Verlustwärmeströme in Energie umwandeln

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

TRACO ELECTRONIC GMBH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Thermoelektrischer Generator in Flachbauweise

Entsprechende konstruktive Untersuchungen wurden in der Arbeit von Zhu [2] durchgeführt und führten letztlich zur Konstruktion eines thermoelektrischen Generators in Flachrohrbauweise. Bild 3 zeigt eine Schnittdarstellung einer CAD-Konstruktion dieses thermoelektrischen Generators. Der Heißgaskanal, der als berippter Kanal ausgeführt ist, bildet das zentrale Flachrohr des Aufbaus.

Auf jeder Seite des Heißgaskanals sind thermoelektrische Module angeordnet, wobei sich zwischen Heißgaskanal und thermoelektrischem Modul eine elektrische Isolierschicht befindet. Eine solche befindet sich auch zwischen thermoelektrischem Modul und den beiden Kühlwasserkanälen. Der obere Gehäuseteil ist nicht dargestellt, so dass Tellerfedern sichtbar werden, die zur Aufprägung einer Druckkraft dienen, um eine guten thermischen Kontakt sicherzustellen.

Bild 4 zeigt beispielhaft ein experimentelles Ergebnis für eine Abgastemperatur von 380°C und einen Abgasmassenstrom von 200 kg/h. Aufgetragen sind jeweils die Spannung über der Stromstärke bzw. die elektrische Leistung über der Stromstärke. Im thermoelektrischen Generator wurde in etwa eine Modulfläche von 300 cm2 installiert.

Charakteristika unterschiedlicher Module

Man erkennt deutlich die unterschiedliche Charakteristik zweier unterschiedlicher Module. Beide Module sind aus demselben Funktionswerkstoff gefertigt, stammen jedoch von unterschiedlichen Herstellern und unterscheiden sich in ihrem Aufbau. Modul A hat sehr viel höhere Ausgangsspannung und Innenwiderstand als Modul B, was bei steigendem Laststrom für Modul B zu einem raschen Abfall der elektrischen Spannung führt.

Entsprechend erreicht man im Typ B schon bei einem relativ hohen Lastwiderstand, also einer geringen Stromstärke, das Leistungsmaximum von etwa 100 W. Das Maximum der Leistungskurve von Modul A, dessen Nennleistung für eine ideale Einbausituation bei etwa 115 W liegt, ist zu höheren Stromstärken verschoben. Für beide Modul-Bauarten wurde auch in der Einbausituation im thermoelektrischen Generator annähernd die vom Modulhersteller spezifizierte Nennleistung erzielt, was auf eine gute konstruktive Realisierung hinweist.

Die Gesamtleistung des thermoelektrischen Generators soll jedoch zu höheren Zielwerten hin entwickelt werden. Daher wurde basierend auf den bisherigen Erfahrungen eine konstruktiv verbesserte Komponente konzipiert, bei der unter anderem der abgasseitige Wärmeübergang verbessert wurde und ein thermoelektrisches Modul auf der Basis von PbTe angenommen wurde.

Bild 5 zeigt die prognostizierte elektrische Leitung für diesen Aufbau in Abhängigkeit des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur am Eintritt des thermoelektrischen Generators. Die Isolinien der Leistungskurven ordnen sich entsprechend der angebotenen thermischen Leistung als Hyperbeln an. Gegenüber dem experimentell untersuchten thermoelektrischen Generator kann die elektrische Leistung für identische Betriebspunkte auf diese Weise mehr als verdreifacht werden.

Perspektive für den thermoelektrischen Generator

Dieses Ergebnis stellt eine technisch viel versprechende Perspektive für einen thermoelektrischen Generator im Fahrzeug dar. Da die Werkstoffkosten allerdings sehr hoch sind, konzentriert man sich heute auf Materialien wie Silizide, Half-Heusler-Materialien und vor allem Skutterudite.

Parallel dazu wird das zugrunde gelegte thermoelektrische Modul dargestellt. Aus den bisherigen Untersuchungen wurde auch die Notwendigkeit einer sorgfältigen Untersuchung der fahrzeugtechnischen Einbindung offensichtlich, z.B. hinsichtlich der Rückwirkungen auf den Verbrennungsmotor, der Einbindung in das Kühlsystem sowie der Einkopplung der elektrischen Energie in das Bordnetz. Diese systemischen Aspekte werden in den nächsten Entwicklungen stärker betont bzw. wurden zum Teil bereits realisiert.

Die zusammenfassende Darstellung in der Tabelle zeigt, dass die Mehrzahl der Verfahren noch über eine geringe technologische Reife verfügt (Stand 2007). Zum derzeitigen Entwicklungsstand lässt sich die Einkopplung der thermischen Energie am Einfachsten realisieren. Von den Verfahren könnten sich mittelfristig Dampfprozesse und die thermoelektrische Energiewandlung zur Anwendung im Fahrzeug entwickeln. Die thermoelektrische Energiewandlung profitiert dabei von Fortschritten bei der Materialentwicklung. Mittel- und langfristig werden hier Komponentenwirkungsgrade von bis zu 10% angestrebt.

Literatur

[1] Vazquez, J., Sanz-Bobi, M.A., Palacios, R., Arenas, A.: State of the Art of Thermoelec-tric Generators Based on Heat Recovered from the Exhaust Gases of Automobiles. Proc. VIIth European Workshop on Thermoelectrics, Pamplona, Spanien, 3./4. 10. 2002, Uni-versidad Publica de Navarra, Pamplona.

[2] Zhu, L.: Konzeptionelle Auslegung eines thermoelektrischen Generators (TEG) zur Wärmerückgewinnung in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor. Diplomarbeit DLR - Institut für Fahrzeugkonzepte, Stuttgart, 2006.

*Prof. Dr.-Ing. Horst E. Friedrich ist am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Fahrzeugkonzepte, in Stuttgart und Dr. rer. nat. Eckhard Müller am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Institut für Werkstoff-Forschung, in Köln tätig. Prof. Dr.-Ing. Peter Treffinger lehrt an der FH Offenburg.Der Beitrag ist einen bearbeiteter Auszug aus dem Artikel „Management von Sekundärenergie und Energiewandlung von Verlustwärmeströmen“ der Autoren in: Dokumentation CO2 – Die Herausforderung für unsere Zukunft. München: Vieweg, 2007.

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