Sin embargo, cerca de 60 por ciento de la energía generada se pierde, donde la mitad es el calor del escape, y la otra mitad es el calor absorbido por el sistema de enfriamiento del motor. Encontrar formas de recuperar esta energía de calor perdida es una de las metas principales que persiguen los ingenieros que trabajan en BMW EfficientDynamics para el futuro.
Por ello, BMW Group está comprometido en varios proyectos, cada uno con enfoques diferentes para utilizar la energía de calor disipado, y en varios niveles, en investigación, pre-producción y desarrollo de series. Entre las innovaciones más prometedoras se encuentra el generador termoeléctrico de vaporizador turbo, el encapsulamiento del motor y un intercambiador de calor de deshecho para el calentamiento de combustible.
Los proyectos del vaporizador turbo y el generador termoeléctrico (TEG) están enfocados en generar corriente eléctrica del calor de deshecho para mejorar la eficiencia general del motor, pero cada proyecto sigue un enfoque diferente y un marco de tiempo. Hay un gran potencial para los ahorros considerables de combustible si la energía eléctrica que requieren todos los sistemas en un automóvil se puede producir usando el calor de deshecho más que confiar solamente en el generador del vehículo. Esto marca otro hito tras la filosofía de BMW EfficientDynamics al lograr una potencia más alta y un mayor rendimiento en tanto que, al mismo tiempo, se reducen las emisiones y el consumo de combustible.
Vaporizador turbo de BMW, modelado al estilo de una estación de potencia
En el proyecto del vaporizador turbo, los especialistas de investigación y tecnología de BMW Group están trabajando en un sistema de recuperación de calor que se basa en el principio de un proceso de vaporización.
El proceso de recuperación de energía del calor de deshecho ya se está practicando a gran escala en las plantas modernas de generación de energía: grandes estaciones de energía de gas y vapor combinan los principios de una turbina de gas y un circuito de vapor para lograr un nivel significativamente más alto de eficiencia. El proceso de la turbina de gas es la primera fase de la conversión de energía y sirve como la fuente de calor para el ciclo de vapor de regreso en la segunda fase.
El vaporizador turbo de BMW se basa en este método de generación de energía estacionaria de dos etapas, pero reducido en escala y diseño para formar un componente que se pueda utilizar en los motores automotrices modernos.
Los investigadores han comprobado la viabilidad de esta tecnología en diciembre de 2005, con la revelación del vaporizador turbo de primera generación que se basa en un enfoque maximalista: diseñaron un sistema de ciclo dual. El elemento primario fue un circuito de alta temperatura que empleó un intercambiador de calor para recuperar energía de los gases del escape del motor. Éste estaba relacionado con un circuito secundario que recopilaba calor del sistema de enfriamiento del motor y combinaba este calor con el calor de alta temperatura del circuito primario para crear un calor de temperatura más baja.
Cuando este diseño fue probado en el laboratorio sobre motores de gasolina de cuatro cilindros producidos por BMW en ese momento, el sistema dual impulsó el rendimiento de estos motores en 15 porciento.
Con el fin de desarrollar aún más el sistema para usarse en la producción en serie, se puso atención a reducir el tamaño de los componentes y hacer el sistema más simple para mejorar su dinámica y lograr una proporción optimizada de costo-beneficio. Por ello, los investigadores se enfocaron en diseñar un componente que sólo tenía un circuito de alta temperatura.
“Un intercambiador de calor recubre el calor del escape del motor, y esta energía se usa para calentar un fluido que se encuentra bajo presión alta; luego este líquido calentado se convierte en vapor, que energiza una turbina de expansión que genera energía eléctrica del calor recuperado”, explicó Jürgen Ringler, líder de equipo para los convertidores de energía térmica en el Departamento de Investigación y Tecnología de BMW Group. Para la última generación del vaporizador turbo, los ingenieros desarrollaron una innovadora turbina de expansión que se basa en el principio de la turbina de impulso, que ofreció muchas ventajas en términos de economía, peso y tamaño en comparación con conceptos anteriores y estos son factores que resultan benéficos cuando se trata de la producción en serie.
“Hemos realizado grandes progresos para alcanzar nuestra meta original, que es el desarrollo de un sistema listo para la producción en serie dentro de diez años aproximadamente. Al completarlo, éste pesará sólo 10 kg a 15 kg y será capaz de suministrar toda la energía eléctrica requerida por un automóvil mientras cruza las avenidas o carreteras” declaró Ringler. Bajo estas condiciones los desarrolladores están seguros de que el conductor promedio será capaz de reducir el consumo de combustible hasta en 10 por ciento en viajes de larga distancia.
Todos los componentes de sistema desarrollados en la banca de prueba se han configurado para formar un módulo que se pueda integrar en vehículos. Esto se ha hecho con éxito instalando un sistema al BMW 5 Saloon.
Generador termoeléctrico
También se ha realizado un avance considerable en el proyecto del generador termoeléctrico (TEG) que también se enfoca en la producción en serie de un componente de ahorro de energía. Los dos sistemas alternativos desarrollados a la fecha difieren en su posicionamiento en el vehículo, una unidad está diseñada para el sistema del escape, mientras que la otra está dirigida al sistema de recirculación de gas del escape. La fase de desarrollo enfocada en integrar las unidades del sistema de escape ha conducido a considerables mejoras de los componentes, en especial en términos de peso y tamaño.
El generador termoeléctrico convierte el calor directamente en electricidad. Los ingenieros de BMW Group básicamente refinaron una tecnología que ha empleado la NASA por más de cuatro décadas para proporcionar energía a sondas espaciales. El principio que hay detrás de esta tecnología se conoce como Efecto Seebeck, es decir, que un voltaje eléctrico se puede generar entre dos semiconductores termoeléctricos si tienen temperaturas diferentes. Debido a que el grado de porcentaje de eficiencia de los TEG fue más bien bajo, se consideró que esta tecnología era inadecuada para aplicaciones automotrices. Sin embargo, en el progreso de los últimos años en el área de la investigación material, ha llevado a descubrimientos que han mejorado el rendimiento de los módulos TEG.
El primer paso que dieron los ingenieros fue integrar un generador termoeléctrico en el sistema de escape para generar corriente eléctrica. El primero de esos sistemas fue mostrado al público en 2008 y ofreció un máximo de 200 watts, cifra relativamente baja en términos de eficiencia de energía. Pero el uso de materiales nuevos y mejoras en cuanto a peso y tamaño de los TEG condujo rápidamente a nuevos desarrollos, de manera que la última generación de TEG instalados en el escape son capaces de generar 600 watts de potencia eléctrica, y no pasará mucho tiempo antes de alcanzar la meta de 1,000 watts conforme avanza la investigación. El prototipo actual, un BMW X6, fue construido como parte de un proyecto de desarrollo financiado por el Departamento de Energía de Estados Unidos.
Luego en 2009, BMW Group reveló un desarrollo alternativo en su proyecto. Más que instalar el TEG como un módulo separado en el sistema de escape debajo del vehículo, los ingenieros decidieron integrar el TEG en el radiador del sistema de recirculación de gas del escape. En esta configuración, las pruebas con los clientes han demostrado que se pueden generar 250 watts mientras que las emisiones de CO2 y el consumo de combustible se reducen en 2 por ciento al mismo tiempo.
Asimismo, este sistema de recuperación de energía ofrece algunos beneficios agregados, tales como suministrar al motor o al compartimiento para pasajeros una calefacción con calor adicional durante arranques en frío. Y el generador termoeléctrico es la contraparte ideal para la Regeneración de Energía de Frenos de BMW EfficientDynamics. Mientras que los frenos generan energía durante la desaceleración y paro, el TEG funciona mejor al conducir de manera realmente emocionante, principalmente durante la desaceleración. Los investigadores pronostican que los TEG conducirán a ahorros de consumo de combustible de hasta 5 por ciento bajo condiciones de conducción cotidiana real en el futuro.
La combinación ideal: administración de calor y BMW EfficientDynamics
En tanto que algunas funciones de BMW EfficientDynamics como la regeneración de energía de frenos o la función automática de arranque-paro, ayudan a reducir el consumo al desacelerar o durante periodos de paro, la administración inteligente de calor puede hacer lo mismo cuando el vehículo se está acelerando y conduciendo. En el futuro, incluso antes de arrancar el vehículo, el aislamiento y encapsulamiento del compartimento del motor garantizará que la temperatura del conjunto de transmisión se establezca por el calor residual, acortando así la fase de arranque en frío. En intercambiador de calor del escape también mantendrá el calor del aceite de la caja de velocidades para reducir la fricción y también el consumo de combustible. Además, un TEG o vaporizador turbo suministrará a los sistemas eléctricos del vehículo una potencia amplia, ofreciendo los beneficios cuando tiene mayor sentido: cuando disfrutamos del brillante placer de conducir.
Dependiendo del ambiente del vehículo y de los hábitos de conducción, la administración de calor puede ofrecer beneficios medibles para escenarios de conducción específicos. Tanto para la conducción de corta distancia como de larga distancia, varias funciones pueden reducir el consumo de combustible. El aislamiento del compartimiento del motor, el calentamiento de aceite de la caja de velocidades con los intercambiadores de calor del escape instalados en los motores de gasolina, o la función de calentamiento del intercambiador de calor del escape para los motores diesel son las funciones que están bien adecuadas para los vehículos que son predominantemente conducidos en distancias cortas. Durante viajes más largos el generador termoeléctrico o el vaporizador turbo se añaden a las funciones anteriores. Al utilizar los efectos de sinergia, la administración de calor jugará un papel principal para reducir las emisiones de CO2 en el futuro.
