Ajalooline taust ja miks heitgaasi energia huvitab insenere

Heitgaaside soojuse tagasikogumine ei ole päris uus idee — juba tööstusrevolutsiooni ajast on soojuse ümbertöötlemine olnud elektri ja tööjõu tootmise osa. Autotööstuses tekkis huvi eriti siis, kui kütusekuluhinnad ja emissiooninõuded hakkasid tõusma 1970. ja 1980. aastatel. Traditsioonilised lähenemised keskendusid mootorijaotuse ja põlemise parandamisele, kuid viimastel aastakümnetel pöörati tähelepanu ka sellele, et kuni 60% kütuse energiast väljub mootori heitgaasiga soojusena. See tähendas suurt raiskamist ja samas potentsiaali energiatagastuslahenduste jaoks.

Tehnoloogiliselt on kaks peamist suunda: termoelektrilised generaatorid (TEG-id), mis kasutavad Seebeck’i efekti otse soojusest elektriks muundamiseks, ning orgaanilised Rankine’i tsüklid (ORC), mis töötavad nagu miniatuursed auruturbiinid, kasutades madalatemperatuurilisi töövedelikke. Need ideed said teaduslikku hoogu koos materjaliteaduse arenguga: bismuut-telluriidist kuni keerukamate skutterudiit- ja pool-Heusler-sulamiteni ning ORC töövedelike ja soojusvahetite optimeerimiseni. Riiklikud uurimisinstituudid ja tööstuse laborid on viimased kaks kümnendit finantseerinud katsed, et muuta need lahendused praktiliseks.

Kuidas termogalvaanilised generaatorid toimivad ja millised on piirid

Termogalvaanilised generaatorid põhinevad Seebeck’i efektile: temperatuuride erinevus kahe materjali vahel tekitab laenguerinevuse ja seeläbi elektrivoolu. Automaailmas paigaldatakse TEG-id tavaliselt heitgaasisilindri või summuti ümber, kus temperatuurid on kõrged ja pidevad. Eelis on see, et TEG-idel ei ole liikkuvaid osi, mis teeb nad potentsiaalselt vastupidavaks ja vähendab hooldusvajadust.

Praktilised piirangud on aga merkantsiaalsed. Termilist-elektrilise efektiivsus (muundamise protsent soojusest elektriks) on materjalilimiitide tõttu suhteliselt madal: tavalised bismuut-telluriidipõhised TEG-id toimivad hästi madalamates temperatuurivahemikes, samas kui kõrgetele temperatuuridele on vaja teisi sulameid, mis on kallimad. Materjalide termiline ja mehaaniline tsükliline koormus tekitab pragunemise ja degradeerimise ohu. Lisaks nõuab optimaalseks tööks sujuv ja efektiivne soojusvahetus nii heitgaasist TEG-ini kui ka jahutuselt küljele; see lisab keerukust ja ruumivajadust sõiduki all- või tagaosas.

Uuringud näitavad, et reaalses sõidutingimuses võivad TEG-süsteemid toota elektrit, mis katab osa elektritarbimisest (näiteks jahutusventilaatorid, pumbad, elektroonika). Paljud modelleerimised ja laborikatsetused annavad hinnanguks mõne protsendipunkti kütusesäästu potentsiaalile, olenevalt mootori töörežiimist ja süsteemi efektiivsusest.

Orgaanilise Rankine’i tsükkel: mehhaanilisem lähenemine soojusele

Orgaanilise Rankine’i tsükkel kasutab madala keemispunktiga vedelikku, mis aurustub heitgaasi soojusest ning ajab seejärel väikese generaatori või turbiini; aur kondenseerub ja tsükkel kordub. ORC võib olla efektiivsem kui TEG-ide otseline elektrimuundus, eriti kui heitgaaside temperatuur ja voog on sujuv ja suhteliselt kõrge.

ORC-süsteemi tugevus on see, et see võib teoreetiliselt muundada suurema osa soojusenergiast mehaaniliseks tööks ja seejärel elektriks, saavutades teatud tingimustel tunduvamaid kokkuhoiuprotsente. Samas on ORC-mehhanismide integreerimine sõidukisse keerulisem: lisandub pumpade, soojusvahetite, täiendava torustiku ja väikese turbomaailma mass ning hooldusvajadus. ORC võib ka tekitada lisarõhku heitgaasisüsteemis, mis nõuab hoolikat planeerimist, et mitte segada järelpritsmeid ja heitgaaside puhastussüsteeme.

Sõidukirakendustes on ORC-l olnud lootustandevad laborikatsetused ja mõned prototüübid eriti veokite ja meremasinate sektoris, kus suured ja stabiilsed koormused võimaldavad ORC-st maksimaalselt kasu lõigata.

Tänased trendid, teadus ja tööstuse huvi

Praegused trendid näitavad, et suurema potentsiaaliga rakendused esinevad esmalt raskeveokite, mere- ja ajaliste generatsioonisüsteemide segmendis. Põhjuseks on kõrge töökoormus ja püsiv mootoritöö, mis annab rohkem järelkontrollitavat soojust. Autotööstuse suuremad uurimiskeskused ja mitmed valitsusasutused on finantseerinud projekti- ja laborikatseid, kus kombineeritakse uute termilisi omadusi omavate materjalide väljatöötamist, 3D-printimist soojusvahetiteks ja intelligentseid juhtimissüsteeme, mis maksimeerivad energia tagasivõttu erinevates sõidurežiimides.

Uuringud riiklikest laboritest nagu mõningad energiauuringute keskused on demonstreerinud, et TEG-id võivad reaalses kasutuses anda algul tagasi mõne kümnendikäigu kuni mõne protsendipunkti kütuseekonomiat; ORC-süsteemid mõnel tingimusel kuni üheksa kuni kümne protsendi lähedal, eriti pideva kiiruse ja koormusega olukorras. Need tulemused sõltuvad tugevalt parameetritest: mootori töötemperatuurist, heitgaasi voolust, peale- ja mahaõhutamise konfiguratsioonist ning süsteemi massi- ja ruumipiirangutest.

Tööstuse huvi on kandunud hübriidsete lähenemiste poole: ei ole üllatav, et kombineerida passiivseid TEG-e ja aktiivsema ORC-tehnoloogiaga, et haarata nii kõrgete kui ka madalate temperatuuride energiat. Samas on investeeringute tasuvusmudelid seniajani kallid: materjalikulu, kaalutõus ja infrastruktuuri muutmine sõiduki tootmisliinidel mõjuvad otsustele.

Praktilised rakendused, eelised ja igapäevased mõjud

Reaalses elus tähendab heitgaaside energia taaskasutamine mitut praktilist efekti. Esiteks, sõidukitele toodetud lisaelekter vähendab generaatori (alternatori) koormust, mis omakorda alandab kütusekulu. Teiseks võib soojuse suunamine salongiküttele lühendada mootorite soojenemisaega, mis on eriti kasulik külmades tingimustes ja vähendab seeläbi halba kütusekulu külmadest alustest. Kolmandaks aitab see alandada CO2 heidet, kui süsteemi elutsükkel on majanduslikult ja keskkonna mõttes kasulik.

Kõige suurem praktiline rakendus tuleb tõenäoliselt tööstuslikest sõidukitest ja kaugsõiduveokitest, kus igapäevased kilomeetrid ja pidev mootoritöö loovad soodsa raamistiku. Samuti on meresektor ja generaatorite tootmine loogilised esimesed laienemised.

Igapäevapäästude suurus sõltub sõidustiilist; linnas peatumised/aktiline töö annavad vähem püsivat soojusvoogu, seega ORC on linnatingimuses vähem tõhus kui maanteel. TEG-id, mis toimivad ka dünaamilisemates tingimustes, võivad pakkuda stabiilsemat, kuid väiksemat tulu.

Peamised tehnilised ja majanduslikud takistused

Peamised takistused ei ole alati ainult tehnilised. Esmalt materiaalne piirang: mõned kõrgeima efektiivsusega termoelektrilised materjalid sisaldavad haruldasi elemente nagu telluur, mis on kallid ja napp. Materjalide tsükliline vastupidavus kõrgetel temperatuuridel on samuti väljakutse. Teiseks on süsteemi kaal ja ruum: ORC lisab komponentide hulga, TEG nõuab suuri pindalasid tõhusaks soojuse kogumiseks.

Kolmandaks on integreerimise keerukus koos olemasolevate järelpuhastussüsteemidega — heitgaasisüsteemide igasugune muutmine peab arvestama katalüsaatorite töö, diiselpuhastuse ja NOx- või osakeste juhtimisega. Neljandaks on kulude ja kasu suhe: tootmiskulud, hooldus ja eluiga peavad kokku tulema, et süsteem oleks majanduslikult mõistlik.

Regulatiivsed stiimulid ja süsinikuhinna surve võivad muuta need investeeringud tasuvamaks, kuid seni on karm majandusarvestus takistanud laialdast tootmistavalduse kasutuselevõttu sõidukites.

Tulevik: materjaliteadus, modulaarsus ja integratsioon

Tulevik sõltub materjaliteaduse edusammudest ja modulaarsetest disainilahendustest. Nanostruktuuride ja skaleeritavate tootmismeetodite abil loodetakse muuta termoelektrilised materjalid odavamaks ja vastupidavamaks. Samuti suunavad uurijad tähelepanu uutele pooljuhtsulgude komposiitidele ning 3D-printimisega kohandatud soojusvahetitele, mis suurendavad kontaktpinnad ja vähendavad massi.

Süsteemilisi innovatsioone nähakse ka “plug-and-play” moodulites, mis lubavad pärastmüügile paigaldamist või tootmises modulaarseid variatsioone. Ettevõtted ja uurimisinstituudid kaaluvad ka integreeritud juhtimissüsteeme, mis optimeerivad energia taaskasutust vastavalt sõidustiilile ja koormusele, maksimeerides kasu ja minimeerides kulusid.

Lõpuks on oluline realistlik perspektiiv: kuigi tehnoloogiad võivad anda märkimisväärseid kokkuhoiusid teatud tingimustes, ei asenda need sootuks muid tõhususe parandamise strateegiaid. Need võivad olla olulised osa laiemast energiakasutuse optimeerimisest, eelkõige raskete ja püsivate koormustega rakendustes.

Kokkuvõte ja mida oodata edaspidi

Heitgaasi energia taaskasutus auto- ja transporditööstuses pakub reaalseid võimalusi kütusekulu ja heitmete vähendamiseks, eriti kui fookuses on tööstuslikud ja raskeveokite rakendused. Termogalvaanilised generaatorid ja orgaanilise Rankine’i tsüklid on erineva tugevusega tööriistad: TEG-id lubavad lihtsamat integratsiooni ja madalamat hoolduse vajadust, ORC pakub suuremat potentsiaalset energiatagastust, kuid keerukamal kujul. Materjaliteaduse, juhtimissüsteemide ja tootmiskulude areng määravad selle, millal ja kuidas need tehnoloogiad laiemalt kasutusele võetakse. Eeldatavalt näeme esimesi laiemalt kasutusel olevaid süsteeme raskeveokite ja sõidukite tarbeks, kus majanduslik kasu on kõige selgem, ning järgnevalt liigub tehnoloogia väiksematesse ja massiturgudesse, kui kulud langevad ja töökindlus suureneb. Kui huvi säästlikkuse ja regulatiivne surve jätkub, võivad heitgaaside peidetud energiajõud muutuda osa tänapäevase sõiduki tavapärasest energiakettast.