Tecnologia termoelétrica para extrair energia de motores de combustão interna

Antecedentes:
Em um automóvel, apenas a ¹ / ₃ da energia potencial do combustível é convertida em energia mecânica e parte significativa da energia é perdida na forma de calor.

Houve tentativas anteriores de recuperar essa energia perdida. No início dos anos 90, a Porsche desenvolveu geradores termoelétricos automotivos (ATEG) que não passaram do estágio de prototipagem. Atualmente, a Porsche Motorsports está testando um sistema de captação de energia térmica em seu carro de corrida da série LeMans.

Além da pesquisa da Porsche, a GM está em colaboração com a Future Tech, LLC. explorar a idéia de usar a tecnologia elétrica para extrair energia de motores de combustão interna. Outros fabricantes de automóveis, como a BMW, também estão explorando essa tecnologia.

Atualmente, o uso de energia em um

• O carro pequeno tem aproximadamente 150 W
• O caminhão de tamanho normal é de aproximadamente 500 W

Se essa tecnologia puder ser implementada com sucesso, componentes como o radiador, a bomba de água e o alternador poderiam efetivamente reduzir a carga de trabalho ou removê-la do sistema, reduzindo a carga do motor de combustão interna.

Pergunta:
Com o crescente interesse em tecnologia verde, existem barreiras tecnológicas além da eficiência que impedem a implementação da captação de energia de motores de combustão interna usando tecnologia termoelétrica?

Referências:

• Qual deles deve ser usado com tensão de saída correspondente ou tensão de circuito aberto?
• Benefícios da tecnologia termoelétrica para automóveis
• A promessa e os problemas dos geradores termoelétricos
• Modelagem de um Gerador Termoelétrico Automotivo (ATEG)
• Termoelétrica para substituir alternadores de carros e melhorar MPG
• Gerador termoelétrico em motor diesel turboalimentado
• Pesquisadores da Universidade Kettering estão trabalhando com a General Dynamics para converter a energia térmica não utilizada de seus sistemas de propulsão em energia útil e limpa
• Porsche 919 Hybrid LeMans Racer vai atrás dos dois terços da energia da gasolina que é desperdiçada como calor
• Alemães tentando substituir o alternador por geradores termoelétricos ou TEGs
• Porsche 919 híbrido LMP1 Le Mans protótipo ...

Nota de rodapé

A duplicata sugerida está relacionada, mas ainda distintamente diferente. A ordem de magnitude de energia disponível para recuperar de um mecanismo de combustão interna é significativamente maior do que dentro da GPU de uma placa de vídeo. Como tal, as economias de escala são diferentes e, portanto, são possíveis soluções diferentes.

Como em qualquer nova tecnologia, o custo é o grande fator aqui. Além disso, esses dispositivos produzem eletricidade, que é uma forma de energia que um automóvel de combustão interna típico pode utilizar apenas para equipamentos auxiliares. Isso melhoraria efetivamente a eficiência de combustível, mas o ganho seria relativamente menor.

Os engenheiros geralmente relutam em usar novas tecnologias caras que são relativamente não testadas quando os métodos existentes são suficientes para atingir a meta. Nesse caso, a maioria dos fabricantes de automóveis se esforça para produzir um produto com custo competitivo. As pessoas que estão mais preocupadas com a eficiência de combustível tendem a considerar um veículo híbrido (ou totalmente elétrico), em vez de um veículo movido por um motor de combustão interna padrão. A maioria dos outros consumidores prefere comprar um veículo mais barato que um que possa aumentar levemente sua eficiência de combustível.

Existem boas razões para que, embora a maioria dos seus links seja de vários anos atrás, muito pouco tenha sido produzido por nenhum deles. A economia e a engenharia simplesmente não são favoráveis. Parte da arte de um motor é descarregar o calor o mais rápido possível; além disso, o calor é uma forma de energia de baixa qualidade; portanto, uma vez que sua energia é calor, você já perdeu todas as suas melhores oportunidades para trabalhar mais com ele. Vejamos essas duas coisas em detalhes.

livrar-se do calor rapidamente é o nome do jogo

O escapamento é projetado para retirar o calor e os produtos da combustão do motor. O radiador faz um trabalho semelhante de remover e dissipar o calor.

Despejar o calor rapidamente é crucial em um motor térmico, pois a eficiência depende da temperatura do reservatório frio e do delta para a temperatura mais alta.

Portanto, qualquer coisa que você colocar no caminho, como o dispositivo de captação de energia proposto, diminuirá a taxa na qual o calor sai do motor. Isso não apenas reduz a eficiência (parece bizarro que você tenha excluído a eficiência como uma consideração: por que mais você consideraria a coleta de energia, afinal?) Também aumentará a temperatura de equilíbrio das peças de trabalho do carro, diminuindo sua vida útil.

Se o combustível é tão valioso que a captação de energia parece atraente, vale a pena tornar o carro mais eficiente em primeiro lugar, para que haja menos calor residual: primeiro, reduza o consumo de energia de alto valor antes de tentar reciclar de baixo valor energia. E isso me leva a ...

energia versus exergia

O calor é, em grande parte dos casos, um produto residual. É quase sempre a forma menos útil de energia. É exatamente o que o limite de eficiência de Carnot está lhe dizendo: que, para obter algum trabalho com calor de baixa qualidade, você pode fazê-lo apenas com uma eficiência muito baixa; isto é, quase todo o calor permanecerá como calor.

Ao fazer engenharia com calor e outras formas de energia, é muito útil criar uma intuição para distinguir entre energia (a coisa medida em joules) e exergia (a coisa que faz o trabalho). A forma como está a energia determina quanto trabalho ela pode fazer. A energia química, como a do combustível, pode realizar grandes quantidades de trabalho com eficiência - possui exergia muito alta. Mas a mesma quantidade de energia que o calor pode fazer muito menos trabalho - ele tem uma exergia muito baixa. Os motores de combustão interna são tão ineficientes porque absorvem uma forma de energia de alto grau (química) e convertem-se imediatamente em um de baixa qualidade (calor).

O humilde alternador é muito bom em seu trabalho. Os geradores termoelétricos de estado sólido simplesmente não se aproximam, nem no custo, nem no desempenho. Usar a rotação relativa de um condutor e um ímã é um meio muito eficaz de transformar calor em eletricidade: é por isso que é usado em usinas de energia, carros, dínamos de bicicleta e muitos outros usos.

Portanto, embora a colheita de energia pareça inteligente, é uma engenharia ruim: está tentando corrigir um sintoma, em vez de resolver a causa subjacente.

Se você quiser mais trabalho com esses joules, faça esse trabalho antes que esses joules estejam na forma de calor.

O uso de qualquer idéia / tecnologia depende de sua relação custo-benefício. Eficiência é apenas uma parte da análise. Se os módulos estivessem livres e nunca falhassem, certamente estariam em uso. No entanto, os módulos de alta temperatura são caros por sua energia produzida; tornando-os atualmente não econômicos.

Os EnergyNumbers explicam bem a termodinâmica envolvida. Por causa de Carnot, você não pode colher uma quantidade significativa de energia dessa maneira. É também por isso que o dinheiro para os módulos peltier é melhor gasto em maior eficiência / desempenho do motor. No entanto, o calor residual de alta temperatura estará presente independentemente e quando a termelétrica se tornar econômica, você a verá em uso.

Apesar do que as pessoas podem anunciar, nenhuma idéia / tecnologia é "verde" até que possa exercer seu próprio peso em uma análise de custo-benefício. Você tem que olhar para o quadro inteiro; quantos dólares e matérias-primas consumiram para fornecer essa energia "verde".

Se você deseja descobrir por si mesmo, aqui estão alguns módulos de alta temperatura que você pode avaliar e preço. Lembre-se de que os watts listados são a energia consumida e não a energia gerada. tetech.com