Thermoelektrischer Generator (TEG) integriert in die Abgasrückführung
BMW
Der Einsatz von thermoelektrischen Generatoren im Automobil kann dabei helfen, Kraftstoff zu sparen. Doch die Nutzung der Motorabwärme zur Stromerzeugung steht noch am Anfang der Entwicklung.
Der Stromverbrauch im Fahrzeuge nimmt durch den steigenden Grad der Elektrifizierung und wachsende Ausstattungsumfänge immer mehr zu. Abhängig vom Fahrzeugtyp, Ausstattung und Streckenprofil ist die Stromerzeugung heute für drei bis acht Prozent des gesamten Kraftstoffverbrauchs im Kundenbetrieb verantwortlich. Bedingt wird dies durch die hohen Verluste, die mit den verschiedenen Wirkungsgraden und Übersetzungsstufen im Fahrzeug einhergehen.
Um diesen Energiebedarf ohne Kraftstoffverbrauch zu decken, entwickelten die Ingenieure den thermoelektrischen Generator (TEG). Die Entwicklung basiert auf einer Technologie, die bereits seit den 1960er Jahren zur Stromerzeugung in Raumsonden eingesetzt wird. Diese Technologie macht sich den Effekt zu Nutze, dass in thermoelektrischen Halbleiterelementen durch ein Temperaturgefälle eine elektrische Spannung entsteht (Seebeck-Effekt). Je größer die Temperaturdifferenz ist, desto höher ist die erzeugte Spannung.
Rund 10 bis 15 % Kraftstoffeinsparung möglich
Gerade im Bereich der Fahrzeugtechnik werden sehr hohe Anforderungen an die Teilkomponenten des TEGs gestellt – vor allem bezüglich ihrer Langzeitstabilität. Im Zuge strenger EU-Auflagen zur Reduzierung des CO2-Austoßes der Automobilflotte, zeigen einige Automobilhersteller viel Interesse am Einsatz von Thermoelektrik zur Energierückgewinnung aus Abwärme. Die Hersteller wollen mithilfe dieser Technologie - unter Einsatz von Hochtemperaturmodulen - rund 10 bis 15 % Kraftstoffeinsparung in nächsten Jahren erreichen. Schon heute können thermoelektrische Systeme, abhängig vom Fahrzyklus, zu durchschnittlichen Kraftstoffeinsparungen von bis zu 5 % beitragen.
Beispielsweise hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) fahrzeuggerechte TEG entwickelt.In Zusammenarbeit mit der BMW Group konnten 200 W elektrischer Leistung in einem Versuchsfahrzeug demonstriert werden. Mit zukünftigen Materialien seien Leistungen von bis zu 600 W und damit ein Verbrauchspotenzial von 5 % zu erwarten. Künftige Entwicklungsschwerpunkte seien die Verbesserung des Wirkungsgrades bei neuen beziehungsweise weiterentwickelten thermoelektrischen Materialien, die Optimierung der Wärmeübergänge und die Fahrzeugintegration in weiteren thermodynamisch und betriebstechnisch sinnvollen Bereichen.
Thermoelektrische Generatoren aus Nano-Silizium
Die Zukunft des thermoelektrischen Generator werde laut BMW sehr stark davon abhängen, inwieweit die heute im Labor dargestellten, effizienten Materialien so weiterentwickelt werden können, dass sie kostengünstig herstellbar sind und auch den strengen Anforderungen einer Abgasanlage standhalten können. Beispielsweise arbeiten Forscher des Instituts für Energie- und Umwelttechnik (IUTA) - einer Forschungsvereinigung der AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen) - an thermoelektrischen Generatoren aus Nano-Silizium. Ziel sei es, die neue Technologie so zu optimieren, dass sie bei gleichem Wirkungsgrad kostengünstiger wird und sich für die Massenproduktion eignet.