Araçların egzozunda termoelektrik üretimi

Benzin ile çalışan araçlarda bulunan yanmalı motorlar, yakıtın potansiyel enerjisinin yalnızca dörtte birini verimli olarak kullanabilir. Geriye kalan enerji, aracın egzozunda ve motorun soğutma sıvısında ısıya dönüşerek kaybedilir.¹

Araştırmacıların yayınladığı bir çalışmada, egzozda ısıya dönüşerek kaybedilen enerjinin, bir termoelektrik jeneratör ile elektriğe nasıl dönüştürüleceği gösteriliyor (Şekil 1). Hızla değişen dünyada sürdürülebilir enerji girişimlerini artırmak için bir fırsat olan ve yakıt tüketimi ile karbondioksit emisyonlarını azaltabilecek özellikte bir prototip termoelektrik jeneratör sistemi sunuluyor.^1,2

Termoelektrik sistemler olarak adlandırılan ısı geri kazanım sistemlerinde, sıcaklık farkına bağlı olarak ısıyı elektriğe dönüştürmek için yarı iletken malzemeler kullanılır. Bununla birlikte, gerekli sıcaklık farkını korumak için ek soğutma suyu gerektirmesi mevcut termoelektrik cihaz tasarımlarının bir çoğunun ağır ve karmaşık olmasına yol açar. Araştırmacıların geliştirdiği kompakt termoelektrik jeneratörü, yüksek hızlı araçların (araba, helikopter, insansız hava araçları vb.) egzozlarından ısı ile kaybedilen enerjinin verimli bir şekilde tekrardan enerjiye dönüştürülmesine olanak sağlıyor².

Termoelektrik jeneratörlerde kullanılan alaşımlar, egzozun sıcaklığına göre değişim gösterebiliyor. Düşük sıcaklıklarda (250°C’nin altında) bizmut-tellürit alaşım, ısı ile kaybedilen enerjinin geri kazanılması için en uygun alaşımdır. Orta sıcaklıklarda (250-500°C’nin arasında) skutterudite, tek kristalli SnSe, PbTe, Mg3Sb2, GeTe ve AgSbTe2 bazlı alaşımlar, ısı ile kaybedilen enerjinin geri kazanılması için en uygun alaşımlardır. Son olarak, yüksek sıcaklıklarda (500°C’den daha fazla) yarı heusler alaşımlar üst düzey bileşen verimliliği, mekanik mukavemet ve iyi termal stabilite gibi özelliklerinden dolayı en umut verici bileşen adaylarıdır².

Ekip, egzozda oluşan ısıyı yakalamak için klimalarda kullanılan eşanjöre benzer ısı eşanjörleri de kullanmıştır. Ayrıca, sistemde sıcaklık farkını koruyabilmek adına soğutucu bir donanım parçası kullanılmaktadır. Kullanılan soğutucu, sistemin elektrik çıkışını doğrudan etkileyen sıcaklık farkını önemli ölçüde artırmaktadır. Hareketli araçlarda soğutma görevini hava akışı ve ortam sıcaklığı üstlenmektedir. Hava akış hızı, konveksiyon ısı transfer katsayısını etkilemede önemli rol oynamaktadır. Hava akış hızındaki artış ile birlikte konveksiyon ısı transfer katsayısında artış görülmektedir. Bu durum, sistemi gelişmiş ısı transferi ortamına teşvik eder. Yüksek hızda hareket eden araç ve akışkanın ısı transfer yüzeyi ile temasının iyileştirilmesi, herhangi bir ek soğutma sistemine ihtiyaç duyulmamasını sağlar. Hava akımının ve türbülansın artması ile doğal olarak etkili bir soğutma işlemi gerçekleşir. Egzoz gazının sıcaklığı sadece hıza değil; motorun sıkıştırma oranı, yakıt yükü ve genleşme oranlarına da bağlıdır.^1,2

Ekip tarafından oluşturulan prototipte, çıkan watt değeri 40W değerine ulaşmıştır. Bu değer yaklaşık olarak bir ampule güç vermeye yeterlidir. Ek olarak, egzoz borularında bulunan, yüksek hava akışı koşulları sağlandığında prototipin verimi artmaktadır. Böylece sistemin elektrik çıkışında artış olduğu gözlemlenmiştir. Yüksek hızları taklit edebilen simülasyonlarda; otomobil için, hızı 50 m/s iken egzozda üretilen elektrik enerjisi 58 W, egzozun sıcaklık değeri ise 200-500°C arasındadır. Helikopter gibi yüksek hızda hareket eden bir araç için, hızı 110 m/s iken egzozda üretilen elektrik enerjisi 113 W, egzozun sıcaklık değeri ise 300-700°C arasındadır. Bu değerler, yüksek hava akışı koşulları sağlandığında prototipin veriminin arttığına dair kanıt niteliği taşımaktadır. Araştırmacılar, araçlarda kullanılan pratik termoelektrik jeneratörlerin ek soğutma sistemine ihtiyaç duymadan doğrudan mevcut egzoz çıkışlarına entegre edilebileceğini söylemektedir.^1,2

Bu çalışmalar, hızla değişen dünyada temiz enerji çözümlerine talebin artmasıyla beraber, yüksek hızlı araçlara termoelektrik jeneratörlerin pratik entegrasyonuna giden yolun açılabileceğini göstermektedir.¹

Kaynaklar

1. https://techxplore.com/news/2025-02-prototype-car-helicopter-exhaust-thermoelectric.html
2. Smriti, R. B., Li, W., Nozariasbmarz, A., Ghosh, S., Liu, N., Rahn, C. D., … & Poudel, B. (2025). Thermoelectric Energy Harvesting for Exhaust Waste Heat Recovery: A System Design. ACS Applied Materials & Interfaces.