Colección termoeléctrica
Dennis Lenz
(Imagen simbólica) El calor residual de las chimeneas deja muchos procesos industriales sin utilizar como calor. Los módulos termoeléctricos pueden convertir parte de la diferencia de temperatura directamente en energía eléctrica sin partes móviles de la máquina. Una nueva combinación de mediciones de laboratorio y cálculos de modelos examina qué rendimiento sería posible con un área activa más grande. No sólo es importante el lado cálido, sino también el enfriamiento sorprendentemente fuerte.
(Foto: © Investigación y conocimiento, imagen de IA)
Las chimeneas industriales liberan continuamente energía al entorno circundante en forma de calor. Los generadores termoeléctricos pueden convertir parte del calor residual de la chimenea directamente en electricidad, sin turbina y sin componentes móviles. Ahora los investigadores midieron un generador a escala de laboratorio y transfirieron el resultado a un área activa más grande. Según la versión, el cálculo del modelo da como resultado una potencia eléctrica del orden de kilovatios por 9 metros cuadrados.
Cuando están en funcionamiento hornos industriales, incineradores u otros procesos de alta temperatura, una parte importante de la energía utilizada desaparece como calor residual. No todos estos flujos de calor pueden recuperarse económicamente. Por ello resultan especialmente interesantes los sistemas que no requieren circuitos mecánicos complejos. Para ello, un generador termoeléctrico aprovecha el efecto Seebeck. Si hay una diferencia de temperatura entre dos lados de un material semiconductor adecuado, se crea una tensión eléctrica. Varios de estos termopares están conectados entre sí para formar un módulo. La tecnología no tiene componentes giratorios y, en principio, puede funcionar directamente sobre una superficie caliente. La desventaja es la eficiencia relativamente baja, especialmente con diferencias de temperatura moderadas. Por eso no es sólo el material el que determina el rendimiento utilizable. Igualmente importantes son el acoplamiento térmico con la fuente de calor, la resistencia a la carga eléctrica y, sobre todo, la capacidad de mantener realmente frío el lado frío. El nuevo trabajo de Faisal Albatati y Alaa Attar examina precisamente estos puntos.
El equipo de la Universidad Rey Abdulaziz combinó un modelo analítico con un experimento de laboratorio a nivel de módulo. El lado caliente del experimento osciló entre 164 y 183 grados Celsius. Se midió una potencia eléctrica máxima de 0,354 vatios con una resistencia de carga de 1,5 ohmios. Luego se adaptó el modelo para reproducir el voltaje, la corriente y la potencia del módulo real. Por lo tanto, el estudio de utilización del calor residual termoeléctrico examina sistemáticamente cómo influyen en el resultado la resistencia de carga, la longitud del termopar, los disipadores de calor y la disipación de calor. La cantidad de kilovatios más espectacular no procede de una planta ya construida de 9 metros cuadrados. Se trata de un cálculo de escala basado en el módulo medido y condiciones límite claramente definidas.
El efecto Seebeck hace que la diferencia de temperatura se convierta en la fuente de energía eléctrica
Un generador termoeléctrico funciona de forma sustancialmente diferente a una central eléctrica clásica. En lugar de convertir el calor primero en vapor y luego en trabajo mecánico a través de una turbina, la tensión eléctrica se genera directamente en el material. Los portadores de carga se mueven del lado caliente al lado frío debido al gradiente de temperatura. Si se conectan correctamente pares de semiconductores dopados de forma diferente, sus tensiones se suman. Cuanto mayor y más estable sea la diferencia de temperatura, más energía eléctrica podrá proporcionar un módulo. Esto también explica la dificultad técnica central. No basta con que un lado esté lo más caliente posible. Si también se calienta el otro lado, se reduce el gradiente de temperatura y, por tanto, la potencia utilizable. Precisamente por eso el disipador de calor es tan importante en el nuevo estudio. La termoeléctrica puede utilizar fuentes de calor existentes que son demasiado pequeñas o están distribuidas de manera inconveniente para otros procesos, pero siguen dependiendo en gran medida de la eficiencia con la que se transporta el calor a través del sistema y luego se disipa.
El enfriamiento limita el rendimiento más que el lado caliente
El cálculo del modelo muestra con especial claridad que el lado frío puede convertirse en un cuello de botella. En la configuración inicial, la conductividad térmica del lado de refrigeración era de 0,276 vatios por Kelvin. Si este valor se incrementaba a 2,0 vatios por Kelvin en el modelo, la potencia calculada de un módulo aumentaba a 1,13 vatios. Esta es una gran diferencia, incluso si la fuente de calor real permanece sin cambios. Los autores también optimizaron un disipador de calor con aletas. Para la geometría considerada, el espesor óptimo de las nervaduras fue de 0,76 milímetros. Estos valores inicialmente parecen detalles constructivos, pero son cruciales para el aprovechamiento del calor residual. Un generador termoeléctrico sólo genera energía a largo plazo si el calor fluye constantemente a través de él. Si se atasca en el lado frío, su temperatura se acerca al lado caliente y el voltaje cae. El hecho de que la gestión del calor en los sistemas técnicos sea a menudo tan importante como la propia fuente de energía se pone de manifiesto también en otros desarrollos relacionados con el calor y los materiales térmicos.
En el cálculo, 9 metros cuadrados equivalen a 2,72 kilovatios.
Para realizar el escalado, los investigadores utilizaron un área de recolección activa de 9 metros cuadrados. Los valores del módulo medidos experimentalmente dan una potencia calculada de aproximadamente 1,85 kilovatios para esta zona. El modelo calibrado proporciona un valor muy similar de aproximadamente 1,99 kilovatios. Si además se optimiza la geometría de los elementos termoeléctricos, el cálculo de referencia se eleva a 2,72 kilovatios. Los autores no describen expresamente estos valores como el rendimiento de un sistema de campo instalado. Son válidos en condiciones de contorno uniformes y sirven como referencia para el potencial que podría surgir a nivel de módulo. En un sistema de chimenea real, la distribución de temperatura, la contaminación, la resistencia de contacto, el envejecimiento, el cambio de funcionamiento y la fijación de los módulos provocarían pérdidas adicionales. Sin embargo, el tamaño es interesante porque muestra que se puede obtener un rendimiento global técnicamente relevante a partir de muchas unidades pequeñas con una superficie suficientemente grande.
El aprovechamiento del calor residual es especialmente interesante en procesos continuos
La producción de energía termoeléctrica es especialmente interesante cuando de todos modos se genera calor constantemente. Por lo tanto, un generador no necesita utilizar combustible adicional. Su fuente de energía es una corriente de fuga que de otro modo se liberaría al medio ambiente. En Alemania, el calor residual industrial tiene un potencial teórico igualmente grande. La investigación y el conocimiento ya han demostrado que el uso del calor residual puede generar grandes cantidades de energía. Los sistemas termoeléctricos son sólo una de muchas posibilidades. A potencias más altas, por ejemplo, los intercambiadores de calor, los sistemas de vapor o los procesos orgánicos de Rankine pueden ser más eficientes. La termoeléctrica, por otro lado, tiene ventajas para fuentes de calor pequeñas y distribuidas, en lugares de difícil acceso y donde sea importante un bajo mantenimiento. Como no hay ninguna turbina en funcionamiento y no tiene que circular ningún medio de trabajo, se puede generar electricidad directamente sobre la superficie caliente.
La eficiencia sigue siendo la limitación central de la tecnología
En el modelo optimizado del estudio, la eficiencia máxima de un módulo considerado fue aproximadamente del 1,45%. Esto parece pequeño en comparación con las grandes centrales eléctricas, pero no es necesariamente un criterio de exclusión. Cuando el calor residual de la chimenea está disponible gratuitamente, no sólo cuenta la parte del calor que se convierte en electricidad. También son relevantes los costes, la durabilidad, el mantenimiento y la cuestión de si el calor realmente se puede utilizar de forma sensata en otro proceso. Un sistema muy eficiente puede resultar económicamente poco atractivo si es demasiado complejo. Por el contrario, una tecnología robusta y de baja eficiencia puede resultar atractiva si funciona durante años sin piezas móviles. Enfoques anteriores ya han intentado utilizar el calor directamente de forma eléctrica sin generadores tradicionales. Investigación y Conocimiento informó sobre un enfoque técnico para el uso directo de la energía térmica. Para la nueva aplicación de chimenea, la pregunta crucial ahora sigue siendo si los valores del modelo se pueden confirmar en un sistema real más grande.
El siguiente paso tendrá que pasar del modelo a la chimenea real.
Por tanto, el estudio es sobre todo un paso intermedio entre un único módulo y una posible instalación industrial. Los autores midieron el comportamiento térmico y eléctrico a escala de laboratorio y luego optimizaron matemáticamente varios parámetros de diseño. Alaa Attar, uno de los autores, trabaja en el campo de la termoeléctrica y la recuperación de calor, según su perfil universitario oficial. Sin embargo, aún faltan pruebas de larga duración en condiciones reales de gases de escape para una evaluación técnica a escala industrial. El polvo, los cambios de temperatura, las vibraciones y los flujos de calor no uniformes pueden alterar el rendimiento. Los costes de material y montaje también deben calcularse con respecto a la electricidad realmente generada. Por lo tanto, los casi 3 kilovatios en 9 metros cuadrados no son una central eléctrica terminada en la chimenea, sino un tamaño objetivo concreto. Esto es exactamente lo que hace que el trabajo sea útil: un potencial teórico se convierte en una dimensión técnica mensurable que se puede probar en un sistema real en el siguiente paso.
Informes científicos, estudio analítico y experimental de un sistema generador termoeléctrico para la recuperación de calor residual de chimeneas de baja calidad; doi:10.1038/s41598-026-74477-5
