Thermoelektrische Generatoren (TEG) wandeln Wärme in elektrischen Strom um.
Ein vielversprechendes Einsatzgebiet für diese Art von Generatoren ist der Automobilbereich: Die dort verwendeten Verbrennungsmotoren nutzen nur rund ein Drittel der im Kraftstoff gebundenen Energie für den Antrieb, die restlichen zwei Drittel gehen als Abwärme verloren. Im Zuge des Projekts RExTEG haben Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) das Potenzial dieser Technologie für den Einsatz in Hybrid- und Range-Extender-Fahrzeugen (REx) untersucht und erstmalig für diese ein Funktionsmuster entwickelt.
Die Reichweite reiner Elektrofahrzeuge ist aufgrund der Batterieleistung aktuell noch bei den meisten Fahrzeugen auf rund 200 Kilometer begrenzt. Übergangslösungen sind Hybrid- und Range-Extender-Fahrzeuge: Zusätzlich zum Elektromotor verfügen sie über einen Verbrennungsmotor, der sich zuschaltet, wenn die Batterie erschöpft ist, und so die vom Verbraucher gewohnte, weit größere Reichweite von mehreren hundert Kilometern sicherstellt.
Höherer Wirkungsgrad, geringerer Kraftstoffverbrauch und weniger Emissionen
“Thermoelektrische Generatoren haben in Hybridfahrzeugen sehr großes Potenzial. Sie ermöglichen es, den Gesamtwirkungsgrad des Antriebsstrangs zu erhöhen und lassen Hybridfahrzeuge so effizienter fahren”, fasst Projektleiter Martin Kober, der das Projekt beim DLR-Institut für Fahrzeugkonzepte in Stuttgart betreut hat, zusammen. Der mit Hilfe des TEG erzeugte Strom kann zum Beispiel ins Bordnetz oder in die Batterie eingespeist werden. Auf diese Weise trägt er dazu bei, die Wärmeströme im Fahrzeug optimal zu nutzen und senkt so den Kraftstoffverbrauch sowie den Emissionsausstoß. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, andere Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise die Lichtmaschine, kleiner und damit leichter zu bauen.
Optimierung auf den Anwendungsfall Hybridfahrzeug
Um das Potenzial thermoelektrischer Generatoren für den Einsatz in Hybridfahrzeugen zu erschließen, haben die Forscher die einzelnen thermoelektrischen Module und das Gesamtsystem auf diesen speziellen Anwendungsfall hin ausgelegt und optimiert. Auf Basis der TEG Gesamtsystemoptimierung entwickelte das Fraunhofer IPM neuartige thermoelektrische Module, die eigens an die Temperaturen und Wärmeströme in Hybridfahrzeugen angepasst sind. Außerdem untersuchten sie, wie sich die Module kostengünstiger herstellen lassen. Bisher geschieht dies in Handarbeit, was für die breite Anwendung der Technologie im Automobilbau zu aufwändig und teuer ist.
Die DLR-Wissenschaftler konstruierten den thermoelektrischen Generator und kümmerten sich um dessen optimale Auslegung. Am Ende ihrer Arbeit stand ein fahrzeugtaugliches Funktionsmuster mit einem Gewicht von rund acht Kilogramm: Es beinhaltet die thermoelektrischen Module, Wärmeübertragerstrukturen, Kühlmittelführung und Elektronik.
Prüfstandversuche zeigen sehr hohe Leistungsdichte
Auf dem Heißgasprüfstand des DLR-Instituts für Fahrzeugkonzepte wurde das entwickelte Funktionsmuster im Anschluss getestet, um die Eigenschaften der Komponente zu vermessen und diese Ergebnisse mit den zuvor angestellten Simulationen zu vergleichen. Der Prüfstand bildet den Verbrennungsmotor im Fahrzeug nach: Er schickt einen in Masse und Temperatur entsprechenden Abgasstrom durch das TEG-Funktionsmuster und ermöglicht die Messung des dabei erzeugten Stroms. Durch die spezielle Auslegung und hochintegrierte Bauweise konnte in diesem Entwicklungsstadium eine sehr hohe Leistungsdichte verzeichnet werden, sogar die weltweit höchste für einen fahrzeuggerechten TEG.
Als Referenzfahrzeug für die Entwicklung des Funktionsmusters diente den DLR-Wissenschaftlern ein Opel Ampera. Dieses auf dem Markt erhältliche Hybridfahrzeug kann rein elektrisch vierzig bis achtzig Kilometer zurücklegen und verfügt zusätzlich über einen Verbrennungsmotor, der als Range-Extender dient. “Um den TEG für den speziellen Anwendungsfalls in Hybridfahrzeugen überhaupt erst entwickeln zu können, war es für uns wichtig, anhand eines bestehenden Fahrzeugs erst einmal dessen Betriebsstrategien und Betriebszustände kennenzulernen und zu vermessen, welche Temperatur- und Massenströme es denn gibt”, erklärt DLR-Forscher Martin Kober die Arbeit am Opel Ampera.
Auch die Autoindustrie interessiert sich bereits für das Potenzial dieser Technologie. Nach Abschluss des Projekts RExTEG-Projekts, das über drei Jahre im Auftrag des Ministeriums für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg mit Mitteln der Baden-Württemberg Stiftung bearbeitet wurde, wollen die Wissenschaftler in einem nächsten Schritt die Fahrzeugintegration des thermoelektrischen Generators angehen.
