"Möglichst schnell warm werden"

Dass ein Motor mehr Abwärme produziert als für das Heizen des Innenraums benötigt wird, ärgert die Automobilkonstrukteure seit jeher. Wie man die überschüssige Wärme produktiv nutzen kann und sie im Motorraum hält, diskutierte die ATZ mit Dr. Johannes Liebl, der bei BMW für die Energieeffizienz verantwortlich ist.

Zwei Drittel der im Kraftstoff gebundenen Energie landen nach wie vor in Form von Wärme ungenutzt in der Umwelt. Was lässt sich davon nutzen?
Wieviel sich davon bergen lässt, hängt von den verschiedenen Betriebssituationen ab. Erst einmal setze ich mich in ein Fahrzeug und starte es bei Umgebungstemperatur. Motor und Getriebe fühlen sich aber erst bei 90 Grad so richtig wohl. Alle technischen Aussagen basieren auf diesem eingeschwungenen Zustand. Man müsste also differenzieren, ja nachdem, ob ich die 90 Grad erreicht habe oder nicht. Eine dritte Situation: Ich stelle das Fahrzeug nach längerer Fahrt ab, und es kühlt langsam ab, die Wärme entweicht wieder durch viele Öffnungen.

Lassen Sie uns doch die drei Zustände etwas genauer anschauen. Beginnen wir beim Kaltstart.
Wenn Sie ein Fahrzeug im Zulassungszyklus betreiben, dann ist der Motor erst in den letzten Minuten betriebswarm, das Getriebe beispielsweise erreicht überhaupt nicht seine Idealtemperatur. Betreiben Sie das Fahrzeug im gleichen Zyklus betriebswarm, dann haben Sie ein Potenzial von etwa zehn Prozent Kraftstoffverbrauch - eine Größenordnung, um die man sich Gedanken machen muss. Unser Ziel wäre es, die 90 Grad entweder vom Start weg zu haben oder möglichst schnell zu erreichen.

Gut, aber wie wollen Sie das machen?
Um möglichst schnell warm zu werden, muss man zunächst den Wasserumlauf stoppen, das kostet ohnehin zusätzliche Energie, obwohl der Motor die Kühlung gar nicht braucht. Das Ziel heißt übrigens, das Schmiermittel in Motor und Getriebe möglichst schnell auf Temperatur zu bringen. Also muss man auch überlegen, ob man einen Motor überhaupt mit so viel Öl befüllen muss oder ob für den Warmlauf auch eine Teilmenge der üblichen sechs bis acht Liter reichen würde. Man könnte zunächst zwei bis drei Liter umwälzen, den Rest in einem separaten Speicher lassen und erst langsam zugeben.

Also eine Regelung des Ölkreislaufs analog zum Wasserkreislauf?
Warum haben wir denn soviel Öl im Motor? Bei jedem Kaltstart wird das Öl besonders stark belastet. Um trotzdem lange Ölwechselintervalle zu realisieren, ist die Ölmenge höher als sie allein für die Schmierung nötig wäre. Man könnte also die Wechselintervalle wieder heruntersetzen...

...oder eine Speicherlösung aufsetzen?
Und vor allem die Kaltbetriebsphasen des Motors reduzieren, dann erhöht man die Dauerhaltbarkeit des Öls ebenfalls.

Es wird ja auch wieder intensiver über die Thermosiphonkühlung diskutiert. Welches Verbrauchspotenzial hat sie?
Wir sehen ein Potenzial von ein bis zwei Prozent, wenn keine Heizleistung benötigt wird. Im Zyklus würde die Thermosiphonkühlung diesen Vorteil voll ausspielen, aber man muss sehen, was davon im Kundenbetrieb übrig bleibt. Im Vergleich zu unseren Motoren mit elektrischer Wasserpumpe sehe ich keine Vorteile.

Im Gegensatz zur Thermoelektrik, die aber im Zyklus keine Vorteile bringt.
Der thermoelektrische Generator zeigt immer Wirkung, wenn Strom benötigt wird. Bei BMW haben wir flächendeckend regelbare Generatoren und regeneratives Bremsen, das im Schubbetrieb die Batterie mit Strom füttert. Mit kompakteren Fahrzeugen schaffen wir es so, den kompletten Zyklus zu durchfahren, ohne dass der Generator durch die Motorkraft angetrieben wird. Bei größeren Modellen könnte der thermoelektrische Generator auch im Zyklus etwas entlasten und zirka ein Prozent Kraftstoff einsparen, während im Kundenbetrieb drei bis fünf Prozent Kraftstoffersparnis möglich sind. Außerdem beschleunigt er den Warmlauf, da ein Teil der Abgaswärme ins Kühlwasser geht.

Ihr thermoelektrischer Generator ist nur zulassungsfähig, wenn Sie eine Ausnahmegenehmigung für die Verwendung der Materialkombination Bleitellurid erhalten.
Bleitellurid ist nicht das Material, das auf Dauer im Automobilbau verwendet werden soll, deshalb haben wir nur eine Laufzeit bis 2018 beantragt. Wir untersuchen mit unserem Partner Emitec eine Industrialisierung mit dem Ziel, von diesem Material unabhängig zu werden. Bleitellurid wäre also nur der Start.

Die von Ihnen vorgestellte Positionierung des Generators im AGR ist ja aus thermischen Gesichtspunkten nicht das Optimum. Was ist der Hintergrund?
Das Ziel ist, mit überschaubarem Aufwand schnell in Serie zu gehen. Der AGR-Kühler hat zwei Vorteile: Erstens haben wir das Kühlmittel direkt vor Ort und zweitens ist er über eine Klappe zuschaltbar. Wenn wir in einigen Jahren in Serie gehen, wird der thermoelektrische Generator noch nicht höchsttemperaturfest sein. Damit blenden wir natürlich besonders erfolgsversprechende Hochlastpunkte aus. Aber die Kosten einer Integration in die Abgasanlage samt Kühlmittelzuführung wären für eine schnelle Serieneinführung immens.

Jenseits des thermoelektrischen Generators: Welche Chance haben andere Technologien zur Rückgewinnung der Abgasenergie?
Der thermoelektrische Generator ist relativ kompakt und damit für Pkw eine gute Lösung. Daneben gibt es ja noch den Rankine-Prozess, mit dem thermische in mechanische Energie umgewandelt wird. In Summe ist das Wärmerückgewinnungspotenzial bei diesem Prozess größer, es wird aber auch mehr Platz benötigt. Deshalb denke ich, dass so eine Lösung besonders für Busse und Lkw geeignet ist. Wir untersuchen diese Lösung parallel in unserer BMW-Forschung.

Wenn die Wärme einmal vorhanden ist, gilt es, sie möglichst im Motor zu halten. In den 90er Jahren war BMW Vorreiter mit dem Latentwärmespeicher.
Damals haben uns die Salze des Phasenwechselmaterials Probleme bereitet, die zu Korrosion geführt hatten. Das war Lehrgeld. Zudem benötigt man ein gewisses Volumen - denken Sie an einen zehn Liter-Wassereimer -, um hinreichend Energie zu speichern. Bei heutigen, vollgepackten Motorräumen ist das nicht mehr so leicht. Deshalb wollen wir den Motorraum kapseln, ähnlich wie es die Akustiker aus Geräuschgründen machen.

Eine tolle Sache, so lange man nicht mit dem Pferdeanhänger eine Passstraße hinauffährt.
In kritischen Betriebsbereichen ist der Motor über das Kühlmittel geschützt. Außerdem werden empfindliche Bauteile vor der Strahlung der Abgasanlage geschützt. Über ein intelligentes Luftmanagement bleiben alle Temperaturen im unkritischen Bereich.

Wie würden Sie den Motor denn "einpacken"?
Mit einer Kiste außen herum. Wichtig ist, diese möglichst nah an die Motorkontur zu bringen. Letzteres wäre vorteilhaft hinsichtlich der Wärmespeicherung, da dann kein Kamineffekt entsteht.

Können heutige Akustikkapseln das schon leisten?
Heutige Kapseln für die Akustik berücksichtigen beispielsweise den Kamineffekt überhaupt nicht, da geht nach oben leider viel Wärme verloren.

Wie verändert sich die Gesamtarchitektur des Kühlsystems, wenn thermisch extrem sensible Batterien integriert werden?
Ich sehe im Augenblick keine Quantensprünge bei der Speicherdichte von Batterien. Umso wichtiger wird es sein, die Betriebstemperatur im Optimum zu halten. So könnte es bei Hybrid-und Range-Extender-Fahrzeugen wichtig sein, die Motorrestwärme der Batterie zuzuführen, damit diese möglichst schnell Bremsenergie aufnehmen kann.

Zum Gesamtsystem gehört ja auch der Fahrer, der den Innenraum im Winter schön warm haben will.
Bei unserem "project i" gehen wir so systematisch vor, wie wenn man heute ein Niedrigenergiehaus baut. Klimatisierung heißt dann nicht, eine eine Heizung oder Klimaanlage mit einer bestimmten Leistung vorzusehen, sondern zu hinterfragen, welches Klima im Innenraum herrschen soll. Und dann schauen wir uns die Isolierung an. Wie beim Hausbau gilt es, zunächst den Wärmeverlust zu reduzieren. Wir müssen es schaffen, die Spezialisten aus Karosseriebau und Klimatisierung zusammenzubringen.

Herr Dr. Liebl, herzlichen Dank für das Gespräch.

(Foto: Toby Binder)


Autor(en): Johannes Winterhagen

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