Что такое рекуперация энергии? В мире, где эффективное использование ресурсов становится все более важным, рекуперация энергии играет центральную роль. По сути, цель состоит в том, чтобы повторно использовать энергию, которая обычно теряется в виде отходящего тепла, трения или кинетической энергии.
Краткое резюме
Восстановление энергии (рекуперация) - это процесс, в ходе которого энергия, которая вырабатывается в системе и в противном случае не используется, преобразуется в пригодную для использования форму и возвращается в цикл. Будь то тепло промышленных установок, кинетическая энергия тормозящего автомобиля или разница давления в газовых трубах - цель состоит в том, чтобы использовать эту энергию в других целях.
Основные принципы и методы
Функциональный принцип рекуперации энергии основан на том физическом факте, что энергия не генерируется и не уничтожается, а может лишь преобразовываться из одной формы в другую. Рекуперация предполагает перевод энергии, которая находится в неэффективной или не пригодной для прямого использования форме (например, кинетической энергии движущегося объекта или тепловой энергии в виде отходящего тепла), в пригодную для использования форму энергии. Часто она преобразуется в электрическую энергию, которая затем может храниться в аккумуляторной батарее или аккумуляторном накопителе или подаваться непосредственно в электросеть.
Чтобы использовать их, тепловые насосы доводят тепло до более высокой температуры в процессе рекуперации тепла
Простое объяснение преобразования энергии
Во многих процессах энергия вырабатывается в формах, которые больше не нужны для первоначальной цели или получаются в качестве побочного продукта. Например, при торможении автомобиль теряет кинетическую энергию, которая в виде тепла передается тормозам и окружающей среде. В ходе производственных процессов на заводе образуется значительное количество отходящего тепла. Именно в этом случае на помощь приходит рекуперация энергии: Она преобразует эту "потерянную" энергию.
Часто используемым устройством для такого преобразования является генератор. В то время как двигатель преобразует электрическую энергию в движение, генератор делает обратное: он преобразует кинетическую энергию в электрическую. Этот принцип имеет решающее значение для рекуперации в транспортных средствах. Для рекуперации тепла часто используются теплообменники, передающие тепловую энергию из одной среды в другую, или тепловые насосы, которые поднимают тепло до более высокой температуры, чтобы сделать его пригодным для использования. Использование сетей постоянного тока в промышленности также позволяет, например, рекуперировать энергию, выделяемую при торможении или снижении нагрузки. Типичный пример - робот. Когда робот перемещает тяжелый ящик вниз, двигатель преобразует кинетическую энергию в электрическую.
Ключевые технологии рекуперации энергии
Рекуперация энергии использует различные технологии для получения энергии из различных источников. Наиболее важными подходами являются
Рекуперация: восстановление кинетической энергии
Рекуперация - это широко распространенная форма восстановления энергии, например, в электромобилях, электронных велосипедах или на промышленных предприятиях. При торможении электродвигатель работает как генератор и преобразует кинетическую энергию в электричество, которое поступает обратно в аккумулятор. Это увеличивает запас хода и уменьшает износ тормозов. Энергия также восстанавливается в сетях постоянного тока при снижении нагрузки, например, в роботах или складских и поисковых машинах. Эта энергия может быть предоставлена непосредственно другим потребителям, что повышает эффективность и срок службы, а также снижает тепловую нагрузку.
Рекуперация тепла: утилизация отходящего тепла
При рекуперации тепла используется отходящее тепло от процессов, которое в противном случае теряется без пользы - например, на промышленных предприятиях, электростанциях или в зданиях. Особенно эффективен в системах вентиляции или в производственных процессах. Тепло передается от горячих сред (например, отработанного воздуха, выхлопных газов) к более холодным средам (например, свежему воздуху, воде) через теплообменники. Рекуперированная энергия может быть использована для отопления, нагрева воды или предварительного подогрева. Это позволяет экономить энергию, сокращать расходы и снижать потребление ископаемого топлива.
Восстановление давления
В системах, в которых среда транспортируется под высоким давлением, и это давление должно быть сброшено в конце процесса, энергия, высвобождаемая в процессе, также может быть восстановлена. Одним из примеров этого является расширение газовых сетей. Вместо того чтобы просто снижать давление путем дросселирования и терять полученную энергию в виде тепла, можно использовать расширитель или турбину для преобразования энергии давления в электрическую энергию. Эта технология особенно эффективна там, где необходимо преодолеть большую разницу давлений.
Другие формы и приложения
Помимо перечисленных основных методов, существуют и другие специализированные способы извлечения энергии. Сюда относятся, например:
- Рекуперация химической энергии: В некоторых промышленных процессах химические вещества, накапливающиеся в виде отходов, могут быть переработаны, а их химическая энергия использована повторно.
- Осмотические электростанции: технология, находящаяся в стадии разработки, которая вырабатывает энергию из разницы в концентрации пресной и соленой воды.
- Термоэлектрические генераторы: Устройства, способные преобразовывать разницу температур непосредственно в электрическую энергию, часто используются в нишевых приложениях для утилизации отходящего тепла.
Преимущества рекуперации энергии
Преимущества рекуперации энергии многообразны и варьируются от экологических до экономических и эксплуатационных аспектов. Это высокоэффективное средство, позволяющее положительно повлиять на общий энергетический баланс и снизить зависимость от первичных источников энергии.
Электромобиль с функцией рекуперации требует меньше зарядного тока, чтобы проехать определенное расстояние
Повышение энергоэффективности
Особенно очевидным преимуществом рекуперации энергии является резкое повышение энергоэффективности. Восстановление и повторное использование ранее потерянной энергии позволяет снизить общую потребность в энергии для конкретного производства или процесса. Это означает, например, что электромобиль с рекуперацией требует меньшего зарядного тока для преодоления определенного расстояния, или промышленная установка с рекуперацией тепла требует меньше топлива для процессов нагрева. Такое эффективное использование имеющейся энергии приводит к оптимизации всей цепочки создания стоимости и значительно снижает количество необходимой энергии. Системы становятся все более эффективными и экономичными в эксплуатации.
Вклад в защиту климата и энергетический переход
Восстановление энергии - мощный рычаг в борьбе с изменением климата. Каждый киловатт-час энергии, сэкономленный благодаря рекуперации, не нужно вырабатывать заново. Это напрямую сокращает потребление ископаемого топлива, что, в свою очередь, снижает выбросы парниковых газов, таких как CO₂. Сейчас, когда энергетический переход - переход от ископаемого топлива к возобновляемым источникам энергии - находится в центре внимания, восстановление энергии является идеальным дополнением. Это минимизирует общее потребление энергии и помогает снизить нагрузку на электросеть, что также способствует расширению использования возобновляемых источников энергии. Это делает все энергоснабжение более устойчивым и надежным.
Экономические преимущества и экономия средств
Снижение потребности в энергии приводит к уменьшению эксплуатационных расходов. Компании и домохозяйства, использующие системы рекуперации энергии, могут сэкономить значительные суммы денег, тратя меньше электроэнергии, газа и других видов топлива. При использовании электромобилей увеличивается запас хода и срок службы тормозов, поскольку они подвергаются меньшим механическим нагрузкам. Инвестиции в технологии рекуперации энергии часто быстро окупаются за счет экономии, что делает их привлекательным вариантом для промышленного, коммерческого и частного применения. В долгосрочной перспективе эффективная рекуперация энергии приводит к стабилизации стоимости энергии.
Области применения рекуперации энергии
Рекуперация энергии - это не нишевая технология, она используется во многих сферах нашей жизни и экономики. Их повсеместное применение свидетельствует об их огромной пользе.
Электромобильность
Восстановление сил - основной компонент электромобильности. Электромобили, электровелосипеды и электроскутеры используют системы рекуперативного торможения для преобразования кинетической энергии в электрическую при торможении или движении под уклон и возврата ее в аккумулятор. Это не только увеличивает запас хода автомобилей, но и делает вождение более эффективным. Это ключевой фактор, повышающий привлекательность и экологичность электромобилей по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания. Без этой способности восстанавливать энергию эффективность электромобилей была бы значительно ниже.
Промышленность и производство
Промышленные процессы генерируют большое количество отходящего тепла, которое часто остается неиспользованным. Рекуперация тепла дает большой потенциал экономии: отходящее тепло от печей, процессов охлаждения или серверов можно использовать для подогрева воздуха и воды, отопления или выработки электроэнергии - например, на сталелитейных заводах, в центрах обработки данных или на химических предприятиях. Восстановление давления также используется в газовой и нефтяной промышленности. Кроме того, энергия торможения может рекуперироваться в сети постоянного тока и напрямую подаваться другим потребителям. Это улучшает энергетический баланс и повышает эффективность.
Инженерные системы зданий
Чтобы свести к минимуму потребление энергии, современные здания все чаще полагаются на рекуперацию энергии. Рекуперация тепла является стандартом, в частности, для систем вентиляции. Благодаря этому тепло вытяжного воздуха не просто выдувается наружу, а используется для подогрева или предварительного охлаждения свежего приточного воздуха. Это значительно снижает затраты энергии на отопление зимой и охлаждение летом. Для достижения высоких стандартов эффективности это решающий элемент в пассивных домах и зданиях с низким энергопотреблением.
Общественный транспорт
Рекуперация энергии также играет важную роль в местном общественном транспорте, особенно в электричках, поездах метро и трамваях. Когда эти автомобили тормозят, их электродвигатели, которые затем работают как генераторы, подают электрическую энергию обратно в сеть воздушных линий или в стационарные системы хранения. Эта восстановленная энергия может быть использована другими поездами в той же сети для ускорения, что значительно снижает общее потребление энергии системой. Это способствует устойчивому развитию местного общественного транспорта и помогает снизить эксплуатационные расходы.
Проблемы и перспективы
Несмотря на очевидные преимущества, рекуперация энергии также сопряжена с проблемами: высокие первоначальные инвестиции, техническая адаптация к процессам и ограниченные возможности хранения - особенно при колебаниях выработки энергии. Тем не менее, перспективы многообещающие: достижения в области исследований и разработок, а также интеллектуальные системы управления и интеллектуальные сети повышают эффективность и снижают затраты. По мере того как растет осведомленность о климате, восстановление энергии становится центральным компонентом энергетического перехода и нашей энергетической инфраструктуры.
Заключение
Рекуперация энергии - это не просто техническая деталь, это основополагающий принцип устойчивого и эффективного использования энергии. Сознательно восстанавливая и повторно используя энергию, которая в противном случае была бы потеряна, мы можем не только значительно повысить энергоэффективность и сэкономить расходы, но и внести решающий вклад в защиту климата и успешное формирование энергетического перехода. Для того чтобы решить проблемы современного энергоснабжения и проложить устойчивый путь в будущее, необходимо постоянное развитие и широкое использование этих технологий.
Свяжитесь с нашими экспертами
Дополнительные материалы
Тепловые насосы для существующих зданий
В рамках собственной декарбонизации компания Phoenix Contact начала покрывать потребности зданий в тепловой энергии с помощью тепловых насосов.
Тепловое объединение в парке All Electric Society
Идеальное взаимодействие между ледохранилищем и тепловыми насосами.
Что такое постоянный ток?
Узнайте, что такое постоянный ток, где он используется и какую роль будет играть в будущем в энергоснабжении.