Meine Projekte

Themengebiet: Thermoelektrik
Thema: Direktwandlung von Abgaswärme für die Bordstromversorgung

Die Bildsequenz zeigt einen Versuchsaufbau zur thermoelektrischen Direktwandlung. Ein Verbrennungsmotor mit 3,5 kW Leistung liefert heiße Abgase bis 200°C. Die Abgase werden über ein langes Rohr zu wassergekühlten Thermoelementen geführt. Der so gewonnene Strom bringt mehr und mehr eine Glühbirne zum Leuchten.

Was man nicht sieht: Die Thermoelemente sind Kacheln, die um das Abgasrohr angeordnet sind. Die Kacheln bestehen aus Schichten mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit, beispielsweise Metalle mit unterschiedlicher Elektronegativität oder entsprechend verschieden dotierte Halbleiter. Wird eine Schicht erwärmt, so erhalten die darin vorhandenen Elektronen eine zusätzliche kinetische Energie und sie treten in die andere Schicht über. Wird die andere Schicht gekühlt, so ist der Wärmestrom auf diese Weise mit einem elektrischen Strom verbunden. Da der Wärmestrom auch über Gitterschwingungen übertragen wird und sich zudem diffus ausbreitet, beträgt der elektrische Wirkungsgrad dieser Energiewandlung maximal nur wenige Prozent.

Was man erkennt: Heiße Abgase werden bisher nicht genutzt. Daher sind auch nur wenige Prozent an Wirkungsgrad unendlich viel mehr als nichts. Tatsächlich beträgt der mechanische Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren etwa 30 bis 40%, d.h. etwa das Doppelte der mechanischen Leistung eines Verbrennungsmotors geht nach dem Warmlaufen ins Abgas. Wenn es gelingt, davon 1% elektrisch zu gewinnen (rekuperieren), so bedeutet dies bei einem Motor von 150 kW (rund 200 PS) mechanischer Leistung immerhin eine potenzielle Verfügbarkeit von 3 kW. Das entspricht durchaus der elektrischen Leistung einer Lichtmaschine für Autos der Oberklasse.

Was man damit macht: Zwar ist auch die Leistungsdichte von Thermoelementen mit etwa 2 kg/kW vergleichbar zum üblichen Dynamo, allerdings sind bisher die Kosten mit über 10 € je kW Anschlussleistung um ein Mehrfaches höher. Außerdem werden die meisten Motoren eher selten über die Warmlaufphase hinaus betrieben, so dass Gefahr droht, dass die Batterie nicht ausreichend nachgeladen wird. Allerdings wäre bei steigenden Kraftstoffpreisen insbesondere für Dauerläufer – wie Geschäftsfahrzeuge oder Transportwagen – ein Einsatz naheliegend. Dem stehen aber noch eine Vielfalt technischer Alternativen gegenüber, beispielsweise die mechanische Rekuperation von elektrischem Strom beim Bremsen durch Starter-Generator-Systeme oder abgasfreie elektrische Antriebe. Allerdings eröffnen Thermoelemente noch weitere Vorteile für den Betrieb von Energiewandlern. Durch ein Umschalten der Spannungsrichtung kann der Wärmefluss auch gedämmt werden. Somit können Energiewandler in Ruhephasen vor dem Auskühlen bewahrt werden, wodurch sich beim Starten die Anlaufverluste mindern. Umgekehrt kann die Abwärme während der Betriebsphase elektrisch verstärkt entzogen werden, wodurch auch das Risiko einer Überhitzung vermindert werden kann. Energetisch ist zudem zu berücksichtigen, dass technische Aggregate grundsätzlich einen höheren Wirkungsgrad bei einem bestimmten Temperaturbereich haben. In Kombination mit der Möglichkeit zum Wärmemanagement weist die Thermoelektrik also noch einiges ungenutztes Potenzial für effizientere Energiewandler auf.

Meine Veröffentlichungen dazu:

Vorrichtung und Verfahren zur Temperierung von elektrochemischen Energiewandlern Patent DE 102 10 634 (2002)