Konversi energi panas menjadi energi listrik dengan efisiensi tinggi: metode dan peralatan

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-17 18:55

Energi panas menempati tempat khusus dalam aktivitas manusia, karena digunakan di semua sektor ekonomi, menyertai sebagian besar proses industri dan mata pencaharian masyarakat. Dalam kebanyakan kasus, limbah panas hilang tanpa dapat ditarik kembali dan tanpa manfaat ekonomi. Sumber daya yang hilang ini tidak lagi berharga, jadi menggunakannya kembali akan membantu mengurangi krisis energi dan melindungi lingkungan. Oleh karena itu, cara baru untuk mengubah panas menjadi energi listrik dan mengubah limbah panas menjadi listrik lebih relevan saat ini daripada sebelumnya.

Jenis pembangkit listrik

Mengubah sumber energi alam menjadi energi listrik, panas atau kinetik membutuhkan efisiensi yang maksimal, terutama pada pembangkit listrik tenaga gas dan batubara, untuk mengurangi emisi CO2_{2. Ada berbagai cara untuk mengonversienergi panas menjadi energi listrik, tergantung jenis energi primernya.}

Di antara sumber daya energi, batu bara dan gas alam digunakan untuk menghasilkan listrik dengan pembakaran (energi panas), dan uranium dengan fisi nuklir (energi nuklir) menggunakan tenaga uap untuk memutar turbin uap. Sepuluh negara penghasil listrik terbesar untuk tahun 2017 ditunjukkan pada foto.

Tabel efisiensi sistem yang ada untuk konversi energi panas menjadi energi listrik.

	Pembangkitan listrik dari energi panas	Efisiensi, %
1	Pembangkit listrik termal, pembangkit CHP	32
2	Pembangkit nuklir, pembangkit listrik tenaga nuklir	80
3	Pembangkit Listrik Kondensasi, IES	40
4	Pembangkit Listrik Tenaga Turbin Gas, GTPP	60
5	Transduser termionik, TEC	40
6	Generator termoelektrik	7
7	Generator listrik MHD bersama dengan CHP	60

Memilih metode untuk mengubah energi panas menjadikelistrikan dan kelayakan ekonomisnya tergantung pada kebutuhan energi, ketersediaan bahan bakar alam dan kecukupan lokasi pembangunan. Jenis pembangkitan bervariasi di seluruh dunia, menghasilkan kisaran harga listrik yang luas.

Masalah industri tenaga listrik tradisional

Teknologi untuk mengubah energi panas menjadi energi listrik, seperti pembangkit listrik termal, pembangkit listrik tenaga nuklir, IES, pembangkit listrik turbin gas, pembangkit listrik termal, generator termoelektrik, generator MHD memiliki kelebihan dan kekurangan yang berbeda. Electric Power Research Institute (EPRI) menggambarkan pro dan kontra dari teknologi pembangkit energi alam, melihat faktor-faktor penting seperti konstruksi dan biaya listrik, lahan, kebutuhan air, emisi CO_{2, pemborosan, keterjangkauan dan fleksibilitas.}

Hasil EPRI menyoroti bahwa tidak ada pendekatan satu ukuran untuk semua ketika mempertimbangkan teknologi pembangkit listrik, namun gas alam masih lebih diuntungkan karena terjangkau untuk konstruksi, memiliki biaya listrik yang rendah, menghasilkan lebih sedikit emisi daripada batu bara. Namun, tidak semua negara memiliki akses gas alam yang melimpah dan murah. Dalam beberapa kasus, akses gas alam terancam karena ketegangan geopolitik, seperti yang terjadi di Eropa Timur dan beberapa negara Eropa Barat.

Teknologi energi terbarukan seperti anginturbin, modul fotovoltaik surya menghasilkan emisi listrik. Namun, mereka cenderung membutuhkan banyak lahan, dan hasil efektivitasnya tidak stabil dan tergantung pada cuaca. Batubara, sumber utama panas, adalah yang paling bermasalah. Ini menyebabkan emisi CO_{2, membutuhkan banyak air bersih untuk mendinginkan pendingin dan menempati area yang luas untuk pembangunan stasiun.}

Teknologi baru bertujuan untuk mengurangi sejumlah masalah yang terkait dengan teknologi pembangkit listrik. Misalnya, turbin gas yang dikombinasikan dengan baterai cadangan menyediakan cadangan darurat tanpa membakar bahan bakar, dan masalah sumber daya terbarukan yang terputus-putus dapat dikurangi dengan menciptakan penyimpanan energi skala besar yang terjangkau. Oleh karena itu, saat ini tidak ada cara yang sempurna untuk mengubah energi panas menjadi listrik, yang dapat menyediakan listrik yang andal dan hemat biaya dengan dampak lingkungan yang minimal.

Pembangkit listrik termal

Di pembangkit listrik termal, uap bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi, diperoleh dari memanaskan air dengan membakar bahan bakar padat (terutama batu bara), memutar turbin yang terhubung ke generator. Dengan demikian, ia mengubah energi kinetiknya menjadi energi listrik. Komponen operasi pembangkit listrik termal:

1. Boiler dengan tungku gas.
2. Turbin uap.
3. Generator.
4. Kapasitor.
5. Menara pendingin.
6. Pompa air bersirkulasi.
7. Pompa umpanair ke dalam boiler.
8. Kipas knalpot paksa.
9. Pemisah.

Diagram tipikal pembangkit listrik termal ditunjukkan di bawah ini.

Ketel uap digunakan untuk mengubah air menjadi uap. Proses ini dilakukan dengan memanaskan air dalam pipa dengan pemanasan dari pembakaran bahan bakar. Proses pembakaran terus dilakukan di ruang bakar bahan bakar dengan suplai udara dari luar.

Turbin uap mentransfer energi uap untuk menggerakkan generator. Uap dengan tekanan dan temperatur yang tinggi mendorong sudu-sudu turbin yang terpasang pada poros sehingga mulai berputar. Dalam hal ini, parameter uap super panas yang memasuki turbin direduksi menjadi keadaan jenuh. Uap jenuh memasuki kondensor, dan daya putar digunakan untuk memutar generator, yang menghasilkan arus. Hampir semua turbin uap saat ini bertipe kondensor.

Kondensor adalah alat untuk mengubah uap menjadi air. Uap mengalir di luar pipa dan air pendingin mengalir di dalam pipa. Desain ini disebut kapasitor permukaan. Laju perpindahan panas tergantung pada aliran air pendingin, luas permukaan pipa dan perbedaan suhu antara uap air dan air pendingin. Proses perubahan uap air terjadi pada tekanan dan suhu jenuh, dalam hal ini kondensor berada dalam keadaan vakum, karena suhu air pendingin sama dengan suhu luar, suhu maksimum air kondensat mendekati suhu luar.

Generator mengubah mekanikenergi menjadi listrik. Generator terdiri dari stator dan rotor. Stator terdiri dari rumah yang berisi kumparan, dan stasiun putar medan magnet terdiri dari inti yang berisi kumparan.

Menurut jenis energi yang dihasilkan, TPP dibagi menjadi IESs kondensasi, yang menghasilkan listrik dan panas gabungan dan pembangkit listrik, yang bersama-sama menghasilkan panas (uap dan air panas) dan listrik. Yang terakhir memiliki kemampuan untuk mengubah energi panas menjadi energi listrik dengan efisiensi tinggi.

Pembangkit listrik tenaga nuklir

Pembangkit listrik tenaga nuklir menggunakan panas yang dilepaskan selama fisi nuklir untuk memanaskan air dan menghasilkan uap. Uap tersebut digunakan untuk memutar turbin besar yang menghasilkan listrik. Dalam fisi, atom membelah untuk membentuk atom yang lebih kecil, melepaskan energi. Proses berlangsung di dalam reaktor. Pada pusatnya terdapat inti yang mengandung uranium 235. Bahan bakar untuk pembangkit listrik tenaga nuklir diperoleh dari uranium, yang mengandung isotop 235U (0,7%) dan non-fisil 238U (99,3%).

Siklus bahan bakar nuklir adalah serangkaian langkah industri yang terlibat dalam produksi listrik dari uranium di reaktor tenaga nuklir. Uranium adalah elemen yang relatif umum ditemukan di seluruh dunia. Ini ditambang di sejumlah negara dan diproses sebelum digunakan sebagai bahan bakar.

Kegiatan yang terkait dengan produksi listrik secara kolektif disebut sebagai siklus bahan bakar nuklir untuk konversi energi panas menjadi energi listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir. NuklirSiklus bahan bakar dimulai dengan penambangan uranium dan diakhiri dengan pembuangan limbah nuklir. Saat memproses ulang bahan bakar bekas sebagai pilihan untuk tenaga nuklir, langkah-langkahnya membentuk siklus yang nyata.

Siklus Bahan Bakar Uranium-Plutonium

Untuk menyiapkan bahan bakar untuk digunakan di pembangkit listrik tenaga nuklir, proses dilakukan untuk ekstraksi, pemrosesan, konversi, pengayaan, dan produksi elemen bahan bakar. Siklus bahan bakar:

1. Pembakaran uranium 235.
2. Terak - 235U dan (239Pu, 241Pu) dari 238U.
3. Selama peluruhan 235U, konsumsinya berkurang, dan isotop diperoleh dari 238U saat menghasilkan listrik.

Biaya batang bahan bakar untuk VVR adalah sekitar 20% dari biaya listrik yang dihasilkan.

Setelah uranium menghabiskan sekitar tiga tahun dalam reaktor, bahan bakar yang digunakan dapat melalui proses penggunaan lain, termasuk penyimpanan sementara, pemrosesan ulang, dan daur ulang sebelum pembuangan limbah. Pembangkit listrik tenaga nuklir menyediakan konversi langsung dari energi panas menjadi energi listrik. Panas yang dilepaskan selama fisi nuklir di teras reaktor digunakan untuk mengubah air menjadi uap, yang memutar bilah turbin uap, menggerakkan generator untuk menghasilkan listrik.

Uap didinginkan dengan mengubahnya menjadi air dalam struktur terpisah di pembangkit listrik yang disebut menara pendingin, yang menggunakan air dari kolam, sungai, atau laut untuk mendinginkan air bersih dari sirkuit tenaga uap. Air dingin tersebut kemudian digunakan kembali untuk menghasilkan uap.

Bagian pembangkit listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir, dalam kaitannya dengankeseimbangan keseluruhan produksi berbagai jenis sumber daya mereka, dalam konteks beberapa negara dan di dunia - dalam foto di bawah ini.

Pembangkit Listrik Tenaga Turbin Gas

Prinsip pengoperasian pembangkit listrik turbin gas mirip dengan pembangkit listrik turbin uap. Satu-satunya perbedaan adalah pembangkit listrik turbin uap menggunakan uap terkompresi untuk memutar turbin, sedangkan pembangkit listrik turbin gas menggunakan gas.

Mari kita perhatikan prinsip konversi energi panas menjadi energi listrik pada pembangkit listrik turbin gas.

Dalam pembangkit listrik turbin gas, udara dikompresi dalam kompresor. Kemudian udara terkompresi ini melewati ruang bakar, di mana campuran gas-udara terbentuk, suhu udara terkompresi naik. Campuran suhu tinggi dan tekanan tinggi ini dilewatkan melalui turbin gas. Di dalam turbin, ia mengembang dengan tajam, menerima energi kinetik yang cukup untuk memutar turbin.

Dalam pembangkit listrik turbin gas, poros turbin, alternator, dan kompresor udara adalah hal yang umum. Energi mekanik yang dihasilkan turbin sebagian digunakan untuk mengompresi udara. Pembangkit listrik turbin gas sering digunakan sebagai pemasok energi tambahan cadangan untuk pembangkit listrik tenaga air. Ini menghasilkan daya tambahan selama start-up pembangkit listrik tenaga air.

Kelebihan dan Kekurangan Pembangkit Listrik Tenaga Turbin Gas

Desainpembangkit listrik turbin gas jauh lebih sederhana daripada pembangkit listrik turbin uap. Ukuran pembangkit listrik turbin gas lebih kecil dari pada pembangkit listrik turbin uap. Tidak ada komponen boiler di pembangkit listrik turbin gas dan karenanya sistemnya tidak terlalu rumit. Tanpa uap, tanpa kondensor atau menara pendingin.

Desain dan konstruksi pembangkit listrik turbin gas yang kuat jauh lebih mudah dan murah, modal dan biaya operasi jauh lebih sedikit daripada biaya pembangkit listrik turbin uap serupa.

Kerugian permanen di pembangkit listrik turbin gas jauh lebih kecil dibandingkan dengan pembangkit listrik turbin uap, karena dalam turbin uap, pembangkit listrik boiler harus beroperasi terus menerus, bahkan ketika sistem tidak memasok beban ke jaringan. Pembangkit listrik turbin gas dapat dimulai hampir seketika.

Kekurangan pembangkit listrik turbin gas:

1. Energi mekanik yang dihasilkan turbin juga digunakan untuk menggerakkan kompresor udara.
2. Karena sebagian besar energi mekanik yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor udara, efisiensi keseluruhan pembangkit listrik turbin gas tidak setinggi pembangkit listrik turbin uap yang setara.
3. Gas buang di pembangkit listrik turbin gas sangat berbeda dengan boiler.
4. Sebelum memulai turbin yang sebenarnya, udara harus dikompresi sebelumnya, yang membutuhkan sumber daya tambahan untuk memulai pembangkit listrik turbin gas.
5. Suhu gas cukup tinggi untukpembangkit listrik turbin gas. Ini menghasilkan umur sistem yang lebih pendek daripada turbin uap yang setara.

Karena efisiensinya yang lebih rendah, pembangkit listrik turbin gas tidak dapat digunakan untuk pembangkit listrik komersial, biasanya digunakan untuk memasok daya tambahan ke pembangkit listrik konvensional lainnya seperti pembangkit listrik tenaga air.

Konverter termionik

Mereka juga disebut generator termionik atau motor termoelektrik, yang secara langsung mengubah panas menjadi listrik menggunakan emisi termal. Energi panas dapat diubah menjadi energi listrik dengan efisiensi yang sangat tinggi melalui proses aliran elektron yang diinduksi suhu yang dikenal sebagai radiasi termionik.

Prinsip dasar pengoperasian konverter energi termionik adalah elektron menguap dari permukaan katoda yang dipanaskan dalam ruang hampa dan kemudian mengembun pada anoda yang lebih dingin. Sejak demonstrasi praktis pertama pada tahun 1957, konverter daya termionik telah digunakan dengan berbagai sumber panas, tetapi semuanya memerlukan operasi pada suhu tinggi - di atas 1500 K. Sedangkan pengoperasian konverter daya termionik pada suhu yang relatif rendah (700 K - 900 K) dimungkinkan, efisiensi proses, yang biasanya > 50%, berkurang secara signifikan karena jumlah elektron yang dipancarkan per satuan luas dari katoda tergantung pada suhu pemanasan.

Untuk bahan katoda konvensional sepertiseperti logam dan semikonduktor, jumlah elektron yang dipancarkan sebanding dengan kuadrat suhu katoda. Namun, penelitian terbaru menunjukkan bahwa suhu panas dapat dikurangi dengan urutan besarnya dengan menggunakan graphene sebagai katoda panas. Data yang diperoleh menunjukkan bahwa konverter termionik katoda berbasis graphene yang beroperasi pada 900 K dapat mencapai efisiensi 45%.

Diagram skema dari proses emisi termionik elektron ditunjukkan pada foto.

TIC berdasarkan graphene, di mana Tc dan Ta masing-masing adalah suhu katoda dan suhu anoda. Berdasarkan mekanisme baru emisi termionik, para peneliti menyarankan bahwa konverter energi katoda berbasis graphene dapat menemukan aplikasinya dalam daur ulang panas limbah industri, yang sering mencapai kisaran suhu 700 hingga 900 K.

Model baru yang disajikan oleh Liang dan Eng dapat bermanfaat bagi desain konverter daya berbasis graphene. Konverter daya solid state, yang sebagian besar merupakan generator termoelektrik, biasanya beroperasi secara tidak efisien pada kisaran suhu rendah (efisiensi kurang dari 7%).

Generator termoelektrik

Daur ulang energi limbah telah menjadi target populer bagi para peneliti dan ilmuwan yang menemukan metode inovatif untuk mencapai tujuan ini. Salah satu bidang yang paling menjanjikan adalah perangkat termoelektrik berbasis nanoteknologi, yangterlihat seperti pendekatan baru untuk menghemat energi. Konversi langsung panas menjadi listrik atau listrik menjadi panas dikenal sebagai termoelektrik berdasarkan efek Peltier. Tepatnya, efek ini dinamai menurut dua fisikawan - Jean Peltier dan Thomas Seebeck.

Peltier menemukan bahwa arus yang dikirim ke dua konduktor listrik berbeda yang dihubungkan pada dua sambungan akan menyebabkan satu sambungan memanas sementara sambungan lainnya menjadi dingin. Peltier melanjutkan penelitiannya dan menemukan bahwa setetes air dapat dibuat membeku di persimpangan bismut-antimon (BiSb) hanya dengan mengubah arus. Peltier juga menemukan bahwa arus listrik dapat mengalir ketika perbedaan suhu ditempatkan di persimpangan konduktor yang berbeda.

Termoelektrik adalah sumber listrik yang sangat menarik karena kemampuannya mengubah aliran panas langsung menjadi listrik. Ini adalah konverter energi yang sangat terukur dan tidak memiliki bagian yang bergerak atau bahan bakar cair, sehingga cocok untuk hampir semua situasi di mana banyak panas cenderung terbuang, dari pakaian hingga fasilitas industri besar.

Struktur nano yang digunakan dalam bahan termokopel semikonduktor akan membantu menjaga konduktivitas listrik yang baik dan mengurangi konduktivitas termal. Dengan demikian, kinerja perangkat termoelektrik dapat ditingkatkan melalui penggunaan bahan berbasis nanoteknologi, dengan:menggunakan efek Peltier. Mereka telah meningkatkan sifat termoelektrik dan kapasitas penyerapan energi matahari yang baik.

Penerapan termoelektrik:

1. Penyedia energi dan sensor dalam jangkauan.
2. Lampu minyak menyala yang mengontrol penerima nirkabel untuk komunikasi jarak jauh.
3. Menggunakan perangkat elektronik kecil seperti pemutar MP3, jam digital, chip GPS/GSM, dan pengukur impuls dengan panas tubuh.
4. Kursi pendingin cepat di mobil mewah.
5. Membersihkan limbah panas di kendaraan dengan mengubahnya menjadi listrik.
6. Mengubah limbah panas dari pabrik atau fasilitas industri menjadi energi tambahan.
7. Termoelektrik surya mungkin lebih efisien daripada sel fotovoltaik untuk pembangkit listrik, terutama di daerah dengan sedikit sinar matahari.

pembangkit listrik MHD

Pembangkit listrik magnetohidrodinamik menghasilkan listrik melalui interaksi fluida yang bergerak (biasanya gas atau plasma terionisasi) dan medan magnet. Sejak tahun 1970, program penelitian MHD telah dilakukan di beberapa negara dengan fokus khusus pada penggunaan batubara sebagai bahan bakar.

Prinsip yang mendasari pembuatan teknologi MHD adalah elegan. Biasanya, gas konduktif listrik diproduksi pada tekanan tinggi dengan membakar bahan bakar fosil. Gas tersebut kemudian diarahkan melalui medan magnet, sehingga menghasilkan gaya gerak listrik yang bekerja di dalamnya sesuai dengan hukum induksi. Faraday (dinamai sesuai nama fisikawan dan kimiawan Inggris abad ke-19 Michael Faraday).

Sistem MHD adalah mesin panas yang mencakup ekspansi gas dari tekanan tinggi ke rendah dengan cara yang sama seperti pada generator turbin gas konvensional. Dalam sistem MHD, energi kinetik gas diubah langsung menjadi energi listrik, karena dibiarkan mengembang. Ketertarikan dalam menghasilkan MHD awalnya dipicu oleh penemuan bahwa interaksi plasma dengan medan magnet dapat terjadi pada suhu yang jauh lebih tinggi daripada yang mungkin terjadi pada turbin mekanis yang berputar.

Kinerja yang membatasi dalam hal efisiensi dalam mesin kalor ditetapkan pada awal abad ke-19 oleh insinyur Prancis Sadi Carnot. Daya keluaran generator MHD untuk setiap meter kubik volumenya sebanding dengan produk konduktivitas gas, kuadrat kecepatan gas, dan kuadrat kekuatan medan magnet yang dilalui gas. Agar generator MHD dapat beroperasi secara kompetitif, dengan kinerja yang baik dan dimensi fisik yang wajar, konduktivitas listrik plasma harus berada dalam kisaran suhu di atas 1800 K (sekitar 1500 C atau 2800 F).

Pemilihan jenis genset MHD tergantung pada bahan bakar yang digunakan dan aplikasinya. Melimpahnya cadangan batubara di banyak negara di dunia berkontribusi pada pengembangan sistem karbon MHD untuk pembangkit listrik.