Η σπατάλη καυσίμου και η λύση της θερμοηλεκτρικής ενέργειας
Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, που χρησιμοποιούνται σε βενζινοκίνητα και πετρελαιοκίνητα οχήματα, αξιοποιούν μόλις το 25% της συνολικής ενέργειας του καυσίμου. Το υπόλοιπο 75% χάνεται κυρίως ως θερμότητα μέσω της εξάτμισης. Αυτή η απώλεια ενέργειας όχι μόνο επιβαρύνει την κατανάλωση καυσίμου, αλλά συμβάλλει και στην εκπομπή διοξειδίου του άνθρακα (CO₂), ενισχύοντας την κλιματική αλλαγή.
Μια νέα μελέτη, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό ACS Applied Materials & Interfaces, προτείνει μια καινοτόμα λύση: τη μετατροπή της θερμότητας των καυσαερίων σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω ενός θερμοηλεκτρικού συστήματος. Αυτή η τεχνολογία μπορεί να μειώσει την κατανάλωση καυσίμου και τις εκπομπές CO₂, προσφέροντας μια βιώσιμη λύση για τις μεταφορές του μέλλοντος.
Η αρχή λειτουργίας των θερμοηλεκτρικών συστημάτων
Τα θερμοηλεκτρικά συστήματα βασίζονται στη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο επιφανειών, χρησιμοποιώντας ειδικά ημιαγώγιμα υλικά για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Ωστόσο, τα υπάρχοντα θερμοηλεκτρικά συστήματα παρουσιάζουν μειονεκτήματα, όπως μεγάλο βάρος, πολύπλοκη δομή και την ανάγκη για επιπλέον συστήματα ψύξης.
Για να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις, μια ομάδα ερευνητών, με επικεφαλής τους Wenjie Li και Bed Poudel, ανέπτυξε ένα νέο, πιο συμπαγές και αποδοτικό θερμοηλεκτρικό σύστημα. Το πρωτότυπο τους μπορεί να αξιοποιήσει τη θερμότητα των καυσαερίων από οχήματα υψηλής ταχύτητας, όπως αυτοκίνητα, ελικόπτερα και μη επανδρωμένα αεροσκάφη, μετατρέποντάς τη σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια.
Η τεχνολογία πίσω από το καινοτόμο πρωτότυπο
Το νέο θερμοηλεκτρικό σύστημα των ερευνητών περιλαμβάνει έναν ημιαγωγό από τελλουριούχο βισμούθιο, καθώς και εναλλάκτες θερμότητας, παρόμοιους με αυτούς που χρησιμοποιούνται στα κλιματιστικά. Οι εναλλάκτες θερμότητας συλλέγουν τη θερμότητα από τις εξατμίσεις των οχημάτων, ενώ μια ψύκτρα (heatsink) ρυθμίζει τη θερμοκρασία, ενισχύοντας τη διαφορά θερμοκρασίας και άρα την απόδοση του συστήματος.
Τα πειράματα έδειξαν ότι το πρωτότυπο μπορεί να παράγει 40 βατ ηλεκτρικής ενέργειας—αρκετά για να τροφοδοτήσει μια λάμπα. Επιπλέον, οι δοκιμές αποκάλυψαν ότι η υψηλή ροή αέρα, όπως αυτή που δημιουργείται στα καυσαέρια, αυξάνει σημαντικά την απόδοση του συστήματος.
Υψηλή απόδοση σε προσομοιωμένες συνθήκες
Σε προσομοιώσεις που μιμήθηκαν συνθήκες υψηλής ταχύτητας, το σύστημα θερμικής ανάκτησης έδειξε εντυπωσιακή ευελιξία. Συγκεκριμένα, παρήγαγε έως 56 βατ για εξατμίσεις οχημάτων και 146 βατ για εξατμίσεις ελικοπτέρων, δηλαδή αντίστοιχα με την ισχύ πέντε και δώδεκα μπαταριών ιόντων λιθίου 18650.
Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι η τεχνολογία τους μπορεί να ενσωματωθεί απευθείας στις υπάρχουσες εξατμίσεις οχημάτων, χωρίς να απαιτούνται επιπλέον συστήματα ψύξης. Αυτό καθιστά τη λύση πρακτική και άμεσα εφαρμόσιμη, ενισχύοντας τις προσπάθειες για ενεργειακή αποδοτικότητα και μείωση των ρύπων.
Το μέλλον της θερμοηλεκτρικής ενέργειας στις μεταφορές
Καθώς η παγκόσμια ζήτηση για καθαρές ενεργειακές λύσεις αυξάνεται, η συγκεκριμένη έρευνα μπορεί να αποτελέσει σημαντικό βήμα για την εφαρμογή θερμοηλεκτρικών συστημάτων σε οχήματα υψηλών ταχυτήτων. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες και οι κατασκευαστές αεροσκαφών θα μπορούσαν να αξιοποιήσουν αυτήν την τεχνολογία για τη βελτίωση της ενεργειακής αποδοτικότητας, μειώνοντας παράλληλα το περιβαλλοντικό αποτύπωμα.
Επιπλέον προοπτικές
Αν η τεχνολογία αυτή βελτιωθεί περαιτέρω, μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σε άλλες εφαρμογές, όπως στη βιομηχανία και στις οικιακές ενεργειακές λύσεις. Για παράδειγμα, εργοστάσια που παράγουν υψηλές ποσότητες θερμότητας θα μπορούσαν να εφαρμόσουν θερμοηλεκτρικά συστήματα για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας και τη βελτίωση της αποδοτικότητας.
Με τη συνεχή εξέλιξη των ημιαγώγιμων υλικών και των τεχνολογιών ψύξης, η θερμοηλεκτρική παραγωγή ενέργειας μπορεί να αποτελέσει έναν από τους βασικούς πυλώνες της μελλοντικής ενεργειακής στρατηγικής, συμβάλλοντας σε έναν πιο βιώσιμο πλανήτη.
