对汽车厂商来说，这个想法非常有诱惑力：用小型热电发电机把汽车引擎周围的能量收集起来，转换成车载电力，以降低燃油消耗和二氧化碳排放。这个想法的依据是很早就有的物理学概念：塞贝克效应。1820年，德国物理学家托马斯.约翰.塞贝克发现在由两个不同导体组成的电路中，导体结合处如果存在温差，就可以产生电压。

　　近两百年过去了，如今塞贝克的发现又在工业领域的创新研究项目中，得到了实践。根据塞贝克效应的原理，未来可以通过热电发电机来生产碳中和电力。例如，可以利用汽车的废热发电。

 

废热发电

　　“废热发电”是欧盟一个名为HeatReCar的研究项目。弗劳恩霍夫物理测量技术研究院(IPM)、西门子以及其他多个工业企业参与了这个研究项目。利用汽车内燃机及其周围环境温差发电的半导体热电发电机已经研制成功。在测试台的一辆测试汽车上安装了热电发电机后，可以从汽车的尾气中可获得500瓦功率的电能。经过实测，这个技术每公里约节约燃油4%，每公里二氧化碳排放减少9.6克。

　　未来，应用到小型卡车上，可为汽车提供3000瓦的电量。

　　在集装箱货船上，废热回收系统(WHR)还能将废热转换为绿色电能。集装箱主要都是通过海上运输的，海运在全球货运方面所占的比例非常大。运输过程中的每一点能源节约都可为船运公司带来巨大的竞争优势。废热回收系统收集发动机的废气，用来驱动一台联合废气蒸汽涡轮机，利用废气中的热能发电。这种方式可以最高节油10%，减少二氧化碳排放l2%左右。

　　丹麦马士基公司是世界上最大的集装箱船运公司，其最新的400米长集装箱货船不仅配备了废热回收系统，还配备了西门子的绿色驱动与发电系统。

　　在能源价格不断攀升，降低排放的需求不断提高，以及对于无电源独立元器件(如传感器)的需求13益增长，等多重因素的影响下，汽车、火车、轮船以及工厂中的废弃能量，包括热能或动能的再利用，已成为工业研发部门议事日程中的重中之重。

 

微型发电机

　　废热回收系统和热电发电机项目，只是众多开发项目中的两个代表项目。西门子研究院的热电专家斯蒂芬·拉姆本舍夫说，“如果热电材料存在温差，比如，在热表面和冷表面之间，热电材料就会产生电流。把废热发电机安装在排气管道中，并使其一个表面保持较低的温度，就可以产生电能。”热电元件的成本效益好，可以批量生产。而且是固态单元，启动时间很短。

　　热电发电机可以快速启动，进入工作状态，因此可以捕捉到短时问内产生的热量。

　　“举例来说，发电站可能对这个产品非常感兴趣，未来的发电站将使用更多的可再生能源，并为由此带来的短期电流波动提供补偿”，拉姆本舍夫说。 “这项技术的持续开发还可以显著提高大型工厂的效率。”

　　阻碍热电发电机进入工业应用的一个难点是，没有找到合适的，在数百度的高温环境下仍能保持高效工作的热电模块材料。另外，传统焊接方法的焊点不能耐受很高的温度，也不能耐受温度的波动，所以还需要找到新的焊接方法。

　　在NEXTEC项目上，西门子与高校和工业合作伙伴一起，正在跟踪这些问题。

　　西门子目前正在建设这样的实验室演示单元。

 

低温发电不是梦

　　对于工业企业和能源企业利用废热和过程热而言，在高温区域的实现并不困难。例如，燃气发电站利用燃气轮机产生的废气制造蒸汽，用来驱动蒸汽轮机;化工行业将反应物发出的废热用于后续的生产过程，等等。

　　但在废热温度较低的生产环境中，经济可行、且技术先进的废热利用概念就不多见了。西门子研究院目前正集中力量研究0RC技术(有机兰金循环)。这种技术可以回收温废热中的能源。

　　科学家们与奠斯科电力工程研究院和莫斯科国立大学合作，于2011年开始研究高效发电机。与传统的蒸汽动力循环不同的是，OCR技术不使用水循环，而是使用由碳、氟、氧组成的有机介质进行循环。

 

　　这个过程的效率非常高，特别在利用低温废热方面，更是如此，而且发电机设计紧凑。与水介质不同，正常压力下，这种介质在摄氏49度时即可转化为蒸汽.

　　有机兰金循环技术和NEXTEC技术利用的主要是热流(废热和质量流)，而西门子研究院的开发人员安德烈亚斯·沃尔夫集中精力研究的却是利用压电效应来发电。“压电”这个词来自希腊语动词“压”。这个物理现象是把机械运动转化为电能。这种形式的能源生产方式，其目的就是从周围环境中采集很少的能量就能发电。

　　压电系统的一大优势就是不需要连线或电池。这个优势使其成为传感器的最佳电源，例如，安装在汽车挡风玻璃上、感知下雨和光线的无线传感器就是利用车身的震动来采集能量的。

　　为了研究这个过程，西门子的开发人员使用了一款硬度极高、非常稳定的压电转换器——也就是西门子早在上世纪90年代为燃油喷射系统研发的压电转换器。 “这样我们就有可能通过自动固化周围运动的频率，来调整弹簧质量系统的自然频率，”沃尔夫在解释其背后的物理学原理时这样说到。

　　传感器技术以及能量采集技术有望在工业4.0到来之际迎来蓬勃的大发展。

　　沃尔夫已经在弹簧质量系统的基础上研发出一款能量采集器，能把不同频率和波幅的震动或震荡运动转换为电能。“凭借这项技术，我们对环境机械能的利用率将比以往高得多，”科学家说。“到目前为止，这种方法仅在有限的条件下才有效，震荡频带非常窄。”

 

　　现在，发动机无法避免的震动和震荡可以得到更好的利用。比如，产生毫瓦级的电能，而这足够给传感器供电。

　　“在实际应用中，这样做有两大好”项目开发负责人托斯滕施坦科夫说。“首先，即使非常小的运动电能转化为能量。其次，所使用的加强办法可以防止采集器过度变形，避免采集器在震动或压力下受损。”

　　这个特点使压电采集设备特别适合应用于货物运输系统。产生的电能可以用来无线收集集装箱的位置信息和状态信息，并把这些信息发送出去。压电转换器还能轻松实现批量生产，满足大量应用的需求。

 

除尘的能量

　　另一个提高工厂能源效率的办法是，在第一时间防止因温度浮动和压力减少而带来的能量损失和压力损失。土耳其Kardemir钢铁公司将在其设在黑海

　　地区的Karabuk钢铁厂实现这一目标，其做法是采用Merim干法除尘设备。Merim这几个字母指的是在炼钢过程中，最大限度地降低排放，回收能源。

　　相比钢铁加工行业通常使用的湿法除尘设备，Merim技术大大降低了压力损失和温度损失。这个方法能够使高炉燃气轮机的能量回收率提高25%。另外，通过涤气收集到的灰尘有90%可分为可用成分和不可用成分。含铁的可用成分可供烧结厂使用。由西门子设计和安装的土耳其钢铁厂设备已经完工，于2013年底投入运行。

 

　　西门子是全球最具创新能力的企业之一。。