El doble tubo de escape de un coche deportivo Omicrono
El genial invento que alarga la vida del coche diésel y gasolina: se instala en los tubos de escape para generar electricidad
Este pequeño sistema está diseñado para transformar el calor residual de los tubos de escape en energía eléctrica.
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El mundo camina hacia la descarbonización, pero la posibilidad de extender la vida útil de los motores de combustión interna puede ser un paso clave en la búsqueda de soluciones para reducir tanto el desperdicio energético como las emisiones de carbono. Aunque el desarrollo de tecnologías limpias avanza, los motores que funcionan con diésel o gasolina continúan dominando el transporte, lo que hace necesario implementar innovaciones para optimizar su eficiencia. En este contexto, un equipo de investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania ha desarrollado un generador termoeléctrico compacto capaz de transformar el calor residual de los tubos de escape en energía eléctrica.
El desperdicio de energía en los motores de combustión es un problema bien documentado. Estos sistemas apenas alcanzan una eficiencia del 25%, lo que significa que tres cuartas partes de la energía del combustible se pierden en forma de calor. Con la intención de aprovechar esta energía desperdiciada, los investigadores han diseñado un generador termoeléctrico basado en semiconductores, capaz de convertir la diferencia de temperatura entre los gases de escape y el ambiente en electricidad. Su trabajo se ha publicado en la revista ACS Applied Materials & Interfaces, donde detallan cada paso del proceso y sus posibles aplicaciones prácticas.
La tecnología termoeléctrica viene de lejos, pero su implementación en los vehículos presenta numerosos desafíos, especialmente debido a la necesidad de sistemas de refrigeración que mantengan el gradiente térmico necesario para la generación de electricidad. Tradicionalmente, estos sistemas recurren a circuitos de enfriamiento por agua, lo que aumenta el tamaño y la complejidad de los dispositivos. Para superar esta limitación, el equipo liderado por Wenjie Li y Bed Poudel optó por un diseño más eficiente que emplea intercambiadores de calor similares a los utilizados en sistemas de aire acondicionado, lo que permite capturar el calor del escape sin necesidad de refrigeración adicional.
Prototipo de laboratorio
El prototipo de generador desarrollado por los investigadores se fabricó con telururo de bismuto, un material semiconductor ampliamente utilizado en aplicaciones termoeléctricas. Además, se integró un disipador térmico para maximizar la diferencia de temperatura dentro del sistema, aumentando así la cantidad de energía generada. En pruebas experimentales, el generador alcanzó una potencia de 40 vatios, suficiente para alimentar una bombilla. Sin embargo, los investigadores descubrieron que el rendimiento podía mejorar significativamente en entornos con alto flujo de aire, como los tubos de escape de vehículos en movimiento.
Simulaciones por ordenador realizadas con diferentes escenarios de aplicación revelaron resultados muy prometedores. En un automóvil, el sistema podría generar hasta 56 vatios de electricidad, mientras que en un helicóptero la potencia alcanzaría los 146 vatios, el equivalente a la energía almacenada en 12 baterías de iones de litio. Estas cifras pueden parecer irrelevantes, pero demuestran el potencial de esta tecnología para recuperar energía que de otro modo se perdería en forma de calor.
Diseño del prototipo de generador termoeléctrico integrado en un tubo de escape Omicrono
Una de las principales ventajas de este generador termoeléctrico es su facilidad de integración en vehículos ya existentes, ya que no requiere ninguna infraestructura adicional para su funcionamiento. Esta característica lo convierte en una solución viable para mejorar la eficiencia energética de los motores actuales sin modificar drásticamente su diseño.
Los investigadores confían en que este avance facilitará la incorporación de dispositivos termoeléctricos en vehículos de uso cotidiano, permitiendo una mayor recuperación de energía y reduciendo la dependencia de fuentes convencionales de electricidad. En un futuro, estos generadores podrían encargarse de la mayor parte del suministro eléctrico de los coches.
Omicrono
Sin embargo, donde el desarrollo de sistemas termoeléctricos para la captación de calor residual es especialmente relevante es en helicópteros y drones de gran tamaño. En este tipo de vehículos aéreos, la capacidad de generar energía a partir del calor del escape podría ampliar significativamente los tiempos de operación y reducir la necesidad de baterías adicionales, lo que también permitiría reducir el peso del vehículo, un factor clave para aumentar su autonomía.
Experimentos
A pesar de los avances en materiales termoeléctricos, el diseño de sistemas integrados aún representa un desafío. En este estudio, los investigadores llevaron a cabo experimentos y simulaciones numéricas para optimizar la eficiencia del sistema. Se diseñaron intercambiadores de calor de placas triangulares y aletas para absorber la energía térmica de los gases de escape, mientras que disipadores de calor cilíndricos con aletas trapezoidales se optimizaron mediante análisis de elementos finitos para maximizar el gradiente de temperatura.
Bajo condiciones de laboratorio, el sistema alcanzó un gradiente térmico de 190 °C, logrando una potencia de salida de 40 vatios con módulos termoeléctricos comerciales. Además, simulaciones computacionales confirmaron su viabilidad en escenarios de alta velocidad, lo que allana el camino para su aplicación en plataformas autónomas y sistemas de transporte avanzados.
El desarrollo de este generador termoeléctrico representa un paso adelante en la búsqueda de soluciones energéticas más eficientes. Al recuperar una parte del calor desperdiciado por los motores de combustión, esta tecnología no solo mejora la eficiencia de los vehículos actuales, sino que también contribuye a la reducción del impacto ambiental del transporte.
Con el continuo avance en la integración de estos dispositivos, la termoeléctrica podría consolidarse como una alternativa viable para aprovechar la energía desperdiciada y prolongar la utilidad de los motores de combustión en la transición hacia un futuro más sostenible.
