BMW nutzt die Abwärme von Motoren
Eines der größten Ärgernisse beim Verbrennungsmotor ist sein geringer Wirkungsgrad. Doch die Wärmeverluste lassen sich nutzen: ganz unmittelbar für den Antrieb oder um das Bordnetz des Autos zu entlasten
München, 30. August 2011 – Eines der größten Ärgernisse beim Verbrennungsmotor ist sein relativ geringer Wirkungsgrad, selbst gute Dieselmotoren kommen beim Pkw kaum über 40 Prozent. Was nicht in Vortrieb umgesetzt wird, entweicht zu einem großen Teil als Wärme. Sie lässt sich zwar im Winter für die Innenraumheizung nutzen, ist davon abgesehen aber verschenkte Energie. BMW forscht bereits seit Jahren an verschiedenen Verfahren, welche die Abwärme nutzbar machen. Angriffspunkte dafür gibt es genügend, denn sie lässt sich etwa dem Kühlwasser oder dem Abgas entziehen.
Dampfmaschine
Ein Ansatz von BMW besteht darin, mit dem so genannten "Turbosteamer" Energie auf der Grundlage eines Dampfprozesses zu gewinnen. In der ersten Generation der Technik, die BMW 2005 vorstellte, sahen die Ingenieure dafür zwei Kreisläufe vor. Primärer Energielieferant war ein Hochtemperaturkreislauf, der über einen Wärmetauscher die Abgaswärme nutzte. Darüber hinaus wurde die Kühlwasserwärme sowie die Restwärme des Hochtemperaturkreislaufs in einen Niedertemperaturkreislauf eingekoppelt. Am Prüfstand erzielte BMW damals eine Zusatzleistung von 15 Prozent für das kombinierte Antriebssystem – "kombiniertes Antriebssystem" deswegen, weil nicht nur der Verbrennungsmotor die Kurbelwelle antrieb, sondern eben auch die "Dampfmaschine".
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Bei der zweiten Generation des Turbosteamers wählte BMW einen etwas anderen Ansatz: Erstens konzentrierten sich die Entwickler ausschließlich auf den Hochtemperaturkreislauf, zweitens konnten sie die Größe der beteiligten Komponenten deutlich verringern und drittens wird nun die Energie nicht direkt mechanisch auf die Kurbelwelle übertragen, sondern in elektrische Energie umgesetzt. Diese Lösung hat laut BMW hinsichtlich "Kosten, Gewicht und Bauraum für eine Industrialisierung deutliche Vorteile im Vergleich zu bisherigen Konzepten". Der Schwenk zur Stromerzeugung statt einer Umsetzung in Vortrieb hängt wohl damit zusammen, dass die Bordnetzanforderung bereits hoch sind und noch höher werden. Alles was es an Sicherheits-, Komfort- oder Infotainmentfunktionen im Fahrzeug gibt, muss letztlich von dem Strom versorgt werden, den normalerweise über den Umweg des Generators der Verbrennungsmotor erzeugen muss.
Der Turbosteamer der zweiten Generation kann als ideale Ergänzung der Bordnetzrekuperation gelten, die bereits in Serie verbaut wird. Der offenkundige Unterschied: Nicht Schubphasen werden zum Erzeugen des Stroms genutzt, sondern die im Fahrbetrieb dominierenden Lastphasen. Somit kann praktisch die gesamte Bordnetzversorgung abgedeckt werden, was laut BMW einen Verbrauchsvorteil von gut 10 Prozent ergibt. Wann ein solches System in Serie gehen kann, ist noch nicht ganz klar, die Technik befindet sich aber immerhin an der Schwelle zur Serienentwicklung, wie wir auf Nachfrage erfuhren.
Strom aus Abwärme
Bereits in der frühen Serienentwicklung befindet sich dagegen der "thermoelektrische Generator" (TEG), der Wärme auf ganz andere Weise nutzbar macht. Er bedient sich des so genannten Seebeck-Effekts, der darin besteht, dass thermoelektrische Halbleiterelemente bei einem Temperaturgefälle eine elektrische Spannung erzeugen. BMW forscht bereits seit einigen Jahren an dieser Technik, wobei bisher ein Mangel an geeigneten Materialien den ganz großen Durchbruch verhinderte. In den letzten Jahren habe es aber bei der Materials- und Werkstoffforschung große Fortschritte gegeben.
Zunächst integrierten die Entwickler den TEG im Abgasstrang. Im ersten System, dass 2008 vorgestellt wurde, war die elektrische Leistung mit 200 Watt noch relativ bescheiden. Fortschritte bei den Materialien und beim Einbau führen aber "zu rasanten Fortschritten", sodass die Leistungsausbeute mittlerweile 600 Watt beträgt – 1000 Watt hat sich BMW zum Ziel gesetzt. Auch der TEG ist eine gute Ergänzung zur Bordnetzrekuperation und könnte nach Schätzungen des Autobauers den Kraftstoffverbrauch um etwa 5 Prozent senken. 2009 wurde alternativ zum TSG im Unterboden des Fahrzeugs ein Element in die Abgasrückführung integriert. Diese Lösung erbrachte einen Energiegewinn von 250 Watt, was sich in einen Verbrauchsvorteil von etwa zwei Prozent übersetzen lässt.
Für die Frage, ob sich die beiden Systeme kombinieren lassen, ist es wahrscheinlich zu früh, zumal die Kosten noch nicht klar sind und beide Techniken die Komplexität erhöhen. Rein energetisch betrachtet steht einer Kombination wohl weniger im Wege, weil insgesamt mehr als genug Abwärme für beide Systeme zur Verfügung steht. Komplizierter wird aber in jedem Fall das Wärmemanagement, weil die Beiträge von Innenraumheizung, Kaltstartheizen und Energieerzeugung sinnvoll organisiert werden müssen.
Gerade bei Kurzstrecken und im Stadtverkehr können darüber hinaus die Isolierung des Motorraums, die aktive Erwärmung des Getriebeöls durch einen Wärmetauscher oder die Heizfunktion des Abgaswärmetauschers beim relativ effizienten Dieselmotor eine Verbrauchssenkung bewirken. Der TEG könnte zum Beispiel dabei helfen, die Kaltstartphase des Motors zu verkürzen, um auf diese Weise Verschleiß und Verbrauch zu senken sowie die Innenraumheizung zu unterstützen.
Komplexes Zusammenspiel
Es gibt also eine Menge Möglichkeiten, ausgerechnet die Verlustwärme des Verbrennungsmotors in einen Vorteil umzukehren, zumindest teilweise. Abgesehen von der notwendigen Serienreife der Teillösungen ist aber noch eine übergeordnete Aufgabe zu lösen: Das "intelligente" Zusammenspiel all dieser Funktionen ist eine Herausforderung, die vermutlich mindestens ebenso groß ist – zumal im realen Entwicklungsprozess die dabei gewonnenen Erkenntnisse in der Regel auf die beteiligten Komponenten zurückwirken. (ggo [3])
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