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BMW: Bis zu 1000 Watt per Thermoelektrik möglich

Auf den Innovationstagen Anfang Oktober 2009 in München stellte BMW seiner Visionen zum Auto der Zukunft und als Wegbereiter für die Zukunft der individuellen Mobilität genauer vor. Neben den Themen Licht, Sitzen, Bedienanzeigen, Sounddesign, Infotainment und Verkehrsmanagement ging es im Workshop Wärmemanagement um die Chance, die Abwärme eines Verbrennungsmotors zu nutzen. Denn ein Drittel der Energie des Kraftstoffs werden auch in einem modernen Motor nur in Bewegungsenergie, die anderen zwei Drittel in "Abfall"-Wärme umgewandelt. Dass die zwei Drittel meist auf niedrigem thermischen Niveau zur Verfügung stehen, macht die Sache so kompliziert.

Ein Weg ist die Wärmekapselung. Da im Kaltstart ein sehr großes Potenzial zur Kraftstoffverbrauchssenkung und damit auch zur Vermeidung von CO2-Emissionen liegt, arbeiten die BMW-Ingenieure mit Hochdruck daran, durch intelligentes Wärmemanagement den Kaltstart weitgehend zu vermeiden oder die Warmlaufphase signifikant zu verkürzen. Der Lösungsansatz beinhaltet Maßnahmen zur besseren Wärmedämmung des Motors, um einmal vorhandene Wärme in Motor und Motorraum möglichst lange aufrecht zu erhalten. Ziel ist es, ein schnelles Abkühlen zu verhindern und möglichst viel der Restwärme vorzuhalten, um den Motor für die nächste Fahrt nicht komplett kalt starten zu müssen. Eine Maßnahme, die insbesondere im realen Kundenbetrieb zu einer signifikanten Verbrauchsreduzierung führt. Dazu wird der Motor vollständig eingekapselt. Abgesehen von den bereits seit 2007 mit BMW EfficientDynamics eingeführten Luftklappen hinter der BMW-Niere, ist deshalb der Motor eines Prototypfahrzeugs (BMW X5) komplett mit ausgekleideten Schottwänden umgeben worden. Als Isolationsmaterial greifen die Ingenieure dabei auf bereits bewährte Materialien aus dem Fahrzeugunterboden zurück. Aufgrund des von Haus aus sehr wirkungsvollen Kühlsystems droht auch trotz der Isolierung keine Überhitzung.

Der zweite Weg ist die Umwandlung der Wärme direkt in Strom ohne bewegliche Teile. Dazu dient der thermoelektrische Generator (TEG), der auf dem physikalischen Seebeck-Effekt beruht. Er ermöglicht es, aus der noch ungenutzten Wärmeenergie des Abgases Strom zu erzeugen. Nach der Vorstellung des Funktionsprinzips des TEG im Jahr 2009 (siehe MTZ 4-2009) in einer Unterbodenlösung zeigte die BMW Group nun die nächste Entwicklungsstufe dieses Projekts. Matthias Linde, Ingenieur für Thermoelektrik bei BMW, präsentierte den TEG jetzt als integriertes Bauteil im Kühler der Abgasrückführung. In dieser neuen Entwicklungsstufe, gemeinsam mit Benteler, DLR und Emitec entwickelt, sorgt der TEG im Kundenbetrieb für einen CO2- und Verbrauchsvorteil von bis zu zwei Prozent.

Eine Herausforderung bei der integrierten Lösung des TEG liegt in der isolierenden Eigenschaft der thermoelektrischen Materialien. Deshalb wird der Bauraum der AGR größer, jedoch kühlt sie das Restgas weiterhin nahezu ohne Druckverlust und erzeugt darüber hinaus nun auch Strom. Für die Serie ist eine Leistung von 250 Watt angestrebt, was ungefähr der Hälfte des Bordverbrauchs eines BMW 5ers entspricht.

Da in der Abgasrückführung nur ein Teil des Abgases zur Verfügung steht, nutzt die dort integrierte Lösung des TEG noch nicht das gesamte Potenzial der Energiegewinnung durch Wärme. Jedoch stellt sie ein wichtiges Projekt auf dem Weg zur Realisierung zukünftiger TEG-Konzepte dar. Durch die ständige Forschungs- und Entwicklungsarbeit erhalten die BMW-Ingenieure wertvolle Kenntnisse und Erfahrungswerte, die direkt in die Weiterentwicklung des TEG einfließen.

Ähnlich wie in dem gezeigten Prototyp, soll zukünftig ein größerer TEG im Abgasstrang realisiert werden - als Unterbodenlösung oder direkt integriert in den Dreiwegekatalysator. Diese Lösung ist jedoch bedeutend aufwändiger und mit deutlich mehr Konstruktionsaufwand verbunden, als die in die Abgasrückführung integrierte Lösung. Für die Zukunft ist die Integration in den Hauptabgasstrang jedoch attraktiv, weil hier aufgrund der höheren Massenströme nicht nur deutlich mehr Strom (bis zu 1000 Watt Leistung) erzeugt werden könnte. Kehrt man nämlich den Energiegewinnungsprozess um (Peltier-Effekt), sprich leitet Strom aus einer Batterie in die Halbleiter, könnte der TEG auch als Katalysatorheizung dienen, um die Rohemissionen beim Kaltstart zu verringern. Sobald das Abgas heiß genug ist und der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird der Prozess umgekehrt, um wieder Strom zu erzeugen. Insgesamt liegt hier ein Potential zur Verbrauchssenkung von bis zu fünf Prozent im Kundenbetrieb.

Der TEG stammt ursprünglich aus der Luft- und Raumfahrt, wurde bei der Apollo-Mission der Nasa und der Cassini-Sonde eingesetzt. Damit Raumsonden auf ihrem Flug raus aus unserem Sonnensystem noch genug Strom zur Verfügung haben, werden seit den 1960er-Jahren die TEG verwendet. Denn die Photovoltaikpaddel erzeugen fern von der Sonne nicht mehr genug Strom. Der TEG nutzt ein Radionuklid als Wärmequelle und über den Seebeck-Effekt das physikalische Prinzip, dass zwei aufeinander liegende Halbleiter bei Temperaturwechseln eine elektrische Ladungsmenge abgeben. Je höher der Temperaturunterschied desto mehr Strom wird erzeugt. Gebräuchliche Halbleiter-Materialien sind Tellur-, Germanium- oder Silizium-Verbindungen wie Bi2Te3, PbTe, SiGe, BiSb oder FeSi2 mit realen Wirkungsgraden zwischen drei und acht Prozent.
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