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BMW will Abwärme nutzen

Rund 60 Prozent der generierten Energie gehen je zur Hälfte als Abwärme in Abgas und Kühlwasser verloren. Diese Abwärme zu nutzen, soll einer der größten Stellhebel von BMW Efficient Dynamics für die Zukunft sein. Deshalb arbeitet der Automobilhersteller aus Bayern in mehreren Projekten, die unterschiedliche Ansatzpunkte verfolgen, in Forschung, Vor- und Serienentwicklung an der Nutzung dieser Abwärme. Dazu gehören beispielsweise die Entwicklungsvorhaben Turbosteamer, thermoelektrischer Generator, Motorkapselung oder auch ein Abgaswärmetauscher zur Ölheizung, wie es München heißt.

Die Projekte Turbosteamer und thermoelektrischer Generator (TEG) sollen dabei, auf unterschiedlichem Weg und mit unterschiedlichem Zeithorizont, den Ansatz verfolgen, aus der Abwärme elektrischen Strom zu generieren und so eine weitere Verbesserung des Antriebswirkungsgrades zu erreichen. Wenn die an Bord eines Fahrzeugs benötigte elektrische Energie nicht über den Generator erzeugt werden müsse, sondern direkt aus der Abwärme gewonnen werden könne, biete dies Spritsparpotenzial.

In dem Projekt Turbosteamer arbeiten die Experten der BMW Group Forschung und Technik an einem Abwärmenutzungssystem, das auf dem Prinzip eines Dampfprozesses basiert. Der Ansatz, aus Verlustwärme Energie zurückzugewinnen, wurde bereits in Kraftwerken umgesetzt: Moderne Gas- und Dampfkraftwerke kombinieren die Prinzipien einer Gasturbine sowie eines Dampfkreislaufs und erreichen mit dieser Kombination höhere Wirkungsgrade. Der Gasturbinenprozess als erste Energiewandlungsstufe dient dabei als Wärmequelle für den nachgeschalteten Dampfprozess, der als zweite Stufe fungiert. Mit dem Turbosteamer soll dieses Prinzip der zweistufigen Energiewandlung von der Stationäranwendung auf den automobilen Einsatz übertragen werden.

In der ersten Generation, die im Dezember 2005 vorgestellt wurde, wiesen die Forscher die Machbarkeit mit einem Maximalansatz nach. Sie legten das System auf zwei Kreisläufe aus. Primärer Energielieferant war ein Hochtemperaturkreislauf, der über Wärmetauscher die Abgaswärme des Verbrennungsmotors als Energiequelle nutzte. Zusätzlich hierzu wurden die Kühlwasserwärme des Verbrennungsmotors sowie die Restwärme des Hochtemperaturkreislaufes in einen Niedertemperaturkreislaufs eingekoppelt. Mit diesem Maximalansatz konnte am Prüfstand auf Basis des damals aktuellen Vierzylinder-Ottomotors eine Zusatzleistung von bis zu 15 Prozent für das kombinierte Antriebsystems nachgewiesen werden.

Um das Konzept in Richtung Serientauglichkeit weiterzuentwickeln, konzentrieren sich die Aktivitäten seitdem auf die Verkleinerung der Komponenten und die Vereinfachung des Systems zur Verbesserung der Systemdynamik sowie auf ein optimiertes Kosten-Nutzen-Verhältnis. Dazu fokussieren die Forscher auf die Nutzung der Abgaswärme in einem Hochtemperaturkreislauf. "Über einen Wärmetauscher wird dem Abgas Wärme entzogen, wodurch ein zuvor auf Druck gebrachtes flüssiges Arbeitsmedium verdampft. Dieser Dampf treibt eine Expansionsmaschine an, die aus der zurückgewonnenen thermischen Energie elektrische Energie erzeugt", erklärt Jürgen Ringler, Gruppenleiter Thermische Energiewandler bei der Forschung und Technik. Für die neueste Generation des Turbosteamers wurde eine neuartige Expansionsmaschine, basierend auf dem Prinzip der Gleichdruckturbine, entwickelt, welche bezüglich Kosten, Gewicht und Bauraum für eine Industrialisierung Vorteile im Vergleich zu den bisherigen Konzepten bringen soll. Dieses System werde zehn bis 15 Kilogramm auf die Waage bringen und in der Lage sein, die Bordstromversorgung des Fahrzeugs während Fahrten auf Landstraßen und Autobahnen komplett abzudecken, erläutert Ringler. Unter diesen Rahmenbedingungen sehen die Entwickler auf der Langstrecke im Kundenbetrieb ein Potenzial zur Verbrauchsreduzierung von bis zu zehn Prozent.

Die auf dem Prüfstand entwickelten Systemkomponenten seien bereits heute geometrisch ins Fahrzeug integrierbar, wie beispielsweise die erstmalige Darstellung des Kreislaufs als Mock-up in einer 5er Limousine (Bild).

Auch das Projekt thermoelektrischer Generator hat wie es aus München heißt mehrere Entwicklungsstufen hinter sich, die den Weg zur Serieneinführung ebnen. Zunächst unterschieden sich die beiden bereits vorentwickelten Systeme im Einbauort - Abgasanlage beziehungsweise Abgasrückführung. Die neueste Entwicklungsstufe für den Einbau in die Abgasanlage soll einen nächsten Sprung im Wirkungsgrad durch weitere Verbesserungen, vor allem hinsichtlich Gewicht und Bauraum, erreichen. Der thermoelektrische Generator soll Wärme direkt in elektrischen Strom umwandeln. Dabei orientierten sich die Ingenieure an einer Technologie, die von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa schon seit rund vier Jahrzehnten zur Stromerzeugung in Raumsonden genutzt wird. Bei dieser thermoelektrischen Stromgewinnung macht man sich den Effekt zu Nutze, dass in thermoelektrischen Halbleiterelementen bei einem Temperaturgefälle eine elektrische Spannung entsteht (Seebeck-Effekt). Weil der Wirkungsgrad dieser thermoelektrischen Generatoren (TEG) noch bis vor einigen Jahren nur wenige Prozent betrug, seinen diese für den Einsatz im Automobilbereich ungeeignet gewesen. In den letzten Jahren habe die Material- und Werkstoffforschung jedoch Fortschritte erzielt, wodurch die Leistungsfähigkeit solcher Module erheblich gestiegen sei.

Zunächst integrierten die Ingenieure einen thermoelektrischen Generator für die Stromgewinnung in den Abgasstrang. Im ersten System, das 2008 gezeigt wurde, war die mit dem System erzeugbare elektrische Leistung mit maximal 200 Watt noch gering. Die Materialforschung und die Weiterentwicklung hinsichtlich des Gewichts und der Optimierung des Einbaus sollen aber zu Fortschritten geführt haben, so dass die neueste Generation TEG in der Abgasanlage mittlerweile nachgewiesener Maßen in der Lage sei, 600 Watt zu erzeugen. Das ursprünglich hoch gesteckte Ziel, bis zu 1000 Watt zu erzeugen, rücke in greifbare Nähe. Der aktuelle Prototyp - ein X6 - entstand im Rahmen eines vom amerikanischen Department of Energy geförderten Entwicklungsprojekts.

Während einige Maßnahmen, wie die Bremsenergierückgewinnung, für Verbrauchsvorteile beim Bremsen oder während längerer Standphasen sorgen, soll durch Wärmemanagement eine Verbrauchssenkung nun auch während der Fahrt möglich sein. So habe in Zukunft bereits vor Fahrtbeginn die Isolierung des Motorraums die Temperatur des Antriebsstrangs größtenteils aufrecht erhalten, so dass die Kaltstartphase kürzer ausfalle. Ein Abgaswärmetauscher trage durch die Erwärmung des Getriebeöls zusätzlich zur Reibungsminimierung und damit zu weniger Kraftstoffverbrauch bei. Ein TEG oder Turbosteamer stelle die vom Bordnetz benötigte elektrische Energie zur Verfügung und spiele seine Vorteile beim Fahren aus.
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