Miks heitgaaside soojuse taastamine on jälle aktuaalne

Kütusehindade ja emissiooni regulatsioonide surve on juba aastaid sunnitud tootjaid otsima igasuguseid nurgataguseid kütusesäästu jaoks. Heitgaaside kuumus moodustab sisepõlemismootori energiajaotuses märkimisväärse osa — sageli suurima osa peale mehhaanilise töö jaotumist. See tähendab, et paljud projektid keskenduvad sellele, kuidas muundada see madala väärtusega soojus uuesti kasulikuks energiaks. Praegune huvi ei ole pelgalt ideena, vaid konkreetsete materjalide, kompaktsete soojusvahetite ja juhtimissüsteemide arengu tulemus. Eriti atraktiivne on see kaubanduslikus mõttes pikema sõidu ja ühtlase koormusega sõidukite puhul, kus tagasivõidetud energia suudab reeglina katta sõiduki abiseadmete tarvet.

Ajalooline taust ja tehnoloogilised sammud

Sõltuvalt ajaloost on soojuse taaskasutus olnud tehnoloogiliselt mitmes suunas uuritud juba üle sajandi — alates aurumasinast kuni kaasaegsete väikeste tsüklipõhiste lahendusteni. 20. sajandi keskpaigas uuriti autodes lihtsalt aurutsüklit, kuid materjalitehnoloogia ja miniatuurse mehaanika puudulikkus takistas laialdast rakendust. 1990ndatest alates hakkasid ilmu­ma kaks selget rida: tahked termoelektrilised generaatorid (TEG) ja orgaanilised Rankine’i tsüklid (ORC). Viimase kümnendi materjaliteaduse hüpped, paremad soojusvahetid ja juhtimisalgoritmid tõid need jälle praktilisse vaatevälja. Samuti suurenenud nõudlus kütusesäästu järele ning tarnijate ja teadusasutuste koostöö on kiirendanud prototüüpide ilmumist.

Termogalvaanid: Seebecki efektist praktilise moodulini

Termogalvaanilised moodulid kasutavad Seebecki efekti — temperatuurigradiendi korral tekib pooljuhtmaterjalide vahel pinge. Akadeemilised ja tööstusuuringud on viimastel aastatel parandanud materjale nagu bismut-telluriid madalatel temperatuuridel ja skutterudiidid kõrgematel temperatuuridel. Reaalses autoheitgaasis tähendab see, et TEG-moodulid suudavad tipptemperatuuride juures toota mõnest kümnest vatti kuni mõnesajani vatti, sõltuvalt mooduli massist, paigutusest ja heitgaasi temperatuurist. Praktikas on TEGi suur eelis see, et tal pole liikuvate osadega mehaanilist kulumist ja see on väga modulaarne — saab paigaldada katalüüdi järel või vahetult heitgaasitoru ümber, kui termiline jaotus on optimeeritud. Samas on efektiivsus madal: tänapäeva materjalidega muudetakse heitgaaside soojusest elektriks tavaliselt vaid mõne protsendi jagu. Uuringud riiklikest laboritest ja ülikoolidest näitavad, et siiski võib TEG pakkuda piisavalt energiat tarbijate elektrisüsteemile ja seeläbi vähendada generaatori koormust.

Orgaanilised Rankine’i tsüklid auto kontekstis

ORC kasutab vedelikku, mille keemispunkt on madalam kui vee oma, et töötada madala temperatuuriga soojusallikatega. Auto puhul tähendab see, et heitgaasid annavad soojusvahetile, mis aurustab töövõlli vedeliku; aur liigub turbiini või rootsmootori kaudu generaatorisse ja seejärel kondenseerub. ORC-süsteemidel on potentsiaal toota suuremaid võimsusi kui TEGid — prototüüpidena on mõõdetud sadu vatte kuni kilovatini, sõltuvalt süsteemi suurusest ja heitgaasi paralleelsest koormusest. ORC eeliseks on kõrgem termiline efektiivsus võrreldes tänaste termogalvaanidega; selle hinnakulu ja keerukus on aga märkimisväärsemad: vajalik on soojusvaheti, tihendid, pump, generaator ja juhitav turbokomponent. Viimaste aastate uuringud on keskendunud kompaktsemate ja madalama massiga ORC-üksuste väljatöötamisele ning mittetuleohtlike lihtsate töötavate vedelike kasutamisele.

Tootlikkus, kasu ja reaalsed numbrid

Mõni sõltumatu uuring on kokku võtnud tehnoloogiate praktilise potentsiaali: TEG-id annavad tavatingimustes enamasti kümneid kuni mõnesaja vatti, mis võrdub väikese osa tavalisest generaatori koormusest. See võib tähendada bensiinimootoril ja vanemal elektrisüsteemil näiteks generaatori kergemat töökoormust ja sellest tulenevat kütuse kokkuhoidu, aga ka stabiilsemat elektritarvet kohtades, kus generaatoril on suur koormus. ORC-süsteemid võivad õigetes tingimustes lisada mõne protsendipunkti põlemismootori üldisele termilisele efektiiv­susele; mõned labori- ja prototüüpiuuringud annavad hinnanguid kütusesäästule vahemikus 3–7% kergetel sõidukitel ja suuremahulised süsteemid on eriti atraktiivsed rasketes veokites. Rahvusvahelised uurimisprojektid on näidanud, et terviklik maksimaalne kasu sõltub sõidustüübist: linnas sagedaste ja lühikeste sõitude puhul on soojusallik vähem kasulik kui pidevate maanteeolukordade puhul.

Rakendamise väljakutsed ja praktilised lahendused

Reaalses maailmas tuleb arvestada mitme piiranguga. Esiteks peab soojusvaheti ja generaator olema mehaaniliselt ja keemiliselt vastupidav: heitgaasid sisaldavad saasteaineid, mis võivad ummistada vaheti pindasid; temperatuurid ja tsüklilised koormused toovad kulumist. Teiseks mõjutab iga lisaseade heitgaaside voolu ja tagasi­survet; liiga suur takistus võib tõsta mootori tööd ja vähendada kokkuhoidu. Kolmandaks on kulud ning mass: tarbijateni jõudmiseks peab süsteemil olema mõistlik tasuvusaeg. Praktikas näevad eksperdid esmalt laiemat kasutuselevõttu kommerts­sõidukitel ja piirkondades, kus sõidumasinate käyttäjatel on tihe lõik või suurem koormus — seal tasuvusajaks saada on lihtsam. Tehnoloogiliselt aitab olukorda modulaarne disain, mis ühildub olemasoleva heitgaasisüsteemi ja mootori juhtimisega, ning materjali- ja tootearenduse edusammud, mis vähendavad kulusid.

Kogemus prototüüpidega ja tulevikustseenariumid

Isiklik kogemus testirajalt kinnitab, et prototüübid juba annavad tunnetuse, kuidas süsteem toimib reaalsel teel: TEGi paigaldus allasurutud võimsuse perioodidel pakkus sujuvat lisavoolu elektritarbijatele ja ORC-demo katsetel tundus selgelt, et madala pingega pidev võimsus oli kergelt kasutatav mootori abisüsteemide toetamiseks. Tootmisse minnes sõltub palju standardimisest ja teenindusvõrgustikust — tehnoloogia peab olema lihtne hooldada ning taastetööriistad kättesaadavad. Tulevikus võib kombinatsioon: väiksemad TEG-id kohese, madalamas võimsusvahemikus energia tootmiseks ja ORC modulid pideva suurema koormusega olukordades olla kõige praktikalisem. Lisaks võivad materjaliteaduse edusammud ja tootmistehnoloogiad vähendada hinda ning suurendada eluiga.

Kellele see esmalt kasu toob ja kuidas edasi liikuda

Esimesed suurkasutajad on tõenäoliselt kaubaveo sektor, bussid ja muud pideva koormusega sõidukid, kus investeering taastub lühema aja jooksul. Tarbijaturul võivad aga varased adopteerijad valikuliselt eelistada sõidukeid, mis pakuvad lisafunktsioone nagu vaiksem generaatori töö või pikem aku eluiga (sõltuvalt elektritarbimise haldamisest). Tööstuse ja teaduse vaheline koostöö on juba tugev ning järgmise viie kuni kümne aasta jooksul ootavad eksperdid mitmeid iteratsioone, kus materjalid, elektrijuhtimine ja süsteemi integreerimine viivad prototüübid stabiilseteks tootmislahendusteks.

Soojus, mis varem lihtsalt hajus atmosfääri, on saanud uuesti tähelepanu objektiks, mille liigutamine tagasi kasutuskõlblikuks energiaks võib olla madala profiiliga, kuid kokkuvõttes tähendusrikas samm kütuse efficiency parandamisel. Heitgaaside energia taastamine ei ole imerohi, kuid see on praktiline komponent laiemas strateegias vähendada kütusekulu ja parandada energiahalduse tõhusust autotööstuses — eriti neil platvormidel, kus soojusallikas on suur ja pidev.