Generador termoeléctrico automotriz

Un generador termoeléctrico automotriz (ATEG) es un dispositivo que convierte parte del calor residual de un motor de combustión interna (CI) en electricidad mediante el efecto Seebeck. Un ATEG típico consta de cuatro elementos principales: un intercambiador de calor del lado caliente, un intercambiador de calor del lado frío, materiales termoeléctricos y un sistema de ensamblaje de compresión. Los ATEG pueden convertir el calor residual del refrigerante o del escape del motor en electricidad. Al recuperar esta energía, que de otro modo se perdería, los ATEG reducen el consumo de combustible del generador eléctrico en el motor. Sin embargo, también deben considerarse el costo de la unidad y el consumo adicional de combustible debido a su peso.En los ATEG, se colocan materiales termoeléctricos entre los intercambiadores de calor del lado caliente y del lado frío. Los materiales termoeléctricos están compuestos por semiconductores de tipo p y tipo n, mientras que los intercambiadores de calor son placas metálicas con alta conductividad térmica.La diferencia de temperatura entre las dos superficies del módulo o módulos termoeléctricos genera electricidad mediante el efecto Seebeck. Cuando los gases de escape calientes del motor pasan a través de un intercambiador de calor termoeléctrico (ATEG), los portadores de carga de los semiconductores dentro del generador se difunden desde el intercambiador de calor del lado caliente al del lado frío. La acumulación de portadores de carga genera una carga neta, generando un potencial electrostático, mientras que la transferencia de calor impulsa una corriente. Con temperaturas de escape de 700 °C (≈1300 °F) o superiores, la diferencia de temperatura entre los gases de escape en el lado caliente y el refrigerante en el lado frío es de varios cientos de grados. Esta diferencia de temperatura es capaz de generar entre 500 y 750 W de electricidad.El sistema de ensamblaje de compresión tiene como objetivo reducir la resistencia térmica de contacto entre el módulo termoeléctrico y las superficies del intercambiador de calor. En los ATEG basados en refrigerante, el intercambiador de calor del lado frío utiliza refrigerante del motor como fluido refrigerante, mientras que en los ATEG basados en escape, el intercambiador de calor del lado frío utiliza aire ambiente como fluido refrigerante.Actualmente, los ATEG tienen una eficiencia de aproximadamente el 5 %. Sin embargo, los avances en tecnologías de película delgada y pozos cuánticos podrían aumentar la eficiencia hasta un 15 % en el futuro.La eficiencia de un ATEG depende de la eficiencia de conversión termoeléctrica de los materiales y la eficiencia térmica de los dos intercambiadores de calor. La eficiencia del ATEG se puede expresar como:

▪_OV = Especificaciones_CONV х Especificaciones_HX х ρ

Dónde:

• ▪_OV: La eficiencia general del ATEG
• ▪_CONV: Eficiencia de conversión de materiales termoeléctricos
• ▪_HX: Eficiencia de los intercambiadores de calor
• Ρ: La relación entre el calor pasó a través de materiales termoeléctricos a los que pasaron del lado caliente al lado frío

El objetivo principal de los ATEG es reducir el consumo de combustible y, por lo tanto, los costos operativos de un vehículo o ayudarlo a cumplir con las normas de eficiencia de combustible. El cuarenta por ciento de la energía de un motor de combustión interna se pierde a través del calor de los gases de escape. Implementar ATEG en motores diésel parece ser más difícil en comparación con los motores de gasolina debido a la menor temperatura de escape y los mayores caudales másicos. Por esta razón, la mayor parte del desarrollo de ATEG se ha centrado en motores de gasolina. Sin embargo, existen varios diseños de ATEG para motores diésel de servicio ligero y pesado.Al convertir el calor perdido en electricidad, los ATEG reducen el consumo de combustible al reducir la carga del generador eléctrico en el motor. Los ATEG permiten que el automóvil genere electricidad a partir de la energía térmica del motor, en lugar de utilizar energía mecánica para alimentar un generador eléctrico. Dado que la electricidad se genera a partir del calor residual que, de otro modo, se liberaría al medio ambiente, el motor quema menos combustible para alimentar los componentes eléctricos del vehículo, como los faros. Por lo tanto, el automóvil emite menos emisiones.La reducción del consumo de combustible también se traduce en un mayor ahorro de combustible. Reemplazar el generador eléctrico convencional por ATEG podría, en última instancia, aumentar el ahorro de combustible hasta en un 4 %.La capacidad del ATEG para generar electricidad sin partes móviles es una ventaja sobre las alternativas de generadores eléctricos mecánicos. Además, se ha afirmado que, en condiciones de baja potencia del motor, los ATEG podrían generar más energía neta que los turbogeneradores eléctricos.El mayor desafío para escalar los ATEG, desde la fase de prototipo hasta la producción, ha sido el costo de los materiales termoeléctricos subyacentes. Desde principios de la década de 2000, muchas agencias e instituciones de investigación han invertido grandes sumas de dinero en mejorar la eficiencia de los materiales termoeléctricos. Si bien se lograron mejoras de eficiencia en materiales como los semi-heuslers y las skutteruditas, al igual que sus predecesores, el telururo de bismuto y el telururo de plomo, el costo de estos materiales ha resultado prohibitivo para la fabricación a gran escala. Los recientes avances de algunos investigadores y empresas en materiales termoeléctricos de bajo costo han generado importantes perspectivas comerciales para los ATEG, en particular la producción a bajo costo de tetraedrita por parte de la Universidad Estatal de Michigan y su comercialización por la empresa estadounidense Alphabet Energy en colaboración con General Motors.Como cualquier componente nuevo en un automóvil, el uso de un ATEG también presenta nuevos problemas de ingeniería. Sin embargo, dado su impacto relativamente bajo en el uso del automóvil, sus desafíos no son tan considerables como los de otras tecnologías automotrices nuevas. Por ejemplo, dado que el escape debe fluir a través del intercambiador de calor del ATEG, se pierde energía cinética del gas, lo que provoca mayores pérdidas de bombeo. Esto se conoce como contrapresión, que reduce el rendimiento del motor. Esto se puede explicar por la reducción del tamaño del silenciador, lo que resulta en una contrapresión neta cero o incluso negativa en el motor, como han demostrado Faurecia y otras empresas.Para que la eficiencia del ATEG sea más consistente, se suele usar refrigerante en el intercambiador de calor del lado frío en lugar de aire ambiente, de modo que la diferencia de temperatura sea la misma tanto en días fríos como calientes. Esto puede aumentar el tamaño del radiador, ya que las tuberías deben extenderse hasta el colector de escape, y puede aumentar la carga del radiador al transferirse más calor al refrigerante. Un diseño térmico adecuado no requiere un sistema de refrigeración de mayor tamaño.El peso adicional de los ATEG obliga al motor a trabajar más, lo que resulta en un menor consumo de gasolina. Sin embargo, la mayoría de los estudios de mejora de la eficiencia automotriz con ATEG han arrojado una ganancia neta positiva de eficiencia, incluso considerando el peso del dispositivo.Aunque el efecto Seebeck se descubrió en 1821, el uso de generadores de energía termoeléctrica se limitó principalmente a aplicaciones militares y espaciales hasta la segunda mitad del siglo XX. Esta restricción se debió a la baja eficiencia de conversión de los materiales termoeléctricos en aquella época.En 1963, Neild et al. construyeron e informaron del primer ATEG. En 1988, Birkholz et al. publicaron los resultados de su trabajo en colaboración con Porsche. Estos resultados describieron un ATEG basado en escape que integraba materiales termoeléctricos a base de hierro entre un intercambiador de calor de acero al carbono (lado caliente) y un intercambiador de calor de aluminio (lado frío). Este ATEG podía generar decenas de vatios con el sistema de escape de un Porsche 944.A principios de la década de 1990, Hi-Z Inc. diseñó un ATEG capaz de producir 1 kW a partir del sistema de escape de un camión diésel. En los años siguientes, la empresa introdujo otros diseños para camiones diésel y vehículos militares.A finales de la década de 1990, Nissan Motors publicó los resultados de las pruebas de su ATEG, que utilizaba materiales termoeléctricos de SiGe. El Nissan ATEG generó 35,6 W en condiciones de prueba similares a las de un motor de gasolina de 3,0 L en modo de ascenso a 60 km/h.Desde principios de la década de 2000, casi todos los principales fabricantes de automóviles y proveedores de sistemas de escape han experimentado o estudiado generadores termoeléctricos, y empresas como General Motors, BMW, Daimler, Ford, Renault, Honda, Toyota, Hyundai, Valeo, Boysen, Faurecia, Tenneco, Denso, Gentherm Inc., Alphabet Energy y muchas otras han construido y probado prototipos.En enero de 2012, Car and Driver nombró a un ATEG creado por un equipo liderado por Amerigon (ahora Gentherm Incorporated) como una de las 10 tecnologías "más prometedoras".

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