Mengapa saya membutuhkan generator termoakustik?

Fig. 1 Perkiraan penampilan generator gas termoakustik rumah

Dalam artikel sebelumnya, saya berbicara tentang mengembangkan generator termoakustik: "Membuat dan pertama memulai mesin thermoacoustic gelombang bepergian" . Pada artikel ini saya ingin berbicara lebih banyak tentang kemungkinan aplikasi generator ini dan bagaimana mengintegrasikannya ke dalam sistem tenaga yang ada.

Salah satu tren global terkini adalah desentralisasi. Semakin banyak orang yang ingin mandiri sebisa mungkin dari organisasi besar. Ini diwujudkan, misalnya, dalam bentuk keinginan untuk memiliki pabrik mikro mereka sendiri dalam bentuk printer 3D, dalam bentuk keinginan untuk melepaskan uang mereka sendiri, seperti cryptocurrency, atau dalam bentuk keinginan untuk memiliki media sendiri, dalam bentuk saluran di YouTube. Energi juga telah lama mengambil jalan menuju desentralisasi. Semakin banyak orang yang ingin memiliki sumber energi listrik dan termal sendiri.


Fig. 2. Ilustrasi desentralisasi energi di Denmark berdasarkan kogenerasi terdistribusi. Sumber: Badan Energi Denmark

Sebagai contoh, di Denmark, desentralisasi energi sangat aktif (Gbr. 2).

Apa manfaat energi desentralisasi?

Selain meningkatkan kemandirian dan kemandirian setiap orang selama desentralisasi, keuntungannya adalah:

- Micro-CHP selalu lebih dekat ke konsumen daripada CHP besar. Dengan demikian, hilangnya energi listrik dan termal praktis menghilang selama transmisi melalui kabel dan kabel pemanas, masing-masing.


Fig. 3. Micro-CHP Senertec Dachs F5.5 pada mesin pembakaran internal, 5,5 kW

- Ada peluang untuk membangun rumah dan perusahaan di tempat-tempat di mana terlalu mahal atau tidak mungkin untuk memasok energi sama sekali. Misalnya, Anda menyukai tempat dengan keindahan lanskap, tetapi tidak mungkin membawa listrik ke sana. Dalam hal ini, satu-satunya cara untuk memasok energi ke rumah adalah dengan menghasilkan energi listrik dan panas di tempat, yaitu di rumah itu sendiri.


Fig. 4. Rumah pribadi jauh dari peradaban

- Pembangkitan energi yang didistribusikan meningkatkan stabilitas sistem energi untuk berbagai kecelakaan dan bencana. Jika terjadi bencana di pembangkit listrik tenaga panas yang besar, dengan pembangkitan desentralisasi, jumlah orang yang terputus dari pasokan energi berkurang.


Fig. 5. Bencana di Pembangkit Listrik Fukushima

- Generasi terdistribusi memiliki fleksibilitas dan kemampuan beradaptasi yang tinggi dengan perubahan konsumsi energi yang tajam dan tidak merata di seluruh wilayah. Berkat desentralisasi, menjadi mungkin untuk menggabungkan beberapa sumber energi menjadi satu jaringan cerdas yang disebut Micro Grid, yang menyejajarkan dan mengoptimalkan produksi dan konsumsi energi.


Fig. 6. Representasi skematis dari Kotak Mikro, sebuah jaringan listrik cerdas yang mengoptimalkan produksi dan konsumsi energi.

- Di negara-negara di mana secara legal diizinkan untuk menjual kelebihan listrik yang dihasilkan ke jaringan bersama, dimungkinkan untuk menghasilkan uang dengan bantuan CHP mikro. Jenis pendapatan yang paling umum saat ini adalah di daerah tenaga surya, di mana, dengan memasang panel surya di atap rumah Anda, Anda dapat mengembalikan biaya panel selama beberapa tahun untuk menjual listrik dan kemudian mengambil untung darinya.


Fig. 7. Pembangkit listrik tenaga surya di atap rumah

- Kemudian, prospek CHP mikro terletak pada kenyataan bahwa ketika sumber daya dari pembangkit listrik besar yang ada berakhir, dilema muncul: untuk membangun pembangkit listrik besar baru atau banyak yang kecil? Baru-baru ini, pilihannya semakin terfokus pada penciptaan jaringan CHP menengah, mini dan mikro, daripada jaringan besar yang gagal.

Keterbatasan desentralisasi energi

Desentralisasi energi memiliki banyak keuntungan. Pada saat yang sama, orang tidak dapat mengatakan bahwa perlu berjuang untuk kasus desentralisasi sebesar mungkin. Yaitu, untuk kasus ketika masing-masing pribadi, di setiap gedung bertingkat, di setiap perusahaan dan di setiap gedung memiliki pembangkit listrik termal sendiri. Di tempat-tempat padatnya kemacetan konsumen energi, pembangkit listrik tenaga panas yang besar akan berada di depan kelompok pembangkit listrik tenaga mikro-termal karena biaya pembangkit energi yang lebih rendah terkait dengan proses pemeliharaan yang lebih dioptimalkan, lebih sedikit kerumitan dan konsumsi bahan.


Fig. 8. CHP Utara-Barat

Namun, ada tempat-tempat dengan kepadatan konsumen yang rendah dan tempat-tempat di mana pembangunan pembangkit listrik tenaga panas yang besar tidak mungkin atau tidak masuk akal. Di tempat-tempat inilah CHP mikro secara bertahap menempati pasar dan mengeluarkan CHPP besar. Bersamaan dengan mikro-CHP, ada juga sumber energi alternatif, seperti pembangkit listrik tenaga surya dan angin, yang juga difokuskan pada daerah-daerah yang tidak padat penduduknya dan sulit dijangkau di planet ini, tetapi mereka tidak berfungsi di tempat-tempat dengan aktivitas matahari rendah dan tanpa adanya jumlah energi angin yang diperlukan.

Dengan demikian, dapat dikatakan bahwa desentralisasi produksi energi menggunakan micro-CHP paling menjanjikan di daerah yang tidak padat penduduknya dengan aktivitas matahari yang relatif rendah dan dengan tenaga angin yang relatif rendah atau angin yang tidak stabil.

Zona optimal untuk penggunaan pembangkit listrik mikro-termal di Rusia


Fig. 9. Peta produksi energi di Rusia

Jadi apa ukuran wilayah yang optimal untuk menggunakan pembangkit listrik mikro-termal dan berapa banyak orang yang tinggal di sana? Misalnya, ambil Rusia. Sekitar 13% dari populasi, yaitu 19,1 juta orang, berada di zona yang tidak dicakup oleh pasokan listrik terpusat (untuk 2018). Hanya sepertiga dari wilayah negara yang dicakup oleh pasokan listrik terpusat.


Fig. 10. Peta insolasi matahari di Rusia


Fig. 11. Peta aktivitas angin di Rusia

Jika Anda melihat peta aktivitas matahari dan energi angin, Anda dapat melihat bahwa sebagian besar pengguna bagian Eropa Rusia yang tidak terhubung ke pasokan energi terpusat berada di zona dengan aktivitas matahari dan angin yang rendah. Dengan demikian, mereka berada di zona optimal untuk pembangkit listrik mikro-termal.

Pada saat ini, dalam sebagian besar kasus di wilayah ini, mikro-TPP didasarkan pada mesin pembakaran internal, atau sekelompok generator pada mesin pembakaran internal dan boiler pemanas digunakan.


Fig. 12. Mini-CHP tentang gas alam cair dan cair di kota Klin, wilayah Moskow

Genset gas mikroturbin Capstone juga telah memperoleh distribusi di Rusia.


Fig. 13. Pembuat mikro Capstone

Apa masalah pembangkit listrik mikro yang ada saat ini?

Masalah utama dari CHP mikro yang sudah dieksploitasi secara aktif adalah:

• interval perawatan pendek, keandalan rendah.

Fig. 14. Perbaikan generator diesel

Generator turbin diesel dan gas membutuhkan perawatan paling baik setahun sekali. Ini meningkatkan biaya pembangkit listrik, menciptakan pekerjaan organisasi yang tidak perlu bagi pemilik instalasi semacam itu, dan selama pemeliharaan, instalasi secara alami harus dihentikan untuk waktu tertentu, yang menimbulkan masalah bagi konsumen.

- Pabrik turbin diesel dan gas tidak memiliki kemampuan untuk menggunakan semua jenis bahan bakar yang mudah terbakar (bahan bakar cair, gas, bahan bakar padat), dan juga tidak ada cara untuk menggunakan sumber energi alternatif alternatif (matahari, panas bumi, limbah panas).


Fig. 15. Kemungkinan jenis energi termal untuk CHP mikro. Dari kiri ke kanan: buang panas dari perusahaan, energi panas bumi, energi matahari, energi bahan bakar yang mudah terbakar

Tidak semua konsumen memiliki sumber energi panas terbaik untuk mikro-CHP - adalah bahan bakar diesel atau gas alam. Jauh lebih murah menggunakan sumber energi panas lainnya. Misalnya, dalam suatu perusahaan di mana energi panas dibuang ke atmosfer, sebagian dari energi ini dapat dihemat dengan menghasilkan listrik darinya di pembangkit listrik tenaga mikro-termal. Atau di daerah dengan sumber panas bumi (misalnya, Wilayah Kamchatka) menggunakan energi panas dari perut bumi. Di daerah dengan aktivitas matahari tinggi, energi matahari dapat digunakan untuk pemanasan, atau bersama-sama energi matahari dan energi bahan bakar yang mudah terbakar.

Dengan demikian, penggunaan generator turbin diesel dan gas dari bahan bakar yang mudah terbakar adalah kelemahannya.

- Harga awal mikro-CHP yang tinggi. Karena tingginya harga, banyak orang menolak untuk membeli instalasi, karena setidaknya beberapa tahun kemudian penggunaan instalasi menjadi lebih murah daripada menghubungkan ke jaringan listrik, orang tidak dapat mengalahkan harga pembangkit listrik mikro-termal segera.

Pemecahan masalah

Dua yang pertama di atas mengidentifikasi masalah dengan interval rendah di antara mereka. layanan dan omnivora ditentukan oleh instalasi yang dibangun berdasarkan mesin Stirling.


Fig. 16. Viessmann Vitotwin 300-W Micro CHP

Solusi lain untuk dua masalah pertama adalah instalasi berbasis pada mikroturbin uap, yaitu instalasi yang beroperasi sesuai dengan siklus Rankine.

Sebagai contoh dari instalasi semacam itu, dikembangkan di Rusia, orang dapat mengutip kompleks energi mikro berdasarkan mikroturbin uap basah yang dibuat oleh perusahaan riset dan produksi Don Technologies


Fig. 17. IEC "Don Technologies" dengan daya listrik 5 kW

Terlepas dari semua keunggulan unit-unit ini dibandingkan dengan pemasangan pada mesin pembakaran internal dan mesin turbin gas, mereka belum mendapatkan popularitas besar karena biaya awal yang lebih tinggi, kompleksitas perbaikan atau pemeliharaan tidak terjadwal (kurangnya pekerja berkualitas yang mampu melakukan perbaikan yang tidak terjadwal) dan alasan kecanduan lama orang terhadap teknologi baru.

Generator Termoakustik

Sama seperti instalasi pada mesin Stirling dan pada siklus turbin uap memecahkan masalah dengan interval rendah di antara mereka. pemeliharaan dan kurangnya omnivora saat memilih bahan bakar, generator termoakustik juga memecahkan masalah ini. Oleh karena itu, untuk mengambil tempat di pasar, generator termoakustik perlu memiliki biaya awal yang lebih rendah daripada pembangkit ini, dan lebih disukai lebih rendah daripada generator turbin diesel dan gas. Pertimbangkan, karena mana generator termoakustik memecahkan masalah itu. layanan dan omnivora, dan apakah mungkin untuk menyelesaikan masalah dengan harga awal yang tinggi.

Biarkan saya mengingatkan Anda, bagi mereka yang belum membaca artikel sebelumnya, "1 artikel" , "2 artikel" , bahwa mesin termoakustik yang saya kembangkan terlihat secara skematis seperti ini:


Fig. 18. Skema mesin empat kecepatan dengan gelombang travelling

Suatu sistem yang terdiri dari resonator dan penukar panas menghasilkan energi akustik di bawah pengaruh energi termal. Artinya, dengan adanya perbedaan suhu tertentu antara penukar panas, gelombang akustik bepergian muncul di resonator.

Mesin termoakustik dalam bentuk ini memiliki sumber daya yang sangat tinggi, karena tidak mengandung bagian yang bergerak. Tetapi untuk menghasilkan listrik, turbogenerator juga diperlukan, yang pertama-tama harus mengubah energi akustik menjadi energi mekanik rotasi rotor turbogenerator, dan kemudian menjadi listrik. Oleh karena itu, diharapkan interval maksimum di antara mereka. pemeliharaan pada bagian ini akan dibatasi oleh kebutuhan untuk melayani generator turbin dan, terakhir namun tidak kalah pentingnya, mesin itu sendiri.

Yaitu, di satu sisi, semuanya ternyata seperti instalasi turbin uap. Namun, generator turbo dalam mesin termoakustik beroperasi pada suhu yang jauh lebih rendah (sekitar 40 derajat Celcius) daripada dalam siklus turbin uap, di mana suhu turbin mencapai lebih dari 200 derajat. Selain itu, dalam mesin termoakustik, turbin berada dalam gas inert - helium atau argon, berbeda dengan turbin uap, yang aus karena dampak tetesan yang terkandung dalam uap. Dengan demikian, kita dapat mengharapkan peningkatan umur turbogenerator dalam mesin termoakustik dibandingkan dengan turbogenerator uap.

Mesin thermoacoustic dapat menggunakan hampir semua sumber energi panas, karena merupakan mesin dengan pasokan panas eksternal, serta mesin Stirling. Pada saat yang sama, ia memiliki perbedaan suhu yang sangat rendah antara penukar panas panas dan dingin, yang diperlukan untuk menghidupkan mesin (perbedaan suhu terendah yang saya temui dalam literatur adalah 17 derajat). Karena itu, jelas bahwa mesin ini memecahkan masalah menggunakan berbagai jenis energi panas.

Mari kita lihat, karena mana generator termoakustik bisa lebih murah daripada generator pada mesin Stirling dan dari pada turbin uap.

• Pertama, melalui penggunaan pipa standar sebagai badan resonator. Berbeda dengan mesin Stirling, casing mesin thermoacoustic seharusnya tidak memiliki akurasi produksi yang tinggi. Pipa baja konvensional tanpa putaran akan berhasil.
• Kemudian, dibandingkan dengan mesin piston bebas Stirling, generator termoakustik tidak memiliki generator yang linier tetapi berputar, yang mengurangi konsumsi materialnya dan, akibatnya, biayanya.
• Dan akhirnya, turbogenerator, karena bekerja hampir pada suhu kamar, dapat menggunakan komponen plastik dalam komposisinya, yang mengurangi biaya pembuatannya.

Dengan demikian, generator termoakustik yang dibawa ke desain komersial harus menempati ceruk pasar mikro-CHP.