Auto’s gooien energie weg. Elke keer dat u het gas loslaat, schiet er heet gas uit de uitlaat. Het is weg. Stomdronken. Decennia lang keken ingenieurs toe hoe de hitte verdween en haalden ze hun schouders op. Nu worden ze hebzuchtig.
Nu de voorraden fossiele brandstoffen slinken en steden stikken in smog, heeft de auto-industrie een probleem. Verbrandingsmotoren zijn inefficiënte bruten. Ze verbranden brandstof, creëren beweging en dumpen de rest als warmte. Een groot deel ervan komt via het uitlaatsysteem naar buiten. Auto-ontwerpers zijn al sinds begin jaren zeventig op de hoogte van dit lek. Sindsdien proberen ze het aan te sluiten.
De oplossing is geen magie. Het is terugwinning en recirculatie van uitlaatwarmte.
Dit klinkt als technisch jargon. Het is eigenlijk vrij eenvoudig. In plaats van thermische energie in de atmosfeer te laten ontsnappen, vangt de auto deze op. Het recycleert het. Het resultaat? Beter brandstofverbruik. Lagere uitstoot. Een schonere uitlaatstroom voordat deze ooit op straat komt.
Waarom uitlaatwarmte opvangen?
Je zou kunnen denken dat uitlaatgassen gewoon vuile lucht zijn. Het is. Maar het is ook warm. Echt heet. Die warmte vertegenwoordigt potentiële energie. Potentieel werk. Potentiële macht.
Ingenieurs gebruiken deze restwarmte op verschillende manieren.
Ten eerste houden ze de motor warm. Koude motoren zijn inefficiënt. Ze verbranden meer brandstof om op bedrijfstemperatuur te komen. Door uitlaatwarmte te gebruiken om de motorkoelvloeistof op te warmen, blijft de motor langer op zijn goede plek. Dit is zelfs van belang als de auto uren heeft stilgestaan. De restwarmte in het blok helpt mee.
Ten tweede verwarmen ze de cabine. Waarom extra brandstof verbranden alleen maar om de verwarming te laten werken? Gebruik in plaats daarvan de uitlaat. Het werkt in de diepe winter. Het bespaart gas terwijl je tenen warm blijven.
Ten derde pakken ze stikstofoxiden aan. Lachgas (N2O) is een krachtig broeikasgas. Het terugdringen ervan is een prioriteit. Uitlaatsystemen kunnen helpen deze emissies te zuiveren voordat ze het voertuig verlaten.
Ten slotte wekken sommige systemen elektriciteit op. Ja. Warmte wordt volt. Hiermee worden accessoires van stroom voorzien of wordt de batterij opgeladen. Het is een kleine winst, maar elke watt telt.
De hybride verbinding
Je kunt deze technologie in elke auto plaatsen. Vrachtwagens, SUV’s, sedans. Maar hybriden geven er het meeste om.
Hybriden leven van efficiëntie. Hun hele punt is om elke mijl uit elke gallon te persen. De Toyota Prius uit 2010 is een goed voorbeeld. Hij maakt gebruik van geavanceerde strategieën voor het terugwinnen van uitlaatgaswarmte om het bereik te maximaliseren. De Prius vertrouwt niet alleen op zijn elektromotor. Het optimaliseert het vermogen van de benzinemotor. Het herwint afval. Het minimaliseert het verlies.
In een standaard benzineauto zou je een efficiëntiewinst van 2% kunnen negeren. Bij een hybride is die 2% het verschil tussen het raken van de volgende plug of het opraken van het sap.
Hoe het in de praktijk werkt
De term terugwinning van uitlaatwarmte omvat het hele proces. Het is niet één onderdeel. Het is een systeem. Warmte verplaatst zich van het uitlaatspruitstuk naar de koelvloeistof. Van de koelvloeistof tot het motorblok. Van de uitlaat tot de cabineverwarmingskern.
Het is een cyclus. Energie erin. Trainen. Afval geminimaliseerd.
Het gaat niet alleen om het besparen van geld aan de pomp. Het gaat over het bestrijden van luchtvervuiling. Door uitlaatgassen te recyclen voordat deze de deur uit gaan, produceert de auto minder schadelijke stoffen. De lucht krijgt een pauze
Waarom lachgas belangrijk is bij de uitstoot van auto’s
Kooldioxide krijgt alle haat. Het is de hoofdschurk in het verhaal over klimaatverandering. Maar verbrandingsmotoren dumpen nog veel meer verontreinigende stoffen in de lucht. Een van de grootste is lachgas (N2O). Het is een belangrijk ingrediënt in smog. Het is ook een broeikasgas.
Net als CO2 houdt N2O de warmte van zonlicht vast. Het houdt die thermische energie opgesloten in de atmosfeer. Zonder broeikasgassen zou de aarde een bevroren rots zijn. Te veel, en het wordt een zinderende oven. Om te overleven hebben we een specifiek klimaat nodig. De landbouw is ervan afhankelijk. IJskappen zijn ervan afhankelijk. Het veranderen van dat evenwicht verandert de manier waarop we leven. Het gaat niet alleen om de temperatuur. Het gaat om stabiliteit.
Het terugdringen van N2O uit auto’s is net zo urgent als het terugdringen van de CO2-uitstoot. Het probleem is de chemie. Lachgas ontstaat bij zeer hoge temperaturen. De oplossing lijkt dus voor de hand liggend. Verlaag de temperatuur. Dat is waar de recirculatie van uitlaatwarmte in beeld komt.
Hoe uitlaatgasrecirculatie de vervuiling vermindert
Het kernonderdeel hier is de uitlaatgasrecirculatie (EGR ) klep. Het is een eenvoudige monteur met een grote klus. Wanneer er tegendruk ontstaat in het uitlaatsysteem, gaat de klep open. Het stuurt een deel van dat verbruikte gas terug naar de verbrandingskamer.
Waarom vuile uitlaatgassen mengen met vers brandstof-luchtmengsel? Het klinkt contra-intuïtief. Je introduceert inert gas in het mengsel. Hierdoor wordt het zuurstofgehalte verdund. Minder zuurstof betekent dat de brandstof langzamer verbrandt. Het betekent ook dat het koeler brandt.
Bij hoge temperaturen ontstaat N2O. Lage hitte voorkomt dit. Door de piekverbrandingstemperatuur te verlagen, vermindert het EGR-systeem de vorming van lachgas aan de bron. De meeste systemen koelen ook het uitlaatgas af voordat het opnieuw de kamer binnenkomt. Dit verkoelende effect met dubbele dip maakt de verbranding nog milder.
Er is een secundair voordeel. Een koelere verbranding vermindert de warmteoverdrachtsverliezen. Een groter deel van de energie uit de brandstof gaat naar het bewegen van de zuigers. Er ontsnapt minder ervan als restwarmte. Dat betekent een lager brandstofverbruik. Het geeft motorprogrammeurs ook meer werkruimte. Bij lagere temperaturen neemt het risico op ontploffing af. Ze kunnen het ontstekingstijdstip nauwkeuriger afstellen. De motor loopt soepeler. Het loopt schoner.
Het hybride voordeel en opwarmtrucs
EGR gaat niet alleen over topprestaties. Het helpt tijdens de kritische opwarmfase. Als je een koude motor start, loopt deze rijk. Het is inefficiënt. Het EGR-systeem zorgt ervoor dat de koelvloeistof en de brandstof sneller opwarmen. De motor bereikt sneller de optimale bedrijfstemperatuur.
Dit is enorm voor hybrides. De meeste hybrides schakelen de verbrandingsmotor uit wanneer ze worden gestopt. Als je lang genoeg in het verkeer zit, koelt de motor af. Het herstarten van een koude motor is inefficiënt en vervuilend. EGR helpt de warmte vast te houden. Het zorgt ervoor dat de motor niet te snel uit zijn ideale bereik valt. Het resultaat is een hybride die zelfs in stop-en-go-verkeer efficiënt blijft.
Kan uitlaatgas elektriciteit opwekken?
Recirculerende uitlaatgassen besparen brandstof. Het vermindert de vervuiling. Maar ingenieurs zien nog een kans. Restwarmte is nog steeds energie. Het is gewoon ontsnappen. Wat als je het zou kunnen vastleggen? Wat als je dat thermische afval zou kunnen omzetten in elektriciteit?
Het concept wint aan populariteit. In plaats van warmte in de atmosfeer te laten verdwijnen, proberen nieuwe systemen deze te oogsten. Dit zou hulpsystemen van stroom kunnen voorzien. Het zou de belasting van de dynamo kunnen verminderen. Het zou zelfs rechtstreeks in de hoogspanningsbatterij van hybrides en elektrische voertuigen kunnen worden ingevoerd. Het idee is eenvoudig. Er gaat niets verloren. Alles wordt gebruikt.
uitlaatgasafval omzetten in bruikbare energie
De natuurkunde dateert uit 1821. Thomas Seebeck, een Duitse natuurkundige, ontdekte dat bepaalde materialen warmte opwekken uit elektriciteit. Het omgekeerde is ook waar. Warmte kun je omzetten in elektriciteit. Bijna twee eeuwen lang negeerden auto-ingenieurs dit. De materialen waren te duur. De efficiëntie was verschrikkelijk.
Dat is veranderd.
Het Amerikaanse ministerie van Energie financiert nu de ontwikkeling van praktische thermo-elektrische afvalwarmteterugwinningssystemen voor voertuigen. Ze zien een toekomst waarin deze technologie niet alleen een laboratoriumnieuwsgierigheid is. Het is een onderdeel.
waarom de uitlaat het voornaamste doelwit is
Auto’s blazen overal hitte af. De radiateur. Het motorblok. Maar de uitlaat is het grootste lek. Het is een brandslang van verspilde thermische energie. De meeste moderne auto’s recirculeren uitlaatgassen al via een EGR-lus. Deze technologie wordt verplicht voor strengere emissienormen.
Dat schept een opening.
Je kunt die verspilde warmte opvangen. Gebruik thermo-elektrische apparaten om het rechtstreeks in elektriciteit om te zetten. Geen bewegende delen. Geen complexe turbines. Gewoon solid-state conversie. Deze elektriciteit verdwijnt niet zomaar. Het voedt de elektrische systemen van de auto. Het laadt de batterij op. Bij hybrides en plug-in elektrische voertuigen drijft deze de elektromotor aan.
Het is een schone lus.
Het omzetten van afvalwarmte in elektriciteit helpt de uitstoot van stikstofoxide te verminderen door de uitlaatgassen af te koelen voordat deze zich vermengen met brandstof.
Een koelere uitlaat betekent een betere verbrandingschemie. Het helpt de katalysator zijn werk te doen. Het thermo-elektrische systeem fungeert als koellichaam. Het haalt energie uit de gasstroom. Het resterende gas is koeler wanneer het opnieuw in de verbrandingscyclus terechtkomt.
welke auto’s het meest profiteren
Elke auto krijgt een boost. Maar de wiskunde geeft de voorkeur aan hybriden.
Een thermo-elektrische generator vergroot het bereik. Het vormt een aanvulling op het hoogspanningsaccupakket. Dat betekent dat de elektromotor langer draait. De verbrandingsmotor ontsteekt minder vaak. Het verkort ook de oplaadtijden voor plug-in hybrides. Je oogst energie die al in de atmosfeer werd weggegooid.
Het is in wezen gratis energie. Nou ja, niet gratis. De hardware kost geld. Maar de brandstofbesparing compenseerde dit.
de drang naar een fossielvrije toekomst
We hebben deze technologieën nu nodig. Niet over twintig jaar. Nu.
Brandstofefficiëntie en lage vervuiling zijn de poortwachters voor het volgende autotijdperk. Voertuigen die weinig tot geen afhankelijkheid hebben van fossiele brandstoffen zijn het doel. EGR-systemen en thermo-elektrische energie vormen de brug. Door ze nu te ontwikkelen, wordt de klimaatschade voorkomen die voortkomt uit het wachten tot fossiele brandstoffen schaars zijn. Of erger nog, totdat de atmosfeer de impact niet langer kan absorberen.
De tijdlijn is strak.
duikt dieper in de efficiëntie van de auto-industrie
Als je het bredere ecosysteem van autotechnologie wilt begrijpen, kijk dan eens naar de interactie tussen deze systemen. Drive-by-wire verandert de manier waarop inputs de motor bereiken. Directe MPG-uitlezingen tonen u de realtime kosten van uw rijgedrag. Remhulpsystemen optimaliseren het remvermogen, wat aansluit bij de energieterugwinning bij hybrides.
SmartWay-voertuigen laten zien hoe logistieke vloten data gebruiken om de uitstoot te verminderen. Alternatieve brandstoftankstations vormen de infrastructuur die nodig is voor de verschuiving van gas.
Dit zijn geen geïsoleerde oplossingen. Het zijn onderdelen van een machine.
bronnen en verder lezen
- Het Green Car Congress rapporteerde in juli 2005 dat thermo-elektrische systemen steeds meer in de belangstelling komen te staan.
- Joseph Heremans merkte in 2008 op dat nieuwe materialen auto’s kunnen helpen warmte in elektriciteit om te zetten.
- Thaindian News benadrukte in februari 2008 het recyclen van uitlaatwarmte voor groene auto’s.
De technologie wordt volwassen. De financiering is er. De technische uitdaging is niet langer “kunnen we het?” Het is “hoe snel kunnen we het goedkoop genoeg maken?”
