Automobil 30.10.2009, 19:43 Uhr

Bordstrom direkt aus Autoabgas zapfen  

Mit der Abwärme aus einem Dieselmotor erzeugt BMW Strom, der direkt ins Bordnetz fließt. Die Kombination aus Abgasrückführung und thermoelektrischem Generator (TEG) sei in drei Jahren in Serie zu erwarten, kündigte der Hersteller auf seinen Innovationstagen 2009 in München an. Der TEG werde etwa 250 W Strom aus dem heißen Abgas rückgewinnen und so 2 % Kraftstoffreduzierung für den Kunden bewirken, erklärten die BMW-Ingenieure. VDI nachrichten, München, 30. 10. 09, wop

Im Fahrzeug selbst sieht es kaum besser aus. Effektive Diesel- und Benzinmotoren wandeln nur ein Drittel der Kraftstoffenergie in Vortrieb um. Der Rest verschwindet als Wärme im Abgas und im Kühlwasser.

BMW wird Teile dieser Verlustenergie bald rückgewinnen. Schon in etwa drei Jahren sollen in Dieselmodellen des Herstellers sogenannte thermoelektrische Generatoren (TEG) Strom aus Abgashitze gewinnen und direkt ins Bordnetz speisen. Auf seinen Innovationstagen 2009 in München stellte der Herstellers die Technologie jüngst vor.

Energierückgewinnung aus der Abgashitze reduziert Kraftstoffverbrauch um 2 %

Der TEG wird bis zu 250 W Strom aus dem heißem Abgas der Abgasrückführung (AGR) des Dieselmotors erzeugen und somit 2 % Kraftstoffreduzierung für den Kunden bewirken, erklärten die Ingenieure. Die Energierückgewinnung aus Abwärme nutzt den thermoelektrischen Effekt, den der deutsche Physiker Thomas Seebeck schon vor 188 Jahren entdeckte: Setzt man bestimmte Materialien hohen Temperaturdifferenzen aus, entsteht elektrische Spannung. Seit den 1960er-Jahren setzt die NASA TEG als zuverlässige Stromquelle für lange Raummissionen ein.

2004 präsentierte BMW erstmals die Integration eines TEG im Abgasstrang eines 535i. Als Ziel gaben die Ingenieure seinerzeit aus, 1 kW zurückzugewinnen. Damit ließe sich der Kraftstoffverbrauch um bis zu 8 % reduzieren. Heute werden im Kundenbetrieb je nach Fahrzeugtyp, Ausstattung und Streckenprofil 3 % bis 8 % des gesamten Kraftstoffverbrauchs für die Stromerzeugung aufgewandt.

Im jetzigen Konzept wechseln die Entwickler vom Hauptabgasstrang in den Kühler – genauer gesagt in die Abgasrückführung (AGR) des Dieselmotors. Hier habe der TEG eine schnelle Chance für den Serieneinsatz. Denn er wird in die bereits bestehende Struktur der Abgasrückführung integriert, ohne die Abgasrückführung zu beeinträchtigen, und findet dort vor, was er braucht: (Abgas-)Hitze und (Wasser-)Kühlung. Im Abgasstrang galt u. a. die Problematik eines erhöhten Abgasgegendrucks und der hohe Aufwand der Integration als Hindernis. Die Ingenieure hatten dort auf eine Bypasslösung gesetzt.

Beim TEG gilt, je größer die Temperaturdifferenz, desto höher ist die erzeugte Spannung. Da abhängig vom Lastzustand des Motors an der heißen Seite des Generators die Abgastemperatur zwischen 300 oC und 900 oC liegt, werden im TEG Hoch- und Niedertemperaturmodule gekoppelt, um die Stromerzeugung über einen möglichst breit gefächerten Bereich zu ermöglichen. Für die kalte Seite des TEG wird das Kühlmittel des Motors verwendet.

Um Restgas aus den Zylindern zu kühlen und bei Bedarf rückführen zu können, verfügt die AGR über eine Wasserkühlung (durch das Motorkühlmittel) und eine Regelklappe. Laut BMW bietet damit der Kühler der AGR beste Voraussetzungen, denn neben einer Wasserkühlung für die Kaltseite und einer Klappe zur Regelung des Abgasstroms benötigt der „AGR-TEG“ lediglich zusätzlich das thermoelektrische Material.

Thermoelektrischer Generator ist integraler Bestandteil der Abgasrückführung

Das heiße Abgas für den AGR-TEG wird direkt hinter dem Abgaskrümmer abgezweigt, also noch vor der Turbine des Abgasturboladers. Hier stehen deutlich höhere Temperaturen zur Verfügung, was die TEG-Effizienz erhöht.

Bei der Integration des TEG in die AGR – BMW arbeitet beim Projekt mit den Zulieferern Benteler und Emitec zusammen – liegt die Herausforderung in der isolierenden Eigenschaft der thermoelektrischen Materialien, erklärten die Ingenieure. Sie mussten deshalb den Bauraum der AGR vergrößern. Das genutzte Restgas werde weiterhin nahezu ohne Druckverlust gekühlt und erzeugt darüber hinaus nun auch Strom.

In der Serie soll die AGR-TEG-Lösung 250 W aus dem Abgas des Diesels gewinnen – vorläufig bis zu einem Tempo von 130 km/h. Künftig will BMW zusätzlich einen größeren TEG im Hauptabgasstrang realisieren – als Unterbodenlösung oder direkt in den Katalysator integriert. Diese Lösung wäre jedoch mit deutlich mehr Konstruktionsaufwand verbunden. Gelingt es damit, 1 W Leistung bei 130 km/h zu gewinnen, ließe sich der Verbrauch eines 5er BMW um weitere 5 % senken.

Der Charme der TEG liegt darin, dass sie auf Autobahnen und Landstraßen besonders viel Strom liefern und so die Bremsenergierückgewinnung im Stadtverkehr ergänzen.

W. PESTER/P. TRECHOW

Von W. Pester/P. Trechow
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