Entwicklung eines Thermoelektrischen Generators für die Energierückgewinnung bei kryogen gespeicherten Kraftstoffen

Abstract

Deutschland ist ein Energieimportland und wird auch in Zukunft einen Groÿteil der benötigten Energie in Form von chemisch gebundener Energie importieren. Die Rückgewinnung eines Teils der Energie, die zum Verschlüssigen der Energieträger erforderlich ist, wird in Zukunft eine zunehmend wichtige Rolle bei der Nutzung kryogen gespeicherter Kraftstoffe spielen. Eine vielversprechende, jedoch noch wenig erforschte Technologie zur Energierückgewinnung im kryogenen Temperaturbereich stellt der Thermoelektrische Generator (TEG) dar. Die vorliegende Arbeit demonstriert anhand der Konzeption, der Konstruktion und der Vermessung des TEG-Prototyps das Potential der Thermoelektrik im Kontext der Sekundärenergienutzung bei kryogen gespeicherten Kraftstoffen. Ein wesentlicher Aspekt ist die Entwicklung und Auslegung einer Wärmeübertrager-Struktur sowie der Aufbau eines vollständigen TEGPrototyps. Im Rahmen des Entwicklungsprozesses erfolgt die Konstruktion eines für den kryogenen Temperaturbereich optimierten Wärmeübertragers unter Berücksichtigung von analytischen Berechnungen und Strömungssimulationen. Der somit entstandene Kupfer-Wärmeübertrager wird mit Hilfe der additiven Fertigung mit einer Gesamtlänge von 300 mm gedruckt. Optimiert ist der Wärmeübertrager für den Einsatz von zwölf thermoelektrischen Modulen mit einer Abmessung von 44 mm × 40 mm. Auf Basis des entwickelten Wärmeübertragers wird ein TEGPrototyp aufgebaut. Zur Vermessung des TEG-Prototyps wird am Deutschen Zentrum für Luftund Raumfahrt in Stuttgart ein dedizierter Kryo-Prüfstand entwickelt und in Betrieb genommen. Die durchgeführten Messungen belegen, dass eine Energierückgewinnung bei kryogen gespeicherten Kraftstoffen mit Hilfe eines Thermoelektrischen Generators möglich ist. Die vorliegende Arbeit bildet die Grundlage für die zukünftige Entwicklung kryogener Thermoelektrischer Generatoren, die Validierung von Simulationen im kryogenen Bereich, sowie die Entwicklung von weiteren Konzepten zur Energierückgewinnung bei verschiedenen kryogen gespeicherten Kraftstoffen.