Qual è il modo più efficiente per convertire un combustibile in energia elettrica?


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Le grandi macchine a vapore sembrano avere un'efficienza piuttosto buona, ma ci sono altre opzioni come le turbine a combustione.

Ignorando tutte le altre considerazioni, quale metodologia può estrarre più energia da una data quantità di carburante?


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C'è un problema di fondo che stai cercando di risolvere qui?
EnergyNumbers

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Dipende molto dalla tua definizione di "carburante". Mass-to-energy per annientamento ti darà un carico di energia per iniziare anche se ti accontenti della bassa efficienza del ciclo di Carnot :-)
Carl Witthoft

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@CarlWitthoft dipende anche molto dalla tua definizione di "efficienza". Tali processi sono in genere circa il 2% efficienti in termini di energia potenziale - & gt; di energia elettrica.
EnergyNumbers

& Gt; C'è un problema di fondo che stai cercando di risolvere qui? - EnergyNumbers 2 giorni fa Non come tale. Ammetto che è un po 'aperto. Principalmente sto cercando informazioni generali su quali tipi di tecnologia si comportano bene in questa classe.
Alex Davies

Risposte:


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In teoria, diretto l'energia da chimica a elettrica offre la massima efficienza: può fornire arbitrariamente vicino al 100% di efficienza. Tuttavia, ad oggi, le celle a combustibile non hanno consegnato nulla di simile a quella promessa.

In teoria, il modo peggiore per farlo, in termini di efficienza, è passare per il calore - ad es. bruciando il carburante. Questo butta via molto l'exergia (la capacità del carburante di fare lavoro) immediatamente. La quantità irrimediabilmente gettata via è data dalla legge di Carnot ed è determinata dalle temperature assolute del combustibile da combustione e dal lavandino in cui avviene il raffreddamento.

Più calda è la combustione e più freddo è il lavandino, più efficiente può essere il processo.

Le migliori turbine a gas a ciclo combinato (CCGT) offrono circa il 60% di efficienza, combinando una turbina a vapore con una turbina a gas. E fino ad oggi, questo è quanto di meglio si può ottenere per il consumo di carburante.


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Dobbiamo passare direttamente dall'energia chimica all'energia elettrica. L'energia elettrica può essere raggiunta accelerando le particelle cariche elettricamente attraverso una bobina o un campo magnetico, che fa sì che la forza elettromotrice (tensione) e la corrente elettrica attraverso un carico facciano il lavoro per neutralizzare la tensione. La reazione chimica del carburante con l'ossigeno è nota come riduzione dell'ossidazione ed è esotermica. Ciò significa che i prodotti finali della reazione sono più stabili in termini di sub-orbitali degli elettroni più esterni della molecola risultante e accoppiamento dello spin elettronico definito dal principio di esclusione di Pauli e dalla meccanica quantistica.

Poiché il prodotto finale è più stabile, l'energia viene rilasciata (esotermica). Questa energia si manifesta come emissione di fotoni quando gli elettroni si stabiliscono negli orbitali del livello energetico inferiore e come aumento dell'energia cinetica media delle molecole (calore) in questo scarico.

Secondo la legge di Boyle, l'aumento della temperatura del gas di scarico provoca l'espansione di detto gas per riempire un volume maggiore (meno denso). Questa espansione termica del gas di scarico è ciò che guida le turbine in un impianto di generazione di energia elettrica per turbine a gas, motore a reazione, motore a razzo e ciò che spinge i pistoni all'interno dei cilindri in un motore a combustione interna.

Ora, il trucco per convertire direttamente in energia elettrica è ionizzare le molecole del gas di scarico nel punto di combustione e mantenere queste molecole ionizzate mentre accelerano attraverso un campo magnetico che produce energia elettrica.

L'efficienza di questa configurazione sarebbe determinata dalla quantità di gas di scarico che può essere ionizzata e dalla quantità di energia termica di questo scarico ionizzato che potrebbe essere estratta. Quando il gas carico attraversa il campo magnetico, rallenta (si raffredda) e / o può eventualmente perdere la carica. Maggiore è la differenza di temperatura tra il punto di combustione e la fine del tubo del campo magnetico, maggiore è l'efficienza.

Stiamo convertendo l'energia cinetica termica degli ioni direttamente in energia elettrica.

Oppure possiamo estendere (estendere) l'intera fiamma o il processo di combustione ionizzato attraverso l'intero tubo isolato che verrebbe circondato da un campo magnetico.

Un tubo lineare lineare eviterebbe l'emissione di fotoni ai raggi X causata dall'accelerazione rotazionale se il tubo fosse curvo, ma questa emissione di raggi X potrebbe essere utile per mantenere il gas ionizzato. Quindi può anche funzionare una configurazione circolare o a spirale.

Inoltre, una configurazione a gas pulsante potrebbe funzionare meglio di un flusso continuo. La frequenza delle pulsazioni potrebbe essere sintonizzata sulla fisica del sistema per ottenere un'efficienza ottimale.


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La scala conta come il tipo di carburante. La potenza del vapore, in generale, ha il vantaggio che la caldaia è fisicamente separata dal fluido di lavoro e dalle parti di lavoro del motore stesso ed è possibile progettare il processo di combustione e scambio termico indipendentemente dal motore. Quindi la potenza del vapore si presta bene all'utilizzo di combustibili solidi che bruciano relativamente lentamente e lasciano un residuo solido di ceneri come il legno, il carbone e la biomassa dei rifiuti e, naturalmente, i reattori nucleari.

Anche la potenza del vapore, utilizzando l'acqua come fluido di lavoro con cambiamento di fase, significa che ci sono molte opportunità per recuperare il calore di scarto mentre il fluido di lavoro viene ricircolato piuttosto che essere scaricata nell'atmosfera.

Le turbine a gas sono in genere un po 'meno efficienti ma più flessibili in quanto possono raggiungere il picco di efficienza a scale più piccole, quindi in un sistema a griglia è possibile utilizzare turbine a vapore per il carico di base in corso e turbine a gas per assorbire i picchi di carico.

Ovviamente le turbine a gas richiedono anche tipi specifici di carburante.

Naturalmente nel mondo reale l'efficienza termica pura è meno importante delle considerazioni economiche sul costo e sulla disponibilità del carburante, sui costi di capitale di impianti e sui vincoli legislativi come i sussidi e le sanzioni.

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