Conversion d'énergie thermique en énergie électrique à haut rendement : méthodes et équipements

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-02 13:54

L'énergie thermique occupe une place particulière dans l'activité humaine, car elle est utilisée dans tous les secteurs de l'économie, accompagne la plupart des processus industriels et les moyens de subsistance des personnes. Dans la plupart des cas, la chaleur résiduelle est perdue de manière irrévocable et sans aucun avantage économique. Cette ressource perdue ne vaut plus rien, sa réutilisation contribuera à la fois à réduire la crise énergétique et à protéger l'environnement. Par conséquent, de nouvelles façons de convertir la chaleur en énergie électrique et de convertir la chaleur résiduelle en électricité sont plus pertinentes que jamais aujourd'hui.

Types de production d'électricité

Transformer des sources d'énergie naturelles en électricité, en chaleur ou en énergie cinétique nécessite une efficacité maximale, en particulier dans les centrales électriques au gaz et au charbon, pour réduire les émissions de CO2_{2. Il existe différentes manières de convertirénergie thermique en énergie électrique, selon les types d'énergie primaire.}

Parmi les ressources énergétiques, le charbon et le gaz naturel sont utilisés pour produire de l'électricité par combustion (énergie thermique), et l'uranium par fission nucléaire (énergie nucléaire) pour utiliser la vapeur pour faire tourner une turbine à vapeur. Les dix principaux pays producteurs d'électricité pour 2017 sont présentés sur la photo.

Tableau de l'efficacité des systèmes existants pour la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique.

	Production d'électricité à partir d'énergie thermique	Efficacité, %
1	Centrales thermiques, centrales de cogénération	32
2	Centrales nucléaires, centrales nucléaires	80
3	Centrale à condensation, IES	40
4	Centrale à turbine à gaz, GTPP	60
5	Transducteurs thermoioniques, TEC	40
6	Générateurs thermoélectriques	7
7	Groupes électrogènes MHD avec CHP	60

Choisir une méthode pour convertir l'énergie thermique enélectrique et sa faisabilité économique dépendent du besoin en énergie, de la disponibilité du combustible naturel et de la suffisance du chantier. Le type de production varie dans le monde, ce qui entraîne une large gamme de prix de l'électricité.

Problèmes de l'industrie électrique traditionnelle

Les technologies de conversion de l'énergie thermique en énergie électrique, telles que les centrales thermiques, les centrales nucléaires, les IES, les centrales à turbine à gaz, les centrales thermiques, les générateurs thermoélectriques, les générateurs MHD présentent différents avantages et inconvénients. L'Electric Power Research Institute (EPRI) illustre les avantages et les inconvénients des technologies de production d'énergie naturelle, en examinant des facteurs critiques tels que la construction et les coûts de l'électricité, le terrain, les besoins en eau, les émissions de CO_{2, gaspillage, prix abordable et flexibilité.}

Les résultats de l'EPRI soulignent qu'il n'existe pas d'approche unique pour les technologies de production d'électricité, mais le gaz naturel en profite toujours davantage car il est abordable pour la construction, a un faible coût d'électricité, génère moins d'émissions que charbon. Cependant, tous les pays n'ont pas accès à un gaz naturel abondant et bon marché. Dans certains cas, l'accès au gaz naturel est menacé en raison de tensions géopolitiques, comme ce fut le cas en Europe de l'Est et dans certains pays d'Europe occidentale.

Technologies d'énergie renouvelable telles que l'éolienturbines, les modules solaires photovoltaïques produisent de l'électricité d'émission. Cependant, ils ont tendance à nécessiter beaucoup de terrain et les résultats de leur efficacité sont instables et dépendent de la météo. Le charbon, principale source de chaleur, est le plus problématique. Il entraîne des émissions de CO_{2, nécessite beaucoup d'eau propre pour refroidir le liquide de refroidissement et occupe une grande surface pour la construction de la station.}

Les nouvelles technologies visent à réduire un certain nombre de problèmes associés aux technologies de production d'électricité. Par exemple, les turbines à gaz combinées à une batterie de secours fournissent une sauvegarde d'urgence sans brûler de carburant, et les problèmes intermittents de ressources renouvelables peuvent être atténués en créant un stockage d'énergie abordable à grande échelle. Ainsi, aujourd'hui, il n'existe pas de moyen parfait de convertir l'énergie thermique en électricité, ce qui pourrait fournir une électricité fiable et rentable avec un impact environnemental minimal.

Centrales thermiques

Dans une centrale thermique, de la vapeur à haute pression et à haute température, obtenue à partir du chauffage de l'eau en brûlant un combustible solide (principalement du charbon), fait tourner une turbine reliée à un générateur. Ainsi, il convertit son énergie cinétique en énergie électrique. Composants d'exploitation de la centrale thermique:

1. Chaudière avec fournaise au gaz.
2. Turbine à vapeur.
3. Générateur.
4. Condensateur.
5. Tours de refroidissement.
6. Pompe à eau de circulation.
7. Pompe d'alimentationl'eau dans la chaudière.
8. Ventilateurs d'extraction forcés.
9. Séparateurs.

Le schéma type d'une centrale thermique est présenté ci-dessous.

La chaudière à vapeur est utilisée pour convertir l'eau en vapeur. Ce processus est réalisé en chauffant de l'eau dans des tuyaux avec un chauffage provenant de la combustion de carburant. Les processus de combustion sont effectués en continu dans la chambre de combustion du combustible avec alimentation en air extérieur.

La turbine à vapeur transfère l'énergie de la vapeur pour entraîner un générateur. La vapeur à haute pression et température pousse les aubes de turbine montées sur l'arbre pour qu'elles commencent à tourner. Dans ce cas, les paramètres de la vapeur surchauffée entrant dans la turbine sont réduits à un état saturé. La vapeur saturée pénètre dans le condenseur et la puissance rotative est utilisée pour faire tourner le générateur, qui produit du courant. Aujourd'hui, presque toutes les turbines à vapeur sont du type à condenseur.

Les condenseurs sont des dispositifs permettant de convertir la vapeur en eau. La vapeur s'écoule à l'extérieur des tuyaux et l'eau de refroidissement s'écoule à l'intérieur des tuyaux. Cette conception s'appelle un condensateur de surface. Le taux de transfert de chaleur dépend du débit de l'eau de refroidissement, de la surface des tuyaux et de la différence de température entre la vapeur d'eau et l'eau de refroidissement. Le processus de changement de vapeur d'eau se produit sous pression et température saturées, dans ce cas le condenseur est sous vide, car la température de l'eau de refroidissement est égale à la température extérieure, la température maximale de l'eau de condensation est proche de la température extérieure.

Le générateur convertit la mécaniqueénergie en électricité. Le générateur se compose d'un stator et d'un rotor. Le stator se compose d'un boîtier qui contient les bobines, et la station rotative à champ magnétique se compose d'un noyau qui contient la bobine.

Selon le type d'énergie produite, les TPP se divisent en IES à condensation, qui produisent de l'électricité, et en centrales de cogénération, qui produisent conjointement de la chaleur (vapeur et eau chaude) et de l'électricité. Ces derniers ont la capacité de convertir l'énergie thermique en énergie électrique avec un rendement élevé.

Centrales nucléaires

Les centrales nucléaires utilisent la chaleur dégagée lors de la fission nucléaire pour chauffer l'eau et produire de la vapeur. La vapeur est utilisée pour faire tourner de grandes turbines qui produisent de l'électricité. Lors de la fission, les atomes se divisent pour former des atomes plus petits, libérant de l'énergie. Le processus se déroule à l'intérieur du réacteur. En son centre se trouve un cœur contenant de l'uranium 235. Le combustible des centrales nucléaires est obtenu à partir d'uranium, qui contient l'isotope 235U (0,7 %) et 238U non fissile (99,3 %).

Le cycle du combustible nucléaire est une série d'étapes industrielles impliquées dans la production d'électricité à partir d'uranium dans les réacteurs nucléaires. L'uranium est un élément relativement commun trouvé partout dans le monde. Il est extrait dans un certain nombre de pays et traité avant d'être utilisé comme combustible.

Les activités liées à la production d'électricité sont collectivement appelées le cycle du combustible nucléaire pour la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique dans les centrales nucléaires. NucléaireLe cycle du combustible commence par l'extraction de l'uranium et se termine par l'élimination des déchets nucléaires. Lors du retraitement des combustibles usés en option pour le nucléaire, ses étapes forment un véritable cycle.

Cycle du combustible uranium-plutonium

Pour préparer le combustible à utiliser dans les centrales nucléaires, des procédés sont mis en œuvre pour l'extraction, le traitement, la conversion, l'enrichissement et la production d'éléments combustibles. Cycle du carburant:

1. Uranium 235 burnup.
2. Scories - 235U et (239Pu, 241Pu) à partir de 238U.
3. Pendant la désintégration de 235U, sa consommation diminue et des isotopes sont obtenus à partir de 238U lors de la production d'électricité.

Le coût des barres de combustible pour VVR est d'environ 20 % du coût de l'électricité produite.

Après que l'uranium a passé environ trois ans dans un réacteur, le combustible utilisé peut passer par un autre processus d'utilisation, y compris le stockage temporaire, le retraitement et le recyclage avant l'élimination des déchets. Les centrales nucléaires assurent la conversion directe de l'énergie thermique en énergie électrique. La chaleur dégagée lors de la fission nucléaire dans le cœur du réacteur est utilisée pour transformer l'eau en vapeur, qui fait tourner les pales d'une turbine à vapeur, entraînant des générateurs pour produire de l'électricité.

La vapeur est refroidie en se transformant en eau dans une structure séparée dans une centrale électrique appelée tour de refroidissement, qui utilise l'eau des étangs, des rivières ou de l'océan pour refroidir l'eau propre du circuit de puissance à vapeur. L'eau réfrigérée est ensuite réutilisée pour produire de la vapeur.

La part de la production d'électricité dans les centrales nucléaires, par rapport àl'équilibre global de la production de leurs différents types de ressources, dans le contexte de certains pays et dans le monde - sur la photo ci-dessous.

Centrale à turbine à gaz

Le principe de fonctionnement d'une centrale à turbine à gaz est similaire à celui d'une centrale à turbine à vapeur. La seule différence est qu'une centrale à turbine à vapeur utilise de la vapeur comprimée pour faire tourner la turbine, tandis qu'une centrale à turbine à gaz utilise du gaz.

Considérons le principe de conversion de l'énergie thermique en énergie électrique dans une centrale à turbine à gaz.

Dans une centrale électrique à turbine à gaz, l'air est comprimé dans un compresseur. Ensuite, cet air comprimé traverse la chambre de combustion, où se forme le mélange gaz-air, la température de l'air comprimé augmente. Ce mélange à haute température et haute pression passe dans une turbine à gaz. Dans la turbine, il se dilate brusquement, recevant suffisamment d'énergie cinétique pour faire tourner la turbine.

Dans une centrale électrique à turbine à gaz, l'arbre de turbine, l' alternateur et le compresseur d'air sont communs. L'énergie mécanique générée dans la turbine est en partie utilisée pour comprimer l'air. Les centrales électriques à turbine à gaz sont souvent utilisées comme source d'énergie auxiliaire de secours pour les centrales hydroélectriques. Il génère de l'énergie auxiliaire lors du démarrage de la centrale hydroélectrique.

Avantages et inconvénients des centrales électriques à turbine à gaz

Conceptioncentrale à turbine à gaz est beaucoup plus simple qu'une centrale à turbine à vapeur. La taille d'une centrale à turbine à gaz est inférieure à celle d'une centrale à turbine à vapeur. Il n'y a pas de composant de chaudière dans une centrale électrique à turbine à gaz et le système est donc moins complexe. Pas de vapeur, pas de condenseur ou de tour de refroidissement nécessaire.

La conception et la construction de puissantes centrales électriques à turbine à gaz sont beaucoup plus faciles et moins chères, les coûts d'investissement et d'exploitation sont bien inférieurs au coût d'une centrale électrique à turbine à vapeur similaire.

Les pertes permanentes dans une centrale électrique à turbine à gaz sont nettement inférieures à celles d'une centrale électrique à turbine à vapeur, car dans une turbine à vapeur, la centrale électrique de la chaudière doit fonctionner en continu, même lorsque le système ne fournit pas de charge au réseau. Une centrale électrique à turbine à gaz peut être démarrée presque instantanément.

Inconvénients d'une centrale à turbine à gaz:

1. L'énergie mécanique générée dans la turbine est également utilisée pour entraîner le compresseur d'air.
2. Étant donné que la majeure partie de l'énergie mécanique générée dans la turbine est utilisée pour entraîner le compresseur d'air, l'efficacité globale d'une centrale électrique à turbine à gaz n'est pas aussi élevée qu'une centrale électrique à turbine à vapeur équivalente.
3. Les gaz d'échappement d'une centrale électrique à turbine à gaz sont très différents de ceux d'une chaudière.
4. Avant le démarrage effectif de la turbine, l'air doit être pré-comprimé, ce qui nécessite une source d'alimentation supplémentaire pour démarrer la centrale à turbine à gaz.
5. La température du gaz est suffisamment élevée pourcentrale électrique à turbine à gaz. Il en résulte une durée de vie du système plus courte qu'une turbine à vapeur équivalente.

En raison de sa faible efficacité, la centrale électrique à turbine à gaz ne peut pas être utilisée pour la production d'électricité commerciale, elle est généralement utilisée pour fournir de l'énergie auxiliaire à d'autres centrales électriques conventionnelles telles que les centrales hydroélectriques.

Convertisseurs thermoioniques

Ils sont également appelés générateur thermoionique ou moteur thermoélectrique, qui convertissent directement la chaleur en électricité en utilisant l'émission thermique. L'énergie thermique peut être convertie en énergie électrique à très haut rendement grâce à un processus de flux d'électrons induit par la température connu sous le nom de rayonnement thermionique.

Le principe de base du fonctionnement des convertisseurs d'énergie thermioniques est que les électrons s'évaporent de la surface d'une cathode chauffée dans le vide, puis se condensent sur une anode plus froide. Depuis la première démonstration pratique en 1957, les convertisseurs de puissance thermioniques ont été utilisés avec une variété de sources de chaleur, mais tous nécessitent un fonctionnement à des températures élevées - supérieures à 1500 K. Alors que le fonctionnement des convertisseurs de puissance thermioniques à une température relativement basse (700 K - 900 K) est possible, l'efficacité du processus, qui est typiquement de > 50 %, est considérablement réduite car le nombre d'électrons émis par unité de surface de la cathode dépend de la température de chauffage.

Pour les matériaux cathodiques conventionnels tels quecomme les métaux et les semi-conducteurs, le nombre d'électrons émis est proportionnel au carré de la température cathodique. Cependant, une étude récente démontre que la température de la chaleur peut être réduite d'un ordre de grandeur en utilisant du graphène comme cathode chaude. Les données obtenues montrent qu'un convertisseur thermionique cathodique à base de graphène fonctionnant à 900 K peut atteindre un rendement de 45 %.

Schéma schématique du processus d'émission thermionique d'électrons est montré sur la photo.

TIC basé sur le graphène, où Tc et Ta sont respectivement la température de la cathode et la température de l'anode. Sur la base du nouveau mécanisme d'émission thermionique, les chercheurs suggèrent que le convertisseur d'énergie cathodique à base de graphène pourrait trouver son application dans le recyclage de la chaleur résiduelle industrielle, qui atteint souvent la plage de température de 700 à 900 K.

Le nouveau modèle présenté par Liang et Eng pourrait profiter à la conception du convertisseur de puissance à base de graphène. Les convertisseurs de puissance à semi-conducteurs, qui sont principalement des générateurs thermoélectriques, fonctionnent généralement de manière inefficace dans la plage de basses températures (efficacité inférieure à 7 %).

Générateurs thermoélectriques

Le recyclage de l'énergie des déchets est devenu une cible populaire pour les chercheurs et les scientifiques qui proposent des méthodes innovantes pour atteindre cet objectif. L'un des domaines les plus prometteurs est celui des dispositifs thermoélectriques basés sur la nanotechnologie, quiressembler à une nouvelle approche pour économiser l'énergie. La conversion directe de la chaleur en électricité ou de l'électricité en chaleur est connue sous le nom de thermoélectricité basée sur l'effet Peltier. Pour être précis, l'effet porte le nom de deux physiciens - Jean Peltier et Thomas Seebeck.

Peltier a découvert qu'un courant envoyé à deux conducteurs électriques différents qui sont connectés à deux jonctions provoque le réchauffement d'une jonction tandis que l'autre se refroidit. Peltier a poursuivi ses recherches et a découvert qu'une goutte d'eau pouvait geler à une jonction bismuth-antimoine (BiSb) en changeant simplement le courant. Peltier a également découvert qu'un courant électrique peut circuler lorsqu'une différence de température est placée à travers la jonction de différents conducteurs.

La thermoélectricité est une source d'électricité extrêmement intéressante en raison de sa capacité à convertir directement le flux de chaleur en électricité. Il s'agit d'un convertisseur d'énergie hautement évolutif et sans pièces mobiles ni carburant liquide, ce qui le rend adapté à presque toutes les situations où une grande quantité de chaleur a tendance à être gaspillée, des vêtements aux grandes installations industrielles.

Les nanostructures utilisées dans les matériaux thermocouples semi-conducteurs aideront à maintenir une bonne conductivité électrique et à réduire la conductivité thermique. Ainsi, les performances des dispositifs thermoélectriques peuvent être augmentées grâce à l'utilisation de matériaux basés sur la nanotechnologie, avecen utilisant l'effet Peltier. Ils ont des propriétés thermoélectriques améliorées et une bonne capacité d'absorption de l'énergie solaire.

Application de la thermoélectricité:

1. Fournisseurs d'énergie et capteurs dans les gammes.
2. Une lampe à huile brûlante qui contrôle un récepteur sans fil pour une communication à distance.
3. Application de petits appareils électroniques tels que lecteurs MP3, horloges numériques, puces GPS/GSM et compteurs d'impulsions avec chaleur corporelle.
4. Sièges à refroidissement rapide dans les voitures de luxe.
5. Nettoyer la chaleur résiduelle des véhicules en la convertissant en électricité.
6. Transformez la chaleur résiduelle des usines ou des installations industrielles en énergie supplémentaire.
7. Les thermoélectriques solaires peuvent être plus efficaces que les cellules photovoltaïques pour la production d'électricité, en particulier dans les zones moins ensoleillées.

Groupes électrogènes MHD

Les générateurs d'énergie magnétohydrodynamique génèrent de l'électricité grâce à l'interaction d'un fluide en mouvement (généralement un gaz ionisé ou un plasma) et d'un champ magnétique. Depuis 1970, des programmes de recherche MHD ont été menés dans plusieurs pays avec un accent particulier sur l'utilisation du charbon comme combustible.

Le principe sous-jacent de la génération de la technologie MHD est élégant. Typiquement, le gaz électriquement conducteur est produit à haute pression en brûlant des combustibles fossiles. Le gaz est alors dirigé à travers un champ magnétique, ce qui entraîne une force électromotrice agissant à l'intérieur de celui-ci conformément à la loi de l'inductionFaraday (du nom du physicien et chimiste anglais du XIXe siècle Michael Faraday).

Le système MHD est un moteur thermique qui comprend la détente du gaz de la haute à la basse pression de la même manière que dans un générateur à turbine à gaz conventionnel. Dans le système MHD, l'énergie cinétique du gaz est convertie directement en énergie électrique, car on le laisse se dilater. L'intérêt pour la génération de MHD a été initialement suscité par la découverte que l'interaction d'un plasma avec un champ magnétique peut se produire à des températures beaucoup plus élevées que ce qui est possible dans une turbine mécanique rotative.

La limite de performance en termes d'efficacité des moteurs thermiques a été fixée au début du XIXe siècle par l'ingénieur français Sadi Carnot. La puissance de sortie d'un générateur MHD pour chaque mètre cube de son volume est proportionnelle au produit de la conductivité du gaz, au carré de la vitesse du gaz et au carré de l'intensité du champ magnétique traversé par le gaz. Pour que les générateurs MHD fonctionnent de manière compétitive, avec de bonnes performances et des dimensions physiques raisonnables, la conductivité électrique du plasma doit être dans la plage de température supérieure à 1800 K (environ 1500 C ou 2800 F).

Le choix du type de générateur MHD dépend du combustible utilisé et de l'application. L'abondance des réserves de charbon dans de nombreux pays du monde contribue au développement de systèmes de carbone MHD pour la production d'électricité.