Wärmetechnische Auslegung eines fahrzeugtauglichen Thermoelektrischen Generators

Abstract

Vor dem Hintergrund steigender Primärenergiekosten und der zunehmenden gesellschaftlichen und politischen Forderung nach weiterr Reduzierung des CO2-Ausstosses im Personen- und Güterverkehr gewinnt die Nutzung von Abwärmeströmen verbrennungsmotorisch betriebener Fahrzeuge  zunehmend an Beachtung. Eines der unterschiedlichen Konzepte, die Verlustwärme in Fahrzeugen zu nutzen, sieht deren direkte Wandlung in elektrische Energie mittels sogenannter Thermoelektrischer Generatoren (TEG) vor. Hierzu wurde in Zusammenarbeit des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und der BMW Group ein Prototyp eines TEG entwickelt, welcher einen Teil der im Abgas enthaltenen Wärme in elektrische Energie wandelt. Der Generator wurde in einem Fahrzeug der oberen Mitteklasse dargestellt und unter realen Einsatzbedingungen erfolgreich geteset.   Im Beitrag werden die wärmetechnischen Berechnungen erläutert, welche Teil der rechnergestützten Entwicklung am DLR waren. Hierbei wurden für bestimmte Fahrzustände unterschiedliche TEG-Designs entworfen und deren wärmetechnisches Verhalten simuliert. Mit Hilfe der am DLR-Institut für Werkstoff-Forschung gemessenen charakteristischen Eigenschaften der verwendeten Thermoelektrischen Module konnte anhand der errechneten Tmperaturverteilungen somit die zu erwartende elektrische Leistung der konzipierten Designs ermittelt werden. Besonderes Augenmerk lag bei der Auslegung auf der wärmeübertragenden Struktur. Zum einen muss diese exakt so ausgelegt werden, dass die zulässigen Heißseitentemperaturen an den Wandlermodulen nicht überschritten werden, zum anderen muss der von ihr verursachte abgasseitige Druckverlust in einem akzeptablen Bereich liegen, da ansonsten negative Auswirkungen auf den Motorwirkungsgrad zu erwarten sind. Abschließend wird anhand eines Vergleichs mit Prüfstandsexperimenten des später dargestellten Prototyps gezeigt, dass die errechneten Ergebnisse eine ausreichend hohe Genauigkeit aufweisen.