Entwicklung bei BMW: Energienutzung der Motor-Abwärme

Selbst ein sehr effizient arbeitender Verbrennungsmotor kann nur rund ein Drittel der Energie, die im Kraftstoff steckt, in mechanische Arbeit zur Fortbewegung umsetzen. BMW EfficientDynamics hat hier über die vergangenen Jahre einen großen Effizienzsprung bewirkt, beispielsweise durch Technologien wie der Direkteinspritzung, variabler Ventilsteuerung oder Abgasturboaufladung, Bremsenergierückgewinnung oder Auto-Start-Stopp Funktion. Rund 60 Prozent der generierten Energie gehen allerdings je zur Hälfte als Abwärme im Abgas und im Kühlwasser verloren. Diese Abwärme zu nutzen, ist einer der größten Stellhebel von BMW EfficientDynamics für die Zukunft. Deshalb arbeitet die BMW Group in mehreren Projekten, die unterschiedliche Ansatzpunkte verfolgen, in Forschung, Vor- und Serienentwicklung an der Nutzung dieser Abwärme. Dazu gehören beispielsweise die Themen Turbosteamer, Thermoelektrischer Generator, Motorkapselung oder auch ein Abgaswärmetauscher zur Ölheizung.

Die Projekte „Turbosteamer“ und „Thermoelektrischer Generator (TEG)“ verfolgen dabei, auf unterschiedlichem Weg und mit unterschiedlichem Zeithorizont, den Ansatz, aus der Abwärme elektrischen Strom zu generieren und so eine weitere Verbesserung des Antriebswirkungsgrades zu erreichen. Denn wenn die an Bord eines Fahrzeugs benötigte elektrische Energie nicht über den Generator erzeugt werden muss, sondern direkt aus der Abwärme gewonnen werden kann, bietet dies erhebliches Spritsparpotenzial. Ein weiterer Meilenstein in der Philosophie von BMW EfficientDynamics, weniger Emissionen und Verbrauch bei gleichzeitig mehr Dynamik und Leistungsfähigkeit zu erreichen.

BMW Turbosteamer – Vorbild Kraftwerk.
In dem Projekt „Turbosteamer“ arbeiten die Spezialisten der BMW Group Forschung und Technik an einem Abwärmenutzungssystem, welches auf dem Prinzip eines Dampfprozesses basiert.

Der Ansatz, aus Verlustwärme Energie zurückzugewinnen, wurde im großen Maßstab bereits mit Erfolg in Kraftwerken umgesetzt: Moderne Gas- und Dampfkraftwerke kombinieren die Prinzipien einer Gasturbine sowie eines Dampfkreislaufs und erreichen mit dieser Kombination signifikant höhere Wirkungsgrade. Der Gasturbinenprozess als erste Energiewandlungsstufe dient dabei als Wärmequelle für den nachgeschalteten Dampfprozess, der als zweite Stufe fungiert.

Mit dem Turbosteamer wird dieses Prinzip der zweistufigen Energiewandlung von der Stationäranwendung auf den automobilen Einsatz übertragen.

Die erste Generation des Turbosteamers – ein Maximalansatz.
In der ersten Generation, die im Dezember 2005 vorgestellt wurde, wiesen die Forscher die grundsätzliche Machbarkeit mit einem Maximalansatz nach: Dafür legten sie das System auf zwei Kreisläufe aus. Primärer Energielieferant war ein Hochtemperaturkreislauf, der über Wärmetauscher die Abgaswärme des Verbrennungsmotors als Energiequelle nutzte. Zusätzlich hierzu wurden die Kühlwasserwärme des Verbrennungsmotors sowie die Restwärme des Hochtemperaturkreislaufes in einen Niedertemperaturkreislaufs eingekoppelt.

Mit diesem Maximalansatz konnte am Prüfstand auf Basis des damals aktuellen BMW Vierzylinder-Ottomotors eine Zusatzleistung von bis zu 15 Prozent für das kombinierte Antriebsystems nachgewiesen werden.

Turbosteamer heute: kleiner und einfacher.
Um das Konzept in Richtung Serientauglichkeit weiterzuentwickeln, konzentrieren sich die Aktivitäten seitdem auf die Verkleinerung der Komponenten und die Vereinfachung des Systems zur Verbesserung der Systemdynamik sowie auf ein optimiertes Kosten-Nutzen-Verhältnis. Dazu fokussieren die Forscher auf die Nutzung der Abgaswärme in einem einzigen Hochtemperaturkreislauf.

„Über einen Wärmetauscher wird dem Abgas Wärme entzogen, wodurch ein zuvor auf Druck gebrachtes flüssiges Arbeitsmedium verdampft. Dieser Dampf treibt eine Expansionsmaschine an, die aus der zurückgewonnenen thermischen Energie elektrische Energie erzeugt.“, erklärt Jürgen Ringler, Gruppenleiter Thermische Energiewandler bei der BMW Group Forschung und Technik. Für die neueste Generation des Turbosteamers entwickelten die Ingenieure eine innovative Expansionsmaschine, basierend auf dem Prinzip der Gleichdruckturbine, welche bezüglich Kosten, Gewicht und Bauraum für eine Industrialisierung deutliche Vorteile im Vergleich zu den bisherigen Konzepten bringt.

„Damit sind wir dem damals formulierten Ziel, innerhalb von ungefähr zehn Jahre ein serientaugliches System zu entwickeln, einen großen Schritt näher gekommen. Dieses System wird dann nur noch zehn bis 15 kg auf die Waage bringen und in der Lage sein, die Bordstromversorgung des Fahrzeugs während Fahrten auf Landstraßen und Autobahnen komplett abzudecken.“ so Ringler weiter. Unter diesen Rahmenbedingungen sehen die Entwickler im Kundenbetrieb auf der Langstrecke ein Potenzial zur Verbrauchsreduzierung von bis zu zehn Prozent.

Erstmalige Integration des Systems als Mock-up in einer BMW 5er Limousine.
Die auf dem Prüfstand entwickelten Systemkomponenten sind bereits heute geometrisch ins Fahrzeug integrierbar. Beweis dafür ist die erstmalige Darstellung des Kreislaufs als Mock-up in einer BMW 5er Limousine.

Thermoelektrischer Generator.

Auch das Projekt Thermoelektrischer Generator hat schon mehrere Entwicklungsstufen hinter sich, die den Weg zur Serieneinführung ebnen. Zunächst unterschieden sich die beiden bereits vorentwickelten Systeme im Einbauort – Abgasanlage bzw. Abgasrückführung. Die neueste Entwicklungsstufe für den Einbau in die Abgasanlage erreicht einen nächsten Sprung im Wirkungsgrad durch weitere Verbesserungen, vor allem hinsichtlich Gewicht und Bauraum.

Strom aus Abwärme – eine Lösung aus der Raumfahrt.
Der thermoelektrische Generator wandelt Wärme direkt in elektrischen Strom um. 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.

Ein Prinzip – drei Generationen.
Zunächst integrierten die Ingenieure einen thermoelektrischen Generator für die Stromgewinnung in den Abgasstrang. Im ersten System, das 2008 gezeigt wurde, war die mit dem System erzeugbare elektrische Leistung mit maximal 200 Watt noch gering. Die Materialforschung und die Weiterentwicklung hinsichtlich des Gewichts und der Optimierung des Einbaus führen aber zu rasanten Fortschritten, so ist die neueste Generation TEG in der Abgasanlage mittlerweile nachgewiesen in der Lage 600 Watt zu erzeugen und das ursprünglich hoch gesteckte Ziel, bis zu 1.000 Watt zu erzeugen, rückt in greifbare Nähe. Der aktuelle Prototyp – ein BMW X6 – entstand im Rahmen eines vom amerikanischen Department of Energy geförderten Entwicklungsprojekts.

Daneben zeigte die BMW Group 2009 eine alternative Entwicklungsstufe dieses Projekts. Im Gegensatz zur alleinstehenden Unterbodenlösung, wird der TEG hier als Bauteil im Kühler der Abgasrückführung integriert. In dieser Entwicklungsstufe sorgt der TEG im Kundenbetrieb für eine Energiegewinnung von bis zu 250 Watt und ermöglicht damit bereits einen CO2- bzw. Verbrauchsvorteil von bis zu zwei Prozent.

Außerdem bietet dieses Energierückgewinnungssystem zusätzliche Effekte: beispielsweise die Versorgung des Motors oder der Heizung mit zusätzlicher Wärme beim Kaltstart. Der thermoelektrische Generator ist eine ideale Ergänzung zur BMW EfficientDynamics Bremsenergie-Rückgewinnung. Denn während diese im Schubbetrieb und beim Bremsen für Energierückgewinnung sorgt, spielt der TEG seine Vorteile dann aus, wenn es am meisten Spaß macht – nämlich beim Gas geben. Zukünftig lassen sich so mit thermoelektrischen Generatoren im realen Kundenbetrieb insgesamt Verbrauchsvorteile von bis zu 5 % erzielen.