Energie aus dem Abgasstrang: Waste Heat Recovery verspricht große Fortschritte bei der Kraftstoffeffizienz. Was hinter der Abgasenergie-Rückgewinnung steckt, haben wir kompakt erklärt.
Abgasenergie-Rückgewinnung: Die Idee von Waste Heat Recovery-Systemen ist, die Wärmenergie, die im Abgas verloren geht, in nutzbare Energie umzuwandeln und somit den Gesamtwirkungsgrad des Systems zu erhöhen. Bild 1 aus: Waste Heat Recovery – Marktsicht zur Technologieführerschaft, Seite 5
Waste Heat Recovery (WHR) meint die Wärmerückgewinnung aus dem Abgasstrang. WHR-Systeme wandeln die im Abgasstrom noch enthaltene Energie in elektrische oder mechanische Energie um und führen sie dem Fahrzeugantrieb wieder zu, erklären Volkswagen und MAN im Artikel Waste Heat Recovery im Pkw und Lkw aus der MTZ 4/2019. Das soll den Kraftstoffverbrauch reduzieren.
Hintergrund ist, dass klassische Verbrennungsmotoren den überwiegenden Teil des umgesetzten Heizwerts von Otto- oder Dieselkraftstoff in Form von Wärme an das Kühlsystem des Motors und in das Abgas abgeben. WHR-Systeme machen sich diese Abwärme zunutze. Der Aufwand bezüglich Kosten und Bauraum ist aber erheblich.
Die beiden Konzepte eines thermoelektrischen Generators (TEG) und des Dampfkreisprozesses (Organic Rankine Cycles, ORC) sind konkurrierende Lösungen zur Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas, schreiben die Springer-Autoren Daniel Kennel und Melanie Raimer im Kapitel Waste Heat Recovery – Marktsicht zur Technologieführerschaft aus dem Buch Heavy-Duty-, On- und Off-Highway-Motoren 2015. Der ORC-Prozess, ursprünglich aus der Kraftwerkstechnik bekannt, basiert laut Kennel und Raimer auf einem dem Wasser-Dampf-Prozess ähnlichen Verfahren mit dem Unterschied, dass anstelle von Wasser ein organisches Arbeitsmedium verwendet wird. "Ein TEG nutzt den Seebeck-Effekt von Halbleitermaterialien, um Wärme direkt in elektrische Energie zu wandeln", erklären Audi, Faurecia und das Fraunhofer IPM im Artikel Fahrzeugintegration eines thermoelektrischen Generators aus der MTZ 4/2016.
TEG oder ORC?
Für einen mobilen Einsatz im Straßenverkehr sind die Entwicklung von fahrzeugtauglichen Komponenten und die Darstellung einer robusten Betriebsstrategie die zentralen Herausforderungen. "Der TEG hat durch seine geringere Baugröße insbesondere für den Einsatz in Pkw oder kleineren Nutzfahrzeugen Vorteile, dafür aber auch hohe Materialkosten", so die Autoren Kennel und Raimer. Ein ORC biete derzeit ein besseres Preis-Leistungsverhältnis. Deshalb werde der ORC im Lkw-Bereich eine höhere Chance auf Anwendung haben. Ein weiterer Vorteil des ORC gegenüber des TEGs sei es, dass die benötigten Komponenten und Materialien für die Fahrzeughersteller und Zulieferer bekannt sind. Dahingegen müsse für einen TEG zunächst eine geeignete Materialauswahl getroffen werden, die für den thermoelektrischen Einsatz geeignet seien. Mit diesen Stoffen liege aber bisher noch wenig Erfahrung in der Fahrzeugindustrie vor.
Die Springer-Autoren Kennel und Raimer prognostizieren, dass zunächst ORC-Technologien in den Markt kommen. Doch auch hier gäbe es noch verschiedene Stellschrauben und Möglichkeiten die Effizienz zu erhöhen, je nachdem welches Medium genutzt werde oder ob die Energieumwandlung auf einer Kolbenmaschine oder Turbine basiert. Waste Heat Recovery sei eine Technologie, deren Einsatz oder Effizienz deutlich von der Gesamtkonfiguration abhänge. Zurzeit sähe es danach aus, dass SCR-only-Konfigurationen die Wahrscheinlichkeit des Einsatzes von Waste Heat Recovery minimieren.