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Alt 14.05.2008, 19:52     #5
Martin   Martin ist offline
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BL-
Elektrischer Strom aus Abgaswärme: Thermoelektrischer Generator (TEG).


Selbst in einem sehr effizient arbeitenden Verbrennungsmotor wird nur rund ein Drittel der Energie, die im Kraftstoff steckt, in mechanische Arbeit zur Fortbewegung umgesetzt. Die restlichen zwei Drittel gehen in Form von Wärme verloren, die über das Abgas und den Kühler an die Umgebung abgegeben wird. Obwohl heute diese Energie zum Teil schon beispielsweise mittels Abgasturbolader genutzt wird, liegt hier im Kundenbetrieb noch erhebliches Potenzial von bis zu 5 % zur Verringerung der CO2-Emissionen. Nur rund 1/3 der im Kraftstoff gespeicherten Energie wird in mechanische Energie umgewandelt – 2/3 gehen als Abwärme verloren.

Mit der Einführung von EfficientDynamics wurden bereits einige sehr wirkungsvolle Maßnahmen zur Optimierung des Wärmehaushalts im Motor umgesetzt. Beispielsweise die Luftklappensteuerung im Frontend. Unter anderem zählt auch die elektrische Kühlmittelpumpe, die nur dann im Betrieb ist wenn sie benötigt wird, dazu. Die Entlastung des Motors beträgt so bis zu 2.000 Watt. Neue Entwicklungspotenziale nutzen. Die Stromgewinnung im Fahrzeug ist nach wie vor eine Prozesskette mit hohen Verlusten. Denn die chemische Energie, die im Kraftstoff steckt, wird im Motor zunächst in mechanische Energie umgewandelt. Erst dann erfolgt die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie mittels eines Generators.

In der Praxis bedeutet das, dass der Verbrennungsmotor etwa zwei Watt mechanische Energie bereitstellen muss, um ein Watt elektrische Energie zu erzeugen. Die Ingenieure der BMW Group arbeiten deshalb an zahlreichen Lösungsansätzen, um im Fahrzeug die Stromgewinnung mit höherem Wirkungsgrad zu ermöglichen. Neben dem Einsatz von Brennstoffzellen (Auxilary Power Unit – APU) beschäftigen sie sich auch intensiv mit der Nutzung der Abwärme.



Kraft-Wärme-Kopplung im Auto.

Ein Forschungsprojekt ist beispielsweise der so genannte Turbosteamer, der die Abwärme im Kühlmittel und Abgas verwendet, um die Motorleistung und das Drehmoment zu erhöhen und gleichzeitig den Verbrauch zu senken.

In grundlegenden Prüfstandsversuchen lassen sich damit unter Laborbe dingungen Wirkungsgradverbesserungen und damit Verbrauchsreduzierungen von bis zu 15 % erzielen. Der Turbosteamer basiert auf dem Prinzip der Dampfmaschine: In zwei Kreisläufen wird Dampf erzeugt, der wiederum einen Motor antreibt. Primärer Energielieferant ist der Hochtemperaturkreis, der über Wärmetauscher die Abgaswärme des Verbrennungsmotors als Energiequelle nutzt. Über 80 % der im Abgas enthaltenen Wärmeenergie können so zurückgewonnen werden und dem Dampfkreislauf zugeführt werden. Der Dampf strömt danach direkt in eine Expansionsmaschine, die mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors gekoppelt ist.


Thermoelektrischer Generator: Strom aus Abwärme.

Ein anderer, sehr viel versprechender Lösungsansatz ist die direkte Umwandlung von Wärme in elektrischen Strom. Dabei orientieren sich die Ingenieure der BMW Group an einer Technologie, die von der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA schon seit etwa 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, waren diese für den Einsatz im Automobilbereich ungeeignet. In den letzten Jahren hat die Material- und Werkstoffforschung jedoch große Fortschritte erzielt, wodurch die Leistungsfähigkeit solcher Module erheblich gestiegen ist. Fortschritt in der thermoelektrischen Materialentwicklung. In den Entwicklungsabteilungen der BMW Group arbeiten die Ingenieure im Rahmen eines Entwicklungsprojekts nun an der Integration von thermoelektrischen Generatoren ins Fahrzeug. Während in Raumsonden beispielsweise ein radioaktives Zerfallselement als Wärmequelle dient, wird in der automobilen Anwendung die Verlustwärme im Abgas genutzt. Dazu wird ein thermoelektrischer Generator in den Abgasstrang integriert. Die Rohrquerschnitte werden dabei so angepasst, dass die Charakteristik des Verbrennungsmotors nicht beeinträchtigt wird.


Thermoelektrischer Generator im BMW 5er Technologieträger.

Darüber hinaus bietet das Wärmerückgewinnungssystem die Möglichkeit, Subsysteme an Bord des Fahrzeugs, wie das Getriebe oder die Heizung im Kaltstart, mit zusätzlicher Wärme zu versorgen und damit einen weiteren Beitrag zur Effizienzsteigerung zu leisten. Zu einem späteren Zeitpunkt ist auch denkbar, dass dieses innovative Stromaggregat in einen Katalysator integriert wird. Denn bei Umkehrung des Prozesses, wenn nämlich Strom in die Halbleiter geschickt wird (Peltier-Effekt), könnte das Aggregat als Katalysatorheizung dienen, um die Rohemissionen beim Kaltstart zu verringern. Sobald das Abgas heiß genug ist, kann der Prozess umgekehrt werden, um damit Strom zu erzeugen. Aktuell kann das System eine elektrische Leistung von ca. 200 Watt erzeugen. Aber die Materialforschung macht rasante Fortschritte und das hoch gesteckte Ziel, die Leistungsfähigkeit auf 1.000 Watt zu steigern, rückt in greifbare Nähe. Zukünftig ließen sich dann damit Verbrauchsvorteile von bis zu 5 % im Kundenbetrieb erzielen. Der TEG ist eine ideale Ergänzung zur Bremsenergie-Rückgewinnung. Denn während diese im Schubbetrieb und beim Bremsen durch die in die Batterie eingespeiste zurückgewonnene Energie Verbrauchsvorteile erzielt, spielt der TEG seine Vorteile dann aus, wenn es am meisten Spaß macht – nämlich beim Gas geben.
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