial.

Permítanme recordarles, para aquellos que no han leído los artículos anteriores, "1 artículo" , "2 artículos" , que el motor termoacústico desarrollado por mí se ve esquemáticamente 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 energía acústica bajo la influencia de la energía térmica. Es decir, en presencia de una cierta diferencia de temperatura entre los intercambiadores de calor, aparece una onda acústica viajera en el resonador.

Un motor termoacústico en esta forma tiene un recurso extremadamente alto, ya que no contiene partes móviles. Pero para generar electricidad, también se necesitan turbogeneradores, que primero deben convertir la energía acústica en energía mecánica de rotación del rotor de los turbogeneradores, y luego en electricidad. Por lo tanto, se espera que el intervalo máximo entre esos. El mantenimiento en esta parte estará limitado por la necesidad de dar servicio a los generadores de turbina y, por último, pero no menos importante, al motor en sí.

Es decir, por un lado, todo resulta como una instalación de turbina de vapor. Sin embargo, un turbogenerador en un motor termoacústico funciona a temperaturas mucho más bajas (alrededor de 40 grados centígrados) que en un ciclo de turbina de vapor, donde la temperatura de la turbina alcanza más de 200 grados. Además, en un motor termoacústico, la turbina está en un gas inerte: helio o argón, 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 útil del turbogenerador en un motor termoacústico en comparación con un turbogenerador de vapor.

Un motor termoacústico puede usar casi cualquier fuente de energía térmica, ya que es un motor con un suministro externo de calor, así como un motor Stirling. Al mismo tiempo, tiene una diferencia de temperatura muy baja entre los intercambiadores de calor fríos y calientes, necesaria para arrancar el motor (la diferencia de temperatura más 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 energía térmica.

Veamos, debido a que un generador termoacústico puede ser más barato que un generador en un motor Stirling y que uno de turbina de vapor.

• En primer lugar, mediante el uso de tubos estándar como cuerpo de resonador. A diferencia del motor Stirling, la carcasa del motor termoacústico no debe tener una alta precisión de fabricación. Las tuberías de acero convencionales sin torneado funcionarán.
• Luego, en comparación con el motor de pistón libre Stirling, el generador termoacústico 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 plástico en su composición, lo que reduce el costo de su fabricación.

Por lo tanto, un generador termoacústico llevado a un diseño comercial debería ocupar su nicho en el mercado de micro CHP.