Por que preciso de um gerador termoacústico?

Fig. 1 Aparência estimada de um gerador de gás termoacústico em casa

Em um artigo anterior, eu falei sobre o desenvolvimento de um gerador termoacústico: “Criando e iniciando primeiro um motor termoacústico em ondas viajantes” . Neste artigo, quero falar mais sobre as possíveis aplicações desse gerador e como integrá-lo a um sistema de energia existente.

Uma das tendências globais recentes é a descentralização. Um número crescente de pessoas deseja ser o mais independente possível de grandes organizações. Isso se manifesta, por exemplo, na forma de um desejo de ter sua própria micro-fábrica na forma de uma impressora 3D, na forma de um desejo de liberar seu próprio dinheiro, como criptomoedas, ou na forma de um desejo de ter sua própria mídia, na forma de um canal no YouTube. A energia também seguiu há muito tempo o caminho da descentralização. Um número crescente de pessoas deseja ter sua própria fonte de energia elétrica e térmica.


Fig. 2. Uma ilustração da descentralização de energia na Dinamarca com base na cogeração distribuída. Fonte: Agência Dinamarquesa de Energia

Por exemplo, na Dinamarca, a descentralização da energia é muito ativa (Fig. 2).

Quais são os benefícios da energia descentralizada?

Além de aumentar a independência e independência de cada pessoa durante a descentralização, as vantagens são as seguintes:

- O micro-CHP está sempre muito mais próximo do consumidor do que um grande CHP. Assim, a perda de energia elétrica e térmica praticamente desaparece durante a transmissão via fios e redes de aquecimento, respectivamente.


Fig. 3. Micro-CHP Senertec Dachs F5.5 em um motor de combustão interna, 5,5 kW

- Existe a oportunidade de construir casas e empresas naqueles lugares onde era muito caro ou impossível fornecer energia. Por exemplo, você gostou de um lugar com a beleza da paisagem, mas não é possível trazer eletricidade para lá. Nesse caso, a única maneira de fornecer energia para a casa é gerar energia elétrica e térmica no local, ou seja, na própria casa.


Fig. 4. Casa particular longe da civilização

- A geração distribuída de energia aumenta a estabilidade do sistema energético a vários acidentes e desastres. No caso de uma catástrofe em uma grande usina termelétrica, com geração descentralizada, o número de pessoas desligadas do fornecimento de energia é reduzido.


Fig. 5. Desastre na Central Elétrica de Fukushima

- A geração distribuída possui grande flexibilidade e adaptabilidade, com mudanças bruscas e desiguais no consumo de energia em todo o território. Graças à descentralização, torna-se possível combinar várias fontes de energia em uma única rede inteligente chamada Micro Grid, que alinha e otimiza a produção e o consumo de energia.


Fig. 6. Representação esquemática da Micro Grid, uma rede elétrica inteligente que otimiza a produção e o consumo de energia.

- Nos países onde é permitido legalmente vender eletricidade excedente gerada em uma rede comum, é possível ganhar dinheiro com a ajuda do micro CHP. O tipo de lucro mais comum no momento é em áreas solares, nas quais, ao fixar painéis solares no telhado da sua casa, você pode devolver o custo dos painéis por vários anos vendendo eletricidade e depois lucrar com eles.


Fig. 7. Usina de energia solar no telhado da casa

- Então, a perspectiva de microcogeração está no fato de que, quando o recurso das grandes usinas existentes termina, o dilema surge: construir uma nova usina grande ou muitas pequenas? Recentemente, a escolha foi cada vez mais focada na criação de uma rede de CHPs médios, mini e micro, em vez de uma grande que falhou.

Limitações à descentralização de energia

A descentralização da energia tem muitas vantagens. Ao mesmo tempo, não se pode dizer que é necessário lutar pelo caso da maior descentralização possível. Ou seja, no caso em que cada particular, em cada edifício de vários andares, em cada empresa e em cada edifício tenha sua própria usina termelétrica. Em locais de grande congestionamento de consumidores de energia, um grande PCCE superará um grupo de micro-PCS devido aos custos mais baixos de geração de energia associados a processos de manutenção mais otimizados, menor complexidade e consumo de material.


Fig. 8. PCCE Noroeste

No entanto, existem locais com baixa densidade de consumidores e locais em que a construção de grandes usinas termelétricas é impossível ou irracional. É nesses locais que os micro-CHPs ocupam gradualmente o mercado e expulsam grandes CHPPs. Juntamente com os micro-PCHs, também existem fontes alternativas de energia, como usinas de energia solar e eólica, que também são focadas em áreas do planeta não densamente povoadas e de difícil alcance, mas não são funcionais em locais com baixa atividade solar e na ausência da quantidade necessária de energia eólica.

Assim, pode-se dizer que a descentralização da produção de energia usando micro-TPPs é mais promissora em áreas não densamente povoadas com atividade solar relativamente baixa e com energia eólica relativamente baixa ou vento instável.

A zona ideal para o uso de usinas termotérmicas na Rússia


Fig. 9. Mapa da produção de energia na Rússia

Então, quais são os tamanhos ideais do território para o uso de usinas termotérmicas e quantas pessoas vivem nele? Por exemplo, pegue a Rússia. Cerca de 13% da população, ou seja, 19,1 milhões de pessoas, estão na zona não coberta pelo fornecimento centralizado de eletricidade (para 2018). Apenas um terço do território do país é coberto pelo fornecimento centralizado de eletricidade.


Fig. 10. Mapa da insolação solar na Rússia


Fig. 11. Mapa da atividade eólica na Rússia

Se você olhar os mapas de atividade solar e energia eólica, poderá ver que a maioria dos usuários da parte européia da Rússia que não estão conectados ao suprimento centralizado de energia está na zona com baixa atividade solar e eólica. Assim, eles estão na zona ideal para usinas termotérmicas.

No momento, na grande maioria dos casos nessa região, são usados ​​micro-TPPs baseados em motores de combustão interna ou vários geradores em um motor de combustão interna e uma caldeira de aquecimento.


Fig. 12. Mini-PCCE em gás liquefeito e natural na cidade de Klin, região de Moscou

Os grupos geradores de gás de microturbina Capstone também ganharam distribuição na Rússia.


Fig. 13. Microgeradores Capstone

Quais são os problemas das usinas de energia atualmente existentes?

Os principais problemas dos micro-CHPs ativamente explorados existentes são:

• intervalos de manutenção curtos, baixa confiabilidade.

Fig. 14. Reparação de um gerador diesel

Os geradores de turbinas a diesel e a gás requerem manutenção, no máximo, uma vez por ano. Isso aumenta o custo de geração de eletricidade, cria trabalho organizacional desnecessário para os proprietários de uma instalação e, durante a manutenção, a instalação naturalmente deve ser interrompida por um certo tempo, o que cria problemas para os consumidores.

- As plantas de turbinas a diesel e a gás não têm a capacidade de usar todos os tipos de combustíveis (líquidos, gasosos, sólidos) e também não há como usar fontes alternativas de energia térmica (solar, geotérmica, calor residual).


Fig. 15. Possíveis tipos de energia térmica para micro CHP. Da esquerda para a direita: desperdício de calor da empresa, energia geotérmica, energia solar, energia de combustíveis combustíveis

Nem todos os consumidores têm a melhor fonte de energia térmica para micro-CHPs - é diesel ou gás natural. Pode ser muito mais barato usar outras fontes de energia térmica. Por exemplo, em uma empresa onde a energia térmica é descarregada na atmosfera, parte dessa energia pode ser economizada gerando eletricidade a partir de uma usina microtérmica. Ou em áreas com fontes geotérmicas (por exemplo, o território de Kamchatka) usam a energia térmica dos intestinos da terra. Em áreas com alta atividade solar, a energia solar pode ser usada para aquecimento, ou em conjunto a energia solar e a energia do combustível combustível.

Assim, o uso de geradores de turbinas a diesel e a gás apenas de combustíveis é sua desvantagem óbvia.

- Alto preço inicial do micro-CHP. Devido ao alto preço, muitas pessoas se recusam a comprar a instalação, pois mesmo depois de alguns anos fica mais barato usar a instalação do que conectar à rede elétrica, as pessoas não conseguem dominar imediatamente o preço das usinas termotérmicas.

Resolução de problemas

Os dois primeiros acima identificaram problemas com um intervalo baixo entre eles. o serviço e a onívora são decididos pelas instalações construídas com base nos motores Stirling.


Fig. 16. Micro CHP Viessmann Vitotwin 300-W

Outra solução para os dois primeiros problemas são instalações baseadas em microturbinas a vapor, ou seja, instalações operando de acordo com o ciclo Rankine.

Como exemplo dessa instalação, desenvolvida na Rússia, pode-se citar um complexo de microenergia baseado em uma microturbina de vapor úmido criada pela empresa de pesquisa e produção Don Technologies


Fig. 17. IEC "Don Technologies" com uma potência elétrica de 5 kW

Apesar de todas as vantagens dessas unidades em comparação às instalações de motores de combustão interna e turbinas a gás, elas ainda não obtiveram grande popularidade devido ao maior custo inicial, complexidade de reparos ou manutenção não programada (falta de trabalhadores qualificados que podem fazer reparos não programados) e a razão do longo vício das pessoas em novas tecnologias.

Gerador termoacústico

Assim como as instalações no motor Stirling e no ciclo da turbina a vapor resolvem os problemas com um intervalo baixo entre eles. manutenção e falta de onívora na escolha de um combustível, o gerador termoacústico também resolve esses problemas. Assim, para ter uma posição no mercado, um gerador termoacústico deve ter um custo inicial menor que o dessas usinas e, de preferência, menor que o das turbinas a diesel e a gás. Considere, devido ao qual o gerador termoacústico resolve os problemas desses. onívoros e se é possível resolver o problema com um preço inicial alto.

Gostaria de lembrá-lo, para quem não leu os artigos anteriores, “1 artigo” , “2 artigo” , que o mecanismo termoacústico desenvolvido por mim se parece esquematicamente com isto:


Fig. 18. O esquema de um motor de quatro velocidades com uma onda que viaja

Um sistema que consiste em um ressonador e trocadores de calor gera energia acústica sob a influência da energia térmica. Ou seja, na presença de uma certa diferença de temperatura entre os trocadores de calor, uma onda acústica itinerante aparece no ressonador.

Um mecanismo termoacústico neste formulário possui um recurso extremamente alto, pois não contém nenhuma parte móvel. Mas, para gerar eletricidade, são necessários adicionalmente turbogeradores, os quais devem primeiro converter energia acústica em energia mecânica de rotação do rotor dos turbogeradores e depois em eletricidade. Portanto, espera-se que o intervalo máximo entre eles. a manutenção nesta parte será limitada pela necessidade de atender geradores de turbinas e, por último mas não menos importante, o próprio motor.

Ou seja, por um lado, tudo acaba como uma instalação de turbina a vapor. No entanto, um turbogerador em um motor termoacústico opera em temperaturas muito mais baixas (cerca de 40 graus Celsius) do que em um ciclo de turbina a vapor, onde a temperatura da turbina atinge mais de 200 graus. Além disso, em um motor termoacústico, a turbina está em um gás inerte - hélio ou argônio, em contraste com uma turbina a vapor, que se desgasta sob o impacto de gotículas contidas no vapor. Assim, pode-se esperar um aumento na vida do turbogerador em um motor termoacústico em comparação com um turbogerador a vapor.

Um motor termoacústico pode usar quase qualquer fonte de energia térmica, pois é um motor com suprimento externo de calor, além de um motor Stirling. Ao mesmo tempo, possui uma diferença de temperatura muito baixa entre os trocadores de calor quente e frio, necessária para a partida do motor (a menor diferença de temperatura que encontrei na literatura é de 17 graus). Portanto, é óbvio que esse mecanismo resolve o problema usando vários tipos de energia térmica.

Vamos ver, devido ao qual um gerador termoacústico pode ser mais barato que um gerador em um motor Stirling e um turbina a vapor.

• Em primeiro lugar, através do uso de tubos padrão como um corpo de ressonador. Ao contrário do motor Stirling, o gabinete do motor termoacústico não deve ter alta precisão de fabricação. Tubos de aço convencionais sem girar servem.
• Então, em comparação com o motor de pistão livre Stirling, o gerador termoacústico não possui um gerador linear, mas rotativo, o que reduz o consumo de material e, consequentemente, o custo.
• E, finalmente, o turbogerador, já que funciona quase à temperatura ambiente, pode usar peças plásticas em sua composição, o que reduz o custo de sua fabricação.

Assim, um gerador termoacústico trazido a um design comercial deve ocupar seu nicho no mercado de micro-PCCE.