Warum brauche ich einen thermoakustischen Generator?

Abb. 1 Geschätztes Erscheinungsbild eines thermoakustischen Gasgenerators für Privathaushalte

In einem früheren Artikel habe ich über die Entwicklung eines thermoakustischen Generators gesprochen: „Erstellen und Starten eines thermoakustischen Wanderwellenmotors“ . In diesem Artikel möchte ich mehr über die möglichen Anwendungen dieses Generators und dessen Integration in ein vorhandenes Stromversorgungssystem sprechen.

Einer der jüngsten globalen Trends ist die Dezentralisierung. Eine wachsende Zahl von Menschen möchte so unabhängig wie möglich von großen Organisationen sein. Dies äußert sich beispielsweise in dem Wunsch, eine eigene Mikrofabrik in Form eines 3D-Druckers zu haben, in Form eines Wunsches, eigenes Geld wie Kryptowährungen freizugeben, oder in Form eines Wunsches nach eigenen Medien in Form eines Kanals auf YouTube. Auch die Energie hat seit langem einen Kurs in Richtung Dezentralisierung eingeschlagen. Immer mehr Menschen möchten eine eigene elektrische und thermische Energiequelle haben.


Abb. 2. Ein Beispiel für die Dezentralisierung der Energie in Dänemark auf der Grundlage der dezentralen Kraft-Wärme-Kopplung. Quelle: Dänische Energieagentur

In Dänemark ist beispielsweise die Dezentralisierung von Energie sehr aktiv (Abb. 2).

Was sind die Vorteile von dezentraler Energie?

Neben der Erhöhung der Unabhängigkeit und Unabhängigkeit jedes Einzelnen während der Dezentralisierung ergeben sich folgende Vorteile:

- Mikro-KWK ist dem Verbraucher immer viel näher als ein großes KWK. Somit verschwindet der Verlust an elektrischer und thermischer Energie während der Übertragung über Drähte bzw. Heizungsnetze praktisch.


Abb. 3. Mikro-KWK Senertec Dachs F5.5 an einem Verbrennungsmotor, 5,5 kW

- Es besteht die Möglichkeit, Häuser und Unternehmen an Orten zu bauen, an denen es zu teuer oder unmöglich war, überhaupt Energie zu liefern. Sie mochten zum Beispiel einen Ort mit der Schönheit der Landschaft, aber es ist nicht möglich, dort Strom zu bringen. In diesem Fall besteht die einzige Möglichkeit, das Haus mit Energie zu versorgen, darin, elektrische und thermische Energie vor Ort, dh im Haus selbst, zu erzeugen.


Abb. 4. Privathaus fernab der Zivilisation

- Die verteilte Energieerzeugung erhöht die Stabilität des Energiesystems gegenüber verschiedenen Unfällen und Katastrophen. Im Falle einer Katastrophe in einem großen Wärmekraftwerk mit dezentraler Erzeugung wird die Anzahl der von der Energieversorgung abgeschnittenen Personen verringert.


Abb. 5. Katastrophe im Kraftwerk Fukushima

- Die dezentrale Erzeugung weist eine große Flexibilität und Anpassungsfähigkeit mit starken, ungleichmäßigen Änderungen des Energieverbrauchs im gesamten Gebiet auf. Dank der Dezentralisierung ist es möglich, mehrere Energiequellen in einem einzigen intelligenten Netzwerk namens Micro Grid zu kombinieren, das die Energieerzeugung und den Energieverbrauch aufeinander abstimmt und optimiert.


Abb. 6. Schematische Darstellung von Micro Grid, einem intelligenten Stromnetz, das die Energieerzeugung und den Energieverbrauch optimiert.

- In Ländern, in denen es gesetzlich erlaubt ist, überschüssigen Strom an ein gemeinsames Netz zu verkaufen, ist es möglich, mit Hilfe von Mikro-KWK Geld zu verdienen. Die derzeit gängigste Art von Einnahmen sind Solarbereiche, in denen Sie durch die Befestigung von Solarmodulen auf dem Dach Ihres Hauses die Kosten für die Module für mehrere Jahre des Stromverkaufs zurückzahlen und dann davon profitieren können.


Abb. 7. Solarkraftwerk auf dem Dach des Hauses

- Die Aussicht auf Mikro-KWK liegt dann in der Tatsache, dass am Ende der Ressource bestehender Großkraftwerke das Dilemma entsteht: ein neues großes Kraftwerk oder viele kleine zu bauen? In letzter Zeit konzentrierte sich die Wahl zunehmend auf die Schaffung eines Netzwerks von mittleren, kleinen und kleinen KWK-Anlagen anstelle eines großen, fehlgeschlagenen.

Einschränkungen der Dezentralisierung von Energie

Die Dezentralisierung der Energie hat viele Vorteile. Gleichzeitig kann man nicht sagen, dass es notwendig ist, eine größtmögliche Dezentralisierung anzustreben. Das heißt, wenn jeder Privatmann in jedem mehrstöckigen Gebäude, in jedem Unternehmen und in jedem Gebäude ein eigenes Wärmekraftwerk hat. An Orten mit dichter Überlastung der Energieverbraucher wird ein großes Wärmekraftwerk der Gruppe der mikrothermischen Kraftwerke voraus sein, da die Energieerzeugungskosten geringer sind, die mit optimierten Wartungsprozessen, geringerer Komplexität und geringerem Materialverbrauch verbunden sind.


Abb. 8. Nordwestliches BHKW

Es gibt jedoch Orte mit geringer Verbraucherdichte und Orte, an denen der Bau großer Wärmekraftwerke entweder unmöglich oder unvernünftig ist. An diesen Orten besetzen nach und nach Mikro-KWK den Markt und verdrängen große KWK. Neben Mikro-KWK gibt es auch alternative Energiequellen wie Solar- und Windkraftanlagen, die sich ebenfalls auf nicht dicht besiedelte und schwer erreichbare Gebiete des Planeten konzentrieren, aber an Orten mit geringer Sonnenaktivität und ohne die erforderliche Menge an Windenergie nicht funktionsfähig sind.

Man kann also sagen, dass die Dezentralisierung der Energieerzeugung mit Mikro-TPP in nicht dicht besiedelten Gebieten mit relativ geringer Sonnenaktivität und relativ geringer Windkraft oder instabilem Wind am vielversprechendsten ist.

Die Zone optimal für den Einsatz von mikrothermischen Kraftwerken in Russland


Abb. 9. Karte der Energieerzeugung in Russland

Wie groß ist das Gebiet, das für die Nutzung von mikrothermischen Kraftwerken optimal ist, und wie viele Menschen leben darauf? Nehmen wir zum Beispiel Russland. Etwa 13% der Bevölkerung, d. H. 19,1 Millionen Menschen, befinden sich in der Zone, die nicht durch eine zentralisierte Stromversorgung abgedeckt ist (für 2018). Nur ein Drittel des Territoriums des Landes ist durch eine zentralisierte Stromversorgung abgedeckt.


Abb. 10. Karte der Sonneneinstrahlung in Russland


Abb. 11. Karte der Windaktivität in Russland

Wenn Sie sich die Karten der Sonnenaktivität und der Windenergie ansehen, können Sie sehen, dass sich die meisten Nutzer des europäischen Teils Russlands, die nicht an eine zentralisierte Energieversorgung angeschlossen sind, in der Zone mit geringer Sonnen- und Windaktivität befinden. Damit befinden sie sich in der optimalen Zone für mikrothermische Kraftwerke.

Gegenwärtig werden in den allermeisten Fällen in dieser Region Mikro-TPPs verwendet, die auf Verbrennungsmotoren basieren, oder ein Bündel eines Generators auf einem Verbrennungsmotor und einem Heizkessel.


Abb. 12. Mini-KWK auf Flüssig- und Erdgas in der Stadt Klin, Region Moskau

Capstone-Mikroturbinen-Gasgeneratorsätze haben auch in Russland Verbreitung gefunden.


Abb. 13. Capstone-Mikrogeneratoren

Was sind die Probleme der derzeit vorhandenen Mikrokraftwerke?

Die Hauptprobleme bestehender aktiv genutzter Mikro-KWK sind:

• kurze Wartungsintervalle, geringe Zuverlässigkeit.

Abb. 14. Reparatur eines Dieselgenerators

Diesel- und Gasturbinengeneratoren müssen höchstens einmal im Jahr gewartet werden. Dies erhöht die Kosten für die Stromerzeugung, schafft unnötige organisatorische Arbeit für die Eigentümer einer solchen Anlage, und während der Wartung muss die Anlage natürlich für eine bestimmte Zeit angehalten werden, was den Verbrauchern Probleme bereitet.

- Diesel- und Gasturbinenanlagen können nicht alle Arten von brennbaren Brennstoffen (flüssige, gasförmige, feste Brennstoffe) verwenden, und es gibt keine Möglichkeit, alternative Wärmeenergiequellen (Solar, Geothermie, Abwärme) zu nutzen.


Abb. 15. Mögliche Arten von Wärmeenergie für Mikro-KWK. Von links nach rechts: Abwärme des Unternehmens, Geothermie, Solarenergie, Energie brennbarer Brennstoffe

Nicht alle Verbraucher haben die beste Wärmeenergiequelle für Mikro-KWK - Dieselkraftstoff oder Erdgas. Es kann viel billiger sein, andere Wärmeenergiequellen zu nutzen. In einem Unternehmen, in dem Wärmeenergie in die Atmosphäre abgegeben wird, kann beispielsweise ein Teil dieser Energie eingespart werden, indem in einem mikrothermischen Kraftwerk Strom daraus erzeugt wird. Oder in Gebieten mit geothermischen Quellen (zum Beispiel im Kamtschatka-Territorium) die Wärmeenergie der Eingeweide der Erde nutzen. In Gebieten mit hoher Sonnenaktivität kann Sonnenenergie zum Heizen oder zusammen mit Sonnenenergie und der Energie von brennbarem Brennstoff genutzt werden.

Daher ist die Verwendung von Diesel- und Gasturbinengeneratoren, die nur brennbare Brennstoffe enthalten, ihr offensichtlicher Nachteil.

- Hoher Startpreis für Mikro-KWK. Aufgrund des hohen Preises weigern sich viele Menschen, die Anlage zu kaufen, da die Nutzung der Anlage auch nach einigen Jahren billiger wird als der Anschluss an das Stromnetz. Daher können die Menschen den Preis für mikrothermische Kraftwerke nicht sofort überwältigen.

Problemlösung

Die ersten beiden oben identifizierten Probleme mit einem geringen Intervall zwischen diesen. Service und Allesfresser werden durch Installationen entschieden, die auf der Basis von Stirlingmotoren gebaut wurden.


Abb. 16. Viessmann Vitotwin 300-W Micro CHP

Eine andere Lösung für die ersten beiden Probleme sind Installationen, die auf Dampfmikroturbinen basieren, dh Installationen, die gemäß dem Rankine-Zyklus arbeiten.

Als Beispiel für eine solche in Russland entwickelte Installation kann ein Mikroenergiekomplex angeführt werden, der auf einer Nassdampf-Mikroturbine basiert, die vom Forschungs- und Produktionsunternehmen Don Technologies entwickelt wurde


Abb. 17. IEC "Don Technologies" mit einer elektrischen Leistung von 5 kW

Trotz aller Vorteile dieser Anlagen gegenüber Installationen an Verbrennungsmotoren und Gasturbinentriebwerken haben sie aufgrund der höheren Anschaffungskosten, der Komplexität von Reparaturen oder der außerplanmäßigen Wartung (Mangel an qualifizierten Arbeitskräften, die außerplanmäßige Reparaturen durchführen können) und noch nicht an Popularität gewonnen der Grund für die lange Abhängigkeit der Menschen von neuen Technologien.

Thermoakustischer Generator

Ebenso wie Installationen am Stirlingmotor und am Dampfturbinenzyklus Probleme mit einem geringen Intervall zwischen diesen lösen. Wartung und mangelnde Allesfresser bei der Auswahl eines Kraftstoffs. Der thermoakustische Generator löst diese Probleme auf ähnliche Weise. Dementsprechend muss ein thermoakustischer Generator, um auf dem Markt Fuß zu fassen, niedrigere Anfangskosten als die dieser Anlagen und vorzugsweise niedrigere als die von Diesel- und Gasturbinenanlagen haben. Überlegen Sie, aufgrund dessen der thermoakustische Generator die Probleme dieser löst. Service und Allesfresser, und ob es möglich ist, das Problem mit einem hohen Anfangspreis zu lösen.

Ich möchte Sie daran erinnern, dass der von mir entwickelte thermoakustische Motor für diejenigen, die die vorherigen Artikel „1 Artikel“ , „2 Artikel“ nicht gelesen haben, schematisch so aussieht:


Abb. 18. Das Schema eines Viergangmotors mit einer Wanderwelle

Ein System bestehend aus Resonator und Wärmetauschern erzeugt unter dem Einfluss von Wärmeenergie akustische Energie. Das heißt, bei Vorhandensein eines bestimmten Temperaturunterschieds zwischen den Wärmetauschern tritt im Resonator eine sich bewegende Schallwelle auf.

Ein thermoakustischer Motor in dieser Form hat eine extrem hohe Ressource, da er keine beweglichen Teile enthält. Zur Stromerzeugung werden aber zusätzlich Turbogeneratoren benötigt, die zunächst akustische Energie in mechanische Rotationsenergie des Rotors der Turbogeneratoren und dann in Elektrizität umwandeln müssen. Daher wird erwartet, dass das maximale Intervall zwischen diesen. Die Wartung in diesem Teil wird durch die Notwendigkeit begrenzt, Turbinengeneratoren und nicht zuletzt den Motor selbst zu warten.

Das heißt, einerseits wird alles wie eine Dampfturbinenanlage. Ein Turbogenerator in einem thermoakustischen Motor arbeitet jedoch bei viel niedrigeren Temperaturen (etwa 40 Grad Celsius) als in einem Dampfturbinenzyklus, in dem die Temperatur der Turbine mehr als 200 Grad erreicht. Darüber hinaus befindet sich die Turbine in einem thermoakustischen Motor in einem Inertgasmedium - Helium oder Argon - im Gegensatz zu einer Dampfturbine, die sich unter dem Aufprall der im Dampf enthaltenen Tröpfchen abnutzt. Somit ist bei einem thermoakustischen Motor im Vergleich zu einem Dampfturbogenerator eine Verlängerung der Lebensdauer des Turbogenerators zu erwarten.

Ein thermoakustischer Motor kann nahezu jede Wärmeenergiequelle nutzen, da es sich um einen Motor mit externer Wärmezufuhr sowie einen Stirlingmotor handelt. Gleichzeitig hat es einen sehr geringen Temperaturunterschied zwischen heißen und kalten Wärmetauschern, der zum Starten des Motors erforderlich ist (der niedrigste Temperaturunterschied, den ich in der Literatur festgestellt habe, beträgt 17 Grad). Daher ist es offensichtlich, dass dieser Motor das Problem unter Verwendung verschiedener Arten von Wärmeenergie löst.

Mal sehen, aufgrund dessen ein thermoakustischer Generator billiger sein kann als ein Generator eines Stirlingmotors und als ein Dampfturbinengenerator.

• Erstens durch die Verwendung von Standardrohren als Resonatorkörper. Im Gegensatz zum Stirlingmotor sollte der Fall des thermoakustischen Motors keine hohe Fertigungsgenauigkeit aufweisen. Herkömmliche Stahlrohre ohne Drehen reichen aus.
• Dann hat der thermoakustische Generator im Vergleich zum Stirling-Freikolbenmotor keinen linearen, sondern einen rotierenden Generator, was seinen Materialverbrauch und folglich seine Kosten reduziert.
• Und schließlich kann der Turbogenerator, da er fast bei Raumtemperatur arbeitet, Kunststoffteile in seiner Zusammensetzung verwenden, was die Herstellungskosten senkt.

Daher sollte ein thermoakustischer Generator, der zu einem kommerziellen Design gebracht wird, seine Nische auf dem Mikro-KWK-Markt besetzen.