Wärmetechnische Auslegung eines fahrzeugtauglichen Thermoelektrischen Generators

Vor dem Hintergrund steigender Primarenergiekosten und der zunehmenden gesellschaftlichen und politischen Forderung nach weiterr Reduzierung des CO2-Ausstosses im Personen- und Guterverkehr gewinnt die Nutzung von Abwarmestromen verbrennungsmotorisch betriebener Fahrzeuge  zunehmend an Beachtung. Eines der unterschiedlichen Konzepte, die Verlustwarme in Fahrzeugen zu nutzen, sieht deren direkte Wandlung in elektrische Energie mittels sogenannter Thermoelektrischer Generatoren (TEG) vor. Hierzu wurde in Zusammenarbeit des Deutschen Zentrums fur Luft- und Raumfahrt (DLR) und der BMW Group ein Prototyp eines TEG entwickelt, welcher einen Teil der im Abgas enthaltenen Warme in elektrische Energie wandelt. Der Generator wurde in einem Fahrzeug der oberen Mitteklasse dargestellt und unter realen Einsatzbedingungen erfolgreich geteset.   Im Beitrag werden die warmetechnischen Berechnungen erlautert, welche Teil der rechnergestutzten Entwicklung am DLR waren. Hierbei wurden fur bestimmte Fahrzustande unterschiedliche TEG-Designs entworfen und deren warmetechnisches Verhalten simuliert. Mit Hilfe der am DLR-Institut fur Werkstoff-Forschung gemessenen charakteristischen Eigenschaften der verwendeten Thermoelektrischen Module konnte anhand der errechneten Tmperaturverteilungen somit die zu erwartende elektrische Leistung der konzipierten Designs ermittelt werden. Besonderes Augenmerk lag bei der Auslegung auf der warmeubertragenden Struktur. Zum einen muss diese exakt so ausgelegt werden, dass die zulassigen Heisseitentemperaturen an den Wandlermodulen nicht uberschritten werden, zum anderen muss der von ihr verursachte abgasseitige Druckverlust in einem akzeptablen Bereich liegen, da ansonsten negative Auswirkungen auf den Motorwirkungsgrad zu erwarten sind. Abschliesend wird anhand eines Vergleichs mit Prufstandsexperimenten des spater dargestellten Prototyps gezeigt, dass die errechneten Ergebnisse eine ausreichend hohe Genauigkeit aufweisen.