Hochtemperatur­generatoren für die Abwärmenutzung in Fahrzeugen und Industriebren­neranlagen - HiTEG

Inhaltsverzeichnis

1. 1. Zielstellung
   2. Thermoelektrizität
   3. Methodik
   4. Ergebnisse
   5. Veröffentlichungen

Projektname	Hochtemperaturgeneratoren für die Abwärmenutzung in Fahrzeugen und Industriebrenneranlagen - HiTEG (High-Temperature Thermoelectric Generator)
Teilprojekt	Entwicklung eines Hochtemperatur-Thermogeneratorsystems zur Nutzung von Abwärme in dieselelektrischen Lokomotiven
Bearbeiter	Dipl.-Ing. Jan Alexander Heghmanns
Laufzeit	06/2011 - 05/2014
Nachfolgeprojekt	heat4efficiency
Förderer	Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (Referenz-Nr.: 03X3548H) In enger Zusammenarbeit mit Bombardier Transportation

Zielstellung

Im Rahmen des HiTEG-Projekts (High-Temperature Thermoelectric Generator) hat die Professur für Dynamik und Mechanismentechnik das Einsatzpotenzial von thermoelektrischen Generatoren (TEG) in dem Abgasstrang von dieselelektrischen Schienenfahrzeugen untersucht. Die auf den Effekten der Thermoelektrizität aufbauenden TEG sind in der Lage, einen durch eine Temperaturdifferenz erzeugten Wärmestrom direkt in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Durch die Rückführung von bisher ungenutzter Abgasenthalpie kann daher ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von dieselelektrischen Antrieben geleistet werden.

Thermoelektrizität

Unter Thermoelektrizität versteht man die Umwandlung eines Wärmestroms mittels eines thermoelektrisch aktiven Halbleitermaterials in einen elektrischen Strom und umgekehrt. Technisch ist es möglich, diese Effekte zur Umwandlung von Verlustwärme in elektrische Energie zu nutzen. Dazu können sogenannte thermoelektrische Module (TEM) durch thermische Parallel- und elektrische Reihenschaltung aufgebaut werden, wie es in Abbildung 1 schematisch dargestellt ist. Der Vorteil dieser Technologie ist, dass sie platzsparend eingesetzt werden kann, keine beweglichen Bauteile benötigt und somit potenziell langlebig und wartungsfrei ist. Dementgegen stehen jedoch hohe thermomechanische Spannungen, die aufgrund der hohen, zur effizienten Umwandlung der Wärme notwendigen, Temperaturgradienten entsteht. Somit liegt ein Zielkonflikt zwischen mechanischer Festigkeit und elektrischer Leistungsfähigkeit der TEM vor, der während der Projektbearbeitung beachtet und gelöst werden musste.

Methodik

In enger Zusammenarbeit mit der Bombardier Transportation GmbH, als Vertreter der Schienenfahrzeugtechnik, wurde die Integration dieser thermoelektrischen Module in eine dieselelektrische Lokomotive vom Typ TRAXX P 160 DE ME untersucht. Die bisher ungenutzte Exergie des Abgases der vier Dieselmotoren soll durch einen Wärmetauscher auf die TEM übertragen werden. Zur Erzeugung der nötigen Temperaturdifferenz wird die Kaltseite der TEM mit dem Dieselmotorkühlkreislauf gekoppelt.

Zur Optimierung und Bewertung von TEM und TEG ist an der Professur eine Prozesskette entwickelt worden, mit der es möglich ist, das TEM und den TEG unter Beachtung aller relevanten Randbedingungen zu optimieren und anschließend durch Simulation der Zielanwendung ganzheitlich zu bewerten. Dabei werden klassische TEM Bauweisen und innovative Ansätze betrachtet (siehe Abbildung 2). In einem ersten Schritt wird das TEM mit Hilfe eines parametrisierten Finite Elemente Modells und eines genetischen, mehrkriteriellen Algorithmus für die Zielanwendung optimiert.

Für den Einsatz eines TEM in einem technischen System ist darüber hinaus ein geeigneter Wärmetauscher notwendig, der den thermoelektrischen Generator komplettiert. Dieser wird, zusammen mit dem optimierten TEM, mittels 1D-Thermofluidsimulation modelliert und ebenfalls einer Optimierung mit genetischen, mehrkriteriellen Algorithmen unterzogen (siehe Abbildung 3). Zusätzlich müssen spezifische Randbedingungen, wie zum Beispiel ein maximaler Abgasgegendruck oder ein maximales Einbauvolumen beachtet werden.

Durch die Einbindung eines Kühlkreislaufmodells ist eine realistische Vorhersage der Leistungsfähigkeit möglich. Um eine umfassende energetischen Beurteilung des TEG und der zu erwartenden Kraftstoffverbrauchseinsparung zu gewährleisten, erfolgt die Kopplung mit dem an der Professur entstandenen Simulationswerkzeug Hybrid Train Optimizer (HTO) (Link). Anhand von Fahrstreckendaten verschiedener Personen- und Güterzugkonfigurationen konnte die Leistungsfähigkeit des gesamten TEG-Systems unter realistischen Bedingungen evaluiert werden.

Ergebnisse

Es konnte ein ganzheitlicher Berechnungs- und Optimierungsansatz für thermoelektrische Module und Generatoren entwickelt werden. Insbesondere wurden Methoden zur Entkopplung des thermoelektromechanischen Mehrfeldproblems evaluiert, sodass eine zeiteffiziente Berechnung ermöglicht wird. Mit dem Bau und der Vermessung eines Demonstrators konnten die Berechnungsmodelle validiert werden.

Das erfolgreich abgeschlossene Projekt wird mit dem heat4efficiency-Projekt (Link) fortgesetzt, um die gewonnen Erkenntnisse und Erfahrungen für eine weitere Steigerung der Leistungsfähigkeit des TEG-Systems zu nutzen. Insbesondere ist der Einsatz von Silizid-TE-Materialien geplant, um so einen höheren Anwendungstemperaturbereich zu erschließen.

Veröffentlichungen

• Heghmanns, A.; Wilbrecht, S.; Beitelschmidt, M.; Geradts, K.: Parameter Optimization and Operating Strategy of a TEG System for Railway Vehicles, Journal of Electronic Materials 45 (2016), S. 1633-1641
• Heghmanns, A.; Beitelschmidt, M.:Parameter optimization of thermoelectric modules using a genetic algorithm, Applied Energy 155 (2015), S. 447-454
• Heghmanns, A.; Beitelschmidt, M.; Wilbrecht, S.; Geradts, K.; Span, G.: Development and optimization of a TEG-system for the waste heat usage in railway vehicles, Materials Today: Proceedings 2 (2015), S. 774-783
• Heghmanns, A.; Beitelschmidt, M.: Mehrkriterielle Parameteroptimierung eines Thermoelektrischen Generators. 6. Saxon Simulation Meeting, Chemnitz, 01. April 2014
• Heghmanns, A.; Beitelschmidt, M.: Conception, Evaluation and Optimization of a Thermoelectric Generator Systems, Conference Proceedings of the 16th ITI Symposium, ITI GmbH, Dresden, S. 114-122.
• Heghmanns, A.; Beitelschmidt, M.; Geradts, K.; Barthelmes, G.: Thermoelectric generator systems for waste heat usage in diesel electric vehicles, Thermoelectric Goes Automotive II, Proceedings to Thermoelectrics III, Berlin, 21.11.-23.11.2012, S. 225-240.
• Heghmanns, A.; Schimke, R.; Beitelschmidt, M.; Geradts, K.: Thermoelectric generator systems for waste heat usage in diesel electric vehicles, Energy Efficient Vehicles Technology II, Proceedings to EEVC 2012, Dresden, 18.06.-19.06.2012, S. 164-173.