Energierückgewinnung durch Wandlung von Abwärme in Nutzenergie

Abstract

Die heutigen Motor- und Fahrzeugentwicklungsziele sind geprägt durch die steigenden An-forderungen zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Abgasemissionen. In Anbet-racht dieser Herausforderungen gewinnt die Wandlung und Wiedereinkopplung von bisher ungenutzt an die Umgebung abgegebenen Wärmeströmen im Kraftfahrzeug zunehmende Beachtung. In jüngerer Zeit wurden beispielweise von Fahrzeugherstellern Konzepte zur Nutzung von Abwärmeströmen mit Dampfkreisläufen vorgestellt, wobei ein Potenzial von etwa 15 % unter Laborbedingungen zur Verbrauchsenkung aufgezeigt wurde [1]. Prinzipiell können jedoch eine Reihe von Verfahren zur Wandlung von Wärmeströmen eingesetzt wer-den. Im Beitrag wird dazu eine Systematik gezeigt, und es werden wichtige Verfahren kurz vorgestellt. Unter anderem werden neben den Dampfkreisläufen thermisch angetriebene Klimatisierung, thermische Kraftstoffaufwertung sowie die direkte Wandlung thermischer in elektrischer Energie angesprochen. In einem primären Schritt muss allen betrachteten Verfahren die Abwärme zugeführt werden, wobei die eingesetzten Wärmeübertrager großen Zielkonflikten unterliegen. So sollte deren Einbindung in vorhandene Bauräume packagegerecht gelingen; sie sollten keine negative Rückwirkung auf Verbrennungsmotor, Abgasstrang und Kühlsystem ausüben und trotzdem einen substantiellen Anteil der Abwärme dem nachgelagerten Prozess zuführen. Im Hinblick auf die Auslegung von thermoelektrischen Generatoren (TEG), die Abgaswärme in elektri-sche Energie wandeln, wurden entsprechende Wärmeübertrager ausgelegt und dazu ein Auslegungsprogramm erarbeitet, das anhand von Prüfstandsexperimenten validiert wurde. Im Beitrag wird die Methodik zur Berechnung von Wärmeübertragern zur Abwärmenutzung anhand des thermoelektrischen Generators erläutert. Bei thermoelektrischen Generatoren ist dabei die Besonderheit, dass ein Mehrschichtenaufbau beschrieben werden muss, der ins-besondere die funktionale Schicht mit den thermoelektrischen Modulen umfasst. Es wird der Nachweis erbracht, dass mit dem Berechnungsprogramm das Temperaturfeld und die elekt-rische Leistung von thermoelektrischen Generatoren mit ausreichender Genauigkeit berech-net werden kann. Insbesondere wird auch der Zielkonflikt zwischen Effizienz der Wärme-übertragung und dem zulässigen Druckverlust aufgezeigt. Für verschiedene Fahrzustände wird abgeleitet, welche elektrischen Leistungen mit thermoelektrischen Generatoren im Ab-gasstrang erzielt werden können, was als Grundlage für die Abschätzung des Verbrauch-minderungspotenzials dienen kann. Abschließend wird beispielhaft die Integration eines thermoelektrischen Generators in den Abgasstrang eines Versuchsfahrzeuges beleuchtet.