Nutzung der Abwärme in Straßen- und Schienenfahr­zeugen mit Verbrennungsmo­tor(en) - heat4efficiency

Zielstellung

Aufbauend auf dem Vorgängerprojekt HiTEG soll die Integration von thermoelektrischen Generatoren (TEG) (Link auf „Thermoelektrizität“ auf der Seite HiTEG) in den Abgasstrang von dieselelektrischen Schienenfahrzeuge untersucht werden. Durch die Rückführung von bisher ungenutzter Abgasenthalpie kann ein Beitrag zur Effizienzsteigerung von Verbrennungskraftmaschinen geleistet werden. Um den künftigen Anforderungen an eine effektive Abgasnachbehandlung und den damit auftretenden hohen Temperaturen gerecht zu werden, sollen umweltfreundliche Silizid-TE-Chips kombiniert mit der vorhandenen Bi₂Te₃-Dünnschichttechnologie zum Einsatz kommen.

Methodik

In enger Zusammenarbeit mit der Bombardier Transportation GmbH, als Vertreter der Schienenfahrzeugtechnik, und dem Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM) kann der Einsatz sowohl im Schienenfahrzeug evaluiert als auch auf innovative TE-Materialentwicklungen zurückgegriffen werden. Basierend auf den gewonnen Erfahrungen des Vorgängerprojekts HiTEG, liegt ein besonderer Fokus auf der Optimierung des Wärmeübergangs vom Abgas zum Wärmetauscher. Die spezifischen Randbedingungen, wie zum Beispiel ein maximaler Abgasgegendruck oder ein maximales Einbauvolumen, erzwingen die umfassende Evaluation und Optimierung des Wärmeübergangs und des Wärmetauchers.

Zur Auslegung, Optimierung und Bewertung von TEM und TEG wird auf die an der Professur entwickelte Prozesskette zurückgegriffen, mit der es möglich ist, das TEM und den TEG unter Beachtung aller relevanten Randbedingungen zu optimieren, siehe Abbildung 1. Die anschließende Energiesimulation mit dem an der Professur entstandenen Simulationswerkzeug Hybrid Train Optimizer (HTO) ermöglicht die Bewertung der zu erwartenden Kraftstoffverbrauchseinsparung und eine ganzheitliche Kosten-Nutzen-Analyse.

© IFKM/DMT

Um eine höhere Wirtschaftlichkeit zu erreichen und das Einsatzspektrum auf Straßenfahrzeuge, Binnenschiffe oder Blockheizkraftwerke ausweiten zu können, wird weiterführend eine Modularisierungsstrategie für das TEM und den Wärmetauscher erarbeitet. Die finalen Optimierungsergebnisse dienen dem Bau eines Lokomotiv-Demonstrators, sodass die Potenziale im realen Einsatz evaluiert und die Simulationsmodelle validiert werden können.

Aktueller Stand

In Abstimmung mit den Projektpartnern wird ein Lastenheft erstellt, um die konstruktiven und normativen Anforderungen des TEG festzuhalten, die für einen Einsatz in Lokomotiven erforderlich sind. Darüber hinaus wird die Konstruktionsvariante der TEM konkretisiert und Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeübergangs geprüft.

Veröffentlichungen

• Wilbrecht, S.; Beitelschmidt, M.; Heghmanns, A.: Thermoelektrische Generatoren zur Abgasenthalpienutzung in dieselelektrischen Lokomotiven. Elektrische Bahnen 05/2017, S. 222-229.
• Wilbrecht, S.; Beitelschmidt, M.: Thermoelektrische Generatoren zur Abgasenthalpienutzung in dieselelektrischen Lokomotiven. IZBE/VDE-Symposium: Elektrische Fahrzeugantriebe und -ausrüstungen, Dresden, 2016.
• Wilbrecht, S.; Heghmanns, A.; Beitelschmidt, M.: Thermoelektrische Generatoren zur Abgasenthalpienutzung in dieselelektrischen Lokomotiven. Ingenieurspiegel: Fachmagazin für Ingenieure, Ausgabe 02/2016, S. 48-52.
• Wilbrecht, S.; Barthelmes, G.; Span, G.; Beitelschmidt, M.; Mazzone, A.: HITEG – High Temperature Thermoelectric Generators for Railway Applications. 11th WCRR - World Congress on Railway Research, Milan, 2016.
• 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.; 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

siehe auch das Publikationsverzeichnis der Professur

Kontakt

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