Recuperación de energía del escape mediante pares termoeléctricos

Tal vez por el título has pensado en un sistema como el turbo. Sí, es cierto que el turbo es un sistema para aprovechar la energía de los gases de escape y conseguir un plus de potencia. Pero aquí no me voy a referir a este sistema, sino a otro diferente a los turbos convencionales o a los MGU-H de la F1, o similares, sino a un sistema de recuperación de energía del escape que se puede implementar incluso en los coches que no son turbo.

Y todo tiene que ver con los famosos termopares o sistemas termoeléctricos…

La energía perdida por los escapes

La eficiencia de los motores de combustión interna ha mejorado significativamente en las últimas décadas, pero aún existe una gran cantidad de energía que se desperdicia en forma de calor residual en los gases de escape. La recuperación de calor de los gases de escape se ha convertido en un área de creciente interés para los fabricantes, ya que ofrece la posibilidad de aumentar la eficiencia del motor, reducir el consumo de combustible y disminuir las emisiones.

Como sabes, una de las formas de aprovechar estos gases de escape era mediante el turbo, algo que se ha venido usando desde hace décadas. Sin embargo, hay otras formas de conseguir aprovechar la energía de los gases de escape. Y es que, aunque los avances tecnológicos han permitido reducir el consumo de combustible de los motores de combustión interna, la eficiencia máxima teórica de un motor:

• Ciclo Otto de 4 tiempos es de alrededor del 35%. Esto significa que el 65% de la energía liberada del combustible se pierde como calor.
• Ciclo Diesel obtiene mejores resultados, con una eficiencia máxima teórica de alrededor del 45%, pero aún están lejos de la eficiencia máxima teórica, con el 55% del contenido energético del combustible rechazado como calor.

La recuperación de calor de los gases de escape consiste en convertir la energía térmica residual en energía eléctrica o mecánica, la cual puede ser reintroducida en el motor para aumentar su potencia o almacenarse en una batería. Esta tecnología ofrece varias ventajas:

• Aumento de la eficiencia global: al aprovechar la energía que de otro modo se perdería, la recuperación de calor puede mejorar significativamente la eficiencia general del sistema de propulsión.
• Reducción del consumo de combustible: una mayor eficiencia se traduce en un menor consumo de combustible, lo que a su vez reduce las emisiones de gases de efecto invernadero y los costos operativos.
• Generación de energía eléctrica: la energía recuperada puede utilizarse para alimentar sistemas eléctricos del vehículo, como luces, climatización o incluso sistemas de propulsión híbridos.
• Reducción de emisiones: al reducir el consumo de combustible, también se reducen las emisiones de contaminantes atmosféricos.

Pero ¿cómo se puede recuperar más allá del sistema turbo? Veamos…

Tecnologías de recuperación de energía del escape

Por último, vamos a ver algunos de los sistemas de recuperación de energía para los escapes de los coches. Entre los dos principales tenemos:

Ciclo Rankine

Una de las tecnologías más prometedoras para la recuperación de calor en los motores de combustión interna es el ciclo Rankine. Este ciclo termodinámico se basa en la vaporización de un fluido a alta presión mediante el calor residual de los gases de escape. El vapor generado impulsa una turbina o un conjunto de pistones, lo que a su vez puede generar electricidad o aumentar la potencia del motor principal.

Investigadores de la Universidad de Loughborough y la Universidad de Sussex en el Reino Unido han concluido que la recuperación de calor mediante el ciclo Rankine en vehículos ligeros puede ofrecer ventajas en el consumo de combustible de entre 6.3% y 31.7%, dependiendo del ciclo de conducción. Además, se pueden lograr altas eficiencias a presiones de operación prácticas.

Varias empresas, como BMW y su Turbosteamer, Chevrolet, Honda, Exoès y Barber-Nichols, están desarrollando sistemas de recuperación de calor basados en el ciclo Rankine para mejorar la eficiencia de los vehículos y reducir las emisiones. Estos sistemas pueden recuperar energía térmica de los gases de escape y convertirla en electricidad o en calor para otros componentes del vehículo.

Termoeléctricos

Otra tecnología que se ha explorado para la recuperación de calor en los motores de combustión interna son los generadores termoeléctricos. Estos dispositivos aprovechan el efecto Seebeck/Thomson para convertir la diferencia de temperatura entre dos materiales en electricidad. Sin embargo, a pesar de su potencial, los generadores termoeléctricos aún no se han implementado de manera práctica en los automóviles modernos debido a limitaciones en su eficiencia y coste, pero podrían ser interesantes para el futuro, incluso para aprovechar el calor generado por las baterías en eléctricos, o por otro tipo de motores.

Como he mencionado, se basan en efectos termoeléctricos como:

• Efecto Seebeck: cuando se une un conductor metálico en dos puntos a diferentes temperaturas, se genera una fuerza electromotriz (fem) entre esos puntos. Los electrones libres en un metal tienden a moverse hacia las regiones más frías. Cuando hay una diferencia de temperatura entre dos puntos de un conductor, los electrones se difunden desde la región caliente a la fría, creando una acumulación de carga negativa en el extremo frío y positiva en el extremo caliente. Esta separación de cargas genera una diferencia de potencial eléctrico. Los termopares consisten en dos metales diferentes unidos en sus extremos. La diferencia de potencial generada es proporcional a la diferencia de temperatura entre las uniones. Entre los termopares empleados, tenemos:
  • De uso general:
    • Tipo K (Cromo-Alumel): es uno de los termopares más utilizados debido a su amplio rango de temperatura, buena sensibilidad y bajo costo.
    • Tipo J (Hierro-Constantán): similar al tipo K, pero con una sensibilidad ligeramente menor.
    • Tipo T (Cobre-Constantán): para bajas temperaturas debido a su alta sensibilidad y estabilidad.
  • Para altas temperaturas:
    • Tipo B (Platino-6% rodio/Platino-30% rodio): utilizado para altas temperaturas debido a su estabilidad y resistencia a la oxidación.
    • Tipo R (Platino-13% rodio/Platino): similar al tipo B, pero con una mayor sensibilidad.
    • Tipo S (Platino-10% rodio/Platino): también utilizado para altas temperaturas y ampliamente utilizado como estándar de referencia.
  • Otros:
    • Tipo E (Níquel-Cromo/Constantán): ofrece una alta sensibilidad a bajas temperaturas.
    • Tipo N (Níquel-Cromo-Silicio/Níquel-Silicio): resistente a la oxidación y con una buena estabilidad a largo plazo.
• Efecto Thomson: describe la liberación o absorción de calor cuando una corriente eléctrica fluye a través de un conductor con un gradiente de temperatura. Si una corriente eléctrica fluye a través de un conductor con un extremo más caliente que el otro, se produce un efecto de enfriamiento o calentamiento en diferentes secciones del conductor, dependiendo de la naturaleza del material. Este efecto es reversible; es decir, si se aplica una diferencia de potencial a un conductor con un gradiente de temperatura, se producirá un flujo de calor.

Imagina escapes con estos termopares…

Imágenes | Canva