A kipufogógáz energiahasznosítása

Az előző számunkban bemutatott „turbógözős”-rendszer után, most egy másik, szintén a kipufogógáz energiáját hasznosítani kívánó koncepciót mutatunk be. A TEG, azaz termoelemes generátor rendszer közvetlenül alakítja át a kipufogógáz hőenergiáját elektromos árammá. A veszteségenergiák visszanyerésére történő törekvések közül eddig leginkább a fékezésnél felszabaduló energiák hasznosításáról hallhattunk. Ez a rekuperáció azonban csak akkor működik, ha az ember a fékpedált nyomja, azaz az autó lassul. A TEG rendszer érdekessége és a fejlesztési irány szellemessége pedig éppen az, hogy a TEG gázadáskor válik igazán hatékonnyá.

A termoelektromos-hatás, vagy termoelektromos-effektus nem más, mint hőmérsékletkülönbség átalakítása elektromos árammá és fordítva. Egy termoelektromos berendezés képes a hőmérsékletkülönbséget átalakítani elektromos árammá, tápfeszültséget kapcsolva az áramkörre viszont hőmérsékletkülönbséget hoz létre. A termoelektromosság kapcsán három fő elvet kell tisztáznunk, a Seebeck-effektust, a Peltier-effektust és a Thomson-effektust.

Seebeck-effektus

A termoelem – vagy más elnevezéssel hőelem – működésének elméleti alapját a fém-fém érintkezési felületen kialakuló, ún. kontaktegyensúly és a Seebeck-effektus  adja. Ha két különböző fémrudat, fémszálat érintkezésbe hozunk, a két fém szabad végei között potenciálkülönbség alakul ki, amit kontaktpotenciálnak nevezünk. A kontaktpotenciál kialakulását úgy értelmezzük, hogy a két érintkező fémben az elektronok energiaállapota eltér egymástól. Ezen túlmenően a fémekben különbözhet a szabad vegyértékelektronok száma, vagyis az elektronkoncentráció is. Az összeérintés pillanatától kezdődően abból a fémből, amelyben nagyobb az elektronok energiaszintje, időegység alatt több elektron jut át, mint amennyi fordított irányban áramlik, azaz viszonylag rövid idő alatt az elektronok megoszlásában beáll az egyensúlyi állapot. Mivel az egyensúly beállása közben az egyik fémből a másikba meghatározott mennyiségű elektron lép át, a két fém végei között elektromos potenciálkülönbség alakul ki. Ezt a potenciálkülönbséget nevezzük érintkezési-, vagy kontaktpotenciálnak.

A kontaktpotenciál értéke hőmérsékletfüggő, ami azzal magyarázható, hogy a fémekben az elektronok energiája függ a hőmérséklettől, de a hőmérsékletfüggés az egyes fémeknél eltérő.

Ha egy fémes vezető két vége között ΔT a hőmérsékletkülönbség, akkor a vezetőben elektronáram jön létre a nagyobb hőmérsékletű hely felől a kisebb felé mindaddig, amíg a vezető hossza mentén a hőmérséklet-eloszlásnak megfelelő egyensúly nem áll be. Ez a jelenség a Seebeck-effektus.

Összefoglalva tehát, ha két különböző félvezetőből vagy fémből (például antimonból és bizmutból) álló vezetőkör egyik érintkezési vagy forrasztási helyét a másikhoz képest felmelegítjük vagy lehűtjük, akkor az így kapott vezetőben áram folyik, mindaddig, amíg a két forrasztási hely közt hőmérsékletkülönbség áll fenn. A keletkezett áramot termoáramnak, az ezt létrehozó erőt termoelektromos erőnek, röviden termoerőnek nevezzük.

A Peltier- és a Thomson-effektus

A Seebeck-effektus fordítottja a Peltier-effektus, melyet egy évtizeddel Seebeck felfedezése után ismert fel Peltier fizikus.

Ha áram halad át két különböző vezető érintkezési vagy forrasztási helyén, akkor ezen a helyen (a Joule-hőn kívül) az áram irányától függően felmelegedés, vagy lehűlés következik be, tehát hőközlés vagy hőelvonás (Peltier-hő).

A termoelektromosság harmadik alapelvének nevezik a Thomson által felfedezett és róla elnevezett hatást. A Peltier-hőhöz hasonlóan hő keletkezik vagy nyelődik el, ha áram folyik át egy olyan homogén vezetőn, amely mentén hőmérséklet-változás, hőmérséklet gradiens is van.

Egyértelmű, hogy a fent említett három jelenség közül a kipufogó hőenergiájának hasznosítása a Seebeck-effektuson alapszik. Vagyis a kipufogógáz hőenergiája ezen elv felhasználásával elektromos energiává alakítható át, ami aztán a gépjármű akkumulátoraiban tárolva tovább hasznosítható.

1. ábra

A 1. ábrán a termoelektromosság elvét használó rendszer látható. Részei a következők:

                  1: belső égésű motor,

                  2: hűtőkör,

                  3: kipufogórendszer,

                  4: katalizátor,

                  5: hűtőkör „hőcserélője”,

                  6: kipufogórendszer „hőcserélője”,

                  7: termoelektromos egység,

                  8: generátor,

                  9: teljesítményszabályozás,

                  10: akkumulátor,

                  11: kipufogódob.

A belső égésű motorból kiáramló forró kipufogógáz a katalizátort elhagyva belép a 6-os számú hőcserélőbe. Itt a benne levő hőmennyiség nagy részét átadja a termoelektromos generátornak, így „létrejön” a meleg oldal. Ekkor a meleg és a hideg oldal közötti hőmérsékletkülönbség hatására áram indul a körben. Ez az áram mindaddig fennáll, amíg a két oldal közötti hőmérsékletkülönbség is létezik. Hogy ez a feltétel biztosítva legyen, a hideg oldalon is van egy hőcserélő, mely a motor hűtőkörének adja át a termoelektromos generátor által leadott hőt. Lényegében a hideg oldal „hidegen” tartása a feladat.

A keletkező elektromos energia a gépjármű elektromos hálózatába kerül, tölti az akkumulátort.

A 2/a. ábrán a TEG (termoelektromos generátor) elvi felépítése látható, a 2/b ábrán pedig a kész modell, mely a kipufogórendszerbe illeszthető.

2/a ábra

2/b ábra

Az energiaátalakítás hatásfoka

Az átalakítás hatásfoka, hatásossága alapvetően két dologtól függ. Az egyik a meleg és hideg oldal közötti hőmérsékletkülönbség mértéke. Ha túl kicsi a hőmérsékletkülönbség, akkor ezt a veszteségek (például hősugárzás) szinte felemésztik.

A 3. ábra az átalakítás hatásfokát mutatja a két oldal közötti hőmérséklet-különbség függvényében. Jól látható, hogy természetesen az sem mindegy, hogy a hideg oldal mennyire „hideg”. Minél jobban hűtjük ezt az oldalt és minél melegebb ettől a meleg oldal, annál jobb lesz az átalakítás hatásfoka.

3. ábra

A másik fő tényező a termoelektromos egység anyaga. Az anyag jóságát a ZT jelölésű, dimenzió nélküli mérőszám fejezi ki. Minél nagyobb a ZT értéke, annál jobb az átalakítás hatásfoka.

Jelenleg ennek a technológiának az anyagválasztás a legkényesebb pontja. Ugyanis jó minőségű anyag választásával jobb átalakítási hatásfok érhető el, de ebben az esetben a költségek rendkívül magasak. 1 W-nyi elektromos áram előállítása 2005-ben 1 dollár volt a Bi₂Te₃  anyagot használva. A legújabb anyagokat használva ez a költség mára megtizedelődött. A fejlesztéseknek köszönhetően sikerül egyre jobb és jobb, illetve olcsóbb anyagokat kifejleszteni, melyekkel megfelelő termoelektromos egységek állíthatóak elő.

A 4. ábrán látható az elmúlt évek során elért ZT érték növekedés, mely az egyre javuló anyagtulajdonságú, újabb ötvözetek kifejlesztésének köszönhetően.

4. ábra

Több gyár, csoportosulás is foglalkozik ezzel a technológiával. Ilyen a Caterpillar, a BMW, valamint a GM-csoport. Ezek közül tekintsük át röviden a Caterpillar és a BMW rendszerét.

A Caterpillar-féle megoldás

A Caterpillar megoldása látható az 5. ábrán. A motorból kilépő kipufogógáz a turbófeltöltőn áthaladva a termoelektromos generátorba jut. Itt a benne levő hőmennyiség egy részét átadja a termoelektromos generátor meleg oldalának. A hideg oldalt folyamatosan hűteni kell, hogy a két oldal közötti hőmérséklet különbség biztosítva legyen, hisz a Seebeck-effektus csak e feltétel esetén játszódik le. Ezt a hűtést egy külön hűtőkörrel oldották meg, külön szivattyúval, külön hűtőradiátorral.

5. ábra

A termoelektromos generátort a gépjármű alján helyezték el, a kipufogórendszer többi részével egybeépítve. A termoelektromos generátorba kerülő kipufogógáz hőmérséklete 420 °C. A veszteségek következtében ennek csak egy része adódik át a meleg oldalnak, így 50 °C-os hőmérsékletű hideg oldal esetén 265 °C a két oldal közötti hőmérséklet különbség.

A hideg oldal hűtőkörében etilén glikol / víz hűtőfolyadék kering.

Az 5. ábra azt mutatja, hogy a Caterpillar termoelektromos rendszerében 67 kW hőenergia kerül a termoelektromos generátorba, melynek 18%-a alakul át elektromos energiává. Ez 12 kW-nak felel meg, ami a motorteljesítmény 4,8%-a. Ha ebből még levonjuk a hűtőkör szivattyújának és ventilátorának teljesítményigényét, akkor marad 4,4%. Az alapvető probléma itt is megmutatkozik, hogy a termoelektromos generátor rossz hatásfokkal alakítja át a hőenergiát elektromos energiává. Ez maga után vonja azt is, hogy a rendszer egyelőre nem költséghatékony.

A BMW rendszere

A BMW csoport mérnökeinek a legnagyobb kihívást a TEG elhelyezése jelenti. A 6-7-8. ábrákon a kísérleti modell szerkezeti kialakításait figyelhetjük meg. Úgy kell megválasztani a csőkeresztmetszetet, hogy az megfelelően szolgálja a termoelemek hatásosságát, valamint ne változtassa meg az áramlási viszonyok módosításával a motor jellemzőit. A fejlesztők ezt az energia-visszanyerő rendszert hideg indításkor más egységek gyors felmelegítésére is fel szeretnék használni. Ha a félvezetőkből álló vezetőkörök két végére feszültséget kapcsolnak, akkor annak egyik oldala a Peltier-effektus szerint hőt ad le (a Joule hőn felül), melyet a váltó-, vagy az utastér fűtőfolyadékának melegítésére lehet használni. Miután a motor bemelegedett, meleg kipufogógáz áramlik ki a motorból, a TEG a hőmérséklet különbség hatására elektromos áramot fog termelni, azaz az áram iránya megfordul.

Koncepciójuk szerint előnyös lenne a termoelektromos generátort a katalizátorba integrálni, hiszen hidegindításkor fel tudná fűteni azt, segítve ezzel a benne lezajlódó katalitikus folyamatokhoz szükséges hőmérséklet mielőbbi elérését.

A fejlesztők a rendszer tökéletesítését addig kívánják folytatni, amíg el nem érik az 5%-os tüzelőanyag megtakarítást. Jelenleg ez a rendszer 200 W energiák képes leadni, ám a nagy cél, az 1000 W-os határ, köszönhetően az alapanyag fejlesztések sikerének, a közeljövőben elérhető lesz.

Orosz Norbert

(CsT)