Un generador termoeléctrico automotriz (ATEG) es un dispositivo que convierte parte del calor residual de un motor de combustión interna (CI) en electricidad utilizando 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 el escape de un motor en electricidad. Al recuperar esta energía que de otro modo se perdería, los ATEG reducen el combustible consumido por la carga del generador eléctrico en el motor. Sin embargo, también se debe considerar el costo de la unidad y el combustible adicional consumido debido a su peso.
En los ATEG, los materiales termoeléctricos se encuentran 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 . [1]
La diferencia de temperatura entre las dos superficies del módulo termoeléctrico genera electricidad utilizando el efecto Seebeck. Cuando el escape caliente del motor pasa a través de un intercambiador de calor termoeléctrico (ATEG) de escape, los portadores de carga de los semiconductores dentro del generador se difunden desde el intercambiador de calor del lado caliente al intercambiador del lado frío. La acumulación de portadores de carga da como resultado una carga neta, que produce un potencial electrostático mientras que la transferencia de calor impulsa una corriente. [2] Con temperaturas de escape de 700 °C (≈1300 °F) o más, la diferencia de temperatura entre el gas de escape en el lado caliente y el refrigerante en el lado frío es de varios cientos de grados. [3] Esta diferencia de temperatura es capaz de generar 500-750 W de electricidad. [4]
El sistema de ensamblaje por compresión tiene como objetivo disminuir la resistencia de contacto térmico 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 de enfriamiento, mientras que en los ATEG basados en escape, el intercambiador de calor del lado frío utiliza aire ambiente como fluido de enfriamiento.
En la actualidad, los ATEG tienen una eficiencia de alrededor del 5 %. Sin embargo, los avances en las tecnologías de película delgada y pozos cuánticos podrían aumentar la eficiencia hasta un 15 % en el futuro. [5]
La eficiencia de un ATEG está determinada por 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: [6]
Dónde:
El objetivo principal de los ATEG es reducir el consumo de combustible y, por lo tanto, reducir los costos operativos de un vehículo o ayudar al vehículo a cumplir con los estándares 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. [7] [8] La implementación de ATEG en motores diésel parece ser más desafiante en comparación con los motores de gasolina debido a la menor temperatura de escape y las mayores tasas de flujo másico. [9] [10] Esta es la razón por la que la mayoría del desarrollo de ATEG se ha centrado en los motores de gasolina. [6] [11] [12] Sin embargo, existen varios diseños de ATEG para motores diésel de servicio ligero [13] y de servicio pesado [14] [15] .
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 libera menos emisiones. [4]
La reducción del consumo de combustible también se traduce en un mayor ahorro de combustible. La sustitución del generador eléctrico convencional por ATEG podría, en última instancia, aumentar el ahorro de combustible hasta en un 4 %. [16]
La capacidad de los ATEG de generar electricidad sin partes móviles es una ventaja sobre las alternativas de generadores eléctricos mecánicos . [1] Además, se ha afirmado que para condiciones de motor de baja potencia, los ATEG pueden ser capaces de recolectar más energía neta que los turbogeneradores eléctricos. [9]
El mayor desafío para la ampliación de los ATEG desde la fase de prototipos 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 half heuslers y los skutteruditas , al igual que sus predecesores, el telururo de bismuto y el telururo de plomo , el costo de estos materiales ha demostrado ser prohibitivo para la fabricación a gran escala. [17] Los avances recientes de algunos investigadores y empresas en materiales termoeléctricos de bajo costo han resultado en una promesa comercial significativa para los ATEG, [18] más notablemente la producción a bajo costo de tetraedrita por parte de la Universidad Estatal de Michigan [19] y su comercialización por Alphabet Energy, con sede en EE. UU., con General Motors . [20]
Al igual que cualquier componente nuevo en un automóvil, el uso de un ATEG también presenta nuevos problemas de ingeniería que deben considerarse. Sin embargo, dado el impacto relativamente bajo de un ATEG en el uso de un automóvil, sus desafíos no son tan considerables como los de otras nuevas tecnologías automotrices. Por ejemplo, dado que el escape tiene que 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. [7] Esto se puede explicar por la reducción del tamaño del silenciador, lo que da como resultado una contrapresión neta cero o incluso total negativa en el motor, como han demostrado Faurecia y otras empresas. [21]
Para que la eficiencia del ATEG sea más uniforme, se suele utilizar 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 porque se transfiere más calor al refrigerante. [16] Un diseño térmico adecuado no requiere un sistema de refrigeración de mayor tamaño.
El peso adicional de los ATEG hace que el motor trabaje más, lo que da como resultado un menor consumo de combustible. Sin embargo, la mayoría de los estudios de mejora de la eficiencia automotriz de los ATEG han dado como resultado una ganancia neta positiva de eficiencia incluso cuando se considera el peso del dispositivo. [22]
Aunque el efecto Seebeck se descubrió en 1821, hasta la segunda mitad del siglo XX el uso de generadores de energía termoeléctrica se limitó principalmente a aplicaciones militares y espaciales. Esta restricción se debió a la baja eficiencia de conversión de los materiales termoeléctricos en esa época.
En 1963, Neild et al. construyeron el primer ATEG y lo informaron al respecto [23] . En 1988, Birkholz et al. publicaron los resultados de su trabajo en colaboración con Porsche . Estos resultados describían un ATEG basado en escape que integraba materiales termoeléctricos a base de hierro entre un intercambiador de calor de lado caliente de acero al carbono y un intercambiador de calor de lado frío de aluminio. Este ATEG podría producir decenas de vatios a partir de un sistema de escape de Porsche 944. [24]
A principios de los años 90, Hi-Z Inc. diseñó un ATEG que podía producir 1 kW a partir del sistema de escape de un camión diésel. En los años siguientes, la empresa presentó otros diseños para camiones diésel y vehículos militares.
A finales de los años 90, Nissan Motors publicó los resultados de las pruebas de su ATEG, que utilizaba materiales termoeléctricos SiGe . El Nissan ATEG produjo 35,6 W en condiciones de prueba similares a las condiciones de funcionamiento de un motor de gasolina de 3,0 L en modo de ascenso de pendientes a 60,0 km/h.
Desde principios de la década de 2000, casi todos los principales fabricantes de automóviles y proveedores de escapes 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. [25] [26] [27]
En enero de 2012, Car and Driver nombró a un ATEG creado por un equipo dirigido por Amerigon (ahora Gentherm Incorporated ) una de las 10 tecnologías "más prometedoras". [28]