Tecnología termoeléctrica para cosechar energía de motores de combustión interna

Antecedentes:
En un automóvil, solamente ¹ / ₃ de la energía potencial en el combustible se convierte en energía mecánica y la parte significativa de la energía se pierde en forma de calor.

Ha habido intentos previos de recuperar esta energía perdida. A principios de la década de 1990, Porsche desarrolló generadores termoeléctricos automotrices (ATEG) que no pasaron la etapa de creación de prototipos. Actualmente, Porsche Motorsports está probando un sistema de recolección de energía térmica en su auto de carreras de la serie LeMans.

Además de la investigación de Porsche, GM está en colaboración con Future Tech, LLC. para explorar la idea de utilizar la tecnología eléctrica para recolectar energía de motores de combustión interna. Otros fabricantes de automóviles, como BMW, también están explorando esta tecnología.

Actualmente el uso de energía en un

• El auto pequeño es de aproximadamente 150 W
• El camión de tamaño completo es de aproximadamente 500 W

Si esta tecnología se puede implementar con éxito, entonces componentes como el radiador, la bomba de agua y el alternador podrían haber reducido efectivamente la carga de trabajo o eliminado del sistema, reduciendo así la carga al motor de combustión interna.

Pregunta:
Con el creciente interés en la tecnología verde, ¿existen barreras tecnológicas además de la eficiencia que impiden la implementación de la recolección de energía de los motores de combustión interna que utilizan tecnología termoeléctrica?

Referencias

• ¿Cuál debe usarse con voltaje de salida coincidente o voltaje de circuito abierto?
• Beneficios de la tecnología termoeléctrica para el automóvil
• La promesa y los problemas de los generadores termoeléctricos
• Modelado de un generador termoeléctrico automotriz (ATEG)
• Termoeléctrica para reemplazar alternadores de automóviles y mejorar MPG
• Generador termoeléctrico en motor diesel turboalimentado
• Los investigadores de la Universidad de Kettering están trabajando con General Dynamics para convertir la energía térmica no utilizada de sus sistemas de propulsión en energía útil y limpia.
• El Porsche 919 Hybrid LeMans Racer persigue los dos tercios de la energía de la gasolina que se desperdicia como calor
• Alemanes que intentan reemplazar el alternador con generadores termoeléctricos o TEG
• Porsche 919 Hybrid LMP1 Le Mans prototipo ...

Nota

El duplicado sugerido está relacionado, pero sigue siendo claramente diferente. El orden de magnitud de la energía disponible para recuperarse de un motor de combustión interna es significativamente mayor que dentro de la GPU de una tarjeta de video. Como tal, las economías de escala son diferentes y, por lo tanto, son posibles diferentes soluciones.

Como con cualquier tecnología nueva, el costo es el gran impulsor aquí. Además, estos dispositivos producen electricidad, que es una forma de energía que un automóvil de combustión interna típico solo puede utilizar para equipos auxiliares. Esto mejoraría efectivamente la eficiencia del combustible, pero la ganancia sería relativamente menor.

Los ingenieros son generalmente reacios a utilizar nuevas tecnologías costosas que no han sido probadas cuando los métodos existentes son suficientes para lograr el objetivo. En este caso, la mayoría de los fabricantes de automóviles se esfuerzan por producir un producto rentable. Las personas que están más preocupadas por la eficiencia del combustible tenderán a considerar un vehículo híbrido (o totalmente eléctrico) en lugar de uno que funcione con un motor de combustión interna estándar. La mayoría de los otros consumidores preferirían comprar un vehículo menos costoso que uno que pudiera aumentar ligeramente su eficiencia de combustible.

Hay buenas razones por las cuales, aunque la mayoría de sus enlaces son de hace varios años, muy poco ha salido de ninguno de ellos. La economía y la ingeniería simplemente no son favorables. Parte del arte de un motor es descargar el calor lo más rápido posible; Además, el calor es una forma de energía de baja calidad, por lo que una vez que su energía es calor, ya ha perdido todas sus mejores oportunidades para hacer más trabajo con ella. Veamos esas dos cosas en detalle.

deshacerse del calor rápidamente es el nombre del juego

El escape está diseñado para eliminar el calor y los productos de la combustión del motor. El radiador hace un trabajo similar al eliminar y disipar el calor.

Volcar el calor rápidamente es crucial en un motor térmico, ya que la eficiencia depende de la temperatura del depósito frío y del delta a la temperatura más alta.

Entonces, cualquier cosa que ponga en el camino, como su dispositivo de recolección de energía propuesto, disminuirá la velocidad a la que el calor sale del motor. Esto no solo reduce la eficiencia (parece extraño que haya excluido la eficiencia como una consideración: ¿por qué más consideraría la recolección de energía de todos modos?) También aumentará la temperatura de equilibrio de las partes de trabajo del automóvil, acortando su vida útil.

Si el combustible es tan valioso que la recolección de energía se ve atractiva, entonces vale la pena hacer que el automóvil sea más eficiente en primer lugar, para que haya menos calor residual: primero, reduzca el consumo de energía de alto valor, antes de intentar reciclar de bajo valor energía. Y eso me lleva a ...

energía versus exergía

El calor es, en una gran proporción de casos, un producto de desecho. Casi siempre es la forma de energía menos útil. Eso es realmente lo que el límite de eficiencia de Carnot le está diciendo: que para obtener cualquier trabajo del calor de bajo grado, solo puede hacerlo con muy baja eficiencia; es decir, casi todo el calor permanecerá como calor.

Al hacer ingeniería con calor y otras formas de energía, es muy útil desarrollar una intuición para distinguir entre energía (lo que se mide en julios) y exergía (lo que hace el trabajo). La forma en que se encuentra la energía determina cuánto trabajo puede hacer. La energía química, como la del combustible, puede realizar grandes cantidades de trabajo de manera eficiente: tiene una alta actividad. Pero la misma cantidad de energía que el calor puede hacer mucho menos trabajo : tiene muy poca ejercicio. Los motores de combustión interna son tan ineficientes porque toman una forma de energía de alto grado (químico) y se convierten inmediatamente en uno de bajo grado (calor).

El humilde alternador es muy bueno en su trabajo. Los generadores termoeléctricos de estado sólido simplemente no se acercan, ni en costo, ni en rendimiento. Usar la rotación relativa de un conductor y un imán es un medio muy efectivo de convertir el calor en electricidad: es por eso que se usa en estaciones de energía, automóviles, dinamos para bicicletas y muchos otros usos.

Entonces, aunque la recolección de energía parece inteligente, es una mala ingeniería: está tratando de corregir un síntoma, en lugar de abordar la causa subyacente.

Si desea obtener más trabajo de esos julios, haga ese trabajo antes de que esos julios estén en forma de calor.

El uso de cualquier idea / tecnología depende de su rentabilidad. La eficiencia es solo una parte del análisis. Si los módulos fueran gratuitos y nunca salieran mal, sin duda estarían en uso. Sin embargo, los módulos de alta temperatura son caros por su potencia producida; haciéndolos actualmente no rentables.

EnergyNumbers hace un buen trabajo al explicar la termodinámica involucrada. Debido a Carnot no puedes cosechar una cantidad significativa de energía de esta manera. Esta es también la razón por la cual el dinero para módulos peltier se gasta mejor en una mayor eficiencia / rendimiento del motor. Sin embargo, el calor residual de alta temperatura estará allí independientemente y cuando la termoeléctrica sea rentable, la verá en uso.

A pesar de lo que la gente pueda anunciar, ninguna idea / tecnología es "verde" hasta que pueda ejercer su propio peso en un análisis de costo beneficio. Tienes que mirar la imagen completa; cuántos dólares y materias primas consumió para proporcionar esta energía "verde".

Si desea descubrirlo usted mismo, aquí hay algunos módulos de alta temperatura que puede valorar y evaluar. Recuerde que los vatios enumerados son la potencia consumida, no la potencia generada. tetech.com