Thermoelektrische Generatoren zur Effizienzsteigerung von Kraftfahrzeugen - Methode zur ganzheitlichen Entwicklung und Bewertung

Kurzfassung

Die Begrenzung des Klimawandels ist wohl eine der größten Herausforderungen unserer Zeit. Vor diesem Hintergrund wird in der vorliegenden Arbeit die Effizienzsteigerung von hybriden und konventionellen Fahrzeugen durch die Wandlung bisher ungenutzter Abwärme im Abgasstrang mit Hilfe von Thermoelektrischen Generatoren (TEG) untersucht. Als Ziel wird dabei die Maximierung der gesamtsystemischen CO2-Reduktion verfolgt. Gleichzeitig wird mit Hilfe einer ganzheitlichen Auslegungsmethode das Kosten-Nutzen-Verhältnis optimiert. Dadurch soll erstmals erreicht werden, dass der Einsatz von TEG in Fahrzeugen auch unter marktwirtschaftlichen Kriterien lohnenswert ist. Betrachtet man den Stand der Technik, so liegt eine der großen Herausforderungen in der bisher unzureichenden gravimetrischen und volumetrischen Leistungsdichte von TEG. Eine zweite stellt die ganzheitliche Entwicklung von TEG-Systemen in Fahrzeugen dar. Zur Lösung dieser Problemstellungen wird das methodische Vorgehen der vorliegenden Arbeit in zwei Bereiche unterteilt: TEG-Bauweise und Systementwicklung. Im ersten Bereich wird eine neuartige TEG-Bauweise mit herausragender gravimetrischer und volumetrischer Leistungsdichte entwickelt. Als einer der Kernpunkte zur Verbesserung der Technologie wird dabei die Steigerung der flächenspezifischen Leistungsdichte identifiziert und durch die Entwicklung von neuartigen Wärmeübertragern realisiert. Dadurch und durch die erfolgreiche methodische Entwicklung einer hochintegrierten Bauweise konnten die beiden Leistungsdichten um rund 900 % bzw. 700 % auf 267 W/kg und 478 W/dm³ gesteigert werden. Die Systementwicklung dieser Arbeit basiert auf einer neuartigen ganzheitlichen Auslegungsmethode. Dabei wird eine komplexe Simulationsumgebung aufgebaut, mit welcher in direkter Weise das Kosten-Nutzen-Verhältnis von TEG im Fahrzeug optimiert werden kann. In dieser werden u. a. alle gesamtsystemischen Wechselwirkungen zwischen TEG-System und Fahrzeug abgebildet. Als Randbedingung für die Auslegung wird der zukünftige Homologationszyklus (WLTC) zugrunde gelegt. Die Demonstration der Auslegungsmethode erfolgt beispielhaft an einem konventionellen Fahrzeug (VW Golf, 1,2 L) und an einem leistungsverzweigten Voll-Hybrid (Opel Ampera, 1,4 L). Dabei wird eine Mehrzieloptimierung durchgeführt und hinsichtlich der beiden Hauptzielgrößen (CO2-Reduktion und Systemkosten) sowie mehrerer Nebenzielgrößen optimiert. Als Ergebnis konnte eine Effizienzsteigerung im konventionellen Fahrzeug mit einem Kosten-Nutzen-Verhältnis von 81 €/g/km und eine maximale CO2-Reduktion von 2,2 % im WLTC erreicht werden. Für das Hybridfahrzeug beim Betrieb im Charge Sustaining Modus beträgt das erzielte Kosten-Nutzen-Verhältnis 55 €/g/km und die maximale CO2-Reduktion 3,4 %. Die vorliegende Arbeit zeigt mit ihren Ergebnissen sehr hohe Potenziale für die Effizienzsteigerung von PKW mittels TEG, sowie für die gesamte Technologie der Thermoelektrik auf.