Pourquoi ai-je besoin d'un générateur thermoacoustique?

Fig. 1 Apparence estimée d'un générateur de gaz thermoacoustique domestique

Dans un article précédent, j'ai parlé du développement d'un générateur thermoacoustique: «Création et démarrage d'un moteur thermoacoustique à ondes progressives» . Dans cet article, je veux parler davantage des applications possibles de ce générateur et de la façon de l'intégrer dans un système d'alimentation existant.

L'une des tendances mondiales récentes est la décentralisation. Un nombre croissant de personnes souhaitent être aussi indépendantes que possible des grandes organisations. Cela se manifeste, par exemple, sous la forme d'un désir d'avoir leur propre micro-usine sous la forme d'une imprimante 3D, sous la forme d'un désir de libérer leur propre argent, comme les crypto-monnaies, ou sous la forme d'un désir d'avoir leurs propres médias, sous la forme d'une chaîne sur YouTube. L'énergie a également longtemps suivi la voie de la décentralisation. Un nombre croissant de personnes souhaitent disposer de leur propre source d'énergie électrique et thermique.


Fig. 2. Une illustration de la décentralisation de l'énergie au Danemark basée sur la cogénération distribuée. Source: Agence danoise de l'énergie

Par exemple, au Danemark, la décentralisation de l'énergie est très active (Fig. 2).

Quels sont les avantages de l'énergie décentralisée?

En plus d'augmenter l'indépendance et l'indépendance de chaque individu lors de la décentralisation, les avantages sont les suivants:

- La micro-cogénération est toujours beaucoup plus proche du consommateur qu'une grande cogénération. Ainsi, la perte d'énergie électrique et thermique disparaît pratiquement lors de la transmission via les fils et le réseau de chauffage, respectivement.


Fig. 3. Micro-CHP Senertec Dachs F5.5 sur un moteur à combustion interne, 5,5 kW

- Il est possible de construire des maisons et des entreprises dans les endroits où il était trop cher ou impossible de fournir de l'énergie. Par exemple, vous avez aimé un endroit avec la beauté du paysage, mais il n'est pas possible d'y apporter de l'électricité. Dans ce cas, la seule façon de fournir de l'énergie à la maison est de générer de l'énergie électrique et thermique sur place, c'est-à-dire dans la maison elle-même.


Fig. 4. Maison privée loin de la civilisation

- La production d'énergie distribuée augmente la stabilité du système énergétique face à divers accidents et catastrophes. En cas de catastrophe dans une grande centrale thermique à production décentralisée, le nombre de personnes coupées de l'approvisionnement énergétique est réduit.


Fig. 5. Catastrophe à la centrale électrique de Fukushima

- La production distribuée a une grande flexibilité et adaptabilité avec des changements brusques et inégaux dans la consommation d'énergie à travers le territoire. Grâce à la décentralisation, il devient possible de combiner plusieurs sources d'énergie en un seul réseau intelligent appelé Micro Grid, qui aligne et optimise la production et la consommation d'énergie.


Fig. 6. Représentation schématique de Micro Grid, un réseau électrique intelligent qui optimise la production et la consommation d'énergie.

- Dans les pays où il est légalement autorisé de vendre le surplus d'électricité produite à un réseau commun, il est possible de gagner de l'argent à l'aide de la micro-cogénération. Le type de revenus le plus courant à l'heure actuelle est dans les zones ensoleillées, dans lesquelles, en fixant des panneaux solaires sur le toit de votre maison, vous pouvez rembourser le coût des panneaux pendant plusieurs années de vente d'électricité, puis en tirer profit.


Fig. 7. Centrale solaire sur le toit de la maison

- Ensuite, la perspective de la micro-cogénération réside dans le fait que lorsque la ressource des grandes centrales existantes arrive à son terme, le dilemme se pose: construire une nouvelle grande centrale ou de nombreuses petites? Récemment, le choix s'est de plus en plus concentré sur la création d'un réseau de CHP moyens, mini et micro, au lieu d'un grand qui a échoué.

Limitations de la décentralisation de l'énergie

La décentralisation de l'énergie présente de nombreux avantages. En même temps, on ne peut pas dire qu'il faut tendre vers le cas de la plus grande décentralisation possible. C'est-à-dire, dans le cas où chaque privé, dans chaque bâtiment à plusieurs étages, dans chaque entreprise et dans chaque bâtiment a sa propre centrale thermique. Dans les lieux de congestion dense des consommateurs d'énergie, une grande centrale thermique devancera le groupe des microcentrales thermiques en raison de coûts de production d'énergie plus faibles associés à des processus de maintenance plus optimisés, à une complexité et à une consommation de matériaux moins importantes.


Fig. 8. PCCE nord-ouest

Cependant, il existe des endroits à faible densité de consommation et des endroits où la construction de grandes centrales thermiques est impossible ou déraisonnable. C'est dans ces lieux que les micro-cogénérations occupent progressivement le marché et évincent les grandes cogénérations. En plus des micro-cogénérations, il existe également des sources d'énergie alternatives, telles que les centrales solaires et éoliennes, qui se concentrent également sur les zones peu densément peuplées et difficiles d'accès de la planète, mais elles ne fonctionnent pas dans les endroits à faible activité solaire et en l'absence de la quantité requise d'énergie éolienne.

Ainsi, on peut dire que la décentralisation de la production d'énergie à l'aide de micro-TPP est la plus prometteuse dans les zones non densément peuplées avec une activité solaire relativement faible et avec une énergie éolienne relativement faible ou un vent instable.

La zone optimale pour l'utilisation des centrales micro-thermiques en Russie


Fig. 9. Carte de la production d'énergie en Russie

Alors, quelles sont les dimensions du territoire optimales pour l'utilisation des centrales micro-thermiques et combien de personnes y vivent? Par exemple, prenez la Russie. Environ 13% de la population, soit 19,1 millions de personnes, se trouvent dans la zone non couverte par une alimentation électrique centralisée (pour 2018). Seul un tiers du territoire du pays est couvert par une alimentation électrique centralisée.


Fig. 10. Carte de l'ensoleillement solaire en Russie


Fig. 11. Carte de l'activité éolienne en Russie

Si vous regardez les cartes de l'activité solaire et de l'énergie éolienne, vous pouvez voir que la plupart des utilisateurs de la partie européenne de la Russie qui ne sont pas connectés à un approvisionnement énergétique centralisé se trouvent dans la zone à faible activité solaire et éolienne. Ainsi, ils sont dans la zone optimale pour les centrales micro-thermiques.

À l'heure actuelle, dans la grande majorité des cas dans cette région, des micro-TPP basés sur des moteurs à combustion interne, ou un groupe électrogène sur un moteur à combustion interne et une chaudière de chauffage sont utilisés.


Fig. 12. Mini-cogénération sur le gaz liquéfié et naturel dans la ville de Klin, région de Moscou

Les groupes électrogènes à gaz de microturbine Capstone ont également gagné en distribution en Russie.


Fig. 13. Microgénérateurs Capstone

Quels sont les problèmes des micro-centrales existantes?

Les principaux problèmes des micro-cogénérations exploitées activement sont:

• intervalles de maintenance courts, faible fiabilité.

Fig. 14. Réparation d'un générateur diesel

Les générateurs diesel et à turbine à gaz nécessitent au mieux une maintenance une fois par an. Cela augmente le coût de production d'électricité, crée un travail d'organisation inutile pour les propriétaires d'une telle installation, et pendant la maintenance, l'installation doit naturellement être arrêtée pendant un certain temps, ce qui crée des problèmes pour les consommateurs.

- Les usines de turbines à gazole et diesel n'ont pas la capacité d'utiliser tous les types de combustibles (liquides, gazeux, combustibles solides), et il n'y a aucun moyen d'utiliser des sources alternatives d'énergie thermique (solaire, géothermique, chaleur perdue).


Fig. 15. Types possibles d'énergie thermique pour la micro-cogénération. De gauche à droite: chaleur perdue de l'entreprise, géothermie, énergie solaire, énergie des combustibles combustibles

Tous les consommateurs n'ont pas la meilleure source d'énergie thermique pour les micro-cogénérations - le diesel ou le gaz naturel. Il peut être beaucoup moins cher d'utiliser d'autres sources d'énergie thermique. Par exemple, dans une entreprise où l'énergie thermique est rejetée dans l'atmosphère, une partie de cette énergie peut être économisée en générant de l'électricité à partir de celle-ci dans une centrale micro-thermique. Ou dans les zones avec des sources géothermiques (par exemple, le territoire du Kamchatka), utilisez l'énergie thermique des entrailles de la terre. Dans les zones à forte activité solaire, l'énergie solaire peut être utilisée pour le chauffage, ou conjointement l'énergie solaire et l'énergie du combustible combustible.

Ainsi, l'utilisation de générateurs diesel et à turbine à gaz uniquement de combustibles combustibles est leur inconvénient évident.

- Prix de départ élevé de la micro-cogénération. En raison du prix élevé, de nombreuses personnes refusent d'acheter l'installation, car même après quelques années, il devient moins coûteux d'utiliser l'installation que de la connecter au réseau, les gens ne sont pas en mesure de surpasser immédiatement le prix des centrales micro-thermiques.

Résolution de problèmes

Les deux premiers ci-dessus ont identifié des problèmes avec un faible intervalle entre ceux-ci. le service et l'omnivore sont décidés par des installations construites sur la base de moteurs Stirling.


Fig. 16. Viessmann Vitotwin 300-W Micro CHP

Une autre solution aux deux premiers problèmes est l'installation à base de microturbines à vapeur, c'est-à-dire les installations fonctionnant selon le cycle de Rankine.

A titre d'exemple d'une telle installation, développée en Russie, on peut citer un complexe de micro-énergie basé sur une microturbine à vapeur humide créée par l'entreprise de recherche et de production Don Technologies


Fig. 17. IEC "Don Technologies" avec une puissance électrique de 5 kW

Malgré tous les avantages de ces installations par rapport aux installations sur les moteurs à combustion interne et les moteurs à turbine à gaz, elles n'ont pas encore acquis une grande popularité en raison du coût initial plus élevé, de la complexité des réparations ou de la maintenance imprévue (manque de travailleurs qualifiés pouvant effectuer des réparations imprévues) la raison de la longue dépendance des gens aux nouvelles technologies.

Générateur thermoacoustique

Tout comme les installations sur le moteur Stirling et sur le cycle de la turbine à vapeur résolvent les problèmes avec un faible intervalle entre ceux-ci. maintenance et manque d'omnivores lors du choix d'un combustible, le générateur thermoacoustique résout de même ces problèmes. Ainsi, pour prendre sa place sur le marché, un générateur thermoacoustique doit avoir un coût initial inférieur à celui de ces centrales, et de préférence inférieur à celui des turbines diesel et à turbine à gaz. Considérez, grâce à quoi le générateur thermoacoustique résout les problèmes de ceux-ci. service et omnivore, et s'il est possible de résoudre le problème avec un prix initial élevé.

Permettez-moi de vous rappeler, pour ceux qui n'ont pas lu les articles précédents, «1 article» , «2 article» , que le moteur thermoacoustique développé par moi ressemble schématiquement à ceci:


Fig. 18. Le schéma d'un moteur à quatre vitesses avec une onde progressive

Un système composé d'un résonateur et d'échangeurs de chaleur génère de l'énergie acoustique sous l'influence de l'énergie thermique. C'est-à-dire qu'en présence d'une certaine différence de température entre les échangeurs de chaleur, une onde acoustique mobile apparaît dans le résonateur.

Un moteur thermoacoustique sous cette forme a une ressource extrêmement élevée, car il ne contient aucune pièce mobile. Mais pour générer de l'électricité, des turbogénérateurs sont en outre nécessaires, qui doivent d'abord convertir l'énergie acoustique en énergie mécanique de rotation du rotor des turbogénérateurs, puis en électricité. Par conséquent, il est prévu que l'intervalle maximum entre ceux-ci. la maintenance dans cette partie sera limitée par la nécessité de réparer les turbogénérateurs et, enfin, le moteur lui-même.

Autrement dit, tout se passe comme une installation de turbine à vapeur. Cependant, un turbogénérateur dans un moteur thermoacoustique fonctionne à des températures beaucoup plus basses (environ 40 degrés Celsius) que dans un cycle de turbine à vapeur, où la température de la turbine atteint plus de 200 degrés. De plus, dans un moteur thermoacoustique, la turbine est dans un gaz inerte - hélium ou argon, contrairement à une turbine à vapeur, qui s'use sous l'impact des gouttelettes contenues dans la vapeur. Ainsi, on peut s'attendre à une augmentation de la durée de vie du turbogénérateur dans un moteur thermoacoustique par rapport à un turbogénérateur à vapeur.

Un moteur thermoacoustique peut utiliser presque toutes les sources d'énergie thermique, car il s'agit d'un moteur avec un apport de chaleur externe, ainsi que d'un moteur Stirling. En même temps, il a une très faible différence de température entre les échangeurs de chaleur chauds et froids, nécessaire pour démarrer le moteur (la différence de température la plus basse que j'ai rencontrée dans la littérature est de 17 degrés). Par conséquent, il est évident que ce moteur résout le problème en utilisant différents types d'énergie thermique.

Voyons, grâce à quoi un générateur thermoacoustique peut être moins cher qu'un générateur sur un moteur Stirling et qu'une turbine à vapeur.

• Tout d'abord, grâce à l'utilisation de tuyaux standard comme corps de résonateur. Contrairement au moteur Stirling, le boîtier du moteur thermoacoustique ne doit pas avoir une grande précision de fabrication. Les tuyaux en acier conventionnels sans tourner feront l'affaire.
• Ensuite, par rapport au moteur à pistons libres Stirling, le générateur thermoacoustique n'a pas un générateur linéaire mais rotatif, ce qui réduit sa consommation de matière et, par conséquent, son coût.
• Et enfin, le turbogénérateur, puisqu'il fonctionne presque à température ambiante, peut utiliser des pièces en plastique dans sa composition, ce qui réduit le coût de sa fabrication.

Ainsi, un générateur thermoacoustique amené à une conception commerciale devrait occuper sa niche sur le marché de la micro-cogénération.